1. 개요
撮像素子 / Image sensor광전변환에 사용하는 전자 부품으로 광신호를 전기신호로 변환한다. 촬상소자, 이미지 센서라고도 한다.
진공관을 사용한 촬상관이 있고, 최근에는 반도체 제조 기술을 이용하여 포토다이오드를 일정한 형태로 집적시켜서 만든다. 팩스나 복사기에 사용되는 1차원의 라인 센서[1]와 카메라에 사용되는 2차원의 센서가 있다.
사진 카메라에 사용되는 가시광선 센서가 가장 일상적이지만 X선이나 감마선 자외선 등 파장에 따라 다양한 센서가 존재한다. 이런 특수한 파장의 센서들은 대부분 가시광선 대역으로 변환하는 형광 물질을 내부에 사용한다.
2. 진공관
촬상관(Camera tube)은 80년대 중후반 CCD 센서의 상용화 전까지[2] 비디오 카메라에서 사용했던 이미지 센서로, 광 신호를 전기신호로 변환하는 진공관이다. 원리는 브라운관과 반대로 유리관에 맺힌 상을 전자총으로 읽어들여서 밝기를 전압으로 출력하는 것이다. 촬영소자의 부피가 매우 크고 번인등의 문제가 있어서[3] 현재는 반도체 소자를 사용한 센서의 발전으로 완전히 사장되었다.3. 반도체 소자
3.1. 포토다이오드 배열에 의한 구분
1차원의 라인 이미지 센서는 포토다이오드를 일렬로 배치한 것으로 면적이 있는 대상을 촬상하려면 센서라인과 직각방향으로 스캔하여 화면을 얻어내야 한다.2차원 배열의 이미지 센서는 포토다이오드를 이차원 평면에 배열한 것이며, 한번에 화면 전체의 이미지를 획득할 수 있어 동영상이나 사진 촬영 등의 용도에 사용된다.
디지털 카메라에서 화소보다 중요한 것이 이미지 센서의 크기이다. 이미지 센서의 크기가 작은 상태에서 억지로 화소를 늘려봤자 저화질의 사진을 확대해서 용량을 늘린 것에 지나지 않는다.
3.1.1. 곡면 센서
필름이나 디지털 촬상소자는 평면이 기본이었으나, 이를 곡면으로 만들면 비네팅 감소, 렌즈 경량화[4] 및 가격 저하, 노이즈 개선, 주변부 화질 개선, 덤으로 높은 SNR(신호 대 잡음비)[5]을 얻을 수 있다. 곡면으로 촬상면을 설계하는 것은 필름 시대에도 있어 왔는데, 일회용 카메라나 당시의 콤팩트 카메라들에서는 화질을 끌어올리기 위해 상면만곡을 역이용할 목적으로 필름을 휘어지게 하는 설계가 종종 있어 왔고, 천문관측에 사용하는 망원경에서도 이미지 센서가 보급되기 전 유리건판을 사용하던 시절에는 상면만곡이 나타나는 망원경을 사용할 때 유리건판을 구부려서 사용하는 경우가 있었다.[6]
디지털 곡면 센서는 2017년 현재 실험 및 특허 단계에 있으며, 곡면 센서에 사용하기 위한 렌즈 설계 특허들도 나오고 있다. CMOS 이미지 센서 분야에서 큰 비중을 가지는 소니가 주도적으로 연구하고 있었으며, 평면 센서에 맞춘 렌즈들을 갖춘 렌즈 교환식 시스템에서는 이 센서를 바로 사용할 수 없는 문제가 있기 때문에 단렌즈를 장착한 컴팩트 카메라나 휴대폰 카메라 등에 먼저 사용될 것이라고 알려져 있다. 그후 캐니콘에서도 관련 특허들이 많이 나오고 있는 상황이다.
곡면 센서의 장점 때문에 중형 곡면 센서를 도입하면 콤팩트한 크기의 중형카메라 생산이 가능해지며 좀 더 싼 가격으로 구입할 수 있다는 점 때문에 큰 기대를 모으고 있다. 그런데 정말로 소니에서 중형 곡면 센서 특허가 나왔다.[7] 중형 렌즈에 완전한 645 센서를 씀에도 불구하고[8] 렌즈구성이 굉장히 간단하다. 400mm F2.8로 중형 렌즈인 걸 감안하면 엄청나다는 점. 아직까진 상용화가 안 되고 있는데, 기본적으로 현재 시스템을 다 버리고 새로 만들어야 할 정도로 전혀 다른 광학 구조에 줌 렌즈는 제작 자체가 굉장히 힘들다는 점 때문이다. 이는 캐논/니콘에게 굉장히 치명적인 문제로, 그동안 쌓아온 렌즈와 바디 라인업을 모두 버리고 새롭게 만들어야 한다는 것. 광학 구조 자체가 전혀 달라서 어댑터를 쓰더라도 의미 없다.
그래도 벌써 캐논[9], 니콘[10], 그리고 소니[11]에서 관련 특허들이 많이 나오고 있으며 스마트폰이든, 하이브리드 및 미러리스 카메라든, 비디오카메라든 매우 큰 혁명이 일어난다는 것은 부정할 수 없을 정도이며 현재 렌즈 크기와 무게를 유일하게 대폭 줄일 수 있는 방법이다.[12] 또한 그렇게 줄인 사이즈에 저렴한 가격에 높은 스펙 및 고화질의 렌즈를 기대할 수 있다는 점에서 매우 큰 기대를 하는 유저들이 많다.
스마트폰의 경우, 단렌즈만 쓰기 때문에 도입이 더욱 쉬울 것으로 보인다. 스마트폰에 장착되면 같은 크기에 더욱 좋은 화질과 크게 개선된 노이즈를 만끽할 수 있다. 2017년 현재 독립형 카메라 기준으로 개발되는 상황이라 스마트폰에 먼저 도입될는지는 의문이지만 적어도 스마트폰용으로도 개발되고 있다는 건 맞다.
그리고 22년 스마트폰 멀티카메라와 차량어라운드뷰의 보급으로 인해 가볍고 작은 초광각카메라의 수요가 크게 늘면서 다시 주목받고 있다.
3.2. 포토다이오드 신호 전송에 의한 분류
가장 잘 알려진 분류법인 CCD, CMOS 등의 방식은 여기서 나온다. 각 항목 참조.4. 참고항목
[1] 한 줄로 이루어진 센서가 움직이면서 면을 훑는 것이다.[2] 80년대까지만 해도 CCD는 촬상관에 비해 품질이 낮아 소비자용 캠코더 등 저가형 제품들에 주로 사용되었으며, 방송계에서는 여전히 촬상관이 주로 사용되었다. 하이비전 HD 카메라들도 90년대 초까지는 전부 촬상관 기반으로 나왔다.[3] 광원에 매우 민감해 조명과 같은 강한 빛이 비춰졌을 때 길게 늘어지는 잔상을 볼 수 있다. 해당 영상은 심한 편으로 보통 수 초 안에 사라지지만 빛의 세기나 관의 상태에 따라 몇 분 이상 남기도 한다. 또한 햇빛과 같이 매우 강한 빛을 한번에 받으면 관이 반영구적으로 태워지는 참사가 일어날 수 있어 밝은 광원에 오래 비추는 것은 절대 금물이었다.[4] 크기, 무게, 그리고 가격을 낮출 수 있다.[5] 센서를 곡면으로 가공하는 과정에서 포토다이오드의 성능이 향상된다고 한다.[6] 이 시절에 사진건판을 사용해 천문관측을 할 때는, 크게 만들어진 기성품 건판을 사용자가 각 망원경에 알맞은 크기로 자르는 등 적절한 가공을 해서 사용했다.[7] http://www.sonyalpharumors.com/oh-yes-sony-really-first-curved-medium-format-sensor-patented/[8] 대부분 645의 크롭 센서다. 풀프레임 645는 말 그대로 수천만 원 한다.[9] http://www.mirrorlessrumors.com/new-canon-patent-shows-working-curved-sensor/[10] http://www.popco.net/zboard/view.php?id=dica_forum_sony&no=93691[11] https://photorumors.com/2013/04/08/sony-patents-full-frame-mirrorless-lenses-designed-for-curved-sensor/[12] 렌즈 개수가 고작 몇 개밖에 안 되며 주변 화질 때문에 보정 렌즈를 쓸 필요가 없다.