CCD 이미징 시스템의 효과적인 구성 요소
Radiant
CCD 기반 기기는 빛과 색상을 측정할 때 많은 이점을 제공한다. 효과적으로 구성된 CCD 이미징 시스템은 균일성 측정, 결함(픽셀 및 균일성) 식별, 다중 스폿(LED 어레이) 측정 그리고 여러 데이터 포인트를 신속하게 수집하여, 고급 분석을 위한 데이터 제공 능력이 탁월하다. CCD, 필터 그리고 렌즈에 대한 여러 옵션을 갖춘 Radiant Vision Systems ProMetric® 이미징 색도계와 광도계는 100개 이상의 구성으로 제공되며 모든 측정 애플리케이션에 맞게 쉽게 최적화할 수 있다.
고려 사항
CCD: CCD의 선택은 전체 이미징 색도계 시스템 성능에 영향을 미치는 가장 중요한 요소다. 이 선택은 픽셀 해상도와 다이나믹 레인지를 결정하고 렌즈 선택과 함께 달성 가능한 시야각을 결정한다. CCD 선택에 중요한 엔지니어링 고려사항은 다음과 같다.
전자 제어: CCD 선택과 밀접한 관련이 있는 것은 카메라 시스템을 작동시키는데 사용되는 제어 전자 장치의 설계다. 주요 요구 사항은 제어 전자 장치가 전자 노이즈를 최소화하고 전기 및 광학 보정을 지원해야 한다는 것이다.
필터: 필터 선택은 광도계 또는 색도계 작동을 위한 표준 구성 중에서 선택한다. 측정 어플리케이션에 따라 다르다. 향상된 색상 측정 성능, 방사선 측정, 시야각 측정(콘 스코프) 및 근적외선(NIR) 측정을 위한 추가 옵션을 사용할 수 있다. 내부, 외부 및 CCD 필터 배열을 포함하여 여러 가지 필터 기술 옵션을 사용할 수 있다.
렌즈: 렌즈는 애플리케이션 분야의 작동 거리 및 시계 요구 사항에 따라 선택된다. 렌즈 선택에 영향을 주는 광학 형상은 사용되는 특정 CCD에 의해 제한된다. 또한 개별 렌즈 특성을 올바르게 보정하지 않으면 측정 정확도에 영향을 주는 광학 수차가 발생할 수 있다.
다양한 CCD, 전자 장치, 필터 및 렌즈 옵션을 함께 사용하면 이미징 색도계의 성능 및 비용은 큰 유연성을 제공한다. 절충점을 신중하게 고려하면 애플리케이션에 가장 적합한 구성이 결정된다.
CCD 기술
CCD(Charge Coupled Devices)는 빛을 전류로 변환하는 모놀리식 반도체 검출기 어레이다. 전하를 운반하는 입사 광자가 검출기 물질에 의해 흡수 될 때, 전자-정공 쌍을 생성한다. 노출 동안, 전자는 픽셀이라고 하는 각각의 개별 검출기 요소에 축적되어 전하를 읽을 때까지 유지된다. 각 픽셀에 축적된 총 전하량은 픽셀에 입사되는 빛의 양에 선형 비례한다.
CCD 아키텍처에는 몇 가지 기본 형태가 있으며 특정 애플리케이션에 따라 다양한 종류가 있다. Radiant의 ProMetric Imaging Colorimeter는 특히 저 노이즈 측면에서 높은 성능을 제공하면서도 매우 빠른 데이터 전송 속도를 제공하는 과학용 CCD를 사용한다.
해상도
해상도는 이미징 색도계의 기능을 평가할 때 고려해야 할 중요한 사양이지만 잘못 해석할 수 있다. 기본적으로 해상도는 2D 이미징 시스템이 가로(M) 및 세로(N) 픽셀 모두로 캡처할 총 픽셀 수다. 높은 정확도 이미징 색도계의 경우 x-막대(빨간색), y-막대(녹색) 및 z-막대(파란색) 삼자극(tristimuls) 곡선은 여러 필터를 통해 이미지가 캡처된다. 그런 다음, 이들 이미지는 각 MxN 픽셀에 대한 X, Y 및 Z 삼자극 값을 포함하는 하나의 이미지를 중첩하여 형성하도록 처리한다.
경우에 따라 Bayer mosaic(RGB) 시스템을 보정하여 색상을 측정할 수도 있다. 그러나 이러한 시스템은 CIE 필터 기반 시스템의 색상 정확도가 부족하므로 색상 균일성과 같은 애플리케이션으로 제한된다. RGB 시스템은 처리 속도와 비용 이점을 제공 할 수 있지만 CIE 필터 기반 시스템의 해상도는 상당히 낮다(평균적으로 절반).
고해상도 CCD는 고해상도 디스플레이, 조명 키보드 및 미세한 표면 결함을 정밀 측정하기 위한 공간 분해능을 제공한다. 정확성과 해상도가 중요한 애플리케이션의 경우 CIE 필터 기반 시스템이 최선의 선택이다. 픽셀 수준 감지를 수행할 수 있는 것은 ProMetric 시스템의 고해상도다.
노이즈 감소
노이즈는 CCD 이미지의 정확성과 반복성을 제한한다. 신호 대 잡음비(SNR)는 원하는 신호와 비교한 배경 잡음의 양을 측정한다. SNR은 광 프레임 측정에서 미묘한 차이를 볼 때 중요하다. Radiant Vision Systems mura 및 결함 감지 시스템은 예를 들어 크게 의존한다. CCD 검출기의 주요 노이즈 소스는 열 노이즈, 읽기 노이즈, 샷 노이즈 그리고 패턴 노이즈다.
열 노이즈
입사 광자(광전자)에 의해 생성된 자유 전자 외에도 열 효과는 자유 전자를 생성할 수 있다. 이 열로 생성된 전하로 인한 이미지 노이즈는 고온 또는 장시간 노출시 특히 문제가 된다. 열잡음은 온도에 매우 의존적이므로(온도가 6°C 떨어질 때마다 약 2배 감소) CCD를 냉각하면 소음이 크게 줄어든다. 이를 통해 더 긴 이미지 통합 시간이 가능해 어두운 상태와 같은 낮은 조명 수준 측정이 가능하다.
냉각은 종종 저강도 또는 동적 범위의 애플리케이션에서 사용된다. 상업용 CCD 이미저의 가장 일반적인 냉각 방법은 열전 냉각(TEC 또는 Peltier 냉각기)이다. 원하는 노이즈 플로어에 따라 여러 단계로 수행될 수 있다. 예를 들어 첫 번째 TEC는 CCD 자체를 냉각시키고 다음 TEC는 첫 번째 TEC의 방열판을 냉각하는 데 사용된다.
판독 노이즈
판독 노이즈은 픽셀을 판독하는 과정에서 신호에 도입되는 불확실성이다. 이러한 불확실성은 여러 요인으로 인해 발생하지만 전자 기기의 품질 및 판독 속도와 측정 정확도와 관련이 있다.
샷 노이즈
광의 양자 특성은 ‘일정한’ 출력 광원으로부터 수집된 광자의 수가 시간에 따른 통계적 변화를 나타내도록 한다. 샷 노이즈라고 하는 신호 레벨의 이러한 불확실성은 각 픽셀에서 수집된 광자수의 제곱근과 같다. 따라서 수집된 광전자의 수가 많을수록 신호 대 잡음비가 우수하다.
각 CCD 픽셀이 축적 할 수 있는 최대 광전자 수는 깊이가 픽셀의 물리적 크기와 직접적인 관련이 있다. 픽셀이 클수록 더 많은 전자를 보유할 수 있으므로 노이즈가 적은 이미지가 생성된다. 다른 CCD는 다른 픽셀 영역을 가지며, 더 큰 픽셀 영역을 갖는 것이 일반적으로 더 비싸지만 개선된 성능을 제공한다. 예를 들어, 저조도 애플리케이션의 경우 작은 픽셀을 가진 CMOS 시스템보다 CCD 기반 시스템의 더 큰 픽셀 크기가 선호된다.
패턴 노이즈
패턴 노이즈는 장시간 노출 촬영 중에 눈에 띄게 되는 픽셀 결함(개별 픽셀 밝기의 약간의 차이)의 결과로 이미지에 패턴을 만든다. 반복 가능한 경우 패턴 노이즈를 ‘FPN(Fixed Pattern Noise, 고정 패턴 노이즈)’ 이라고 한다. 비 균일 픽셀에 의해 야기된 FPN은 일반적으로 플랫 필드 또는 다른 캘리브레이션 기술을 통해 CCD로 캘리브레이션 될 수 있다. Radiant가 이미징 색도계 라인에 CMOS 센서를 아직 추가하지 않은 이유 중 하나는 FPN 및 시간 노이즈가 CMOS보다 높기 때문에 전류 성능 기능이 제한되기 때문이다.
휘도 교정
휘도를 측정하기 위해 이미징 색도계는 전체 스펙트럼 반응이 사람의 눈과 거의 일치하도록 설계된 내부 필터를 사용한다. ProMetric I- 시리즈 색도계와 함께 제공되는 모든 렌즈는 가능한 모든 거리와 두 가지 특정 조리개 설정에 대해 공장에서 교정된다.
공장 교정은 측정값이 적절히 보정되었다는 확신을 가지고 해당 조리개로 거리에 관계없이 측정할 수 있음을 의미한다. 색도계는 지정한 작업 거리에서 정확한 플랫 필드 캘리브레이션 데이터(correct flat-field calibration data)를 자동으로 제공하여 유연성과 정확성을 높인다. DUT(Device Under Test)에 대해 가장 정확한 휘도 측정을 얻으려면 특정 조명 조건에서 재교정해야 할 수 있다.
색상 정확도
CCD 자체는 약 300nm~1080nm 범위의 전자기 방사선에 민감하다. 따라서 컬러 이미지를 캡처하려면, (1)원하는 파장만 CCD 표면에 도달하도록 들어오는 빛을 필터링한 다음, (2)구성 요소 이미지를 완전한 컬러 이미지로 집계해야 한다.
기계적으로 이 작업을 수행하는 방법에는 여러 가지가 있으며 각각 기본적으로 개별 빨강(x-bar), 녹색(y-bar) 및 파랑(z-bar) 필터링된 이미지를 캡처한다. 색상 정확도를 높이려면 필터가 CIE 응답 곡선과 매우 잘 일치해야 한다. 사진 측정은 녹색 필터만 사용하는 색상 측정의 하위 집합이다.
온 디텍터 필터(On-detector filters)
다른 일반적인 접근 방식은, 베이어 패턴으로 알려진 인터라인 트랜스퍼 CCD의 표면에 직접 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터의 직사각형 배열을 배치하는 것이다. 이것은 소비자 디지털 카메라에 사용되는 방법과 매우 유사하다. 이 방법의 장점은 저렴한 비용, 추가 하드웨어 그리고 움직이는 부품이 없다는 것이다.
그러나, 이러한 장점은 대부분의 이미징 색도계 응용 분야에 대한 단점보다 중요하다. 먼저, 컬러 필터가 CCD에 퍼져 있기 때문에, 각각의 개별 컬러에 대한 정보를 캡처하는 픽셀의 수는 CCD상의 총 픽셀의 일부일 뿐이다. 이렇게 하면 이미지의 유효 해상도가 줄어들어 작은 디테일을 포착하기가 더 어려워진다.
다음은 이 접근법에서 일반적으로 사용되는 인터라인 트랜스퍼 CCD는 작은 픽셀을 가지며, 이는 검출기 동적 범위를 제한하고 신호 대 잡음비를 감소시킨다. 마지막으로, 여기에 사용 가능한 필터 기술이 CIE 스펙트럼 응답 곡선과 정확하게 일치할 수 없기 때문에 색상 정확도가 떨어진다.
필터 휠 이동
또 다른 방법은 전동 필터 휠을 사용하는 것이다. CCD 앞에서 다양한 컬러 필터를 순차적으로 회전시켜 필요한 일련의 컴포넌트 이미지를 캡처하여 완전한 컬러 이미지를 제공할 수 있다. 이러한 방식에서, 노출 사이에서 검출기로부터의 광을 차단하기 위해 전자식 또는 기계적 셔터가 필요하다.
필터 휠을 사용하면 고성능 CCD와 함께 사용할 때 매우 높은 동적 범위, 저노이즈 그리고 높은 공간 해상도 및 높은 채우기 비율의 컬러 이미지를 얻을 수 있다. 이 접근 방식은 빨강, 녹색 및 파랑에 개별 필터를 사용하므로 개별 CIE 색상 곡선과 매우 잘 일치할 수 있다. 빛이 다양한 입사각에서 필터를 통과하기 때문에 필터가 입사각 범위에서 성능의 변화를 최소화하는 것이 중요하다. 이러한 이유로 흡수성 필터는 박막 필터보다 더 높은 정확도를 제공한다.
필터 휠을 사용하면 다른 방법보다 몇 가지 장점이 있다. 첫째, 합리적인 비용으로 가장 정확하고 안정적인 필터링 방법이다. 둘째, 접근 방식은 NIR 필터와 같은 다른 특수 파장 필터를 사용하도록 쉽게 확장될 수 있다. 이러한 장점을 실현하려면 정밀한 기계 설계와 교정이 필요하며 이미징 색도계에 약간의 복잡성과 비용이 추가된다.
동적 범위
동적 범위는 색도계 성능의 또 다른 중요한 요소이다. 동적 범위는 이미징 시스템이 구별할 수 있는 가장 밝은 것부터 가장 어두운 것(회색의 수) 까지의 값 범위를 말한다. CCD 기반 측정의 경우 동적 범위는 일반적으로 데시벨(dB)로 측정되어 가능한 최대 신호 레벨과 판독 노이즈 레벨의 비율을 나타낸다.
HDR(High Dynamic Range) 측정은 서로 다른 노출 시간에 여러 이미지를 결합하여 CCD의 포화로 인해 높은 광레벨 영역에 대한 정보를 잃지 않고 측정에서 낮은 광 레벨 영역에 대한 정보를 제공한다. Radiant ProMetric 색도계의 동적 범위는 가장 정확한 측정을 위해 사람의 눈에 대한 시각적 인식과 일치하도록 한다.
아래 표는 이미징 색도계의 측정 오류 원인을 요약한 것이다. 여기에는 앞서 제기된 모든 문제가 포함되며, 난해하지만 중요한 몇 가지 추가 요소도 포함된다. Radiant Vision Systems 이미징 색도계는 나열된 오류를 해결하도록 특별히 설계됐다.
예를 들어, 카운터 샷 노이즈, 패턴 노이즈(불균일)를 최소화하기 위한 팩토리 교정, CIE 일치 컬러 필터 휠 그리고 ND 필터 휠을 지원하는 픽셀 크기가 더 크다. 이러한 설계 사양으로 인해 ProMetric 제품군은 사람의 시각적 인식과 일치하도록 높은 정확도와 정밀도가 필요한 애플리케이션에 가장 적합한 이미징 색도계를 선택한다. 고객 기대치가 똑같이 높은 가치가 높은 제품과 장치의 경우 ProMetric 색도계에 대한 대체물이 없다.
애플리케이션
측정 요구에 가장 적합한 단일 기술은 없다. CCD 기반 기기는 다음의 응용 분야에서 탁월하다. 본질적으로, 사람의 시각적 인식이 품질 표준인 곳이라면 어디든지 CCD 이미징 색도계가 최적의 솔루션이다.
- 균일성 측정
- 결함 식별(픽셀과 균일성)
- 여러 지점 측정(예: LED 어레이)
- 여러 데이터 포인트의 빠른 수집
- 치수, 왜곡 그리고 초점 품질 결정
- 고급 분석 수행
ProMetric 이미징 색도계 제품군의 장점
ProMetric I-Series 및 Y-Series 제품 군은 고속에서 정밀한 측정을 지원하는 여러 설계 이점을 제공한다.
1) 전자 제어식 및 교환식 렌즈: 전자 제어식 렌즈에는 다양한 설정에 대해 매우 정확한 측정값을 제공하는 교정 데이터가 제공된다. 일반적으로 단일 작업 거리에 대한 교정 데이터로 제공되는 수동 렌즈와 달리 Radiant의 이미징 색도계는 모두 공장에서 교정된다. 초점 거리와 조리개의 초기 선택이 빠르고 쉽다. 사용자가 여러 측정 조건을 정의하면 쉽게 접근할 수 있다. 교환식 렌즈를 사용하면 이미징 색도계의 시야를 선택적으로 수정하여 이미징 대상 물체까지의 작업 거리를 최적화할 수 있다.
2) CIE 일치 컬러 필터: 앞서 설명한 바와 같이 필터 휠은 최대 6개의 필터를 지원한다.
3) ND(Neutral Density) 필터 휠: 특히 밝은 디스플레이와 광원의 경우, 빛의 강도는 특히 긴 노출 시간 동안 CCD에 의해 캡처된 이미지의 영역을 포화(또는 ‘세정’) 할 수 있다. CCD에 도달하는 빛을 조절하여 휘도와 색상을 적절히 식별하기에 충분한 노출 시간을 허용하는 것이 중요하다.
이를 위해 Radiant는 ProMetric 모델에 ND 필터 휠을 추가했다. ND 필터는 CCD의 ‘선글라스’처럼 작동한다. 기본적으로 ND0, ND1 및 ND2 필터가 제공된다. 휠에는 6개의 위치가 있으므로 필요한 경우 추가 ND 필터를 추가 할 수 있다.
4) 전자식 셔터가 내장된 냉각 CCD: 그레이 스케일 해상도를 개선하고 열 노이즈를 줄이기 위해 CCD는 열전도 방식으로 냉각된다. ProMetric I 및 Y의 인터라인 CCD는 HDR(High Dynamic Range) 이미지 획득을 가능하게 하는 전자식 셔터로 뛰어난 반복성을 제공한다. HDR 모드는 밝은 영역과 어두운 영역의 디테일을 제공한다.
5) 분산 제어 전자 장치: 이미징 색도계의 주요 전자 보드는 필수 제어와 통신을 제공하며 ProMetric의 전자 제어 장치는 안정적인 작동을 위해 설계됐다.
어떤 이미징 색도계가 해당 애플리케이션에 적당한가?
Radiant Vision Systems 이미징 색도계와 광도계는 과학적 등급의 인터라인 CCD를 기반으로 하여 측정 속도, 정확도, 픽셀 해상도 그리고 동적 범위와 같은 요소 중에서 선택할 수 있다.
ProMetric I
이 고성능 이미징 색도계는 엔지니어링 실험실 또는 제조 환경에서 가장 까다로운 요구 사항을 충족하도록 설계되었다. ProMetric I은 고해상도 및 61dB 동적 범위로 빠른 측정을 제공하는 냉각된 인터라인 CCD를 사용한다. 1x1 비닝하면 61 dB 동적 범위가 생성된다. 각 I- 시리즈 카메라는 정확하고 반복 가능한 저노이즈 측정을 제공하기 위해 열전 기적으로 냉각되는 과학 등급의 CCD 센서를 사용한다. I- 시리즈는 다음과 같은 네 가지 CCD 옵션으로 제공된다.
- ProMetric I2는 2 메가 픽셀(MP) 1600 x 1200 CCD 센서를 사용
- ProMetric I8은 8 MP 3320 x 2496 CCD 센서로 더 높은 해상도를 제공
- ProMetric I16은 16MP 4920 x 3288 CCD 센서로 더 높은 해상도를 제공
- ProMetric I29는 29 MP 6576 x 4384 CCD 센서로 최고의 해상도를 제공
이 고해상도 센서는 광범위한 디스플레이, 조명 구성 요소 그리고 조명 장치에서 매우 정밀한 측정을 가능하게 한다. 다중 High Dynamic Range 모드는 고대비 상황에서 낮은 수준의 정확한 측정을 처리한다.
ProMetric I에는 전자 제어 렌즈(24, 35, 50, 100 및 200mm)를 지원하는 업계 최초의 Smart Technology™와 LCD 터치스크린 인터페이스가 포함되어 있어 측정 색도계에서 바로 측정 설정과 캡처가 가능하다.
ProMetric Y
고성능 ProMetric Y 이미징 광도계는 냉각된 인터라인 CCD를 사용하여 고해상도 및 61dB 동적 범위로 빠른 측정을 제공한다. 작고 견고하며 생산 라인 설정에 사용하도록 최적화되어 있다. 3가지 CCD 선택이 제공된다.
- ProMetric Y2는 2 백만 화소 1600 x 1200 CCD 센서를 사용하여 정확하고 반복 가능한 측정을 제공
- ProMetric Y16은 더 높은 해상도를 위해 16MP 4920 x 3288 CCD 센서를 사용
- ProMetric Y29는 29MP 6576 x 4384 CCD 센서로 훨씬 높은 해상도를 제공
- ProMetric Y43은 43MP 8040 x 5360 CCD 센서로 최고의 해상도를 제공
이 고해상도 센서는 광범위한 디스플레이, 조명 구성 요소, 백라이트 기호 및 표면에서 정밀한 측정을 가능하게 한다. ProMetric Y 카메라는 또한 다양한 조리개 및 작업 거리에서 자동 이미지 보정을 지원하는 전자 제어 렌즈를 포함하여 Smart Technology™를 통합한다. 전자식 셔터는 높은 측정 속도와 우수한 장기 신뢰성을 제공한다. 다양한 렌즈 옵션(24, 35, 50, 100 및 200mm)을 사용할 수 있다. 사진 및 방사선 모델이 모두 제공된다.
자료 제공: Radiant(www.radiant.com)
