[머신비전]카메라의 감도는 왜 다를까?

[카메라 기술 백서 #2]머신비전 카메라 기술_카메라의 감도는 왜 다를까?

 

  비전 검사 시스템에서 감도의 중요성은 지난 포스팅(2014/06/27 - [머신비전 기술 백서/카메라] - 카메라의 감도, 대체 누가 더 밝은거야?)에 언급하였고, 이제 실제 어플리케이션에서 어떤 카메라가 더 높은 감도를 가지고 있는지 찾을 수도 있을 것이다. 이번 포스팅에서는 비슷한 사양의 카메라들이 왜 서로 다른 감도를 가지고 있는지 알아보겠다.

 

카메라 감도에 영향을 미치는 요소 3가지

  

  카메라가 빛을 받아 데이터를 출력할 때까지 아래와 같은 과정을 거친다.

 

 

  

  대략적으로 설명하면 빛을 받은 ①Pixel은 광전효과를 통해 e-을 생성하고 ②Readout회로를 통해 전압으로 변환한다. 변환된 전압은 ③Analog offset과 ④Analog gain을 통해 조정되고 ADC 컨버터가 ⑤Voltage를 digital 값으로 변환한다. 변환된 Digital Data는 적절한 ⑥Image processing(Calibration, LUT…)을 거쳐 ⑦출력된다.  

  데이터 변환 과정에서 감도에 영향을 미치는 요소는 Pixel의 크기, Readout시 변환효율, Analog Gain이며 이 값에 따라 카메라의 감도가 결정된다. 각 요소에 따라 어떤 영향을 미치는지 항목별로 알아보자.

 

 

 

1. Pixel의 크기와 부피

  

  서로 다른 Pixel 크기를 가진 3가지 경우를 한번 가정해 보자. 두 개의 pixel은 상당히 큰 부피를 동일하게 가지고 있고 다른 하나는 상대적으로 적은 pixel 부피를 가지고 있다. 그리고 2개의 픽셀은 빛이 입사하는 부분의 면적이 동일하다. 우리가 사용하는 카메라의 출력은 8bit 형식을 사용할 경우 0~255DN 범위로 언제나 동일하다. 이런 상황에서 동일한 양의 빛이 3개의 pixel에 동시에 입사한다면 그 출력 값은 어떻게 될까?

 

 

면적당 동일한 양의 빛이 입사하였을 때 1번 pixel과 2번 pixel에 쌓이는 전자의 양은 동일하나 입사 면적이 큰 3번 pixel은 더 많은 양의 전자가 쌓인다. 그리고 각 픽셀에서 전자가 차지하고 있는 비율은 각기 다르게 된다. 여기서 유의할 점은 영상 데이터 출력 값은 픽셀의 전체 부피에 대비하여 전자가 차지하고 있는 비율이 된다는 것이다. 아래 표를 보면 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

 

 일반적으로 우리가 말하는 pixel의 크기는 위 값 중에서 입사면 면적이라 할 수 있다. 위의 표에서 볼 수 있듯 pixel의 크기(입사면 면적)가 크다고 출력 값이 무조건 높은 것은 아니며 pixel의 부피도 상관관계가 있다. Pixel의 부피는 pixel에서 생성된 전하를 품을 수 있는 최대 양이며 Full well이라는 용어를 사용한다. 이번 포스팅에서는 ‘pixel size와 full well이 복합적으로 감도에 영향을 미친다’ 정도까지만 설명하고 더 자세한 사항은 향후 포스팅에서 다루겠다.

2. Readout 변환 효율

  광전효과에 의해 생성된 charge는 Readout시 Voltage로 변환된다. 이때 floating diffusion node의 capacitance(CFD)에 따라 변환 효율이 결정된다. 이 변환 효율에 따라 출력되는 voltage swing 폭이 달라지며 이는 감도와 직결되게 된다. CFD 값을 줄여 감도를 크게 높이면 좋겠지만 이 값을 줄이면 노이즈에 영향을 미치게 된다. 이 노이즈에 대해서는 이후 포스팅에서 다루는 것으로 하겠다.

 

3. Analog gain

  Gain에 대해서는 직관적으로 ‘더 밝아지는 것’ 이라고 익히 알고 있을 것이다. Analog gain이 높아지면 더 밝아진다는 말은 너무 당연하므로 넘어가고 다른 면에서 생각해보자. 

 

 

  만약 동일한 이미지 센서를 사용하여 2개의 카메라 제조사에서 카메라를 만들었다고 가정해 보자. 그런데 1번 제조사는 1.3x의 analog gain을 사용하였고 2번 제조사는 1.5x의 analog gain을 사용하여 카메라를 제조하였다. 결과적으로 2번 제조사가 더 감도가 높은 카메라를 만들었다. 물론 카메라 spec sheet에도 더 높은 responsity 값으로 표기해 두었다. “뭘 말하고 싶은 거야?” 라고 생각되는 분은 지난 카메라 포스팅을 한번 읽어보길 바란다. 지금은 그냥 “카메라 제조사에서 gain을 높이 세팅해 두면 감도는 더 좋은 카메라가 만들어진다” 정도로만 알아두자.

 

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필진 소개

 

목한상, Kyle Mok (앤비젼 Product Engineer/카메라 담당) 사진가가 되고 싶었던... 그래서 카메라와 함께 일하는... 카메라 담당 Product Engineer