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Nikkei X-TECH_2023.5.11

방위 테크
어두운 밤에도 10km 앞의 선박 식별
캐논, 세계 최초로 SPAD센서 탑재 감시 카메라 개발

달도 뜨지 않은 깜깜한 밤. 사람의 눈에는 거의 아무것도 보이지 않는 10km 떨어진 앞바다를 항해하는 선박도 식별할 수 있는 전례 없는 카메라가 곧 등장한다. 캐논이 올해 발매를 목표로 개발을 추진하고 있는 세계 최초로 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)센서가 탑재된 렌즈 교환식 초고감도 카메라 ‘MS-500’이다.

암시(暗視) 성능이 뛰어난 약 320만∙1.0형(1인치)의 SPAD센서와 높은 망원 성능을 가진 방송용 렌즈를 조합함으로써 연안이나 항만, 국경, 발전소 등 주요 인프라 설비에 대한 장거리 감시 용도에 적합하다. 렌즈 마운트는 방송용 렌즈에서 주류인 ‘바요넷마운트’(BTAS-1005B 규격 준거)를 채택하고 있다.

예를 들어, 야간 항만 감시에서 수 km 앞을 항행하는 수상한 선박을 발견할 수 있을 뿐만 아니라, 풀HD로 선명한 컬러 영상을 촬영함으로써 선체의 종류도 확인할 수 있다고 한다.

SPAD센서는 이미지센서의 일종이지만, 현재 카메라에서 널리 채택되고 있는 CMOS센서와는 동작 원리가 다르다. CMOS센서는 어느 일정 시간 동안 화소에 들어온 빛의 양을 측정하는 반면, SPAD센서는 화소에 들어온 광자(Photon) 개수를 측정한다.

SPAD센서에서는 화소에 광자가 들어가면 바로 전하(전자와 정공의 쌍)로 변환되고, 그 전하가 눈사태처럼 대량으로 발생하는 아발란체(눈사태) 현상을 통해 순식간에 약 100만 배로 증폭된다. 따라서, 광자의 입사를 큰 전하로써 추출할 수 있다.

CMOS센서에서는 빛을 전기신호로 읽을 때 원리상 노이즈가 섞이지만, SPAD센서에서는 광자 개수를 디지털적으로 세기 때문에 전기적 노이즈 없이 어두운 곳에서도 약간의 빛을 검출할 수 있다고 한다.

주간 촬영에서는 이 두 가지 센서에 큰 차이가 없지만, 야간에 그 차이는 현저해진다.예를 들어, “별빛보다 조금 밝은 정도인 0.1룩스(lux)의 밤바다에서 45km 떨어져 있는 선박을 촬영하는 경우, CMOS센서가 탑재된 카메라에서는 노이즈로 인해 빛이 나는 것이 움직이는 것임을 알 수 있는 정도인 반면, MS-500에서는 그것이 선박임을 분명히 알 수 있다. 파도의 상태도 파악이 가능하다”(캐논 이미지솔루션사업본부 이미지솔루션상품기획센터 고도감시상품 기획담당 가와나베(川邊) 주임)라고 한다.

캐논은 지금까지 감시 용도로 CMOS센서가 탑재된 다목적 고감도 카메라 ‘ME20 F-SH’에 EF렌즈(풀 사이즈 일안(一眼) 리플렉스 카메라 대응의 렌즈) 등을 조합한 근∙중거리 솔루션을 제공하고 있었다. 한편, MS-500은 원거리 감시 용도에 적합하다.

MS-500과 ME20 F-SH는 모두 풀HD 촬영이 가능하지만, MS-500에 탑재된 SPAD센서의 크기는 1.0형으로, ME20 F-SH에 탑재된 풀사이즈(35mm) CMOS센서와 비교해 작다. 이 때문에 약 4배의 망원효과가 있다. 예를 들어, MS-500에 망원단 2,000mm(35mm로 환산하면 약 8,000mm) 방송용 렌즈를 조합하면 10km 앞을 약 45m 폭의 화각(畵角)으로 촬영할 수 있다.

반면, ME20 F-SH에 800mm 단초점 렌즈를 조합할 경우, 10km 앞의 화각은 약 450m 폭이 된다.

즉, MS-500에서는 “관측하고 싶은 피사체를 약 10배의 화소 수로 볼 수 있다”(가와나베 주임). 주위가 어두워도 피사체인 선박이 노이즈에 묻히지 않으며, 약 10배의 화소 수로 촬영할 수 있기 때문에 선박의 종류 등의 식별도 가능하다고 한다.

-- SPAD용으로 구도 작성을 고안 --
캐논이 이번에 SPAD센서가 탑재된 카메라를 세계 최초로 실용화할 수 있었던 배경에는 풀HD(1,920x1,080 화소)를 뛰어넘는 약 320만 화소의 SPAD센서 개발과 그 성능을 카메라로 발현한 기술개발이 있다.

캐논이 2020년 6월에 발표한 SPAD센서는 약 100만 화소였는데, 이것을 3배 이상으로 고(高)화소화했다. 이를 위해 1개 당 화소를 작게 해도 노이즈 발생이 증가하지 않고 광자를 포착할 수 있도록 화소의 구조를 고안했다. 구체적으로는, 기존의 구조에서는 입사된 빛의 일부밖에 신호로 카운트할 수 없었지만, 전하를 증배하는 감도 영역을 통과한 모든 빛을 카운트할 수 있도록 했다.

또 하나는, CMOS센서와는 성질이 다른 SPAD센서를 카메라로 구사한 기술이다. “CMOS센서와는 동작 원리가 다르기 때문에 그 성능을 최대한으로 끌어내기 위해 전기 회로나 구도 작성 등을 연구했다. 예를 들어, 영상 엔진 자체는 예전부터 있던 것을 사용하고 파라미터를 최적화했다. SPAD센서의 특성에 맞추어 노이즈 저감이나 화상의 엣지 강조, 계조(Gradation) 처리, 색 처리 등도 연구하고 있다”(캐논 이미지 솔루션 개발통괄부문 이미지솔루션 제1개발 센터의 우리사카(瓜阪) 부소장)라고 한다.

감시 용도로 고객이 원하는 것은 어두운 밤에도 움직이고 있는 것을 확실히 파악할 수 있는 것이다. 이 때문에 움직이는 피사체 영상의 잔상이 남을 경우 감시 용도로는 사용할 수 없다. “움직이는 피사체의 영상에 악영향을 주는 영상 처리는 최대한 피하는 등의 연구도 하고 있다”(우리사카 부소장)라고 한다.

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