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Sony's Polarized Sensor: Beyond Conventional Imaging
편광 - 빛의 특성
애플리케이션 엔지니어는 편광 카메라를 활용하여 원치 않는 반사나 눈부심을 필터링하고, 빛의 편광 각도를 색상화하여 대비를 향상시킬 수 있습니다. 제품에 사용되는 다양한 재료는 빛을 반사하고 빛의 특성을 변화시킬 수 있습니다. 일반 컬러 및 모노 센서는 입사광의 강도와 파장을 감지하는 반면, 편광 카메라 내부에 사용되는 특수 편광 센서는 표면에서 반사, 굴절 또는 산란된 빛의 편광 각도를 감지하고 필터링할 수 있습니다. Sony의 Polarsens™ 편광 기술을 사용하는 Phoenix 및 Triton 편광 카메라의 장점을 이해하기 위해, 먼저 편광이 무엇인지 살펴보겠습니다.
좋은 진동: 비편광에서 편광으로
편광은 빛의 기본 특성 중 하나로, 빛의 전기장이 진동하는 방향을 설명합니다. 태양과 같은 대부분의 광원은 비편광을 방출합니다. 비편광은 진행 방향에 수직인 방향들에서 무작위로 배열된 진동을 가지고 있습니다. 빛이 편광되려면 무작위 방향의 진동이 제거되거나 선형, 원형 또는 타원형 전자기파로 변환되어야 합니다. 아래 예시에서는 비편광이 선형 편광되는 방식만 설명합니다.
참고
편광판 평면에 수직인 편광 각도의 입사광은 차단되지만, 다른 편광 각도는 더 낮은 크기의 편광 파장으로 변환됩니다. 아래 예시에서 비스듬한 빛은 차단되지 않고 더 낮은 크기의 선형 편광으로 변환됩니다.
편광판에 의한 편광
이 빛이 아래 예시의 수직 및 수평 편광판과 같은 선형 편광판에 닿으면, 비스듬한 진동은 필터링되고 수직 또는 수평 진동만 통과합니다. 빛의 진동이 하나의 평면으로 제한될 때 이를 선형 편광이라고 합니다. 편광판에는 여러 종류가 있으며, 가장 일반적인 유형은 결정형, 이색성, 필름, 와이어 그리드입니다.
위: 수직 및 수평 편광판 예시
참고: 위 예시에서 필름 편광판의 선 패턴은 편광 각도를 나타내며, 실제 와이어 그리드 선을 의미하지 않습니다.
반사에 의한 편광
비편광은 비금속 표면에서의 표면 반사를 통해 편광될 수 있습니다. 금속 표면은 입사광의 편광 상태가 편광이든 비편광이든 그대로 반사하며, 크게 편광시키지는 않습니다. 유리, 플라스틱, 물과 같은 반투명 표면의 다른 재료는 일정량의 빛을 반사하고 편광시켜 환경으로 되돌려 보냅니다. 이 반사광은 사용자나 카메라의 위치에 따라 원치 않는 눈부심을 유발합니다. 하지만 반사광은 입사면에 수직으로 편광되므로, 입사면과 평행하게 정렬된 편광판을 사용하면 제거할 수 있습니다.
굴절에 의한 편광
굴절이라고 알려진, 빛이 한 매질에서 다른 매질로 통과하는 현상도 일부 비편광을 편광시킬 수 있습니다. 굴절로 인해 편광되는 빛의 양은 브루스터 각도(반사광과 굴절광 사이의 90° 관계)에 얼마나 가까운지 또는 먼지에 따라 달라집니다. 유리, 플라스틱, 물과 같은 투명 재료는 굴절광을 입사면 방향으로 부분적으로 편광시킬 수 있습니다.
위: 반사에 의해 비편광이 편광으로 변환되는 과정
참고
비편광 광선(a)이 표면에 닿아 반사광(b)과 굴절광(c) 사이에 90° 각도가 형성되면, 반사광은 선형 편광됩니다. 굴절광은 부분적으로 편광됩니다. 반사광과 굴절광이 서로 수직이 되는 입사각을 브루스터 각도라고 합니다.
편광의 활용
편광은 머신 비전 검사에서 응력 감지, 물체 검사, 투명 물체의 눈부심 감소를 위해 오랫동안 사용되어 왔습니다. 일반적인 구성에서는 대상 물체, 광원, 카메라 사이에 하나 이상의 외부 편광판이 필요합니다. 다양한 구성을 사용하여 재료 응력을 측정하고, 대비를 향상시키며, 찍힘이나 스크래치와 같은 표면 품질을 분석할 수 있습니다.
응력 검사
편광이 투명 재료를 통과하면, 물체 내부의 서로 다른 응력 영역에 의해 입사 편광 각도가 다른 각도로 변환됩니다. 특정 편광 각도에 색상을 지정하면 결함과 응력 영역을 시각화할 수 있습니다. 위 물체는 투명 아크릴 블록의 색상화된 이미지를 보여줍니다.
반사 감소
물체는 빛을 반사하여 표면 검사를 어렵게 만들 수 있습니다. 식품 검사 애플리케이션에서는 편광판을 사용하여 반사와 눈부심을 줄이는 효과를 얻을 수 있습니다. 위 이미지에서는 고추에서 편광된 반사광이 제거되었습니다.
대비 향상
저조도 상황에서는 물체에서 반사되는 편광 각도를 감지하여 대비를 향상시킬 수 있습니다. 위 예시는 저조도에서 일반 이미징 대비가 어떻게 개선되는지 보여줍니다.
스크래치 검사
응력 검사와 유사하게, 특정 결함과 스크래치는 기존 이미징 방식으로 식별하기 어려울 수 있습니다. 표면 결함을 식별하기 위해, 편광 이미징을 사용하여 투명 재료의 스크래치를 감지할 수 있습니다.
물체 감지
일부 상황에서는 물체를 주변 환경과 구분하기 어려울 수 있습니다. 편광 이미징을 사용하면 물체에서 반사된 빛의 고유한 편광 각도를 감지하여 물체의 위치를 파악할 수 있습니다.
기존 편광 솔루션
3 Cameras
Switch
Trigger Source
Host PC
• Perspective distortion
• Expensive
• More development effort
• More maintenance effort
3 Polarizers
1 Camera
• Needs to have high speed flipping
• Time delay between polarizers
Sony IMX250MZR polarized sensor
• Complete linear polarization data
• Overall system cost-saving
• Low effort for development
Sony 최초의 편광 센서: 작동 방식
Sony는 Polarsens™ 기술을 적용한 최초의 편광 센서를 통해 가시광 이미징을 넘어 센서 기술 리더십을 확장하고 있습니다. Pregius 5.0 MP IMX250 CMOS 센서를 기반으로 한 새로운 IMX250MZR(모노) Polarsens 센서는 포토다이오드 위에 편광판 층을 통합합니다. 편광판 배열 층은 온칩 방식으로 배치되며, 플레어와 고스팅을 억제하는 반사 방지 소재로 코팅된 에어 갭 나노 와이어 그리드입니다. 이러한 온칩 배치는 편광 크로스토크를 줄이고 소광비를 향상시킵니다.
편광판 배열은 네 가지 서로 다른 각도의 편광판(90°, 45°, 135°, 0°)으로 구성되며 각 픽셀에 배치됩니다. 네 개의 픽셀로 이루어진 각 블록은 하나의 계산 단위를 형성합니다. 이 혁신적인 4픽셀 블록 설계에서 서로 다른 방향성 편광판 간의 관계를 통해 편광의 정도와 방향을 모두 계산할 수 있습니다.
참고
와이어 그리드 편광판은 와이어 그리드 선에 수직인 빛을 편광시킵니다. 평행 편광은 와이어에 의해 반사 및 흡수되고, 수직 편광은 통과합니다.
위: Sony Polarsens 4픽셀 블록 편광판 설계
계산 단위로 알려진 Sony IMX250MZR의 4픽셀 블록은 90°, 45°, 135°, 0°뿐만 아니라 모든 선형 편광 각도를 감지할 수 있습니다. 이는 4픽셀 블록 내 각 픽셀 사이에서 전달되는 강도의 증가와 감소를 비교함으로써 가능합니다.
위: 90°, 45°, 135°, 0° 픽셀은 각각 와이어 그리드 축을 기준으로 편광(회전하는 빨간색 선)을 측정합니다. 백분율은 빛 투과율의 증가와 감소를 나타냅니다(100%는 최대 투과율). 각 픽셀을 서로 비교함으로써 센서는 모든 선형 편광 각도를 감지할 수 있습니다.
편광판 배열은 온글라스가 아닌 온칩 위치에 배치됩니다. 편광판 배열이 마이크로 렌즈 아래의 온칩 위치에 있기 때문에, Sony 편광 센서는 편광 각도가 잘못된 픽셀에서 감지되는 크로스토크를 줄일 수 있습니다.
위: 0° 편광이 90°를 감지하도록 설계된 픽셀로 들어가 90°로 잘못 감지됩니다. 이 크로스토크 오류는 편광 배열이 마이크로 렌즈 위에 배치되어 있기 때문에 발생합니다.
위: Sony 편광 센서는 편광판 배열을 온칩에 배치하여 크로스토크 가능성을 줄입니다. 0° 편광은 90°만 감지하도록 설계된 픽셀로 들어갈 수 없습니다.
소광비
소광비는 편광판을 통과해 전달되는 편광의 최대량과 최소량 사이의 관계를 나타냅니다. 선형 와이어 그리드 편광판의 경우, 편광의 최대 투과는 와이어 그리드 축에 수직일 때 발생합니다. 이 수직 편광 각도가 90° 회전하면 와이어 그리드 축과 평행한 위치에서 최소 투과 지점에 도달합니다. 완벽한 편광판은 없습니다. 최대 투과 각도에서는 일부 손실이 발생하고, 최소 투과 각도에서는 원치 않는 일부 각도의 빛이 통과합니다. 높은 소광비는 다른 편광 각도가 섞이지 않도록 하여 원하는 편광 각도를 더 잘 감지할 수 있게 합니다.
위: 최대 투과율(T max)과 최소 투과율(T min)은 소광비 계산에 사용됩니다.
Sony IMX250MZR CMOS(모노) 및 IMX250MYR CMOS(컬러) Polarsens 기술을 사용하는 Phoenix와 Triton
편광 카메라의 도움으로 기존 RGB 센서로는 식별할 수 없었던 여러 재료 특성을 이제 쉽게 획득할 수 있습니다. 3.45µm 픽셀 크기의 5 MP 글로벌 셔터 센서는 인기 있는 IMX250 Sony Pregius CMOS 모노 센서를 기반으로 하며, 온칩 나노와이어 편광층이 추가되어 있습니다. 이 조합이 Sony Polarsens 기술이며, 뛰어난 이미징 성능, 정확한 편광 데이터, 높은 소광비를 제공합니다. Sony IMX250MZR 및 IMX250MYR CMOS 편광 센서를 탑재한 LUCID Phoenix 및 Triton 카메라는 네 가지 방향 필터를 사용해 온카메라 처리를 수행하고 각 이미지 픽셀의 강도와 편광 각도를 모두 출력합니다. 이러한 혁신적인 제품의 결합으로, 편광은 이제 이미징 과제를 해결하고 숨겨진 재료 특성을 파악하여 검사와 분류를 더 잘 수행할 수 있는 컴팩트하고 비용 효율적인 방법이 될 수 있습니다.
비디오 프레젠테이션 - 편광으로 전환: 산업용 이미징에 새로운 관점 추가
PDF 프레젠테이션 파일 다운로드 Going-Polarized-Presentation.pdf (4 MB)
