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<카메라와 렌즈의 구조 42> 카메라의 AF 시스템 - 3. (이미지 센서 상면 위상차 검출 AF 방식) / Auto-focus system (Focal plane phase detection AF system)- part.3 본문

사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure

<카메라와 렌즈의 구조 42> 카메라의 AF 시스템 - 3. (이미지 센서 상면 위상차 검출 AF 방식) / Auto-focus system (Focal plane phase detection AF system)- part.3

잉여로운 삶을 사는 산들 산들 2018.05.12 16:05

Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.


봄 비 오는 주말이니 마음이 여유롭다. 마무리 못했던 수다를 이어가 보자.


▶ SLR/DSLR AF 모듈 시스템과 단점

필름을 사용하던 SLR 카메라의 위상차 검출 AF 시스템은 빠르고 정확한 AF 성능으로 매우 효율적이었으므로 DSLR 카메라까지 기본적인 방식은 그대로 계승되었고, 측거 방식의 정밀도를 보완하는 다양한 방식(다점 측거와 고정밀 위상차 검출 센서 추가 등)의 개선이 이루어졌다. 그럼에도 불구하고 여전히 해결되지 않는 구조적인 단점도 있었는데, TTL 위상차 검출 AF 방식이지만, 위상차 검출만을 위한 AF 센서 장치와 렌즈를 통과한 상을 AF 검출 센서로 보내기 위한 광학계가 별도로 필요했으므로 별도의 광학계와 AF 검출 센서 장치가 결합된 AF 모듈 형태로 주로 활용되었다. 즉, SLR/DSLR 카메라의 광학식 뷰파인더 미러의 일부를 통과한 상을 보조 미러를 통해 별도의 광학계를 통해 카메라의 하단에 위치한 AF 검출 센서 장치를 하나의 모듈로 설계/제작되는 방식이었다.


  • 별도의 AF 검출 센서를 가지는 위상차 검출 AF 모듈 시스템의 문제

SLR/DSLR 카메라의 AF 모듈( AF 광학계 + AF 검출 센서) 유형의 대표적 문제점으로 AF 모듈 장치라는 광학적+전자적 장치의 추가로 인한 제조 비용의 증가 뿐만아니라 AF 모듈과 실제 촬영이 이루어지는 필름 또는 이미지 센서(촬상면) 상을 완전하게 일치하게 하는 설정이 필요했고, 이러한 설정의 정밀도에서 발생하는 오차는 흔히 ‘핀트 문제’라고 불리는 부정확한 AF 오류(광학식 뷰파인더에서 확인한 초점과 AF 센서의 측거 오차로 인한 전 초점 또는 후 초점 현상 - 흔히 전핀/후핀 등으로 불린다.)가 발생하는 원인이 된다. 이는 설계에서 고려된 정밀한 AF 실행에 전혀 부합하지 않는 치명적인 약점 중 하나라고 생각한다. (반드시 모든 경우의 초점 문제가 AF 모듈과 실제 촬영되는 상면과의 설정 오차에서 기인하는 문제라고 할 수는 없다. AF 모듈 내부의 구조적 문제나 여러 문제 등이 복합적으로 발생할 수도 있겠다)

흔히 핀트(Pinto) 핀, 전핀/후핀 등으로 불리는 용어는 일본식 외래어로 잘못 사용되는 단어이지 싶다. 영어 표현에서는 Point 정도가 적절하고, 우리 말에서는 ‘초점’ 정도의 의미로 사용되는 용어로 생각된다. 하지만, 사진과 관련해서 ‘초점’이란 용어가 워낙 다양하고 광범위(광학계의 초점 거리나 포커싱 등등)하게 초점이란 용어를 사용하므로 사진의 상을 또렷하게 맞추는 초점(focusing) 조정과 관련하여서는 핀트라는 용어를 사용하는 것이 아닐까 싶다. 적절한 용어가 아니므로 되도록 사용하지 않는 것이 낫겠다.

문제는 이런 AF 모듈과 실제 광학식 뷰파인더 초점의 오차를 수정하는 것이 사용자가 쉽게 조정할 수 없는 점이다. 실제 촬영되는 상과 뷰파인더 또는 AF 검출을 위한 독립된 광학계/거리계를 가지는 장치에서는 실제 촬영되는 상을 통과하는 광학계와 별도의 광학계/거리계 사이의 정밀한 조정이 필요하다. RF 카메라의 거리계 조정(adjusting)이 대표적인 예라고 할 수 있겠다. SLR/DSLR에서 AF 검출 센서와 이를 유도하는 미러와 결합된 광학 장치 (AF 모듈)는 카메라의 미러 박스 하단 내부에 위치하므로 이 장치의 정밀도에 문제가 발생하면 카메라의 장치 내부의 일부를 분해하지 않고는 이를 조정하는 것이 쉽지 않은 구조이며, 전문 측정 기계의 도움이 필요해 보인다.

RF 카메라의 경우 별도의 뷰파인더와 거리계가 카메라 상부에 위치하고, 거리계와 실제 촬영되는 상의 조정(adjusting)이 비교적 간편하게 할 수 있도록, 조정 장치(조정 나사 등) 등이 접근하기 쉬운 위치에 있도록 설계/제작 되었다.

그리고 AF 모듈 방식의 단점은 측거점의 분포가 매우 제한적이고 카메라 프레임의 중앙부분 또는 프레임의 수직과 수평 일부분 등에 제한적으로 분포/배치할 수 밖에 없고, 따라서 그 외의 측거점이 없는 지점에 대한 AF는 사실상 불가능하다. (물론 프레임을 좌우 상하로 이동하여 초점을 맞추는 등의 꼼수는 있다) 이는 SLR/DSLR 카메라의 광학식 뷰파인더와 AF 모듈의 구조적인 문제에서 기인하는데, 광학식 뷰파인더에 상을 반사하는 주(메인) 미러와 AF 모듈에 상의 정보를 보내는 보조(서버) 미러의 구조 상, 주 미러에 비해 보조 미러는 작게 만들어 질 수밖에 없고, 따라서 AF 센서의 측거 범위는 중앙 일부 지역에 국한되면, AF 센서의 배치 구조나 형태에 따라 중앙 또는 수직과 수평, 때때로 대각선의 일부 측거점만 활성화 될 수밖에 없는 구조다. (한 때는 보급형과 고급형 SLR/DSLR 카메라의 구별 기준으로 AF 측거점의 수나 측거점의 전체 프레임에서 분포 비율 등으로 급나누기하던 시절도 있었다)



▶ 상면 위상차 검출 AF 방식 / Focal plane phase detection AF system

  • 상면 위상차 검출 센서

상면 위상차 검출은 별도의 AF 센서나 모듈 구조로 제작하지 않고, 실제 촬영되는 상이 맺히는 디지털 이미지 센서 상면에 위상차 센서를 위치하는 방식이다. 이는 필름을 촬상소자로 사용하는 SLR 카메라에서의 위상차 검출 AF 시스템에서는 실현하기 어려웠던 방식이기도 하다.

상면 위상차 검출 센서는 이미지 센서의 상면 포토 다이오드 픽셀 일부를 AF 검출 센서로 대체하는 방식이고 AF 측거점의 위치와 갯수 선택에서 자유롭게 선택 가능하다.(실제 카메라 설계/제조에서는 많은 측거점에 따른 분석을 위한 카메라 하드웨어의 연산 능력 등을 감안하여 설계/제조되지 싶다) 따라서 전용 위상차 AF 모듈 방식에 비해 상면 위상차 검출 센서의 측거점은 더 많으며 더 넓은 지역을 커버리지하는 방식이 가능하다. 최신 하이브리드 AF 카메라에서는 콘트라스트 검출 AF 영역 보다 상면 위상차 검출 AF 영역이 더 넓게 나타나기도 한다. 또한 이미지 센서와 별도의 AF 모듈로 구성되던 기존의 SLR/DSLR 전용 위상차 검출 AF 모듈 시스템과 달리 이미지 센서 상면에서 바로 위상차 검출이 가능하므로 모듈과 실제 이미지 센서의 설정 문제로 인한 부정확한 초점 이슈(핀 교정 등의 adjusting)가 발생하지 않는다.

초기의 상면 위상차 AF 센서는 기존 AF 모듈 시스템과 상면 위상차 AF 검출 시스템이 혼합된(이것도 일종의 하이브리드라면 하이브리드라고 할 수 있겠다. Sony의 A99에 적용되었는데 제조사에서는 이를 듀얼 AF 시스템-Dual AF system이라고 불렀다) 과도기적 형태로도 등장하였지만, 최근 디지털 미러리스에는 콘트라스트 AF와 상명 위상차 검출 AF가 혼합된 하이브리드 AF로 인해 AF 모듈은 찾아보기 어렵다.

<출처> 구글링 -SONY A99


  • 상면 위상차 검출 이미지 센서의 단점

이미지 센서의 상을 정보를 수광해서 전달하는 포토다이오드 픽셀(화소) 중 일부를 AF 검출 센서로 대체하여 사용하므로 해당 픽셀은 이미지정보를 받아 들일 수 없고 따라서 상면에 배치된 위상차 AF 픽셀은 데드 픽셀처럼 해당 픽셀 정보가 없는 이미지로 쵤영되므로 이는 이미지 품질에서 일정 화질 저하를 가져온다는 단점이 있다. 이런 단점을 개선하기 위해 픽셀 하나를 반으로 구분하여 각각의 포토다이오드가 본연의 포토 다이오드 역할을 그대로 수행하면서 두개로 구분된 픽셀(화소) 단계에서의 위상차 AF 검출도 가능한  케논의 이미지 센서 듀얼 픽셀 시모스 AF - Dual pixel CMOS AF_가 개발/제품화 되기도 했다.

Canon 'Dual pixel CMOS AF'


하지만, 이런 화질 저하에 대해 민감하게 받아들일 필요가 있을까 싶기도 하다. 즉, 2000만~4000만 화소 수준의 고화소/고해상력 이미지 센서에서 위상차 AF 센서가 차지하는 1,000~20,000개(댓글에서 알려주신 정보를 반영하였다. 생각했던 것보다 상면 위상차 AF 센서의 픽셀 수가 상당히 많다) 의 픽셀/화소가 실제 전체 화소수에 비할 때 차지하는 비율은 상당하지만, 해당 픽셀의 정보를 소프트웨어적인 보정/보간으로 해당 정보를 보충하는 방식 등이 활용될 수 있지 않을까. (이런 소프트웨어적 보정/보간은 기술적으로 어렵지도 않고 디지털 이미지 프로세싱에서 비일비재하게 발생하는 아주 일상적인 기능이다) 즉, 위상차 AF 검출 센서의 위치는 특정되어 있으므로 이미지 프로세싱 과정에서 보정/보간이 이루어지는 것은 기술적으로 그리 어렵지 않아 보인다. 초 고해상력의 품질이 요구되는 이미지가 아닌 일반적인 용도의 이미지 수준에서는 그리 심각하게 걱정해야할 화질 저하는 아니지 싶다.

그리고 상면 위상차 AF 센서는 전용의 AF 센서를 갖는 DSLR AF 모듈에 비해 포커싱의 정밀도에서 더 높다고 할 수는 없다. 하지만, 이런 단점을 초기에는 위에서 잠시 언급한 상면 위상차 센서와 전용의 AF 센서로 상호보완하는 Dual AF system 그리고 최근에는 상면 위상차 AF와 콘트라스트 검출 AF 방식이 결합된 '하이브리드 AF 방식'으로 보완하고 있다.

상면 위상차 검출 이미지 센서 방식은 어쩌면 디지털 이미지 센서의 등장과 함께 당연히 귀결될 방식이 아니었나 생각되기도 한다. 전용의 AF 모듈이 더 효과적이고 이미지 센서 자체의 픽셀 흠결을 방지하여 화질에서 더 우위에 있는 방법이라고 강조할 수는 있지만, 기술적으로나 구조/제조 그리고 디지털 기술이라는 측면에서 보면 간명하고 효과적이며 더 정밀한 방식이라고 생각된다. 물론 위상차 AF 방식이 가지는 근원적인 한계가 있지만, 이를 보완하는 하이브리드 AF 시스템의 등장하였고, 따라서 기존의 Af 방식에서의 장점만을 취하여 현재 가장 주목받고 실제 성능에서도 꽤 만족스러운 AF 시스템이 만들어졌다. 이에 대해서는 다음 수다에서 보다 자세히 다루자.


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4 Comments
  • ㅇㅇ 2018.06.19 00:51 신고 어차피 수다인 거 알고 있지만 촬상면위상차에 대한 설명, 그 원리 자체에 대한 설명이 너무 빈약한 것 같습니다.
    요좀 화면 전역에 상면위상차AF를 이용한 가상 측거면이 구현되는 최근의 미러리스에서 촬상면 AF화소의 숫자는 무시할 만한 숫자가 아닙니다. 십만~수십만 단위로 봐야 하고, 마스킹된 픽셀과 일반 픽셀은 광학적으로 성질이 다르기 때문에 극한 상황에서는 보간되지 못하는 경우가 생깁니다. 소니 기종에서 자주 발견되는, 흔히 '밴딩노이즈' 라고 부르는 (전혀 좋은 단어라고는 안 보입니다만) 줄무늬형 artifact가 대표적인 예시입니다. 각 회사마다 AF픽셀의 배열과 보간법이 다르기 때문에 같은 현상이 보이지는 않지만, 후지필름이나 올림푸스의 기종들에서도 AF픽셀에 의한 artifact가 발견된 바 있습니다.
  • Favicon of http://surplusperson.tistory.com BlogIcon 잉여로운 삶을 사는 산들 산들 2018.06.19 13:14 신고 반갑습니다. 어떤 방식이든 장단점이 있고, 말씀하신 단점 또한 동의합니다. (십만-수십만의 수치는 많이 과장된 듯합니다만) 단점을 보완하는 기술적 시도 또한 기대해 봄직합니다. 부족한 글에 댓글 감사합니다.
  • ㅇㅇ 2018.06.19 15:12 신고 저도 이런 것들을 보기 전에는 설마 그렇게 많겠어? 였습니다마는....
    http://www.fredmiranda.com/forum/topic/1380640
    https://fujifilm-x.com/us/x-stories/x-h1-development-story-6/
    굉장히 많은 픽셀을 투입하고 있고, 따라서 단지 핫픽셀처럼 제외해 버리는 게 아니라 (위상차픽셀의 특성은 의도된 것이고 따라서 컨트롤 가능하므로) 보간법을 사용해서 살려서 쓰고 있다고 생각하는 게 합리적이지 않은가 합니다.
  • Favicon of http://surplusperson.tistory.com BlogIcon 잉여로운 삶을 사는 산들 산들 2018.06.19 22:18 신고 링크의 내용 흥미롭게 읽었습니다. 좋은 정보에 감사드립니다. ^^;
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