센서 냉각 없이 사용하는 SWIR 카메라

비냉각식 SWIR 카메라의 장점

• 내부 냉각이 필요하지 않기 때문에 카메라 하우징을 더 컴팩트하게 설계

• 비용 부담 대폭 감소

• 냉각 팬이 없기 때문에 공기 흐름에 영향을 주지 않아, 먼지 제어가 중요한 클린룸 환경에 이상적

• 냉각 팬으로 인한 진동이 없어, 정밀한 측정이 요구되는 어플리케이션에서도 안정적인 이미징 제공

• 냉각 장치와 팬이 없으므로 전력 소모를 최소화할 수 있어, 에너지 효율적인 시스템 구성

• USB를 포함해 단일 케이블만으로도 카메라 구동 가능

센서 온도 및 신호 대 잡음비(SNR)

이미지 품질을 구성하는 각 요소의 중요도는 어플리케이션의 요구 사항에 따라 크게 달라집니다. 어떤 어플리케이션에서는 노이즈를 최소화하는 것이 핵심일 수 있고, 다른 어플리케이션에서는 가능한 한 넓은 다이내믹 레인지 확보가 중요할 수 있으며, 또 다른 경우에는 극도로 미세한 구조까지 식별할 수 있어야 합니다. 이처럼 단일한 하나의 파라미터만으로는 이미지 품질을 완전히 정의할 수 없으며, 여러 요소가 종합적으로 고려되어야 합니다. 온도 변화에 따른 다크 전류 노이즈의 영향을 비교하려는 경우에는, 신호 대 잡음비(SNR)가 이미지 품질 변화를 정량화하는 데 적합한 지표입니다. 단, SNR은 균일한 표면(Flat Field)만 고려하므로, 세부 구조나 엣지 프로파일의 재현도 또한 함께 고려되어야 실제 어플리케이션에 적합한 평가가 가능합니다.

대표적인 센서 온도 조건을 고려한 카메라 설정

이미지 품질 비교를 위해, 최대 프레임 속도 기준으로 대표적인 센서 온도를 반영한 네 가지 카메라 설정을 사용했습니다:

• 센서 온도가 약 60°C인 비냉각식, 비장착형 카메라

• 센서 온도가 약 45°C인 비냉각식, 비장착형 카메라

• 센서 온도가 약 33°C인 압축 공기 냉각기로 능동 냉각된 카메라

• 센서 온도가 약 15°C인 TEC 센서가 장착된 카메라

노출 시간 10밀리초 미만

다수의 측정 결과에 따르면, 노출 시간이 10ms 미만일 경우 TEC 센서는 이미지 품질 측면에서 별다른 이점을 제공하지 못합니다. 이 노출 시간은 연속 이미지 획득 시 약 100fps의 프레임 속도에 해당합니다. SenSWIR 기술은 이러한 조건에서 기존 InGaAs 센서의 일반적인 문제를 이미 최소화하고 있습니다.

노출 시간이 10ms일 때, 센서 온도가 15°C와 60°C처럼 큰 차이를 보이더라도 TEC 센서와 비냉각형 SenSWIR 센서의 이미지 품질에는 뚜렷한 차이가 나타나지 않았습니다. 신호 대 잡음비(SNR)에서도 유의미한 차이는 관찰되지 않았으며, 구조물의 정성적 이미지나 엣지 프로파일에서도 동일한 결과가 확인되었습니다.

따라서 센서 냉각은 결정적인 이점을 제공하지 않으며, 이 노출 시간 구간에서는 다크 전류의 영향도 미미한 수준입니다. 전체 SWIR 어플리케이션의 약 80%는 이러한 짧은 노출 시간을 사용합니다.

10밀리초 이상의 노출 시간

노출 시간이 길어질수록 센서 온도의 영향이 커집니다. 센서 온도가 상승하면 다크 전류의 영향이 증가하고, SNR이 감소하여 이미지 품질이 저하됩니다. 주요 원인은 이미지 상에 흰 점으로 나타나는 결함 픽셀, 즉 "핫스팟"입니다. 센서 온도가 높고 노출 시간이 길수록 이러한 핫스팟이 더 많이 발생하며, 이는 고정 패턴 노이즈(FPN)로 나타납니다. 동시에 높은 다크 전류는 다크 전류 쇼트 노이즈도 증가시키며, 이는 랜덤 노이즈(RN) 형태로 나타납니다. 암전류 샷 노이즈도 증가합니다.

TEC 센서는 일반적으로 10ms 이상의 노출 시간에서 이미지 품질을 향상시킵니다. 그러나 TEC가 없는 센서의 단점은 다음과 같은 방법으로 보완할 수 있습니다. 외부 냉각 솔루션 그리고 전용 펌웨어 어플리케이션 구성과 요구되는 이미지 품질 수준에 따라 달라집니다. 따라서 비냉각형 SenSWIR 센서의 이미지 품질이 해당 어플리케이션에 충분한지를 검토해보고, 그에 따른 장점을 활용할 수 있는지 확인할 필요가 있습니다.

픽셀 결함 감소를 위한 Pixel Correction Beyond 기능

산업용 SWIR 영상에서 자주 발생하는 픽셀 결함을 해결하기 위해, Basler는 독자적인 Pixel Correction Beyond 알고리즘을 개발했습니다. 이 알고리즘은 이미지 콘텐츠를 기반으로 보정 강도를 유연하게 조정하여, SWIR 이미지 품질을 획기적으로 향상시킵니다.

블루밍 효과 감소

센서 온도가 60°C에 달하고 노출 시간이 100ms를 초과하는 극한 조건에서는, 이른바 "블루밍 핫스팟"이라 불리는 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 하나의 핫스팟이 주변 픽셀로 영향을 퍼뜨리며 여러 개의 결함 픽셀이 군집을 이루는 현상입니다. 이러한 경우에는 Sony의 SenSWIR 전용 기능인 "Blooming Reduction"을 활용할 수 있으며, 블루밍 핫스팟 발생을 효과적으로 줄여줍니다. 다만 이 기능의 성공률은 약 50% 수준이며, 블루밍 핫스팟이 실제로 문제인지 여부는 각 어플리케이션별로 개별적으로 판단해야 합니다.

노이즈 감소 및 이미지 선명도를 위한 PGI 기능

Basler의 검증된 PGI 기능 세트는 이미지 품질 향상을 위한 효과적인 옵션입니다. Denoising 기능은 엣지 영역에 영향을 주지 않으면서 랜덤 노이즈를 효과적으로 줄여주며, Sharpening 기능은 이미지의 흐려진 부분을 보완하고 윤곽을 강조해 선명도를 더욱 향상시킵니다. 이를 통해 검사 작업에 맞춰 이미지 품질을 개별적으로 조정할 수 있습니다.

Pixel Correction Beyond 및 Denoising 기능

Pixel Correction Beyond와 Denoising을 함께 적용하면 엣지 프로파일에 어떤 효과가 있을까요? 이 조합은 이미지 내 구조를 유지하면서도 노이즈를 효과적으로 줄여줍니다. 단순한 노이즈 제거 알고리즘과는 달리, 고·저 강도(그레이) 값 간의 기울기와 진폭이 유지되어 디테일이 보존됩니다. 다만, 노이즈 제거 강도를 높일수록 이미지가 흐려질 수 있으므로, Denoising과 Sharpening 파라미터 간의 균형을 신중하게 조정하는 것이 중요합니다.

비냉각식(TECless) 카메라의 이점

SWIR 이미징에서 TEC 센서가 항상 더 나은 이미지 품질을 제공한다는 일반적인 가정은 사실이 아닙니다. 실제로는 어플리케이션의 특성에 따라 달라집니다. 예를 들어, 노출 시간이 10밀리초 미만인 경우에는 TEC-SenSWIR 센서가 비냉각형 SenSWIR 센서 대비 이미지 품질 면에서 별다른 이점을 제공하지 않습니다. 반면, TEC 센서를 사용하는 카메라는 가격, 크기, 전력 소비 측면에서 여러 단점을 동반합니다. Basler는 냉각 액세서리와 고급 카메라 기능을 결합해, TEC 카메라와 유사한 이미지 품질을 실현할 수 있는 비용 효율적 대안을 제공합니다. 어플리케이션별로 요구되는 이미지 품질에 따라 최적 솔루션은 달라질 수 있으므로, 사전에 꼼꼼한 비교와 검토가 필요합니다.