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촬상소자(撮像素子, CCD, CMOS) 2 05-07-21 18:58   
작성자 : 관리자 TEXT SIZE : + -

총화소수(總畵素數)와 유효화소수(有效畵素數)

촬상소자는 화소 전부를 다 사용하여 데이터를 만드는 것이 아니다. 그것은 디지털카메라에 들어있는 촬상소자 전체에 빛이 조사(照射)되게 디지털카메라를 설계하는 것이 어렵기 때문이다. 최종적으로 화상데이터로 출력되어질 때 유효하게 반영되는 화소 수를 ‘유효화소수’라고 한다. 반대로 촬상소자의 화소 총수를 ‘총화소수’라고 한다.


▲ 캐논 1Ds CMOS

유효화소수는 촬상소자 자체의 유효화소수와 디지털카메라에 설치되어 있는 유효화소수가 있다. 촬상소자는 노이즈 원인인 암전류(暗電流) 제거를 위해 빛을 조사하지 않는 영역을 설계한다.이것을 옵티컬블랙(Optical Black)이라고 한다. 차광된 전하가 발생하면 그것이 암전류가 된다. 신호레벨치로부터 옵티컬블랙의 전하 레벨을 당기면 노이즈만큼 제거되기 때문이다.

그래서 촬상소자 자체의 유효화소수는 총화소수로부터 이 옵티컬블랙을 뺀 수치가 된다. 디지털카메라는 실제 정지화상 데이터로서 사용할 수 있는 화소는 더 작은 범위가 된다. 이것을 이미지에리아(image area)라고 한다. 이 이미지에리아를 디지털카메라의 유효화소수로서 이용하기 때문이다. 그러나 이미지에리아 주변에 있는 화상 처리에 필요한 정보를 얻기 위해 화소도 포함하여 유효화소수로서 카운트하기도 한다. 이 이미지에리아 주변의 에리아를 링필셀(Ring Pixels)이라고 한다. 대부분의 디지털카메라의 카달로그 표시는 촬영성능을 표시하는 경우 유효화소수를 첫 번째로 표시하고, 총화소수를 표시 할 경우는 법적으로 유효화소수를 따로 표시해야한다. 현재 발매되고 있는 디지털카메라는 실제의 화상데이터를 만들때 사용되는 화소수가 유효화소수로서 스펙상에 표시되도록 되어있다.

촬상소자의 구조

촬상소자의 최대목적은 빛을 전기신호로 전환하는 것이다. 이것을 광전변환(光電變換)이라고 한다. 광전변환을 하기위해서는 광전효과(光電效果)라는 현상을 이용한다. 광전효과를 쉽게 말하면 특정물체에 빛이 조사(照射)되면 전자(電子)등이 활발하게 움직이게 하는 현상 이다. 촬상소자는 이 광전효과를 얻기 위하여 포토다이오드(photo diode)라 불리우는 부품을 사용한다. 포토다이오드는 빛의 강도에 대응하는 전하를 전류로 만드는 부품이다.
통상은 빛의 강약 변화를 감지하기 때문에 센서(sensor)로 불리우기도 한다. 렌즈를 사용하여 만들어진 상을 가로세로 각각을 아주 작게 분할하는 것을 생각해 보자. 아주 작게 분할하면 할수록 그 분할 된 하나의 영역 중의 화상은 단순하게 된다. 그래서 아주 작게 만들 경우 하나의 영역에서는 하나의 색을 표한 할 수 있게 된다. 이 극단적으로 작은 면적의 최소 단위를 화소(畵素,pixel)라고 한다. 이 화소 수는 많으면 많을수록 원화상의 가까운 상태를 표시 할 수 있게 된다. 반대로 화소 수를 작게 만들면 모자이크로 변화 된다.


▲ 니콘 D2x CCD

디지털카메라의 카탈로그에  300만 화소, 500만 화소 등으로 표시 된 것을 볼 수 있는데 이것은 상을 300만, 500만으로 분할하여 데이터로 만드는 표시이다. 그러나 포토다이오드는 분할된 하나의 영역에 조사된 빛에 대해서만 전하를 발생한다. 즉 포토다이오드는 화소 수만큼 필요하게 된다. 상을 500만으로 분할하여 데이터를 만들 경우 포토다이오드는 500만개가 필요하다. 때문에 디지털카메라에 사용 되는 촬상소자의 포토다이오드는 수 마이크로미터(㎛) 사방 사이즈만큼 작은 크기이다. 1㎛는 100만분의 1m이다. 즉 1mm의 1000분의 1이기 때문에 엄청나게 작은 크기이다. 무수히 많은 포토다이오드에 발생한 전하는 다음 신호로 취급되어 진다. 그러나 수 마이크로미터(㎛) 사방 사이즈의 면적으로부터 얻은 전하는 에너지로써 너무 미약하기 때문에 증폭장치를 통해 큰 에너지로 변화하여 화상 처리의 부품이 인식 될 수 있을 만큼 큰 전기 신호로 만들어 진다. 광전 효과에 따라 분할 된 각자의 영역에 최적에 전하를 발생한다. 그 전하의 양에 따른 신호에 그것을 취급하는 증폭 된 신호를 만들 때 까지 촬상소자가 역할을 담당한다.
그러나 이 신호를 만드는 방법은 간단하지 않다. 예를 들어 수백만 개의 포토다이오드에 배선을 연결하여 회로를 구성하려면 고도의 생산기술이 필요하다. 그래서 각 촬상소자를 만드는 메이커에서는 각자의 방법을 연구하여 같은 화소수라도 성능에서 차이가 난다.

CCD의 원리

촬상소자에는 CCD, CMOS 등의 여러 종류가 있다. 현재 디지털카메라에서 가장 많이 사용하는 것이 CCD라는 촬상소자이다. CMOS 등의 다른 촬상소자도 CCD를 기본으로 하면 알기 쉽기 때문에 우선은 CCD에 대해 설명한다.
CCD는 Charge Coupled Devices의 약자로 전하결합소자(電荷結合素子)라고 한다. CCD는 빛을 전기신호로 변환하기까지 빛을 전하로 변환하여 축척, 전하를 전송, 전하를 전기 신호로 변환의 순서로 이루어진다.

 ● 빛을 전하로 변화하여 축척
이것은 광전효과를 이용한다. 광전효과는 촬상면에 조사 된 빛의 세기에 따라 발생한 전하의 양이 다르게 된다. 즉 강한 빛을 받은 전하는 많이 발생하고 약한 빛을 받은 전하는 적게 발생한다. 따라서 이 전하를 출력할 때 까지 잡아두는 것이 가능하다. 이 성질을 이용하면 전하를 출력으로 취급할 때 300만, 500만으로 나누어진 각각의 화소 간에 명암을 구별할 수 있게 된다. 

 ● 전하를 전송
광전효과에 따라 발생, 축척된 전하는 신호로써 만들어질 필요가 있다. 방식으로써 가장 간단한 것은 모든 포토다이오드로 부터 직접 만들어진 방식이다. 그러나 모든 포토다이오드에 배선을 연결한 회로구조를 CCD에 만드는 것은 곤란하다. 그래서 CCD는 전하를 전송하여 정보를 만든다. 전하의 전송은 CCD에 가장 큰 특징이다. 

 ● 전하를 전기 신호로 변환
포토다이오드로부터 전하가 만들어지면 이 전하를 전기신호로 변환한다. 이 변환은 캐퍼시터라는 부품을 사용한다. 전송되어진 전하는 캐퍼시터(Capacitor)에 전송되여 축척된다. 이 캐퍼시터에 축척된 전압은 전하의 양에 배열되어 변화한다. 즉 전하의 양은 전압에 강약이 되어 전기신호로 변환된다. 이 부품은 전하신호를 전기신호로 증폭되어 증폭기(amp)라고도 불리 운다.

글: 황선구 교수

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