[카메라 센서] 종류와 차이 / CMOS와 CCD / 단판식과 삼판식

http://www.fdtimes.com/2017/05/03/ibe-optics/

[센서 구분하는 법]

http://cafe.naver.com/picf/17375

1. 센서 크기에 따라

(1) 큰 센서

- 화상의 품질에 유리

- 높은 감도에 이점

- 노이즈 감소에 이점

- 렌즈효과에 이점

- 최근에 개발되어 적용된 센서일수록 성능이 좋다.

(2) 작은 센서

- 고배율 줌렌즈를 장착하고도 작은 크기를 제공해 휴대에 좋다.

2. 칩 개수에 따라

(1) 삼판식(3칩 방식) 센서가 RGB 채널별 신호를 획득하는 개념

이미지 센서 자체는 색을 구별하지 못합니다. 그렇기 때문에 센서 앞에 특정 색깔만 통과시키는 컬러필터를 부착해 Red 샘플링용 센서, Green 샘플링용 센서, Blue 샘플링용 센서를 나누어 사용하는 것이 삼판식 센서 입니다. 이 3개의 센서에 동일한 이미지를 전달하기 위해 프리즘의 조합해 만든 '빔 스플리터'를 필요로 합니다. 청색은 2번 반사, 녹색은 2번 투과, 적색은 1번 투과 2번 반사, 빔스플리터의 구조가 단파장과 장파장의 성질을 고려해서 설계를 했나봅니다

삼판식 센서는 각각의 센서 해상도에 해당하는 고품질 RGB4:4:4 신호를 획득할 수 있다는 장점이 있지만, 고가의 센서를 3장이나 사용해야 하고, 여기에 덧붙여 복잡한(=비싼) 빔 스플리터가 추가되어야 하고 이렇게 복잡하게 처리되면서 손실되는 광량을 극복하기 위해 보다 밝은(=비싼) 렌즈를 필요로 합니다. 이런 복합적인 이유로 대형 센서를 사용하기에 불리한 부분이 있습니다. 일반적으로 ENG 카메라라고 부르는 숄더 타입의 카메라는 2/3인치 3판식을 사용합니다.

(2) 단판식(1칩 방식) 센서가 RGB 채널별 신호를 획득하는 개념

단판식은 이름 그대로 센서를 1장만 사용하지만, 각각의 화소 앞에 베이어(bayer) 패턴을 갖는 RGB 컬러필터를 부착해 RGB 신호를 획득하도록 되어있습니다. 3판식 보다 저렴하게 만들 수 있고, 크기를 키우는데 제약이 적다는 점에서 DSLR/Mirrorless로 대표되는 종류의 카메라서 주로 사용합니다.

베이어 패턴은 제조사에 따라 달라지기도 하지만 일반적으로 단순한 RGB가 아닌 RGBG 처럼 Green 채널이 하나 더 많은 RGBG가 일반적입니다. Green을 Red, Blue과 비교해 상대적으로 2배 조밀하게 샘플링하는 이유는 사람의 눈이 만감하게 반응하는 녹색 채널을 기준으로 Y'CbCr 4:2:2를 위한 루마(Luma, Y')를 보다 정밀하게 얻기 위함입니다. 동시에 디베이어 과정을 거친다 하더라도 센서 고유의 화소수 보다 낮은 해상도의 이미지만 획득할 수 있는것이 일반적 입니다. 이런 이유로 단판식 센서를 채용한 기종은 플래그쉽 모델이라 하더라도 최대 해상도에서 RGB 4:4:4가 아닌 Y'CbCr 4:2:2 이하로만 지원하고 RGB 4:4:4는 그 절반 이하의 해상도 부터 지원하는게 일반적입니다.

예)

35m 풀 프레임 Exmor CMOS 센서 (A7S II)

- 센서의 수광면적이 가장 큽니다. 

- 1개의 센서로 빛의 RGB를 전기신호화하여 프로세싱 합니다. ->단판식

3개의 1/3타입 Exmor R CMOS 센서 (HXR-NX5N)

- 센서의 수광면적이 가장 작습니다. 

- 3개의 센서에서 빛의 RGB를 각각 전기신호화한 후 프로세싱 합니다. ->삼판식

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센서사이즈의 차이에 따른 렌즈 줌배율의 환산

http://cafe.naver.com/picf/2615

<센서사이즈 크기 비교표>

<렌즈 배율에 따라 피사체가 프레임에서 차지하는 면적의 변화>

<녹색과 황색라인이 필름무비 촬영시절의 보편적인 촬영과 상영규격>

동일한 렌즈초점거리에서도 센서사이즈의 크기에 따라 프레임 내 피사체의 점유율이 달라진다.

소형 디지털 카메라와 디지털 캠코더는 일반적으로 디지털 SLR에 비해 더 작은 크기의 센서를 가지고 있으므로 빛에 덜 민감하고 노이즈에 영향을 더 받는다. 

종류	가로세로비	너비 mm	높이 mm	대각선 mm	영역 mm2	상대 영역
1/6"	4:3	2.300	1.730	2.878	3.979	1.000
1/4"	4:3	3.200	2.400	4.000	7.680	1.930
1/3.6"	4:3	4.000	3.000	5.000	12.000	3.016
1/3.2"	4:3	4.536	3.416	5.678	15.495	3.894
1/3"	4:3	4.800	3.600	6.000	17.280	4.343
1/2.7"	4:3	5.270	3.960	6.592	20.869	5.245
1/2"	4:3	6.400	4.800	8.000	30.720	7.721
1/1.8"	4:3	7.176	5.319	8.932	38.169	9.593
2/3"	4:3	8.800	6.600	11.000	58.080	14.597
1"	4:3	12.800	9.600	16.000	122.880	30.882
4/3"	4:3	22.500	18.000	28.814	405.000	101.784
다른 이미지 크기와 비교
APS-C	3:2	25.100	16.700	30.148	419.170	105.346
35mm	3:2	36.000	24.000	43.267	864.000	217.140
645	4:3	56.000	41.500	69.701	2324.000	584.066

[출처] 센서사이즈의 차이에 따른 렌즈 줌배율의 환산 (PICF 전문영상업무연합) |작성자 알타 최병인

현대의 카메라에서 찾을 수 있는 CCD의 몇 가지 예를 보려면 Digital Photography Review의 이 표를 참고한다

http://www.dpreview.com/articles/8095816568/sensorsizes#bottom

대물렌즈 직경이 성인남자의 두개골보다 큽니다!

와우~ 줌배율 100 배!  -->    http://cafe.naver.com/picf/2758

A revolutionary long-field lens, 

the DIGISUPER 100AF 9.3-930mm 1:1.7 

features powerful Auto Focus to ensure exact focus at telephoto distances plus 

advanced image stabilization to deliver superb quality HDTV images. 

망원부분이 강화된 100배줌 실현을 위해 

강력한 AF기능과 진보된 스테빌라이징을 탑재해서 고품질의 HD화상을 얻는 다는 내용이다. 

스테빌라이징은 꼭 필요할 것 같다. 

930mm 도 대단한 망원이지만,

35MM 풀프레임 판형일 때 같은 정도의 거리대 사이즈를 얻기위해 필요한 초점거리를 환산해보면 정말 어마어마하다.

예전에 카메라들을 일일이 비교하며 확인해 본적이 있다. 

그때 메모를 다시 뒤적여 봤다. 

그랬더니 무려.... 

3700mm !! (환산 4배)

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대보름, 색감에 대한 선입견과 사이즈를 얻기 위한 촛점거리.

http://cafe.naver.com/picf/2758

색감이란게 참 묘해서 달에대한 차가운 이미지 때문인지 주홍빛 색감과 일렁거림이 태양을 연상하게 합니다.

태양은 풀프레임 기준 100mm 정도면 저 정도 크기로 화면을 채우는데 달이라면 1500 ~ 2000mm 정도여야 할거라고 어림잡았는데요..

 

포토그래퍼의 코멘트를 보니 1.3배 크롭의 센서에 2배의 엑스텐더를 사용해서 500mm 렌즈로 1300mm 효과를 내었군요.

그렇다면, 2/3 인치 센서 사이즈에서라면 330mm 정도로 꽉 찬 사이즈를 얻을 수 있겠네요 --> http://cafe.naver.com/picf/2615

 

그러나 저 장면을 촬영하려면 저 장소, 저 각도에 대한 헌팅이 필수적 입니다.

렌즈를 가지는 것도 중요하지만, 그 렌즈를 어디에서 어떻게 사용하는 가도 매우 중요한 것이란 생각을 다시 해봅니다.

 

Full Moon Silhouettes is a real time video of the moon rising over the Mount Victoria Lookout in Wellington, New Zealand. People had gathered up there this night to get the best view possible of the moon rising. I captured the video from 2.1km away on the other side of the city. It's something that I've been wanting to photograph for a long time now, and a lot of planning and failed attempts had taken place. Finally, during moon rise on the 28th January 2013, everything fell into place and I got my footage.

 

The video is as it came off the memory card and there has been no manipulation whatsoever. Technically it was quite a challenge to get the final result. I shot it on a Canon ID MkIV in video mode with a Canon EF 500mm f/4L and a Canon 2x extender II, giving me the equivalent focal length of 1300mm.

 

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CMOS와 CCD의 작동방식 애니메이션 (PICF 전문영상업무연합) |작성자 알타 최병인

http://cafe.naver.com/picf/11272

현재 주류를 이루고 있는 CMOS 이미지센서는 화소 내에 신호를 증폭하는 앰프 등의 회로를 가지는 것이 큰 특징이다.

포토다이오드에서 발생한 전하를 증폭해서 읽어내기 때문에 다이나믹 레인지가 넓어져 전송 경로에서 혼입하는 노이즈의 영향도 적다. 반면 화소마다 증폭이 균일하지 않고 노이즈가 발생하므로 이것을 없앨 회로가 필요하게 된다. 그런데 CMOS 이미지센서의 구조는 일반 반도체와 같이 자유로운 회로 구성이 가능해, 센서 상의 화소에서 가까운 부분에 노이즈 제거 회로 등을 탑재할 수 있으므로 종합적으로는 CCD를 웃도는 고감도 노이즈 특성을 실현한다.

또 읽기는 XY 주소식에서 임의로 지정할 수 있으므로 부분 읽기와 다채널화도 용이하다. 대형 이미지센서라도 고속으로 데이터 읽기가 가능하기 때문에 고속 연사에 대응하기 쉽고 소비 전력이 적어도 된다. 단점으로서는 화소 내에 회로를 탑재하기 때문에 포토다이오드의 면적비가 작아지기 쉽고 화소피치가 섬세한 센서에서는 CMOS의 장점이 발휘되기 어려워진다. 또 신호 읽기는 끝단부터 순서대로 실시하므로 읽기의 처음과 마지막에서는 타임랙이 발생할 수 있어 읽기 중에는 셔터막 등으로 차광할 필요가 있다.

한편 CCD 이미지센서는 포토다이오드로 얻은 전기신호를 그대로 버킷 릴레이(Bucket relay)로 전송하기 때문에 원래 노이즈의 발생이 적고 품질이 좋다. 또 구조가 심플해서 화소 면적에 대한 포토다이오드의 면적비를 크게 할 수 있어 고감도에서의 S/N 비가 뛰어나다. 게다가 화면 전체에서 동시에 신호 전송 개시가 가능하기 때문에 센서 자체에 셔터 기능을 넣을 수가 있으므로 동영상 촬영에도 강하다.

반면 전송 경로가 길어지기 쉬워 신호 전송도중에 노이즈가 혼입되기 쉽고, 버킷 릴레이를 실시하는 전송로로 전하가 새기 시작하면 스미어현상(화면에 강한 점광원 등이 있는 경우, 전송로 방향으로 줄무늬 모양의 노이즈가 발생하는 것)이 발생하기 쉽다. 또 신호 읽기의 다채널화에도 한계가 있어 읽기에 약간 시간이 걸린다. 게다가 작동중에는 센서 전체에 전압을 걸 필요가 있어 소비 전력이 크다.

이러한 특징 때문에 최근에는 센서 사이즈가 작고 화소피치가 미세해지기 쉬운 컴팩트 카메라에서는 CCD 이미지센서가 사용되고 있다. 반면 센서 사이즈가 크고 읽기의 고속화와 뛰어난 고감도 노이즈 특성이 요구되는 DSLR에는 CMOS 이미지센서의 채용이 주를 이룬다. 그리고 DSLR의 라이브뷰 기능을 실현시키는 데에도 CMOS 이미지센서가 소비 전력이 적기 때문에 우위를 차지하고 있다.

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<CCD-CMOS의 구조상 차이>

CCD는 회로의 병렬구성 : 1개 프레임을 필름 처럼 온전한 1판의 신호로 동시에 입력받아 만드는 것

CMOS는 회로의 직렬구성 : 1개 프레임을 스캐너 처럼 센서의 시작점~끝점 까지 순서를 지켜 차례대로 입력받은 신호를 조합해 만드는 것

HDD 케이블이 수십 가닥짜리 IDE/SCSI를 썼다가 7가닥 짜리 SATA/SAS로 바뀐것 처럼 말이죠.

SATA/SAS의 첫 번째 S는 모두 직렬(Serial)의 머릿글자 입니다.

과거 IDE/SCSI는 여러차선으로 복수의 데이터를 (상대적 저속으로) 동시에 전송했으니 케이블간 간섭 노이즈가 문제되어 전송속도를 높이는데 한계가 있었죠. SATA/SAS는 케이블을 구성하는 가닥 수를 줄이는 대신 속도를 줄어든 케이블 수 이상으로 끌어올려 전체 전송속도를 높인 것이죠.

즉, 

병렬구성으로 이뤄진 CCD는 센서 자체의 노이즈는 적으나 전송회로에서 노이즈가 크고, 

직렬구성으로 이뤄진 CMOS는 전송회로에서는 노이즈가 적으나 센서 자체에서 노이즈가 발생할 확률이 매우 큰 것입니다.

또한 CMOS의 경우 센서 신호처리의 직렬 구성으로 인해 화소간 입력받은 신호에 시차가 존재해 롤링셔텨 현상 같은 문제들을 일으킵니다.

CMOS Rolling Shutter : https://www.google.co.kr/search?newwindow=1&hl=ko&site=imghp&tbm=isch&source=hp&biw=1212&bih=778&q=CMOS+rolling+shutter&oq=CMOS+rolling+shutter&gs_l=img.3..0i30j0i24.1141.4371.0.4668.20.7.0.13.13.0.199.674.0j5.5.0.msedr...0...1ac.1.64.img..2.18.690.jVSIlBbjY3A

물론 CMOS도 점차 개선되어 CCD와 같은 글로벌셔터(Global Shutter) 기술이 접목되기 시작하면서 이런 문제가 해결될 기미가 보이긴 합니다만... 이미 기존에 대량으로 깔려있는 오두막, 오막삼...들이 롤링셔텨 기반의 CMOS인 이상... ^^;