카메라 주요 용어

카메라 유형

• 에어리어 스캔 카메라 (Area Scan Camera): 한 번에 2차원 영역(폭 x 높이)의 이미지를 캡처합니다. 정지해 있거나 비교적 느리게 움직이는 개별 부품 검사에 적합합니다. 일반적인 사진 촬영 방식입니다.

• 라인 스캔 카메라 (Line Scan Camera): 한 번에 한 줄의 픽셀 데이터만 캡처합니다. 대상 물체가 카메라 앞을 지나가거나 카메라가 대상 위를 이동하면서 여러 라인을 순차적으로 캡처하여 전체 2D 이미지를 구성합니다. 웹(연속해서 뽑아져 나오는 제품으로 필름, 종이 등이 해당합니다.) 검사나 원통형 물체 검사, 또는 고속으로 이동하는 긴 물체의 연속적인 검사에 주로 사용됩니다.

• 에어리어 스캔 카메라와 라인 스캔 카메라

이미지 센서

카메라에는 빛(광자)을 전기 신호(전자)로 변환하는 이미지 센서가 있습니다. 이 센서는 수백만 개의 미세한 광다이오드(Photodiode) 배열로 구성되어 있으며, 각 광다이오드가 이미지의 한 픽셀(Pixel)에 해당합니다.

센서 기술: CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)는 각 픽셀 내에 증폭기와 변환 회로를 내장하여 픽셀 단위로 신호를 처리하는 방식입니다. 일반적인 반도체 공정(CMOS 공정)으로 제작되어 생산 비용이 저렴하고, 전력 소모가 훨씬 적으며(CCD의 1/100 수준까지 가능), 처리 속도가 빠르고, 주변 회로를 센서 칩에 통합하기 용이해 소형화가 가능합니다. 과거에는 CCD(Charge-Coupled Device, 각 픽셀에서 생성된 전하를 순차적으로 이동시켜 소수의 출력 노드에서 전압으로 변환하는 방식) 대비 노이즈가 많고 감도가 낮다는 단점이 있었으나, 기술 발전으로 이미지 품질이 크게 향상되어 현재 대부분의 산업용 카메라에서 주력으로 사용되고 있습니다.

모노크롬 vs. 컬러 센서: 산업용 비전 시스템에서는 대부분 모노크롬(흑백) 센서가 사용됩니다. 모노크롬 센서는 빛의 강도(밝기) 정보만 감지하는데, 이는 측정, 결함 검출 등 많은 작업에서 컬러 정보보다 더 중요하고 효과적이기 때문입니다. 컬러 필터가 없으므로 빛 감도도 더 높습니다. 컬러 센서는 대상의 색상 자체가 중요한 검사(예: 색상 분류, 특정 색상의 결함 검출)에만 제한적으로 사용됩니다.

모노크롬 이미지와 컬러 이미지

셔터 (노출 제어 방식): 카메라의 전자 셔터는 이미지 센서의 픽셀들이 빛에 노출되는 방식을 결정합니다. 기계식 셔터와 달리 물리적인 움직임은 없습니다.

• 글로벌 셔터 (Global Shutter): 센서의 모든 픽셀이 동시에 노출을 시작하고 동시에 종료하는 방식입니다. 빠르게 움직이는 물체를 촬영할 때 이미지 왜곡(기울어짐, 젤로 현상 등)이 발생하지 않아 머신 비전, 특히 모션이 있는 애플리케이션에 가장 적합합니다. 다만, 구조가 복잡하여 롤링 셔터 방식보다 가격이 높고, 프레임 속도나 해상도에 제약이 있을 수 있습니다.

• 롤링 셔터 (Rolling Shutter): 센서의 픽셀 라인을 위에서 아래로 순차적으로 노출시키는 방식입니다. 구조가 간단하여 비용이 저렴하고, 일반적으로 더 높은 해상도와 프레임 속도를 구현하기 쉬우며 전력 소모도 적습니다. 하지만 빠르게 움직이는 물체를 촬영하면 이미지가 기울어지거나 물결치는 듯한 왜곡(젤로 현상)이 발생할 수 있습니다. 따라서 정지된 물체나 움직임이 느린 경우에 주로 사용되었지만 최근에는 대부분 글로벌 셔터를 사용합니다.

해상도 (Resolution): 센서의 픽셀 수를 의미하며, 이미지가 얼마나 많은 세부 정보를 포함하는지를 결정합니다. 해상도가 높을수록 더 작은 특징을 감지하고 더 정밀한 측정이 가능하지만, 처리해야 할 데이터 양이 늘어나고 필요한 대역폭과 처리 능력 요구 사항도 높아지며, 가격도 상승합니다. 따라서 검사해야 할 가장 작은 특징의 크기와 필요한 측정 정밀도, 그리고 시스템의 속도 요구 사항을 고려하여 적절한 해상도를 선택해야 합니다.

프레임 레이트(Frame rate): 카메라 센서가 1초 동안 촬영할 수 있는 프레임(이미지)의 수를 나타냅니다. 센서가 초당 생성하는 이미지 수가 많을수록 빠른 변화 감지가 가능하지만 해상도, 대역폭, 노출 시간 등과 트레이드오프 관계에 있습니다.

픽셀크기(Pixel Size): 센서의 각 픽셀 하나의 크기로 보통 µm 단위로 표현합니다. 센서 크기=픽셀 크기× 해상도(픽셀 수)입니다. 크면 감도 증가, 노이즈 감소, 해상도 감소, 심도가 증가하며, 작으면 감도 감소, 노이즈 증가, 해상도 증가, 심도는 감소합니다.

노출 시간(Exposure time): 센서가 빛을 받아 들이는 시간으로 보통 µm 단위로 표현합니다. 길게 하면 밝은 이미지를 얻을 수 있지만, 모션 블러 가능성이 높아지고, 짧게 하면 선명한 이미지를 얻을 수 있지만, 어두워 질 수 있습니다. 프레임레이트에 제한을 줄 수 있고, 조명 조건과 함께 고려해야 합니다.

게인(Gain): 이미지 센서의 전기적 신호 증폭률을 조절합니다. 노출 시간만으로 밝기가 부족할 때 게인을 높일 수 있지만, 노이즈도 함께 증폭될 수 있으므로 가급적 낮게 유지하는 것이 좋습니다.

동적 범위(Dynamic Range): 카메라 센서가 표현할 수 있는 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분의 비율을 의미하며, 단위는 데시벨(dB)을 사용합니다. 이 값이 높을수록 밝기 차이가 큰 환경에서도 백화 현상(하얗게 날아감)이나 암부 노이즈 없이 세밀하게 이미지를 포착할 수 있습니다.

최대 이미지 서클(Max. Image Circle): 렌즈를 통과한 빛이 이미지 센서에 상을 맺히게 하는 유효 원형 영역의 최대 크기를 뜻합니다. 카메라 센서의 크기가 이 이미지 서클보다 크면 외곽 부분이 어둡게 나오는 비네팅(Vignetting) 현상이 발생하므로, 반드시 센서 크기에 맞는(또는 센서보다 큰) 렌즈를 선택해야 합니다.

데이터 포맷(Data Format): 카메라가 촬영한 이미지 데이터를 출려하는 디지털 형식과 픽셀당 비트 수(Bit Depth)를 의미합니다. 예를 들어 8 or 10-Bit Mono는 흑백 이미지를 256~1024 단계의 명암으로 표현한다는 뜻이며, Bayer/RGB/YUV는 컬러 데이터를 출력하는 색상 공간 방식을 나타냅니다.

렌즈 마운트(Lens Mount): 카메라 바디와 렌즈를 물리적으로 결합하고 고정하는 연결 부위의 규격을 의미합니다. 마운트 종류에 따라 나사산의 지름, 피치(나사산 사이의 간격), 그리고 렌즈와 센서 사이의 거리(Flange Focal Distance)가 달라집니다. 머신비전에서는 규격에 따라 C-마운트, CS-마운트, F-마운트, M42, M72 마운트 등이 주로 사용되며, 카메라와 렌즈의 마운트 규격이 서로 일치해야만 올바르게 결합하여 초점을 맞출 수 있습니다.

에어리어 스캔 카메라 사양 예시

라인스캔 카메라 사양 예시