4세대 글로벌 셔터 설명 및 임베디드 이미지 센서에 더 나은 성능 지표가 필요한 이유

이미지 센서는 다음과 같은 세 가지 핵심 방식으로 진화하고 있습니다. 육안 이상을 볼 수 있는 온칩 편광 및 초분광 센서와 같은 새로운 기능의 구현; 그리고 대부분의 머신 비전 애플리케이션에서 가장 기본적인 발전은 더 높은 해상도로 더 빠르게 캡처해야 한다는 것입니다.

이 기사에서는 곧 출시될 4세대 글로벌 셔터 기술에서 기대할 수 있는 사항과 이미징 성능을 향상시키는 역할을 포함하여 GS-CMOS 이미지 센서의 발전에 대해 살펴봅니다.

글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서는 약 10년 전에 처음 출시된 이후 고속 제조 프로세스의 처리량을 가속화하는 데 중요한 역할을 했습니다. 이 기술은 디지털 출력을 제공할 뿐만 아니라 롤링 셔터 효과로 인한 공간 왜곡을 방지했습니다.

이 기술은 1/1.2” 형식(5.86 µm 픽셀 크기)에서 단 2.4메가픽셀을 제공하는 1세대 센서와 함께 더 나은 이미지 품질을 제공하기 위해 빠르게 발전했습니다. 해상도에 대한 요구로 인해 엔지니어는 Sony가 0.4~31메가픽셀의 해상도를 처리할 수 있도록 3.45µm의 2세대 센서 픽셀 크기를 만들었습니다.

그러나 픽셀 크기가 줄어들면 센서의 각 픽셀에 도달하는 빛의 양도 줄어들어 포화 용량이 줄어듭니다.

3세대에서는 픽셀 크기를 약간(4.5µm까지) 증가시켜 1세대 장치에 더 가까운 포화 용량을 늘리는 동시에 동적 범위와 속도를 개선하는 등 경쟁 요소 사이에서 최적의 균형을 찾았습니다.

1~3세대 픽셀이 완성되면서 Sony는 중단되었던 기존 CCD 라인업을 포괄하는 해상도 및 광학 크기 포트폴리오를 만들었습니다.

이미지 캡처에 대한 전체적인 접근 방식

머신 비전 시스템은 분석을 위해 상세한 이미지를 캡처할 뿐만 아니라 올바른 정보를 캡처하고 이 정보를 컴퓨터로 전송하고 이 작업을 매우 빠른 속도로 수행해야 합니다.

따라서 센서의 판독 프레임 속도(사용된 전송 표준만큼)는 이 프로세스에서 중요한 요소입니다. 그러나 새로운 세대의 GS-CMOS 이미지 센서에 내장된 기능도 마찬가지입니다. 1세대에는 모션 아티팩트를 제거하기 위해 글로벌 셔터가 포함되었습니다. 및 다중 프레임 관심 영역(ROI) 기능을 통해 데이터의 하위 집합을 분석을 위해 컴퓨터로 전달할 수 있습니다.

2세대에는 다중 노출 트리거가 추가되어 하나의 이미지 프레임 내에서 다중 노출을 캡처하여 이미지가 더 깊은 정보를 캡처하도록 하고 최소 노출 시간을 단 2µs로 줄였습니다.

3세대에는 이중 ADC 및 이중 트리거가 포함되어 있어 각각 독립적으로 트리거될 수 있는 동일한 프레임에서 저이득 및 고이득 이미지를 촬영할 수 있습니다. 또한 온 센서 변환 이득이 포함되어 감도, 포화 용량 및 동적 범위의 균형을 더 잘 맞춰 저조도 및 밝은 조명 조건 모두에 대처할 수 있습니다. 마지막으로 하나의 ROI가 다른 ROI의 트리거 역할을 하는 자체 트리거가 추가되었습니다.

센서 반전

이미지 센서 크기를 늘려 전체 픽셀 수를 늘릴 수는 있지만 대부분의 머신 비전 애플리케이션은 1인치 유형 센서(대각선 16mm)를 사용하는 C-마운트 카메라를 사용합니다.

GS-CMOS 이미지 센서의 처음 3세대는 전면 조명 픽셀 구조(그림 1 참조)를 사용하여 빛이 렌즈에 들어가고 금속 배선 층을 통과하여 감광성 포토다이오드로 이동합니다.

이렇게 하면 렌즈에 들어오는 빛의 일부가 금속 배선층으로 향하게 되어 포토다이오드층에 도달하는 빛이 줄어듭니다.

4세대 GS-CMOS에 채택된 대안 접근 방식은 금속 배선 및 감광 포토다이오드 레이어를 반전시켜 이면조사형 픽셀 구조를 만들고 광자를 더 쉽게 감지할 수 있도록 하는 것입니다(그림 2 참조). .

이러한 반전 구조를 통해 포화 특성을 감소시키지 않으면서 기존 전면 조명 센서(2.74µm)에 비해 픽셀 크기를 약 63%까지 줄일 수 있습니다.

또한 이 반전을 통해 주변에 있던 회로를 센서 후면에 배치할 수 있습니다. 이를 통해 12MP에서 20MP로 해상도를 높일 수 있으며 패키지 크기는 약 91%로 감소했습니다. 이전 모델과 동일한 광학 시스템을 사용하는 경우에도(그림 3 참조).

4세대 기능 및 판독 프레임 속도

역 이면조사형 픽셀 구조는 또한 매우 유연한 배선 레이아웃을 구현하는 기능을 제공하며 이를 확장 가능한 저전압 신호와 임베디드 클록(SLVS-EC) 고속 인터페이스와 결합하여 판독 프레임 속도를 크게 향상할 수 있습니다. . 전송되는 고해상도 이미지를 고려할 때 판독 프레임 속도는 기존 센서보다 거의 2.4배 더 빠를 수 있습니다.

4세대 센서에 구현된 추가 기능에는 듀얼 ADC 데이터의 온센서 조합이 포함되어 있어 저이득 및 고이득 캡처에서 HDR(높은 동적 범위) 이미지를 생성할 수 있습니다. 셔터 속도가 빨라져 셔터 사이의 시간이 2µs에 불과했습니다.

결론

공장과 창고에서 육안 검사를 대체하는 것과 같은 발전을 가능하게 하는 고도의 자동화를 구현하고 공장 자동화 및 유통의 다른 응용 프로그램에서 검사 및 인식이 더 정확하고 빨라야 효율성이 높아집니다.

4세대 센서는 산업 및 산업 자동화 전반에 있어 큰 도약으로, 더 나은 이미지와 더 많은 온칩 기능을 제공하여 산업 제조 프로세스의 품질 관리와 속도를 향상시킵니다.

그러나 더 빠른 제조 속도와 정확성에 대한 요구는 계속될 것이며 문제가 되기 전에 해결해야 할 문제가 있습니다.

지금까지 살펴본 것처럼 센서 제조업체는 최적의 지점 이상으로 픽셀 크기를 줄일 수 있습니다. 실제로 일부 사람들에게는 그렇게 하는 상업적 이익이 있다고 주장할 수 있습니다. 시스템의 이미지 품질을 정량화하기 위해 비전문가가 프록시 메트릭(종종 유일한 메트릭)으로 사용하는 이점을 활용합니다.

우리는 업계로서 더 나은 대안적 지표를 제공하기 위해 협력해야 합니다. 산업용 이미징의 복잡한 특성을 고려한 것. 품질과 개수를 보다 전체적으로 볼 수 있는 제품입니다. 그리고 궁극적으로 단순히 픽셀 수만큼 이해하기 쉬운 것입니다.