센서를 바꾸면 조명도 다시 계산해야 합니다

LIGHTING

940 nm에서 양자 효율 15 %는 광자로 4.9배, 와트로 2.85배 조명을 더 달라는 뜻이고, 움직이는 부품이라면 그 배수가 다시 세 배로 늘어납니다.

검은 커넥터 하우징을 근적외로 검사하는 경우를 놓고, BSI 글로벌 셔터 센서의 공표 양자 효율에서 조명과 렌즈와 WD를 다시 계산했습니다.

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가시광에서 인쇄와 도장의 색이 배경을 덮어 결함이 묻히면, 근적외(near infrared, NIR)¹로 넘어가는 것이 흔한 다음 수입니다. 940 nm 언저리에서는 많은 유기 염료의 흡수가 크게 줄어 색이 옅어지고 구조가 남기 때문이죠. 이때 감도 좋은 새 센서로 바꾸면 조명은 그대로 둬도 된다는 생각이 그럴듯하게 따라붙습니다.

2026년 9월 22일 Teledyne e2v가 공개한 Nexora 계열 BSI 글로벌 셔터 센서는 그 생각을 숫자로 시험해 볼 기회를 줍니다. 공표된 양자 효율(quantum efficiency, QE)²이 550 nm에서 최대 73 %, 940 nm에서 15 %이기 때문입니다. 조명을 그대로 두고 파장만 바꾸면 화면이 어두워지고, 노출을 늘리면 움직이는 부품이 번지고, 게인을 올리면 잡음이 결함을 덮습니다. 그 끝에서 판정선을 느슨하게 풀면 미검출이, 조이면 오검출이 늘어납니다.

제가 이 숫자에서 따져 보려는 것은 15 %가 조명 설계에 무엇을 요구하느냐입니다. 광자 수로, 와트로, 노출 시간으로 각각 몇 배인지가 나오면 조명 전원과 렌즈와 WD가 따라 정해집니다. 숫자는 Nexora의 공표값을 쓰고, 공표되지 않은 값은 가정으로 밝힙니다.

검은 커넥터는 940 nm에서 두 갈래로 갈린다

센서보다 먼저 볼 것은 검사할 면이 940 nm에서 어떻게 반사하고 투과하느냐입니다. 근적외에서 쓸 만한 콘트라스트를 만드는 것은 센서가 아니라 재질의 파장별 반사율 차이이고, 가시광에서 다른 색이던 두 영역이 근적외에서 같은 반사율로 수렴해 오히려 콘트라스트가 사라지기도 합니다.

검은 커넥터 하우징이 좋은 예입니다. 검정이 카본블랙³ 계열 안료라면 940 nm에서도 빛을 강하게 흡수해 여전히 어둡게 남고, 유기 흑색 염료 계열이라면 근적외에서 투과가 올라가 그 아래의 미세 크랙이나 혼입된 이물이 비쳐 보일 수 있습니다. 같은 검은 커넥터라도 안료 계열이 다르면 정반대의 영상이 나오는 셈이에요. 광택이 다른 로트나 표면 처리가 섞이면 반사도 함께 달라지니, 어느 쪽인지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

그래서 저는 파장을 바꾸기 전에 실물 샘플 몇 개를 940 nm 조명 아래에서 반사와 투과로 한 장씩 찍어 봅니다. 결함이 드러난다는 것을 확인한 뒤에야 센서와 조명의 숫자가 의미를 갖습니다. 반사와 투과 두 장이면 안료 계열이 어느 쪽인지도 대개 드러납니다.

15 %는 실리콘 9 μm만큼의 흡수다

BSI(backside illumination)⁴ 구조는 웨이퍼를 뒤집어 포토다이오드를 빛이 들어오는 쪽에 두므로, 빛이 금속 배선 사이를 지나며 잃는 몫이 구조적으로 줄어듭니다. 그런데도 940 nm에서 15 %에 머무는 까닭은 실리콘 자체에 있습니다. 실리콘이 빛을 1/e로 줄이는 흡수 깊이⁵는 550 nm에서 1.56 μm지만 940 nm에서는 54.6 μm입니다(Green 2008 자료).

화소의 실리콘 층이 3 μm라면 550 nm 빛은 85 %가 흡수되고 940 nm 빛은 5.3 %만 흡수됩니다. 거꾸로 15 %를 흡수하려면 빛이 실리콘 속을 약 8.9 μm 지나야 하고, 50 %라면 37.9 μm가 필요합니다. 얇은 층에서 15 %를 내려면 빛이 실리콘 안에서 지나는 경로를 늘리는 구조가 필요하니, 근적외 감도를 올리는 싸움은 결국 경로 길이의 싸움입니다.

그 경로를 늘리는 화소 구조는 특허로도 나와 있습니다. 아래 표의 OmniVision 특허들은 포토다이오드 입사면에 빛을 꺾고 흩는 근적외 강화 구조를 두거나, 반대편에 반사층을 두어 꺾인 빛을 제 화소 안에 붙잡는 방법을 다룹니다. 실리콘을 두껍게 하는 대신 같은 두께 안에서 빛을 여러 번 오가게 하는 쪽입니다.

특허 번호	명칭	권리자	우선일 · 등록일
US 9,991,309 B1	CMOS image sensor having enhanced near infrared quantum efficiency	OmniVision Technologies, Inc.	2017-07-05 · 2018-06-05
US 10,224,364 B2	CMOS image sensor having enhanced near infrared quantum efficiency and modulation transfer function	OmniVision Technologies, Inc.	2017-07-05 · 2019-03-05
US 10,964,744 B1	Light control for improved near infrared sensitivity and channel separation	OmniVision Technologies, Inc.	2019-09-13 · 2021-03-30
US 10,587,830 B2	Method for controlling an active pixel image sensor	Teledyne e2v Semiconductors SAS	2015-08-03 · 2020-03-10

첫 특허의 명세서에는 화소마다 근적외 강화 구조를 둘 이상 넣은 모의 계산에서 940 nm 양자 효율이 약 11 %에서 약 34 %로 오른 결과가 실려 있습니다. 흡수 깊이로 환산하면 11 %는 실리콘 약 6.4 μm, 34 %는 약 22.7 μm에 해당하니 경로를 3.6배쯤 늘린 셈이에요. 두 번째 특허는 꺾인 빛이 이웃 화소로 새어 선명도를 깎지 않도록 반사층의 크기를 맞추고, 세 번째는 필터 층을 겹쳐 근적외 감도와 색 채널 분리를 함께 다룹니다. 마지막 Teledyne e2v 특허는 글로벌 셔터의 메모리 노드를 다루며, 노출을 줄이는 대목에서 다시 등장합니다.

광자로 4.9배, 와트로 2.85배

같은 센서, 같은 렌즈, 같은 노출에서 신호 전자 수는 들어온 광자 수에 양자 효율을 곱한 값입니다. 양자 효율이 73 %에서 15 %로 떨어지면 같은 신호를 얻는 데 광자가 73 ÷ 15 = 4.87배, 약 4.9배 필요합니다. 그림은 이 비율이 조명 배수로 바뀌는 과정을 그린 개념도입니다.

그림의 배수는 광자 수로 센 값입니다. 조명 전원은 와트로 사니까 한 번 더 바꿔야 하는데, 광자 하나의 에너지는 파장에 반비례해서 같은 1 W가 940 nm에서는 550 nm보다 광자를 1.71배 많이 냅니다. 와트로 계산하면 필요한 방사 조도⁶는 4.87 ÷ 1.71 = 2.85배입니다. 그래서 저는 근적외 조명 사양을 광자 기준 배수와 와트 기준 배수로 나눠 적습니다.

조도계를 들고 lx로 재는 습관도 여기서 멈춰야 합니다. lx는 사람 눈의 감도로 무게를 단 단위라 940 nm 빛은 아무리 세도 거의 0 lx로 찍힙니다. 근적외 조명은 W/m²나 광자 수로 재야 하고, 전기 입력까지 맞추려면 두 LED의 전력 변환 효율을 데이터시트에서 따로 확인해야 해요.

노출을 줄이면 조명은 스트로브로 간다

부품이 움직이면 숫자가 한 번 더 곱해집니다. 30 μm 크랙을 3칸에 담는 10 μm/px에서 부품이 초속 50 mm로 지나간다면(가정), 가시광에서 쓰던 0.6 ms 노출은 3칸을 번지고, 번짐을 한 칸으로 줄이려면 0.2 ms로 3분의 1이 되어야 합니다. 그러면 광자 기준 배수는 14.6배, 와트 기준은 8.5배입니다. 그림의 14.7배는 4.9를 반올림해 3을 곱한 값입니다.

이 배수를 연속 조명으로 감당하면 발열과 전원 용량이 먼저 무너지니, 짧게 세게 터뜨리는 스트로브로 갑니다. 0.2 ms 펄스를 초당 30번 쏘면 켜진 시간은 0.6 %, 이 듀티⁷만큼 평균 출력과 발열은 낮아지고 피크 출력만 높아집니다. 조명 전원과 방열은 평균보다 피크를 기준으로 잡아야 펄스 구동에서 모자라지 않습니다.

스트로브에는 글로벌 셔터⁸가 전제입니다. 줄마다 노출 시각이 다른 롤링 셔터에서는 짧은 펄스가 일부 행에만 걸려 밴딩이 생기거든요. 앞의 표 마지막 Teledyne e2v 특허는 글로벌 셔터의 메모리 노드가 노출 끝의 전하를 붙잡아 상관 이중 샘플링⁹으로 읽게 하면서, 메모리 용량을 포토다이오드의 N배 이상으로 두고 노출 중 전하를 N번 옮겨 강한 빛에서의 동적 범위를 넓히는 방법입니다. 스트로브를 세게 쏘는 쪽에서 반가운 방향입니다.

세 숫자는 근적외 전환이 센서 교체보다 조명 전원 교체에 가깝다는 점을 보여 줍니다. 광자로는 4.9배를 요구하지만 와트로는 2.85배이고, 스트로브로 몰면 평균 부담은 켜진 시간 0.6 %만큼 줄어듭니다.

C 마운트 렌즈가 WD와 초점을 정한다

Nexora는 12 MP(4,096 × 3,072)와 16 MP(4,096 × 4,096)로 나오고, 23 × 21.5 mm 패키지가 29 × 29 mm 카메라와 표준 C 마운트 광학계에 맞는다고 발표되었습니다. 30 μm 크랙을 3칸에 담는 10 μm/px에서 12 MP는 시야 41.0 × 30.7 mm, 16 MP는 41.0 × 41.0 mm입니다. 화소 간격은 발표에 없어서 3.0 μm로 두면(가정) 배율 0.3배, 50 mm 렌즈로 WD¹⁰가 약 217 mm이고, 35 mm 렌즈라면 약 152 mm로 스트로브 조명 헤드를 넣기 빠듯해집니다.

C 마운트는 플랜지 백¹¹ 17.526 mm 규격이라 기성 렌즈가 많지만, 렌즈의 이미지 서클¹²이 센서 대각선을 덮어야 합니다. 화소 3.0 μm로 계산하면 12 MP의 대각선은 15.4 mm, 16 MP는 17.4 mm라, 16 MP 정사각 포맷은 큰 대각선을 지원하는 렌즈로 선택지가 좁혀집니다. 근적외에서는 색수차를 가시광 기준으로만 보정한 렌즈의 초점면이 밀려, 가시광으로 맞춘 초점이 940 nm에서 어긋납니다. 렌즈는 근적외 보정 사양을 고르고 초점은 940 nm 조명 아래에서 다시 맞추는 것이 제 기준입니다.

940 nm로 넘어가는 셋업 표

앞의 계산을 한 표에 모으면, 근적외 전환의 사양이 센서 칸보다 조명 칸에서 정해진다는 점이 드러납니다. 크랙과 이물과 미충전이 모두 같은 10 μm/px를 나눠 쓴다는 점도 표의 첫 줄에 들어갑니다.

항목	기준값	조건 · 근거	풀어 쓰면
① 최소 불량 크기 (μm)	하우징 미세 크랙 폭 30 μm · 길이 300 μm, 사출 내부 이물 80 μm, 접착층 미충전 0.2 mm²	10 μm/px에서 크랙 3칸, 이물 8칸, 미충전 2,000칸	크랙 폭이 화소 크기를 정한다
② 조명	940 nm 근적외, 대역폭 ±25 nm, 스트로브 0.2 ms × 초당 30번(듀티 0.6 %)	광자 기준 4.9배(노출 1/3이면 14.6배), 와트 기준 2.85배(8.5배). lx로는 잴 수 없음	피크 출력 기준으로 전원을 잡는다
② 센서 · 렌즈 · WD	BSI 글로벌 셔터 12 MP(4,096 × 3,072) · 16 MP(4,096 × 4,096), QE 73 %(550 nm) · 15 %(940 nm) 공표	화소 3.0 μm 가정 시 50 mm 렌즈 WD 약 217 mm 확보 필요(얇은 렌즈 근사), 대각선 15.4 · 17.4 mm, 근적외 보정 렌즈	렌즈가 덮는 원과 초점을 940 nm에서 확인한다
③ 알고리즘 파라미터	게인보다 조도로 신호 확보, 940 nm 플랫필드 별도 취득	판정선 3σ(파장 변경 뒤 정상품 30장으로 재추정)	가시광의 판정선을 그대로 쓰지 않는다

이 표에서 설계를 지배하는 칸은 ②의 배수입니다. 센서와 렌즈와 알고리즘은 고를 수 있는 선택지지만 4.9배와 2.85배는 물리에서 나온 하한이라, 조명 전원 용량과 방열을 정하고 나머지를 그 안에 맞추는 순서가 맞습니다. 렌즈 투과율과 대역 필터 손실은 이 하한 위에 더 곱해집니다.

반대 선택이 나은 자리도 분명합니다. 가시광에서 이미 콘트라스트가 충분하다면 근적외 전환은 조명 예산만 늘리고, 부품이 멈춰 있고 택트에 여유가 있다면 긴 노출과 연속 조명, 롤링 셔터 조합이 더 경제적입니다. 1,100 nm 너머의 흡수를 봐야 한다면 실리콘의 한계 밖이라 InGaAs 계열 SWIR 카메라가 맞고, 화소당 광자 몇 개를 세야 하는 극저조도라면 양자 효율 개선보다 광자 계수형 센서 쪽입니다. 같은 파장이라도 안료 계열과 표면 처리, 로트 편차에 따라 결과가 달라져 어느 쪽이 맞는지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

센서를 고르는 일은 비전 엔지니어의 몫이지만, 이 표의 조명 칸은 조명 전원과 방열을 설계하는 쪽이 함께 정해야 합니다. 센서 교체를 결재하는 쪽에서는 견적에 조명 전원과 근적외 보정 렌즈가 함께 들어 있는지를 확인하면 됩니다. 이 글은 기술 설명이며 투자 권유가 아닙니다. 자세한 내용은 면책조항을 참고하세요.

현장 노트

940 nm로 넘어간다면 저는 조명을 그대로 둔 채 파장만 바꿔 보는 대신, 데이터시트의 양자 효율 곡선에서 두 파장의 값을 읽어 조명 사양서 첫 줄에 광자 기준과 와트 기준 배수를 함께 적습니다. 그다음 실물 커넥터를 940 nm 조명 아래에 두고 초점을 다시 맞춘 뒤, 크랙이 몇 칸으로 찍히는지와 파장을 바꾼 뒤의 정상품 σ를 새로 잽니다. 부품이 움직이는 구간이라면 펄스 폭과 번짐을 같은 표에서 함께 봅니다.

현장 체크포인트

배수와 초점을 확인했다면 마지막으로 아래 항목을 봅니다.

• 렌즈에서 부품까지 WD 약 217 mm(50 mm 렌즈, 화소 3.0 μm 가정)가 스트로브 조명 헤드와 지그를 피해 실제로 확보되는가? (화소 간격을 확인해 다시 계산했는지)
• 실물 샘플의 940 nm 반사와 투과를 찍어 보았는가? (카본블랙과 유기 염료는 정반대로 찍힌다)
• 조명 배수를 광자 기준과 와트 기준으로 나눠 계산했는가? (4.9배와 2.85배, 노출 1/3이면 14.6배와 8.5배)
• 근적외 조명을 lx 대신 W/m²로 쟀는가?
• 렌즈가 근적외 보정 사양이고, 이미지 서클이 센서 대각선(16 MP라면 17.4 mm)을 덮는가?
• 셔터가 글로벌 셔터이고 스트로브와 동기되는가? (롤링 셔터에서는 밴딩이 생긴다)
• 파장을 바꾼 뒤 정상품 30장으로 σ를 다시 추정했는가?
• 조명 전원과 방열을 피크 출력 기준으로 설계했는가?

자주 묻는 질문

850 nm로 가면 조명 부담이 줄지 않나요?

줄어듭니다. 실리콘의 흡수 깊이는 850 nm에서 940 nm보다 짧아 같은 구조라도 양자 효율이 더 높은 편이고, OmniVision 특허의 모의 계산에서도 강화 구조가 없는 화소가 850 nm에서 약 15 %, 940 nm에서 약 11 %였습니다. 대신 일부 유기 염료는 850 nm에서 흡수가 아직 남아 940 nm만큼 색이 옅어지지 않을 수 있습니다. 파장은 조명 예산과 재질의 투과를 함께 놓고 샘플로 고르는 값입니다.

게인을 올려 밝기를 맞추면 안 되나요?

게인을 올려도 화소에 들어온 광자 수는 그대로라, 샷 노이즈가 정한 한계는 움직이지 않습니다. 940 nm에서 광자가 4.9배 모자란 상태라면 게인은 화면만 밝게 할 뿐이고, 결함과 배경의 구분은 조도를 올려야 돌아옵니다. 플랫필드와 판정선도 게인을 바꾼 뒤 다시 잡아야 합니다.

용어 풀이

• [1] 근적외 near infrared, NIR
  가시광의 붉은색 너머, 대략 700 nm에서 1,100 nm 사이의 빛입니다. 실리콘 센서가 아직 받을 수 있는 적외선 대역입니다. ↩
• [2] 양자 효율 quantum efficiency, QE
  화소에 들어온 광자 가운데 신호 전자로 바뀌는 비율입니다. 15 %라면 광자 100개에서 전자 15개가 나옵니다. ↩
• [3] 카본블랙 carbon black
  탄소 입자로 만든 검은 안료입니다. 가시광부터 근적외까지 넓게 흡수해 940 nm에서도 검게 남습니다. ↩
• [4] BSI backside illumination, 이면 조사
  웨이퍼를 뒤집어 배선층이 없는 뒷면으로 빛을 받는 센서 구조입니다. 빛이 배선 사이를 지나며 잃는 몫이 줄어듭니다. ↩
• [5] 흡수 깊이 absorption depth
  빛이 물질 속에서 처음 세기의 약 37 %(1/e)로 줄어들 때까지 지나는 깊이입니다. 실리콘에서 940 nm 빛은 54.6 μm를 지나야 이만큼 줄어듭니다. ↩
• [6] 방사 조도 irradiance
  면에 닿는 빛의 세기를 와트로 잰 값(W/m²)입니다. 눈의 감도로 무게를 단 조도(lx)와 달리 근적외에서도 그대로 쓸 수 있습니다. ↩
• [7] 듀티 duty cycle
  반복 주기 가운데 조명이 켜져 있는 시간의 비율입니다. 0.2 ms를 초당 30번 켜면 0.6 %입니다. ↩
• [8] 글로벌 셔터 global shutter
  센서의 모든 화소가 같은 순간에 노출을 시작하고 끝내는 방식입니다. 짧은 스트로브도 화면 전체에 고르게 걸립니다. ↩
• [9] 상관 이중 샘플링 correlated double sampling, CDS
  화소의 초기 상태를 한 번, 신호가 쌓인 뒤를 한 번 읽어 그 차이를 신호로 쓰는 방법입니다. 화소마다 다른 기준 전압의 흔들림이 빠집니다. ↩
• [10] WD working distance, 작동 거리
  렌즈 앞에서 검사할 면까지의 거리입니다. 본문 값은 얇은 렌즈 근사로 렌즈 중심을 기준으로 계산했습니다. ↩
• [11] 플랜지 백 flange focal distance
  렌즈 마운트 면에서 센서 면까지의 거리입니다. C 마운트는 17.526 mm로 정해져 있습니다. ↩
• [12] 이미지 서클 image circle
  렌즈가 상을 선명하게 맺는 둥근 영역의 지름입니다. 센서 대각선보다 작으면 모서리가 어둡거나 흐려집니다. ↩

참고 자료

• Teledyne e2v, Teledyne e2v Introduces Nexora, Its Next Generation Family of Backside Illuminated Global Shutter CMOS Image Sensors (Business Wire 보도자료, 세비야: 12 MP · 16 MP, QE 550 nm 최대 73 % · 940 nm 15 %, 3D 적층, LVDS, 패키지 23 × 21.5 mm, C 마운트)
• engineering.com, Teledyne e2v launches Nexora CMOS image sensor family (2026년 9월 22일)
• PVEducation, Optical Properties of Silicon (M. A. Green 2008 자료, 흡수 계수 550 nm 6.39 × 10³ /cm, 940 nm 1.83 × 10² /cm)
• OmniVision Technologies, Inc., 미국 등록특허 US9991309B1 CMOS image sensor having enhanced near infrared quantum efficiency (우선일 · 출원 2017년 7월 5일, 등록 2018년 6월 5일)
• OmniVision Technologies, Inc., 미국 등록특허 US10224364B2 CMOS image sensor having enhanced near infrared quantum efficiency and modulation transfer function (우선일 2017년 7월 5일, 출원 2017년 8월 1일, 등록 2019년 3월 5일)
• OmniVision Technologies, Inc., 미국 등록특허 US10964744B1 Light control for improved near infrared sensitivity and channel separation (우선일 · 출원 2019년 9월 13일, 등록 2021년 3월 30일)
• Teledyne e2v Semiconductors SAS, 미국 등록특허 US10587830B2 Method for controlling an active pixel image sensor (우선일 2015년 8월 3일, 출원 2016년 7월 29일, 등록 2020년 3월 10일)
• 계산식: 광자 배수 = QE(550) ÷ QE(940), 와트 배수 = 광자 배수 ÷ (940 ÷ 550), 층 흡수율 = 1 − exp(−α × 두께), 필요 경로 = −ln(1 − 흡수율) ÷ α, 번짐 한계 노출 = 화소 분해능 ÷ 이동 속도, 듀티 = 펄스 폭 × 반복 횟수, 시야 = 화소 수 × 화소 분해능, WD ≈ f × (1 + 1/m), 센서 대각선 = √(가로² + 세로²) × 화소 간격

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