[산업자동화] 머신비전 - CCD 이미지 센서 타입

Full frame CCD

풀 프레임 CCD는 들어오는 광자가 전체 감광 센서 어레이에 떨어지는 가장 간단한 형태의 센서입니다. 센서를 판독하려면 축적된 전하를 수직으로 한 행씩 직렬 출력 레지스터로 이동해야 하며, 각 행에 대해 판독 레지스터를 수평으로 이동하여 각 개별 픽셀을 판독해야 합니다. 이를 "프로그레시브 스캔" 판독이라고 합니다. 풀프레임의 단점은 축적된 전하 신호가 판독 레지스터로 전송되는 동안 센서에 떨어지는 빛으로 인해 발생하는 전하 번짐입니다. 이를 방지하기 위해 장치에서는 판독 프로세스 중에 기계식 셔터를 사용하여 센서를 덮는 경우가 있습니다. 그러나 기계식 셔터는 수명 문제가 있으며 상대적으로 느립니다. 그러나 분광학 작업이나 펄스 광원을 사용하는 경우에는 셔터가 필요하지 않습니다. 풀 프레임 CCD는 일반적으로 가장 민감한 CCD이며 다양한 조명 상황에서 효율적으로 작동할 수 있습니다.

주요 제한 사항은 기계식 셔터(또는 스트로보라고 하는 동기화된 짧은 지속 시간 광원)가 필요하다는 것입니다. 판독을 수행하는 동안에도 CCD의 광활성 영역이 광활성화되는 것을 멈추지 않습니다. 노출 기간이 완료된 후 들어오는 빛을 차단하는 기계식 셔터가 없으면 이전에 생성된 전하 패킷이 판독 중에 도착하는 빛에 의해 손상됩니다.

일반적으로 우리는 전자적으로 노출을 제어하는 것을 선호합니다. 셔터(다른 빠르게 움직이는 고정밀 기계 장치와 마찬가지로)는 설계를 더욱 복잡하게 만들고, 최종 제품의 가격을 높이며, 전체 시스템의 고장 가능성을 높입니다. 물리적 물체를 작동하는 데 필요한 추가 에너지도 배터리 구동 애플리케이션에서는 바람직하지 않습니다.

Frame-transfer CCD

프레임 전송 CCD는 병렬 배열의 절반이 저장 영역으로 사용되고 차광 마스크로 빛으로부터 보호되는 두 부분으로 구성된 센서를 사용합니다. 들어오는 광자는 어레이의 덮이지 않은 부분에 떨어지도록 허용되고 축적된 전하는 직렬 출력 레지스터로의 전하 전송을 위해 마스크된 저장 영역으로 빠르게(밀리초 단위로) 이동됩니다. 신호가 센서의 빛에 민감한 부분에 통합되는 동안 저장된 전하가 판독됩니다. 판독되는 동안 다음 이미지에 대한 전하를 축적할 수 있으며, 이를 통해 프레임 전송 CCD는 풀 프레임 CCD보다 더 높은 프레임 속도를 달성할 수 있습니다.

프레임 전송 장치는 일반적으로 풀 프레임 장치보다 프레임 속도가 더 빠르며 듀티 사이클이 높다는 장점이 있습니다. 즉, 센서가 항상 빛을 수집합니다. 이 아키텍처의 단점은 CCD의 감광 영역에서 마스크 영역으로 전송하는 동안 전하 번짐이 발생한다는 것입니다. 하지만 풀 프레임 장치보다 훨씬 낫습니다. 프레임 전송 CCD는 풀 프레임 장치의 감도를 갖지만 프레임 저장 영역을 수용하는 데 필요한 더 큰 센서 크기로 인해 일반적으로 더 비쌉니다.

Interline-transfer CCD

인터라인 전송 CCD에는 인터라인 마스크라고 불리는 전하 전송 채널이 통합되어 있습니다(오른쪽 그림 참조). 이는 이미지 획득이 완료된 후 축적된 전하가 채널로 빠르게 이동할 수 있도록 각 포토다이오드에 바로 인접해 있습니다. 매우 빠른 이미지 획득으로 이미지 번짐이 사실상 제거됩니다. 생성된 전하가 전송 채널로 이동하는 대신 기판에 주입되도록 포토다이오드의 전압을 변경하면 인터라인 전송 CCD를 전자적으로 셔터할 수 있습니다.

인터라인 장치는 인터라인 마스크가 센서의 감광 영역을 실질적으로 감소시킨다는 단점이 있습니다. 이는 마이크로렌즈 어레이를 사용하여 포토다이오드 비율을 증가시킴으로써 부분적으로 보상될 수 있지만, 광각 조명이 필요한 일부 애플리케이션의 경우 감도가 크게 저하됩니다.

끝.