센서 비교: IMX 센서는 서로 어떻게 다른가?

최근 Sony Pregius 센서에 대한 많은 보고서가 있었다. 이 백서의 목적은 IMX174 또는 IMX250과 같은 이들 CMOS 센서의 이름이 무엇을 의미하는지, 그리고 이 모델 시리즈들의 공통점과 차이점은 무엇인지 비교하여 독자들에게 정보를 제공하기 위한 것이다. 또한 바슬러는 이 글을 통해 Pregius 센서를 Sony의 다른 주요 CMOS 제품군인 STARVIS 센서와 구분하려 한다.

1. Pregius 시리즈 센서
Sony Pregius 시리즈 센서들은 CMOS 센서이지만 Sony가 수십 년 동안 완성해 왔으며 Sony에 커다란 성공을 안겨준 CCD 센서 구조를 기반으로 하고 있다. 하지만 Sony는 더 이상 산업용 화상 처리 분야에서 CMOS 센서 트렌드를 거스를 수 없었다.

- 1.1 구조
새 CMOS 센서에서 자사 CCD 센서의 뛰어난 이미지 품질을 유지 하고 더 향상시키기 위해 Sony의 새 Pregius 제품군 개발은 비슷한 수준의 노이즈 특성을 가지면서 이전 CCD 픽셀 이상의 성능을 제공하는 글로벌 셔터 픽셀을 기반으로 진행되었다. Sony는 여기에 Exmor 기술을 적용했는데 이 기술은 픽셀의 병렬 컬럼형 판 독 과정에서 노이즈가 감소된 아날로그 신호를 디지털 신호로 직접 변환한다. 이렇게 하면 노이즈 특성이 개선됨과 동시에 속도가 빨라진다.
이 시리즈는 산업용 화상 처리를 위해 개발되었기 때문에 짧은 노출 시간과 정확한 트리거링, 아주 작은 딜레이, 그리고 탁월한 효율을 제공한다.

- 1.2 1세대
이 새로운 센서 시리즈의 1세대에는 IMX174 및 IMX249 센서가 포함된다. 이들 제품은 5.86㎛의 픽셀 피치, 1920×1200 픽셀 해상도를 제공해 Sony의 구형 CCD 센서 중에는 1:1 매칭되는 제품이 없다. 이 센서들은 모두 이미 같은 픽셀 유형을 기반으로 하지만 속도와 센서 특징이 다른 두 가지 서로 다른 센서들을 공급하려는 Sony의 접근 방식을 보여주고 있다. 그런 뒤 Sony는 보다 단순하면서 저렴한 가격의 제품들을 공급한다. 이미지 품질 차이는 아주 미미 한 수준이다.

1세대 Pregius 센서에서 특히 주목할 만한 특징은 32ke- 이상의 매우 높은 새츄레이션 커패시티이다.

- 1.3 2세대
Sony는 2세대 Pregius 시리즈를 통해 3.45㎛의 보다 작은 픽셀 을 구현했다.
이 픽셀은 빛을 전자로 변환하는 과정에서 다른 특성을 보인다. 양자 효율(QE) 특성이 1세대와는 많은 차이가 있다.
특히 QE 최대치를 보여주는 곡선이 약간 높은 파장대로 이동한 것은 이미징 동작에 차이가 있는 서로 다른 픽셀 유형을 보여 준다. 서로 약간 차이가 있는 픽셀 설계는 EMVA1288 값에서도 미세한 차이를 보여준다.
상대적으로 작은 2세대 센서의 픽셀로 인해 이 센서의 새츄레이션 커패시티는 크게 감소하며 이는 CMOS 센서에서 일반적인 값으로 이어진다. 하지만, 이 센서들은 위의 표에 나타난 바와 같이 Exmor 기술을 기반으로 하여 뛰어난 노이즈 특성을 제공한다.

2. STARVIS 시리즈 센서
STARVIS 시리즈는 완전히 다른 센서 제품군이다. 이 시리즈에 는 CMOS 센서도 포함되지만 이들 센서도 유형 이름에 IMX가 포함된다.
STARVIS 센서 시리즈는 오랫동안 판매되어 왔으며 주로 감시 카메라에 사용되었다. 이것이 이 센서들이 컬러 센서로만 공급되어온 이유이다. 모노크롬 모델이 출시되면서 이제 상황이 바뀌었다. 이 센서는 공장 자동화 애플리케이션용으로도 관심이 커지 고 있다. 따라서 산업용 화상 처리에 이제는 STARVIS 제품군도 사용되고 있다.

- 2.1 구조
STARVIS 시리즈는 최대 1.85㎛의 아주 미세한 픽셀을 사용한 롤링 셔터 센서로 구성된다. 이 시리즈를 대표하는 센서로는 IMX178과 IMX226을 들 수 있다.
이 센서 제품군의 또 한 가지 중요한 측면은 back side illumination 방식이라는 점이다.

- 2.1.1 Back side illumination
픽셀 크기가 작아짐에 따라 일반적인 센서 제작 방식으로는 충분한 빛을 모으기가 어려워진다. 이유는 증폭기 또는 A/D 컨버터와 같이 집광에 기여하지 않는 픽셀 부분이 보통 빛에 노출되는 센서 면에 부착되는데 이로 인해 각 픽셀의 감광부 다음의 표면을 차지하기 때문이다.
픽셀이 작아질수록 전자 생성에 사용할 수 없는 표면 비율이 커진다. STARVIS 시리즈 센서의 픽셀 크기에서 이러한 사실상의 ‘눈이 먼’ 구조로 인해 정상적인 디자인에서 양자 효율이 극도로 저하된다. 이것이 바로 Sony가 원래 스마트폰 산업에서의 지속적인 해상도 증가 요구에 맞춰 고안되었던 트릭인 back side illumination 방식을 사용하는 이유이다.
‘Back side illumination’ 방식 센서가 칩 표면에 필수 전자 회로 구조를 결합하는 일반적인 프로세스에서 생산되긴 하지만 back side illumination 방식은 센서를 뒤집어서 실제 증폭기와 부속 전자회로는 센서 뒷면으로 이전됨을 의미한다. 이제 센서의 감광부는 전 면에 수용된다.
이로써 감광 칩 구조와 부속 칩 구조가 더 이상 표 면 공유에 따른 경쟁을 할 필요가 없어져 부속 전자장치와의 간섭 없이 감광부를 넓힐 수 있음을 의미한다. 이 트릭은 광전 반응을 위해 거의 모든 픽셀 표면을 사용할 수 있게 해 준다.
Sony는 Exmor 시리즈의 낮은 노이즈에서의 판독 및 빠른 속도와 이 기술(back side illumination)을 결합해 Exmor R이라 부른다. STARVIS 시리즈의 모델들에는 이 기술을 사용하며 야간에도 우수한 감시 이미지를 제공할 수 있도록 근적외선 범위 근처의 파장에 도 어느 정도 최적화된 센서들만 포함하고 있다.

- 2.1.2 기능
IMX178 및 IMX226 센서들은 감시 분야에 맞게 설계되어 있다. 산업용 화상 처리 관점에서 보면 여기에는 몇 가지 기능상의 제약이 뒤따른다. 센서들은 보통 이미지의 free run이나 연속녹화를 위해서 설계된다. 공장 자동화에서 흔히 사용되는 개별 이미지 촬영은 원래의 설계 의도에는 없었다. 마찬가지로, 센서, 특히 12MP IMX226은 최대 해상도 또는 최대 해상도에 근접하게 개발되었다. 이로 인해 산업용 화상 처리에 서 흔히 사용되는 ROI를 줄여서 속도를 더 빠르게 하는 것이 불가능 하다.

- 2.2 EMVA1288
하지만, back side illumination 기술은 Sony가 이러한 작은 픽셀로도 우수한 EMVA 값을 달성할 수 있게 했다.

3. 감도 비교
Sony는 STARVIS 시리즈에서 감도에 높은 우선순위를 두었기 때문에 센서의 감도 부분에 관심을 갖는 것이 당연하다. 여기에서 감도는 센서가 노이즈대비 뚜렷한 신호를 생성하는데 필요한 빛의 양 또는 광자의 수량을 의미한다. 여기에서 EMVA1288 표준은 ‘감도에 대한 절대 임계값’을 측정한 값을 제공한다. 이것은 신호 대잡음비가 정확히 1이 되는 데 필요한 평균 광자 수를 나타낸다.

이를 통해 Pregius 시리즈 2세대 센서들이 빛에 가장 민감하게 반응하며 STARVIS 시리즈가 근소한 차이로 뒤를 잇고 있음을 유추 할 수 있다.

4. 주요 차이점은 무엇이며 애플리케이션별로 어떤 의미를 갖는가?
적합한 애플리케이션에 영향을 주는 첫 번째 차이점은 STARVIS와 Pregius 사이의 서로 다른 셔터 방식이다. 롤링 셔터는 많은 애플리케이션에서 검사 대상 물체나 카메라가 움직여서는 안 되며 이는 이러한 움직임이 적절한 화상 처리에 방해가 되는 왜곡을 유발하기 때문이다. 가장 좋은 사례로 통행료 징수 시스템 또는 과속 단속 또는 신호 위반 단속을 위한 차량 번호판 자동 인식과 같은 교통 애플리케이션을 들 수 있다.
추가적인 차이점은 카메라의 트리거 속도이다. Pregius 센서는 STARVIS 시리즈에 비해 트리거 속도가 훨씬 빠르고 더 정확해 3D와 같이 정교한 트리거 실행이 필요한 애플리케이션 또는 곧바로 이미지 편집이 이루어지는 기타 멀티 카메라 애플리케이션에 알맞다. 이러한 예로는 병 검사, 스포츠 분석 또는 회로기판 자동 광학 검사(AOI)가 포함될 수 있다.

전반적으로, Pregius 센서는 구형 CCD 센서를 대체할 수 있는 미래가 보장된 제품으로 점점 더 많이 사용되고 있다. 5MP 제품인 IMX264 및 IMX250은 CCD 센서인 ICX625 대신, 그리고 IMX267 및 IMX255는 ICX824 대신 사용이 가능하다. 이렇게 해서 제작된 카메라는 다양한 업그레이드에 사용하거나 시스템의 광학 장비를 크게 변경하지 않아도 되는 교체용 카메라로 사용할 수 있다.
이와 대조적으로 STARVIS 센서는 Pregius 제품에 비해 명확한 비용 상의 이점을 제공한다. 위에 언급한 단점들과 상관없는 움직임이 거의 없는 애플리케이션의 경우에는 우수한 이미지 품질의 혜택을 누릴 수 있다. 더 작아진 픽셀 덕분에 센서 크기는 작으면 서도 더 높은 해상도를 얻을 수 있다. 하지만 광학 기기를 선택 할 때 이 점을 감안해야 한다.

5. 요약
IMX 센서들이 다 같은 것은 절대 아니다. Pregius 센서 시리즈에 서조차 다양한 세대별 개발 및 구현 방식에 어느 정도의 차이가 존재한다. STARVIS 센서와 Pregius 시리즈를 비교하면 차이는 더욱 명확해진다. 따라서 애플리케이션 요구 사항과 센서별 성능 범위에 대한 신중한 평가가 매우 중요하다. 하지만 모든 IMX 센서들은 우수한 이미지 품질을 갖고 있다는 한 가지 공통점을 갖고 있으며 이로 인해 Sony는 이제 CMOS 시장을 선도하는 고품질 제조업체로도 인정받고 있다.                    

자료제공 : Basler