센서 해상도의 한계를 넘은 VN 픽셀 시프트 기술

현재 산업용으로 공급되고 있는 최대 해상도인 Interline CCD 센서는 Truesense Imaging(구 코닥)의 29메가 픽셀(6576×4384) 센서이다. 그러나 이미 8세대 생산 설비를 갖춘 LCD 등의 FPD 시장에서는 더 이상 29메가 픽셀 해상도로는 FPD 검사에서 요구하는 초고해상도를 충족할 수 없다. 이 시장의 요구사항을 바탕으로 뷰웍스에서 픽셀 시프트(Pixel Shift) 기술을 적용하여 기존 센서의 해상도를 뛰어넘는(VN-29MC 모델의 경우 최대 260 메가 픽셀) VN 시리즈를 개발했다.

픽셀 시프트(Pixel Shift) 기술이란?

CCD(Charge Coupled Device) 센서는 빛을 전하로 변환시켜 영상을 얻어내는 센서이다. Interline CCD 센서는 그림 1과 같이 왼쪽의 광다이오드(photodiode)에 빛이 비추어지면 광자의 양에 따라 전자가 생기고 오른쪽 V1 및 V2 영역에서 전달된 전자를 역단으로 전달한 후 영상을 만드는 구조로 되어 있다. Interline CCD 센서에서 빛을 받아들이는 수광부(photodiode)는 픽셀 면적의 약 70%를 차지하고 있다. 즉 실제 픽셀의 약 30%에 해당하는 면적은 저장 공간으로 활용되어 빛광자(photon)를 받아들일 수 없는 구조이다. 그러므로 이에 해당하는 정보의 손실이 발생하게 된다.

뷰웍스에서 개발한 VN 시리즈는 Interline CCD 센서의 단점을 보완할 수 있도록 나노미터 단위의 정밀도를 갖는 2D 스테이지(2-Dimensional Stage)를 위하여 센서 위치를 X/Y축 방향으로 빠르게 이동하면서 영상을 촬영하여 해상도를 증가시킨다. 이를 통해 100%의 FF(Fill Factor)를 구현한다. 센서 위치를 이동하여 해상도를 증가시키는 방법은 그림 2와 같다.

위와 같이 센서 위치를 X/Y축 방향의 특정 간격(1/2 또는 1/3 픽셀)으로 이동하면서 각 위치에서 1장의 영상을 촬영한다. 촬영된 4장 또는 9장의 영상은 PC로 전달되어 뷰웍스에서 제공하는 소프트웨어 알고리듬을 통하여 하나의 이미지로 조합된다. 조합된 이미지의 해상도는 기존 센서 대비 4배 이상(최대 9배) 증가하게 된다.

VN 시리즈의 활용

VN 시리즈의 픽셀 시프트 기능을 통해 해상도가 증가된 영상을 얻으면 그림 3과 같이 기존 센서 해상도로는 식별하기 힘든 결함을 식별할 수 있다. LCD의 두 결함이 4개의 CCD 픽셀의 한가운데 위치하고 있다고 가정을 해보자.

그림 4와 같이 두 결함의 상이 4개 픽셀의 한가운데 각각 맺히면 센서의 픽셀에 균등한 양의 빛이 전달되어 출력 영상에서는 두 점을 구분할 수 없다. 이때 VN 시리즈의 4 셔트 모드를 사용하면 그림 5와 같이 결함을 식별할 수 있다. 표 1을 참조하면 VN 시리즈는 9 셔트 모드의 경우 VN-8M은 최대 73.3메가 픽셀, VN-11M은 최대 96.4메가 픽셀, VN-16M은 최대 142.4메가 픽셀, VN-29M은 최대 259.5메가 픽셀의 해상도를 각각 구현할 수 있다.

그림 6~11과 같이 MTF 차트의 실제 촬영 영상을 통해 각 모드별로 해상도가 얼마나 증가했는지 확인할 수 있다. 이 테스트에 사용된 카메라는 VN 시리즈의 VN-11M이다.

트루 컬러 영상 구현

실제 촬영한 MTF 차트를 통해 모드 변화에 따라 획기적으로 증가된 해상도를 확인할 수 있다. 이 밖에도 VN 시리즈는 컬러 센서 해상도 증가와 함께 트루 컬러(True Color) 영상을 획득한다. 그림 12는 일반적인 CCD 컬러 센서의 바이어 패튼 구조를 나타낸다. 각 픽셀 위에 하나의 컬러 필터가 위치하여 해당 파장대의 컬러만 받아 들이는 구조로 되어 있다. 이렇게 해서 취득된 데이터는 컬러 영상을 만들기 위하여 그림 13과 같은 알고리듬을 통해 삽입하게 된다. 하지만 이 구조에서는 빛 정보의 2/3가 유실되는 문제가 발생한다. 이러한 빛 정보의 유실을 막기 위해서는 하나의 픽셀에서 빛의 R·G·B 정보를 모두 취득해야 한다.

이와 같이 하나의 픽셀에서 빛의 R·G·B 정보를 모두 취득하는 경우를 트루 컬러라고 한다. VN 시리즈는 그림 14 같은 원리를 통해 트루 컬러를 구현하였다.

그림 14와 같이 센서 위치를 픽셀 간격으로 이동하면서 영상을 촬영하면 각 픽셀 위에 각각 다른 컬러 필터가 위치하게 할 수 있다. 이렇게 촬영된 4장의 이미지는 PC로 전송되어 뷰웍스에서 제공하는 소프트웨어 알고리듬을 통해 해상도 확장과 동시에 트루 컬러를 구현할 수 있다. 그림 15는 실제 촬영한 영상이다.

 
세계가 인정한 기술

뷰웍스의 VN 픽셀 시프트 카메라는 독창적인 기술을 인정받아 Prism Awards의 Detectors·Sensing·Imaging 및 Cameras 부분의 최종 후보로 선정되었다.

세계 유수 기업(전세계 26개 기업) 제품을 제치고 최종 후보로 선정된 것으로 Prism Awards는 SPIE 협회 및 Photonics Media에서 주관하며 매년 혁신적이고 인류의 발전에 기여한 첨단 광학 제품을 선정하는 광학 분야 최고 권위의 상이다.

자료제공 |뷰웍스 www.vieworks.com