이미지센서(CCD)의 종류
- 개념 : CCD[charge coupled device] : 메모리 소자의 일종
디지털 카메라에 필름 대신 필름의 역할을 해주는 광센서가 있습니다.
몇몇 방식이 있겠으나, 보통은 CMOS와 CCD로 구분됩니다.
CCD (Charge Coupled Device)
광전효과(일정 주파수 이상의 빛이 입사되면 도체 내부의 광전자가 방출되는 현상)를
이용하여 빛으로 들어온 신호를 전기적 신호로 변환하는 방식
CCD는 기본적으로 흑백만 인식한다 (강약...)
CCD 소자 위에 RGB 필터를 사용하여 각각의 필터에 모인 빛의 양을 측정하여 디지털 신호로 저장
장점
① (상대적으로) 노이즈가 적어 섬세한 색상구분이 용이하다
② 센서의 사이즈의 소형화가 가능하다
③ 정밀도가 높아 의료, 산업장비 등에 사용된다
단점
① 가격이 비싸다
② 주변회로가 복잡하다
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
기본원리는 CCD와 동일하다
센서에 도달한 빛의 연속적인 변환을 통해 데이터를 획득한다
CMOS는 필터를 사용하지 않고 반도체 소자가 직접 빛을 수용한 후
각 화소에 있는 엠프가 전하를 전기신호로 변환 / 증폭하여 디지털 신호로 저장
장점
① (상대적으로) 저전력을 사용한다
② 저렴하다
③ 화소(픽셀)단위로 작동하므로 간섭현상이 적다
④ 데이터(전기신호)를 병렬로 처리하므로 빠른 이미지 저장이 가능하다
⑤ 생산공정이 비교적 간단하다
단점
① 소형화 할 경우 노이즈가 심해진다
② 센서의 크기가 (상대적으로) 크다
③ 정밀한 표현이 어렵다
이런 이유로 CMOS 를 사용하다 CCD 로 옮아갔다가 최근 다시 CMOS 가 쓰여지고 있습니다.
자꾸 유행(?)이 바뀌는것은 디지털 관련기술이 발달하여 노이즈 등에 의한 화질저하를 줄였기 때문입니다
특히 DSLR 의 유행으로 큰 센서가 각광받으면서 상대적으로 크지만 저전력에 빠른 이미지처리가 가능한 CMOS가 관심을 받는다고 생각하셔도 크게 틀린게 아닙니다.
한 가지만 부연한다면... CCD든, CMOS든 우리가 흔히 이미지센서라고 부르는 이 센서들은...
(위에도 언급했듯이) 그냥 광전변환장치(?) 정도일 뿐입니다.
이미지화 하는 것은 여기에 덧붙여진 여러 장치와 필터와 소프트웨어의 역할입니다.
[본론]
디지털 카메라는 렌즈를 통해 들어온 빛을 이미지 센서에 담는다. 따라서, 이 이미지 센서의 성능이 카메라의 화질, 화소수를 결정하는 주요한 요인이 된다. 기술이 발달함에 따라 이미지 센서 성능도 눈부시게 향상되었다. 최근에는, 기존 이미지 센서와는 다른 방식으로 구동되는 새로운 이미지 센서가 나와 사용자들의 주목을 받고 있다. 이들 신개념 이미지 센서는 구동 방식이 다른 만큼, 기존 이미지 센서가 표현하지 못했던 화질과 특수 기능까지 손쉽게 구현해낸다.
독특한 개성과 화질, 센서 특성으로 인해, 이들 신개념 이미지 센서는 이미 디지털 카메라 시장에서 독자 영역을 구축해냈다. 현재, 시장에 출시된 신개념 이미지 센서의 종류와 특성, 장단점에 대해 살펴보자.
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시그마 Foveon 센서는 은염 필름의 구조에서 착안한 신개념 이미지 센서다. 일반 이미지 센서는 빛을 받아들일 때 Red / Green / Blue 등 3가지 색상을 나누어 받아들인다. 이 때, 각각의 색상은 평면 위에 배열된 이미지 센서에 R / G / B가 따로 나누어진 화소에 담기게 된다.
반면, 시그마 Foveon 센서는 R / G / B를 담당하는 화소를 평면이 아니라 3층 구조로 배열했다. 따라서, R / G / B 색상을 한 번에 받아들일 수 있어 높은 색 재현력을 지니게 된다. 또한, 일반 이미지 센서가 R / G / B 이외의 색상은 보간 처리하는 반면, Foveon 센서는 보간 처리가 없어 그만큼 선명한 사진을 얻을 수 있다.
시그마 Foveon 센서는 기본적으로 RAW 포맷 촬영이 주가 된다. 여기에 전용 프로그램인 SPP(Sigma Photo Pro)를 사용하면 보정의 폭이 매우 넓어진다. 이미 프리미엄 콤팩트 카메라 DP 시리즈와 SA 마운트 DSLR 카메라 SD 시리즈의 화질은 사용자들에게 인정받은 바 있다.
(출처 : 다나와)
밭이 넓으면 얻는 수확도 큰가?
이미지센서의 크기를 두고 얘기하는 것이다. 일단 같은 기술력이라면 센서가 클수록 보다 많은 화소 집적도를 이룩할 수 있으므로 동일한 화질로 더 큰 이미지를 얻을 수 있다. 사진의 디테일은 증가하고 대형인화에도 유리하다.
밭이 넓으면 그만큼 농사는 힘들어진다?
판형(이미지 센서)이 커질 수록 카메라 바디는 커지고 시스템의 양은 늘어난다. 무거운 카메라 시스템은 큰가방을 필요로 하고 카메라를 멘 목은 디스크에 걸릴지도 모른다. 물론 가느다란 손목도 조심해야 한다. OTL=3
필요한 용도에 맞는 원하는 이미지 사이즈를 만들어 줄 수 있는 카메라를 찾자. 요구하는 조건을 만족하는 카메라가 클수밖에 없다면?
어쩔수 없는거지.^^;
이미지 센서의 규격을 읽자.
아래는 각종 카메라의 이미지 센서를 표기하고 있는 방법이다. 포서드 센서를 기준으로 하위 레벨은 센서의 직경(인치)으로, 상위레벨은 형태(크롭배율)으로 센서의 종류를 표기하고 있다.
* 다나와(DANAWA) 웹사이트에서 가져온 이미지.
1/2.5", 1/1.8”, 1/1.7” 센서들은 주로 컴팩트 디카, 즉 똑딱이 카메라에 사용되는 센서들이다. 그런데 1/1.8인치 센서를 보면, 센서의 직경이 1/1.8"=14.1mm라는 것인데, 옆에 표기된 실제 센서의 크기(7.18mmX5.32mm)로 피타고라스의 정리를 적용해 대각선의 길이를 알아보면 약 8.93mm 밖에 되지 않는다. 그럼 5.16mm 오차가 생기는데 1/1.8"는 센서의 대각선의 길이가 아니라는 뜻이다. 1/1.8인치라는 이 규격(타입, 형)은 사실 1950년대부터 사용해온 텔레비젼 카메라의 비디콘 튜브(진공관)의 직경을 기준으로 표시하던 방식을 그대로 사용하는 것으로 이미지센서를 쓰는 현재에는 맞지 않은 방식이라고 봐야겠다.(이미지센서의 크기가 조금이라도 커보이게 하려는 의도도 없지는 않다고 보여진다.) 직경이 1/1.8인치인 진공관 튜브의 2/3 면적을 차지하는 센서라는 것을 의미하는 정도로 보면 되며 정확한 실제 센서사이즈는 따로 표기하고 있으니 이를 참고 하면된다.
포서드 센서를 4/3”로 표기하기도 하는데 이를 포함하여 상위로는 크롭형(비율)으로 센서크기를 표기하고 있다. 2.0배(포서드), 1.7배(포베온), 1.6배와 1.5배(APS-C), 1.3배((APS-H), 1:1(FF) 등이 있다. 여기서 APS사이즈는 Advanced Photo System의 약자로 이미지센서의 면적이 필름의 APS-C나 H사이즈와 같은데서 유래한 것. 예컨데 1.7배형 크롭센서라 함은 35mm 필름 크기를 기준으로 1.7배의 크롭효과를 가진 센서라는 뜻으로 50mm 렌즈를 장착하면 50mm X 1.7배 = 85mm 화각으로 촬영할 수 있다는 의미를 갖고있다. 하지만 이는 말그대로 크롭효과이지(화면을 자르는 효과) 35mm 필름카메라에 85mm렌즈로 촬영할때 얻을 수 있는 이미지와는 거리가 있다. 배경흐림이나 원근감은 (85mm가 아닌) 그냥 50mm의 것이다. 그럼 크롭센서는 왜 만든것일까? APS가 필름시대에서 필름과 카메라의 소형화를 위해 만들어졌다면 크롭센서는 단순히 풀프레임 센서(35mm필름사이즈와 같은 크기의 센서)의 가격이 비싸기 때문에 만들어졌다고 볼 수 있다. 하지만 지금은 기술의 발전으로 마이크로 포서드 시스템이나 포베온 센서를 내장한 실용적인 소형제품들이 점차 출시되면서 크롭형 센서들이 본연의 목적을 찾아가고 있는 모습이다.
1:1형 또는 풀프레임 센서는 35mm필름과 동일한 크기를 가진 센서를 말한다. 간혹 풀프레임기종을 통털어 135포맷이라고 부르기도 하는데 이는 다분히 아날로그적인 발상으로 135는 단순히 코닥 35mm 필름의 고유넘버를 의미하는 것으로 승합차를 그냥 봉고라고 부르는 것과 별반차이가 없다.
그런데 풀프레임 센서의 실제크기에서 가로가 36mm라는 것을 알 수 있는데 왜 35mm필름 사이즈와 같다고 하는 것일까? 이것은 실제 36mmX24mm 필름의 전체 세로길이가 35mm이기 때문이란다. - by 지노.
최신 기종, 시그마 DP2에 사용된 Foveon 센서의 실제 화소수는 468만 화소의 3층 구조이므로, 468만 x 3 = 약 1,406만 화소로 보아야 한다. 해상도 자체는 468만 화소(2,652 x 1,768)지만, SPP에서 이를 1,406만 화소 해상도로 확장할 수 있다. 시그마 Foveon 센서는 차세대 이미지 센서 가운데 크기가 가장 크다는 장점도 지닌다. 다소 빈약한 동영상 성능과 고감도 노이즈를 단점으로 꼽을 수 있으나, 이미지 센서 크기가 큰 만큼 향후 개선될 여지가 남아있다.
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후지필름은 이미 수광부 반도체를 육각형으로 배열한 허니컴 센서를 선보인 바 있다, 2008년, 후지필름이 발표한 Super CCD EXR 역시 기존 이미지 센서와 다른 픽셀 구조를 통해 다양한 화질 특성을 지니게끔 한 이미지 센서다. 일반 이미지 센서의 화소 배열과 달리, 후지필름 Super CCD EXR은 R / G / B 화소가 서로 인접해 있는데, 이를 통해 3가지 특성을 지니게 된다.
<일반 CCD>
<Super CCD EXR>
후지필름 Super CCD EXR의 Pixel Fusion 특성은 인접한 화소를 1개 화소로 인식해 수광 면적을 늘려준다. 이를 통해, 빛을 더 잘 받아들일 수 있게 돼 고감도 성능이 향상된다.
Dual Capture 특성은 인접한 2개 화소가 동시에 이미지를 포착하는데, 하나의 화소는 고감도로, 하나의 화소는 저감도로 촬영하게 된다. 이후 이 두 이미지를 합성해 밝은 부분과 어두운 부분 모두 높은 해상력을 지니게 해 준다.
Fine Capture 특성은 인접한 화소를 모두 1매의 이미지 표현에 사용하는 기술이다. 이 경우, 이미지 센서의 모든 화소를 사용할 수 있어 해상도가 늘어난다.
후지필름 Super CCD EXR을 적용한 콤팩트 카메라는 화질면에서 좋은 평가를 받았다. Super CCD EXR은 고급 콤팩트 카메라에서 하이엔드, 최근에는 고배율 줌 및 슬림형 카메라에도 적용될 예정이며, HD 영상 촬영 기능까지 지니게 돼 사용자들의 기대를 모으고 있다. 반면, 화소 배열 구조상 일부 촬영 설정에서는 화소를 절반만 사용할 수 있다는 점은 아쉽게 느껴진다.
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이미지 센서의 원리는 빛을 화소에 받아들여 이것을 전기 신호로 바꾸는 것이다. 이 때, 기존 이미지 센서는 빛을 받아들이는 화소 위에 회로를 장착해야 했기 때문에 빛을 완전히 받아들이지 못했다. 소니 이면조사 CMOS 센서는 이러한 구조를 바꿔, 화소 아래에 회로를 배치하는 방식을 사용했다. 빛이 직접 화소면에 닿게끔 설계한 것이다.
렌즈를 통해 들어온 빛을 바로 수광부로 향하게끔 한 소니 이면조사 CMOS 센서는 동급 이미지 센서보다 감도 수치는 약 2배, 고감도 노이즈 레벨은 1/2 수준으로 억제할 수 있게 되었다. 실제로, 소니 이면조사 CMOS 센서는 스틸 촬영 시는 물론 동영상 촬영 시에도 탁월한 노이즈 억제력을 나타내며, 고감도 사용 시 일어나기 쉬운 디테일 저하도 매우 적다.
소니 이면조사 CMOS 센서는 그 밖에도 다양한 장점을 지닌다. CMOS 계열 센서인 만큼 전송 속도가 빨라 최대 해상도에서 초당 10매 고속 촬영에도 대응하며 1,920 x 1,080 해상도 풀 HD 영상 기능까지 갖추고 있다. 다만, 지금까지는 콤팩트 카메라에만 이면조사 CMOS 센서를 채택하고 있으며 화소도 1,000만 화소에 머무르고 있다. 이미지 센서 제조사인 소니이기에 향후 대형 이면조사 이미지 센서를 DSLR 카메라에 적용할 경우 고감도 성능을 혁신적으로 끌어올릴 수 있을 것으로 예상한다.
이들 신개념 이미지 센서들은 계속 발전을 거듭하고 있어 앞으로 성장 가능성이 매우 높다. 갈수록 뜨거워지고 있는 디지털 카메라 시장 경쟁에서 이들 신개념 이미지 센서는 차별화된 무기가 될 수 있다. 향후 화소, 동영상, 특수 기능 등이 지금보다 더욱 향상된다면, 콤팩트 카메라 시장은 물론 DSLR 카메라, 미러리스 카메라 시장에서도 돌풍을 불러일으킬 것으로 예상한다.