'상보형금속산화반도체(complementary metal oxide semiconductor. 이하, CMOS)' 기술은 현재, 많은 생의학 응용 분야에 필요한 첨단 영상 기능을 제공하고 있지만 더 비싼 '과학적 보완 금속-산화물-반도체(scientific Complementary Metal–0xide–Semiconductor. 이하, sCMOS)'도 대체할 수 있는지에 대해 CMOS 및 sCMOS 센서는 여러 산업의 머신비전에서 성능 및 가격의 기준점을 형성했다.

플리어시스템(FLIR Systems)을 통해 각 기술을 생의학 및 생명 과학의 매우 까다로운 영상 응용 분야에 사용할 때의 이점과 비용을 조명해보자.

CMOS 센서와 sCMOS 센서의 차이는 무엇일까?

sCMOS 센서는 일반적으로 차세대 CMOS 센서라고 간주한다.

sCMOS 기술은 초창기 CMOS 개발 단계 중에 새 CMOS 센서와 기존의 미국 벨 연구소가 개발한 전하결합소자(Charge Coupled Device. 이하, CCD) 센서 간의 공백을 메우기 위해 도입됐다.

처음에 생의학 응용 분야에서는 동적 범위, 판독 노이즈, 프레임 레이트 및 해상도 저하로 인해 CMOS 센서를 사용할 수 없었다.

또 sCMOS 카메라를 처음 도입했을 때는 CMOS 센서와 매우 유사한 설계 원리 및 제조 기술을 사용했지만 초기 CMOS 단점을 해결할 수 있는 몇 가지 기능도 내장됐다.

이에 따라 sCMOS 센서는 낮은 조명 성능, 광범위한 동적 범위, 고충실도가 필요한 과학 응용 분야에 매우 적합했다.

그러나 sCMOS 카메라가 출시된 이후로 기존 CMOS 센서의 양자 효율과 자체 내부 노이즈 저감 성능이 상당히 개선됨으로써 CMOS 카메라는 이제 많은 첨단 생의학 응용 분야에서 타당한 옵션으로 자리 잡고있다.

또 대부분의 CMOS 카메라는 sCMOS 카메라보다 상당히 저렴하다. 이 요인만으로도 많은 엔지니어 및 학자에게는 자신의 응용 분야에 현미경 카메라, 조직학 카메라, 세포학/세포 유전학 카메라, 또는 표면 형광 카메라를 선택해야 하는 경우 최신 CMOS 센서를 평가하는 방안을 검토할 이유가 생긴 것이다.

그럼 "CMOS 센서와 sCMOS 센서 중 어떤 게 필요합니까?" 라는 질문에는 선택 대상이 CMOS 센서인지 sCMOS 센서인지는 광범위한 요인에 따라 결정된다. 두 센서 대상으로 논의하는 경우에는 백색광이 sCMOS 센서가 필요하지 않을 만큼 충분히 밝기 때문에 표면 형광 조명을 사용할 가능성이 높다. 각 센서 유형의 상대적인 우월성은 카메라에 도달하는 광량 또는 특정 응용 분야에 필요한 성능 조합과 같이 간단히 결정할 수 있는 경우도 있다.

CMOS이든 sCMOS이든, 단색 센서가 제공하는 내재적인 양자 효율 이점을 감안하여 컬러 센서보다 단색 센서를 선택해야 한다.

sCMOS 센서는 후면 조명과 대형 화소가 특징으로, (CCD 기술과 마찬가지로) 전체 노이즈를 줄이는 데 도움이 된다. 또한, sCMOS 카메라는 일반적으로 오래 노출되면서 발생하는 열 생성 노이즈를 저감할 수 있는 펠티에(Peltier) 냉각 시스템이 내장돼 있다.

sCMOS 센서를 사용하는 카메라는 또한 프레임 그래버 기판의 카메라링크(CameraLink) 또는 차세대 인터페이스로 CoaXPress(CXP)와 같은 높은 대역폭 인터페이스가 필요하므로 비전 시스템이 좀 더 복잡하고 따라서 좀 더 비싸다.

이를 해결하기 위해 CMOS 제조업체들은 양자 효율(유입 광자 수집 능력), 판독 노이즈 저감 성능(이 노이즈 내에서 낮은 유입 광자 수준도 유실되지 않도록 보장), 후면 조명 구현 기능을 지속적으로 대폭 개선됐다.

일부 CMOS 센서에서는 펠티에 냉각이 여전히 사용 가능한 옵션이기는 하지만 양자 효율이 개선되고 노이즈를 줄임으로써 냉각 기능이 필요하지 않은 생의학 영상 응용 제품도 등장했다.

비용을 절감하는 또 다른 요인은 인터페이스다. CMOS 센서는 오랫동안 USB3, GigE 및 10GigE와 같은 소비자 인터페이스와 결합 사용했다.

이 인터페이스는 프레임 그래버가 필요하지 않으며, 따라서 시스템의 복잡성(및 비용)을 줄일 수 있다. 25/100GigE, USB4, CXPX 등 곧 출시될 인터페이스는 상당히 더 높은 대역폭을 제공함으로써 이 문제를 완전히 해결할 수 있다.

또한 비용 절감 요인만으로도 많은 엔지니어 및 시스템 설계자에게는 sCMOS 기반 시스템 대신에 최신 CMOS 센서를 평가하는 방안을 검토할 이유가 생겼다. 많은 경우에 비전시스템 설계자들은 성능 매개변수가 유사한 통상적인 sCMOS 설치 비용이 미화 10,000달러(약 1100만원)를 웃도는 반면에 적합한 CMOS 카메라는 미화 1,000달러(110만원) 미만이라는 것을 알고 놀라기도 한다.

sCMOS이든 CMOS이든, 많은 카메라 제조업체는 카메라를 비교할 때 단일 표준만 사용하지 않는다.

따라서 사용된 센서 유형과 관계없이 카메라를 비교하는 일은 어려운 작업일 수 있다. 머신비전 부문의 경우에 EMVA1288은 유럽, 미국(AIA – 미국 자동화 영상 협회)과 일본(JIIA – 일본 산업 영상 협회)에서 카메라 사양 및 측정 표준으로 인정되었다. 

요컨대 극단적으로 높은 성능 수준이 필요한 경우에는 sCMOS 카메라가 필수 장비일 수 있다. 그러나 카메라를 선택하기 전에 먼저 자신의 특정 응용 분야에서 가장 중요한 성능 매개변수를 확인한 후에 CMOS와 sCMOS를 공정하게 비교하는 것이 좋다. CMOS 센서가 지속적으로 발전하면서 가성비면에서 CMOS와 sCMOS 사이가 급격하게 좁아지고 있는 것이다. 응용 분야 요구 사항을 기존 CMOS 센서로 충족할 수 있다면 훨씬 많은 비용 절감 효과를 볼 수 있다.

응용 분야에 CMOS 카메라가 필요하다고 결정하는 경우에 표면 형광 응용 분야에 가장 인기 있는 플리어 카메라 제품군은 백플라이(Backfly) S 및 오릭스(Oryx)를 꼽을 수 있다. Blackfly S 카메라 제품군은 가장 광범위한 센서 및 인터페이스, USB3 및 GigE를 제공한다. 또한 케이스형 및 기판 수준 폼팩터에 결합할 수 있는 센서 옵션이 광범위하다.

Oryx 카메라 제품군은 고해상도 센서와 고속 10GigE 인터페이스를 결합했다. Oryx 카메라는 완전한 기능의 고급 응용 제품에 적합하지만 폼팩터가 더 크다. 전송 속도가 중요한 경우에는 Oryx를 쉽게 선택하면 되는 것이다. Blackfly S와 Oryx 카메라 제품군 모두 응용 제품을 더 신속하게 구축하도록 설계된 GenICam3 및 Spinnaker SDK를 사용하여 제어 및 프로그래밍할 수 있다.

결론적으로 카메라 모델의 선택 범위를 좁힐 수 있도록 플리어는 14개 이상의 (EMVA 1288 기반) 영상 매개변수를 갖춘 머신비전 모델 선택 도구를 제공한다.

낮은 조명 조건에서 성능이 양호한 모델을 검색하려면 절대 고감도, 양자 효율 및 동적 범위 값 검색을 필터링하고 절대 감도는 센서가 관찰한 노이즈와 동일한 신호를 얻는데 필요한 광자의 수를 뜻한다.

양자 효율은 특정 파장에서 광자가 전자로 전환되는 비율이다. 동적 범위는 일시적 다크 노이즈(신호가 없는 경우의 센서 내 노이즈)를 포함한 신호 대 노이즈 비율이다. 또한 단색 모델이 낮은 조명에서 컬러 모델보다 성능이 우수하다는 점에 유의하면 된다.