이미지 센서(Image Sensor Or Imaging sensor)는 “피사체 정보를 검지하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치 또는 전자부품”을 지칭하며 익히 디지털 영상기기에서는 필수 핵심 부품 중의 하나이다. 전문적인 지식으로 센서의 원리에 대해 설명하면 좋겠지만 알고 있는 지식도 부족하고 이에 대해 전문적이고 체계적으로 정리된 정보들이 많으므로 이는 각자 검색을 통해 알아보자. 그간 다른 포스팅에서 35mm 필름 평판의 풀프레임(FF)나 APS-C 규격 등에 대해 두서없이 했던 내용의 정리 보충 차원에서 일반적인 디지털카메라의 이미지 센서의 규격과 이에 따른 장담점에 대해 간략히 정리해 보자.
★ 이미지 센서 - CMOS
최근의 디지털카메라에서 이미지 센서는 CMOS(시모스, 상보성 금속 산화물 반도체의 능동 픽셀 센서)가 주류를 이루고 있다. 초기에는 CCD(전하 결합 소자 반도체)가 낮은 노이즈와 넓은 다이내믹 레인지, 넓은 감도 등으로 더 경쟁력을 가지고 있었지만 이후 CMOS 중심으로 연구개발이 이어져 단점(노이즈, 좁은 다이내믹 레인지와 감도)을 보완하고 장점을 최대화하여 현재 카메라의 대부분의 이미지 센서는 CMOS 방식이라고 한다. 장점은 낮은 소모전력과 제조비용과 기계적 안정성이다.
이미지 센서는 렌즈를 통해 들어오는 빛을 받아 전기적 신호로 바꿔주는 장치로 무엇보다 빛을 받아들이는 비율 즉, 수광/집광률이 중요하다. 이미지 센서의 면적이 넓을수록 수광 면적이 증가하고 회로집적률이 낮아지므로 이미지 품질은 좋아진다. 즉, 이미지의 품질은 대부분의 경우 카메라에 장착된 이미지 센서의 물리적 크기에 따라 밀접한 관련이 있다.
일반적으로 이미지 센서의 고화소에 따라 카메라의 성능을 우선적으로 판단하는 경우가 많은데, 이미지 품질은 화소수 만으로 결정되는 것은 아니다. 고화소만큼이나 이미지 센서의 수광률을 높이는 문제는 이미지의 품질 문제와 직결되는 중요한 요소이다.
큰 이미지 센서 규격의 장점을 정리하면 이미지센서의 크기가 클수록 물리적 수광 범위가 넓어지므로 이미지의 품질에서 유리하며, 동일한 화소수 조건하에서 작은 이미지 센서에 비해 상대적으로 회로 집적률은 낮아지고 수광률은 높아지므로 정확한 색표현, 고감도에서의 노이즈 억제, 넓은 동적 범위(다이내믹 레인지-DR) 등 전반적인 이미지 품질에 유리하다.
얕은 심도를 표현하는데 큰 이미지 센서가 유리한 점이 있고 (그냥 얕은 심도에 유리하다라고만 하기에는 꽤 복잡한 구석이 있다) 설명할 내용이 많으므로 자세한 내용은 다음 포스팅으로 기약하고, 간략히 유리한 정도를 요약하면 "동일한 이미지 범위/프레임을 촬영한다는 전제하에 얕은 심도 표현에 있어서 35mm 풀프레임 이미지 센서는 마이크로 포서드 이미지 센서에 비해 약 2 f-stop 정도의 이점이 있고, APS-C에 비해서는 1 f-stop 만큼의 이점이 있다."라고 할 것이다.
반대로 작은 이미지센서의 장점은 어떤 것이 있을까? 장점이 있으면 단점도 있는 것이 세상 이치인지도 모르겠다. 기계적 성능 등에서 이미지 센서의 크기에 대한 장단점은 아래 링크로 대신하자.
<카메라와 렌즈의 구조 37> 카메라 이미지 센서 규격에 따른 차이와 장단점 / Compare camera sensor sizes - advantages & disadvantages of camera
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 디지털카메라의 등장 이후 꾸준히 회자되는 주제, 즉 이..
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이미지 센서의 구조나 작동 방식에 궁금함이 있다면 아래 링크를 참조하는 것도 좋겠다.
<카메라와 렌즈의 구조 31> 디지털 이미지 센서의 구조 I - 이면조사형 센서와 적층형 CMOS / Degital image sensor I. Back-side illuminated sensor, Stackde CMOS
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 비전문적 수다가 마침내 디지털 이미지 센서에 대해 다룰..
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★ 이종교배에서 카메라의 이미지 센서 크기의 영향
수동렌즈 이종교배를 위해 교환용 렌즈를 사용하는 DSLR 또는 디지털 미러리스 카메라에서 이미지 센서의 크기는 화각과 관련하여 영향을 미친다. 수동(MF) 렌즈는 일부 하프 프레임 SLR 카메라(Olympus pen F/FT/FV 등)를 제외하고 대부분은 35mm 필름 평판 풀프레임 카메라 교환용 렌즈로 설계 제작되었다. 따라서 각 렌즈의 초점거리(화각)는 풀프레임 이미지 센서의 카메라에 장착될 때 본연의 초점거리와 화각을 보여준다. 렌즈 본래의 설계된 초점거리와 화각으로 사용할 수 있는 점은 무엇보다 큰 장점이 아닐 수 없다.
APS-C의 카메라에 일반적인 어댑터로 이종 교배할 경우 화각은 풀프레임 기준 화각 X 1.5(또는 1.6) 배의 환산 화각으로 구현된다. 시그마의 포베온(Foveon) 이미지 센서 카메라의 경우에는 X1.7, 마이크로 포서드 시스템 이미지 센서의 경우에는 X2배 한 환산 화각이 구현된다. 따라서 화각의 망원화로 인해 일부 장/담점이 나타나게 되는데, 장점은 망원화로 인한 망원 화각에서 상대적으로 유리하고, 단점으로는 동일한 화각(구도)하에 심도의 차이 등이 표현될 수 있고(풀프레임 이미지 센서가 얕은 심도를 표하기 더 유리하다는 속설은 일응 옳지만, 이 또한 여러 복잡한 조건과 관련되었으므로 이에 대해서는 추후에 자세히 다루자) 본래의 화각이 아닌 환산 화각으로 구현되므로 이종교배 렌즈의 내재된 본연의 광학적 성능을 모두 사용하지 못하는 부분에서는 아쉬움이 남는다.
▶ 참고> WIKIPEDIA 'Crop factor' https://en.wikipedia.org/wiki/Crop_factor
여담으로 동일한 이미지 센서 크기에 화소 수는 많을수록, 고해상력일수록 좋은 것일까?
최근의 일반적인 카메라 성능 비교에서 이미지 센서의 화소수는 카메라 제조사의 기술력 또는 해당 카메라의 클래스를 대변하는 상징이나 지표처럼 여겨진다. 플프레임 기준 5000만 화소의 플래그쉽 카메라가 등장한 지 오래고, 속속 4천만 화소 이상의 보급기 카메라들도 등장할 태세다. 반도체의 회로집적 기술력과 동일하게 일정한 크기의 이미지 센서(FF- 24 mmX36 mm)에 이처럼 높은 화소 수를 구현하는 것은 대단한 기술력이다. 장점은 분명하게 존재한다. 고화소 이미지 센서는 고해상력의 결과물을 가능하게 하고, 많은 픽셀 정보의 평균화를 통해 노이즈 제거와 더 넓은 DR 성능에 유리하다. 하지만 이런 고화소를 위한 회로 집적률의 상승은 몇 가지 문제를 수반한다.
먼저, 고화소의 이미지 센서는 촬영 시의 흔들림에 매우 취약하다. 따라서 최근 출시되는 고화소의 카메라들은 미러 충격과 셔트의 움직임에 따른 흔들림을 방지하기 위하여 이를 전면 재설계하고 손떨림 방지 시스템이 기본적 옵션으로 장착하는 경우가 많다. 그리고 집적률이 높아진 만큼 수광률이 낮아지므로 이를 보완하기 위하여 이미지센서의 구조에 여러 가지 변화를 도모해야 한다. 수광률의 문제는 이미지의 질과 직접적으로 관련되는 요소다. 이를 해결하기 위한 기술적 노력이 필하고, 이를 반영하면 제조비용의 상승으로 이어져서 고화소의 카메라는 곧 고가의 카메라로 직결되고 있다. 대형 프린트나 인쇄물을 제작할 때 이러한 고화소/고 해상도의 이미지들은 적합하다. 전문적/상업적으로 사진을 찍는 사람들에게 고 퀄리티 이미지가 주는 장점은 분명히 존재한다. 하지만 전문적/직업적 사용자를 제외한 일반적인 사용자(준전문가 또는 취미 사진가 등)의 경우에 이런 대용량의 고화소의 이미지가 필요한 지는 곰곰이 생각해 볼 일이다. 일반적인 용도의 프린트나 인화 또는 출판, 웹 등의 사용에서는 1천만~2천만 화소의 이미지로도 충분하기 때문이다.
그리고 고화소화의 문제 중 하나는 생성되는 데이터 용량의 증가로 빠른 전송이 가능한 회로 개선이 필요하고, 고화소로 비대해진 데이터 용량은 이미지 프로세싱 과정에서도 고성능의 하드웨어 성능을 요하고 전송/저장에도 이에 비례해서 부담이 증가한다.
