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Sony Pregius CMOS: Next Level Imaging
Capture crystal clear, undistorted images with exceptionally low read noise and ultrahigh sensitivity.
In combining their global shutter CCD and speed CMOS technologies, Sony’s Pregius line of
CMOS sensors have revolutionized a multitude of industries and
dramatically expanded their imaging capabilities.
개요
첫 Pregius IMX174 센서의 성공 이후, Sony는 기존 CCD에서 벗어나 더욱 발전된 CMOS 센서 개발에 집중했습니다. 2세대 Pregius 센서에는 3.2 MP IMX265와 5.0 MP IMX264가 포함됩니다. 1/1.2” 포맷과 5.86 μm 픽셀 크기를 가진 1세대 Pregius 센서와 비교했을 때, 2세대는 3.45 μm 픽셀 크기의 더 작은 ⅔” 센서 포맷을 갖추고 있습니다. 더욱 인상적인 점은 더 작은 크기 덕분에 비용 효율적인 렌즈와의 호환성이 높아졌다는 것입니다. Sony가 STARVIS 라인에서 롤링 셔터 CMOS 기술을 적극적으로 개선하고 있지만, 글로벌 셔터 CMOS 성능과 가치의 정점은 여전히 Sony Pregius입니다.
매년 새로운 기술이 도입됨에 따라 Sony는 이미지 품질을 개선하고 프레임 속도를 높이며 기능을 추가함으로써 혁신의 한계를 계속 넓히고 있습니다. Sony는 사용자를 중심에 두고, 비용을 낮추고 직관적인 기능을 제공하여 새로운 혁신을 보다 쉽게 활용할 수 있도록 합니다. Sony Pregius 라인의 철학을 기반으로, Lucid 제품은 접근성을 중시하면서도 디지털 이미징의 한계를 확장합니다. Sony Pregius 글로벌 셔터 CMOS 센서를 사용하는 머신 비전 카메라의 장점을 이해하려면, 먼저 Sony 디지털 이미징 기술의 기본 구성 요소를 이해해야 합니다.
Pregius 이전: 롤링 셔터 CMOS 센서의 작동 방식
Sony가 Pregius 글로벌 셔터 CMOS 센서를 출시하기 전, Sony CMOS 센서는 센서 판독에 롤링 셔터 기술을 사용했습니다. CCD와 비교했을 때 CMOS 롤링 셔터 기술은 비용 효율적인 고품질 이미징과 매우 높은 프레임 속도를 제공합니다. 그러나 대상 물체나 카메라가 움직이는 경우, 캡처된 이미지에는 흔들림, 왜곡 또는 밴딩 형태의 왜곡이 나타납니다. 이러한 왜곡은 롤링 셔터 센서가 픽셀을 한 행씩 노출하고 판독하기 때문에 발생합니다. 기존 Sony CMOS 롤링 셔터 파이프라인은 아래와 같습니다.
참고
고속 검사가 중요하지 않은 애플리케이션에서는 롤링 셔터 CMOS 카메라가 뛰어난 비용 효율적 솔루션을 제공합니다.
저속 이동 검사, 생명과학, 보안 및 감시와 같은 애플리케이션에 유용합니다.
위: 기존 Sony CMOS 롤링 셔터 픽셀 파이프라인.
위 다이어그램은 롤링 셔터 Sony CMOS 이미지 센서의 기존 픽셀 파이프라인을 보여줍니다. 광전 변환(양자 효율로 측정)은 포토다이오드에서 이루어집니다. 그런 다음 전자는 플로팅 디퓨전 노드에서 전압으로 변환됩니다(전압은 전하(q)를 정전용량(C)으로 나눈 값입니다). 이후 신호는 디지털 신호로 변환됩니다. 이 단계에서 신호는 아날로그 및 디지털 노이즈를 줄이기 위해 2단계 상관 이중 샘플링(CDS)을 거칩니다. 이를 “Dual CDS”라고 하며, 랜덤 노이즈와 고정 패턴 노이즈를 줄이기 위한 Sony의 솔루션입니다.
위: 열 병렬 A/D 변환을 사용하는 롤링 셔터 판독.
위 다이어그램은 기존 Sony 롤링 셔터 CMOS 센서가 이미지 데이터를 판독하는 방식을 단순화한 애니메이션입니다. 각 픽셀 열은 고속 판독을 위해 독립적인 ADC(Analog to Digital Converter)를 사용합니다. 각 픽셀 행은 빛에 노출되고, 전하는 한 행씩 아날로그-디지털 변환으로 전송됩니다. 이러한 행 단위 노출이 고속 움직임 중 이미지 왜곡을 발생시킵니다.
참고
Sony는 다양한 CMOS 롤링 셔터 센서를 계속 개선하고 생산하고 있습니다. 여기에는 다음 센서 제품군이 포함됩니다:
• Exmor
• Exmor R
• Exmor RS
• STARVIS
Sony의 최신 CMOS 롤링 셔터 센서 라인인 STARVIS는 뛰어난 저조도 이미징 감도를 제공합니다.
진화한 CMOS 센서: Sony Pregius 글로벌 셔터 CMOS
Sony CMOS 센서에 글로벌 셔터 기술을 구현하기 위해, Sony는 포토다이오드와 플로팅 디퓨전 노드 사이에 위치하는 혁신적인 픽셀 내 아날로그 메모리 노드를 개발했습니다. Pregius CMOS 센서에서는 모든 포토다이오드가 동시에 노출을 시작합니다. 포토다이오드가 노출을 완료하면 전자가 아날로그 메모리로 이동하고, 포토다이오드는 다음 노출을 위해 비워집니다. 이 과정이 CMOS 글로벌 셔터 기능을 가능하게 합니다. 전하가 아날로그 메모리로 전송된 후 변환 절차는 롤링 셔터 센서와 동일합니다. 그 결과 Sony의 듀얼 CDS 기술을 사용해 랜덤 노이즈와 고정 패턴 노이즈를 줄이면서도 왜곡 없는 이미지를 캡처하는 글로벌 셔터 CMOS 센서가 구현됩니다.
위: Sony Pregius CMOS 글로벌 셔터 픽셀 파이프라인.
전자 전하는 포토다이오드에서 아날로그 메모리로 빠르게 전송됩니다. CCD 센서 설계 경험을 바탕으로 Sony는 매우 낮은 암전류를 갖는 아날로그 메모리를 개발할 수 있었습니다. 이 메모리는 암전류 쇼트 노이즈를 줄이기 위해 차폐되어 있으며 픽셀 구조 내 저암전류 영역에 배치됩니다.
참고
IMX264 및 IMX265 CMOS 센서가 이전 Pregius 센서의 5.86 μm 픽셀 크기보다 작은 3.45 μm 픽셀 크기에서도 감도를 유지할 수 있도록, Sony는 독자적인 픽셀 집광 공정을 적용하여 높은 다이내믹 레인지와 높은 신호 대 잡음비를 유지했습니다.
위: Sony Pregius 글로벌 셔터 판독.
아날로그 메모리 덕분에 포토다이오드는 동시에 노출과 판독을 시작할 수 있습니다. Sony Pregius CMOS 센서는 글로벌 셔터 이미징뿐만 아니라, 아날로그 및 디지털 CDS 노이즈 감소 기술을 지속적으로 사용하여 고품질 저노이즈 이미징도 제공합니다.
아래: 글로벌 셔터와 롤링 셔터 비교 비디오
글로벌 셔터와 롤링 셔터를 사용한 움직이는 이미지의 비디오 예시입니다. 여기에서 롤링 셔터로 인해 발생하는 이미지 왜곡을 확인할 수 있습니다(오른쪽 절반).
저노이즈: Sony 듀얼 상관 이중 샘플링(Dual CDS)
노이즈를 줄이기 위해 Sony CMOS 센서는 A/D 변환 전후의 아날로그 및 디지털 신호 모두에 CDS를 적용합니다.
아날로그 신호에서 Sony CMOS 센서는 각 플로팅 디퓨전 노드의 “리셋 스위치”를 사용해 이전 노출에서 축적된 전하를 배출하여 다음 입사 노출 전하를 위한 공간을 만듭니다. 그러나 일부 전자는 배출되지 않고 플로팅 디퓨전에 남아 있게 됩니다. 이 전자들은 다음 노출 전하와 결합하여 신호에 노이즈를 추가합니다. 이러한 노이즈는 이미지에 ‘고정 패턴’ 노이즈라고 불리는 원치 않는 질감 효과를 생성합니다. 고정 패턴 노이즈는 저조도 이미징에서 가장 두드러지지만, CDS를 사용해 효과적으로 줄일 수 있습니다. CDS는 이전 노출에서 남은 전하를 측정하고, 그 값을 다음 전하(남은 노이즈와 노출 전하를 모두 포함)에서 빼는 방식으로 노이즈를 줄입니다.
위: 30 dB 게인에서의 고정 패턴 노이즈(FPN)
위: 열 병렬 A/D 변환 전 Sony 아날로그 CDS.
이전 전하에서 남은 노이즈를 측정한 뒤, 남은 전하와 섞이는 다음 노출 전하에서 이를 빼줍니다.
위: A/D 변환 후 Sony 디지털 CDS
아날로그 CDS와 유사하게 디지털 신호는 두 번 읽힙니다. 한 번은 리셋 레벨에서, 다시 한 번은 신호 레벨에서 읽힙니다. 디지털 감산 과정을 통해 각 픽셀 열 간의 변동을 제거하여 노이즈가 최소화된 이미지를 생성합니다.
한 단계 향상된 이미징 결과
Sony Pregius 센서는 Sony의 최신 픽셀 제조 기술을 활용하여 고감도 CMOS 센서를 제공합니다. 저조도 감도와 높은 다이내믹 레인지는 사용자가 조명 조건이 동적으로 어려운 환경에서도 이미징할 수 있도록 합니다. 자율주행 차량, 지능형 교통 시스템(ITS), 기타 야외 환경과 같은 애플리케이션은 Pregius의 이미징 품질로 이점을 얻을 수 있습니다. 조명이 변하거나 카메라가 어두운 그림자와 밝은 하이라이트가 함께 있는 복잡한 장면에 진입할 때, Pregius 센서는 기존 CMOS 센서보다 더 많은 유용한 이미지 데이터를 캡처하여 비전 시스템이 더 나은 결정을 내릴 수 있도록 합니다. 일반적인 머신 비전 검사 애플리케이션에서는 더 높은 감도를 통해 노출 시간을 단축하고 검사 시간을 줄일 수 있으며, 조명 비용 절감에도 도움이 될 수 있습니다.
| 2세대 Pregius 특징 | 사용자 이점 |
|---|---|
| 글로벌 셔터 | 모션으로 인한 이미지 왜곡을 제거합니다. 이미지 흔들림, 왜곡 또는 라이트 밴딩 없이 고속 이미징을 가능하게 합니다. |
| 3.45 µm 픽셀 크기의 2/3" 및 1/1.8" 센서 포맷 | 더 작고 비용 효율적인 렌즈와 함께 카메라를 사용할 수 있습니다. |
| 높은 양자 효율 | 빛에 대한 감도를 높입니다. 저조도 애플리케이션에 유리합니다. 더 짧은 노출 시간 또는 더 적은 조명으로 이미징할 수 있습니다. |
| 매우 낮은 시간적 암전류 노이즈 | 저조도 애플리케이션에서 더 선명한 이미징을 제공합니다. 노이즈가 낮을수록 노이즈 증가 없이 게인/밝기를 더 높일 수 있습니다. |
| 높은 신호 대 잡음비(SNR) | SNR이 높을수록 이미징에서 더 높은 선명도를 제공합니다. 더 높은 SNR은 이미징 시간을 줄이는 데 도움이 됩니다. |
| 높은 다이내믹 레인지 | 높은 다이내믹 레인지는 복잡한 그림자와 밝은 하이라이트가 같은 장면에 존재하는 까다로운 조명 환경에서 더 나은 이미징을 가능하게 합니다. 어두운 그림자와 밝은 하이라이트 영역에서 더 많은 디테일을 캡처할 수 있습니다. |
요약
CCD 개발을 선도해 온 Sony는 고품질 글로벌 셔터 기술을 혁신적인 CMOS 센서에 적용했습니다. 또한 회로 및 픽셀 제조 기술을 통해 감도 저하 없이 픽셀 크기를 줄이고 해상도를 높였습니다. 현재 Pregius 센서는 이전 세대보다 더 높은 감도와 낮은 노이즈를 제공합니다. 오늘날의 Pregius 센서는 초점면 왜곡 없이 높은 화질, 고해상도, 고속 이미징을 가능하게 합니다. 이러한 글로벌 셔터 센서는 노이즈 감소를 위한 CDS 기술과 결합되어, 다양한 까다로운 비전 애플리케이션에서 업계 최고 수준의 성능을 제공합니다. Sony Pregius 센서를 사용하여 설계 및 제조된 Lucid 카메라 기술은 성능과 품질에 기반한 뛰어난 범용성을 계속 제공할 것입니다.
Pregius 및 Pregius 로고는 Sony Corporation의 상표입니다.
