CIS 카메라는 라인 스캔보다 얼마나 가까이 붙을까

OPTICS

같은 300 mm 시야에서 CIS는 WD가 15 mm이고, 라인 스캔은 416.2 mm가 필요합니다.

에어리어, 라인, CIS, 스마트 카메라를 같은 패널에 놓고 한 칸의 크기와 WD와 전송량을 계산하면 카메라 종류마다 쓰임이 갈립니다.

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검사대에 가로 300 mm 기판 패널이 올라와 있고, 그 위에 카메라를 세울 높이를 정하는 중이라고 해 보죠. 표면은 녹색 솔더마스크가 입혀진 무광에 가깝고 반사율¹은 중간 정도로 가정합니다. 구리 패드만 매끈한 정반사 면으로 군데군데 드러나 있어요. 찾을 것은 폭 50 μm의 긁힘이고 패널은 초속 0.5 m로 지나간다고 가정합니다. 크기와 속도는 모두 계산을 위한 가정입니다.

카메라 종류가 이 높이를 정합니다. 에어리어 스캔²과 라인 스캔³은 패널 위 수백 mm에 렌즈를 걸어야 하는데, 같은 300 mm를 보면서 15 mm 위에 센서를 얹는 CIS⁴라는 종류가 따로 있습니다. 셔터와 색과 케이블로 나눈 계산은 카메라 타입을 견준 글에 있고, 여기서는 카메라 몸체가 어떤 모양이고 판단이 어디서 일어나는지로 카메라 종류를 나눕니다. 높이를 잘못 잡으면 치구를 다시 만들고, 놓친 긁힘은 양품 상자에 담겨 나갑니다. 같은 패널에 네 가지 종류를 올려 놓고 물을 것은 이것입니다. 50 μm 긁힘 앞에서 어느 종류가 얼마나 가까이 붙고 얼마나 잘게 볼까요.

카메라 종류는 센서의 모양과 렌즈의 거리로 먼저 갈린다

카메라 종류를 가르는 기준은 셋입니다. 센서가 한 줄인지 면인지, 렌즈가 따로 달리는지, 판단이 카메라 안에 들어 있는지입니다. 에어리어 스캔은 면 센서에 렌즈를 따로 달아 한 장을 찍고, 라인 스캔은 한 줄 센서로 지나가는 시료를 줄 단위로 쌓습니다. Vision Systems의 설명에 따르면 CIS는 줄 센서 여러 개와 칩 위의 광학계와 광원을 한 몸에 넣은 모듈이고, 스마트 카메라⁵는 센서와 판단과 입출력을 한 몸에 넣은 장치입니다. 저는 카메라를 고를 때 이 세 가지를 위에서부터 차례로 묻습니다. 3D 카메라와 적외선 카메라는 읽는 물리량이 달라서 비전 방식을 견준 글에서 따로 계산했습니다. 여기서는 가시광으로 같은 면을 보는 네 종류만 같은 패널 위에 놓습니다.

에어리어와 라인은 같은 300 mm를 서로 다르게 쪼갠다

에어리어 스캔은 센서 가로 4,096 px, 화소 3.45 μm, 렌즈 25 mm라고 가정합니다. 시야 300 mm를 4,096칸으로 나누면 한 칸이 73.24 μm이고, 센서 폭 14.13 mm로 배율이 0.047이 되어 WD⁶는 25 mm × (1 + 1 ÷ 0.047) = 555.7 mm입니다. 50 μm 긁힘은 0.68칸에 걸쳐서 한 칸도 못 채웁니다.

라인 스캔은 8,192 px, 화소 5 μm, 렌즈 50 mm로 가정하면 한 칸이 36.62 μm이고 WD는 416.2 mm입니다. 50 μm 긁힘이 1.37칸이라 에어리어보다 낫지만 두 칸에는 못 미칩니다. 패널이 초속 0.5 m로 지나가면 라인 속도는 0.5 m/s ÷ 36.62 μm = 13.65 kHz이고 한 줄의 노출은 73.2 μs 이하입니다. Vision Systems는 줄이는 렌즈를 쓰는 기존 라인 스캔이 물체 폭에 맞먹는 거리를 필요로 한다고 설명하는데, 이 계산에서도 폭 300 mm에 WD 416.2 mm가 나옵니다.

두 종류 모두 50 μm를 두 칸 이상으로 잡으려면 시야를 줄여 여러 번 나눠 찍어야 합니다. 렌즈가 하나인 카메라는 렌즈에서 패널까지의 거리가 시야 폭에 비례해 길어지는 점이 문제입니다. 저라면 이 거리를 줄일 방법부터 찾고, 그 답이 CIS입니다.

CIS는 렌즈와 조명을 센서 옆에 붙인다

CIS는 굴절률 분포 렌즈⁷를 줄지어 놓아 돋보기 한 줄을 만듭니다. Vision Systems에 따르면 렌즈 하나는 좁은 구간만 비추고, 이웃한 렌즈의 상이 겹쳐 한 줄의 또렷한 상이 됩니다. 조명은 긴 LED 선이나 형광관으로 모듈 안에 들어 있습니다. Quality Magazine는 이 렌즈의 배율이 1:1이고 WD가 보통 10~20 mm이며, 기존 라인 스캔 시스템은 250~500 mm라고 비교합니다. 앞 절의 라인 스캔 계산값 416.2 mm가 그 범위 안에 있습니다.

그림에서 먼저 보는 곳은 센서 줄과 패널 위 빨간 선 사이의 간격입니다. 노란 LED 두 줄이 가운데로 빛을 모으고, 렌즈가 1:1로 그 빨간 선만 센서 줄에 옮깁니다. 간격 15 mm(범위 10~20 mm의 중간값)를 같은 축척으로 그렸더니 모듈이 패널에 붙어 보입니다. 라인 스캔과 견주면 416.2 mm ÷ 15 mm = 27.7배, 에어리어 스캔과는 555.7 mm ÷ 15 mm = 37.0배 가깝습니다.

칸의 크기는 dpi⁸로 읽습니다. Quality Magazine이 일반적이라고 한 600 dpi는 한 칸이 25.4 mm ÷ 600 = 42.33 μm이고, 900 dpi는 28.22 μm입니다. 300 mm 폭이면 900 dpi는 10,630칸, 600 dpi는 7,087칸입니다. 50 μm 긁힘은 900 dpi에서 1.77칸, 600 dpi에서 1.18칸에 걸칩니다. 같은 자료에 900 dpi가 600 dpi보다 MTF가 높다는 비교(45 μm 선 타깃에서 40.9 % 대 27.6 %)가 있어서, 칸이 작을수록 가는 선이 더 남는다는 점은 확인됩니다.

CIS에는 조건이 붙습니다. 두 자료는 피사계심도 수치를 적지 않았지만, B2S 제품 목록의 INSNEX LX2 900 dpi 모델은 Accuracy 28.2 μm, WD 15 mm, Depth of Field ±1.3 mm, Interface 10GigE로 올라 있습니다. 한 모델의 수치이므로 패널 윗면의 높이 편차가 ±1.3 mm 안에 드는지는 쓰려는 모듈의 사양서로 다시 확인할 항목입니다. 내장 LED 선 조명이 구리 패드의 정반사 위에서 어떻게 반응할지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다. Quality Magazine은 WD가 짧아 광학 경로에 먼지가 닿기 쉬우므로 IP60 등급을 권하고, 현재의 제약으로 속도와 해상도를 꼽습니다. 칩을 이어 붙인 모듈의 이음매에는 빠진 화소가 생긴다는 설명도 있습니다.

CIS의 한 줄이 1 Gb/s를 넘는 자리

칸이 작아지면 같은 속도로 지나가는 패널에서 줄이 더 빨리 읽힙니다. 900 dpi는 0.5 m/s ÷ 28.22 μm = 17.72 kHz이고 한 줄 노출은 56.4 μs 이하입니다. 한 줄이 10,630 px이므로 8 bit로 10,630 × 8 bit × 17.72 kHz = 1.51 Gb/s가 나옵니다. 600 dpi는 11.81 kHz에 0.67 Gb/s이고, 앞의 라인 스캔은 13.65 kHz에 8,192 × 8 bit로 0.895 Gb/s입니다.

세 번째 숫자가 케이블을 정합니다. Edmund Optics의 표에서 GigE의 공칭 속도는 1 Gb/s라서 900 dpi는 대역폭⁹이 모자라고, 600 dpi와 라인 스캔은 공칭 속도 안에 들어옵니다. 실효 속도는 오버헤드 때문에 이보다 낮으므로 실제 여유는 사양서로 확인할 항목입니다. Quality Magazine은 CIS 모듈에 Camera Link HS 광케이블을 쓰고 케이블 하나에 초당 2.4기가화소, 최대 300 m라고 설명합니다. 이 계산의 188 Mpx/s는 그 값의 한참 아래입니다.

그림에서 먼저 눈이 가는 곳은 노란 50 μm 점선과 막대 끝의 거리입니다. 두 칸 기준 최소 식별 크기가 에어리어 146.5 μm, 라인 73.2 μm, CIS 600 dpi 84.7 μm, CIS 900 dpi 56.4 μm라서, 점선에 가장 가까이 닿는 막대는 CIS 900 dpi입니다. 제 기준은 두 칸이라서 이 막대도 아직 합격선 앞입니다. 그래도 50 μm가 두 칸에 못 미치므로, 이 패널의 긁힘을 확실히 잡으려면 시야를 나누거나 칸이 더 작은 모듈로 가야 합니다.

스마트 카메라는 판단을 카메라 안에 넣는다

스마트 카메라는 센서와 판단과 입출력을 한 몸에 넣은 장치입니다. automate.org에 실린 업계 의견을 모은 기사는 스마트 카메라를 센서와 지능과 입출력을 갖춘 독립 장치로 정의하고, 비전 센서라고도 부른다고 적습니다. 같은 기사에서 PC 기반 시스템은 여러 카메라 입력을 받는 쪽이고 성능을 늘릴 수 있는 반면, 스마트 카메라는 성능 범위가 정해져 있다고 비교합니다.

값은 반대 방향입니다. 카메라와 렌즈와 조명과 케이블과 연산을 묶어 팔기 때문에 구입과 설치 비용이 대체로 낮다고 같은 기사의 한 전문가가 말합니다. 유무 확인과 바코드 읽기처럼 범위가 정해진 일에 맞고, 계산이 무거워지면 PC가 낫다는 의견이 이어집니다. 이 기사는 2002년 글이라 속도와 해상도 수치는 옮기지 않았고 구분 기준만 가져왔습니다. 지금의 스마트 카메라가 어디까지 하는지는 모델별 사양서로 확인할 항목입니다. 저라면 판단 범위가 정해진 일부터 스마트 카메라에 맡깁니다.

그림에서 먼저 보는 곳은 케이블이 향하는 곳입니다. 센서만 있는 카메라(왼쪽)의 케이블은 호스트 PC까지 가고, 노란 프로세서를 얹은 스마트 카메라(오른쪽)의 케이블은 작은 입출력 단자로 끝납니다. 카메라 높이는 둘 다 에어리어 계산의 WD 555.7 mm에 맞춰 같게 그렸는데, 스마트 카메라의 실제 센서와 렌즈는 모델별 사양서로 확인할 값입니다.

다섯 줄을 사양서 한 장에 놓으면

같은 패널과 같은 속도로 놓고 한 줄씩 읽습니다. 가정값은 앞 절에서 밝힌 것을 그대로 썼고, 센서 해상도와 렌즈를 바꾸면 줄마다 다시 계산해야 합니다. 스마트 카메라 줄은 계산할 값이 없어 확인 항목만 적었습니다.

카메라 종류	① 최소 식별 크기	② 광학 셋업 · WD	③ 알고리즘 파라미터 · 풀어 쓰면
에어리어 스캔	146.5 μm (2칸, 73.24 μm/칸). 50 μm는 0.68칸	25 mm 렌즈, WD 555.7 mm (사양서로 확인 필요), 돔 조명	시야를 나눠 여러 장으로 찍어야 한다. 한 장에 담지만 칸이 크다
라인 스캔	73.2 μm (2칸, 36.62 μm/칸). 50 μm는 1.37칸	50 mm 렌즈, WD 416.2 mm, 선 조명	엔코더 분주로 1줄 = 36.62 μm, 라인 속도 13.65 kHz, 노출 73.2 μs 이하, 0.895 Gb/s. 줄을 쌓아 한 장을 만든다
CIS 900 dpi	56.4 μm (2칸, 28.22 μm/칸). 50 μm는 1.77칸	렌즈와 LED 내장, WD 10~20 mm (Quality Magazine), 광학 경로 IP60 권장	라인 속도 17.72 kHz, 노출 56.4 μs 이하, 1.51 Gb/s라서 GigE 공칭 1 Gb/s를 넘는다. 패널에 바싹 붙여 읽는다
CIS 600 dpi	84.7 μm (2칸, 42.33 μm/칸). 50 μm는 1.18칸	렌즈와 LED 내장, WD 10~20 mm	라인 속도 11.81 kHz, 노출 84.7 μs 이하, 0.67 Gb/s. 값이 낮고 칸이 조금 더 크다
스마트 카메라	센서 사양서로 확인 필요	렌즈와 조명과 WD는 모델별로 확인 필요	판단 도구의 범위와 입출력 점수가 정해져 있다. 판단까지 한 몸에 들어 있어 케이블이 짧다

다섯 줄에서 먼저 보이는 것은 WD가 555.7 mm에서 15 mm까지 두 자릿수 넘게 달라지는데도 두 칸 기준 최소 식별 크기는 146.5 μm에서 56.4 μm로 세 배도 안 줄어든다는 점입니다. 가까이 붙는 일은 거리를 줄여 주지만 칸의 크기는 센서의 dpi가 정합니다. 반대 접근이 유리한 조건도 따로 있습니다. 결함이 0.5 mm 넘게 커서 칸이 문제되지 않거나 패널이 휘어 15 mm 간격을 지킬 수 없다면 렌즈를 따로 단 에어리어나 라인이 낫습니다. 표의 가정값이 실제 사양으로 바뀌면 줄마다 다시 계산해야 하고, 그 결과는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

어느 카메라를 먼저 올릴지와 값을 치르는 쪽

순서는 짧습니다. 시야 폭과 결함 크기로 필요한 칸을 구하고, 패널 위에 카메라를 둘 높이가 얼마나 나오는지 확인한 다음, 전송량과 판단 위치를 정합니다. 저라면 사양서의 첫 줄에 모델명 대신 한 칸의 μm와 WD부터 적습니다. 입문하신다면 시야를 화소 수로 나누는 계산을 손으로 먼저 해 보시길 권합니다.

이 선택을 일로 삼는 직무가 머신비전 엔지니어이고, 카메라 종류마다 칸과 거리와 전송량이 어떻게 달라지는지 말해 주는 사람과는 현장에서 대화가 빨리 끝납니다. 설비에 돈을 대는 쪽은 CIS가 렌즈 거리를 줄여 주는 대신 먼지 보호와 케이블 대역폭에 값이 붙고, 스마트 카메라가 묶음 가격으로 싼 대신 판단 범위가 정해져 있다는 점을 같이 봅니다. 이 글은 기술 설명이며 투자 권유가 아닙니다. 자세한 내용은 면책조항을 참고하세요.

현장 노트

새 패널이라면 저는 카메라를 고르기 전에 패널 윗면의 높이 편차를 자로 잽니다. CIS는 15 mm 안팎에 붙으므로 휘어짐이 몇 mm인지가 모듈의 피사계심도 안에 드는지를 먼저 가르고, 그 수치는 사양서에서 찾습니다. 구리 패드가 하얗게 날아가는 자리는 내장 LED 선 조명 아래에서 한 장 찍어 봅니다. 패널을 0.5 m/s로 지나가게 한 뒤 줄 사이 간격이 일정한지도 엔코더 신호와 함께 봅니다.

현장 체크포인트

높이와 칸과 전송량을 사양서 문장으로 옮기면 아래 일곱 가지가 남습니다.

• 렌즈에서 패널 윗면까지의 WD(에어리어 555.7 mm, 라인 416.2 mm, CIS 10~20 mm)가 치구와 조명을 더하고도 확보되는가? (패널의 휘어짐이 CIS의 간격 안에 드는지)
• 50 μm 긁힘이 최소 두 칸에 걸치는가? (CIS 900 dpi도 1.77칸이라 시야를 나눌지)
• 라인 속도(라인 스캔 13.65 kHz, CIS 900 dpi 17.72 kHz)에 맞는 엔코더 신호와 노출 한도(73.2 μs, 56.4 μs)가 확보되는가? (조명 밝기가 그 노출에서 충분한지)
• 필요 전송량(라인 0.895 Gb/s, CIS 900 dpi 1.51 Gb/s)이 고른 인터페이스의 실효 속도 안에 드는가? (GigE 공칭 1 Gb/s는 넘는지)
• 쓰려는 CIS 모듈의 피사계심도(B2S 목록의 한 모델은 ±1.3 mm)와 광학 경로의 먼지 보호(IP60 권장)를 사양서에서 확인했는가? (WD가 짧아 먼지가 닿기 쉬운지)
• 스마트 카메라를 쓴다면 판단 도구의 범위와 입출력 점수가 요구를 덮는가? (계산이 무거워지면 PC로 옮길 길이 남아 있는지)
• 구리 패드나 솔더처럼 광택이 있는 자리의 정반사를 샘플 사진으로 확인했는가? (계산만으로 단정하지 않는지)

용어 풀이

• [1] 반사율 reflectance
  표면에 닿은 빛 가운데 다시 튕겨 나오는 비율입니다. 하얀 종이는 높고 검은 천은 낮습니다. ↩
• [2] 에어리어 스캔 area scan camera
  화소가 가로세로로 깔린 센서로 한 번에 한 장을 찍는 카메라입니다. 스마트폰 카메라와 같습니다. ↩
• [3] 라인 스캔 line scan camera
  화소가 한 줄뿐인 센서로, 시료가 지나가는 동안 줄을 이어 붙여 사진을 만드는 카메라입니다. ↩
• [4] CIS contact image sensor, 밀착형 이미지 센서
  줄 센서와 렌즈 어레이와 조명을 한 몸에 넣어 시료 가까이에 붙이는 모듈입니다. 복사기와 스캐너 안의 읽기 막대와 같은 구조입니다. ↩
• [5] 스마트 카메라 smart camera
  촬영하는 센서와 판단하는 프로세서와 입출력을 한 몸에 넣은 카메라입니다. 비전 센서라고도 부릅니다. ↩
• [6] WD working distance, 작동 거리
  렌즈에서 검사할 부품 윗면까지의 거리입니다. 본문에서는 얇은 렌즈 근사로 렌즈 주평면 기준으로 계산했고, 제조사가 쓰는 기준면은 사양서로 따로 확인해야 합니다. ↩
• [7] 굴절률 분포 렌즈 graded-index lens
  유리 막대 안에서 굴절률이 중심에서 바깥으로 달라져 빛을 모으는 작은 렌즈입니다. 줄지어 놓으면 한 줄을 같은 크기로 비춥니다. ↩
• [8] dpi dots per inch
  1인치(25.4 mm)에 들어가는 화소 수입니다. 900 dpi는 한 칸이 25.4 mm ÷ 900 = 28.2 μm입니다. ↩
• [9] 대역폭 bandwidth
  케이블이 1초에 실어 나를 수 있는 비트 수입니다. 사진이 1초에 만들어 내는 비트 수가 이보다 작아야 합니다. ↩

참고 자료

• Vision Systems Design, Contact image sensors challenge linescan cameras (CIS 구성, 굴절률 분포 렌즈, 20 mm 설치 거리, 기존 라인 스캔의 거리), 2026년 10월 14일 열람
• Quality Magazine, Innovations shaping the future of contact image sensor technology (WD 10~20 mm와 250~500 mm 비교, 1:1 배율, 600·900 dpi, MTF, 인터페이스, 제약), 2026년 10월 14일 열람
• automate.org, Smart Cameras vs. PC-Based Machine Vision Systems (스마트 카메라의 정의, PC 기반과의 차이, 비용, 용도. 2002년 기사), 2026년 10월 14일 열람
• Edmund Optics, Camera Types and Interfaces for Machine Vision Applications (GigE 공칭 속도), 2026년 10월 14일 열람
• B2S(비투에스), CIS Line 제품소개 (INSNEX LX2 900 dpi 모델의 Accuracy, WD, Depth of Field, Interface), 2026년 10월 14일 열람
• 계산식: 한 칸의 크기 = 시야 ÷ 가로 화소 수, 배율 = 센서 폭 ÷ 시야, WD = f × (1 + 1 ÷ 배율), CIS 한 칸 = 25.4 mm ÷ dpi, 라인 속도 = 시료 속도 ÷ 한 칸의 크기, 전송량 = 줄의 화소 수 × 비트 × 라인 속도