머신 비전 카메라 센서의 올바른 선택 방법
FLIR
애플리케이션에 적합한 카메라를 제공하기 위해 FLIR은 다양한 센서를 갖춘 머신 비전 카메라를 설계 제조하고 있다. 이러한 센서의 광학 형식, 판독 값 및 픽셀 구조 차이와 서로 다른 성능 기준에 미치는 영향을 이해하면 가장 적합한 카메라를 선택하는 데 도움이 된다.
해상도, 픽셀 크기 및 광학 형식
해상도, 픽셀 크기 및 광학 형식은 밀접하게 연결되어 있다. 센서의 광학 형식은 이미지 센서의 물리적 크기를 측정한 것이다. 크기는 센서의 대각선으로 측정이 되며, 센서 크기 전체를 비추기 위한 렌즈는 이미지 서클의 직경을 나타낸다. 센서는 서로 다른 종횡비(aspect ratios)를 가질 수 있지만 동일한 광학 형식을 공유한다.
광학 형식을 유지하면서 해상도를 높이면 픽셀 크기가 감소되며, 동일한 픽셀 구성의 작은 픽셀은 일반적으로 양자 효율과 포화 용량이 감소된다. 또한 해상도를 유지하여 픽셀 크기를 줄이면 센서 크기가 감소한다. 소형 센서 렌즈는 일반적으로 대형 광학 형식으로 설계된 렌즈보다 더 작고 가볍고 저렴하다.
렌즈와 센서의 광학 형식을 일치시키는 것이 매우 중요하다. 작은 광학 형식의 센서는 큰 광학 형식의 렌즈와 함께 사용하면 원활하게 작동하지만 렌즈보다 큰 광학 형식의 센서는 렌즈의 이미지 서클로 완전히 가려지지 않아 모서리가 어둡게 나타난다.
CCD와 CMOS의 비교
CMOS는 이미지 센서의 독점적인 기술이다. CCD 센서에 비해 CMOS 이미지 센서는 양자 효율, 절대 감도, 동적 범위 및 시간적 다크 노이즈를 포함한 광범위한 메트릭스에서 우수한 이미징 성능을 제공한다. CMOS 이미지 센서는 CCD보다 빠르게 픽셀을 읽을 수 있으므로 동일한 해상도의 센서에 대한 속도가 크게 향상된다.
롤링 셔터와 글로벌 셔터의 비교
글로벌 셔터 센서와 롤링 셔터 센서의 실질적인 차이는 다음과 같다. 전통적으로 글로벌 셔터는 빠르게 움직이는 물체를 이미징하는 데 선호되는 반면, 롤링 셔터는 낮은 비용과 저조명에서 선호했다.
글로벌 셔터 센서에는 각 픽셀에 대한 판독 회로가 있다. 이를 통해 센서 평면의 모든 픽셀을 동시에 읽을 수 있다. 롤링 셔터 센서는 각 행을 순차적으로 읽는다. 움직이는 물체를 이미징하는 데 글로벌 셔터 센서가 선호된다. 모든 픽셀을 동시에 판독하여 왜곡없이 움직이는 물체를 캡처할 수 있다. 롤링 셔터 센서가 움직이는 물체를 캡처 할 때 라인 단위 판독 속도가 빨라지면서 물체는 계속 움직인다.
이것은 객체가 한 줄에서 다음 줄로 다른 위치에 있음을 의미한다. 이미지화 되는 물체의 속도에 따라 상당한 왜곡이 발생할 수 있다.
Sony의 Pregius 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서 제품군은 글로벌 셔터 이미징 성능의 표준을 설정한다. 글로벌 셔터와 탁월한 절대 감도 및 동적 범위를 결합한다.
롤링 셔터 센서는 글로벌 셔터 센서에 비해 판독 회로가 간단하다. 즉, 글로벌 셔터 센서보다 비용이 저렴하다. 판독 속도가 중요하지 않은 고정 타겟이 있는 애플리케이션의 경우, 롤링 셔터 센서가 글로벌 셔터 센서에 대한 비용 효율적인 대안이 될 수 있다.
후면 조명 (BSI) 센서와 전면 조명 센서(FSI)의 비교
대부분의 CMOS 이미지 센서에서 빛에 민감한 포토다이오드는 센서 뒷면에 있다. 판독 회로 뒤에 위치하며, 광 다이오드와 빛을 픽셀로 보내는 데 사용되는 마이크로 렌즈 사이에 있다. 후면 조명 (BSI, Back-side Illuminated) 센서는 이러한 일반적인 픽셀 구조의 레이아웃을 반전시킨다. 마이크로 렌즈 아래에 포토다이오드를 배치하면 광자가 포토다이오드에 쉽게 들어가고 높은 QE를 얻을 수 있다.
낮은 노이즈 판독 회로와 결합된 QE 증가는 소니의 롤링 셔터 STARVIS 및 Exmore R BSI 센서가 매우 낮은 절대 감도 임계값을 달성하여 저조도 이미징 애플리케이션에 이상적임을 의미한다. 이렇게 증가된 감도를 통해 센서 설계자는 우수한 저조도 성능을 유지하면서 픽셀 크기를 줄임으로써 기존 전면 조명 설계에서 가능했던 주어진 광학 형식에 비해 훨씬 높은 해상도로 BSI 센서를 생산할 수 있다.
온 센서 편광 필터
온 센서 편광 필터(On-Sensor Polarizing Filters)는 이미지 센서의 특정 지점에 도달하는 빛의 강도뿐만 아니라 편광 각도도 감지할 수 있도록 하여 새로운 애플리케이션을 가능하게 한다. 소니의 IMX250MZR 및 IMX250MYR 센서는 5메가 픽셀 IMX250 Pregius 글로벌 셔터 CMOS 센서를 기반으로 하며, 각 픽셀의 마이크로 렌즈 아래에 편광 필터를 추가한다. 이 필터는 0°, 45°, 90° 및 135° 방향이다.
이러한 필터는 각 픽셀에 들어오는 빛을 상대적으로 좁은 범위의 편광 각도로 제한하기 때문에 온 센서 편광 필터가 있는 센서의 QE는 기반으로 하는 표준 센서보다 상당히 낮다.
눈부심 제거
편광 필터는 반사 및 투명 부품에서 눈부심을 제거할 수 있다. 온 센서 편광을 통해 이러한 시스템을 신속하게 설치하고 동적으로 조정할 수 있다. 산업용 이미징 시스템의 조명 요구 사항을 단순화하는 것 외에도 눈부심 감소는 실외 애플리케이션에서 발생하는 까다로운 조명을 관리하는 데 유용하다.
선형 편광의 정도
선형 편광의 정도(DoLP, Degree of Linear Polarization)는 주어진 픽셀에서 편광 되는 빛의 비율이다. 완벽하게 편광된 광원은 DoLP가 100%이고, 편광 되지 않은 빛은 DoLP가 0%이다. DoLP는 동일하게 보일 수 있는 물질을 구별하는 데 유용하다.
선형 편광 각도
선형 편광의 각도(AoLP)는 주어진 픽셀에서 빛의 평균 편광 각도를 의미한다. DoLP가 낮은 경우 소량의 빛만 편광된다. 이 경우 AoLP 결과 값은 명백한 공간과 시간 상의 노이즈를 나타낸다. 이는 높은 게인으로 증폭되는 저강도 신호와 유사하다. DoLP가 증가하면, AoLP 값은 노이즈가 줄어들게 된다.
편광과 색상의 결합
IMX250MYR 센서는 편광 필터 아래의 센서에 컬러 필터 어레이를 추가한다. 이 센서는 색 정보의 공간 해상도보다 편광 범위의 공간 해상도를 우선하는 고유한 쿼드 베이어 패턴(quad-Bayer pattern)을 사용한다.
선택 가능한 컨버전 게인
Pregius 글로벌 셔터 CMOS 센서 제품군에 소니의 최신 제품에는 선택 가능한 컨버전 게인 기능(Selectable conversion gain feature)이 장착되어 있다. 이를 통해 사용자는 아날로그에서 디지털로 변환하는 동안 적용되는 게인을 제어할 수 있다.
높은 컨버전 게인과 낮은 컨버전 게인 중에서 선택함으로써 센서의 성능을 고감도 또는 높은 포화 용량에 맞게 최적화할 수 있다. 컨버전 게인을 활성화하는 것은 아날로그 게인 7.23dB를 추가하는 것과 같다.
컨버전 게인 이득은 저조도 환경에 이상적이다. 판독 코드가 최소화되어 짧은 노출로 약한 신호를 감지하는 데 완벽한 낮은 절대 감도 임계값이 생성된다. 낮은 컨버전 게인은 밝은 조명 조건에 이상적이다. 포화 용량이 최대화되어 동적 범위가 개선되며, 최대 동적 범위는 12 비트 ADC에 의해 제한된다.
선택 가능한 컨버전 게인은 4.5µm 픽셀 아키텍처의 Sony Pregius 센서를 기반으로 하는 모든 FLIR Blackfly S 카메라에서 사용할 수 있다.
근적외선 이미징 성능
CMOS 이미지 센서가 사진을 감지하는 데 사용하는 실리콘은 900nm보다 큰 파장의 빛에 대해 상대적으로 낮은 감도를 가지고 있다. 850nm에서 Sony Pregius 및 STARVIS 센서의 평균 QE는 18%이고 950에서는 7%로 떨어진다.
근적외선 (NIR) 파장의 감도를 활용하는 애플리케이션의 경우 일반적으로 Pregius 및 STARVIS 센서를 권장한다. 950nm에서의 QE는 이 파장에서 더 높은 QE에 최적화된 다른 센서보다 낮을 수 있지만 Pregius 센서의 낮은 Temporal Dark Noise는 이를 쉽게 보상한다. 노이즈로 인해 Pregius 및 STARVIS 센서는 높은 NIR 절대 감도 임계값을 갖는다.
이를 통해 높은 게인을 적용할 수 있어 NIR QE가 높지만 NIR AST가 낮은 센서보다 밝고 선명한 이미지를 제공한다.
자료 제공: FLIR(www.FLIR.com)
