카메라의 원리 1 - 디지털 카메라의 센서 CCD와 CMOS

과거에는 필름카메라, SLR이라는 것으로 사진을 찍었다. 카메라 안에 필름을 넣고, 셔터를 누르면 필름이 있는 곳으로 빛이 들어와, 필름의 감광물질과 빛이 화학반응을 일으켜 사진을 만들어 낸다. 그리고 사진관에 가 인화를 하면 끝난다.

<25년째 사용중인 Nikon FM2>

 

필자 역시 처음 카메라를 필름카메라로 배웠다. Nikon FM2라는 카메라로, 구입 당시에는 단종된 제품이었으나 아직도 구하려는 사람이 있을 정도로 꾀 명품이다. 이땐 참 찍는 감성(?)이 있었는데, DSLR로 넘어오며 그런 감성은 좀 사라진듯 하다.

 

어쨌든 디지털 카메라로 넘어오며 이제는 필름이 있어야 할 곳에 이미지 센서가 자리잡게 되었다. 필름카메라 시절 SLR(single lens reflex, 일안 반사식 카메라) 이라 불리던 카메라는 디지털 시대로 넘어오며 DSLR(digital single lens reflex)로 이름도 바뀌었다. 필름 시절에는 골치아픈것이 없던 그냥 기계식 카메라였던것이 디지털로 넘어오며 굉장히 복잡한것이 많아졌다. 전자장비가 수도없이 추가되었으니 그럴만도 하다. 여기서 다루고자 하는것이 바로 DSLR의 핵심 중 하나인 CCD와 CMOS이다. CCD가 먼저 개발되었고, 이후 CMOS가 개발되었으니, 개발 순서에 따라 알아 볼 것이다.

CCD와 CMOS에 대하여 자세히 이해하려 하면 다소 어려운 내용이 많기 때문에, 여기서는 핵심만 다루고자 한다.

  1. CCD

CCD는 Charge couple device의 약자로, 우리말로는 전하결합소자라고 한다. 빛을 받아 전하로 변환하여 디지털 형태의 이미지로 바꾸는 센서를 말한다. 

 

<CCD sensor(출처 : https://cpn.canon-europe.com/content/education/infobank/capturing_the_image/ccd_and_cmos_sensors.do)>

CCD 센서는 수많은 작은 네모 격자가 모여 만들어진다. 각 네모격자를 픽셀(pixel)이라고 한다. 픽셀 하나하나는 너무 작아 눈에 보이지 않지만, 촬영된 사진에서 픽셀을 간접적으로 확인해 볼 수는 있다. 사진을 가능한한 최대로 확대하면, 단

 

<CCD의 구조(출처 : https://slideplayer.com/slide/1592674/)>

 

위 픽셀 하나하나가 보인다. 위 Nikon FM2 사진을 한번 확대해 보면 아래 그림과 같이 작은 픽셀 하나하나를 확인할 수 있다.

픽셀의 수가 많으면 많을수록 사진의 품질이 좋아진다. 일반적으로 몇만화소니 하는것이 바로 픽셀의 개수를 의미하는 것이다.(하지만 픽셀 수가 지나치게 많다고 하여도 사람 눈으로 인지하지 못한다. 사진 용량만 커지고 가성비가 떨어진다는 소리.) CCD의 픽셀 하나하나는 빛을 수신하고, 빛의 세기에 비례하는 전류를 흘려 보낸다. 이 센서에 사용되는 것이 포토다이오드(광다이오드)이다. 포토 다이오드에 대해서는 여기서는 정확하게 언급하지는 않으나 빛이 없으면 전류를 흘려보내지 않고, 빛이 들어올때만 전류를 흘려보낸다. 그리고 빛이 많을 수록 큰 전압이 걸려, 빛의 양과 전압은 이론적으로 거의 비례한다.

<CCD의 신호 수신 원리(출처 : https://www.elprocus.com/know-about-the-working-principle-of-charge-coupled-device/)>

 

각 픽셀은 수신한 빛 전류를 그 아래 인접 픽셀로 순차적으로 보내 가장 아래에 있는 serial register of horizontal로 보낸다. 그럼 여기서 다시 초록색 화살표 방향으로 전류를 흘려 보내고, 각 픽셀에서 수신한 전류 양을 ADC(아날로그-디지털 컨버터)가 디지털 숫자로 변환하여 이미지로 구현한다. 단 하나의 ADC가 모든 픽셀의 광량을 다 측정하고 디지털 신호로 바꾸다 보니 처리속도가 느려진다. 하지만, 하나의 ADC가 신호를 바꾸니 쉽게 말해 기준이 명확하다. (후술할 CMOS는 그렇지 못하다.) 그리고 디지털로 바꾸는 과정에서 노이즈(잡음)가 발생하는데 이를 read out noise라고 한다. 단 하나의 ADC만 있기 때문에 노이즈가 적다.

 

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  2. CMOS

CCD의 느린 처리속도를 보완하고자 개발된 것이다. CCD는 ADC가 단 하나만 있기 때문에 각 픽셀의 수신정보를 인접 pixel로 순차적으로 보내는 방식으로 최종적으로 디지털 신호로 변환한다. CMOS는 이 ADC가 모든 픽셀에 다 박혀있다고 생각하면 쉽다.

<CCD와 CMOS의 차이(출처 : https://www.gatan.com/techniques/imaging)>

당연히 처리속도가 CMOS에 비해 빠르다. 하지만 디지털 변환장치게 pixel수만큼이나 많기 때문에 노이즈가 심하고, ADC마다 디지털 신호로 바꾸는데 처리 기준이 조금씩 다르다 보니 오차가 발생한다. 사진의 선명도가 떨어질 수 있다는 소리이다. 그래서 처음에는 CMOS의 성능은 CCD에 크게 뒤쳐졌다. 하지만 캐논카메라의 기술개발에 힘입어 지금은 노이즈 억제력은 물론 CCD가 필요없다고 생각될 정도로 뛰어나게 발전하였다.

 

지금 대부분의 일반 카메라에는 CMOS가 쓰이고 있다. 처리속도가 월등하게 빠르기 때문이다. CCD는 어디서 쓰일까? 일반적인 분야는 잘 모르겠지만, 천문학 분야에서는 절대적으로 CCD만을 사용하고 있다. 바로 ADC의 개수 때문이다. 서로 다른 픽셀에 동일한 개수의 광자가 들어와 전류로 바뀌었다 하여도 서로 다른 ADC가 이를 측정하면, 앞서 이야기한 것처럼 같은 광자로 인식하지 못하는 경우가 발생한다. 그러나 ADC가 하나라면, 쉽게 말해 기준이 하나(평가관이 하나)이기 때문에 동일한 광자로 인식할 수 있다. 

 

  3. 광 센서가 하는 역할

CCD이건 CMOS이건 하는 역할은 동일하다. 각 픽셀에 얼마만큼의 빛이 들어왔는지를 수치로 표현하는 것이다. 그럼 이미지 프로세싱 과정을 거치며 해당 픽셀에 빛이 많이 들어올 수록 흰색, 적게 들어올 수록 검정색으로 표현하는 것 뿐이다. 색깔은? 픽셀은 색깔을 알지 못한다. 색깔을 알려면, 포토다이오드가 파장별로 얼마나 많은 빛이 들어왔는지를 판단해야하는데 포토다이오드는 단순히 빛이 많이 들어오면 전압이 높게 걸리고, 적게 들어오면 전압이 낮게 걸리게 할 뿐이다. 결국 CCD나 CMOS로 찍은 사진은 기본적으로 회색으로만 나온다.

  이 부분은 일반사진촬영에서는 매우 중요하다. 사진을 찍었는데 색은 없고 오로지 회색이라면, CCD나 CMOS를 쓸 이유가 없다. 하지만 천문학 분야에서는 중요하지 않다. 천문학에서는 파장별로 어느정도의 빛이 들어왔느냐만 중요할 뿐, 해당 색을 가시적으로 눈으로 볼 필요가 없기 때문이다.(색 조차도 숫자로 표현하는 이공계들인데...)

 

<CCD와 u, g, r, i, z로 촬영한 천체이미지(출처 : low redshift quasars in the SDSS stripe 82. The local environments)>

위의 사진을 보면 알 수 있듯, 수 많은 별들은 그냥 하나의 점으로 찍힐 뿐이다.

 

<플레이아데스 산개성단>

 

위 그림은 꾀 유명한 성단인 플레이아데스 산개성단이다. CCD에서 촬영한 이미지는 아래와 같다.

 

<CCD의 U, B, V 필터를 이용해 촬영한 플레이아데스 산개성단>

 

그렇다면 지금 카메라에 이용되는 CCD와 DSLR은 어떻게 색을 구현하는 것일까? 이에 대해서는 다음 포스팅에서 알아보도록 할 것이다.

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