자율주행용 영상센서 모듈 기술 동향 교통사고 감소를 위한 전 세계적인 안전 규제 강화와 기업들의 해당기술의 상용화에 따른 이윤창출을 위해 자율주행자동차 시대는 곧 도래할 것이다.

이미지 센서
디지털 카메라 및 휴대폰에 장착되는 카메라의 이미지 센서는 이미 2000만 화소를 넘어가고 있으나, 자동차에 탑재될 수 있는 높은 신뢰성의 이미지 센서는 아직 갈 길이 멀다. 현재 완성차에 옵션으로 장착되는 카메라의 이미지 센서는 아직 30만 화소가 주가 되고 있으며, 1백만 화소를 넘는 이미지 센서가 장착된 것은 얼마 되지 않는다.

국내 자동차 제조사는 2015년 12월 출시된 EQ900(해외명 G90)부터 후방카메라 및 서라운드뷰용 카메라에 100만 화소 HD급 영상을 사용하기 시작하였으며, 이후 고급차부터 점차 100만 화소 이미지 센서를 적용 중에 있다. 현재 영상기반 ADAS(첨단운전자지원시스템)의 70% 이상 점유하고 있는 모빌아이의 제품도 100만 화소 이미지 센서 기반의 시스템이다.

자동차용 이미지 센서가 30만 화소에서 100만 화소까지 오는데 걸린 시간 대비 800만 화소까지 발전하는데는 상대적으로 그리 오래 걸리지 않을 듯하다. 카메라는 자율주행 자동차의 가장 중요한 센서 중 하나로서 영상 품질 향상에 대한 요구는 이미지 센서의 고화소화에 박차를 가하고 있다. 각 기업에서는 영상을 기반으로 한 차량, 차선, 도로상황, 표지판 등의 인식 소프트웨어의 개발과 함께 보다 정확한, 보다 많은 정보를 원하고 있다. 이미 ADAS 및 자율주행을 준비하는 기업들은 200만 화소의 영상을 기반으로 소프트웨어를 발전시키고 있으며, 2017년에 발표된 Nvidia의 Drive PX2의 경우 2백만 화소의 카메라를 최대 12개까지 연결하여 객체인식을 한다. 이러한 시장과 기업의 요구에 따라, Omni-vision, On-semi Conductor(APTINA), Samsung LSI, SONY 등 전 세계의 이미지 센서 제조사들은 앞 다투어 고화소 및 고성능의 이미지 센서를 준비하고 있으며, 2019년에는 8백만 화소의 이미지 센서를 내장한 카메라를 기반으로 하는 자동차용 영상시스템이 발표될 것으로 보인다.

렌즈 어셈블리
자동차용 카메라 렌즈는 일반적으로 단품 렌즈가 아닌 각각의 특성을 가진 몇 장의 렌즈가 결합 된 모듈 형태로 제작된다. 렌즈는 곡률반경이 일정한 구면 렌즈와 주변부로 갈수록 곡률반경이 늘어나는 비구면 렌즈로 구분된다. 렌즈의 중심부와 주변부에서 맺는 초점 위치가 다른 구면수차(초점오차)를 극복하기 위하여 여러 장의 렌즈가 사용되며, 이미지센서에 따라 요구되어지는 분해능이 올라가면서 고화소의 이미지센서일수록 여러 장의 렌즈를 사용하게 된다. 일반적으로 글래스 렌즈의 강도와 선명도가 더 좋고 플라스틱 렌즈는 대량생산을 통한 원가 절감과 가벼운 무게가 장점이다.

플라스틱 렌즈가 주로 사용되어지는 휴대폰 카메라와 달리 자동차용 카메라에서는 상대적으로 높은 온도의 환경하의 성능 확보를 위하여 글래스 계열의 재질이 주로 쓰인다. 그러나, 글래스 렌즈는 구면렌즈의 단점인 구면수차 극복을 위하여 복수의 렌즈를 사용하게 되어 원가상승의 요인이 되며, 생산 수율의 저하로 이어지게 된다.

다른 방법으로는 글래스 몰드 재질을 이용한 비구면 렌즈 설계방식이 있다. 구면 글래스 렌즈와 비구면 글래스 몰드 렌즈의 소재는 광학적으로는 동일한 특성을 가지고 있으며, 고온 환경의 신뢰성면에서도 플라스틱 렌즈에 비해 우수한 성능을 가지고 있다. 구면 렌즈는 판재를 사용하여 블록이나 막대 형태로 절단하는 것에 비해, 비구면 렌즈는 자유로운 형태로 제작이 가능하나, 비구면 렌즈 소재의 경우 구면렌즈 소재 대비하여 상대적 저온에서 한정적이며, 이는 비구면 렌즈의 경우, 비교적 저온에서 유리가 부드러워져야 금형으로 성형이 가능하다.

ADAS 및 자율주행 시스템에 적용되는 카메라는 후방카메라나 서라운드 뷰 모니터용 카메라처럼 영상을 보여주기 위한 카메라와는 달리 객체인식을 위하여 보다 높은 광학 성능과 신뢰성, 그리고 최소한의 성능편차가 요구되어 진다. 자동차용 카메라 렌즈 모듈은 극한의 환경조건(방수,고온,저온)에 견뎌내기 위한 설계가 필수이다. 방수방진의 경우 일반적으로 차량 외부에 장착되는 카메라 렌즈모듈의 경우 IP69K 기준이며, 자동차 제조사에 따라 더 높은 신뢰성을 요구하기도 한다.

카메라 내/외부 온도차에 의한 렌즈 내부 결로 현상에 대한 대책 및 세차 등의 외부 요인에 의한 렌즈 손상 방지 설계가 필요하다. 카메라 렌즈의 화각은 인식하고자 하는 대상과 거리 및 차량 속도에 따라 달라지며, Nvidia나 모빌아이와 같은 솔루션 회사 및 자동차 제조사 마다 각자의 자율주행을 위한 시스템 설계에 따라 다양하다.

카메라 모듈 어셈블리
카메라 영상의 신뢰도를 높이기 위해 카메라의 영상 지향각의 정확성 및 왜곡에 대한 제품별 편차 관리가 더욱 강조된다. 현재 자동차에 적용되고 있는 HD급 카메라의 광축 요구사양은 최대오차 ±3 픽셀 및 ±0.5° 정도이나, 이미지센서의 화소수가 올라가고, 자율주행을 위한 시스템에서 카메라 영상을 통한 정확인 도로상황 검출 및 측위를 위해서는 카메라 및 렌즈의 광학적인 지향각에 대한 요구사양은 점점 더 올라간다.

각 기업에서는 단지 보여주기 위한 후방카메라와는 다른 객체검출용 카메라(Sensing Camera)를 위해서 다양한 방법을 검토 및 시행중이며, 대표적인 예가 렌즈와 이미지센서의 Alignment를 자동 설비를 이용하여 진행한다(Active Alignment). Active Alignment는 여러개의 로봇 팔을 이용하여 진행되며, 목표하는 카메라 영상 품질에 따라 6축 조정방식에서 14축 조정방식까지 다양하다.

카메라의 광학적인 지향점 관리 편차를 줄이기 위하여 렌즈 모듈 조립 공정에서 별도의 Alignment 공정을 추가하기도 한다. 일반적으로 조심기(Lens Centering Machine)라는 장비를 이용하여 렌즈 자체의 광축을 조정하는 방식으로 렌즈의 해당 수율을 높이는 방식이다.

글 / 우인성 (세코닉스)

출처 / 오토저널 2018년 6월호 (http://www.ksae.org)