디지털 카메라 센서와 화질

블로그에 카메라 카테고리를 만들고 카메라에 대한 이야기를 정리하기로 마음을 먹었다. 이미 인터넷에는 카메라에 대한 다양하고 전문적인 정보들이 넘쳐나지만 이곳에 직접 글을 쓰며 내용을 정리하면서 스스로 공부를 하기 위함이다. 더불어 알기 쉽게 풀어서 설명을 하면 다른 분들에게도 도움이 되지 않을까 싶다.

디지털 카메라가 최초로 세상에 나온 지 벌써 40년이라는 세월이 흘렀다. 최초로 세상에 나온 디지털 카메라는 1975년 미국 코닥(Kodak)의 개발자였던 스티브 새슨(Steve Sasson)이 발명했다. 

해상도는 100x100으로 1만화소였으며 센서는 CCD였다. 열악한 화질의 흑백사진만 기록이 가능했고 여러가지 이유로 시판되지 못했다.

그 이후 실제 상용화된 최초의 디지털카메라는 소니(Sony)가 1981년에 출시한 마비카(Mavica)라 할 수 있다. 그러나 CCD를 통해 촬영한 사진을 아날로그 방식의 플로피디스크에 기록하는 방식이기 때문에 전자식 정지화상 카메라로 분류되기도 한다.

촬영부터 기록/저장까지 디지털 방식으로 이루어진 최초의 디지털 카메라는 1988년 일본 후지필름이 발표한 DS-1P 이다. 

이후 LCD를 갖춘 최초의 보급형 디지털카메라인 카시오(Casio) QV-10이 1994년에 출시되며 점차 소비자들의 관심을 끌기 시작했다.

일반적으로 디지털 카메라의 화질을 결정하는 순서는 다음과 같다.

이미지 센서의 면적 >> 이미지 프로세싱의 성능 >> 렌즈의 성능 >> 바디의 성능

이미지 센서가 화질을 결정하는 가장 중요한 요소로 볼 수 있다. 그렇다면 왜 하필 이미지 센서의 면적일까?

[출처: http://www.cameraimagesensor.com]

여기에서 한가지 고려해야 할 것은 화소수이다. 한단계 더 들어가면 센서의 픽셀(Pixel) 사이즈이다. 요즘은 대부분의 디지털 카메라가 채용하는 센서는 CMOS 방식이다. CCD와 CMOS는 각각의 장단점이 있으나 각 센서에 대핸 비교는 다음에 기회가 되면 하기로 하자.

CMOS를 풀어쓰면 Complementary Metal-Oxide Semiconductor, 우리말로는 상보형금속산화반도체이다. 이미지 센서는 바로 반도체 트랜지스터를 집적 해 놓은것이다. 결국 반도체의 물리/전기적 특성으로 이미지 센서가 만들어 내는 화질에 차이가 발생한다는 것이다.

[출처: http://www.digitalcameraworld.com]

빛이 렌즈를 통해 어떻게 디지탈 이미지가 만들어 저장되는지를 나타내는 그림이다. 위의 그림에서 보여지는 여러 단계 중에 Image Sensor에서 일어나는 일들로 범위를 좁혀서 살펴 보려고 한다.

Image Sensor는 빛을 감지할 수 있는 Photodiode와 CMOS 트랜지스터로 구성되어져 있다. 빛이 들어오면 Photodiode가 반응하여 전자가 발생하고 아날로그 신호를 발생시키게 된다. 그것을 Analog to Digial 변환을 한 후 디지털 처리를 하여 저장을 하게 되는 구조이다.

시중에 나와 있는 카메라를 보면 동일한 센서 크기라 할지라도 화소수가 서로 다르기 때문에 센서를 구성하는 픽셀 하나의 크기는 자연스럽게 다르다는 것을 알 수 있다.

센서의 크기를 화소로 나누게 되면 센서의 한 픽셀 사이즈를 알 수 있게 되고 결국 픽셀 하나의 성능이 모여 사진의 화질을 결정하게 된다. 물론 화질에 영향을 주는 것은 렌즈부터 센서, 디지털 이미지 처리까지 다양한 부분의 관여되어 있지만 다음편부터 한동안은 픽셀의 크기와 반도체적인 특성에 대해 보려고 한다.