코미, BSI 센서방식의 고속카메라 ‘Phantom TMX’ 업계 등판
촬영속도 3배 증가‧빠른 노출속도 95ns‧픽셀크기 18.5㎛ 구현
Phantom 고속카메라 제조사인 비전리서치(Vision Research)가 업계 최초로 BSI 센서를 결합한 고속카메라 Phantom TMX 시리즈를 선보였다. 이 카메라는 고속카메라의 혁명으로 불리울 만큼 최대 촬영 속도와 초고화질의 탁월한 해상도를 제공한다. Phantom 한국공식대리점인 코미의 이은일 대표를 만났다.
A. BSI 센서를 채택하면서 고속 촬영 시장에 어떤 변화를 가져왔는지
지금까지 고속카메라에 사용된 CMOS 센서는 Front side illuminated(FSI) 아키텍처 기반이었다. 이 방식은 픽셀의 포토다이오드 위에 설치한 센서의 금속 전기회로망이 광소스를 가리게 돼 픽셀에 도달하는 입사광의 일부를 방해하게 되고, 이는 Fill factor에 영향을 줘 센서의 감도를 저하시키는 결과를 초래한다.
고속에서 고화질의 영상을 얻기 위한 연구 끝에 BSI 센서 방식을 채택하게 됐다. BSI 센서는 금속스택 맨 위에 두꺼운 캐리어 웨이퍼가 있도록 설계됐다. 이 정렬방식에 의해 벌크실리콘이 얇아지고 광소스를 직접 다이오드에 노출되도록 했고 그 뒤에 메탈표면이 위치하도록 했다.
BSI센서를 채택함으로 세 가지 큰 효과를 가져왔다. 첫째는 궁극적인 속도의 증가이다. FSI센서 방식에 의한 고속카메라의 경우 최대 속도는 1280x800 해상도에 최대 초당 2만 5,700장이다.
하지만 BSI 센서방식을 채택한 Phantom TMX 7510 고속카메라는 풀 해상도 1280x800에서 최대 초당 7만 6,000장까지 촬영할 수 있다. 이는 3배 가까이 증가한 속도다. 엄청난 속도결과로 전문가적 초고속카메라에 버금가는 기술이다.
Phantom TMX 이와 더불어 새로운 비닝모드를 채택했다. 기존의 비닝모드는 해상도를 2x2 픽셀로 묶어서 해상도 크기를 1/2로 줄이고 촬영속도는 25% 증가된 촬영속도를 제공한다. 그러나 Phantom TMX7510 고속카메라의 비닝모드는 다르다. 이 비닝모드는 가로 해상도는 1/2로 줄이고 세로 해상도는 2배로 늘려서 같은 속도를 제공한다.
예를 들면, 1280x192 해상도의 표준모드 촬영속도와 수직해상도가 2배 높아진 680x384 해상도 비닝모드에서 똑같은 초당 30만 8,000장을 촬영할 수 있다. 그리고 해상도 1280x32의 표준모드와 해상도 640x64의 비닝모드에서 모두 동일한 초당 최대 1백 75만장을 제공한다.
이러한 데이터 처리속도는 지금까지 고속카메라에서는 볼 수 없던 결과로 고속카메라 업계에 새로운 역사를 기록한 것이다. 해상도 크기가 달라져도 데이터 처리속도를 일정하게 제공할 수 있는 유의미한 결과다. 최대에서 최소단위까지 거의 일정한 77~72 Giga픽셀의 데이터 처리속도를 제공한다는 것은 매우 어려운 기술이기 때문에 앞으로 고속카메라 업계가 어떻게 급변할지 궁금하다.
둘째는 가장 짧아진 노출시간이다. Phantom TMX 7510 고속카메라의 노출속도는 기본으로 최소 1㎲까지 가능하다. 그러나 FAST 옵션을 이용할 경우 고속카메라 중에서 가장 빠른 95ns의 노출속도를 보장한다.
이는 출시된 고속카메라 중에서 단연 가장 빠른 노출속도이다. 셔터의 노출속도가 빨라지면서 모션블러가 사라지고 훨씬 빠른 이벤트에서도 최고화질의 영상을 보여준다. 고속카메라로 고속촬영이 필요한 분야에서 혈구계산이나 연소분석 같은 미세하면서도 섬세한 분석이 필요한 애플리케이션에서 모션블러가 발생할 경우 최적화된 이미지 획득에 제약요소가 될 수도 있다.
셋째는 작아진 픽셀크기이다. 열악한 광조건에서 고속촬영을 하기 위해선 고속카메라는 가능한 한 많은 광양자를 얻기 위해 픽셀크기를 키운다. 비전리서치의 FSI 초고속 센서는 784µ㎡ 영역에서 한 면당 픽셀 크기는 28㎛이다.
그러나 BSI 센서는 같은 영역에서 한 면당 픽셀 크기가 18.5㎛로 아주 작다. 새로운 BSI 방식의 센서로 변경하기 위해서 많은 기술개발이 필요했다. 비전리서치에서 처음으로 고속카메라에 BSI 센서를 채택했다는 것 자체가 대단한 발전이다.
A. 고속카메라 Phantom TMX의 주요 성능을 소개해달라
비전리서치에서 처음으로 BSI 센서방식을 채택한 고속카메라는 Phantom TMX로 고속카메라 중에서 가장 빠른 촬영속도에서도 고화질의 영상을 제공한다. TMX 고속카메라에는 Phantom TMX7510과 Phantom TMX6410의 2가지 모델이 있으며 각각 칼라와 흑백 버전으로 출시됐다.
Phantom TMX 7510의 촬영속도는 1280x800 풀해상도에서 최대 초당 7만 6,000장을, TMX6410은 같은 해상도에서 최대 초당 6만 5,900장을 제공한다. 해상도를 축소하고 Fast 옵션을 이용하면 TMX7510은 최대 초당 1백 75만장 이상, TMX6410은 1백 50만장 이상을 제공한다.
Phantom TMX 7510/6410의 해상도와 촬영속도
최대 512GB의 대용량 카메라 메모리
Phantom TMX 7510와 TMX 6410 고속카메라는 종전의 가장 빠른 고속카메라 보다 약 2배 더 증가된 내장메모리를 제공한다. TMX 카메라는 128GB, 256GB, 512GB의 3가지 내장 메모리 타입이 있어 사용자의 용도와 예산에 맞춰서 선택할 수가 있다. 카메라의 내장메모리는 최대 511개로 나눌 수 있기 때문에 연이어 일어나는 여러 번의 짧은 이벤트를 중간 중간에 끊어지지 않게 계속해서 촬영할 수 있다.
고속카메라에서 가장 중요한 것이 메모리의 크기이다. 따라서 카메라의 내장메모리와 별도로 메모리가 필요하다면 분리가 가능하면서 안전한 Phantom CineMagV 대용량 플래시 메모리 장치를 별도로 사용하면 좋다.
Phantom CineMagV 외부저장장치는 대용량 2TB와 8TB의 2가지 버전이 있어서 필요에 따라 선택할 수 있다. 또한 Phantom CineMagV는 직접 레코딩하고 기록한 영상을 재생하고 확인할 수 있다.
Phantom CineMagV에 저장된 데이터는 Phantom CineStationIV에 의해 다운로드하거나 1기가나 10기가 이더넷을 사용해 컴퓨터에 다운로드할 수 있다. 10기가 이더넷을 이용하면 최고 속도로 다운로드가 가능해 고속촬영의 작업시간을 많이 줄일 수 있다. Phantom 고속카메라로 촬영된 Cine Raw 파일은 다양한 비디오 편집 분석 프로그램과 호환이 가능해 변환된 영상을 어디서든 이용할 수 있다는 장점이 있다.
Phantom의 PCC 소프트웨어를 이용해서도 h264.mp4, Apple ProRes .mov, .avi, tiff, jpg, png 등 다양한 형식의 동영상과 싱글이미지로의 파일변환이 가능하다.
A. Phantom TMX의 주요 애플리케이션은?
사용분야는 매우 다양하고 무궁무진하다. 이 고속카메라의 최소 촬영단위는 100fps이기 때문에 사실상 모든 분야에 사용할 수 있다.
제일 필요한 분야는 국방이라고 생각한다. 종류에 따라 다르지만 기본 초당 2만장에서 1백만 장까지 촬영해야 하는 발사체가 대상이다. 탄도미사일, 대포, 로켓, 화염, 연소, 풍동실험, 폭발, 폭파시험, 방전, 플라즈마, 탱크소화기 테스트 등이 있다.
Phantom TMX 고속카메라의 장점은 초고속에서도 고해상도를 제공하여 깨끗한 영상을 얻을 수 있기 때문에 PIV(Particle Image Velocimetry)와 같은 정밀한 분석에도 아주 유용하다. 눈에 보이지 않을 만큼 아주 작은 입자는 촬영하기 매우 까다롭다. 그래서 고속과 고해상과 가능한 카메라를 이용하는데 Phantom TMX 고속카메라가 적격이다.
Phantom TMX 고속카메라로 95ns의 노출속도에 1280x64에 초당 87만 장을 촬영하거나, 640x64 비닝모드 해상도에서 초당 1백 75만장으로 유리가 깨지는 순간을 촬영한다고 가정한다면, 어떻게 보일지 상상해보자. 정말 놀라움 그 자체다.
코미 페이스북에서 확인할 수 있으니 직접 감상해보길 바란다. 유리가 마치 얼음이 서서히 퍼지면서 깨지는 것처럼 정밀하고 정확하게 서서히 퍼져나가는 장면은 또 하나의 새로운 세계를 보는 것 같다. 촬영을 해봐야 육안으로 잘 관찰되지 않는 찰라의 현상들도 놓치지 않고 정확히 볼 수 있다.
이 외에도 에어백, 차량추돌 및 충돌, 슬래드, 엔지, 타이어 거동, 수막현상, 웨이브현상과 같은 자동차 분야에 적합하다. 아울러 생물역학, 의료분야는 물론 와이어 본드, 배터리제조공정, 차단기, 고속철도 유도량, 스파크현상, 핸드폰 신뢰성실험, 반도체 TR제조공정, 방전현상, 인장 및 압축에 의한 시편실험, 화염전파, 인젝터코일, 플라즈마용접, 방탄헬멧, 낙하실험 등 고속촬영 분야는 무궁무진하다.
