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애플리케이션에 적합한 CMOS 센서 찾기

CMOS 센서는 이미지 처리 분야에서 CCD 센서를 대부분 대체했습니다. 최신 CMOS 센서 기술은 최근 몇 년 간 매우 빠르게 발전했으며 Sony는 CMOS 센서의 최대 제조업체 중 하나로서 중요한 역할을 하고 있습니다. IMX 시리즈 모델은 산업용 카메라에서 가장 일반적으로 사용되는 센서 중 하나입니다. 본 문서는 Pregius, STARVIS 및 Pregius S로 알려진 Sony의 다양한 IMX 모델 시리즈 간의 주요 차이점을 설명합니다.

불과 몇 년 전만 해도 CCD 기술은 산업용 이미지 처리에 사용되는 카메라 센서의 가장 큰 비중을 차지했습니다. 당시 CMOS 센서는 유망하지만 아직 완전하지 않은 기술로 간주되어 전문가들조차도 CMOS 센서가 가까운 장래에 기존 CCD 센서와 치열한 경쟁을 펼치게 될 것이라고 예상하지 못했습니다.

이러한 예상은 가장 중요한 글로벌 센서 제조업체 중 하나인 Sony가 2015년 초에 CCD 생산 중단 발표를 통해 산업용 이미지 처리 및 기타 여러 분야에서 CCD 시대의 종료를 알리면서 급격히 변하게 되었습니다. Sony는 약 2년 전에 Sony는 IMX라는 현재 4세대로 구성된 새로운 CMOS 센서 제품군 중 첫 번째 세대를 선보였는데, 이 제품은 특히 다이내믹 레인지가 크게 확장되어 놀라움을 안겼습니다. 이 센서는 여전히 사용 가능하며 노출 시간이 짧고 이미지 처리에 필요한 트리거 및 판독 옵션을 선택할 수 있으며 동일한 가격대의 경쟁업체 센서에 비해 뛰어난 품질로 이미지를 캡처할 수 있습니다.

IMX 센서의 이미지 품질이 우수한 이유 중 하나는 Exmor라는 Sony의 특수 기술 때문인데, 이 기술에서는 센서에서 기록된 노이즈 감소 아날로그 신호가 픽셀을 판독하는 과정에서 직접 디지털 신호로 변환됩니다. 이 접근 방식은 IMX 센서를 다른 제조업체의 센서들과 차별화하고 노이즈 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 보다 높은 프레임 속도를 지원합니다.

센서의 또 다른 특히 주요 기능은 셔터로, 셔터는 기능면에서 기존 카메라의 조리개에 해당하며 센서 전자 장치에 구현됩니다. 산업용 이미지 처리에는 두 가지 다른 개념이 존재합니다. 롤링 셔터가 있는 센서에서는 센서의 라인이 노출되고 차례로 판독됩니다. 움직이는 물체를 다루는 애플리케이션에서 이 절차는 센서 라인의 시간 지연 노출로 이어지며 검사 상황에 따라 캡처된 이미지에서 원치 않는 왜곡을 유발할 수 있습니다. 글로벌 셔터가 있는 센서는 이와 다른 방식으로 작동합니다. 글로벌 셔터가 있는 센서는 노출된 모든 픽셀을 동시에 판독하고 이러한 방식으로 움직이는 테스트 물체의 이미지나 움직이는 차량의 이미지도 교통 애플리케이션에서 왜곡 없이 캡처되도록 합니다.

또한 Sony 개발자는 이미 산업용 이미지 처리에 사용할 수 있는 커다란 이점을 제공한 첫 번째 IMX 세대에 여러 기능을 통합했습니다. 여기에는 작은 크기의 관심 영역(ROI)을 정의할 수 있는 기능이 포함됩니다. 이러한 센서 판독 영역의 제한은 이미지 획득 속도를 높이고 데이터 전송을 위한 이미지 데이터의 크기를 줄일 수 있도록 해줍니다. 이 기능은 오브젝트 검사를 위해 특정 영역의 일부만 볼 필요가 있을 경우에 언제나 진가를 발휘합니다.

IMX174 및 IMX249는 IMX 1세대 센서의 이름으로 Pregius라고도 알려져 있습니다. 이 글로벌 셔터 센서는 가장자리 길이가 5.68 µm이고 해상도가 1920 x 1200 픽셀인 정사각형 픽셀로 작동하며 속도 면에서 차이가 있습니다. IMX249는 초당 41프레임의 프레임 속도를 지원하고 고속 변형인 IMX174는 초당 166프레임이라는 놀라운 수준까지 지원할 수 있습니다.

2.3메가픽셀의 해상도로 주어진 작업을 충분히 수행할 수 있는 애플리케이션의 경우, IMX174 및 IMX249 센서 기반 카메라는 높은 새츄레이션 용량, 높은 신호 대 잡음비 및 뛰어난 다이내믹 레인지 덕분에 오늘날에도 여전히 완벽한 대안에 해당합니다.

픽셀이 작아진 2세대 IMX

2016년 말, Sony는 2세대 IMX 센서에서 픽셀 크기를 3.45μm x 3.45μm로 줄이고 3메가픽셀(MP, IMX252 및 IMX265), 5MP(IMX250 및 IMX264), 9MP(IMX255 및 IMX267) 및 12MP(IMX253 및 IMX304) 해상도의 모델들을 선보였습니다. 이 센서들은 사용자에게 글로벌 셔터의 이점을 제공하고 Exmor 기술을 사용하여 뛰어난 이미지 품질을 제공합니다. 속도 면에서 표준 2세대 모델(IMX265, IMX264, IMX267 및 IMX304)은 초당 23~56프레임을 구현하며, 고속 버전은 초당 68~216프레임을 캡처할 수 있습니다.

1세대 IMX 센서와 비교할 때 2세대는 새츄레이션 용량이 이전 제품의 값보다 분명히 낮아 상당한 차이를 보이지만 여전히 다른 제조업체의 CMOS 센서와 동일한 범위 내에 있습니다. 그러나 이러한 특성보다는 Sony가 유사한 센서 포맷으로 달성 가능한 해상도를 거의 3배까지 높일 수 있다는 사실에 주목해야 합니다.

후면 조사(BSI) 기술이 탑재된 STARVIS 센서

Sony는 초기에는 STARVIS 제품군을 통해 다양한 색상 변형에만 존재하고 주로 감시 영역에서 사용되었던 강력한 센서 기술을 오랫동안 제공해 왔습니다. 모노크롬 STARVIS 모델이 도입된 후 이러한 센서는 공장 자동화 애플리케이션 분야에서 더 많은 관심을 받게 되었습니다. Sony의 이 센서 제품군은 Pregius 라인과 함께 개발되었으며 처음에는 롤링 셔터에서만 사용할 수 있었지만 나중에는 글로벌 셔터도 사용할 수 있게 되었습니다. STARVIS 센서에는 약어 IMX가 표시되어 있으며 가장자리 길이가 1.85µm에서 3.76µm 사이인 정사각형 픽셀로 작동합니다.

STARVIS와 Pregius 1, 2세대를 구분하는 가장 중요한 특징은 롤링 셔터와 STARVIS 센서의 후면 조사 기술입니다. BSI라고도 하는 이 센서 디자인은 Sony의 정교한 발명품으로 다음과 같이 명쾌한 방법으로 문제를 해결합니다. STARVIS 센서는 가장자리 길이가 최대 1.85 µm인 매우 작은 픽셀로 작동합니다. 이처럼 작은 픽셀 크기로 인해 수광 픽셀용으로 사용할 수 있는 센서의 영역과 증폭기 또는 A/D 변환기와 같은 필수 전자 구성 요소 사이에 부적합한 비율이 발생합니다. 비감광 부분이 증가할 경우, 센서의 양자 효율성은 감소합니다.

Sony는 소위 전면 조사(FSI) 센서로 대표되는 기존의 경우와 같이 센서 전면이 아니라, 센서 후면에 순수 증폭기 및 평가 전자 장치를 배치하여 이러한 상황을 방지합니다. 센서에서 빛에 민감한 부분만 전면에 배치됩니다. 이러한 방법을 사용하면 거의 모든 픽셀 영역을 광전 반응에 사용할 수 있고 전자 부품에서 발생하는 빛 반사를 줄일 수 있습니다. 또한 BSI 센서의 감광면이 기존의 FSI 디자인보다 높아 이미징 성능도 향상시킬 수 있습니다.

전면 조사(FSI)와 후면 조사(BSI) 센서 비교

FSI 센서(왼쪽)에서 배선은 감광 픽셀 영역 위에 있습니다. 빛은 포토다이오드에 도달하기 전에 일종의
FSI 센서(왼쪽)에서 배선은 감광 픽셀 영역 위에 있습니다. 빛은 포토다이오드에 도달하기 전에 일종의 "터널"을 통과해야 하며 전자 구성 요소에 의해 부분적으로 반사됩니다. BSI 기술(오른쪽)에서 배선은 포토다이오드 아래에 구현됩니다.

이러한 차이를 통해 얻을 수 있는 효과는 EMVA1288 표준에 정의되어 있고 센서가 노이즈로부터 충분히 눈에 띄는 신호를 생성하기 위해 평균적으로 얼마나 많은 빛, 즉 광자가 필요한지를 나타내는 절대 감도 임계값을 비교하여 확인할 수 있습니다. 이 값은 1세대 Pregius 센서의 경우에는 10인 반면, 2세대 Pregius 모델과 STARVIS 센서에서는 그 값이 각각 3과 4로 나타납니다.

Pregius S, 현 4세대 센서

Sony는 2020년에 픽셀 크기가 2.74 µm x 2.74 µm이고 해상도가 5.1 ~ 24.5 메가픽셀이며 현재 이용 가능한 가장 발전된 형태의 센서 세대인 Pregius S를 출시했습니다. 표준 모델 IMX540, IMX541, IMX542, IMX545, IMX546 및 IMX547은 초당 35~122프레임 또는 최대 870메가픽셀의 프레임 속도를 지원하는 반면, 고속 변형 IMX530, IMX531, IMX532, IMX535, IMX536 및 IMX537은 초당 106~259프레임 또는 초당 최대 2600메가픽셀을 달성하여 매우 빠르게 움직이는 오브젝트를 검사할 수 있습니다.

Pregius S 센서는 STARVIS 제품군을 위해 개발된 BSI 기술의 이점과 최초 두 가지 Pregius 시리즈의 글로벌 셔터 접근 방식을 결합하고 Exmor 노이즈 감소라는 이점을 계속 제공합니다.

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애플리케이션에 따른 최적 센서

애플리케이션에 가장 적합한 CMOS 센서는 주어진 작업에 따라 달라집니다. 여기서 중요한 기준 중 하나는 사용된 카메라와 해당 센서의 트리거 속도입니다. 빠르게 움직이는 오브젝트의 이미지를 촬영해야 하는 경우, 트리거링은 가능한 한 빠르고 정확해야 합니다. 이와 관련해 Pregius 센서는 STARVIS 시리즈의 센서보다 더 높은 값을 달성합니다. 트리거링과 이미지 판독 사이의 시간은 Pregius 센서의 경우 약 20µs에 불과하지만 이 시간은 STARVIS 센서의 경우에는 450µs 이상이 될 수 있습니다. 따라서 Pregius 센서가 탑재된 카메라는 이미지 품질을 위해 정확한 트리거 실행이 중요한 애플리케이션에서 더 나은 대안입니다. 업계 사례에는 병이나 인쇄 회로 기판처럼 매우 빠르게 움직이는 오브젝트 검사와 스포츠의 동작 분석 등이 있습니다. 3D 애플리케이션 또는 멀티 카메라 시스템을 사용하는 애플리케이션도 Pregius 기반 카메라의 높은 트리거 속도 및 정확도를 통한 이점을 누릴 수 있습니다.

사용자는 많은 경우 카메라를 위해 CCD 기술과 대등한 특성을 가진 CMOS 대체품을 구입하고자 합니다. 경제성을 고려하여 기존 조명 및 광학 장치를 조정할 필요성이 최소화되는 CMOS 센서가 탑재된 카메라를 선택하는 것이 좋습니다. Pregius 센서의 포맷은 STARVIS 시리즈에 비해 이전 CCD 카메라의 포맷과 상당히 유사하므로 이러한 주장이 특히 중요한 애플리케이션에 더욱 적합합니다. 예를 들어 Pregius 시리즈의 5MP IMX264 및 IMX250 변형은 널리 사용되는 ICX625 CCD 센서의 대체품으로 유용하게 사용할 수 있습니다. ICX824 CCD 센서가 탑재된 카메라는 시스템의 광학 설정을 크게 조정할 필요 없이 매우 간단한 작업을 통해 8.9 메가픽셀 Pregius 버전 IMX267 및 IMX255가 탑재된 모델로 교체할 수 있습니다.

반면 STARVIS 센서는 Pregius 시리즈에 비해 확실한 비용상의 이점을 제공합니다. 검사 대상 오브젝트의 움직임을 기록할 필요가 없는 경우 STARVIS 기반 카메라의 롤링 셔터는 큰 의미가 없습니다. 이 센서 역시 매우 작은 픽셀 크기로 인해 소형 센서로 보다 높은 해상도를 구현하지만, 광학 장치를 선택할 경우 이러한 점을 반드시 검토해야 합니다.

트렌드

최근 몇 년 동안의 센서 개발은 새로운 모델에서 점점 더 다양한 기능을 지원하는 경향을 보여줍니다. 예를 들어, Sony는 2세대 Pregius를 통해 단일 트리거 임펄스가 여러 이미지의 고속 캡처를 트리거하는 다중 노출 트리거를 도입하여 오브젝트를 다양한 이미지 밝기로 캡처할 수 있습니다. 그 결과 후속 이미지 평가를 위해 최적의 이미지를 선택할 수 있습니다. 이 기능은 3세대 및 4세대 사용자도 사용할 수 있습니다.

이러한 트렌드는 고속 센서에 소위 셀프 트리거 및 듀얼 트리거를 도입한 3세대의 두 가지 혁신 사항에도 적용됩니다. 셀프 트리거를 사용하면 두 개의 서로 다른 이미지 영역(관심 영역, ROI)이 정의되고 다른 이미지 영역에서 변경이 감지되는 즉시 두 영역 중 하나에 대한 이미지가 촬영됩니다. 반면 듀얼 트리거 기능을 사용하면 서로 독립적으로 제어할 수 있는 노출 시간 및 게인에 대해 두 가지 다른 값을 정의할 수 있습니다. 모든 4세대 센서에는 셀프 트리거 및 이중 트리거 기능이 포함되어 있습니다.

이러한 예는 이전 센서 세대의 기능이 일반적으로 다음 개발 단계로 이전되어 사용자에게 더 많은 옵션이 제공된다는 점을 보여줍니다.

센서 개발의 또 다른 중요한 트렌드는 고해상도 및 소형 더 작은 센서를 지향하는 것입니다. 이러한 트렌드는 생산 공정의 발전 덕분에 픽셀 크기가 더욱 작아질 수 있게 되면서 나타났습니다. 이러한 센서의 소형화로 인해 카메라 크기도 더욱 작아질 수 있습니다. 또한 일부 경우에는 높은 해상도 덕분에 사용되는 카메라의 수를 줄일 수 있습니다. 결과적으로 비용 최적화된 카메라 시스템도 사용할 수 있게 되었습니다. Pregius 센서를 사용하는 경우에는 가격이 비싼 1인치 렌즈가 필요한 경우가 많은데, 이 경우에는 Pregius S 시리즈 센서 크기가 더 작고 가격이 저렴하지만 동일한 성능의 렌즈로 교체할 수 있습니다. 이러한 이유로 Pregius S 센서가 탑재된 카메라가 매우 널리 사용됩니다.

결론

전 세계에서 가장 중요한 센서 제조업체인 Sony는 CMOS 기술 개발에 매진하며 CCD 센서 및 카메라 시대의 종말을 예고했습니다. 4가지 IMX 세대의 최초 제품에 해당하는 Pregius (1세대~3세대), STARVIS 및 Pregius S의 기술적 특징은 무엇보다도 산업용 이미지 처리와 같은 다양한 애플리케이션 분야의 개발자 및 사용자에게 사용 가능한 해상도, 속도 및 기능 측면에서 폭넓은 옵션을 제공합니다. 지속적인 추가 개발로 인해 차세대 센서는 훨씬 더 다양한 기술적 가능성을 제공할 것으로 예상됩니다.

Sony의 IMX 센서가 탑재된 Basler 카메라에 대해 자세히 알아보세요.