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머신 비전 시스템용 CMOS 이미지 센서

제조라인 비전시스템 이미지

마이클 드루카, 온세미컨덕터 산업/보안 담당 상업화 전략 부장

머신 비전  시스템은 시스템이나 프로세스의 정보를 수집하고 판단을 내리는데에 영상 정보를 이용한다. 기본적으로 조명과 소프트웨어로 구성된 카메라 및 이를 구동시키는 이미지 센서는 머신 비전 시스템의 전반적인 운영 및 제작 품질 또는 생산성을 향상시키는 핵심 요소가 된다. 대표적인 고급 머신 비전 애플리케이션은 기본적인 측정, 계산, 점검 기능의 조합으로 이루어진다. 어떤 물체를 판단할 때에는 제시된 대상이 몇 개 존재하는지, 크기가 어떤지, 품질 수준은 어떠한지 등을 판단하게 된다. 예를 들어 머신 비전 시스템은 어떤 제품에 정확히 몇 개의 구멍이 뚫려 있는지를 확인할 뿐 아니라 각 구멍의 공간 및 모양도 확인한다. 머신 비전 시스템의 다른 애플리케이션으로는 로봇 팔을 이용해 대상을 들어올려 봄으로써 위치를 확인하거나 정확한 장소에 위치해 있는지를 확인하는 일이 있다. 그런가 하면 바코드 및 번호판이나 문자를 인식하거나 유체의 높이를 측정하기도 한다.

이러한 애플리케이션의 각 기능은 최종 카메라 시스템에 구체적으로 필요하며 최종적으로는 애플리케이션에 적용할 영상 감지기의 속성으로 구성된다. 영상 캡쳐 품질에 따라 영상을 분석하는 컴퓨터가 정확한 측정을 통해 정확한 결론에 도달할 수 있게 되므로 영상 캡쳐 품질의 최소 수준도 파악할 능력이 있어야 한다. 만약 캡쳐한 영상이 분석 및 사용에 불충분한 수준이라면 영상 캡쳐 품질의 수준이 가장 중요한 요소가 될 것이며 프레임 비율이나 렌즈 배율 및 크기 등의 기타 다른 특징들은 부수적인 요소일 뿐이다.

과거에는 머신 비전 애플리케이션을 높은 화질로 구현할 수 있어 CCD 이미지 센서가 통용되었다. 그러나 최근 발전된 CMOS 픽셀 디자인에 따라 다수의 다양한 최종 소비자들이 머신 비전 애플리케이션을 통해 구현하고자 하는 충분한 화질을 제공하므로 CMOS 이미지 센서 사용이 광범위하게 늘어나는 추세이다.

온세미컨덕터의 의 PYTHON시리즈 소자와 같은 최신의 CMOS 이미지 센서 플랫폼은 움직이는 물체에 대한 왜곡이 없이 캡쳐하는 글로벌 셔터 픽셀을 기본으로 한다. 픽셀 내부의 CDS(Correlated Double Sampling, CDS) 기능은 낮은 출력 노이즈를 가지며 칩 내부의 고정 패턴 노이즈 (Fixed Pattern Noise, FPN) 수정 기능은 화질을 유지시켜주는 역할을 한다. 10비트 아날로그 디지털 변환기 (ADC)와 60dB 다이내믹 레인지를 특징으로 하는 화질 특성은 머신 비전 시스템이 이러한 화질특징을 CMOS 플랫폼 운영에 효과적으로 활용할 수 있도록 한다.

머신 비전 시스템용 CMOS 이미지 센서

여러 머신 비전 애플리케이션들은 더 빠른 속도로 작동되어 생산성을 향상시켜야 하므로 고대역폭 해독을 지원하는 이미지 센서의 필요가 늘어난다. CMOS 플랫폼 출력 아키텍처가 이를 가능하게 하는데 그 이유는 디지털 출력이 CMOS 소자에서 사용 가능한 대역폭 증가를 위해 추가될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 32개의 독립 LVDS 출력을 사면 고해상도 PYTHON 소자가 CCD 표준 용량을 훨씬 웃도는 2,500만 화소출력을 위해 최대 80 fps 를 지원하며 10 GigE 및 USB 3.1 과 같이 최신의 컴퓨터 인터페이스를 초과하는 대역폭을 실현하게 해준다.

게다가 영상 감지기 배열의 한 부분을 해독할 때 관심 영역 (Region of Interest, ROI) 모드에서의 구동은 CMOS 출력 설계가 발휘할 수 있는 고유 융통성 영역은 이 소자에서 사용할 수 있는 프레임 비율을 더 증대시키게 된다.  제대로 설계가 되었다면 이 방식으로 구동한 경우 ROI 의 X, Y 비율에 의해 증가시키게 되므로 표준 디자인 (ROI의 X만을 증가시키는) CMOS 출력 디자인을 사용했을 때 보다 더 빠른 프레임 비율을 기대할 수 있게 된다.

예를 들어, PYTHON 5000 이미지 센서의 실제 프레임 비율을 표준 CMOS 산출 설계가 적용된 유사 500만 이미지 센서의 이론적인 프레임 비율과 비교해보면, 두 설계는 모두 전체 해상도에서 초당 약 100 프레임의 동일한 프레임 비율을 기록할 것이다. 그러나 영상의 720p (1280 x 720 화소) 영역을 해독해보면 PYTHON 소자에서 가능한 프

레임 비율은 거의 600 fps 정도의 수준으로 증가하며 표준 산출 설계의 경우 300 fps 만이 증가된다. 이렇게 빨라진 속도는 소자에서 가능한 전체 프레임 속도 비율을 최대화하는 차별화 기준이 된다.

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머신 비전 애플리케이션에서 캡쳐된 영상의 세부 내용을 정밀히 확인하기 위해 고해상도가 요구되기도 하는데 이는 데이터 가공 속도를 불필요하게 늦출 수 있는 과도한 정보가 캡쳐되지 않았음을 확인하는 과정을 통해 그 수준이 조정되어야 한다. 화소들은 적당한 종횡비에 맞게 구성되며 애플리케이션의 영상 캡쳐를 최적화 하기 때문에 적당한 화소 수 못지 않게 중요한다. 예를 들어, 픽 앤 플레이스 (Pick and Place) 애플리케이션에 사용되는 카메라는 렌즈의 전체 뷰에 걸쳐 영상 캡쳐를 최대화하기 위해 종횡비가 거의 1:1의 비율이다.

애플리케이션의 특정 영상에 맞도록 전반적인 영상 시스템을 최적화 하기 위해서는 서로 다른 분광 감도 (컬러, 흑백, 확장된 근적외선 (NIR)) 도 필요하다. 카메라 설계 및 제조 공정 설계를 최적화하기 위해 카메라 제조사는 최종 소비자를 위한 카메라 옵션의 모든 목록을 신속하고 효율적으로 개발하는데 최선을 다한다. 이를 위해서는 다양한 해상도 노트 및 색상 옵션을 포함하는 통합된 이미지 센서 제품 라인을 구성하는 것이 필수이다.

온세미컨덕터가 제공하는 PYTHON시리즈 소자들은 VGA 부터 2500만 화소에 이르는 다양한 해상도에 40여 개가 넘는 다양한 옵션을 제공한다. 이 소자들은 흑백, 베이어 컬러 및 확장된 근적외선 감도 등 다양한 설정 옵션으로 제공되며 일 부 모델들은 저출력 설정으로도 가능하다.  그런가 하면 카메라 조립 과정에서 이미지 센서 보호를 위해 분리가 가능한 테이프와 함께 제공되는 경우도 있다. 카메라 제조사는 두 종류의 PCB만을 이용하여 전체 센서를 사용할 수 있으며 온세미컨덕터가 제공하는 완전한 개발 지원 서비스를 이용해 개발 시간을 단축할 수도 있다.

여전히 아주 특수한 애플리케이션 분야에서는 아직 CCD 이미지 센서가 선호되고 있는 상황이지만 머신 비전 애플리케이션에서는 영상 품질, 대역폭, 영상처리 유동성, 설정 유동성 등의 특징으로 인해 CMOS 이미지 센서 사용이 가속화되고 있다. 이러한 플랫폼의 소자를 이용한 영상 처리 성능은 산업용 영상에 필요한 성능과 기능을 새로운 단계로 도약시켜 준다.

 




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