디지털 이미징 센서
센서는 구조 유형(CCD 또는 CMOS), 크로마 유형(컬러 또는 단색) 또는 셔터 유형(글로벌 또는 롤링 셔터)과 같은 여러 방식으로 분류 될 수 있습니다. 해상도, 프레임 속도, 픽셀 크기 및 센서 형식으로도 분류할 수 있습니다. 이러한 용어를 이해하면 응용 분야에 가장 적합한 센서를 더 잘 이해할 수 있습니다. 그러나 센서들은 분류되지만 이미지 센서의 목적은 동일합니다. 들어오는 빛(광자)을 확인, 분석 또는 저장할 수 있는 전기 신호로 변환합니다. 이미지 센서는 솔리드 스테이트 장치이며, 머신 비전 카메라 내부에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 매년 센서 크기, 해상도, 속도 및 감광도가 개선 된 새로운 종류의 센서가 제조됩니다. 본문에서는 머신 비전 카메라 내부에있는 이미지 센서 기술의 몇 가지 기본 사항과 이러한 기술이 분류와 어떻게 관련되는지에 대해 설명합니다. 첫 번째 주제로, 이미지 센서 구성 요소에 대해 알아보겠습니다. 고체 이미지 센서 칩에는 빛에 민감한 요소, 마이크로 렌즈 및 마이크로 전기 부품으로 구성된 픽셀이 포함되어 있습니다. 칩은 반도체 회사에서 제조하고 웨이퍼에서 잘라냅니다.와이어 본드는 신호를 다이에서 센서 뒷면의 접촉 패드로 전송합니다. 패키지는 물리적 및 환경 적 피해로부터 센서 칩과 와이어 본드를 보호하고 열 방출을 제공하며 신호 전송을위한 상호 연결 전자 장치를 포함합니다.커버 글래스라고하는 패키징 전면의 투명한 창은 빛이 감광 영역에 도달하도록 허용하면서 센서 칩과 와이어를 보호합니다. 다음은 실리콘 웨이퍼의 이미지 센서를 설명하겠습니다. 센서 다이는 실리콘 웨이퍼에 대량으로 생산됩니다. 웨이퍼는 단일 센서 다이를 수용하는 각 조각으로, 최종적으로 여러 조각으로 절단됩니다. 센서 다이 크기가 클수록 웨이퍼 당 센서 수가 적습니다. 이것은 일반적으로 더 높은 비용으로 이어집니다. 웨이퍼의 단일 결함은 더 큰 이미지 센서에 영향을 미칠 가능성이 더 높습니다. 이어서 카메라 내부의 센서 기능도 알아보겠습니다. 카메라 시스템에서 이미지 센서는 렌즈 또는 기타 광학 장치를 통해 초점이 맞춰지는 입사광 (광자)을 수신합니다. 센서가 CCD인지 CMOS인지에 따라 정보를 전압 또는 디지털 신호로 다음 단계로 전송합니다. CMOS 센서는 광자를 전자로 변환 한 다음 전압으로 변환 한 다음 온칩 ADC(Analog to Digital Converter)를 사용하여 디지털 값으로 변환합니다. 카메라 제조업체에 따라 사용되는 일반적인 레이아웃과 구성 요소가 다릅니다. 이 레이아웃의 주요 목적은 빛을 디지털 신호로 변환 한 다음, 분석하여 향후 작업을 트리거하는 것입니다. 소비자용 카메라에는 머신 비전 카메라에는없는 이미지 저장 (메모리 카드), 보기 (내장형 LCD) 및 컨트롤 노브 및 스위치를위한 추가 구성 요소가 있습니다. 그럼 대표적인 CCD와 CMOS의 차이점도 알아볼까요? CCD 센서(Charged Couple Device)는 모든 픽셀의 노출을 동시에 시작하고 중지합니다. 이를 글로벌 셔터라고합니다. CCD는 이 노출 전하를 수평 시프트 레지스터로 전송 한 다음, 플로팅 확산 증폭기로 전송합니다. 참고로, 2015년 Sony는 CCD 생산을 중단하고 2026 년까지 CCD에 대한 지원을 종료 할 계획을 발표했습니다. 과거에 CMOS 센서(상보성 금속 산화물 반도체)는 롤링 셔터로 알려진 한 번에 한 픽셀 행의 노출만 시작하고 중지 할 수 있었습니다. 그런데 시간이 지남에 따라 변화했으며 현재 많은 글로벌 셔터 CMOS 센서가 시장에 나와 있습니다. CMOS 센서는 각 픽셀 열에 더 작은 ADC를 사용하여 CCD보다 높은 프레임 속도를 허용합니다. CMOS 센서는 수년에 걸쳐 주요 개선을 거쳐 대부분의 최신 CMOS 센서가 이미지 품질, 이미지 속도 및 전체적인 가치면에서 CCD와 같거나 우수합니다. 그럼 CCD와 CMOS도 알아봤는데, 모노와 컬러 센서에 대해서도 차이점을 살펴보죠. 가시 광선 센서(적외선, UV 또는 X- 선 아님)의 경우 두 가지 주요 유형이 있습니다. 컬러와 모노인데요. 컬러 센서에는 컬러 필터라고하는 마이크로 렌즈 아래에 추가 레이어가 있어, 원하지 않는 컬러 파장을 흡수하여 각 픽셀이 특정 컬러 파장에 민감합니다. 모노 센서의 경우 컬러 필터가 없으므로 각 픽셀이 모든 가시 광선 파장에 민감합니다. 이 필터 패턴은 50% 녹색, 25% 빨간색 및 25% 파란색 배열을 사용합니다. 대부분의 컬러 카메라는 Bayer 필터 패턴을 사용하지만 패턴 배열과 RGB 분석이 다른 다른 필터 패턴을 사용할 수 있습니다. 이번엔 센서의 형식에 대해 알아보겠습니다. 이미지 센서는 다양한 형식 유형(광학 등급, 센서 크기 또는 유형) 및 패키지로 제공됩니다. 해상도와 픽셀 크기는 작은 센서보다 해상도가 높거나 픽셀 크기가 큰 센서가 더 큰 센서의 전체 크기를 나타냅니다. 카메라의 렌즈와 광학을 선택하려면 센서 형식을 아는 것이 중요합니다. 모든 렌즈는 특정 센서 형식과 해상도를 위해 설계되었습니다. 센서 형식은 전체 센서 패키지가 아닌 센서 칩의 영역만 설명합니다. 그리고 센서의 픽셀 크기는 마이크로미터(µm) 단위로 측정되며 포토 다이오드와 주변 전자 장치의 전체 영역을 포함합니다. CMOS 픽셀은 포토 다이오드, 증폭기, 리셋 게이트, 전송 게이트 및 플로팅 확산으로 구성됩니다. 그러나 이러한 요소는 픽셀간에 공유 될 수도 있으므로 항상 각 픽셀 내에있는 것은 아닙니다. 마지막으로 모노 및 컬러 스펙트럼 응답에 대해 알아보겠습니다. 모노 센서와 컬러 센서의 물리적 차이와 센서 제조업체의 기술과 픽셀 구조의 차이로 인해 센서마다 빛을 다양한 각도로 감지합니다. 빛에 대한 센서의 민감도를보다 정확하게 이해하는 한 가지 방법은 스펙트럼 응답 차트(양자 효율 차트라고도 함)를 읽는 것입니다. 대부분의 머신 비전 컬러 카메라에는 근적외선 파장을 차단하기 위해 설치된 IR 차단 필터가 있습니다. 이렇게하면 이미지에서 IR 노이즈와 색상 교차가 제거되어, 사람의 눈이 색상을 해석하는 방식과 가장 잘 어울립니다. 그러나 여러 응용 분야에서 IR 차단 필터없이 이미지를 만드는 것이 유용할 수 있습니다. IR 차단 필터의 설치 여부에 관계없이 컬러 센서는 모노 센서만큼 민감하지 않습니다. 자, 여기까지 디지털 이미지 센서에 대해 알아보았습니다.