SWIR 비전 시스템의 비교·분석·검토! Acuros vs Sony IMX990
특정 머신 비전 애플리케이션을 위한 카메라를 선택하려면 카메라 사양을 이해하는 것이 필수적이다. 실화상 카메라의 경우 수십 년간의 혁신, 최적화 및 경쟁으로 인해 이러한 선택 프로세스가 양자 효율성(QE), 픽셀 수 및 프레임 속도와 같은 몇 가지 주요 지표로 축소되었다. 가시 범위 밖으로 나가면 사과와 사과를 비교하는 작업이 더욱 어려워진다.
SWIR(Short Wave Infrared) 이미징은 약 900nm에서 최대 약 2um 범위의 파장을 활용하며 특정 재료가 올바른 스펙트럼을 사용하여 활용할 수 있는 고유한 광학 특성을 나타내는 까다로운 이미징 문제를 해결하는 능력으로 점차 인정받고 있다. 현재 SWIR 기술이 적용되고 있는 주목할 만한 몇 가지 응용 분야로는 실리콘 검사, 수분 감지, 보안/감시, 레이저 프로파일링 및 배터리 검사가 있다.
SWIR 스펙트럼은 다양한 천체에서 방출되는 적외선 신호를 사용하여 은하계의 먼 곳까지 조사하는 James Webb 망원경에서 중요한 역할을 한다. 이러한 다양한 애플리케이션과 증가하는 시장 잠재력으로 인해 센서 기술의 리더인 SONY가 2020년에 IMX990 센서 라인업으로 SWIR 시장에 진출한 것은 그리 놀라운 일이 아니다.
2018년 SWIR Vision Systems는 성장하는 SWIR 시장에 대응하기 위해 세계 최초로 퀀텀닷 기반 이미지 센서를 상용화 했다. 특허 받은 CQD 프로세스 기술을 사용하는 SWIR Vision Systems Acuros 카메라는 다른 경쟁 기술과 비교할 때 고유한 성능 특성을 나타낸다. 이 기사에서는 SWIR 이미징 센서의 주요 메트릭을 검토한 다음 이러한 메트릭을 사용하여 SNR(Signal to Noise Ratio) 및 DR(Dynamic Rage)와 같은 표준화된 성능 지수 측면에서 SWIR 카메라의 Acuros 라인을 SONY IMX990과 비교한다.
단일 메트릭스 이상으로
대부분의 가시 CMOS 이미지 센서에 공통적인 사양 동질성과는 달리 IR 카메라는 핵심 기술에 따라 현저하게 다른 성능 지표를 나타낼 수 있다. 예를 들어 Indium Gallium Arsenide(InGaAs) 카메라는 IR 이미징에 널리 사용되며 일반적으로 암전류를 억제하기 위해 도입되는 냉각 요구 사항을 희생시키면서 조정 가능한 밴드갭(따라서 스펙트럼 응답)을 자랑한다.
인듐 안티몬화물(InSb), 수은 카드뮴 텔루라이드(MCT) 및 마이크로볼로미터 스타일 IR 센서도 각각 고유한 성능 속성을 가지고 있다. 너무 자주 QE는 다양한 IR 센서를 서로 비교할 때 인용되지만 이 단일 기준으로 단순화하면 스펙트럼 응답, 픽셀 영역 및 판독 노이즈와 같은 IR 카메라의 다른 중요한 측면이 무시된다.
이들은 일반적으로 CMOS 센서의 상수로 간주될 수 있지만 IR 카메라의 경우는 확실히 그렇지 않다. 이러한 모든 메트릭을 고려하고 동일한 경쟁 분야에서 카메라를 비교하는 것을 목표로 하는 잘 알려진 성능 지수는 특정 탐지율(D*)이다.
종종 시스템 설계자가 이해해야 하는 것은 허용 가능한 이미지를 생성할 수 있는 작동 범위다. 이 정보는 주어진 방사조도 및 작동 파장에서 SNR 및 DR 그리고 플롯 대 노출 시간에서 얻을 수 있다. 이러한 플롯에 포함된 정보를 더 잘 이해하려면 FPA(초점 평면 배열) 이미지 센서 내의 신호 체인을 빠르게 검토해야 한다.
<그림1> 표준 FPA 이미지 센서 내 신호 체인의 단순화된 회로도는 ADC에 의해 출력이 디지털화된다.
신호 체인
용량성 FPA 판독 회로의 단순화된 개략도가 <그림1>에 나와 있다. 이 개략도는 역방향 바이어스 광다이오드가 지정된 노출 시간 동안 받은 입사 방사 조도에 비례하는 광전류를 생성하는 단일 픽셀을 나타낸다. 이 광전류는 ADC(Analog to Digital Converter) 에 의해 디지털화되기 전에 ROIC(Read Out Integrated Circuit) 내에서 전압으로 변환된다. ROIC는 CTIA(Capacitive Transimpedance Amplifier) 회로 토폴로지를 사용하여 일반적으로 구현되는 다양한 이득 상태를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 이 도식을 사용하여 이미지 센서 내에서 SNR 및 DR을 이해하는 데 핵심적인 다양한 개념을 검토할 것이다.
신호
EMVA1288 표준에 따르면 ADC가 보고하는 평균 디지털 신호(μy)는 그레이 값(조명 다이오드에 의해 생성된 광 신호)과 노출 시간에 따라 달라지는 암흑 신호 μy .dark로 구성된다.
노이즈
신호 체인 내에는 광자 유도 샷 노이즈, 암전류 샷 노이즈, Johnson 노이즈 및 양자화 노이즈와 같은 여러 노이즈 소스가 있다. 일부 노이즈 소스(즉, 광자 샷 노이즈)는 신호에 따라 다르며 다른 것들은 상수로 간주될 수 있다. 사양 시트에서 신호 종속 노이즈 항은 일반적으로 무시되며 일시적인 다크 노이즈는 신호가 없을 때(즉, 어둠 속에서) 측정된 다양한 노이즈 소스의 RMS 합계로 제공된다. 이 일시적인 다크 노이즈는 종종 ‘읽기 노이즈’라고 하며 주로 ROIC 설계의 기능이다.
신호 및 노이즈 용어의 이러한 미묘한 뉘앙스는 서로 다른 카메라 설계에 대한 SNR 및 DR 값을 계산하고 비교할 때 상당한 혼란을 초래할 수 있다. 이러한 이유로 SWIR Vision Systems는 카메라별 SNR 및 DR 플롯을 생성하고 주어진 작동 시나리오에 대해 센서를 서로 비교하는 데 사용할 수 있는 온라인 계산기 도구를 제공한다.
<표1> SWIR Vision Systems Acuros 및 Sony IMX990 카메라의 SNR 및 DR 성능에 영향을 미치는 주요 지표
Acuros CQD vs Sony IMX990
애플리케이션은 SNR 및 DR이 최종 사용자와 가장 관련이 있는 조건을 설정하므로 세 가지 작동 시나리오를 고려하고 SWIR Vision Systems의 계산 도구를 사용하여 Acuros 및 Sony IMX990 카메라 센서에 대한 비교 플롯을 생성한다. 다양한 노출 시간과 게인 상태에서 이 카메라를 평가함으로써 전체 작동 범위에서 이 카메라가 어떻게 작동하는지에 대한 포괄적인 그림을 얻을 수 있다. 우리는 이러한 애플리케이션을 FMV(Fast Machine Vision), SMV(Slow Machine Vision) 및 LET(Long Exposure Time)의 세 가지 범주로 분류한다.
<그림2> FMV 애플리케이션 맥락에서 Sony IMX990 카메라에 비해 SWIR Vision의 Acuros 카메라의 10dB 이점을 보여주는 SNR(왼쪽) 및 DR(오른쪽) 플롯
빠른 머신 비전
FMV(Fast Machine Vision) 애플리케이션은 더 높은 프레임 속도를 달성하기 위해 짧은 노출 시간이 필요하다. <그림2>는 일반적인 FMV 애플리케이션에 해당하는 노출 시간 1ms, 1550nm에서 작동하는 Sony IMX990 카메라와 Acuros 카메라의 SNR(왼쪽) 및 DR(오른쪽) 도표이다. Sony IMX990은 Acuros CQD 기술(10%)에 비해 QE(70%)가 높지만 Acuros CQD 센서 설계는 여전히 Sony IMX990 InGaAs 기술에 비해 더 높은 SNR과 훨씬 뛰어난 DR을 달성한다. 이 플롯은 CQD 기술이 제공하는 이점을 보여주고 경쟁 SWIR 센서 기술을 비교하기 위해 단일 매개변수(즉, QE)를 사용하는 것만으로는 충분하지 않다는 사실을 강조한다.
슬로우 머신 비전
SMV(Slow Machine Vision) 애플리케이션에서 노출 시간은 한자릿수에서 최대 10밀리초까지 다양할 수 있다. 조명은 이러한 응용 분야에서 중요한 역할을 하며 이미지 센서가 수신하는 빛(즉, 신호) 수준이 시스템의 주요 노이즈 소스보다 충분히 높지 않으면 이미지 품질이 저하된다.
<그림3> SNR이 증가함에 따라 이미지 품질 향상을 보여주는 이미지 시퀀스
<그림3>은 5ms 노출 시간에서 Acuros SWIR 카메라를 사용하여 얻은 일련의 QR 라벨 이미지를 보여준다. 조명 수준이 증가함에 따라 SNR이 향상되고 이미지 품질도 향상된다. 잡음이 일정하다고 가정하면 SNR이 10dB 향상되면 신호 양이 3배 이상 증가하는 것과 같다. 평균화를 통해 SNR을 개선하는 것도 가능하지만 이 교환의 제곱근 관계는 전체 SNR에서 동일한 3배 개선을 달성하는 데 9배 더 오래 걸리기 때문에 SMV 애플리케이션의 경우에도 비용이 많이 든다. SMV 애플리케이션에서 Sony IMX990과 비교하여 SWIR의 Acuros 카메라 설계가 제공하는 10dB SNR 이점은 관심 있는 기능을 감지하는 것과 노이즈에서 기능을 잃는 것 사이의 차이를 의미할 수 있다.
<그림4> SMV 애플리케이션의 맥락에서 Sony IMX990 카메라에 비해 SWIR Vision의 Acuros 카메라의 10dB SNR 이점을 보여주는 SNR(왼쪽) 및 DR(오른쪽) 도표
Acuros 및 Sony IMX990 카메라 모두에 대한 SNR 및 DR 플롯이 <그림4>에 표시되어 SMV 애플리케이션에 공통적인 작동 공간을 더욱 강조한다. 다시 말하지만 Sony IMX990 기반 카메라가 QE가 더 높음에도 불구하고 Acuros SWIR 카메라 라인은 대부분의 작동 범위에서 10dB 더 높은 SNR을 달성한다.
긴 노출 시간(감시)
조명은 거의 모든 머신 비전 응용 분야에서 필수적이지만 이는 많은 SWIR 응용 분야에서 특히 그렇다. 경우에 따라 SWIR 애플리케이션에는 사용 가능한 신호 광자를 제한하는 협대역 필터가 필요하고 다른 경우에는 장거리 감지 요구 사항 및/또는 제한된 SWIR 조도 때문에 물체 감지가 특히 어렵다. 이러한 LET(Long Exposure Time) 애플리케이션에서 카메라는 각 프레임에 대해 충분한 입사 광자를 수집하기 위해 기다리는 낮은 프레임 속도에 서 작동해야 한다. Acuros 카메라 디자인의 더 큰 픽셀 크기와 더 낮은 읽기 노이즈가 상당한 이점을 제공하는 곳이다.
주어진 노출 시간 동안 Acuros 카메라 디자인의 더 큰 픽셀 영역을 통해 Sony IMX990에 비해 9배 더 많은 신호 광자를 수집할 수 있다. Acuros 디자인의 낮은 읽기 노이즈는 Sony IMX990과 비교할 때 더 높은 충실도로 사건 사진을 감지할 수 있음을 의미한다.
LET 애플리케이션은 종종 노이즈 플로어 근처에서 카메라 작동의 한계를 낮추기 때문에 이러한 기능은 최고 품질의 이미지 제공 측면에서 Acuros 카메라를 경쟁 우위로 설정하는 데 중요한 역할을 한다. <그림5>의 SNR 및 DR 플롯은 Sony IMX990 센서와 비교할 때 SWIR의 Acuros 카메라가 누리는 이점을 다시 보여준다.
<그림5> LET 애플리케이션 맥락에서 Sony IMX990 카메라보다 SWIR Vision의 Acuros 카메라의 10dB 이점을 보여주는 SNR(왼쪽) 및 DR(오른쪽) DR 플롯
높은 DR 애플리케이션
넓은 범위의 신호 레벨에서 관심 있는 기능이 발생할 때 높은 DR 애플리케이션이 발생한다. 레이저 프로파일링은 정확한 특성화 를 위해 높은 DR 성능이 필요한 훌륭한 예이다. 예를 들어 원거리 레이저 프로파일링 분석에서 스폿 크기, 빔 발산 및 총 광 출력과 같은 레이저 빔 매개 변수를 측정하기 위해 ‘소실 꼬리’ 뿐만 아니라 최대 입사 레이저 방출 수준을 해결하는 것이 중요하다.
<그림6> Acuros SWIR 카메라로 캡처한 1550nm 에지 이미터 레이저의 비이상적인 타원형 가우시안 패턴을 보여주는 강도 맵
예를 들어 <그림6>에서 원거리장강도 프로필은 이상적이지 않은 타원형 가우시안 패턴이 있는 1550nm 레이저의 방출 패턴을 보여준다. 1/e2 빔 웨이스트 계산의 정확도와 이 계산에서 파생된 각도 측정은 캡처된 이미지에서 사용할 수 있는 동적 범위에 따라 달라진다. 동적 범위가 낮을수록 이러한 통합 FPA 측정 기술이 제공하는 정확도가 떨어진다.
검출기 영역, 필터 제공, 캡슐화 및/또는 보호 유리 코팅과 같은 다른 고려 사항은 레이저 프로파일링을 위한 이미지 센서를 선택할 때 마찬가지로 중요할 수 있지만 이러한 사양은 이 논의 범위를 벗어난다. 낮은 읽기 노이즈와 큰 포화 용량 덕분에 Acuros 카메라는 낮은 게인 모드에서 거의 70dB의 DR을 제공하므로 레이저 빔 프로파일링 뿐만 아니라 신호 내용이 광범위한 방사 조도에 걸쳐 있는 모든 상황에서 다용도 센서가 된다.
이미징 해상도
분해능이 성능 지수로 사용되는 경우 일반적으로 의도는 관심 있는 기능 사이의 최소 분리를 정량화하여 기능을 더 이상 서로 구별할 수 없도록 하는 것이다. 미크론(μm) 단위로 측정되는 픽셀 피치는 이미지 해상도 방정식의 요소인 반면에, 이미징 시스템에서 얻은 실제 이미지 해상도(mm/pixel 또는 μm/pixel로 표시) 그리고 이미징 광학은 픽셀 수(픽셀 수)에 따라 달라진다.
다음 페이지의 비교 이미지에서 Acuros 카메라는 5um의 Sony IMX990 픽셀 피치에 비해 15um의 더 큰 픽셀 크기에도 불구하고 동일한 FOV를 유지하면서 더 미세한 디테일을 확인할 수있다. Acuros HD 카메라는 Acuros의 더 높은 픽셀 수 덕분에 동일한 FOV에서 IMX990에 비해 월등한 해상도를 보여준다. <그림7> 및 <그림8>은 동일한 FOV에서 Acuros HD 카메라와 Sony IMX990의 향상된 이미지 해상도를 보여준다.
<그림7> Allied Vision에서 게시한 Sony IMX990을 사용하여 캡처한 이미지 보정 패턴
<그림8> SWIR Vision의 Acuros 카메라를 사용하여 캡처한 이미지 보정 패턴은 IMX990에 비해 향상된 해상도를 보여준다.
InGaAs의 부동산 비용으로 인해 픽셀 크기를 최소화하기 위한 강력한 경제적 인센티브가 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. SWIR Vision Systems는 표준 CMOS 프로세스를 활용하는 특허 받은 CQD 기술과 잘 정립된 비용 효율성 덕분에 픽셀당 비용이 가장 낮은 SWIR 카메라를 제공하기 때문에 픽셀 크기에 대한 제약이 제거되어 CQD 센서 설계에 향상된 설계 수준을 제공한다.
이는 SWIR Vision의 CQD Acuros 카메라와 <그림7>의 Sony IMX990 InGaAs 카메라의 향상된 이미지 해상도로 직접 변환된다(그림8 참조).
<그림9> IMX990의 1.3MP와 비교하여 업계 최고의 2.1MP 픽셀 수로 지원되는 Acuros 1920 카메라의 향상된 FOV를 보여주는 웨이퍼 실리콘 검사의 대표 이미지
결론
SWIR 카메라를 선택할 때 데이터시트에서 모든 관련 메트릭을 컴파일하고 SNR, DR 및 이미지 해상도와 같은 표준화된 성능 지수로 압축하는 것이 어려울 수 있다. 이러한 성능 지수 중 하나를 단일 메트릭(즉, QE 또는 픽셀 크기)으로 낮추는 것은 오해의 소지가 있을 수 있으며, 가시적 CMOS 기술에 비해 표준화가 덜한 SWIR 시장에서는 특히 그렇다.
우리는 공통 응용 분야의 맥락에서 서로 다른 카메라 기술을 비교할 때 확립된 모델을 사용하는 이점을 조사하고 입증했다. 마지막으로 Sony IMX990을 프록시로 사용하여 다양한 응용 분야에서 SWIR Vision Systems CQD Acuros 기술의 성능 이점을 강조했다. 결국 성능은 비전 통합자가 카메라를 결정할 때 다투어야 하는 많은 고려 사항 중 하나일 뿐이다. 비용, 리드 타임, 폼 팩터 및 통신 프로토콜도 모두 혼합에 영향을 미칠 수 있다.
자료제공: Swir Vision Systems(www.swirvisionsystems.com)
