머신 비전을 위한 이미지 센서 CCD vs CMOS 이미징 기술의 발전

일부 기업들은 산업용 CMOS 센서는 이제 CCD와 같은 이미지 품질을 제공한다고 주장한다. 하지만, 실제로 그런지 그리고 이런 사실은 머신 비전 시장에서 어떠한 것을 의미하는지 CCD 및 CMOS 이미지 센서 사이의 기술 발전을 통해 알아본다.
이 글은 비전 솔루션을 핵심으로 하여 핵심 제품과 엔지니어링 컨설팅 및 기술지원 서비스를 제공하는 비전 솔루션 전문 기업인 앤비젼이 제공하는 기술 리포트에서 CCD와 CMOS 이미지 센서에 대한 자료를 편집, 정리한 내용이다.

머신 비전 시스템의 주요 요소는 이미지 센서

카메라는 머신 비전 시스템의 눈이지만, 카메라의 핵심은 이미지 센서이다.
이미지 센서 선택은 정확성, 처리량, 감도, 비용 등에 관여하기 때문에 애플리케이션의 모든 요구 사항을 바탕으로 이루어져야 한다. 주요 센서 특성에 대한 기본적인 이해로 개발자들이 빠르고 올바르게 센서에 대한 검색 범위를 좁힐 수 있다.
대부분의 머신 비전 시스템 사용자들은 카메라가 주요 시스템 요소임을 인식하지만, 대부분은 머신 비전 시스템의 ‘이미지 센서’로 말하곤 한다. 하지만, 카메라는 광자를 전자로 변환하는 장치인 이미지 센서를 핵심으로 렌즈, 신호 처리, 통신 인터페이스 등을 포함하는 복잡한 시스템이다. 렌즈 및 기타 요소들은 카메라 기능을 지원하지만, 이미지 센서는 궁극적으로 카메라의 최대 성능 한계를 설정하는 장치이다.
머신 비전 업계 내에서 제조 기술 문제 및 CMOS와 CCD 센서의 상대적 장점을 중심으로 많은 논의를 하고 있다.

CCD vs CMOS 센서

발전 양상
10년 전에는 이미지 품질이 중요한 작업에서 CCD 이미지 센서가 CMOS 센서와 비교하여  더욱 우수하다고 간주되었다.
그러나 휴대 전화 카메라용 CMOS 센서에 대한 상당한 투자가 진행되고 있기 때문에, 현재는 이미지 품질 측면에서 CCD와 비교하여 CMOS 센서 기술은 점차 발전 속도가 빨라지고 있다. 일부 전문가들에 따르면, 그리 멀지 않은 미래에 CMOS 카메라가 머신 비전 시장을 지배할 것이라고 내다보고 있다.
현재 CCD 센서 기술은 거의 정체하고 있지만, CMOS 및 CCD 센서 간의 다양한 속성에 대한 논쟁은 아직 복잡하다. CMOS가 CCD 센서의 시장을 점유해 간다고 하지만 여전히  CCD센서는 머신 비전과 같은 하이엔드 애플리케이션에서 중요한 이미지 센서 기술을 대표하고 있다.

구조의 차이
일반적으로 CMOS 장치는 특정 해상도에서 CCD 장치보다 더 높은 프레임 전송 속도(Frame rate)를 제공하지만, CCD는 이미지 전체에서 더 나은 픽셀 균일성(Pixel uniformity)을 제공한다. CCD의 구조는 픽셀이 Single amplifier를 통해 읽어오기 때문에 많은 픽셀들이 전압으로의 전자 변환은 한 곳에서 발생한다. CMOS 장치는 각 픽셀에서 변환이 발생한다. 고속 CMOS 카메라는 고속 CCD 카메라보다 훨씬 낮은 노이즈를 가지도록 설계할 수 있기 때문에 머신 분야에서 큰 장점이다.
산업용 이미징 측면에서 CMOS 센서가 CCD 센서 시장을 점유하고 있다. 그 이유는 첫 번째 머신 비전 산업에서 CMOS가 더 나은 평가를 받는 높은 Frame rate의 요구가 있기 때문이고, 두 번째 이유로는 CMOS 이미지 품질은 CCD와 동일하다는 것이다.
따라서 CMOS의 모든 장점을 제공하면서 칩 자체에서 주변 전자 회로를 통합할 수 있다. 생산 라인의 협소한 공간에서 비전 설비를 설치할 때 작은 크기의 카메라가 중요하므로 ‘칩 온보드’로 전자 회로를 통합함으로써 더 작고 더 가벼운 카메라를 설계할 수 있다.
일반적으로 CCD에 통합된 유일한 전자 회로는 아날로그 출력 증폭기이다. CCD는 별도의 컨트롤러 칩 및 A/D 컨버터를 필요로 한다. 반면에, CMOS 이미지 센서에서는 A/D 컨버터 및 이미지 센서의 전체 컨트롤 기능이 칩에 통합되어 있다. 머신 비전 산업이 오늘날 요구하는 Frame rate를 목표로 하면 CCD는 더 많은 부품을 써야만 할 뿐만 아니라 성능은 더 떨어진다는게 전문가들의 평가이다.
CMOS 센서는 움직이는 개체를 고정하기 위해 머신 비전 분야에서 매우 중요한 기능인 Global shutter 기능을 가지고 있고 이는 Interline CCD 센서와 유사하다. CMOS 설계로 카메라는 Correlate double sampling 및 Global shutter 기능을 함께 사용하여 더 낮은 노이즈를 발생시킨다. Global shutter CMOS 센서가 여전히 노이즈 측면에서 CCD 센서보다 여전히 뒤쳐져 있다. 만약 매우 낮은 노이즈와 함께 Global shutter 기능이 필요하고 어떠한 속도 제한이 없다면, CCD 센서가 여전히 CMOS 센서보다 우수하다.
CMOS 구조의 단점으로는 전압으로 전자가 개별적인 전환을 개별 픽셀에서 개별적으로 발생하기 때문에 개별 전환이 약간씩 다를 수 있다는 점이다. 이 결과, 이미지 자체에서 픽셀에서 픽셀로 나타나는 Background noise 또는 Non-uniformity가 발생한다.
CMOS 장치에서 이미지가 더 높은 일관성을 유지할 수 있는 보정 알고리즘은 여러가지가 있을 수 있지만, CCD의 장점이 원형 상태에서 문제가 되지는 않는다.
따라서 머신 비전 산업에서 중요할 수 있는 이미지 품질을 매우 높게 설정할 수 있지만, Throughput 또한 매우 중요하다. 고품질의 CCD 장치가 이러한 이미지를 사전에 처리할 수 있는 고가의 소프트웨어를 필요로 하지 않는다. 그 의미는 이미지 분석 기능이 더 빠를 수 있다는 것이다.
CCD는 실외 이미징과 같은 조명이 제어되지 않는 조건을 가진 애플리케이션에서 높은 이미지 품질을 요구하는 작업에 이상적이다. 이런 상황에서 CCD가 제공하는 장점이 고객들로부터 큰 호응을 얻고 있다. 하지만 CCD가 매우 중요한 위치를 가지지만 CMOS 또한 매우 중요한 위치를 가지고 있다.

이미지 센서 기술의 발전

CCD 이미지 센서
CCD 센서는 TDI 카메라 및 근적외선(NIR: Near-infrared) 감도와 같은 CMOS 보다 나은 확실한 장점이 2개 영역에 걸쳐 있다. TDI 카메라는 조명 신호가 약한 경우 매우 유용하다. TDI 카메라는 많은 픽셀 라인에서의 신호를 합하여 동작하고, 강한 신호를 생생하게 하기 위해 효과적으로 이미지를 여러 번의 스냅샷으로 합할 수 있다. CCD 및 CMOS TDI 카메라는 서로 다른 방법으로 여러 개의 스냅샷을 합한다. CCD는 전압 신호를 결합하고, CCD는 신호 전하를 결합 한다. CCD에서 합하는 동작은 노이즈가 없지만, CCD TDI가 가장 진보된 CMOS보다 뛰어나기 때문에 합하는 동작에서 여러 행을 합하면 노이즈가 증가 한다.
CCD 카메라가 CMOS보다 바람직한 다른 영역으로는 근적외선(NIR: Near-infrared)에서의 이미징이다. NIR 영역에서 높은 감도를 가지도록 설계된 CCD는 CMOS 카메라보다 더욱 감도가 높다. 그 이유는 CMOS 카메라 제조 공정은 가시 영역에서만 이미지화할 수 있는 대규모 애플리케이션을 위해 조정되기 때문이다.
NIR 감도는 센서의 기판 두께 또는 에피택시얼 층 두께와 관련이 있다. CMOS 센서에서 NIR 감도를 향상시키면 카메라의 해상도가 저하되지만, 두꺼운 애피택시얼 층으로 제조되는 CCD 센서는 기능을 유지하기가 더 쉽기 때문에 더 나은 해상도를 가진다. 일부 근적외선 CCD에서 에피택시얼 층은 100μm 두께 이상으로 대부분의 CMOS 카메라의 에피택시얼 층 두께인 5-10μm와 비교 된다.

CMOS 이미지 센서
CMOS 이미징 기술에서의 설계 및 제조에 대한 개선 및 혁신으로 전통적이고 실용적인 구현 문제를 많이 극복할 수 있다. 집적 회로 설계는 항상 한계 사이의 최적화 트레이드오프의 과정이지만, CMOS 이미징 기술 디자이너들은 이제 머신 비전 애플리케이션을 위한 진정 경쟁력 있는 성능으로 제품을 제공할 수 있다. 이러한 혁신 및 상당한 시간 및 투자로, CMOS 이미징 기술은 상당한 발전을 보여줬고 머신 비전 산업의 장비 업체들에 의해 CCD 기술과 경쟁하여 사용률이 증가하고 있다.
특정 머신 비전 애플리케이션에 가장 적합한 카메라를 선택할 때 머신 비전 시스템을 필요로 하는 이미지 센서 및 카메라의 다양한 속성들에 대한 정교한 균형이 필요하다. 지난 10년 동안 CMOS 기술이 만들어낸 과정은 고속 검사를 위한 기술이었다.
3개의 주요 특성은 Area scan 이미징 장치에 대한 트레이드 오프 기본 세트를 정의한다.
첫 번째 속성 세트는 이미징 성능을 볼 수 있다. 이미지 품질, 초당 최대 프레임 수, 해상도 두 번째 속성 세트는 어려운 결정을 요구하는 경쟁 기능인 카메라 또는 센서의 기능에서의 트레이드 오프 속성이다. 이러한 두 번째 트레이드 오프 속성의 예는 Windowing 및 소모 전력과 같은 기능을 포함한다. 마지막 속성은 가격, 수율, 안정성, 기타 기능 등을 다루어야 하는 타당성 트레이드 오프로 이미징 장치의 제조와 관련 있다.
과거 많은 애플리케이션에서 이미지 품질 임계값은 ILT CCD 센서(inter-line transfer CCD)를 요구했지만, CMOS 센서의 설계 향상으로 더 나은 이미지 품질을 이끌어냈고 원하는 이미지 품질로 훨씬 빠른 검사 시스템을 위한 새로운 가능성을 열었다.
역사적으로, CCD ILT 기술은 Shuttered 이미징을 위한 지배적인 센서 기술이었다.
첫 번째 세대의 CMOS 기술은 높은 속도, 낮은 전력 및 비용의 기회임에도 불구하고 대부분의 Shuttered 애플리케이션에서 이것의 사용을 배제하는 롤링 셔터(Rolling shutter) 기능만으로 시장에 제공되었다. 나중에 CMOS global shutter 기능이 도입되었고 롤링 셔터의 부족분을 해결하고 CMOS가 더 많은 사용자들과 관련 있도록 하였다.
최근 CMOS 기술의 발전은 급격하게 노이즈를 감소하였고 SNR(Signal to noise ratio) 수준을 향상하였다. CMOS 기술은 주요 성능 장애의 마지막이었던 CCD ILT에서 할 수 있었던 것들을 능가한다. 고속 머신 비전 애플리케이션에서의 CMOS는 CCD ILT 기술의 기능, 성능, 가격 등의 요구를 충족하거나 이를 초과한다.
최신 CMOS 이미징 기술은 매우 높은 데이터 처리량(Throughput), 빠르고 높은 대역폭의 아날로그-디지털 컨버터 등을 사용하여 해상도 및 속도 간의 트레이드 오프를 감소하였다. 이러한 장치의 속도는 CameraLink와 같은 사용할 수 있는 데이터 전송 표준의 경계에 도전하고 있고, 새로운 고대역폭의 CameraLink HS 표준으로 이끄는 추진력이 되었다.
Global shutter 픽셀과 같은 픽셀 구조의 발전은 이미 과거의 고속 애플리케이션의 문제였던 속도 및 이미지 품질 사이의 격차를 줄여주었다. 이 기술은 현재 모든 고급 CMOS 이미지 센서를 위한 사실상의 표준이다.
PPD(Pinned Photodiode Technology) 및 최적화된 임플랜테이션(Implantation) 기술과 같은 기능의 사용으로 이미지의 노이즈 및 지연 뿐만 아니라 ‘핫 픽셀’의 수 및 암전류(Dark current)를 줄여준다. 이것으로 픽셀 신호를 향상하여 노이즈 비율을 줄일 수 있다. 낮은 노이즈 층은 새로운 카메라가 더 적은 빛으로 더 빠른 프레임 레이트를 사용하여도 동일한 이미지 SNR을 달성할 수 있다는 것을 의미한다. 새로운 CMOS 이미징 기술의 혜택은 CMOS 이미지 센서에 국한되지 않는다.
CMOS 카메라 설계 기술의 진보는 또한 이미징 성능 측면에서 새로운 가능성을 제공하였다. 예를 들어, PRNU(Pixel Response Non-uniformity) 보정과 같은 카메라 보정을 실시간 임베디드 프로세싱으로 할 수 있다. 카메라에서 임베디드 프로세싱은 또한 전통적으로 프레임 그래버에서 처리 되었던 프로세싱을 수행하여 비전 시스템을 단순화 한다(예 : 카메라 내에서의 실시간 FFC(Flat Field Correction)). Windowing 기능 및 카메라 화면 비율을 변경할 수 있는 능력은 카메라를 설계하는 방법의 다른 예이고 CMOS 이미지 센서와 연계하여 최종 사용자에게 추가 기능을 제공할 수 있다.
CMOS 픽셀 구조와 관련한 CMOS 이미징 센서의 성능을 정의하는 몇 가지의 근본적인 경쟁 요소가 있다. 이러한 트레이드 오프 중 일부는 근본적이고 물리학적인 트레이드 오프이지만, 일부는 장치의 실리콘이나 임플리먼테이션에서의 비완벽성이다. 과거 CMOS 기술의 주요 초첨 중 하나는 이미지 아티팩트(Image artifact)를 극복하는 것이었다. 사용자는 극단적인 상황 또는 특정 작업 및 조명 조건에서 발생하는 이미지 아트팩트와 관련된 CMOS 이미지 센서의 성능에 세심한 주의를 기울여야 한다. 설계 트레이드 오프에 직면하였을 때 이러한 고려 사항은 설계자의 결정에 크게 영향을 미친다. 이미지 아트팩트를 보이는 경우 우수한 사양 조합을 가지고 있는 센서라도 사용할 수 없게 될 것이라는 것을 증명할 수 있다.

자료제공 | 앤비젼(www.envision.co.kr)

CCD와 CMOS 이미지 센서의 전송방식 차이점

CCD는 1970년 미국 벨 연구소에서 처음 개발되었는데, 반도체기판 표면의 절연막에 전극을 형성시킨 구조이다. 전극에 전압을 가하면 절연막과 반도체 기판 계면에 공핍층이 형성된다. 이는 소수캐리어에 대해서 에너지 준위가 낮게 형성된다. 이것을 전위 Potential well이라고 하며, Potential well에 전하를 주입하면 아날로그 양으로 축적된다. 따라서 복수개의 전극을 근접 배치시키면 전극에 전압을 가함으로써 Potential well에 저장된 아날로그 전하량을 순차적으로 전송하는 방식이다.
CMOS 이미지센서는 MOS 기술의 발전이 선행된 1990년대에 들어서야 본격적으로 개발되기 시작하였는데, 이미지센서의 단위픽셀(Unit pixel)은 하나의 포토 다이오드와 네 개의 MOS 트랜지스터로 구성된다. 포토다이오드에서 집속된 광전하(Photogenerated charge)는 실리콘 기판 상의 절연막 위에 형성된 금속전극에 의해서 네 개의 MOS 트랜지스터의 제어를 받아 전송하는 방식이다.

포커스

앤비젼, 머신 비전 시스템의 비용과 복잡성을 절감하는 Linea GigE 카메라 출시

앤비젼(대표 김덕표)은 머신 비전 시스템 구성에서 낮은 비용으로도 높은 품질의 이미지를 제공하는 Line scan 카메라 시리즈인 Linea의 GigE Vision 카메라를 최근 출시했다.

새로 출시한 Linea GigE 카메라는 작은 크기에 다양한 기능을 갖춰 빠른 촬영 속도와 유연성 모두를 제공한다. 이미 출시한 Linea Camera Link 카메라들과 마찬가지로 최대 2x2 비닝(binning), 여러 개의 관심영역(ROI)과 같은 다양한 기능을 제공한다.
또한 Linea GigE 카메라만의 독점 기능으로는 사이클링(Cycling) 모드, HDR(High Dynamic range) 이미징, 터보드라이브(TurboDrive™)가 있다. 터보드라이브(TurboDrive™)는 상표로 등록되었으며 특허 출원 중인 기술로 이미지 손실 없이2k와 4k 해상도의 Linea GigE 카메라가 이미지 센서를 최대 속도(최대 80 kHz Line rate)로 활용할 수 있도록 한다.
Linea 카메라는 적은 비용으로도 빠르게 촬영할 수 있고 독보적인 기능을 제공하므로 고가의 카메라 또는 카메라-프레임 그래버 조합을 대체할 수 있어 전반적인 시스템 비용과 복잡성을 절감한다.
이 카메라의 제조사이자 앤비젼의 협력사인 머신 비전 (Machine vision) 분야의 글로벌 선도기업 Teledyne DALSA 제품기획부분의 베넘 라시디안(Behnam Rashidian)은 “Linea GigE Vision카메라 출시는 머신 비전 업계의 판도를 바꿀 만한 일이다. 이 제품은 비교할 수 없는 이미지 품질과 다양한 기능, 어떠한 곳에서도 사용할 수 있는 유연성, 획기적인 데이터 전송 기술을 갖추고 있으며 매우 합리적인 가격을 채택하고 있다”고 설명했다.

용어설명
•터보드라이브(TurboDrive™): GigE 대역폭 제한을 풀어4k 픽셀@최대 80kHz 획득
•사이클링(Cycling) 모드: 모든 라인마다 카메라 매개변수, 게인, 노출 시간, 입출력, FFC등의 계수를 미리 설정하여 반복하여 사용
•버스트(Burst) 모드: 시스템 데이터 처리량 극대화로 최대 속도로 이미지를 촬영하고 유휴시간에 전송

앤비젼에 대해

(주)앤비젼은 비전 솔루션 전문기업(Vision Solution Partner)으로 머신 비전 및 네트워크 비디오 분야에 핵심 제품 및 솔루션, 엔지니어링 컨설팅, 기술지원 서비스 등을 제공한다.
앤비젼 머신 비전 사업부는 Teledyne DALSA, Matrox Imaging, Xenics, Schneider kreuznach , Carl Zeiss, Qioptiq, Edmund Optics, Volpi AG, CEI, Coherent, Optotune AG, effilux 등 각 분야 최고의 기업들과 협력을 통해 머신 비전 시스템의 핵심 제품인 산업용 카메라, 스마트 카메라, 프레임 그래버, 렌즈, 조명, 개발 프로그램을 세계 최고 수준으로 공급한다.
또한, 최신 머신 비전 솔루션 및 트렌드를 소개하는 자리를 마련하는 enVision Day를 매년 개최하고 있고 Korea Vision Show에 매년 참여하고 있다.

Teledyne DALSA에 대해

앤비젼의 협력사인 Teledyne DALSA의 이미지 센서, 카메라, 스마트 카메라, 프레임 그래버, 소프트웨어, 비전 솔루션은 전 세계 수 천 곳의 자동화 검사 시스템 및 반도체, 평면 패널 디스플레이, 전자, 자동차, 의료, 포장 및 일반 제조 산업을 비롯한 다양한 산업에서 사용된다. Teledyne은 디지털 이미징 및 반도체 분야의 세계적인 선도기업으로 전 세계에서 약 1,000여 명의 직원이 종사하고 있다.