15.04.2025
가시광선을 넘어선 이미지 촬영
단파 적외선(SWIR) 및 자외선(UV) 카메라로 광학 검사 가능성을 확장
기초 개요
산업용 이미지 처리 애플리케이션에서 일반적으로 사람의 눈에 보이는 특징을 감지하는 것을 떠올리게 됩니다. 대부분의 산업용 카메라는 가시광선 영역(380nm~780nm)에서 작동하며, 근적외선 영역에서도 충분한 감도를 가지고 있습니다.
하지만 이 범위를 벗어난 파장에서 감지하면, 사람의 눈이나 일반 카메라로는 볼 수 없는 물체의 특징이나 성질을 확인할 수 있습니다.
가시광선보다 짧은 파장은 자외선(UV, 380nm~100nm)이라고 하며, 780nm를 넘는 파장은 적외선 영역에 해당합니다. 그 중 1000nm까지는 근적외선(NIR), 1700nm까지는 단파 적외선(SWIR)로 구분됩니다.
전자기 스펙트럼과 SWIR 파장
적절한 이미지 센서를 사용하면 감지 스펙트럼을 UV부터 SWIR 범위까지 확장할 수 있습니다.
UV 영역에서의 이미지 캡처
반도체 산업에서의 예시
자외선 영역에서의 다양한 응용 중 하나는 웨이퍼 검사입니다. 웨이퍼에 형성된 초미세 반도체 구조물은 정밀한 검사를 위해 매우 높은 해상도의 카메라가 필요합니다. 유리나 플라스틱과 같은 재질은 일반 카메라로 촬영할 경우 투명하거나 반투명하게 보입니다. 그러나 자외선(UV) 스펙트럼에서는 이러한 재질의 투과율이 달라지므로, UV 이미징을 통해 재질의 구분이나 식별이 가능해집니다. Balluff 카메라는 자외선의 짧은 파장을 감지할 수 있는 최신 센서 기술을 적용해, 고해상도의 디테일한 이미지를 제공합니다.
특히 Sony의 Pregius S 시리즈의 IMX487 센서는 가시광선 스펙트럼을 200nm까지 확장하여 UV 영역까지 커버합니다. 이 센서는 8.1메가픽셀의 고해상도를 제공하며, 자외선 영역에서도 매우 정밀한 이미지 캡처가 가능해 웨이퍼와 같은 고정밀 산업 분야에 최적화되어 있습니다.
UV 센서의 주요 사양(Key Figures)
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이미징 센서 |
소니 IMX487 |
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센서 유형 |
2/3" 글로벌 셔터 CMOS |
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해상도 |
8.1MP(2856 x 2848픽셀) |
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픽셀 크기 |
2.74µm |
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프레임 레이트 ADC 8비트 |
194fps |
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프레임 레이트 ADC 10비트 |
193fps |
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프레임 레이트 ADC 12비트 |
127fps |
SWIR 이미지 처리
단파 적외선(SWIR) 영역(800nm ~ 1700nm, 또는 때로는 근적외선(NIR) 이후 1000nm ~ 1700nm 범위)의 이미지 처리는 검사, 분류, 품질 관리 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 더 긴 파장 영역은 일반적으로 열 복사(thermal radiation)로 불리며, 이는 물체 자체에서 방출되는 적외선입니다. SWIR은 물체의 반사 및 투과 특성을 활용해, 육안이나 기존 카메라로는 확인하기 어려운 내부 결함, 재질 차이, 수분 함량 등을 효과적으로 분석할 수 있습니다.
SWIR 스펙트럼은 물체가 광자를 반사하거나 흡수하는 특성으로 인해 가시광선과 더 유사합니다. SWIR 범위의 특수한 흡수 특성으로 인해 예를 들어 식품, 특히 농산물을 검사하고 불투명한 플라스틱 용기의 충전 수준을 검사할 수 있습니다. 또한 SWIR 센서는 연기나 안개 속에서도 관심 대상을 쉽게 인식할 수 있기 때문에 모니터링 작업에서도 이점을 제공합니다. 실리콘은 SWIR 빛에서 투명하게 보이기 때문에 반도체 검사에도 SWIR 센서가 사용됩니다.
Sony의 SWIR 시리즈 센서(IMX990, IMX991, IMX992, IMX993)는 400nm에서 1700nm까지 가시광선과 SWIR 파장을 동시에 감지할 수 있는 독특한 기술을 제공합니다. 특수 본딩 기술 덕분에 픽셀 피치가 작아지고 픽셀 크기도 작아져, 고해상도 이미징이 가능해졌습니다.
이는 해당 파장 범위에서 고해상도 카메라와 더욱 정밀한 검사 시스템을 사용할 수 있음을 의미합니다.
SWIR 센서 개요
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이미징 센서 |
소니 IMX991 |
소니 IMX990 |
소니 IMX993 |
소니 IMX992 |
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센서 유형 |
1/4" 글로벌 셔터 CMOS |
1/2" 글로벌 셔터 CMOS |
1/1.8" 글로벌 셔터 CMOS |
1/1.4" 글로벌 셔터 CMOS |
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해상도 |
0.34 MP(656 x 520픽셀) |
1.34 MP(1296 x 1032픽셀) |
3.2 MP(2080 x 1544픽셀) |
5.3MP(2592 x 2056픽셀) |
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픽셀 크기 |
5µm |
5 µm |
3.45 µm |
3.45µm |
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프레임 레이트 ADC 8비트 |
258fps |
134fps |
170fps |
130fps |
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프레임 레이트 ADC 10비트 |
240fps |
125fps |
150fps |
120fps |
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프레임 레이트 ADC 12비트 |
137fps |
71fps |
90fps |
70fps |
추가 가능
HCG (High Conversion Gain) / LCG (Low Conversion Gain) 기능:빛을 전기 신호로 변환한 직후 신호를 증폭하는 스위칭 기능으로, 이후 노이즈를 줄여 저조도 환경에서 저노이즈 이미지를 촬영할 수 있게 합니다.
DRRS (Dual Read Rolling Shutter) 기능:DRRS가 없을 때보다 노이즈를 약 1/4 수준으로 줄여, 노이즈가 감소된 이미지를 촬영할 수 있게 합니다.
기타 카메라 장점:
낮은 소비 전력 :예를 들어, IMX991 센서를 탑재한 BVS CA-GX0 GigE 카메라는 약 2.9W의 전력만 소비합니다.
카메라 냉각 옵션:까다로운 환경과 용도를 위해 방열판, 냉각 튜브, 열전소자 냉각(TEC) 방식 등이 제공됩니다.
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발루프의 기존의 GigE 카메라 플랫폼은 SWIR 및 UV 기술의 사용을 특히 간편하게 만듭니다. 기존 산업용 카메라와 마찬가지로 GigE Vision과 GenICam 호환성을 제공하여, 카메라의 통합과 운용 방식을 변경하지 않고도 활용할 수 있습니다.
GigEBVS CA-GX0 시리즈 |
5GigEBVS CA-GV 시리즈 |
10GigEBVS CA-GT 시리즈 |
25GigEBVS CA-GW 시리즈 |
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확장 가능한 머신 비전 인터페이스 기계적 및 전기적 특성의 최대 개별 구성 가능성, 최대 31.5MP에 이르는 다양한 센서 선택, 여러 디지털 입력 및 출력 지원, 다양한 장착 옵션을 갖춘 컴팩트한 하우징, GigE 및 I/O 인터페이스용 M12 산업용 커넥터 제공, 선택 사양으로 IP67 등급 하우징 가능. |
컴팩트한 하우징에서 최저 전력 소비 29 × 29 mm의 작은 폼팩터, 최저 전력 소비로 인한 우수한 열 특성, PoE를 이용한 단일 케이블 전원 공급 및 데이터 전송, 2.5 GigE 및 1 GigE 인터페이스와의 하위 호환성, 대형 센서용으로 선택 가능한 대형 렌즈 홀더 제공. |
뛰어난 이미지 품질을 제공하는 고속 전송 속도 IEEE1588 규격에 따른 정밀 시간 프로토콜(PTP)을 이용한 정확한 동기화, PoE+를 통한 단일 케이블 전원 공급 및 데이터 전송, 통합 카메라 냉각 시스템, C 및 M42 마운트 렌즈 홀더 제공, 표준 광섬유 SFP+를 통한 10 GigE 연결, 멀티코어 획득 최적화기(MAO), 이미지 손실 없이 최대 1245 MB/s 전송. |
모든 면에서 최고의 성능 저지연, 고처리량 데이터 전송을 위한 RoCE v2 프로토콜 사용, GigE Vision 표준으로 손쉬운 구현, 표준 SFP28 광섬유 연결 기술을 통한 경제적인 장거리 연결, 40 x 40 mm의 소형 폼팩터, 대형 센서용 대형 렌즈 홀더 선택 가능. |
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USB 3 - BVS CA-SF 시리즈
플러그 앤 플레이 방식의 고성능
최대 31.5MP, 최대 12비트 픽셀 해상도의 고품질 CMOS 센서 탑재, 실시간 내부 이미지 전처리, 실시간 시퀀스 흐름 제어, 광범위한 플러그 앤 플레이 인터페이스 지원, USB3 Vision 표준과 GenICam 덕분에 하드웨어 및 소프트웨어 호환성 보장, 보드 레벨 카메라로도 제공 가능.
애플리케이션 예시
예를 들어, SWIR 스펙트럼은 농산물 검사나 불투명 플라스틱 용기의 충전 상태 확인에 활용될 수 있습니다. 또한 SWIR 센서는 연기나 안개가 낀 환경에서도 관심 대상 물체를 쉽게 감지할 수 있어 모니터링 작업에 유리합니다.
식품 산업에서는 SWIR 카메라를 이용해 식품 내 이물질 검출에 활용하기도 합니다.
왼쪽: 가시 스펙트럼 | 오른쪽: SWIR
실리콘이 SWIR 스펙트럼에서 투명하게 보이기 때문에, SWIR 카메라는 반도체 산업에서 손상 및 생산 결함을 감지하는 데에도 사용됩니다.
왼쪽: 가시 스펙트럼 | 오른쪽: SWIR
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Industrial cameras with SWIR and UV sensors