이미지 센서란?
이미지 센서는 빛의 정보를 전기 신호로 바꾸는 부품입니다.
이미지 센서(영문: Image sensor)라고도 합니다. 디지털 카메라나 촬영 장비 등에 탑재되는 CCD(Charge Coupled Device, 전자결합소자)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 상보형 금속산화막 반도체)가 이에 해당합니다.
이미지 센서는 기계의 ‘눈’과 같은 역할을 한다. 카메라에 사용되는 이미지 센서의 화소 수는 이미지 센서의 총 개수를 의미합니다. 각 센서는 빛의 강도를 감지하고, 빛의 강도는 수치화되어 전기 신호로 처리됩니다.
이미지 센서의 사용 용도
이미지 센서는 주로 대량 생산되는 제품의 생산 라인에서 사용된다. 예를 들어 자동차 부품, 식품 및 의료품, 전자기기, 액정 및 반도체, 수지 제품 생산라인에서 유용하게 쓰입니다.
이미지 센서의 역할은 사람의 눈으로 육안 검사를 대체하는 시스템이 되는 것입니다. 예를 들어, 수량 계수나 결품 여부를 확인하는 유무 검사, 흠집이나 결함을 확인하는 외관 검사에 적용되고 있습니다.
또한, 첨단 이미지 분석 기술과 결합하여 문자 판별(OCR: Optical Character Recognition)과 3차원 측정이 가능해졌습니다. 이미지 센서는 자동차의 자율주행 시스템에도 사용되고 있으며, 앞으로도 필수적인 장치입니다.
이미지 센서의 원리
이미지 센서의 핵심은 수광소자(포토다이오드)입니다. 이 반도체는 빛의 강약을 감지해 전하로 저장할 수 있습니다. 수광 소자에 빛이 닿으면 빛의 세기에 비례하는 양의 전자가 발생합니다.
반도체의 성질을 이용해 전자를 축적시키고 그 양을 수치화하는 것이 이미지 센서의 기본 원리입니다. 이미지 센서에서는 수광 소자에 축적된 전자를 어떻게 신호화하느냐에 따라 다양한 원리의 장치가 존재합니다. 대표적인 장치는 CCD와 CMOS입니다.
CCD는 CCD 전송로를 통해 전하를 전기 신호로 변환합니다. 이 전송로에서는 버킷 릴레이처럼 소자에서 소자로 전하가 이동하는데, CMOS는 수광소자 하나하나에 증폭회로(앰프)가 내장되어 있어 여러 개의 수광소자를 거치지 않고도 전하를 전송할 수 있습니다.
CMOS는 하나의 장치로 구동하기 때문에 전력 소모가 적고 처리 속도가 빠르다는 장점이 있습니다. 또한, CCD보다 제조비용이 저렴하다는 점도 주목받고 있습니다.
이미지 센서의 기타 정보
1. 이미지 센서의 크기
이미지 센서에는 여러 가지 크기가 있습니다. 일반적으로 센서의 크기가 커질수록 화질이 좋아집니다. 그 이유는 센서의 크기가 클수록 더 많은 빛을 집광할 수 있기 때문입니다.
찍을 수 있는 빛의 범위, 즉 다이나믹 레인지가 넓어짐에 따라 흰떨림이나 검은색 뭉개짐이 적은 이미지를 촬영할 수 있습니다. 또한, 같은 화소수의 이미지 센서라도 크기가 클수록 화질이 좋아지는 것은 1픽셀(1픽셀)당 수광 면적이 넓기 때문에 노이즈 저감 효과도 있기 때문입니다.
2. 이미지 센서에서 조명의 역할
FA용 이미지 센서를 보간하는 장비로 조명이 있습니다. 이미지 센서가 외란광의 영향을 받지 않고 안정적으로 공작물을 검출하기 위해서는 조명이 필요합니다. 조명의 대표적인 방식은 다음과 같은 세 가지가 있습니다.
- 정반사 방식
워크의 비스듬히 위에서 조명을 비스듬히 조사하여 워크의 표면에서 반사된 상을 촬영하는 방식입니다. 금속판에 요철이 있는 공작물 등에서 평면 부분과 요철 부분의 대비를 쉽게 파악할 수 있습니다. - 투과 방식
워크의 뒤쪽에서 조사하여 표면의 상이 떠오르게 하여 촬영하는 방식입니다. 복잡한 형상의 워크의 윤곽을 보다 정확하게 촬영할 수 있습니다. - 동축낙사 방식
워크에 조사하는 조명 광축과 카메라의 광축을 동축으로 하는 방식입니다. 워크 전체를 균일하게 조사할 수 있고, 그림자 발생을 줄일 수 있습니다.
3. 이미지 센서의 가격
이미지 센서의 가격은 ‘시야’와 ‘정밀도’에 따라 결정됩니다.
- 시야
일반적으로 이미지 센서는 픽셀 수가 클수록 더 미세한 것을 감지할 수 있습니다. 화소수가 커지면 센서의 크기도 커져 가격이 올라갑니다.또한, 데이터 전송에 시간이 걸리기 때문에 처리 시간도 길어지는 경향이 있습니다. 운영할 시스템의 택트에 맞는 센서를 선정하는 것이 중요합니다.
- 정확도
고화소 이미지 센서일수록 정확도가 높습니다. 또한, 감지하는 물체에 따라 흑백 센서, 컬러 센서가 필요한데, 컬러 카메라가 더 비쌉니다.