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Understanding The Digital Image Sensor
While a sensor's function is to convert light into an electrical signal, not all sensors are
built the same. Learning more about how image sensors work and how they are categorized
will help you better choose the right one.
디지털 이미지 센서 이해하기
분류 방식과 관계없이 이미지 센서의 목적은 동일합니다. 들어오는 빛(광자)을 보고, 분석하거나 저장할 수 있는 전기 신호로 변환하는 것입니다. 이미지 센서는 고체 소자이며 머신 비전 카메라 내부에서 가장 중요한 부품 중 하나입니다. 매년 센서 크기, 해상도, 속도, 광감도 측면에서 개선된 다양한 센서가 새롭게 제조되고 있습니다. 이 글에서는 머신 비전 카메라 내부에 사용되는 이미지 센서 기술의 기본 사항과 이러한 기술이 센서 분류와 어떻게 관련되는지 살펴봅니다.
목차
이미지 센서 구성 요소
아래는 일반적인 CMOS 이미지 센서입니다. 센서 칩은 보호 유리가 있는 패키지에 장착됩니다. 패키지에는 센서를 PCB에 연결하는 접점 패드가 있습니다.
참고
센서마다 서로 다른 패키지를 사용합니다. 예를 들어 위 사진은 세라믹 PGA 패키지를 사용하는 센서입니다.
위: CMOS 이미지 센서 다이어그램
고체 이미지 센서 칩에는 광감응 소자, 마이크로 렌즈, 미세 전기 부품으로 구성된 픽셀이 포함되어 있습니다. 이 칩은 반도체 회사에서 제조되며 웨이퍼에서 절단됩니다. 와이어 본드는 다이에서 센서 뒷면의 접점 패드로 신호를 전달합니다. 패키징은 센서 칩과 와이어 본드를 물리적 및 환경적 손상으로부터 보호하고, 열 방출을 제공하며, 신호 전달을 위한 상호 연결 전자 부품을 포함합니다. 패키징 전면의 투명 창인 커버 글라스는 빛이 광감응 영역에 도달할 수 있도록 하면서 센서 칩과 와이어를 보호합니다.
실리콘 웨이퍼로 제작되는 이미지 센서
센서 다이는 실리콘 웨이퍼 위에서 대량으로 생산됩니다. 웨이퍼는 여러 조각으로 절단되며, 각 조각에는 하나의 센서 다이가 포함됩니다. 센서 다이 크기가 클수록 웨이퍼당 생산 가능한 센서 수는 줄어듭니다. 이는 일반적으로 더 높은 비용으로 이어집니다. 웨이퍼의 단일 결함도 더 큰 이미지 센서에 영향을 미칠 가능성이 높습니다.
위: 센서 다이는 정밀 절단을 통해 웨이퍼에서 분리됩니다
참고
베어 실리콘 웨이퍼에서 개별 이미지 센서 부품으로 제조되는 과정은 최대 몇 개월이 걸릴 수 있습니다.
카메라 내부의 센서 기능
카메라 시스템에서 이미지 센서는 렌즈 또는 기타 광학계를 통해 초점이 맞춰진 입사광(광자)을 수신합니다. 센서가 CCD인지 CMOS인지에 따라 정보를 전압 또는 디지털 신호 형태로 다음 단계로 전달합니다. CMOS 센서는 광자를 전자로 변환한 다음 전압으로 변환하고, 온칩 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용해 디지털 값으로 변환합니다.
위: 일반적인 CMOS 카메라 구조
카메라 제조사에 따라 일반적인 구조와 사용되는 부품은 달라질 수 있습니다. 이 구조의 주요 목적은 빛을 디지털 신호로 변환하여 분석하고, 이후 동작을 트리거할 수 있도록 하는 것입니다. 소비자용 카메라에는 이미지 저장(메모리 카드), 보기(내장 LCD), 제어 노브와 스위치 등 머신 비전 카메라에는 없는 추가 부품이 포함됩니다.
CCD와 CMOS의 차이점
CCD 센서(전하 결합 소자)는 모든 픽셀의 노출을 동시에 시작하고 종료합니다. 이를 글로벌 셔터라고 합니다. 그런 다음 CCD는 이 노출 전하를 수평 시프트 레지스터로 전송하고, 이후 플로팅 디퓨전 증폭기로 보냅니다. 참고: 2015년 Sony는 CCD 생산을 중단하고 2026년까지 CCD 지원을 종료할 계획이라고 발표했습니다.
CCD 특성:
• 글로벌 셔터
• 저노이즈
• 높은 다이내믹 레인지
• 중간 수준의 프레임 속도
• 스미어링 발생 가능
과거에는 CMOS 센서(상보성 금속 산화막 반도체)가 한 번에 한 픽셀 행씩만 노출을 시작하고 종료할 수 있었으며, 이를 롤링 셔터라고 합니다. 시간이 지나면서 이러한 점은 변화했으며, 현재는 많은 글로벌 셔터 CMOS 센서가 시장에 출시되어 있습니다. CMOS 센서는 각 픽셀 열마다 더 작은 ADC를 사용하므로 CCD보다 더 높은 프레임 속도를 구현할 수 있습니다. CMOS 센서는 수년에 걸쳐 크게 개선되어, 최신 CMOS 센서 대부분은 이미지 품질, 이미지 속도, 전체 가치 측면에서 CCD와 동등하거나 더 우수합니다.
최신 CMOS 특성:
• 글로벌 셔터 및 롤링 셔터 모델
• 낮음에서 매우 낮은 노이즈
• 높음에서 매우 높은 다이내믹 레인지
• 매우 높은 프레임 속도
• 스미어링 없음
모노 및 컬러 센서
가시광 센서(적외선, UV 또는 X-Ray 제외)에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 컬러와 모노입니다. 컬러 센서에는 마이크로 렌즈 아래에 컬러 필터라는 추가 층이 있으며, 이 필터는 원치 않는 색상 파장을 흡수하여 각 픽셀이 특정 색상 파장에 민감하도록 합니다. 모노 센서에는 컬러 필터가 없으므로 각 픽셀은 모든 가시광 파장에 민감합니다.
위 왼쪽: 모노 센서 평면. 위 오른쪽: Bayer 패턴이 적용된 컬러 센서 평면.
위 오른쪽에 표시된 컬러 센서 예시에서는 Bayer 필터 패턴의 컬러 필터 어레이가 사용됩니다. 이 필터 패턴은 50% 녹색, 25% 빨간색, 25% 파란색 배열을 사용합니다. 대부분의 컬러 카메라는 Bayer 필터 패턴을 사용하지만, 서로 다른 패턴 배열과 RGB 구성을 가진 다른 필터 패턴도 사용할 수 있습니다.
참고
일부 센서, 특히 픽셀 크기가 작은 센서에서는 광자를 포토다이오드로 더 잘 유도하기 위해 추가 마이크로 렌즈가 사용됩니다.
이미지 센서 포맷(크기)
이미지 센서는 다양한 포맷 유형(광학 클래스, 센서 크기 또는 유형이라고도 함)과 패키지로 제공됩니다. 해상도와 픽셀 크기는 센서의 전체 크기를 결정하며, 더 큰 센서는 일반적으로 더 작은 센서보다 더 높은 해상도 또는 더 큰 픽셀 크기를 가집니다. 센서 포맷을 이해하는 것은 카메라에 적합한 렌즈와 광학계를 선택하는 데 중요합니다. 모든 렌즈는 특정 센서 포맷과 해상도에 맞게 설계됩니다. 센서 포맷은 전체 센서 패키지가 아니라 센서 칩의 영역만을 설명한다는 점에 유의하십시오.
위, 센서 포맷 크기(왼쪽에서 오른쪽): 1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″
아래는 2/3″ 포맷 유형으로 분류되는 CMOS 센서의 예입니다. 그러나 실제 다이의 대각선 크기는 0.43″(11mm)에 불과합니다. 현재의 센서 “인치” 유형은 센서의 실제 대각선 크기를 의미하지 않습니다. 센서 포맷 유형이 다소 모호하게 정의된 것처럼 보일 수 있지만, 실제로는 오래된 비디오 카메라 튜브를 기반으로 하며, 여기서 인치 측정값은 비디오 튜브의 외경을 의미했습니다. 아래 차트는 가장 일반적인 센서 포맷 유형과 실제 센서 대각선 크기(mm)를 보여줍니다.
참고
오래된 비디오 카메라 튜브의 예입니다. 이러한 오래된 튜브의 직경이 오늘날 최신 센서의 센서 포맷 분류 기준으로 사용됩니다.
센서 포맷과 실제 크기 비교
| 이미지 센서 포맷 (유형) | 1" | 2/3" | 1/1.8" | 1/3" |
| 이미지 센서 대각선 (mm) | 11 mm | 8.9 mm | ~6 mm |
센서 픽셀 크기
픽셀 크기는 마이크로미터(µm) 단위로 측정되며, 포토다이오드와 주변 전자 회로의 전체 영역을 포함합니다. CMOS 픽셀은 포토다이오드, 증폭기, 리셋 게이트, 전송 게이트, 플로팅 디퓨전으로 구성됩니다. 그러나 이러한 요소가 항상 각 픽셀 안에 모두 포함되는 것은 아니며, 픽셀 간에 공유될 수도 있습니다. 아래 다이어그램은 CMOS 모노 및 컬러 픽셀의 단순화된 구조를 보여줍니다.
위, 단순화된 CMOS 모노 및 컬러 픽셀 구조
일반적으로 픽셀 크기가 클수록 빛을 받을 수 있는 포토다이오드 영역이 더 넓기 때문에 광감도가 높아집니다. 센서 포맷이 동일한 상태에서 해상도가 증가하면 픽셀 크기는 줄어들어야 합니다. 이로 인해 센서 감도가 낮아질 수 있지만, 픽셀 구조, 노이즈 저감 기술, 이미지 처리의 발전이 이를 완화하는 데 도움이 되었습니다. 센서 감도를 더 정확하게 이해하려면 센서의 분광 응답(양자 효율)과 기타 센서 성능 결과를 함께 참조하는 것이 가장 좋습니다.
모노 및 컬러 분광 응답
모노 센서와 컬러 센서 간의 물리적 차이, 그리고 센서 제조사의 기술과 픽셀 구조 차이로 인해 센서마다 빛을 감지하는 정도가 다릅니다. 센서의 광감도를 더 정확하게 이해하는 한 가지 방법은 분광 응답 차트(양자 효율 차트라고도 함)를 확인하는 것입니다.
아래 두 차트는 동일한 센서 모델의 모노 버전과 컬러 버전입니다. 왼쪽은 모노 센서의 분광 응답을, 오른쪽은 컬러 센서의 분광 응답을 보여줍니다. X축은 파장(nm), Y축은 양자 효율(%)입니다. 대부분의 머신 비전 컬러 카메라에는 근적외선 파장을 차단하기 위한 IR 컷 필터가 장착되어 있습니다. 이를 통해 이미지에서 IR 노이즈와 색상 혼선을 제거하고, 사람이 색상을 인식하는 방식에 가장 가깝게 맞출 수 있습니다. 그러나 일부 애플리케이션에서는 IR 컷 필터 없이 이미징하는 것이 유용할 수 있습니다. IR 컷 필터 장착 여부와 관계없이 컬러 센서는 모노 센서만큼 민감할 수 없습니다.
위: 동일한 센서 제품군을 사용한 2가지 분광 응답 곡선 예시.
모노 센서(왼쪽) 및 IR 컷 필터가 없는 컬러 센서(오른쪽)
양자 효율이 높을수록 센서가 빛을 더 잘 감지합니다. 위 차트는 EMVA 1288 측정 표준을 기반으로 한 여러 성능 결과 중 하나입니다. EMVA 1288 표준은 사용자가 여러 제조사의 모델을 더 쉽게 비교하고 대조할 수 있도록 성능 결과를 테스트하고 표시하는 방법을 규정합니다. 자세한 내용은 EMVA 1288 사이트를 방문하십시오.
글로벌 셔터와 롤링 셔터
센서의 중요한 기능 중 하나는 셔터 유형입니다. 두 가지 주요 전자 셔터 유형은 글로벌 셔터와 롤링 셔터입니다. 이러한 셔터 유형은 작동 방식과 최종 이미지 결과가 다르며, 특히 카메라 또는 대상이 움직이는 경우 차이가 더욱 두드러집니다. 각 셔터가 어떻게 작동하는지, 그리고 이것이 이미징에 어떤 영향을 주는지 자세히 살펴보겠습니다.
글로벌 셔터 타이밍
왼쪽 다이어그램은 글로벌 셔터 센서의 노출 타이밍을 보여줍니다. 모든 픽셀은 동시에 노출을 시작하고 종료하지만, 판독은 여전히 라인 단위로 진행됩니다. 이러한 타이밍은 흔들림이나 왜곡이 없는 이미지를 생성합니다. 글로벌 셔터 센서는 고속으로 움직이는 물체를 이미징하는 데 필수적입니다.
롤링 셔터 타이밍
왼쪽 다이어그램은 롤링 셔터 센서의 노출 타이밍을 보여줍니다. 노출 타이밍은 라인마다 다르며, 리셋과 판독이 서로 다른 시점에 이루어집니다. 이러한 행 단위 노출 방식은 대상 또는 카메라가 움직이는 경우 이미지 왜곡을 발생시킵니다. 롤링 셔터 센서는 정지된 물체나 천천히 움직이는 물체를 이미징할 때 뛰어난 감도를 제공합니다.
결론
머신 비전 카메라의 세계를 처음 접하는 경우, 위의 정보는 머신 비전 업계가 센서를 어떻게 분류하는지 이해하는 데 훌륭한 출발점이 됩니다. 디지털 센서의 용어와 기술을 이해하면 애플리케이션에 적합한 카메라를 더 정확하게 선택할 수 있습니다. 예를 들어 픽셀 크기와 센서 포맷 같은 특정 센서 사양은 올바른 렌즈를 선택하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 새로운 센서 기술이 등장할 때, 해당 기술이 애플리케이션에 유용한지 더 잘 판단할 수 있습니다. 카메라 요구 사항에 대해 상담할 준비가 되셨다면, 전문 지식을 갖춘 Lucid 영업팀에 문의해 주십시오.
