Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
렌즈 교환형 카메라 렌즈(SLR, 미러리스, RF 카메라) 등에 대해 수다를 떨다 보니 일상생활에서 항상 접하게 되는 스마트폰이나 태블릿, 또는 노트북 등의 내장 카메라와 비교해 보고 싶었다. 광학 구성이나 작동 원리는 어떻게 다른지 궁금하다.
휴대용 전자기기(스마트 폰 등)에 카메라는 전자기기의 일부를 구성하는 하나의 모듈로 제조되어지는 경우가 일반적이다. 모듈은 호환성을 위해 일부 표준화가 진행되어 표준화 모듈로 제조된다. 화상과 영상을 담는 이미지 센서와 광학부, 포커싱 구동 부분 그리고 프로세스 칩과 본체와의 연결 커넥터 등이 주요 구성 부분이다.
▶ 카메라 모듈의 이미지 센서(CMOS)
카메라 모듈 이미지 센서 크기는 1/3인치 또는 1/4인치 정도의 소형 CMOS 센서가 주로 사용된다.(디지털 이미지 센서에는 CMOS와 CCD 방식이 있지만, 최근의 디지털카메라는 CMOS 방식이 거의 대부분이다) 이미지 센서의 크기는 각 모델별로 소소한 차이가 있지만, 더 큰 이미지 센서를 적용하면 광학부 또한 더 두꺼워지고 커져야 해서 두께가 얇은 휴대용 기기, 스마트폰에 적용하는데 한계가 있다. 하지만 최근의 7mm 내외의 두께 제한 내 고화소/고해상도의 이미지 품질을 위해 고급 스마트 폰 기종에는 보다 큰 센서를 장착하는 추세다. 올해 5월 소니에서 양산 시작한 최신의 EXMOR R5 IMX318은 1/2.6인치 이미지 센서 크기에 2250만 화소에 준수한 기술력을 보여주고 있다. 보통 1인치 크기의 이미지 센서의 소형 콤팩트 카메라와 비교해서 스마트 폰의 이미지 센서는 작지만 화소에서 있어서는 큰 격차를 보이지 않는 수준에 도달했다. 하지만 화질은 화소수만으로 결정되는 것은 아니다.
여담으로 디지털 카메라의 고화소화 추세는 비단 이미지 센서의 픽셀 집적 기술뿐만 아니라 이미지 프로세싱 과정에 하드웨어의 처리 성능 향상과 밀접하게 관련된다고 생각한다. 고화소(해상도)의 이미지나 영상을 처리한다는 것은 정보/데이터 양의 큰 폭의 증가를 의미한다. 고 해상도의 이미지나 영상을 처리하는 프로세서의 하드웨어(전송속도 및 처리속도) 성능의 향상뿐만 아니라 프로세싱 과정의 최적화된 소프트웨어(압축기술이나 코덱 기술 등) 기술에도 주목해야 하지 않을까.
▶ 카메라 모듈의 광학부(Lens)
스마트 폰 등의 카메라 모듈에서 가장 관심이 가는 부분은 광학부의 구성이다. 작은 구경의 렌즈로 어떻게 고해상력의 이미지를 구현하고 어떤 구조와 메커니즘을 가지고 있는지 사뭇 궁금했다. 먼저 스마트 폰 등 휴대기기에 사용되는 카메라의 일반적인 사양에 대해 알아보자. 화각은 이해하기 쉬운 35mm(135 필름 규격) 포맷으로 설명하면 초점거리 28mm~33mm에 해당하며 화각으로는 75도~65도의 광각을 가지고 있다. F/값은 약 f/2.2~2.4 수준이며 조리개가 없는 구조이므로 조절할 수는 없다.
이미지 센서도 축소되었고 광학부 또한 이에 맞춰 축소되었으므로 조리개도 축소하여 장착이 가능한 것은 아닐까? 그러나 작은 포맷의 이미지 센서와 렌즈로 구성된 카메라 모듈은 물리적으로 아주 작은 조리개에서 빛의 회절 현상이 문제된다. 아쉽게도 조리개 장치는 빛의 물리적 성질로 인해 카메라 모듈과 같이 빛이 들어오는 작은 입사동을 가진 렌즈 장치에는 실효성이 없다.
휴대용 전자 기기의 소형 카메라 모듈의 광학계는 어떤 광학 설계를 기반으로 하고 있을까? 이는 익히 우리에게 잘 알려진 쿠크 삼중 렌즈의 광학식을 기반으로 하고 비구면 요소 등을 활용하여 광학적 성능의 향상을 도모하고 있다. 쿠크 삼중 렌즈는 19세기 말에 등장하였고 자이스의 테사나 라이카 엘마의 기반이 된 설계식이지만 그 영향력은 최신의 카메라 모듈에도 흔적을 찾을 수 있을 정도로 유서 깊은 광학 설계식이다.
광학요소의 재질은 플라스틱 '레진'이 주로 사용된다. 광학 유리는 가공 난도가 높고 소형화에 한계가 있으며 생산비용도 플라스틱 사출 방식에 비해 매우 높다. 레진을 사용한 사출 성형으로 비구면의 자유로운 형상으로 손쉽게 제작할 수 있고 대량 생산 및 제조비용도 크게 절감할 수 있다.
카메라 모듈의 광학 구성에서 가장 일반적인 형태로 iphone 6 등에 적용되었던 모듈로 6매로 구성된다. 간명한 구조와 크기에 대한 제한 등으로 광학 줌 기능 구현하는 경우는 거의 없다. 디지털 줌 기능으로 5배 줌이 가능하지만 이는 이미지 센서의 일부분만을 사용하는 기능으로 확대된 만큼 화질 저하가 발생한다.
최근 개발된 스마트폰용 카메라 모듈에서 광학 줌 기능이 가능한 모듈(Corephotonics社 Hawkeye)이 선보이기도 했다. 하지만 이 방식 또한 줌 기능을 활성화하기 위한 별도 모듈을 장착하는 방식이라 부피와 공간의 제약에서 자유롭지 못하고, 구조적으로도 얇은 콤팩트 카메라와 유사한 방식의 직각으로 꺾는 내부 구조를 활용하여 전후 이동이 필요한 줌 구동방식을 상하 또는 좌우 방식으로 전환해서 활용하는 구조로 보인다.
▶ 카메라 모듈의 초점 조정 (Focusing)
초기의 카메라 모듈의 렌즈들은 초점 조정이 필요 없는 '고정 초점 렌즈'(Fixed focus lens) 방식이었다. '고정 초점 렌즈'는 깊은 피사체 심도를 가지고 있어서 근거리부터 원거리 및 무한대에 이르는 넓은 범위에 초점을 맞출 수 있도록 설계된다. 간명한 구조로 매우 근접한 피사체 촬영을 제외하고, 대부분의 일반적 상황에서 초점이 맞으므로 간단한 스냅 촬영 용도의 일회용 필름 카메라에 자주 활용되던 렌즈 방식이다. 대표적으로 Iphone 3 까지의 카메라 모듈이 이 방식의 고정 초점 렌즈였다. 간단한 구조로 제작 가능하고 따라서 제조 비용이 저렴한 모듈을 만들 수 있지만 가까운 거리의 피사체를 촬영할 때 초점이 맞지 않으며, 품질/화질(해상도와 선예도 등)이 좋지 못한 단점이 있다.
최근의 스마트 폰 카메라 모듈에는 초점 조절이 가능한 모듈 구조가 추가되어 설계/제조된다. 따라서 고정 초점 방식을 고집할 이유가 없으므로, 상대적으로 큰 개구로 설계가 가능하며, 작은 개구를 갖는 고정 초점 렌즈 구조와 비교해서 많은 빛을 받아들일 수 있으므로 촬영 이미지의 화질 개선에도 도움이 된다. 작은 카메라 모듈에서 구동 방식은 코일에 전류를 흘려 발생하는 자력을 이용하는 방식이 일반적이다. 초점 조절을 통해 광학적 성능(분해능)과 전반적 이미지 품질이 향상되었고 보다 근접한 파사체의 촬영이 가능하고 전문 카메라의 얕은 피사계 심도와 비교하기에는 많이 부족하지만 낮은 수준의 심도 표현도 가능하다.
'고정 초점 렌즈'는 '고정 초점거리 렌즈'와 혼용되는 경우가 비일비재하다. 초점이라는 하나의 용어로 초점(focus)과 초점거리(focal length) 등으로 모호하게 두가지 의미를 혼용함으로 발생하는 문제라고 생각한다. '고정 초점 렌즈'는 Fixed focus lens를 칭하고 '고정 초점거리 렌즈'는 Fixed focal length lens로 구분하고자 했다. 즉, '고정 초점 렌즈'는 초점 조정이 필요 없는 렌즈(때때로 무-無-초점 렌즈라고도 사용되지만 이 또한 적절해 보이지는 않는다)를 의미하고, '고정 초점거리 렌즈'는 단-單-렌즈로 흔히 지칭되는 단일 초점거리 렌즈를 의미한다. 영어권에서는 단렌즈(Fixed focal length lens)를 프라임 렌즈(Prime lens)로 칭하기도 한다.
앞에서 기술한 스마트 폰에 장착되는 소형 카메라 모듈에서 광학적 구조의 한계로 작용하는 것은 무엇보다 두께에 대한 제한이다. 약 7mm 이내의 두께로 제한(스마트 폰의 두께를 감안한 제한)이 걸려 있으므로 광학 줌을 위한 기능을 구현하는 것이 어렵고, 심도의 표현이나 피사계 심도로 인해 강조되는 원근감/입체감을 표현하는 것에 한계를 가진다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 최근 듀얼 카메라 모듈이 적극활용되는 이유가 아닐까 생각한다.
일반적인 광학 줌 렌즈의 광학 구조와 작동 방 또한 링크로 대신하자.
<카메라와 렌즈의 구조 24> 줌 렌즈와 가변 초점 렌즈의 광학 원리. 그리고 이너 줌(Inner Zoom)의 대하여 / Zoom lens & Vari-focal lens. About inner Zoom
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 어느 듯 여름은 깊어졌고, 사진을 찍으러 나가기엔 날이..
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듀얼 카메라의 활용도는 꽤 넓은 편인데 대표적으로 광각 사용이 가능한 점을 들 수 있다. 각각의 카메라로 촬영된 이미지를 선택적으로 활용하거나 두 개의 카메라가 촬영한 화면을 합성하여 하나의 카메라 모듈로 촬영한 화각보다 넓게 만드는 것이 가능할 것이다. 그리고 심도 표현이 보다 폭넓어진다. 하나의 카메라는 주 피사체를 하나의 카메라는 배경을 촬영하는 것이 가능하고 배경 촬영의 포커싱 정도를 조정하여 배경 흐림(아웃포커싱)등의 표현이 가능하다. 그리고 피사체의 거리에 따른 입체적 표현이 가능하다, 각각의 카메라의 시차 또는 별도의 거리 측정 알고리즘을 이용해서 원근감과 입체적 효과를 구현할 수 있다고 한다. 앞으로 듀얼 카메라 모듈은 하드웨어적 최적화와 이미지 프로세스의 성능 그리고 소프트웨어의 결합으로 그동안 구현되지 못했던 광학적 성능과 새로운 쓰임으로 발전이 기대된다.
보다 자세한 내용은 아래 링크의 글로 대신하자.
<카메라와 렌즈의 구조 45> 스마트 폰과 모바일 기기의 듀얼&트리플 카메라 모듈에 대하여 / About Dual camera module in mobiles
Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 카메라의 구조나 작동 방식에 관심이 많다 보니 스마트 폰 등의..
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미래의 휴대용 전자기기의 카메라 모듈의 발전을 예상하기란 쉽지 않다. 하지만 최근의 특허 관련 기술 동향을 보면 어느 정도 방향성을 예측할 수 있다. 대표적인 몇 가지를 소개해 보자.
최근에도 관련 제품이 나와서 활용되고 있는 다양한 렌즈 컨버터(Lens converter)를 활용한 방식이다. 기술적으로 어려운 부분은 많지 않다. 단지 실제 판매로 이어질 것인지 시장/상품성의 문제가 걸림돌이 아닐까 싶다. 광학 컨버터를 활용하여 화각 등에 변화를 줘서 다양한 효과를 구현할 수는 있겠다.
스마트 폰 카메라 모듈의 두께 제한은 아래와 같이 한번 꺾인(프리즘이나 반사경을 이용한 방법) 구조로 회피 가능하다. 이를 통해 광학부의 두께 문제를 해결할 수 있고 나아가 이미지 센서의 크기 제한의 족쇄도 해결할 수 있다. 물론 모듈의 전체적인 부피는 증가할 수 있지만, 스마트 폰 내부의 설계에서 해당 공간을 확보하면 해결될 문제다. 기존 얇은 초박형 콤팩트 카메라 등에 적용되고 있는 기술이며 제품화하는데 기술상 문제는 없지 싶다.
위의 구조에서 연장하여 광학 줌이 가능한 구조로 설계하는 것이 가능하다. 이미 일부 콤팩트 카메라 등에 활용되고 있다.
이미지 센서의 면을 곡면으로 처리하여 제작되는 카메라 모듈을 예상해 볼 수 있다. 현재 휘어지거나 접는(리플렉스) 액정 등이 상용화되는 상황에서 곡면의 이미지 센서를 만드는 것이 불가능해 보이지는 않는다. 이는 모든 디지털 이미지 센서를 활용하는 카메라, 영상장비 등에 모두 적용될 수 있는 기술이며 이를 통해 구면수차 등 자이델의 5 수차와 색수차에서 괄목할 만한(혁신적인) 개선이 가능할 것이며, 잔여 수차 문제 해결을 통해 화질(분해능) 개선 효과 또한 많은 개선이 있을 것으로 생각된다. 그리고 광학 수차를 감쇄하기 위하여 여러 장의 요소(Element)나 비구면 요소 등의 사용을 배제할 수 있어 보다 간명한 광학 구성의 렌즈 설계가 가능하다.
이런 곡면의 이미지 센서 등장만으로도 고가의 장비가 넘쳐나는 교환형 카메라와 렌즈 시장에도 일대 혁신이 일어나지 않을까? 기존의 평면 이미지 센서의 카메라를 위한 교환용 렌즈들은 호환이 불가능해지겠지만, 설계의 간소화, 제조에서 고난도 공정 배제, 제조에서의 수율 등 전반적인 부분의 개선으로 실제 제품의 가격에서의 혁신도 예상된다. 그래도 골동스러운 올드 렌즈를 좋아해서 기존의 것에 애착을 가지고 사용하는 사람도 많겠지만, 새로운 기술의 진보나 혁신을 너무 기대하는 것도 반대로 너무 삐딱하게 바라 볼 이유는 없어 보인다. 하지만, 렌즈 교환형 카메라에 곡선형 이미지센서는 몇 가지 중요한 문제점을 가질 수 있는데, 교환되는 광학계마다 적절한 곡률이 다르고 이에 대응하는 유동적이고 가변적인 곡면/곡률을 이미지 센서는 기술적으로 그리 쉽지도 않고 실현 가능할지도 의문이기 때문이다.
한 치 앞도 알 수 없는 세상인데 주제넘게도 넓은 오지랖을 자랑하며 돗자리를 너무 활짝 핀 것은 아닌지, 살짝 걱정된다. 간혹 어설픈 무당이 뿌린 쌀알도 물구나무를 서기도 한다. '무당'하니 또 푸른 기와집이 생각나서 답답해졌다.
▶ 2018/12/24 - [사진과 카메라 이야기/사진과 카메라에 얽힌 잉여로운 감상] - 스마트 폰 사진과 전문 디지털 카메라 사진에 대하여 - 폰카 vs DSLR과 미러리스
스마트 폰 사진과 전문 디지털 카메라 사진에 대하여 - 폰카 vs DSLR과 미러리스
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