센서 제작 설계법 & 방식

지난 수십 년 동안 휴대폰 및 스마트폰 카메라 기술의 발전은 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, 상보성 금속 산화막 반도체) 기술 발전에 선두적인 역할을 해오면서, 센서 기술과 센서 제작 방식에 급격한 개선을 이룰 수 있었습니다. 이와 더불어 일반적인 제조 기법 또한 진보하면서 CMOS의 노이즈는 감소하고 제품의 신뢰성은 향상되었습니다.

그림 1: 후방 조명을 받는 픽셀과 전방 조명을 받는 픽셀의 구성 방식

여기서는 CMOS 센서의 구조를 전방 조명에서 후방 조명으로 전환하는 한 가지 특정 변화를 주었습니다.

그림 2:마이크로 렌즈는 각도를 증가시켜 센서로 포집되는 빛을 늘리는 데 사용됨

CMOS 센서 설계의 또 다른 주요 개선점으로는 광 포집력을 극대화해 센서의 효율성을 향상시키기 위한 마이크로 렌즈와의 결합이 있습니다.

사용면에서 CCD를 추월한 CMOS

여러 해에 걸친 이와 같은 기술적 발전 이후 CMOS 센서 사용이 CCD 사용을 능가한 데는 몇 가지 주요 이유가 있습니다. CMOS 기기는 CCD보다 전력 소모가 덜 하면서 이미지를 캡처할 수 있고 제작비 또한 저렴하기 때문에 구입 비용이 10배 정도 저렴합니다. CMOS 센서 기술의 인기가 급상승하면서 소니(SONY)는 2015년 2월 25일 CCD 센서 기술의 생산을 중단하겠다고 발표하였습니다.

더 나은 해상력을 요구하는 어플리케이션

어플리케이션의 요건이 점점 까다로워지면서, 더 나은 이미지 품질과 해상도가 요구되고 있습니다. CMOS 제조 업체들은 픽셀의 크기를 줄이고 픽셀 수를 증가시켜 고해상도 센서를 제작하려는 시도를 해왔습니다. 이러한 시도는 상당히 성공적이었으나, 센서 노이즈의 증가와 같은 몇 가지 문제점이 수반되었습니다. 이를 해결하기 위해 제조 업체들은 1.1” 센서 포맷보다 규모가 큰 센서 포맷에 다소 크기가 증가한 픽셀을 다시 사용하기로 하였습니다. 결과적으로 이와 같은 방식은 향상된 센서 해상도를 제공하면서 우수한 신호대잡음비(SNR)를 일정하게 유지시켜 주었습니다.

그림 3: 센서의 픽셀 크기와 전체 센서 크기의 변화로 더 높은 해상도를 수용할 수 있게 됨

해상도에 관한 요건이 지속적으로 증가함에 따라 센서 제조 업체는 대형 센서 포맷을 사용하는 것 외에도 이미지 품질을 훼손하지 않으면서 픽셀의 크기를 줄일 수 있는 새로운 방안을 모색 중에 있습니다. 신형 센서의 한 가지 예가 바로 소니의 4세대 S 24.5 MP IMX530 CMOS로서 2.74µm 픽셀 크기(37% 소형 픽셀 크기 vs 3.45µm)에 4/3″ 센서(대각 19.3mm)가 사용됩니다.

하지만 픽셀 크기가 감소하고 센서 크기가 증가하면서 향상된 성능을 최대한 활용하기 위해서는 광학 설계에 상당한 변화를 줄 필요가 있습니다. 이를 위해 이미징 렌즈 설계 시 광학 요소를 추가로 결합해야 하는 점은 이미징 렌즈의 부피와 중량의 증가로 이어지게 됩니다. 따라서 이 두 가지 제약으로 인해 C-마운트보다 크기가 더 크면서 사용자의 F-마운트보다 더 견고하고 신뢰성이 높은 마운트로 렌즈를 제작해야 한다는 부담이 설계자에게 전가될 수 있습니다.

TFL과 TFL-II와 같은 유형의 렌즈 마운트는 APS-C, APS-H 및 기타 풀프레임 센서와 비슷한 센서 포맷에 적합한 콤팩트 플랜지 거리와 대형 직경을 특징으로 합니다. 또한 이 마운트는 F-마운트와 같은 베이어닛(bayonet) 유형보다 안정성이 뛰어나고 무거운 렌즈에 대한 지지력이 높으며 신뢰성 있는 정렬을 제공합니다.

그림 4:대형 Max sensor diagonal을 수용하는 TFL과 TF-II 마운트

센서 제조 업체들은 초고해상도 차세대 CMOS 센서를 출시 중에 있습니다. 캐논120MXS CMOS 센서는 120MP, 2.2μm 픽셀을 특징으로 하고, 캐논 2U250MRXS CMOS는 250MP, 1.5μm 픽셀을 특징으로 합니다. 두 제품 다 동종 업계에서 취급하는 픽셀 크기보다 훨씬 더 작은 픽셀을 가지고 있습니다. 신형 4세대 Sony Pregius 센서는 소형의 외관과 약 1.7배 향상된 이미징 성능을 제공합니다. 또한 이 센서는 픽셀 크기가 3.45μm에서 2.74μm로 감소되었습니다.

그림 5: 어플리케이션이 더 높은 해상도를 요구할수록 센서의 픽셀 크기는 감소함

머신 비전 어플리케이션은 고해상도를 요구함에 따라 CMOS 제조 업체는 화질과 유효 해상력을 개선하기 위해 개별 픽셀의 크기는 줄이면서 센서의 전반적인 크기는 계속해서 증가시킬 필요가 있습니다.