디지탈 카메라 이미지센서의 얼개

[step(45 주성철)]

디지털 카메라의 이미지센서는 렌즈를 통해 들어 온 빛을 전기신호로 변환하고

이를 다시 디지탈 데이타로 변환하는 기능을 합니다.

디지털 카메라의 이미지센서 모듈의 구성요소를 보면 

1. 가시광선만 통과시키고 적외선이나 자외선을 막아내는 광학 필터,

2. R G B 3가지 색의 칼라필터,

3. 마이크로 렌즈 array, 그리고

4. 반도체 광센서 및 디지탈변환 회로로 구성 되어 있습니다.

그 얼개는 아래 그림과 같습니다.

현재 사용되고 있는 반도체 이미지 센서는 Photon(빛, 또는 광자)의 에너지를 전기신호로 전환할 뿐 칼라를 구분하지 못합니다. 

이 때문에 디지털 카메라의 이미지센서에서는 칼라정보를 얻어 내기 위하여 Photon(빛, 또는 광자)detector 반도체 앞에 칼라필터를 사용합니다.

이 필터는 R G B색에 해당하는 포톤만 통과 시키도록 합니다.

반도체 이미지 센서가 제공하는 정보는 Photon(빛, 또는 광자)detector가 읽어 낸 빛의 세기정보와 어느 필터를 통과했느냐에 따라 R G B를 어느 색이냐 하는 정보로 구성됩니다.

칼라필터를 구성하는 방법.

디지털카메라에서는 Bayer Mask Filter를 가장 많이 사용합니다.

Bayer Mask Filter란 아래 그림에서 보이는 바와 같이 모자이크형태로 구성합니다. 

필터는 얇은 필름위에 코팅되어 있는데, 이 필름은 아주 얇아서 반도체센서 위에 붙일 수 있습니다.

그 결과 박형으로 칼라 이미지센서를 만들 수 있게 됩니다.

모자이크 필터는 각각 해당 색의 빛만 통과시키고,

그 뒤에 있는 반도체센서가 이를 전기 신호로 변환합니다.

이렇게 하여 칼라를 구분하는 센서로 동작하는 것이지요.

보통 4개의 반도체센서와 4개의 모자이크 필터가 한 조가 되어서 한 화소(픽셀)를 구성합니다.

센서는 화소마다 RGB 3원색의 빛의 세기에 대한 정보를 제공합니다. 이 RGB 3원색의 빛의 세기를 미리 저장돤 변환 공식에 따라서 처리하면 모든 칼라를 구현할 수 있게 됩니다.

이는 사람의 눈이 어떻게 칼라를 인지하는지에 대한 이해와 관련이 있습니다.

이에 대하여는 별도로 설명드리도록 하겠습니다.

반도체센서 array를 좀더 크게 확대하여 들여다보면 빛을 검출하는 포토다이오드 앞에는 빛이 들어가는 창만 열리고 다른 부분에는 빛이 들어가지 못하도록 막는 금속판이 있습니다.

또한 광 효율을 높이기 위하여 마이크로 렌즈를 사용합니다.

이 마이크로 렌즈는 빛을 반도체센서(포토다이오드)의 유효 면적내부로 집중시키는 역할을 합니다.

이 마이크로 렌즈들은 반도체 공정에서 빛을 검출하는 포토다이오드와  정밀하게 맞추어지도록 만들어 집니다.

최근에는 집광효율울 올려 센서의 감도를 개선하기 위하여 2개층의 마이크로 렌즈를 사용하는 경우도 있습니다.  집광효율을 올려주므로 센서의 감도를 향상시키고, 또한 매우 작은 센서에서 빛이 인접 화소로 번지는 것을 줄여주어 높은 해상도를 얻도록 돕기도 합니다.

또한 빛이 반도체에서 검출되지 않고 통과하는 것을 방지하기 위하여 반도체센서(포토다이오드)의 후면에 반사판을 부착하기도 합니다. 

디지털 카메라 이미지센서에는 전기 신호를 읽어 내는 회로가 있습니다.

이 회로가 포토다이오드가 만들어낸 전자의 양을 읽어내고 이를  신호처리장치로 보냅니다.

영상처리프로세서는 디지탈 네거티브라고 할 수 있는 RAW 파일을 만들어 냅니다.

또한 영상처리프로세서는 사용자가 선택한 조건 (해상도, 경치, 인물, 선명하게 등등)에 따라서 JPEG 이미지를 만듭니다.

더 나아가 카메라의 LCD 영상표시장치에서 JPEG 이미지를 바로 볼 수 있도록 합니다.

영상처리프로세서는 RAW 파일과 JPEG 파일을 메모리장치에 기록합니다.

RAW 파일 또는 JPEG 파일 형식 선택과 이미지크기 등은 메뉴에서 사용자가 설정할 수 있도록  하고 있습니다.