스펙트럼의 특성과 에어리어 및 라인 스캔 카메라

스펙트럼 특성
 

용도별 요구 사항에 따라 카메라가 색상을 재현할 수 있는 능력은 득이 될 수도 혹은 그렇지 않을 수도 있다. 흑백, single chip 컬러, 3-chip 컬러 카메라를 비교한 내용이 <표1>에 나와 있다.

<표1> 흑백, single chip 컬러, 3-chip 컬러 카메라를 각각 비교한 내용.

흑백 카메라: 실리콘 장치인 CCD와 CMOS 센서는 350 ~ 1050nm의 파장에 민감하며 가용 파장 범위는 보통 400 ~ 1000nm 사이로 주어진 다. 이러한 민감도는 센서의 스펙트럼 응답 곡선으로 표시된다 (그림1). 하지만 대부분의 고품질 컬러 카메라와 일부 흑백 카메라는 특히 VIS 스펙트럼에서의 이미징을 위해 적외선(IR) 차단 (Cut-Off) 필터를 제공한다.

<그림1> 일반적은 흑백 CCD의 정규화된 스펙트럼 응답 곡선

컬러 카메라: 고체(solid-state) 센서는 광전 효과(photoelectric effect)를 기반으로 하며, 결과적으로 추가 검토 없이는 색상을 구분할 수 없다. 컬러 CCD 카메라에는 single chip, 3-chip 두 가지 유형이 있다. Single chip 컬러 CCD 카메라는 일반적인 저가 이미징 솔루션을 제공하며, mosaic(예: Bayer) 광학 필터를 사용해 서로 다른 픽셀들이 특정 파장의 빛에만 반응하도록 한다.

그런 다음 소프 트웨어를 통해 RGB 신호로부터 실제 색상 정보를 삽입하는 ‘debayering’ 알고리즘을 이용해 컬러 이미지가 재구성된다. 색상을 인식하려면 더 많은 픽셀이 필요하기 때문에 single chip 컬러 카메라는 단색 카메라에 비해 기본적으로 해상도가 낮다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 3-chip 컬러 CCD (3CCD) 카메라는 프리즘을 이용해 입사 스펙트럼의 각 부분을 서로 다른 칩으로 전달하도록 고안됐다.

3CCD 카메라는 대개 아주 높은 해상도와 정확한 컬러 재현 성능을 제공하지만, 광감도(light sensitivity)가 낮고 가격이 고가이다.

프레임 레이트 및 셔터 스피드: 프레임 레이트는 1초에 표시되는 전체 프레임의 수를 의미한다. 고속 카메라에서는 피사체가 FOV를 통과할 때 더 많은 피사체 이미지를 촬영할 수 있도록 더 빠른 프레임 속도를 선택하는 것이 유리하다. 셔터 스피드는 센서의 노출 시간에 반비례한다. 노출 시간은 센서에 의해 수집된 입사광의 양을 제어한다.

과다 노출이 원인인 카메라의 블루밍(blooming) 현상은 조명을 줄이거나 셔터 스피드를 높여 (노출 시간 감소) 제어할 수 있다. 시스템의 최대 프레임 레이트는 센서 판독 속도, 인터페이 스의 데이터 전송 속도, 그리고 픽셀 수(프레임 당 전송되는 데이터 양)에 좌우된다. 때로는 pixel binning 또는 AOI(area of interest) 제한을 통해 해상도를 낮춰야만 더 높은 프레임 레이트에서 카메라를 작동할 수 있다. 디지털 카메라의 경우 수십 마이크로초에서 수 분까지도 노출을 할 수 있지만 가장 긴 노출은 CMOS에 비해 암전류와 노이즈가 적은 CCD 카메라를 통해서만 가능하다.

전자식 셔터, 글로벌 대 롤링: 글로벌 셔터는 모든 픽셀이 동시에 노출되고 샘플링되며 판독이 순차적으로 이루어진다는 점에서 기계식 셔터와 유사한다. 즉,  모든 픽셀에 대한 광자 획득(photon acquisition)은 동시에 시작 되고 중지된다. 반면에 롤링 셔터는 노출, 샘플링, 판독을 순차적으로 수행한다. 이는 각각의 이미지 라인이 약간의 시간차를 두고 샘플링됨을 의미한다. 직관적으로 인식되는 동적 피사체의 이미지는 롤링 셔터에 의해 왜곡이 일어난다.

이 효과는 라인들의 결합 주기가 오버랩될 때의 지점에서 유도되는 섬광등(strobe) 배치를 통해 최소화할 수 있다. 다만 이 문제가 저속에서는 발생하지 않는다는 점을 유의해야 한다. CMOS용 글로벌셔터 구현에는 표준 롤링셔터 모델보다 더 복잡한 센서 설계가 필요하기 때문에 일부 CMOS 센서에는 사용할 수 없다. <그림2>는 글로벌 셔터와 롤링 셔터를 비교한 내용이다.

<그림2> 움직임 블러 비교. 고정된 PCB (A), 움직이는 PCB (글로벌 셔터) (B), 움직 이는 PCB (롤링 셔터) (C)

글로벌 및 롤링 셔터와는 대조적으로 asynchronous shutter는 픽셀의 노출을 유도시킨다. 다시 말해, 카메라가 이미지를 촬영할 준비가 되어 있지만 외부로부터 유도 신호를 수신하기 전에는 픽셀을 활성화하지 않는다. 이는 일반적인 고정 프레임 레이트와 반대 개념으로서 셔터의 내부 트리거 기능으로 간주할 수 있다.

에어리어 vs 라인 스캔 카메라
 

용도별 요구 사항에 따라 시스템 구축 담당자는 에어리어 스캔 또는 라인 스캔 카메라를 선택해야 한다. 에어리어 스캔 카메라에서 이미징 렌즈는 센서 배열에 이미지 처리 시 피사체에 초점을 맞추고 이미지는 재구성을 위해 픽셀별로 모두 한꺼번에 샘플링된다 (그림3a).

이러한 특징은 이미지가 빠르게 움직이지 않거나 피사 체가 아주 크지 않다면 편리할 수 있다. 라인 스캔 카메라에서는 픽셀이 선형으로 배열되며, 피사체가 카메라를 지나 빠르게 이동할 때 이미지가 라인별로 촬영된 뒤 소프트웨어를 통해 재구성된다(그림3b).

<그림3> 에어리어 스캔 카메라(좌측)와 라인 스캔 카메라(우측)를 그림으로 설명한 예

선형 배열은 에어리어 스캔 장치에 비해 훨씬 높은 해상도를 제공할 수 있으며 에어리어 스캔 센서에서는 4000 픽셀이 가장 일반적인 수평 해상도인 반면 선형 장치에서는 1만6000 픽셀 이상인 경우가 흔하다. 하지만 라인 스캔 카메라로 이미지를 구성하려면 카메라와 관련해 피사체를 정교하게 이동해야 하므로 통합 작업이 훨씬 어려워진다. <표2>에는 에어리어 스캔 카메라와 라인 스캔 카메라에 대한 설명이 간략하게 나와 있다.

<표2> 디지털 카메라 포맷 비교: 에어리어 스캔 및 라인 스캔

<표3> 일반적인 카메라 마운팅 옵션을 비교한 표

자료제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)