이 글은 SLRclub의 "멋쟁이호"님께서 올린 글 퍼온겁니다..
CCD 에 대해서 너무 잘 정리하여 쓰신 글이라서요..^^
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CCD의 사이즈와 초점거리
디지털 카메라의 카탈로그를 보면 렌즈의 초점거리가 f=7~21mm 등과 같이 표기되어 있고 35mm환산 초점거리는 38~115mm상당이라는 식으로 별도의 환산 초점거리를 표기하고 있다. 이것은 카메라의 필름에 해당하는 CCD의 사이즈가 일반 35mm필름에 비해 매우 작기 때문에 이러한 용어를 쓰고 있는 것이다.
렌즈를 통해 들어온 빛은 카메라 내부에서 모아져 초점거리만큼 떨어진 위치의 필름 또는 CCD에 상이 맺히게 된다. 그런데 35mm카메라와 같은 화각(사진에 촬영되는 범위, 사람의 시야각과 같다)을 만들려면 디지털 카메라의 렌즈는 매우 작은 초점거리를 가질 수 밖에 없다. 일반적으로 사용되는 1/2인치 CCD의 경우 촬상면의 대각선 거리가 약 8mm로 대각선 거리가 약 43mm인 35mm필름에 비해서 면적비로는 3.6%정도밖에 되지 않는 매우 작은 크기이다.
그런데 이 CCD의 크기가 제품마다 다르기 때문에 동일 화각을 얻기 위한 렌즈의 초점거리가 다르게 된다. 그래서 실제 초점거리와 함께 환산초점거리를 표기하고 있는 것이다.
CCD의 사이즈가 이렇게 작은 이유는 CCD는 반도체이므로 면적이 커질수록 제조비용이 급격히 상승하기 때문이다. 따라서 동일 웨이퍼의 면적에 보다 많은 집적을 해서 가격이 저렴하게 제조하는 것이다. 그렇지만 면적이 넓은 CCD가 감도가 좋은 것은 사실이다. CCD의 면적이 넓을수록 받아들일 수 있는 빛의 양이 늘어나므로 상대적으로 충실한 표현이 가능하다. 현재 35mm필름과 같은 면적의 CCD가 개발되고는 있지만 가격의 문제로 당분간은 일반 소비자용 디지털카메라에 채택되기는 어려울 것이다.
CCD의 원리
CCD는 미세한 화소가 세밀하게 집적된 형태로, 각 화소는 렌즈를 통해서 받은 빛을 전하로 바꾸어서 그 전하를 축적하는 것이 가능하다. 화소는 컨덴서의 기능을 가지고 있는 것이다. 그래서 각 화소의 위치와 전하의 크기를 가지고 명암의 데이터를 얻을 수 있다. 주의할 것은 CCD 자체로서는 컬러 정보를 얻을 수가 없다는 것이다. 단지 빛의 세기만을 알 수가 있다. (컬러 정보를 얻는 방법은 뒤에 설명한다)
그리고 CCD에서 출력된 시점에서는 아직 전하라고 하는 아날로그 데이타이고, A/D컨버터에서 디지털의 수치 데이타로 변환할 필요가 있다.
CCD는 전하의 축적을 담당하며 출력명령이 내려지면 지금까지 축적해온 전하를 출력한다. 그러므로 그 전까지는 들어오는 빛을 계속해서 축적하고 있는다. 이것을 이용해 전자셔터가 가능하다. 필름카메라의 경우 필름에 도달하는 빛을 셔터를 이용해 끊어주게 되는데 CCD의 경우는 원하는 시간만큼 전하를 축적하고 있다가 순간적으로 전하를 출력하면 그것이 셔터속도의 개념을 가질 수가 있다. 하지만 최근의 디지털카메라는 나중에 설명할 어떤 이유로 인해 기계식 셔터를 같이 사용하고 있다. CCD의 제어만으로는 들어오는 빛을 정확히 차단하기가 어려운 점이 있기 때문이다. 그리고 CCD의 스캔 방식에 따라서 반드시 기계식 셔터를 사용해야만 하는 경우가 있다.
CCD와 노출관계
디지털카메라는 렌즈를 통해서 CCD에 입사될 상의 전하의 차를 골라내고, 그것을 디지털 사진 데이터로 만든다. 그렇다면 CCD에 있는 광량이 소량이라고 할지라도 전하의 차 정도를 골라낼 수 있다면 디지털 사진 데이터를 만들어내는 것이 가능하지 않겠는가 하는 생각을 해볼 수 있다. 이상적으로는 빛이 매우 적다 하더라도 전하의 차이를 골라내는 것이 가능하다면, 디지털 사진 데이타를 만들어 내는 것이 가능하다. 그러나 CCD가 그런 이상에 응하기에는 아직 이런저런 문제를 안고 있다.
예를 들면 음전하는 CCD에 빛이 부딪히지 않아도 발행하는 전하로, CCD의 온도가 높으면 높을수록 음전하는 다량으로 발생한다. 발생한 음전하가 전하로써 추가된다 하더라도 그것에 의한 오차가 무시할 만큼이 되기 위해서는 렌즈로부터 들어온 빛에 의한 전하의 절대량을 많게 하는 방법을 생각할 수 있다. 즉 오차를 적게 하기위해 어쨌든 많은 빛을 받아야만 한다는 것이다.
또 빛이 지나치게 많아도 문제는 발생한다. CCD의 각 화소는 축적 가능한 전하량의 최대치가 있다. 빛의 양이 너무 지나치면 이번에는 전하가 포화가 되어서 거기서부터 전하의 차를 골라내는 것이 불가능하게 되어 버린다. 따라서, CCD에도 적절한 광량이라고 하는 것이 필요하게 되어 있고, 여기서 감도라고 하는 구체적인 수치가 나오고 조리개를 포함해서 그 제어에 셔터스피드의 요소가 필요하게 된다는 것이다.
그렇지만 CCD의 기술이 개량되어서 음전하에 의한 오차가 거의 없고 기타 성능이 높아진다면 CCD의 감도는 자유롭게 조정가능하게 된다. 최근의 디지털 카메라는 CCD의 감도를 ISO100~400사이로 자유롭게 조절할 수 있는 기능을 가지고 있는 것이 있는데 아직은 감도를 인위적으로 높여주면 상당량의 노이즈가 발생하고 있다.
화소수의 증가와 노이즈
CCD는 반도체이기 때문에 제조비용을 줄이기 위해 사이즈를 작게 하지않으면 안된다. 35만화소에 비교해 5배 이상 많은 화소를 가지고 있는 200만 화소 CCD도 사이즈는 약 1.5배 정도밖에 증가하지 않아 밀도는 4배 이상이다. 반도체 제조기술의 발달로 인해 소자의 집적에는 문제가 없다. 하지만 그에 따라 저하되는 감도 문제는 여전히 존재하고 있다.
CCD의 밀도가 증가하면 감도가 감소되는 것은 1개의 화소가 빛을 받는 면적이 줄어들기 때문이다. 그렇다면 기존의 1화소가 받던 빛의 양을 그대로 받으려면 셔터스피드를 느리게 해 빛을 받는 시간을 늘려주거나 조리개를 열어주거나 하는 방법밖에 없다. 그렇지만 이런 것은 촬영에 제약 조건이 된다. 셔터스피드가 느리면 손떨림에 의한 흔들림이 발생하고 촬영할 수 없는 장면도 생긴다.
이것을 빛의 양을 가지고 해결하지 않고 전기적으로 해결하는 방법이 신호의 증폭, 즉 게인 업이라는 것이다. 실제로 ISO감도를 100~400까지 조절할 수 있는 것이 있다. 그렇지만 신호의 증폭에 의해 CCD에 원래 포함되어 있던 노이즈까지도 증폭이 되는 부작용이 생긴다. 기존에는 노이즈에 비해 빛의 양을 절대적으로 늘려 노이즈를 감출 수 있었지만 이제는 그럴 여유가 없어진 것이다.
그리고 화상의 계조성에서도 떨어지게 된다. 실제로 얻은 빛의 신호가 4bit밖에 되지 않는 것을 8bit로 증폭하면 그것은 8bit의 계조가 아니라 4bit의 계조를 가지게 되므로 명암의 그라데이션이 딱딱하게 끊어지는 느낌을 가지게 된다.
CCD의 스캔 방식
CCD의 사양표를 보면 인터레이스드 스캔(interlaced scan)과 프로그레시브 스캔(progressive scan)의 두 가지 스캔방식이 있음을 알 수 있다. 인터레이스드 방식은 기존의 비디오용 CCD에서 사용되던 방식으로 화상을 두 번에 걸쳐 나누어 스캔한다. 여기서 스캔한다는 것은 축적된 전하를 출력하는 것을 의미한다. 그런데 두 번에 나누어 스캔하게 되면 한번의 스캔이 이루어진 후 두번째 스캔하기까지 빛이 계속 들어와버려 사진이 이상하게 된다. 그래서 기계식 셔터를 이용해 완전히 빛을 차단해준 후 두 번에 나누어 스캔한다.
그런데 35만화소급 디지털카메라가 주류를 이루던 시절에 새로 프로그레시브 스캔이라는 방식이 사용되었는데 이것은 모든 화소를 한번에 스캔한다. 따라서 두 스캔 간에 시간간격으로인한 오차가 없는 장점이 있었고 따라서 기계셔터가 없이 전자셔터만으로 제어가 가능했다.
그런데 최근의 백만화소이상의 디지털 카메라에서는 다시 인터레이스드 스캔 방식이 사용되고 있다. 그 이유는 같은 CCD사이즈에서 프로그레시브 방식보다 많은 빛을 얻을 수 있기 때문에 상대적으로 감도가 좋기 때문이다.
컬러의 표현
CCD는 빛을 받으면 전하를 축적하는 소자로 빛의 양을 전하적 양으로 변환하는 역할을 한다. 그 말은 곧 CCD 자체적으로는 빛의 명암만을 파악할 수 있고 컬러 정보는 파악할 수 없다는 뜻이 된다.
그래서 디지털 카메라에서 컬러를 표현하는 방법은 그 흑백의 CCD위에 컬러 필터를 씌우는 방법을 사용한다. 컬러 필터를 씌우면 그 색만을 통과시키게 되어서 예를 들어 빨간색 셀로판지를 통해 보면 빨간색만 보이듯이 CCD위에 빨간색 필터를 씌우면 빨간색 빛만 지나가게 된다. 그런 색이 있는 필터를 적절히 배열하면 여러가지 색의 정보를 얻을 수 있다.
그런데 지금 디지털 카메라는 CCD의 한 좌표에 한가지 색의 필터만을 사용한다. 그러니까 원색계 필터의 경우는 G-R-G-B의 순서로 필터를 씌운다. 그러면 한 화소당 한가지 색을 받아들이는데 인접한 화소들이 각각 다른 색을 받아들이는 것이다. 이렇게 되면 사실 한 점은 한가지 색의 8bit의 정보만을 가지게 된다. 그런데 사진은 각점마다 24bit의 3원색이 모두 들어간 트루컬러를 가지고 있다.
그렇다는 것은 CCD에서 얻어낸 8bit의 단색을 가지고 적절한 알고리즘을 통해 24bit의 컬러를 만들어 낸다는 것이다. 그 알고리즘은 인접한 점의 색의 정보를 통해 그 점이 가진 실제 컬러를 유출해내는 알고리즘이다. 그러니까 현재 점 이 빨간색이 어느정도 포함되어 있는데 그 옆의 점들은 녹색이 얼마, 파란색이 얼마 포함되어 있으니까 현재의 점은 실제로는 RGB가 어느정도 섞인 색일 것이다라는 것을 유추해낸다.
그런데 이것은 그 점의 유사한 컬러를 유출해내기는 하지만 정확한 측정에 의한 결과가 아니므로 어느정도 오차가 생길 수 있고 이 알고리즘이 얼마나 우수하냐에 따라 그 디지털 카메라의 색표현력이 좌우된다.
참고로 위에서 CCD는 한가지 색밖에 파악해내지 못한다고 했었는데 그것을 해결하기 위해 각점마다 다른 색의 필터를 씌우는 방법을 사용하는 수도 있지만 아예 CCD를 세 장을 달아서 각 장마다 한가지 색을 파악한다면 제대로된 컬러를 얻어낼 수 있을 것이다. 현재 디지털 비디오 카메라 중에 3CCD(3판식)라고 말하는 방식이 그런 것이다. 렌즈를 통해 들어온 빛을 프리즘을 통해서 3방향으로 나누고 각 방향에서 CCD가 각각의 색을 파악한다. 그런 방식을 쓴 것의 대표적인 것이 소니 TRV900같은 기종이다. 실제로 TRV900은 스틸 사진도 찍을 수 있는데 비록 35만화소급인 640*480의 해상도의 스틸 사진을 만들어내지만 그 색의 재현성으로 인해 화질은 일반 35만화소 디지털 카메라에 비하면 매우 좋은 편이다.
원색계 필터와 보색계 필터
CCD에서 컬러를 표현하기 위해서는 그 위에 컬러 필터를 씌우는 방법을 사용하는데 그 필터의 색에는 4색을 한 조로 한 두 가지 종류가 있다. 원색계는 G-R-G-B(그린-레드-그린-블루)의 색을 사용하고 보색계는 C-M-Y-G(사이안-마젠타-옐로우-그린)을 사용한다.
컴퓨터에서 색을 표현하는 방식은 주로 RGB를 사용한다. 원색계의 경우 RGB정보를 가지고 있으므로 색의 표현은 단순하다. 하지만 보색계필터는 색정보를 RGB로 변환해야 하는 문제가 있다. 보색계는 CMY의 각각의 색에 RGB안의 2색을 포함하기 때문에 RGB로 변환하는 단계에서 G필터를 넣어 받은 정보로 뺄셈의 처리를 해 이것을 만들어 내고 있고, 이 연산에 의해 유효자리수의 버림이 일어나고 분해가능 부족이 일어나 문제가 된다. 따라서 색상의 표현이 원색계에 비해서 뒤지는 단점이 있다.
그렇다면 무엇 때문에 보색계필터를 사용하는가?
보색계필터는 CMY필터를 채용한 화소로 원색계필터에 대해 2배의 빛의 투과율이 있는 특성이 있다. 따라서 백만화소 이상의 CCD에서 집적도의 문제로 인해 감도가 떨어지자 그 보완책으로 보색계필터를 선택하게 된 것이다.
요즘에는 200만화소급의 제품에도 다시 원색계 필터를 사용하는 기종이 나오고 있다. 그것은 CCD의 감도가 그만큼 향상되었다는 뜻일 수도 있으나 그렇지 않은 경우는 취향의 문제이다.
색의 정보를 버리고 감도를 취할 것인지, 아니면 색을 취하고 감도를 버릴 것인지. 실제로 두 방식을 사용한 제품의 샘플사진을 보면 원색계 필터를 사용한 기종은 색의 재현성은 뛰어나지만 세부묘사가 잘 안되고 있고 보색계 필터를 사용한 기종은 색은 부자연스러우나 세부묘사력이 뛰어나다
[ CCD 수치 ]
E-10 이나 G1 같은 카메라의 경우 CCD 크기와 랜즈 초점거리간의 관계가 맞지 않는 것이었습니다. 그래서 인터넷을 조사하여 알게된 사실입니다.
우리가 알고 있는 대부분의 3백만 화소는 1/1.8"(인치) 의 CCD를 사용합니다. 여기서 1/1.8" 는 대각선의 길이를 말하는 것으로 알고 있습니다. 즉 대각선의 길이가 1/1.8" => 0.555" 가 됩니다. 그러나 실제로는 1/1.8" CCD는 대각선의 길이가 0.3517" 입니다.
이렇게 부르게 된 이유는 초기의 TV 카메라에서 진공관식 광 센서가 씌었는데 이 진공관의 지름이 1" (= 2.54cm) 였는데 실제로 진공관에 들어 있는 센서는 16mm 였다고 합니다. 그때의 관습이 남아서 CCD 경우에는 1/3을 과장해서 부른답니다. 실제로 대부분의 300만 화소의 카메라에 쓰이는 CCD는 소니 사의 ICX252AQ 를 사용하느데 소니의 CCD 스펙에는 1/1.8 타입 CCD 라고 하지 1/1.8" 라고 인치 표시를 하지 않습니다.
그런데 CCD가 크면 카메라의 성능이 크게 향상된 것 처럼 보이므로 (카메라 화소의 성능은 단위 CCD의 면적에 비례합니다) 카메라 회사에서는 계속해서 과장해서 인치 표시를 하는 것 같습니다.
그래서 1/1.8" CCD는 대각선이 14.1mm 가아니고 8.93mm 인 CCD 입니다. 마찬 가지로 E-10 에서 사용되는 2/3" CCD(이건 파나소닉 거랍니다)는 대각선이 16.9mm 가 아니고 11.2mm 입니다. 길이 비율로 말하면 50% 과장이 되고 면적 비율로 말하면 130% 과장한 것이 됩니다.
그래서 메이커 측에서 말하는 수치가 과장된 것이 또 있나 주의의 물건을 조사해 봤습니다. 19" 모니터 17" 모니터가 실제로는 18", 16" 이네요. TV 도 실제로는 1"가 작네요. (이건 무슨이유에서 과장하는지 모르겠네요)
PS)CCD 크기를 조사하다 알게 된 것인데 dpreview.com 의 D30 상세 리뷰에 보면 각 CCD, CMS 크기를 비교한 그림이 나옵니다. Phil Askey 가 1/1.8" CCD 그림을 그릴때 잘못하여 가로 폭을 세로
폭 만큼 그리는 바람에 D30의 CMOS 크기에 비해서 1/1.8" CCD 가 실제보다 훨씬 작게 그려졌네요
디지털 카메라에 사용되는 각종 CCD별 크기 비교표입니다.
아래 민문기님의 출력화소별 비교표와 함께 참고하시면 좋을 것 같습니다.
D-SLR의 경우 각 카메라의 스펙비교표를 참고했으며, 그려진 CCD의 SIZE는
유효 FIXEL의 크기입니다.
1/1.8"와 2/3"CCD의 경우는 실제크기가 표시크기보다 작다고 하는군요.
[ CCD 노이즈에 대한 지식 ]
CCD에 노이즈가 생기는 가장 큰 원인은 아마도 암전류(dark current)일 것입니다.
이것에 대해 설명을 하자면, 원래 CCD란 것은 반도체로서 일종의 축전소자(캐패시터)입니다. 그것이 빛에 반응하도록 되어있어서 빛을 받으면서 전하가 축적이 됩니다.
그 원리로 빛을 많이 받으면 전하가 많이 쌓이고, 빛을 적게 받으면 전하가 적게 쌓여서 그 전하량을 가지고 들어온 빛의 양을 판단할 수 있는 것입니다.
그런데 문제는, 꼭 빛을 받아서만이 아니라 다른 이유로도 전하가 축적이 될 수가 있다는 것입니다. 이렇게 쓸데없이 생기는 전하를 암전류(dark current)라고 부릅니다.
여기서 다른 이유란, 회로상의 노이즈라고 할 수 있는데, 온도가 높아지면 활동하는 전하들이 많아지므로 더욱 증가하게 됩니다. 이런 것들은 빛이 없을때도 CCD소자 위를 흘러다니게 됩니다.
이 양이 적을수록 CCD의 노이즈는 줄어듭니다. 그러므로 온도를 낮추어 주는 것이 노이즈 감소에 많은 도움이 됩니다. 참고로 이것은 ISO설정하고는 전혀 관계없습니다. ISO설정은 단순히 카메라 내부 프로그램상의 설정에 지나지 않습니다. ISO설정을 변경해도 CCD가 받아들이는 빛의 양 및 축적되는 전하량은 동일합니다.
그러므로 노이즈를 줄이려면 카메라의 온도를 낮추어주는 것이 중요합니다.
그래서 보통 방열에 유리한 바디 구조를 갖추고 열원과 CCD를 최대한 떨어트려놓는 것이 좋습니다. 주로 열이 나는 부분은 배터리부이므로 배터리파트가 CCD에서 멀어진 그립부분에 위치하는 것도 어찌보면 이런 이유와 연관이 있다고도 할 수 있습니다. 그 외에 E-10과 같은 경우는 알루미늄 다이캐스팅 바디를 사용해서 CCD열을 최대한 바디 전체로 전도시켜 발산하는 구조를 가지고 있다고 합니다.
항간에는 마이크로드라이브 사용시 열이 많이 발생하므로 이것때문에 CCD노이즈가 증가할지도 모른다는 설?도 있습니다. 과연 얼마나 영향을 미칠지는 미지수입니다만...
또한 굳이 조심을 하자면 카메라를 왼손으로 받칠때 CCD쪽이 아닌 렌즈쪽을 잡는 것도 도움이 되겠습니다.
이런 것보다도 확실한 효과가 있는 것은 원래부터 기온이 낮은 곳에서 촬영을 하는 것이겠지요.
요즘 디카에서 적용하기 시작한 노이즈 제거 기능이란 것은 순전히 저의 추측입니다만... 이 암전류를 미리 측정하는 것이 아닌가 합니다. 그래서 촬영하기 전에 CCD에 흐르고 있던 쓸데없는 전하량을 미리 기록해두고, 노출이 끝난 후 들어온 값에서 아까 기록해둔 값을 빼면 순수히 새로 들어온 값을 얻을 수가 있겠지요. 그것과 함께 몇가지 이미지 프로세싱 작업을 통해 노이즈를 획기적으로 줄일 수 있을 것입니다.
<추가사항> 요즘의 노이즈제거 기능은 촬영전 전하량을 기록하지 않습니다. 일단 셔터를 누르면 지정된 노출 시간만큼 노출을 하고 데이터를 저장합니다. 그리고 셔터를 닫고나서 좀전의 노출 시간과 동일하게 CCD에 흐른 전하를 측정하고 그 값을 좀전에 저장한 값에서 뺍니다.
그래서 노이즈제거 기능을 사용하면 장시간 노출의 경우 실제 노출 시간 곱하기 두배의 시간이 필요하게됩니다.
그리고 CCD의 품질 및 사이즈와도 노이즈는 관계가 있습니다. 왜냐면 dark current는 어느 수준으로 일정합니다. 그런데 만약 들어오는 빛이 절대적으로 많아서 이 dark current를 무시할 정도가 된다면 노이즈는 거의 눈에 띄지 않게 됩니다. 그래서 보통 낮보다 밤에 노이즈가 잘 눈에 띄는 것입니다.
또 CCD의 감도가 좋고 면적이 넓으면 빛을 잘 받아들이므로 노이즈가 눈에 띄지 않을 것입니다. 여기서 면적은 한 화소당 면적을 의미합니다. 전체 CCD가 넓어졌다고 해도 화소수가 그 이상으로 늘어나서 한 화소의 면적이 줄어들었다면 노이즈는 증가할 수 있습니다.
요즘 CCD 사이즈는 변하지 않고 화소수만 늘어나는 방향으로 CCD가 개발이 되고 있는데 이 경우 노이즈의 증가 문제를 피해가기 힘들 것입니다.
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