산업용 바코드 스캐너의 최적화를 위한 ‘글로벌 셔터(GS) 이미지 센서’

최근 해상도에 대한 요구가 높아짐에 따라, 산업용 머신 비전 시스템 제조업체들은 고속 캡처시 이미지 품질 유지, 저조도 환경 에서의 작동성, 비용 효율성 유지 등의 주요 과제에 직면하고 있다.

OMNIVISION의 새로운 후면 조명(Backside-Illuminated, BSI) 글로벌 셔터(Global Shutter, GS) 이미지 센서는 이러한 문제를 해결하는데 이상적인 솔루션으로, 컴팩트한 디자인에서 더높은 품질과 성능을 제공하여 산업용 머신 비전 시스템의 이미지 캡처 기능을 가시광선 및 근적외선(NIR) 영역에서 향상시키는 특징을 갖고 있다.

<그림1> 산업용 바코드는 다양한 표면 유형과 크기로 존재하며, 이를 더 효과적으로 인식하기 위해 새로운 CMOS 이미지 센서가 필요하다.

산업용 바코드 스캐너란 무엇인가?
 

산업용 바코드는 1D(선형) 및 2D 바코드를 포함하며, 제조, 포장, 물류 및 유통을 포함한 다양한 산업 및 상업 환경에서 사용된다. 고속 생산, 재고/창고 관리, 공급망 물류, 의료 등이 대표적인 사례이다. 바코드 스캐너는 바코드에 포함된 정보를 캡처하고 해독하는 머신 비전 시스템이다. 일반적으로 무선 핸드헬드 스캐너와 공장 자동화 카메라 형태로 제작되며, 빠르고 정확하게 데이터를 획득 및 해석하여 보고하는 역할을 한다.

기술적 개선 기회
 

이미지 기반 시스템은 산업용 바코드 스캐너에서 레이저 기술을 크게 대체했다. 그 이유는 이미지 기반 시스템이 더 안정적이고 2D와 1D 코드를 모두 읽을 수 있기 때문이다. 그러나 이미지 기반 스캐너도 다음과 같은 새로운 문제점을 가지고 있다.

• 소형화 필요성: 비용 효율성과 타 기기와의 통합을 위해 스캐너 크기가 점점 더 작아지고 있음.

• 고속 작동 요구: 높은 속도에서 왜곡 없이 이미지를 캡처할 수있어야 함.

• 비용 증가 억제: 성능을 개선하면서도 전체적인 바코드 스캐너 비용을 낮추는 것이 중요함.

이러한 과제를 해결하기 위해 글로벌 셔터(GS) 이미지 센서가 필수적이다. 글로벌 셔터 센서는 모든 픽셀을 동시에 노출하여 움직 이는 물체를 정확하게 포착하며, 빠르게 이동하는 피사체를 캡처할 때 발생하는 블러(흐림) 또는 왜곡을 제거할 수 있다. 이에 따라 OMNIVISION은 차세대 산업용 바코드 스캐너의 요구 사항을 충족하기 위해 새로운 GS 이미지 센서인 OG05B1B 및 OG01H1B 를 개발한 것이다.

OMNIVISION의 핵심 기술 특징
 

OMNIVISION의 글로벌 셔터 이미지 센서는 업계에서 가장 작은 2.2마이크론(µm) BSI 픽셀을 특징으로 하며, 고해상도를 컴팩트한 디자인으로 구현했다. 이 센서는 소형 포맷에서 고해상도를 제공하며, 고속으로 움직이는 물체를 높은 프레임 속도로 선명하고 정확하게 포착할 수 있어 사용 가능한 최고의 셔터 효율을 제공한다.

또한 고감도, 저잡음, 향상된 근적외선(NIR) 양자 효율(QE)을 제공하여 업계를 선도하는 저조도 성능을 제공한다. 이전 세대의 2.5µm 전면 조명(FSI) GS 센서와 비교했을 때, 2.2µm BSI GS 센서는 F2.0 렌즈로 1.08배 감도, F1.4 렌즈로 2.16배 감도를 달성할수 있다.

<그림2> FSI GS 픽셀의 렌즈 조리개 한계는 F2.0인 반면, BSI GS 픽셀은 최대 F0.7+ 까지의 조리개를 지원한다.

1. 백사이드 조명(BSI) 기술 적용: OMNIVISION의 고급 OmniBSI 플랫폼은 FSI 기술보다 얇은 모듈을 구현하면서도 감도가 높아 동급 최고의 광 흡수와 고급 이미지 품질을 제공한다. 각 응답이 크기 때문에 BSI 이미지 센서는 F1.0에 가까운 조리개 값을 갖는 반면 FSI 이미지 센서는 F2.0에 불과하다.

<그림3> 처음 두 이미지(사진 위)는 FSI GS 센서를 사용하여 스캔되었고, 두 번째 두이미지(사진 아래)는 BSI GS 센서를 사용하여 스캔됐다.

2. 향상된 근적외선(NIR) 감도: QE는 입사 광자를 전자로 변환하는 이미징 장치의 효율성을 나타낸다. 두 가지 새로운 센서 모두 OMNIVISION의 입증된 Nyxel NIR 센서 기술을 사용하여 QE를 700‒1050nm로 높여 조명 수준에 관계없이 더 잘, 더 멀리 보는 이미지 센서를 구현하면서도 전력을 덜 사용한다.

이러한 3배 QE 개선을 통해 선명하고 밝은 이미지를 캡처하고 최적의 이미지 데이터를 제공할 수 있다. 이러한 매개변수는 새로운 GS 이미지 센서가 낮은 조명 조건(예: 어두운 창고, 트럭, 선반 등)에서도 바코드 스캐너의 이미지 캡처를 최적화하여 정확한 데이터 판독 및 디코딩을 보장하는 능력을 보여주는 중요한 지표이다.

<그림4> 오른쪽 이미지는 OMNIVISION의 Nyxel 기술을 통합한 이미지 센서를 사용 하여 스캔된 모습. 왼쪽의 Nyxel이 아닌 스캔과 비교하면 ‘밤과 낮’과 같은 차이가 있다.

3. 고급 패키징 기술 적용: 두 개의 새로운 글로벌 셔터 이미지 센서는 OMNIVISION의 PureCel PlusS 스택 다이 아키텍처를 활용하여 이전 모델에 비해 풀웰 용량이 20% 증가하고 신호 대잡음비가 증가하여 동급 최고의 성능을 위한 더 높은 동적 범위를 제공한다. 또한 센서는 가능한 가장 작은 치수를 위해 칩스케일 패키지 기술을 활용한다.

글로벌 셔터 이미지 센서의 중요성
 

바코드 스캐닝 애플리케이션은 더욱 정교해지고 있으며, 이를 지원하기 위해 기존 이미지 기반 머신 비전 시스템의 해상도 및 크기 한계를 극복할 필요가 있다. 글로벌 셔터 이미지 센서는 이러한 애플리케이션에 최적화된 기능을 제공하며, OEM이 보다 고품질의 정확한 스캐너를 시장에 출시할 수 있도록 지원한다. 자동차, 의료, 보안, 컴퓨팅, IoT를 포함한 다양한시장을 위한 CMOS 이미지 센서의 글로벌 공급업체인 OMNIVISION은 이러한 리더 십을 급성장하는 머신 비전 시장에 적용하여 산업용 바코드 스캐너에 집중하고 있다.

자료제공: OMNIVISION(www.ovt.com)