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고성능 산업용 이미징을 위한 이미지 센서 플랫폼

산업용 이미징은 검사 및 로봇 안내에서 고급 감시, 지능형 교통 시스템, 과학 연구 등 다양한 범위의 애플리케이션에 적용되며 성장하고 있다. 이러한 애플리케이션을 이용해 작업하는 고객사들은 모두 고성능 이미징 시스템의 필요성에 대해서 동의하지만 다양한 애플리케이션의 서로 다른 조건에 따라 각기 특정 이미징 요구가 크게 달라진다.

고성능은 초당 50, 100 또는 200 프레임에서 여러 메가 픽셀을 캡처하여 높은 프레임 속도로 고해상도 이미지를 캡처하는 것을 의미한다.

그러나 물리적으로 작은 카메라의 풋 프린트, 향상된 빛 감도(가시 또는 근적외선), 색상 충실도 또는 사용자 설정과 같은 다른 성능 기능이 더 중요한 경우가 있다. 

애플리케이션의 범위가 다양하므로 이러한 모든 요구를 효과적으로 충족시킬 수 있는 단일 이미징 솔루션은 없다. 따라서 카메라 제조업체는 서로 다른 해상도, 프레임 속도, 광 감도, 출력 인터페이스 등을 갖춘 다양한 카메라 포트폴리오를 제공해야 한다. 

또한 경쟁력을 갖추기 위해서는 이 포트폴리오를 원가 절감형 방식으로 개발해야 할 뿐 아니라 가능한 신속하고 효율적으로 다양한 카메라 모델을 설계, 제조 및 지원해야 한다. 

그림1 PYTHON 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서

이미지 센서 제조업체는 해상도와 구성 옵션의 범위를 확장하고 공통 이미지 센서 아키텍처를 기반으로 하는 통합 이미지 센서 제품군을 개발해 이러한 유형의 카메라 포트폴리오 개발을 간소화할 수 있다. 이러한 플랫폼을 적용한 카메라 제조업체는 단일 카메라 설계를 이용해 전체 이미지 센서 제품군을 간편하게 지원할 수 있게 된다. 

이미지 센서를 위한 이러한 유형의 플랫폼 설계의 한 사례는 온세미컨덕터의 PYTHON 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서 제품군에서 찾아볼 수 있다.

VGA, 0.5 및 1.3 메가 픽셀의 소자들은 동일한 핀 정의 및 전기적 연결로 공통 패키지를 공유하므로 카메라 하나만으로도 이러한 세 가지 소자를 모두 지원할 수 있다. 이와 마찬가지로 하나의 설계가 동일한 제품군의 2메가 픽셀 및 5메가 픽셀을 모두 지원할 수도 있다.

그러나 실제로 이러한 소자에서 사용되는 두 가지 LCC 패키지를 지원하는 소켓 덕택에 이러한 두 개의 보드 레이아웃을 하나로 결합할 수 있다. 따라서 VGA에서 5메가 픽셀까지의 소자를 단일 보드 레이아웃으로 해결하는 게 가능하다. 

µPGA 고해상도 장치를 위한 두 번째 보드 설계를 추가할 때에는 흑백, 컬러 및 확장 NIR 구성에서 36개의 다양한 카메라에 해당하는 9가지 해상도가 모두 2개의 PCB만으로도 충분히 지원될 수 있다. 

이러한 설계 공용화를 통해 카메라 제조업체는 산업용 이미징 애플리케이션에 필요한 작업을 대폭 간소화하고 비용을 절감하며 새로운 카메라 디자인의 시장 출시 기간을 단축하게 된다. 

물론 이러한 상호 호환성의 장점에도 불구하고 소자의 실제 이미징 성능은 대상 애플리케이션의 요구 사항을 충족해야 한다. 

최신의CMOS 설계 및 제조 기술은 인위적인 동작 없이도 움직이는 물체를 캡처할 수 있는 글로벌 셔터 이미징을 가능하게 하는 동시에 조명 조건이 나빠지더라도 최종 이미지의 무결성을 유지하기 위해 필요한 고감도 및 저잡음을 제공해야 한다. 

이미지 캡처는 850mm 또는 그 이상의 장파장 빛 탐지가 핵심인 애플리케이션에 더욱 향상된 근적외선 감도를 제공하는 디자인 등 다양한 파장 범위를 포함하는 게 매우 이상적이다. 

그림 2 PYTHON 소자들의 대역폭

데이터 대역폭은 최종 사용자가 애플리케이션의 프레임 속도를 최적화할 뿐 아니라 설치한 기존 카메라 인터페이스의 활용도를 극대화 해주는 주요 매개 변수가 될 수 있다.

10GigE, USB 3.1 및 CoaXpress와 같은 인터페이스가 현재 널리 사용되고 있는데 이러한 인터페이스의 대역폭에 적합하거나 이를 초과하는 이미지 센서 플랫폼은 카메라 제조업체 및 최종 사용자들에게 이미징 시스템을 유연하게 실행하도록 해준다. 

PYTHON 소자들은 32개의 분리된 고속 LVDS출력 채널을 통합한 최고 해상도의 제품군을 갖춘 이미지 설계의 좋은 예다. 이 소자들은 초당 20기가바이트의 데이터 처리량을 발생하는데 이는 USB 3.1 또는 10GigE와 같은 인터페이스에서 사용할 수 있는 유효 대역폭보다 훨씬 높은 수준이다. 

필요에 따라 이미징 어레이의 일부(관심 영역 또는 ROI)만을 판독하면 이 소자들에서 사용 가능한 실제 프레임 속도를 향상시킬 수도 있다.

이러한 소자들은 프레임 단위로 구성 가능한 최대 32개의 독립적인 ROI를 지원하고 대상 또는 인물이 카메라의 전체 시야를 가로질러 이동할 때 이를 모니터링 하거나 추적하는 데 필요한 작업을 단순화시켜 준다. 

예를 들어 PYTHON 25k는 필요에 따라 400fps 이상에서 1080p 해상도의 창을 읽을 수 있는데 이는 동일한 1080p 해상도로 PYTHON 2000에서 사용할 수 있는 프레임 속도의 2배 수준이다. 

이미지 센서 제품군의 플랫폼 설계 능력을 극대화하려면 PYTHON 제품군으로 사용 가능한 65종의 주문 가능한 소자와 같은 다양한 제품 구성을 통해 카메라 제조업체가 적절한 해상도, 색상 구성, 전력 요구 사항, 출력 속도 및 특정 애플리케이션에 필요한 패키지 구성을 제공해야 한다. 또한 설계가 진행되는 동안 소자의 평가뿐 아니라 참조 설계안 등도 다양하게 지원해야 한다. 

상세한 데이터 시트는 새로운 설계를 시작하기 전에 소자의 성능에 대한 정보를 제공하며 평가 키트 또한 이미지 센서의 전체 성능을 현장에서 평가해 준다. 그리고 설계가 시작되면 동일한 문서 및 도구를 참조로 디버깅 및 최적화를 지원해 이 카메라 설계가 최상의 성능을 발휘하도록 해야 한다. 

산업용 이미징 분야에서의 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 애플리케이션에서 필요로 하는 다양한 이미징 옵션을 위해 최근에는 플랫폼 설계뿐 아니라 카메라의 설계 및 제조와 카메라에 사용되는 이미지 센서를 사용하는 것이 더욱 중요해지는 추세이다. 

카메라 제조업체는 다양한 구성의 해상도를 이용해 이미지 센서의 전체 제품군을 통해 카메라를 개발함으로써 고객사들이 필요로 하는 중요한 이미징 성능을 충족시키는 모든 종류의 카메라를 개발, 설계, 지원하는데 필요한 작업을 간소화할 수 있다. 


글: 마이클 데루카(Michael DeLuca), 산업용 솔루션 매니저, 온세미컨덕터

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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