디지탈 카메라 CCD

디지탈 카메라 CCD

              

 사진 출처: 포항디지털카메라 클럽 벽송님

 

CCD는 Charged Coupled Device라는 장치의 약자라고 하는데.

디지탈카메라 렌즈를 통해서 들어오는 빛을 전류로 저장하는 장치로서,
기본적인 원리는 빛 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다는 데에서 출발한다.

 

CCD는 상당히 많은 수의 포토 셀들을 일정한 간격으로 배열해서 만든 반도체의 일종입니다.

격자 순서대로 바둑알을 꽉 차게 올려 놓은 바둑판을 연상하면 이해하기가 쉬울 겁니다.

이 포토 셀을 화소나 픽셀(pixel)이라고 표현하기도 하는데,

각각의 포토 셀들은 빛에 노출되는 순간 전하를 만들어 내죠...

많은 양의 빛을 받을 수록 더 많은 전하를 발생시키며 반대로 빛의 양이 적으면 발생되는 전하 역시 적겠지요...

이렇게 만들어진 전하는 일정한 시간 간격을 두고 계속 축적되는데,

셔터를 누르는 순간 그 때까지 축적된 전하량을 각 화소에서 받아들인 빛의 양을 수치화 하게 되며,

이렇게 만들어진 각 화소의 데이터는 아날로그 형태의 전기신호로 바꾼 후에,

그 전류값을 AD컨버터(ADC)를 통해 디지털값으로 변환시켜서 메모리카드에 저장되는 과정을 거치게 됩니다. 

(*중간에 무슨 이미지 프로세싱하고 압축도 하고 한다는데... 도통 알수가 없으니 그건 패스~)

그런데 CCD에서 저장되는 전하의 양은 빛과 양의 세기에 의해서만 영향을 받을 뿐 빛의 색깔에는 영향을 받지 않는답니다.

결국 CCD는 흑백필름과 같이 빛의 밝기 만을 판별할 수 있다는 것이지요.

 

그래서 각각의 포토셀 앞에 빛의 삼원색인 빨강(Red), 녹색(Green), 파랑(Blue) 등에 해당하는 필터를 배치해 각각의 색 성분 만을 통과시키고,

이렇게 통과된 빛의 양을 전하로 축적 해 데이터로 만들어야 비로서 칼라사진이 됩니다.

예를 들면 파랑색 선글라스를 쓰고 보면 파란색 만을 통과시키기 때문에 세상이 온통 파랗게 보이는 것과 같은 이치랍니다.

 

그런데 하나의 포토 셀에 세가지 필터를 모두 적용할 수 없는 게 문제입니다.

그래서 각각의 포토셀을 R-G-B-R-G-B와 같은 식으로 순차적으로 필터를 입힌 포토셀을 규칙적으로 배열해 그중에 한가지 색 성분에 대한 신호만을 만들어 냅니다.

그러다보니 나머지 두 성분에 대한 신호는 인접한 화소들의 정보를 이용해 적당히 유추해 내는 방식을 사용하게 되죠.

예를 들어 녹색 필터를 통과한 포토 셀에는 파랑과 빨강 색의 성분을 바로 옆의 포토셀의 데이터를 참조해 통계적으로 만들어 내는 것입니다.

 

   

수퍼CCD 허니컴 EXR의 구조도이다.

 

종래의 컬러필터 배열과 EXR 기술의 컬러필터 배열을 비교한 것이다.

픽셀퓨전테크놀로지의 개념도이다. 

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-10-03

 

따라서 똑같은 CCD를 사용해서 만든 디지탈 카메라라고 해도 제조한 회사가 얼마나 우수한 아고리즘을 통해 이를 구현하느냐에 따라서 화질 차이가 나게 됩니다.

이러한 방식을 원샷 원 어레이(One Shot one Array) 방식이라고 부르는데,

색상 재현력이 약간 떨어지기는 하지만 제조 단가를 낮출 수 있어 디지탈 카메라에서 많이 채용합니다.

 

반면에 고급형 디지탈 카메라에서 많이 사용하는 원샷 스리 어레이(One Shot Three Array) 방식은 흔히 3CCD 또는 3판식이라고 부르는데,

이 방식은 렌즈를 통해 들어올 빛을 프리즘을 통해 세가지 색 성분으로 나누고 각 성분에 대한 CCD를 따로 배치해 R, G, B 세가지 성분을 모두 측정하게 되므로,

원래의 색성분을 거의 그대로 재현할 수 있기 때문에 화질이 우수하다는 장점이 있으나 가격은 비쌉니다.

포토 셀에서 측정된 아나로그 형태의 신호는 보통 한가지 색성분에 대해 8비트 크기를 갖는 디지탈 데이타로 변환되는데,

이렇게 세가지 성분을 모두 디지탈로 만드는데는 24비트를 사용하게 되겠지요..

그래서 보통 자연계에 존재하는 색을 표현하려면 24비트 정도면 무난하다고 하여 24비트를 트루컬러라고 부르기도 합니다.

 

그런데 이 CCD가 큰 것이 좋다고 하죠???   

 

CCD의 화소수와 크기는 카메라의 가격을 결정하는데 가장 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있겠습니다.

CCD가 크면 그만큼 받아들일 수 있는 광량과 정보가 많아지지만,

그만큼 가격이 상승하기 때문에 좁은 공간에 최대한의 화소를 집적시키기 위해 많은 시간과 노력이 투자되고 있습니다.

 

 사진 출처: 빛그림 제우스님

 

디카 카탈로그에 보면 보통 "1/1.8 ,400만 화소 어쩌구". "1/2.7 , 300만 화소 저쩌구" 하고 써 있습니다.
"/" 표시는 단순히 나눗셈 기호라는 것은 아실 것이고,
그렇타면 1/ 1.8 이라는 것은 1 나누기 1.8인 셈이죠....
고로 분모가 클수록 실제 크기는 작아지는 것이니깐,

CCD 크기는 1/1.8 > 1/2.7 > 1/3.2 순으로 1/1 즉 1:1이 가장 큰 것이겠지요...
그리고 그 단위는 인치랍니다.

결국 1/1.8에 4백만 화소가 1/1.8에 5백만 화소보다

화소수 대비로는 큰 CCD를 사용하는 것이구나 하는 것을 알 수 있읍니다.

예를 들어 일반 334만 화소급 CCD가 5.52mm x  4.14mm인 것에 반해서,

니콘 D1은 260만 화소 뿐이 안되는데 CCD는 23.7 x 15.6mm로 훨씬 큽니다.

 

고로 같은 공간에서 화소수가 적으면 그 만큼 하나의 픽셀이 받아들일 수 있는 광량이 늘어나기 때문에 낮은 광량시에도 선명한 이미지를 만들 수 있겠지요....

그런 이유에서 260만 화소인 니콘 D1이 334만 화소급 카메라들 보다 훨씬 비쌉니다.  

 

 

참고 문서:하우피씨 2000년 5월호 기사