이미지 센서 CCD vs CMOS

학부 인턴을 하면서 공부했던 CCD 와 CMOS에 대해서 써보겠습니다.

CCD와 CMOS는 이미지센서인데 디지털 카메라에 사용됩니다.

이미지는 제가 발표할 때 썼던 자료입니다.

먼저 DSLR의 원리부터 보고 가겠습니다.

DSLR은 디지털 일안 반사식 카메라(digital single-lens reflex camera)로 필름대신 이미지센서인 CCD나 CMOS를 사용한 디지털 카메라입니다.

먼저 관찰자는 뷰파인더를 통해 물체를 봅니다. 물체에 반사된 빛이 렌즈로 들어오고 

45도 기울어진 거울을 통해 반사되어 펜타 프리즘을 거쳐 관찰자의 눈에 도달하여 물체를 뷰파인더를 통해 볼 수 있습니다.

펜타프리즘은 물체의 상이 거울에 반사되어 반대로 보이는걸 방지해줍니다.

관찰자가 카메라의 버튼을 누르면 거울이 순간적으로 위로 붙게 됩니다.

그러면 관찰자는 순간적으로 뷰파인더를 통해 물체의 상을 보지 못하고(거울이 위로 붙어 반사되지 못함) 

물체의 상은 렌즈를 통해서 이미지 센서로 도달하게 됩니다.(거울이 위로 붙어 반사되지 않고 통과함)

요새 많이 사용하는 미러리스 카메라 입니다.

미러리스는 미러와 펜타프리즘을 제거하여 크기와 무게를 줄인 카메라입니다.

원리는 항상 셔터가 열려있는 상태에서 물체에 반사된 빛이 렌즈를 지나고 셔터를 지나 이미지 센서로 들어갑니다.

그래서 관찰자는 디스플레이를 통하여 물체를 볼 수 있고 관찰자가 버튼을 누르면 순간적으로 셔터가 닫혔다가 열렸다가 닫혔다가 다시 열립니다.

이 닫혔다가 열렸다가 닫히는 순간 들어온 빛이 이미지가 되어 저장되는 것입니다.

DSLR, 미러리스의 셔터 과정은 아래의 링크에서 시각적으로 쉽게 확인할 수 있습니다.

https://www.premiumbeat.com/blog/how-camera-shutters-work/

https://www.youtube.com/watch?v=nxUDHcZl1uo

CCD, CMOS의 원리를 잘 설명해주는 유튜브 영상입니다.

CCD(Charge Coupled Device)는 빛에너지로 발생한 전하를 축적 후 전송하여 최종단에서 전하가 전기신호로 증폭되어 전환됩니다.

여기서 Photo Diode는 빛에너지를 전하로 바꾸어주는 역할을 합니다.

LED는 전하와 정공이 만나 빛에너지를 방출하는데 반대로 생각하시면 편할 거 같습니다.

CMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)는 빛에너지로 발생된 전하를 바로 전기신호로 증폭하여 전송합니다.

CMOS는 전하를 전송하는 소자가 아니라 디지털 신호를 전송하기 위해 개발된 소자여서 전하의 손실이나 변형이 있습니다.

하지만 기술의 발전으로 노이즈 특성을 제외하곤 화질의 차이는 거의 극복한 상태입니다.    

CMOS는 일반 반도체 공정인 CMOS 공정을 사용하여 가격 경쟁력이 있고 이미지 센서와 주변 회로를 원칩화 할 수 있어 소형화와 관리에 유용합니다.

CMOS는 집적도가 높고 저전력이라 스마트 기기 시장에서 많이 사용됩니다.

마지막으로 CCD, CMOS 장단점을 정리한 표입니다.

최근 CMOS의 단점이 많이 개선되고 낮은 전력 소비, 발열량, 제조단가로 CCD보다는 CMOS가 계속 많이 쓰일 것으로 생각됩니다.