Sony IMX CMOS 센서 시리즈 비교
최초의 IMX 센서
몇 년 전만 해도 산업용 이미지 처리용 카메라에서는 CCD 기술이 적용된 센서들이 압도적으로 많이 사용되었습니다. 당시에 CMOS 센서는 장래성은 있지만 아직 완전하지 않은 기술로 여겨졌기 때문에 전문가들도 가까운 미래에 CMOS 센서가 기존의 CCD 센서의 입지를 위협하게 될 것이라 예측하지 않았습니다.
하지만 전 세계에서 가장 중요한 센서 제조업체 중 한 곳이었던 Sony가 2015년 초 CCD 생산 중단을 발표하면서 산업용 이미지 처리 및 기타 여러 분야에서 CCD 시대의 종말이 가시화되었고 상황은 급변했습니다. 단종 발표 2년 전에 Sony는 IMX라는 새로운 4세대 CMOS 센서 제품군 중 첫 번째 제품을 출시했고, 이 모델은 훨씬 더 넓어진 다이내믹 레인지로 선풍적인 인기를 끌었습니다. 지금도 사용 가능한 이 센서는 노출 시간이 짧고, 이미지 처리에 필요한 트리거 및 판독 옵션을 선택할 수 있으며, 동일한 가격대의 경쟁 제품보다 훨씬 더 뛰어난 화질로 이미지를 캡처할 수 있습니다.
IMX 센서가 특별한 이유
고화질을 위한 Exmor 기술
IMX 센서의 이미지 품질이 뛰어난 이유 중 하나는 Sony만의 특별한 Exmor 기술이 적용되었기 때문입니다. 이 기술을 활용하면 센서에서 기록된 노이즈가 적은 아날로그 신호를 픽셀 판독 과정에서 디지털 신호로 바로 변환할 수 있습니다. 이러한 접근 방식 때문에 IMX 센서는 다른 제조업체들의 센서와 차별화되며 노이즈 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 더 높은 프레임 속도를 지원할 수 있습니다.
왜곡 없는 촬영을 위한 글로벌 셔터
센서의 또 다른 중요한 특징은 셔터로, 이 구성 요소는 전통적인 카메라의 조리개에 해당하는 기능을 담당하며 센서 전자 장치에 구현되어 있습니다. 셔터와 관련해 산업용 이미지 처리에서는 두 가지 방식이 사용됩니다. 먼저 롤링 셔터가 탑재된 센서에서는 센서의 라인이 노출되고 차례로 판독됩니다. 어플리케이션에 움직이는 오브젝트가 있는 경우 이 절차는 센서 라인의 노출 시간을 지연시키고 검사 상황에 따라 캡처된 이미지에 원하지 않는 왜곡이 발생할 수 있습니다.
반면 글로벌 셔터가 있는 센서는 노출된 모든 픽셀을 동시에 판독하기 때문에 교통 어플리케이션에서 움직이는 테스트 오브젝트의 이미지나 움직이는 차량의 이미지도 왜곡 없이 캡처할 수 있습니다.
ROI를 줄여 속도 향상
또한 Sony 개발자들은 산업용 이미지 처리에 사용할 경우 커다란 이점을 제공할 수 있는 기능을 1세대 IMX에 통합했습니다. 여기에는 관심 영역(ROI)을 더 작게 정의할 수 있는 기능이 포함됩니다. 이처럼 센서 판독 영역을 제한하면 이미지 획득 속도를 높이고 전송할 이미지 데이터의 크기를 줄일 수 있습니다. 이 기능은 오브젝트 검사를 위해 특정 부분만 확인해야 하는 경우에 유용합니다.
Pregius - IMX 1세대 센서
IMX174와 IMX249 모델 IMX174 및 IMX249는 Pregius로도 알려진 1세대 IMX 센서의 모델명입니다. 이 글로벌 셔터 센서는 한 변의 길이가 5.68µm이고 해상도가 1920 x 1200픽셀인 정사각형 픽셀로 작동하지만 속도에 차이가 있습니다. IMX249는 초당 41프레임의 이미지 획득 속도를 지원하는 반면 고속 IMX174 버전은 초당 166프레임이라는 놀라운 속도를 구현합니다. 2.3메가픽셀의 해상도로 충분히 처리할 수 있는 어플리케이션의 경우, IMX174 및 IMX249 센서 기반 카메라는 높은 새츄레이션 용량(Saturation Capacity), 높은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio) 및 뛰어난 다이나믹 레인지를 지원하여 오늘날에도 많은 경우에 완벽한 대안으로 평가됩니다.
픽셀을 줄인 2세대 IMX
2세대 IMX 센서에서 2세대 IMX 센서Sony는 픽셀 크기를 3.45µm x 3.45µm로 줄이고 2016년 말 3MP(IMX252 및 IMX265), 5MP(IMX250 및 IMX264), 9MP(IMX255 및 IMX267) 및 12MP(IMX253 및 IMX304) 해상도의 모델을 출시했습니다. 이 센서들은 사용자에게 글로벌 셔터의 이점도 제공하며 Exmor 기술을 사용해 뛰어난 이미지 품질을 구현합니다. 속도 측면에서 표준 2세대 모델(IMX265, IMX264, IMX267, IMX304)은 초당 23~56프레임, 고속 버전은 초당 68~216프레임을 캡처할 수 있습니다.
1세대 IMX 센서에 비해 2세대는 새츄레이션 용량(Saturation Capacity)에서 상당한 차이를 보이는데, 이는 분명히 이전 모델보다 낮아졌지만 여전히 다른 제조업체의 CMOS 센서들과 유사한 수준에 속합니다. 이러한 변화에도 불구하고 2세대 센서는 Sony가 비슷한 센서 포맷으로 달성 가능한 해상도를 거의 세 배 가까이 높이는 데 성공한 놀라운 제품입니다.
1세대 및 2세대 IMX 센서 비교
센서 | IMX174 & IMX249 | IMX252 & IMX256 | IMX250 & IMX264 | IMX255 & IMX267 | IMX253 & IMX304 |
|---|---|---|---|---|---|
해상도 [MP] | 2.3 | 3 | 5 | 9 | 12 |
해상도 [Pixel * Pixel] | 1920*1200 | 2048*1536 | 2448*2048 | 4112*2176 | 4112*3008 |
센서 포맷 ["] | 1/1.2 | 1/1.8 | 2/3 | 1 | 1.1 |
Pixel size[µm] | 5.68 | 3.45 | 3.45 | 3.45 | 3.45 |
Basler 최대 FPS | 164 | 120 | 75 | 40 | 30 |
2세대 IMX 센서가 출시되면서 이용 가능한 해상도 범위가 크게 확대되었습니다.
후면 조명 기술이 적용된 STARVIS 센서
Sony는 STARVIS 제품군을 통해 강력한 센서 기술을 꽤 오랜 시간 제공했습니다. 이 기술은 초기에 여러 가지 컬러 버전으로만 출시되어 주로 보안 관련 어플리케이션에 사용되었습니다. 모노크롬 STARVIS 모델이 출시된 후, 이 센서는 공장 자동화 어플리케이션에서 점점 더 많은 관심을 받게 되었습니다. Sony의 STARVIS 센서 제품군은 Pregius 라인과 동시에 개발되었으며 초기에 롤링 셔터 방식으로만 제공되었지만 나중에는 글로벌 셔터 방식으로도 제공되었습니다. STARVIS 센서에는 약어 IMX가 표시되어 있으며 1.85µm에서 3.76µm 에지 길이의 정사각형 픽셀로 작동합니다.
STARVIS 센서와 Pregius 센서 비교
STARVIS 센서와 Pregius 센서의 1세대 및 2세대 사이의 가장 중요한 차이점은 STARVIS 센서만 롤링 셔터와 후면 조명 기술을 사용한다는 점입니다.
전면 조사(FSI) 센서와 후면 조사(IMX) 센서 비교
BSI라고도 하는 이 센서 설계는 Sony에서 개발한 정교한 기술로 STARVIS 센서는 한 변의 길이가 최대 1.85µm에 불과한 초소형 픽셀로 문제를 효과적으로 해결합니다. 이렇게 픽셀 크기가 작으면 센서에서 수광 픽셀을 위해 사용할 수 있는 영역과 증폭기 또는 A/D 컨버터와 같은 필수 전자 부품을 위해 사용할 수 있는 영역 사이의 비율이 균형을 잃게 됩니다. 빛에 민감하지 않은 부분이 증가하면 센서의 양자 효율이 감소합니다.
Sony는 기존의 전면 조명 센서(FSI)처럼 순수 증폭기와 평가 전자 장치를 센서의 전면이 아닌 후면에 배치하여 이러한 문제 상황을 방지합니다. 그러면 센서에서 빛에 민감한 부분만 전면에 배치됩니다. 이 방식을 사용하면 거의 모든 픽셀 영역을 광전 반응에 사용할 수 있고 전자 부품에서 반사되는 빛의 양을 줄일 수 있습니다. 또한 BSI 센서는 감광면이 기존 FSI 설계보다 높아 이미징 성능도 향상됩니다.
감도 임계값
이러한 차이를 통해 얻을 수 있는 효과는 절대 감도 임계값 비교를 통해 확인할 수 있습니다. 이 임계값은 EMVA1288 표준에 정의되어 있으며 센서가 노이즈에서 충분히 눈에 띄는 신호를 생성하는 데 평균적으로 얼마나 많은 빛, 즉 광자가 필요한지를 나타냅니다. 1세대 Pregius 센서의 경우 감도 임계값은 10이며, 2세대 Pregius 모델은 3, STARVIS 센서는 4입니다
STARVIS | Pregius 1세대 | Pregius 2세대 | |
|---|---|---|---|
절대 감도 임계값 | 4 | 10 | 3 |
Pregius S(현행 4세대)
2020년 Sony는 픽셀 크기가 2.74µm x 2.74µm이고 해상도가 5.1 ~ 24.5메가픽셀인 최첨단 센서 세대 Pregius S를 출시했습니다. 표준 모델 IMX540, IMX541, IMX542, IMX545, IMX546 및 IMX547 표준 모델 IMX540, IMX541, IMX542, IMX545, IMX546 및 IMX547은 초당 35~122프레임 또는 초당 최대 870메가픽셀의 이미지 캡처 속도를 지원하는 반면 고속 모델 IMX530, IMX531고속 모델 IMX530, IMX531, IMX532, IMX535, IMX536 및 IMX537은 초당 106~259 프레임 또는 초당 최대 2600 메가픽셀을 지원하기 때문에 매우 빠르게 움직이는 오브젝트를 검사할 수 있습니다.
Pregius S 센서는 STARVIS 제품군을 위해 개발된 BSI 기술의 장점과 Pregius 시리즈 1, 2세대의 글로벌 셔터 접근 방식을 결합하고 Exmor 기술의 노이즈 감소라는 장점을 계속 활용합니다.
적합한 IMX 센서 탐색
어플리케이션
어플리케이션에 가장 적합한 CMOS 센서는 처리해야 할 작업에 따라 달라집니다. 여기서 중요한 기준 중 하나는 사용되는 카메라와 센서의 트리거 속도입니다. 빠르게 움직이는 오브젝트의 이미지를 촬영하기 위해서는 트리거링이 최대한 빠르고 정확해야 합니다. 이와 관련하여 Pregius 센서는 STARVIS 시리즈의 센서보다 더 나은 값을 제공합니다. 트리거링과 이미지 판독 사이의 시간은 Pregius 센서의 경우 약 20µs에 불과하지만 STARVIS 센서의 경우에는 이 시간이 450µs 이상이 될 수 있습니다. 따라서 트리거의 정확한 실행이 이미지 품질에 매우 중요한 어플리케이션에서는 Pregius 센서가 장착된 카메라가 더 나은 선택입니다. 병이나 인쇄 회로 기판처럼 매우 빠르게 움직이는 오브젝트의 검사와 스포츠의 모션 분석 작업이 이 경우에 해당합니다. 3D 어플리케이션이나 멀티 카메라 시스템을 사용하는 어플리케이션에서도 Pregius 기반 카메라의 빠른 트리거 속도와 정확성이 도움이 될 수 있습니다.
CCD를 대체하는 IMX 센서
사용자들은 CCD 기술과 비슷한 특성을 가진 카메라를 대체할 수 있는 적절한 CMOS를 찾고 있는 경우가 많습니다. 경제성을 고려하면 기존 조명과 광학 장치를 조정할 필요가 적은 CMOS 센서가 장착된 카메라를 선택하는 것이 좋습니다. Pregius 센서의 포맷은 STARVIS 시리즈보다 초기 CCD 카메라의 포맷과 더 유사하기 때문에 이러한 특징이 특히 중요한 어플리케이션에 더 적합합니다. 예를 들어, Pregius 시리즈의 5MP IMX264 및 IMX250 버전은 널리 사용되는 ICX625 CCD 센서를 대체할 수 있는 탁월한 기능을 제공합니다. ICX824 CCD 센서가 장착된 카메라는 시스템의 광학 설정을 크게 조정할 필요 없이 최소한의 작업으로 8.9MP Pregius 버전 IMX267 및 IMX255 모델로 교체할 수 있습니다.
비용 측면의 이점
한편 STARVIS 센서는 Pregius 시리즈에 비해 비용 측면에서 확실한 이점을 제공합니다. 검사 대상 오브젝트가 움직이는 장면을 녹화할 필요가 없는 경우, STARVIS 기반 카메라의 롤링 셔터는 거의 의미가 없습니다. 이 센서는 픽셀 크기가 매우 작기 때문에 더 작은 센서로 더 높은 해상도를 구현할 수 있지만, 광학 장치를 선택할 때에도 이러한 점을 고려해야 합니다.
IMX 시리즈 개발 추세
신규 기능
최근 몇 년 동안에는 점점 더 다양한 기능을 탑재한 최신 센서 모델들이 개발되는 추세가 나타나고 있습니다. 예를 들어 Sony는 Pregius 2세대에 다중 노출 트리거를 도입했습니다. 이 모델에서는 한 번의 트리거 임펄스로 여러 개의 이미지를 빠르게 캡처하여 피사체를 다양한 이미지 밝기로 촬영할 수 있습니다. 따라서 후속 이미지 평가를 위해 최적의 이미지를 선택할 수 있습니다. 이 기능은 3세대 및 4세대 사용자도 사용할 수 있으며 고속 센서에 소위 셀프 트리거와 듀얼 트리거를 도입한 3세대의 두 가지 혁신 제품에서도 지원됩니다. 셀프 트리거를 사용하면 두 개의 서로 다른 이미지 영역(관심 영역, ROI)이 정의되고 두 영역 중 하나의 이미지 영역에서 변화가 감지되면 곧바로 나머지 영역의 이미지가 캡처됩니다. 듀얼 트리거 기능을 사용하면 노출 시간과 게인에 대해서 두 가지 값을 정의할 수 있으며, 이 값을 서로 독립적으로 제어할 수 있습니다. 셀프 트리거와 듀얼 트리거는 모든 4세대 센서에 포함되어 있습니다.
이러한 예는 이전 센서 세대의 기능이 일반적으로 다음 개발 단계에서도 유지되어 사용자에게 더 많은 옵션을 제공한다는 것을 보여줍니다.
높은 해상도의 소형 센서
센서 개발의 또 다른 중요한 추세는 고해상도의 초소형 센서 개발 활동이 활발하다는 것입니다. 이러한 시도는 생산 공정의 발전으로 인해 픽셀 크기가 초소형화되면서 가능해졌습니다. 이렇게 센서가 작아지면 카메라의 크기도 더 줄일 수 있게 됩니다. 또한 경우에 따라서는 높은 해상도 덕분에 사용되는 카메라의 수를 줄일 수도 있습니다. 결과적으로 카메라 시스템을 비용 측면에서 최적화할 수도 있습니다. Pregius 센서의 경우 비용 집약적인 1" 렌즈가 필요한 경우가 많은데, 센서 크기가 더 작은 Pregius S 시리즈의 렌즈는 더 저렴하면서도 성능은 동등한 렌즈로 대체할 수 있습니다. 이러한 이유 때문에 Pregius S 센서가 장착된 카메라가 매우 폭넓게 사용되고 있습니다.
요약
첫 번째 4세대 IMX 제품인 Pregius, STARVIS 및 Pregius S의 기술적 특징은 산업용 이미지 처리와 같은 다양한 어플리케이션 분야의 개발자와 사용자에게 사용 가능한 해상도, 속도 및 기능 측면에서 광범위한 옵션을 제공합니다. 추가 개발 작업이 지속적으로 이뤄지고 있어 차세대 센서는 훨씬 더 광범위한 기술적 잠재력을 제공할 것으로 기대됩니다.
