[테크월드뉴스=이재민 기자] 많은 조직체가 품질 및 관리 비용을 개선하기 위해 업무 체계에 더 나은 관리 수단을 추가하려고 한다. 이에 따라 공장, 교통 체계, 과학, 의료, 상점, 보안, 로보틱스 등을 포함한 산업용 응용분야에서 이미지 센서 사용이 급격히 증가하고 있다.
공장에서는 비전을 장착한 로봇을 활용해 공정과정과 최종 단계의 검사뿐만 아니라 노동자의 안전까지 관리하고 있다. 과학 및 의료 분야에서는 이미지 센서가 디지털 방사선 촬영과 다양한 진단의 필수적인 요소가 되고 있다. 이미지 센서들은 엑스레이 결정학, DNA 프로파일링, 천체사진술 등 많은 분야에 사용되고 있다.
오늘날 일상 생활에서 보안은 영속적인 관심사다. 높은 해상도와 이미지 품질을 갖춘 이미지 센서는 국경 보안을 목적으로 드론과 무인항공기(UAV)에 적용되고 있다. 이미지 센서가 교차로를 모니터링하며 교통법규 위반을 단속하고 있기 때문에 우리가 이용하는 도로는 더 안전해지고 있다. 이미지 센서는 차량 번호판 자동 인식(ANPR) 기술을 통해 각 차량 식별까지 하고 있다.
사용자들의 요구사항이 증가함에 따라 기존 응용 분야 및 새로운 응용분야에서 성능을 향상시킬 수 있도록 이미지 센서의 기능과 품질이 급격히 발전하고 있다.
주요 기술 드라이버
이미지 센싱 분야와 관련된 수많은 기술적 발전은 성능 향상을 유도하고 있다. 후면조사방식(BSI)구조는 실리콘 웨이퍼를 뒤집어 배선 앞으로 빛을 받는 부분을 이동시켜 센서가 영상을 촬영하는 부분을 재배열한다. 이로써 가장 중요한 이미지 센서의 저조도 성능을 크게 향상시킨다.
영상 자료의 품질을 결정하는 핵심 요소 중 하나는 센서가 제공할 수 있는 초당 프레임 수(fps)다. 증가된 해상도와 fps를 결합한다는 것은 끊김 없는 부드러운 비디오 영상을 제공하기 위해 센서 측면에서 상당한 속도 증가를 요구하는 프레임마다 더 많은 픽셀 데이터가 포함된다는 것을 의미한다.
많은 현대식 카메라는 부피가 크고 장시간 사용 시 고장에 취약하기 때문에 기계식 셔터 사용을 지양해왔다. 점차적으로 현대식 카메라들은 모든 픽셀 정보들이 동시에 저장되는 ‘글로벌 셔터’로 알려진 전자식 셔터를 사용하게 됐다.
모션이 하나의 요소인 응용분야에서 점점 센서가 사용되고 있기 때문에 고속 글로벌 셔터를 탑재한 최근의 센서들은 ‘롤링 셔터’ 기술과 연관된 이미지 스미어링(smearing) 및 원치 않는 결점들을 피할 수 있도록 요구되고 있다.
산업용 비전 시스템 설계자의 도전과제
현대식 응용분야에서 카메라를 설계할 때 고려해야 하는 요소들은 많다. 그중 대부분이 그 디자인을 만들 수 있는지 또는 망칠 수 있는지에 대한 중대한 결정사항이 되는 이미지 센서 선택과 관련이 있다.
카메라를 통해 질병 초기 신호들을 감지하는 의료 분야와 매우 작은 결함까지도 반드시 감지해야 하는 공장 정밀검사 분야처럼 고해상도 이미지 센서는 거의 모든 응용분야에서 필수적이다.
그러나 해상도가 증가됨에 따라 ▲데이터 전송을 위한 더 큰 대역폭 ▲더 빠른 처리 능력 ▲데이터 저장을 위한 증가된 메모리 용량 등이 설계의 외적인 부분에 영향을 준다. 따라서 지정된 센서가 작업에 적합해야 하나, 설계의 거의 모든 측면에서 비용이 증가하기 때문에 과도하게 지정하는 건 피해야 한다.
이미지 센서가 드론, UAV, 항상 배터리로 구동되는 자동 안내 차량(AGV) 등과 같은 모바일 응용분야에 통합되면서 이미지 센서를 포함한 카메라 솔루션의 전력 소비는 중요한 고려 대상이 되고 있다. 이미지 센서가 필수적인 기능이 되는 한 센서가 소모하는 전류는 배터리를 고갈시켜, 결국 차량 재충전 시간을 단축시킨다.
낮은 해상도 카메라는 단순한 감지용으로 사용되고, 높은 해상도 카메라는 세밀한 감지를 요구하는 것처럼 카메라는 각각 다른 해상도를 요구하는 다양한 작업을 수행한다. 하지만 각각의 해상도는 서로 다른 센서를 요구하기 때문에 센서별로 다른 디자인이 필요하며, 이는 설계에 소요되는 노력과 시간을 상당히 증가시킨다. 심지어 설계가 완료될지라도 각각 별도의 설계이므로 생산 요소 투입량의 증대에 따른 생산비 절약 가능성이 현저히 줄어든다.
많은 기업이 최초로 이미지 센서를 구현해 제품군에 가치를 더해가면서 학습 곡선은 놀라울 정도로 가파르게 상승하고 있다. 일부 제조업체는 설계상의 위험을 줄이고, 설계자에게 설계 프로세스를 안내하기 위한 종합적인 툴을 제공한다. 이런 도구 대부분은 빠른 시간 내에 타당성을 증명해 연속적인 버전의 제품생산으로 원활하게 이동할 수 있어야 하는 숙련된 설계자에게도 유용하다.
설계 지원을 통한 제품군 접근방식
온세미는 XGS 이미지 센서를 기반으로 ‘제품군’ 접근 방식을 취해 왔다. 2.3Mpx(메가픽셀)부터 16Mpx까지의 해상도를 지원하는 총 7가지 제품이 있다. 이 제품들은 하나의 같은 풋프린트(footprint)로 산업용 표준인 29 x 29mm 레이아웃과 호환된다. 이와 마찬가지로 20 ~ 45Mpx까지 지원하는 제품도 역시 같은 풋프린트를 공유해 설계가 가능하다.
이 접근 방식이 설계자에게 이로운 점은 하나의 카메라 하드웨어 설계로 각 해상도의 성능을 가질 수 있고, 펌웨어와 같은 IP를 각 카메라에 재사용할 수 있다는 것이다. 이를 통해 설계 시간과 위험을 크게 줄이고, 제조과정에서 생산 요소 투입량의 증대에 따른 생산비 절약을 가능하게 한다.
각 이미지 센서에서 향상된 3.2㎛(마이크로미터) 픽셀의 설계는 저조도 조건에서도 뛰어난 이미지 품질과 낮은 노이즈 레벨을 제공한다. 고속 글로벌 셔터는 롤링 셔터 기술과 연관된 결점 없이 고품질 이미지 캡처가 가능하다.
또한 다양한 속도 등급으로 설계자가 인터페이스 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있어 시스템 비용을 관리할 수 있다. 고성능에도 불구하고 최대 45Mpx의 해상도를 가진 XGS 제품은 모두 최대 속도로 동작하지만, 1000㎽ 미만의 소비 전력을 소모한다.
XGS 시리즈는 설계에 대한 지원을 강화하기 위해 ▲데모 키트 ▲액셀러레이터(X-celerator) 플랫폼 ▲엑스큐브(X-Cube) 플랫폼 등의 평가 시스템을 제공한다.
데모 키트는 센서 평가를 가능하게 하고, 모든 레지스터에 액세스할 수 있는 데브슈트(DevSuite) 라는 소프트웨어와 함께 하나의 하드웨어 플랫폼을 포함한다.
액셀러레이터 플랫폼은 공개 FPGA 코드를 포함하며, 알테라(Altera) 소프트웨어 및 자일링스(Xilinx) 개발 환경과 바로 연동이 된다.
엑스큐브 플랫폼은 HiSPI-MIPI 변환을 위한 래티스(Lattice) FPGA를 사용하는 29 x 29mm 포맷용 래퍼런스 설계다. 엑스큐브도 역시 이미지 캡처, 처리 및 분석을 위해 데브슈트(DevSuite) 소프트웨어를 사용한다.
요약
이미지 센싱은 시스템으로 하여금 주변 환경을 인식하고, 상호작용할 수 있도록 하기 때문에 산업용 분야를 포함한 많은 응용 분야에서 빠르게 성장하고 있다. 그 결과, 오늘날 많은 기업이 최첨단 솔루션을 제공하기 위해 처음으로 비전 기능을 제공하고 있다. 특히 센서 해상도에 따라 전용 설계가 요구되는 경우, 설계자에게 매우 가파른 학습 곡선을 가능하게 한다.
공통 풋프린트를 공유하는 저전력·저잡음 고성능 이미지 센서인 XGS 시리즈와 사용하기 쉬운 여러 개발 플랫폼의 가용성을 통해 온세미는 설계자가 최첨단 카메라를 신속하게 설계할 수 있는 길을 열어주고 있다.
글 : 대니 셰퍼(Danny Scheffer) 산업 및 상업용 솔루션 부분 프로덕트 라인 매니저
자료제공 : 온세미(www.onsemi.com)
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