[기술과학] 카메라의 센서 종류(CCD, CMOS)와 풀프레임, 크롭 센서 특징 및 차이점

 

카메라 이미지 센서는 디지털 카메라 및 스마트폰, 태블릿, 디지털 캠코더와 같은 기타 이미징 장치의 중요한 구성 요소입니다. 빛을 포착하여 디지털 이미지를 생성하기 위해 처리할 수 있는 전자 신호로 변환하는 역할을 합니다. 이미지 센서는 기본적으로 기존 카메라의 필름에 해당하는 최신 기능입니다.

카메라 센서의 원리는 들어오는 빛을 디지털 이미지를 생성하기 위해 추가로 처리할 수 있는 전기 신호로 변환하는 것과 관련이 있습니다. 이 프로세스는 센서의 개별 픽셀 요소와 빛의 상호 작용에 의존합니다. 디지털 카메라에 사용되는 센서에는 CCD(Charge-Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)의 두 가지 주요 유형의 센서가 사용됩니다. 다음은 이러한 센서의 작동 방식에 대한 일반적인 개요입니다.

1.CCD(Charge-Coupled Device): 
CCD 센서는 디지털 카메라에 사용된 최초의 이미지 센서 유형 중 하나였습니다. 들어오는 빛에 의해 생성된 전하를 캡처하고 저장하기 위해 커패시터 어레이를 사용하여 작동합니다. 그런 다음 이러한 전하는 순차적으로 판독되고 디지털 신호로 변환됩니다. CCD 센서는 색상 정확도와 다이내믹 레인지가 우수한 고품질 이미지를 제공하는 경향이 있습니다. 그러나 일반적으로 이미지 센서의 다른 주요 유형인 CMOS 센서와 비교할 때 더 많은 전력을 소모하고 느립니다. 

CCD 센서의 각 픽셀에는 감광성 포토다이오드와 전하 결합 소자가 포함되어 있습니다. 빛이 카메라 렌즈에 들어와 센서 표면에 닿으면 포토다이오드에 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 이러한 전자-정공 쌍은 빛의 강도에 비례하는 전하를 생성합니다. 그런 다음 전하가 전하 결합 장치 내에서 픽셀에서 픽셀로 전송되어 순차적으로 측정되고 판독될 수 있습니다. 전하는 궁극적으로 전압 신호로 변환되며, 이를 증폭 및 처리하여 디지털 이미지를 생성할 수 있습니다.

2.CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): 
CMOS 센서는 낮은 전력 소비, 빠른 판독 속도 및 추가 통합 기능으로 인해 대부분의 소비자 디지털 카메라 및 스마트폰에서 지배적인 유형의 이미지 센서가 되었습니다. 동일한 칩의 기능(예: 노이즈 감소 및 아날로그-디지털 변환). CMOS 센서는 빛을 직접 전압으로 변환하는 개별 픽셀 센서 어레이를 사용합니다. 이러한 개별 픽셀 센서는 병렬로 판독되므로 더 빠른 이미지 캡처가 가능합니다. 이미지 센서는 "형식"이라고 하는 다양한 크기로 제공됩니다. 가장 일반적인 형식에는 풀 프레임, APS-C, Micro Four Thirds 및 일반적으로 스마트폰 카메라에서 볼 수 있는 더 작은 크기가 포함됩니다. 센서가 클수록 일반적으로 더 나은 저조도 성능과 더 얕은 피사계 심도를 제공하므로 창의적인 사진 촬영에 바람직할 수 있습니다. 작은 센서는 공간 제약으로 인해 소형 카메라와 스마트폰에 자주 사용됩니다. 

CMOS 센서의 각 픽셀에는 포토다이오드, 마이크로 렌즈 및 판독 회로가 포함되어 있습니다. 빛이 카메라 렌즈에 들어와 센서 표면에 닿으면 포토다이오드에 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 마이크로 렌즈는 포토다이오드에 더 많은 빛을 집중시켜 감도를 향상시킵니다. 각 픽셀의 판독 회로는 생성된 전하를 전압으로 변환합니다. CCD 센서와 달리 CMOS 센서는 모든 픽셀의 신호를 병렬로 읽어 판독 속도가 더 빠릅니다. 그런 다음 전압 신호가 증폭되고 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 디지털 값으로 변환되어 디지털 이미지가 생성됩니다. CCD 및 CMOS 센서 모두 빛을 포착하여 전기 신호로 변환합니다. 이 둘의 주요 차이점은 판독 프로세스를 처리하는 방법에 있습니다. CCD 센서는 전용 전하 결합 장치를 통해 전하를 순차적으로 전송하는 반면, CMOS 센서는 각 픽셀의 신호를 개별적으로 판독하여 처리 속도를 높이고 센서 칩에 추가 기능을 더 많이 통합할 수 있습니다.

두 경우 모두 수집된 전기 신호는 카메라의 전자 장치에서 처리되어 디지털 이미지를 생성합니다. 여기에는 노이즈 감소, 색상 처리 및 톤 매핑과 같은 단계가 포함됩니다. 결과 이미지는 나중에 보거나 추가 편집을 위해 메모리 카드 또는 기타 저장 매체에 저장됩니다. 기술이 발전했으며 CMOS 센서는 전력 효율성 및 판독 속도의 이점으로 인해 더욱 널리 보급되었습니다. 그러나 CCD 및 CMOS 센서는 모두 고유한 장점이 있으며 다양한 응용 분야에 적합합니다.

이미지 센서 성능을 평가할 때 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같습니다.

1.해상도: 일반적으로 메가픽셀로 측정되는 센서의 개별 픽셀 수입니다. 해상도가 높을수록 더 자세한 이미지를 얻을 수 있지만 해상도와 센서 크기 사이에는 균형이 있습니다.

2.저조도 성능: 이는 종종 저조도 조건에서 과도한 노이즈 없이 깨끗하고 상세한 이미지를 캡처하는 센서의 능력으로 측정됩니다.

3.동적 범위: 센서가 이미지의 가장 밝은 영역과 가장 어두운 영역 모두에서 디테일을 유지하면서 캡처할 수 있는 광도의 범위입니다.

4.색상 정확도: 우수한 센서는 색상을 정확하고 생생하게 재현합니다.

5.판독 속도: CMOS 센서는 빠른 판독 속도로 유명하며, 이는 빠르게 움직이는 피사체를 캡처하고 비디오를 녹화하는 데 중요할 수 있습니다.

6.픽셀 크기: 픽셀이 클수록 더 많은 빛을 포착하는 경향이 있으며 특히 저조도 조건에서 이미지 품질이 향상될 수 있습니다.

7.SNR(Signal-to-Noise Ratio): SNR이 높을수록 이미지의 노이즈가 적어 이미지 품질이 향상됩니다.

카메라를 선택할 때 이미지 센서의 유형과 품질을 이해하는 것은 장치의 전반적인 이미지 품질과 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.


그리고 카메라에는 풀프레임 센서와 크롭 센서가 있는데 이 차이를 알아보겠습니다.
"풀 프레임" 및 "크롭 센서"라는 용어는 다양한 크기의 카메라 이미지 센서를 의미하며, 이는 다시 카메라로 촬영한 사진의 시야, 피사계 심도, 저조도 성능 및 전반적인 이미지 품질에 영향을 미칩니다. 이 두 센서 유형의 차이점을 자세히 살펴보겠습니다.

1.풀 프레임 센서:

풀 프레임 센서는 크기가 표준 35mm 필름 프레임과 동일하며 크기는 약 36mm x 24mm입니다.
풀 프레임 센서가 장착된 카메라는 일반적으로 전문적이고 고급 애호가용 카메라에서 볼 수 있습니다.

장점:
더 큰 센서 크기는 더 많은 빛을 포착하는 더 큰 개별 픽셀로 인해 더 나은 저조도 성능을 제공합니다.
피사계 심도가 얕아 배경 흐림(보케)이 뚜렷해지고 피사체를 더 잘 분리할 수 있습니다.
일반적으로 다이내믹 레인지와 색상 정확도가 더 좋습니다.

단점:
풀 프레임 센서가 장착된 카메라는 더 크고 더 비싼 경향이 있습니다.
렌즈와 같은 장비도 더 크고 비쌀 수 있습니다.
망원 상황에서 크롭 센서와 동일한 수준의 배율을 달성하려면 더 긴 초점 거리의 렌즈가 필요합니다.

2.크롭 센서(APS-C, Micro Four Thirds 등):

크롭 센서는 풀 프레임 센서보다 작습니다. APS-C(많은 DSLR 및 미러리스 카메라에서 일반적임) 및 Micro Four Thirds(일부 미러리스 카메라에서 사용됨)와 같은 다양한 크기가 있습니다.

장점:
자르기 센서가 있는 카메라는 종종 더 작고 가벼워집니다.
렌즈와 같은 장비는 더 작고 저렴할 수 있습니다.
망원 사진의 경우 크롭 팩터가 렌즈의 초점 거리를 효과적으로 확장하여 더 많은 배율을 제공합니다.

단점:
일반적으로 더 적은 빛을 포착하는 더 작은 개별 픽셀로 인해 저조도 성능이 약간 감소합니다.
피사계 심도는 풀 프레임 센서만큼 얕지 않아 특정 크리에이티브 효과를 제한할 수 있습니다.
풀 프레임 센서에 비해 다이내믹 레인지와 색상 정확도가 잠재적으로 감소합니다.
요약하면 풀프레임 센서와 크롭 센서의 주요 차이점은 크기, 이미지 품질, 피사계 심도 및 비용과 관련이 있습니다.

풀 프레임 센서는 우수한 저조도 성능, 더 얕은 피사계 심도 및 전반적으로 더 나은 이미지 품질을 제공합니다. 고급 및 전문 카메라에서 흔히 볼 수 있습니다.
크롭 센서는 보급형 및 중형 모델을 포함하여 더 넓은 범위의 카메라에서 찾아볼 수 있습니다. 더 작고 비용 효율적이며 망원 상황에서 "도달 이점"을 제공할 수 있습니다.
풀 프레임 카메라와 자르기 센서 카메라 중에서 선택하는 것은 사진 요구 사항, 예산 및 선호도에 따라 다릅니다. 두 센서 유형 모두 고유한 장점이 있고 다양한 유형의 사진에 적합하므로 결정을 내릴 때 특정 요구 사항을 고려하는 것이 중요합니다.