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센서

CamCyclopedia
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👨‍🎓김동수

목차

1. 이미지 센서의 원리
2. 이미지 센서의 해상도와 크기
3. 이미지 센서의 컬러 필터
4. 갤럭시 카메라의 이미지 센서
5. 참고

이미지 센서의 원리

 

갤럭시 카메라의 구조는 사람 눈의 구조와 아주 유사합니다. 여기서 설명드릴 이미지 센서는 사람 눈의 구조[1]에서 망막(Retina)에 해당되는 부분으로 일반 필름카메라의 필름과 같은 역할을 합니다.

사람 눈에서는 우리가 바라본 피사체의 상이 수정체(Lens)를 통해 망막에 맺히고, 망막에 맺힌 상이 시신경을 통해 뇌로 전달되어 인지되는 것처럼, 갤럭시 카메라에서는 이미지 센서가 렌즈를 통해 전달된 상(image)의 광학적 신호를 전기적 신호로 변환시켜 AP(Application Processor)내의 ISP(Image Signal Processing)으로 보내면 여러분이 보는 최종 이미지가 완성됩니다.

그럼 이 이미지 센서를 좀 더 알아볼까요?

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위에서 설명한 것처럼 사람의 망막에서는 수많은 간상세포(Rod [2])와 원뿔세포(Cone [3])가 있어 밝기와 색으로 구분하여 피사체를 볼 수 있는 것처럼, 이미지 센서 안에도 픽셀(화소)이라는 소자들이 이 간상세포와 원뿔세포의 역할을 합니다.

아래 그림처럼 이미지 센서 위에 맺힌 광학적 신호는 마이크로 렌즈(Micro Lens)를 통해 집중적으로 모이고, 컬러 필터(Color Filter)를 거친 색 정보가 포토다이오드(Photodidoe [4])에 광 신호(Photon)로 도달합니다. 포토다이오드는 들어오는 광 신호의 크기에 따라서 전기적 신호인 전자(Electron)를 발생시킵니다. 이를 이미지 센서 내부 회로 (ADC: Analog Digital Converter and Logic circuit)를 사용하여 디지털 신호로 바꾸어서 AP의 ISP로전달합니다.

픽셀들은 포토다이오드 위에 있는 컬러 필터를 통해 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)의 3가지 컬러를 구분할 수 있고, 들어오는 빛의 밝기가 밝으면 전자가 더 많이 발생하므로 이를 통해 빛의 밝기 정보 또한 얻을 수 있습니다.

일반적으로 픽셀의 크기가 클수록 그에 비례하여 더 많은 빛이 포토다이오드로 들어오므로 저조도에서 더 밝은 영상을 제공할 수 있습니다. 하지만 삼성의 ISOCELL[5]과 같은 좋은 픽셀 기술을 이용하면 동일한 픽셀 사이즈에서도 저조도에서 좀 더 좋은 영상 신호를 제공할 수 있습니다.

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이미지 센서의 해상도와 크기

 

갤럭시 홈페이지에서 S22 Ultra의 후면 카메라 사양[6]을 보면 아래와 같이 나옵니다.
후면에는 총 4개의 카메라가 있습니다. 1번은 120도 화각에 12M(1200만) 픽셀 해상도 이미지 센서를 가진 초광각카메라(Ultra Wide Camera)고, 2번은 108M(1억8백만) 픽셀 해상도 이미지 센서를 가진 광각 카메라(Wide-angle Camera)입니다. 카메라의 해상도가 높으면 그만큼 디테일이 좋은 사진과 동영상을 촬영할 수 있습니다. 그래서 광각 카메라로 촬영시 가장 높은 해상도의 사진과 동영상을 촬영할 수 있습니다.

각각 광학 3배, 10배의 망원카메라(Telephoto Camera)인 3번과 4번은 둘 다 10M 픽셀의 이미지 센서가 탑재되어 있습니다.

이외에도 픽셀 사이즈와 다음에 설명할 센서의 크기 정보 등도 사양에 표기되어 있습니다. F.No.[7]와 Auto Focus (게시 예정)에 대한 부분은 다른 Camcyclopedia에서 확인할 수 있습니다.

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아래 표와 같이 FHD(1080p) 동영상을 제공하기 위해서는 최소한 2M 픽셀의 해상도가 필요하고, 4K 동영상을 제공하기 위해서는 최소한 8.3M의 해상도가 필요합니다.

TV나 모니터에서 FHD와 4K 동영상을 비교해 보았을 때 디테일에서 차이가 나는 것처럼 높은 해상도의 센서는 더 좋은 디테일을 제공할 수 있습니다. 따라서 초고화질 8K Video를 위해서는 최소한 33M 이상의 해상도를 가진 이미지 센서가 필요합니다.

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그래서 갤럭시 S20 Ultra 모델부터 광각 카메라에 108M의 초고해상도 센서를 적용하여 아래와 같은 디테일이 살아있는 영상을 제공할 수 있게 되었습니다. 또한 S22 Ultra에서는 디테일 향상(Detail Enhancer)이라는 Deep Learning 알고리즘을 통해서 이를 한 단계 더욱 발전시켰습니다.

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그러면 높은 해상도의 센서가 항상 좋은 것일까요? 아래는 이미지 센서의 크기를 나타내는 Optical format입니다. 일반적으로 이미지 센서의 대각선 길이를 인치의 형태로 1/1.8"와 같이 표시합니다. 이미지 센서의 해상도가 커지면 센서의 크기가 커지게 되고 그러면 더 큰 렌즈가 필요하게 되어 카메라 모듈의 높이 또한 높아지게 됩니다. 이로 인해 흔히 이야기하는 ‘카툭튀’가 발생하게 되는 것입니다.

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그래서 이미지 센서의 크기를 키우지 않고 높은 해상도를 제공하는 기술이 필요한 것인데 이에 따라 갤럭시 S22/S21/S20 Ultra 광각 카메라에는 0.8um의 작은 픽셀을 적용했습니다. 그런데 위에서 픽셀의 크기가 커야 감도가 좋아지고 저조도에서 좋은 이미지를 제공할 수 있다고 하였습니다.

그러면 어떻게 갤럭시 S22 Ultra 카메라는 작은 픽셀로도 좋은 이미지를 제공할 수 있었을까요?
그것이 바로 Adaptive pixel이라는 기술입니다.

아래 그림과 같이 108M 화소 센서는 9개의 픽셀들이 모여 있는 형태로, 저조도에서는 0.8um 9개의 픽셀이 2.4um 1개로 합쳐져 하나의 픽셀처럼 동작을 하고 108M 영상이 필요한 조건에서는 9개가 각각 동작하여 디테일이 좋은 영상을 제공하게 됩니다.

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이미지 센서의 컬러 필터

 

아래 그림과 같이 픽셀은 Red, Green, Blue 세가지 컬러 필터를 가지고 배열이 되어 있는데, 이를 Bryce Bayer라는 사람의 이름을 따서 Bayer 컬러 필터 패턴[8]이라고 합니다.
밝기에 가장 민감한 Green 2개를 두고, Red와 Blue를 교차로 두는 방식으로 12M 해상도의 센서라고 하면 Green 픽셀이 6M개가 있고, Red와 Blue 픽셀이 각각 3M개씩 존재하는 것을 말합니다.

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하지만 Bayer Pattern은 여러 픽셀을 하나로 동작시키기 어려운 구조라서 위에서 설명한 Adaptive pixel 기술을 적용하기 어렵습니다.

아래 그림과 같이 Tetra pattern이나 Nona pattern과 같은 구조가 저조도에서 여러 개의 작은 픽셀을 하나의 큰 픽셀로 한 개로 동작시킬 수 있는 구조입니다.

따라서 S22/S22+ 광각 카메라에 적용된 50M 픽셀의 이미지 센서의 경우 Tetra pattern이 적용되어, 저조도에서는 각 컬러별로 4개의 픽셀이 1개의 1.6um 픽셀로 하여 12.5M 영상을 출력하고, 고해상도가 필요하면 각각 동작하여 50M 픽셀 영상을 제공할 수 있습니다.

S20 Ultra 광각 카메라부터 적용된 108M 이미지 센서는 Nona Pattern이 적용되어, 저조도에서는 경우 각 컬러별로 9개의 픽셀이 1개의 픽셀로 동작하여 12M 영상을 출력하고, 108M의 초고해상도 영상도 제공할 수 있습니다.

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갤럭시 카메라에서의 이미지 센서

 

아래 그림은 갤럭시 S20~S22의 갤럭시 카메라에 사용된 이미지 센서들입니다.
저조도와 초고해상도에서 모두 좋은 영상을 제공하는 108M 광각 카메라 센서는 S20부터 Ultra 모델에 적용되었고, S21 Ultra부터는 센서가 하나 더 추가되어 후면에 총 4개의 센서가 적용되었습니다. 그리고 S22/S22+에는 Ultra가 아닌 모델에도 50M 광각 카메라 센서를 적용하여 더욱 디테일한 영상을 제공합니다.

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디테일에 강한 갤럭시 카메라 이미지 센서의 기술력으로 초미세한 영상 표현에 근접해 가기 위해 지금도 끊임없이 준비하고 있습니다.

다음 갤럭시 카메라도 기대해 보세요!

참고

 

[1] Eyeball : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Three_Main_Layers_of_the_Eye.png (Artwork by Holly Fischer CC BY 3.0)
[2] 간상세포: https://ko.wikipedia.org/wiki/간상세포
[3] 원뿔세포 : https://ko.wikipedia.org/wiki/원추세포
[4] Photodiode : https://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode
[5] Samsung ISOCELL: https://semiconductor.samsung.com/image-sensor/
[6] S22 카메라 사양 : https://www.samsung.com/global/galaxy/galaxy-s22-ultra/specs/
[7] CamCyclopedia 렌즈 : https://r1.community.samsung.com/t5/camcyclopedia/렌즈-lens/ba-p/19553934
[8] Bayer Color Filter : https://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_filter (Artwork by Cburnett CC BY 3.0)

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