디지털 카메라의 핵심 - 센서(sensor)에 대하여
디지털 카메라의 심장인 이미지 센서는 수백만개의 조그마한 광소자(photodiode)를 포함하는 실리콘 칩이다. 포토다이오드는 간단히 말하면 빛을 받아들여 광신호를 전기적인 신호(전류 혹은 전압)로 바꾸어주는 반도체 소자라고 생각하면 되겠다.
우리는 흔히 디지털 카메라의 픽셀(pixel - picture elements의 줄임말) 수에 집착하는 자신을 발견하곤 하지만, 최종적인 결과물인 이미지는 픽셀 수에만 의존하는 것은 아니다. 이미지의 퀄리티는 픽셀의 수 뿐만이 아니라 이미지 프로세스 엔진과 A/D converter(아날로그-디지털 신호 변환기)가 함께 작용하여 노이즈, 선예도와 색의 재현이 관여하는 복합적인 과정이 포함되어있으므로 센서에 대해서, 그리고 이미지 처리 과정을 이해하는 것이 좋은 이미지를 얻는데 조금이나마 도움이 되지 않을까 해서 살펴보기로 한다.
우선 픽셀의 기본적인 역할은 개별적인 소자가 빛을 받아들이는 것에 있다. 빛의 밝기에 비례하여, 밝은 빛은 빛을 더 받아들이고, 어두운 영역의 소자는 빛을 적게 받아들이는 역할을 하게 된다. 일단 센서가 빛을 받아들이면 전하(electrical charges)로 변환되어 A/D 변환기에 의해 측정가능한 전압값으로 전환된다. 여기서 이미지 센서는 아날로그이며 디지털 이미지로 처리. 변환되게 된다.
이 때, 이미지 구현에 필요한 A/D 변환기만 좀더 필요하게 된다.
실제로 이미지 센서에는 이미지에 사용되는 화소(유효화소 effective pixel) 수보다 좀더 많은데 이를 두고 총화소(total or gross pixel)라고 한다. 앞에서도 언급했지만 내가 DSLR을 알기전인 작년까지만해도 화소수가 많아야 이미지가 더 좋아질 것이라는 생각만했었다. 하지만 좀더 들여다보면 pixel size 또한 이미지의 퀄리티에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
< Pixel Size >
화소 수가 많을 수록 해상도(resolution)가 좋아지고, 화소 크기가 커질 수록 이미지의 퀄리티가 좋아진다. 개별 화소가 커지면 빛을 받아들이는 영역이 커지게되어 더 풍부한 빛을 표현할 수 있다는 말이다. 신호-노이즈 비율을 크게 증가시켜 노이즈를 줄이는 효과를 얻을 수 있고 결과적으로 더 높은 ISO speed값에서 적은 노이즈를 얻게된고 반면 과도하게 빛을 받아들이는 화소를 줄일 수 있는 효과가 있다고 한다.
예를 들어 니콘 사의 full frame (36x23.9mm) 카메라 D3와 이보다 1.5배 작은 센서(23.6x15.8mm)를 가지고있는 D300을 비교해본다. 모두 CMOS 타입의 이미지 센서를 사용한다.
D3는 12.1 메가 픽셀이며 화소 크기는 8.5마이크론(micron 혹은 micrometer : 1미터의 백만분의 일)이고, D300은 12.3 메가 픽셀의 화소수를 가지는 반면 화소 크기는 5.5마이크론으로 D300보다 작은 개별 화소 크기를 갖는다.
따라서 D3의 경우 우리는 더 높은 ISO값에서 적은 노이즈를 얻을 수 있을 것이고, 더 나은 이미지 퀄리티를 기대하게 될 것이다. 개별 화소의 크기가 D3의 경우 더 크기 때문이다.
약간 다른 얘기이지만 동일한 개별 화소 크기를 가진 센서를 사용하더라도 이미지 퀄리티를 증가시킬 수 있는 방법이 있다. 기본적인 아이디어는 광소자사이의 간격을 줄임으로써 적은 수의 화소를 가지고도 더 많은 빛을 효과적으로 모을 수 있다.
이미지는 Vinnie님의 캐논 클래스에 나온 microlens gap에 관한 다이어그램을 참조하시기 바란다. (http://nydialogue.tistory.com/35)
예를 들어 Canon EOS-1D Mark III(줄여서 Mark III, 10.1메가픽셀) 와 Canon EOS-1Ds Mark II (줄여서 Mark II, 8.2메가픽셀)를 비교해보자면, 개별 화소의 크기는 Mark III과 Mark II는 모두 같은 7.2마이크론이다. 하지만 최근 모델인 Mark III의 경우, 빛을 받아들여 광소자(photodiode)에 초점을 맞추어주는 microlens의 크기를 크게하고 이들 사이의 간격을 줄여서 더 많은 빛을 효과적으로 받아들일 수 있게 한 것이다.
< Sensor Size >
이미지 센서의 크기는 주어진 렌즈의 화각(angle of view)와 심도(depth of field)과 화소의 크기에도 영향을 미치므로 중요하다. 만약 동일한 초점거리 50mm의 렌즈를 사용했을 경우 Full frame sensor(36x24mm) 카메라의 경우 35mm 필름 카메라와 동일한 화각을 확보할 수 있게된다. 따라서 위에서 언급했던 니콘 D3와 D300의 경우 D3는 D300보다 동일한 렌즈를 사용하더라도 최종 이미지에 담기게되는 시야가 다르며 D300이 실제로 더 적은 영역의 이미지를 얻게된다는 것이다.
이에 관련한 변환 수치를 focal-length factor(또는 crop factor, focal length multiplier)라고 하는데 니콘의 경우 대부분은 1.5이며 내가 가지고 있는 Olympus E-420의 경우 이 변환 수치가 2.0이다.
내 올림푸스 E-420에는 초점거리 25mm 인 단렌즈가 물려있다. focal-length factor가 2라고 했으므로 35mm 필름카메라에서는 50mm 단렌즈를 통해보는 화과 동일하다는 얘기가 되겠다. (물론 이미지 센서의 가로 세로 비율이 4:3이므로 일반 필름 카메라의 3:2 비율하고 다르다는 점은 무시하기로한다. )
자료출처
http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-sensor-size.htm
내가 가지고 있던 니콘 D50의 focal-length factor가 1.5였으므로 필름카메라에서 쓰던 초점거리 50mm 단렌즈를 D50에 물려서 사용하면 실제 필름카메라에서 75mm 초점거리에 해당하는 시야를 가지고 사진을 찍게된다는 말이다.
따라서 35mm 필름카메라에서의 광각 렌즈를 full frame이 아닌 DSLR에서 사용하게되면 더이상 광각은 아닌 것이다.
반면 장점은 있다. 작은 크기의 디지털 센서를 갖는 DSLR은 보다 작고 가벼운 망원렌즈(값도 저렴한..^^)를 가지고도 35mm 카메라에서 쓰던 무겁고 큰 망원렌즈와 동일한 화각을 얻을 수 있다는 점이다. 물론 더 큰 조리개를 사용할 수도 있으므로 셔터스피드의 활용에 있어서 좀더 폭넓게 표현할 수 있게 될것이다. 따라서 스포츠나 풍경 혹은 야생 동물 촬영시에 보다 유리한 기동성과 표현을 얻을 수 있을 것이다.
< Color >
지금까지 오래 사용되어오던 CCD 센서와 최근에 많이 사용되기 시작하는 CMOS 이미지 센서는 색을 받아들이는 것이 아니라, 단지 밝기(brightness-센서에 도달하는 빛을 알갱이photon의 수가 얼마나 되는가에 대한 정도)만을 측정한다. 색정보를 얻는 방식은 일반적으로 다음과 같다.
센서에는 red, green, blue filter가 부착된 화소의 배열로 구성되어있다. (Bayer pttern). 따라서 각각의 화소는 각각의 색필터로 덮혀있고, 이들은 단지 각각 빨강, 초록, 파란 빛을 받아들이게되는데, demosaicing이라는 처리방식을 통해 카메라는 한 화소 바로 주변의 색정보를 통해 그 화소외 두개의 다른 색정보를 유추해내는 것이다.
< Sensor Sensibility >
ISO speed - 디지털 카메라에도 필름에서 쓰던 필름으 다른 감도를 보다 쉽게 변환해서 노출을 결정할 수 있게되었다. 큰 ISO 값을 쓸수록 노이즈가 많아진다는 것은 대부분 알 것이다. 이것은 필름에서 높은 감도의 필름을 쓸수록 더 큰 입자(grain)을 볼 수 있는 것과 비슷한 경우다.
디지털 카메라의 큰 ISO값은 이미지 데이타를 A/D converter(아날로그-디지털 신호 변환기, 이미지 센서는 사실 아날로그이지 디지털 디바이스는 아니다.)로 전송하기 전에 이득값(gain 신호강도)을 증가시켜서 얻게된다. 이 과정에서 노이즈가 발생한다는 얘기다. 개인적으로는 노이즈의 많고 적음 정도를 구별하기가 힘들지만, 테스트결과를 보면, 요즘나온 대부분의 DSLR의 경우 대개 ISO 800이나 1600에서도 노이즈를 효과적으로 줄인다고 한다. (개인적으로는 ISO 800정도 까지는 노이즈가 얼마나 많은지 구별이 잘 안됨) 따라서 노이즈를 최소화하려면 가능하면 기본 ISO값으로 사용하는 것이 노이즈를 최소화하는데 좋을 것이다.
http://www.canon.com/camera-museum/tech/report/200709/report.html
< CCD vs. CMOS >
현재 DSLR에서 사용중인 이미지 센서의 종류는 CCD 나 CMOS 방식이다.
그동안 대부분의 DSLR이 CCD 센서를 사용해왔고, Canon에서는 자체 CMOS 센서를 개발해서 지금까지 수년간 적용해오고 있다. 이것이 Canon이 DSLR에서 선두자리를 지키고있는 이유중의 하나일 것이다. 최근에는 대부분의 카메라회사에서 CMOS를 개발해 하이엔드 카메라에 우선 적용하고 있으며 점차 확대되어가는 추세라고 볼 수 있겠다.
CCD는 charged-coupled device를 의미하며 전하(charge)를 이동시키는 방식 혹은 칩으로부터 이미지 신호를 읽어들이는 방식을 말하고있다. 간단히 CCD는 아날로그 방식의 일련의 저항 구조라고 보면 되겠다. 빛 혹은 이미지가 CCD에 도달하게되면 여기에서 빛의 세기에 비례하여 전하를 생성,축적하게되는데(일종의 capacitor) 이 전하들을 이웃하는 영역으로 계속 전달해간다. 이 배열의 마지막에 있는 capacitor는 이 전하들을 전압(voltage)신호로 바꾸어주고 칩외부의 이미지 처리 회로에서 이 신호를 증폭시킨 후 A/D converter로 디지털 신호로 바꾸어주게된다.
이러한 방식은 정확한 장점이있으나 속도가 다소 느리고 칩 외부의 이미지 처리 회로의 비중이 늘어나 이러한 회로가 많이 필요하게된다. 따라서 전력 소모가 많아지게되고 결국 배터리 수명을 빨리 감소시키게되는 것이다.
CMOS는 Complimentary metal oxide semiconductor를 의미하며 위에서 언급한 capacitor의 제조에 산화금속(metal oxide)이 사용된다. 이 방식은 현대 VLSI(Very Large Scale Integration)반도체 기술의 근간이 되고있다. 기본적으로 CMOS도 또한 빛을 받아들여 전하가 생성되어 이미지를 저장한다는 아이디어에서는 다를바없다. 하지만 CCD와는 달리 CMOS에서는 개별 광소자(photodiode)에 전하(charge) 를 전압(voltage)신호로 바꾸어 증폭시키는 기능이 다 이루어진다는 점이 다르다. 즉 전압신호로의 전환이 CMOS내부에서 다 이루어진다. 또한 칩내부체서 노이즈 감소 처리가 이루어진다. 따라서 전하를 전송하는 방식의 CCD와는 달리 전압신호를 전달하는 CMOS는 전력 소모가 그만큼 감소하게된다. 또한 데이터의 전송에 있어서 기본적으로 1차원적인 CCD와는 달리 다양한 전하 통로를 통해 동시에 전하 신호값을 얻으게되어 좀더 빠르고 전력소모는 적게된다. 결국 좀더 오래 배터리 수명을 유지할 수 있다.
참고로 모든 Canon DSLR은 현재 CMOS를 사용하며 Nikon에서는 D40, D60, D80, D200까지는 CCD, D300부터 D3에는 CMOS를 사용중이다. 한편 Olympus E series는 live MOS라는 센서를 사용하고 있는데, 전통적인 CMOS보다 빛을 모아주는 영역이 더 크다. 이 live MOS는 현재 포서드 시스템을 적용중인 일부 Leica(Leica Digilus 3)와 모든 Panasonic 제품에서 적용되고있다. 이 live MOS는 색처리정보와 밝기 신호를 분리시켜 live view에서의 밝은 디스플레이를 위한 빛의 증폭을 가능하게 했다.
간단히 정리하자면
CCD는 기본적으로 노이즈 발생이 적고 이미지 퀄리티가 나은 반면, 다소 느리고 전력 소모가 상대적으로 많다.
CMOS는 처리 속도가 상대적으로 빠르고, 적은 전력손실로 배터리 수명을 늘려주었다. 한편 센서 제조단가가 상대적으로 낮아서 하이엔드의 가격 하락에 큰 영향을 주었다. 또 칩하나로 live view의 구현을 가능하게 했다.
CMOS에 관한 동영상 자료
http://www.canon.co.kr/technology/business/index.html
<자료출처 : PC Photo Magazine July/August 2008 요약 번역>
Vinnie님의 캐논 클래스 - 센서에관한 강의
http://nydialogue.tistory.com/35
보다 쉽게 내용을 정리하려고 했으나 아직 이해가 부족해서 한계가 있군요.
틀린점을 지적해주시면 곧바로 수정하도록 하겠습니다.
