Sony Korea Corporation
머리말
우리는 인터넷과 정보 통신의 발달로 인하여, 과거 어느 때보다도 필요한 정보를 쉽게 얻을 수 있는 시대에 살고 있습니다.
그럼에도 불구하고 방송 업계의 종사자들이, 초보자도 쉽게 이해할 수 있는‘업무용 및 방송용 비디오 카메라’에 관한 기술 자료 나 용어 해설집을 찾기란 쉬운 일이 아닙니다.
그러던 차에 SONY CORPORATION에서, "The Basics of Camera Technology"라는 카메라 기초 기술에 관한 책을 발행하 였습니다.
이 책의 용어들은 실용적으로 선택되었으며, 쉽게 이해할 수 있도록 설명이 되어 있습니다. 따라서 비디오 카메라 기술분야에 종 사하는 기술자 뿐만 아니라, 마케팅과 판매 활동 분야에 종사하는 분들이 관련 용어의 의미에 친숙하게 되는 것은 물론, 이들 기 술을 이해하는데에 큰 도움이 될 것이라고 생각합니다.
이러한 배경을 고려하여, "The Basics of Camera Technology" 를 번역하여 하나의 책으로 만들었습니다.
내용은 가능한 한 직역 하였으며, 한글 표현상 이해하기 어렵다고 생각되는 경우에는 괄호 안에 영문을 병기 하였습니다.
용어는 여섯 부문으로 나누었습니다 : Optical System, CCD Mechanism, Camera Functions, VTR, Others, 그리고 Appendix 입니다.
소니코리아에서 추가한 내용은 다음과 같습니다 : MTF, RPN, Gamma, Film Gamma, Electronic Image Stabilizer, Slow Shutter Function, Interval Recording, Loop Recording, Decibels, Horizontal Resolution, HDTV Resolution, PH/PW, PsF, HD-SDI, 그리고 Appendix 입니다.
"The Basics of Camera Technology 번역본" 이 중요한 카메라 용어와 기술의 설명을 제공하는 유용한 자료가 될 것이라고 생각합니다.
이 자료가 여러분의 일상 업무에 큰 도움이 되기를 바라면서.
2005. 3. 28 번역 및 편집 : 차 인선 감수 : 이 병우�박 준성 B&P Group Sony Korea Corporation http://bp.sony.co.kr http://bpeng.sony.co.kr
Angle of View (화각)������������������������������������2 Chromatic Aberration (색 수차) ������������������������3 Color Conversion Filter (색 온도 변환 필터)������������3 Color Temperature(색 온도) ����������������������������4 Depth of Field (피사계 심도) ����������������������������4 Flange Back/Back Focal Length
(플랜지-백/백 초점거리) ����������������������������������4 Flare (플레어) ��������������������������������������������5 F Number (에프 넘버) �����������������������������������5 Focal Lenght (초점 거리) �������������������������������6
Iris (아이리스) ��������������������������������������������6 Light and Color (빛과 색)�������������������������������7 MTF (Modulation Transfer Function) (변조 전달 함수) 8 ND Filter (Neutral Density Filter) (엔디 필터) ����������8 Optical Low Pass Filter (옵티컬 로우패스 필터) ��������9 Prism (프리즘) �������������������������������������������9 White Shading (화이트 쉐이딩) ������������������������10 Zoom (줌) �����������������������������������������������11
EVS/Super EVS (이뷔에스) � � � � � � � � � � � � � 14 Field Integration and Frame Integration Mode (필드 읽어내기와 프레임 읽어내기 모드) � � � � � � � � 15 HAD Senser (정공 축적 센서) � � � � � � � � � � � � 16 IT/FIT CCD � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 16 On Chip Lens (온칩 렌즈) � � � � � � � � � � � � � 17 Picture Element (화소) � � � � � � � � � � � � � � � 18
Readout Mechanism (리드아웃 메커니즘) � � � � � � 18 RPN (Residual Point Noise) (알피엔)(잔여 점 잡음) � 19 Spatial Offset Technology (공간 오프세트 기술) � � 20 Variable Speed Electronic Shutter
(가변 속도 전자 셔터) � � � � � � � � � � � � � � � � 21 Vertical Smear (수직 스미어) � � � � � � � � � � � � 22
Adaptive Highlight Control
(어댑티브 하이라이트 조정) ������������������������������24 ATW (Auto Tracing White Balance)
(자동추적 화이트 밸런스) ��������������������������������24 AWB (Automatic White Balance) (자동 화이트 밸런스)24 Black Balance (블랙 밸런스)���������������������������25 Black Clip (블랙 클립) ���������������������������������25 Black Gamma (블랙 감마) �����������������������������25 Black Shading (블랙 쉐이딩) ��������������������������26 Center Marker (센터 마커)�����������������������������26 Clear Scan/Extended Clear Scan (ECS)
(클리어 스캔/익스텐디드 클리어 스캔) �������������������26 Color Bar (칼라 바)�������������������������������������27 Crispening (크리스프닝)��������������������������������28 Cross Color Suppression (크로스 칼라 써프레션)�����28 Detail Level (디테일 레벨)������������������������������29 DynaLatitude (다이나레티튜드)�������������������������30 Dynamic Contrast Control
(Automatic Knee Control) ����������������������������30 (다이내믹 컨트라스트 컨트롤 (오토메틱 니 컨트롤)
Electric Soft Focus (일렉트릭 소프트 포커스) ����������31 Electronic Image Stabilizer (카메라 떨림 보정) � � � 49
File System (파일 시스템) ������������������������������31 Gain (게인)����������������������������������������������31 Gamma (감마)������������������������������������������32 Film Gamma (필름감마)��������������������������������33 Genlock (젠록) �����������������������������������������34 H/V Ratio (에치뷔 레이쇼)������������������������������34 Intercom (Intercommunication) System
(인터컴 시스템)������������������������������������������34 Interval Recording (인터벌 레코딩) � � � � � � � � � 50 Knee Aperture (니 어퍼츄어) ��������������������������34 Knee Correction (니 커렉션)���������������������������35 Lens File (렌즈 파일)�����������������������������������35 Level Dependence (레벨 디펜던스) �������������������35 Limiter (리미터)�����������������������������������������36 Linear Matrix Circuit (리니어 매트릭스 회로) ����������37 Loop Recording (루으프 기록) � � � � � � � � � � � 50 Low Key Saturation (로우 키 새튜레이션) �������������37 Mix Ratio (믹스 레이쇼)���������������������������������38 Multi Matrix (멀티 매트릭스)����������������������������39 Pedestal/ Master Black (페데스탈/마스터 블랙)�������39 Preset White (프리셋 화이트) ��������������������������40 Reference File (레퍼런스 파일) ������������������������40
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers ClipLink/Index Picture/Automatic Logging Function
(클립 링크/인덱스 픽쳐/오토메틱 로깅 기능) � � � � � � 52 EZ Focus (이지 포커스)� � � � � � � � � � � � � � � 52 EZ Mode (이지 모드) � � � � � � � � � � � � � � � � 53
SetupLog (셋업로그) � � � � � � � � � � � � � � � � 53 SetupNavi (셋업내비) � � � � � � � � � � � � � � � � 53
Additive Mixing (가색 혼합) � � � � � � � � � � � � 56 Camera Control System (카메라 컨트롤 시스템)� � � 56 Camera Control Unit (CCU) (카메라 컨트롤 유니트)56 Master Setup Unit (MSU) (마스터 셋업 유니트) � � 57 Remote Control Panel (RCP) (원격 제어 패널) � � 57 Camera Command Network Unit (CNU)
(카메라 커멘드 네트워크 유니트) � � � � � � � � � � 57 Color Signal Forms(색 신호 형식) � � � � � � � � � 58 RGB� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 58 Y/R-Y/B-Y � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 58 Y/C � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 58 Composite � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 58 Decibels (dB) (데시벨) � � � � � � � � � � � � � � � 58 Dynamic Range (다이내믹 레인지) � � � � � � � � � 59 HD/SD (High Definition/Standard Definition)
(고해상도/표준해상도) � � � � � � � � � � � � � � � � 59 Horizontal Resolution (수평 해상도) � � � � � � � � 59
HDTV 해상도 (아날로그) � � � � � � � � � � � � � � � 61 HDTV 해상도 (디지털) � � � � � � � � � � � � � � � � 61 PH/PW (Picture Height/Picture Width)� � � � � � � 61 Interlace/Progressive (비월주사/순차 주사) � � � � � 63 Minimum Illumination (최저 피사체 조도) � � � � � � 64 Modulation Depth (변조도) � � � � � � � � � � � � � 64 NTSC/PAL (엔티에스씨/팰) � � � � � � � � � � � � � 65 PsF (Progressive, Segmented Frames) (피에스에프) 65 RS-170A (알에스 170에이) � � � � � � � � � � � � � 67 S/N (Signal to Noise) Ratio (신호 대 잡음 비)� � � � 67 SDI (에스디아이) � � � � � � � � � � � � � � � � � � 67 HD-SDI (에치디 에스디아이) � � � � � � � � � � � � � 67 Sensitivity (감도) � � � � � � � � � � � � � � � � � � 68 Synchronization Signal (sync signal) (동기 신호) � 68 VBS/BS Signal (뷔비에스/비에스 신호) � � � � � � � 69 Vertical Resolution (수직 해상도) � � � � � � � � � � 69
CCD Imagers � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 72 1-1 MOS 캐패시터 � � � � � � � � � � � � � � � � 73 1-2 포토센서(Photosenser)� � � � � � � � � � � � 74 2-1 Frame Transfer(FT)(프레임 트랜스퍼)� � � � � 75 2-2 Interline Transfer(IT) � � � � � � � � � � � � 76 2-3 프레임 인터라인 트랜스퍼(FIT) � � � � � � � � 79
3. HAD 센서 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 80 4. Hyper HAD 센서 � � � � � � � � � � � � � � � � 82 5. Power HAD EX 센서 � � � � � � � � � � � � � � 83 6. Camera Block Diagram (DVW-700) � � � � � � 85 7. Camera Block Diagram (HDC-900) � � � � � � 86 Return Video (리턴 비디오) � � � � � � � � � � � � � 41
Scene File (씬 파일) � � � � � � � � � � � � � � � � 41 Skin Tone Detail Correction (스킨톤 디테일 커렉션)� 42 Slow Shutter Function (슬로우 셔터) � � � � � � � � 49 Subcarrier Phase Control/Horizontal Phase Control (서브캐리어 위상 조정/수평 위상 조정) � � � � � � � � 42 Tally (탈리)� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 43 Prompter (프롬프터) � � � � � � � � � � � � � � � � 43 TLCS (Total Level Control System)
(토털 레벨 컨트롤 시스템) � � � � � � � � � � � � � � 44 Triax (트라이액스) � � � � � � � � � � � � � � � � � 45 TruEye(Knee Saturation Function) Processing (투루아이)(니 새튜레이션 기능) � � � � � � � � � � � � 45 Turbo Gain (터보 게인)� � � � � � � � � � � � � � � 46 V Modulation (뷔 모들레이션)� � � � � � � � � � � � 46 White Balance (화이트 밸런스) � � � � � � � � � � � 47 White Clip (화이트 클립) � � � � � � � � � � � � � � 48 Zebra (제브라) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 48
CCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthersAppendix
카메라의 화면 내에 촬영되는 범위를 각도로 표현한 것.
카메라로 풍경을 촬영할 때, 그림A와 같이, 화상 모니터 상에 디 스플레이 되는 어떤 범위가 있다. 화각은 이미지가 표시되는 범 위(평면)인데, 렌즈의 중심에서 이미지의 폭(수평, 수직, 대각선) 에 대한 각도로 측정되며. 각각 수평 화각, 수직 화각, 대각선 화
각이라고 한다. 망원 렌즈를 사용하면 화각은 좁아지고 광각 렌 즈를 사용하면 화각은 보다 넓어 진다. 따라서 화각이 넓으면 표 시되는 범위도 넓어 진다. 화각은 이미지 크기에 좌우되므로 2/3 인치와 1/2인치 CCD 카메라를 위한 렌즈는 초점 거리(focal length)가 다르게 된다.
Angle of View (화각)
수평화각
모니터
비디오카메라
그림A 화각은 다음의 공식으로부터 유도된다
w: 화각
y: 이미지 크기 (수평, 수직 또는 대각선 방향의 이미지 폭) f: 초점거리
화각
초점거리
이미지 크기
CCD
그림B w = 2tan‐1y/2f
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers 유리등 렌즈의 재료는 모든 파장의 빛에 대하여 동일한 굴절률을
가진 것은 아니다. 따라서 서로 다른 파장이 혼재하고 있는 빛의 이미지를 만들 때에는 초점 위치가 색에 따라 다르며, 선명한 영 상이 얻어지지 않는다. 광학계의 고유 결함에 의해 나타나는 불완 전한 결상을 말한다.
빛이 유리를 통과할 때, 빛이 통과하는 통로는 ‘굴절하거나’
(refracted) 꾸부러진다(gets bent). 굴절의 양은 색을 결정하는 빛의 파장에 좌우되며, 이 현상은 비디오 카메라의 렌즈에 사용되 는 렌즈들에 대해서도 마찬가지이다.
색과 색 사이에서의 굴절의 차이는 서로 다른 이미지 평면 상에 초점을 형성하는 각 색의 빛(칼라 카메라의 RGB에서)에 직접적으
로 결과한다. 예를 들면, 하나의 색이 CCD 이미저(imager) 상에 서 초점이 맞아도 다른 색은 약간 초점이 안 맞아 덜 예리하게 보 이게 된다. 이 현상은 초점 거리가 보다 긴 렌즈에서 더욱 눈에 띄며, 그 결과 이미지의 에지에서의 열화가 있게 된다.
최근의 기술 향상으로 비디오 카메라 렌즈의 색 수차를 효과적으 로 감소할 수 있게 되었다. 이것은 색 수차를 보상하기 위하여 굴 절 특성이 다른 일련의 집중(converging)과 분산(diverging) 렌 즈를 조합함으로써 이루어진다. 형석(fluorite)과 같은 결정상의 물 질을 사용함으로써 수차를 없애고(offset) 이미지의 위치(locus)를 재현하게 된다.
Chromatic Aberration (색 수차)
모든 칼라 카메라는 어떤 정해진 색 온도(Color temperature)에 서 동작하도록 설계된다. 예를 들면, 소니의 프로용 카메라는 3200 K에서 밸런스 되도록(화이트 밸런스, 참조 : “White Balance”) 설계되어 있다. 3200 K는 일반적인 할로겐 램프를 사용할 때의 옥내 촬영을 위한 색 온도이다. 그러나 카메라는 또 한 3200 K 이외의 색 온도 하에서도 촬영 할 수 있어야 한다. 이 러한 이유 때문에, 여러 개의 선택 가능한 색 변환 필터가 프리즘 시스템 앞에 장착된다. 이들 필터는 현재의 빛의 색 온도의 스펙 트럼 분포를 카메라의 동작 온도인 3200 K와 광학적으로 거의 같도록 한다. 예를 들어, 5600 K의 발광체(Illuminant) 하에서 촬 영하고 있다면, 5600 K의 색 변환 필터를 사용함으로써, 입사 광 의 스펙트럼 분포를 3200 K의 스펙트럼 분포로 변환 할 수 있다.
그러면 다음과 같은 질문이 있을 수 있다. 색 온도의 변화를 전기 적으로 정정(correct)할 수 있는데(화이트 밸런스) 왜 색 변환 필 터가 필요한가? 답은 간단하다. 화이트 밸런스는 비디오 증폭기를 사용하여 R. B 신호의 진폭을 전기적으로 조정하여 G와 같도록 하는 것을 말한다. 그러나 여기서 주의해야 하는 것은, 전기적 증 폭을 사용하면 S/N비가 열화한다는 것이다. R/G/B 증폭기의 이 득을 조정하여 카메라를 모든 색 온도에 밸런스 시키는 것은 가능
하기는 하지만, 이것이 S/N비라는 관점에서 실제적이 아닌 이유 는, 큰 이득(gain up)을 필요로 하는 경우에는 S/N 비를 희생해 야 하기 때문이다. 색 변환 필터는 화이트 밸런스를 위한 각 증폭 기의 이득 조정 범위를 좁혀준다.
Color Conversion Filter (색 온도 변환 필터)
적색 빛의 초점 녹색 빛의 초점
청색 빛의 초점
상대적 에너지
변화된 부분
파장 (mm)
카메라에 의해 재현되는 색은, 그 아래서 카메라가 사용되는 광원 (또는 발광체)의 색에 크게 좌우된다.
이것은 때로는 이해하기가 힘든데, 그 이유는 사람의 눈은 광원의 색의 변화에 적응성(adaptive)이 있으므로, 물체의 색은 어떤 광원- 예를 들면, 태양, 할로겐 램프, 촛불 빛- 아래에서도 항상 동일하게 보인다.
광원의 색은 기준(레퍼런스)으로써 가열된 카본을 사용하여 규정 한다. (투과와 반사가 없이 모든 방출을 흡수하는 흑체(black body)) 카본 조각을 가열할 때, 불 꽃 없이 타다가 어떤 절대 온 도(켈빈이나 K로 표현하는)에 도달하면 빛을 발산하게 된다. 광원 으로부터 방출되는 빛의 스펙트럼 분포는, 색 온도로 알려진 대응 하는 절대 온도에 의해 결정된다. 카메라는 자동적으로 광원의 색
온도에 적응할 수 없으므로, 정확한 색 재현률을 얻기 위해서는 촬영하는 환경에 대한 적당한 색온도 변환필터(참조: “Color Conversion Filter”)를 선택하는 것이 중요하다. 적합한 색온도 변환 필터를 선택하는 것과 함께, 전자적인 화이트 밸런스(참조:
“White Balance”)를 취하는 것이 좀더 정확한 색 재현률을 만 들어 낼 수 있다.
Color Temperature (색 온도)
초점을 맞춘 피사체의 전후에서, 선명하게 촬영되는 범위. F 값을 크게 하면, 그에 비례하여 깊어지고, 피사체의 거리를 2배로 하면 심도는 4배가 된다.
촬영할 때 초점을 맞춘 한 점만이 아니고, 그 전후의 어떤 범위는 초점이 맞아 있는 것과 같이 느껴진다. 이 허용 범위를 피사계 심 도라고 한다. 조리개를 조이면 같은 렌즈라도 초점이 맞는 범위는 크게 된다. 망원 렌즈는 광각 렌즈 보다 피사계 심도가 얕다.
하나의 물체에 렌즈의 초점을 맞추었을 때, 그 목적물의 전후에 또한 초점이 맞는 어떤 범위의 거리가 있게 된다. 피사계 심도는 초점이 맞는 가장 가깝고 그리고 가장 먼 물체 사이의 거리이다.
이 거리가 길면 피사계 심도는“깊고”(deep), 짧으면 피사계 심 도는“얕다”(swallow). 말할 필요도 없이, 피사계 심도(범위) 밖
의 어떤 물체도 초점이 벗어나며(out of focus) 번져(blurred) 보이게 될 것이다.
피사계 심도는 다음의 3가지 요인에 의해 지배 받는다.
1) 아이리스의 F 값(참조: “F Number”)(입력되는 빛의 양을 줄 인다)이 크면 클수록 피사계 심도는 깊게 된다.
2) 렌즈의 초점 거리가 짧으면 짧을 수록 피사계 심도는 깊어 진 다.
3) 카메라와 물체간의 거리가 멀면 멀수록 피사계 심도는 보다 깊어진다.
이와 같이 피사계 심도는 위의 요인들을 변경함으로써 제어할 수 있으며, 카메라 오퍼레이터에게 창조적인 촬영 기술을 제공하게 된다.
Depth of Field (피사계 심도)
플랜지-백은 렌즈를 선택할 때 고려해야 할 가장 중요한 문제 중 의 하나이다. 플랜지-백이란 카메라의 렌즈 마운트 기준(레퍼런 스) 면(링 표면 또는 플랜지)으로부터 아래 그림과 같이 이미지 면(CCD와 같은 결상면)까지의 거리를 말한다. 주어진 카메라에 맞는 플랜지-백을 가진 렌즈를 선택하는 것이 필요하다. 플랜지- 백은 카메라가 빛의 통로(프리즘과 같은: 참조: “Prism”)에 유리 물질의 사용 여부에 따라 다르게 측정된다. 3 CCD 카메라는 이 시스템을 입사되는 빛을 3원색 성분으로 분리하는데 사용한다(그
리고 각 관련되는 CCD에 의해 캡쳐된다).
한편, 단일 CCD 카메라는 이 시스템이 필요 없다. 3 CCD 카메 라에서, 플랜지-백은 추가적으로 프리즘을 통과하여 빛이 지나가 는 거리가 포함된다(유리 물질 속을 빛이 지나가는 거리는 공기 중에서의 등가거리로 변환되고, 렌즈 마운트와 CCD 표면간 거리 의 나머지를 더한다).
오늘날의 카메라 시스템에서는 플랜지-백은 카메라가 사용하는 렌즈-마운트 시스템에 의해 결정된다. 3 CCD 카메라는 바이요
Flange Back/Back Focal Length (플랜지-백/백 초점 거리)
깊은 피사계 심도 얕은 피사계 심도
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers 넷 마운트 시스템을 사용하며, 한편 단일 CCD 카메라는 C 마운
트나 CS 마운트 시스템을 사용한다.
C 마운트와 CS 마운트 시스템의 프랜지-백은 각각 17.526mm와 12.5mm로 표준화 되어 있다. 바이요넷 마운트 시스템에는 35.74mm, 38.00mm, 그리고 48.00mm의 3가지 플랜지-백 표
준이 있다.
플랜지-백에 비슷하게, 백 초점거리(back focal length)가 있다.
이것은 렌즈의 바로 끝(카메라 마운트의 오프닝에 맞는 시린더의 끝)으로부터 이미지 면(결상 면)까지의 거리를 말한다. 카메라의 백 초점거리는 플렌지-백 보다 약간 짧다.
렌즈에 입사한 빛 중에서 화상을 만드는데 필요 없는 빛이 들어와 어떤 형태로든 화상에 중첩하여 화상의 컨트라스트를 손상시키는 것. TV 영상에 부자연스러운 흰색 또는 칼라 색상이 너울거리는 현상. 카메라에 빛이 입사할 경우 렌즈, 프리즘 등의 광학계 또는 촬상관의 광전면에서의 난반사에 의해 영상 신호의 블랙 레벨이 높아 지는 현상을 플레어라 한다.
플레어는 강한 빛이 카메라 렌즈를 통과하여 지나갈 때 발생하기 쉬운 하나의 현상이다. 플레어는 카메라 내부로 입사되는 빛의 다 수의 확산된 반사에 의해 발생한다. 이것은 각 적색, 녹색, 청색
채널의 블랙 레벨을 상승시키거나 또는 3 채널 간의 칼라 균형 (balance)을 부정확하게 한다. 비디오 모니터 상에서는, 플레어는 화상을 몽롱한(misty) 이미지와 같이 나타나게 하거나, 때로는 색 그늘(color shade)을 야기한다.
플레어의 영향을 최소화하기 위하여, 프로용 비디오 카메라는 플 레어 조정 기능이 제공되고 있다. 이 기능은 페데스탈 레벨을 최 적화하고 3 채널 사이의 균형(balance)을 전자적으로 정정한다.
Flare (플레어)
렌즈의 밝기를 표시하는 단위. 렌즈의 조리개 링에는 1.4, 2, 2.8--이라는 눈금이 매겨져 있다. 이 값이 렌즈의 F 넘버이며, 렌 즈의 유효 최대 구경(직경)을 D, 초점 거리를 f 라고 하면, F 넘버 는 f/D로 표시한다. 구경이 크고 초점 거리가 짧을수록 밝다. 이 눈금은 국제적으로 표준 수치가 정해져 있으며, 눈금이 한 단계 크게 되면 밝기가 1/2로 줄도록 되어 있다. F 넘버가 낮을수록 필요한 노출 시간이 짧고, 또한 카메라로 얻을 수 있는 만족한 결 과를 얻기 위해 필요한 조도(Illumination)가 낮아 진다.
렌즈의 최대 어퍼츄어는 렌즈에 의해 모아지고 카메라 이미저 (imager)에 인도 받는 빛의 총량을 나타낸다. 보다 큰 물리적인 직경을 가진 렌즈는 보다 광범위한 면적에 걸쳐 빛을 받을 수 있 고 따라서 더욱 효과적이다. 이 반비례적인 관계는 F-수치가 작으 면 작을수록 렌즈의 속도는 보다 빨라지고(faster), 카메라에 제공 되는 감도(sensitivity)는 높아지는 것을 의미한다. 최대 어퍼츄어 F-수치는 렌즈의 앞면에 표시되어 있으며, 렌즈를 비교할 때 중요
하게 구별하는 요인이 된다. TV 카메라에 사용되는 렌즈에서, 렌 즈와 카메라의 감도를 감소시키기 위한 메커니즘이 필요하며, 이 것은 렌즈내에 있는 가변 다이어프램(참고“lris”)에 의해 이루어 진다.
렌즈 아이리스 링 또한 F-stop으로 교정된다. 이들 교정은 라 는 인자에 의해 증가한다. 따라서 렌즈는 일반적으로 1.4, 2. 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 그리고 22로 교정되어 있다. 입사되는 빛의 총 량은 횡단면의 면적에 비례함으로 이미지의 밝기는 F-수치의 자 승(second power)에 역으로 비례한다. 단순하게 말한다면, F- 수치의 값이 1 스톱 증가하면, 밝기는 1/2로 감소한다.
F-수치나 F-스톱은 카메라에 의해 촬영되는 장면의 피사계 심도 에 영향을 미치는 중요한 요인이다(참조: “Depth of Field”). F- 수치나 F-스톱이 작아지면 작아질수록, 피사계 심도는 얕아지며 (shallower), 그 반대인 경우에는 그 반대가 된다.
F Number (에프 넘버)
백 초점거리
플랜지 백
f: 초점거리
렌즈
D: 유효 어퍼츄어 입사광
F2.8 F2.0
F1.4
렌즈의 광학적인 중심으로부터 초점 까지의 거리를 말한다. 렌즈 의 성질을 나타내는 가장 중요한 수치. 초점 거리가 길 수록 큰 상이 만들어 지고, 짧을 수록 작게 되어 넓은 화각이 촬영되므로 촬영하고자 하는 화각에 의해 사용하는 렌즈의 초점 거리를 선택 한다. 광학상 기호로는 f를 사용하고, f=7-21 mm(DSC-S75)등 으로 표시하는데, 때로는 대문자 F를 사용하기도 하므로, F 넘버 와 혼돈하지 않도록 주의한다.
초점 거리는 렌즈와 렌즈를 통해 통과하는 빛이 광학적인 축 상
에서 수렴하는 점 간의 거리이다. 이 점은 렌즈의 초점이 맞는 곳 이며, 초점(focal point)이라고 부른다. CCD 이미저 상에 초점이 맞는 이미지를 캡쳐하기 위해서는 초점은 렌즈의 초점을 조정하 여 CCD 이미저의 면과 일치해야 한다. 비디오 카메라 렌즈는 일 반적으로 줌잉(zooming)과 색 수차 보상을 위한 목적(참조
“Chromatic Aberration”)으로 일련의 개별적인 렌즈로 구성되 며, 주요 점(principal point)이라고 하는 허 초점(virtual focal point)이 있다.
Focal Length (초점 거리)
카메라 렌즈의 조리개. F 값이다. 렌즈를 통과하는 광량을 조정하 는 개구부로 카메라에 들어와 이미저에 도달하는 빛의 총량은, 렌 즈에 부착되어 있는 다이어프렘(diaphragms)의 조합에 의해 조 정된다. 이 메커니즘은 렌즈 아이리스라고 하며, 인간 눈의 동공
(눈동자)과 동일한 기능을 한다. 이들 다이어프렘을 열거나 닫음 으로써 개구부의 직경(또한 어퍼츄어라고 한다)이 변하며, 통과하 는 빛의 총량을 조정하게 된다. 아이리스 오프닝(opening)의 총 량은 F값으로 표현한다.
Iris (아이리스)
초점거리
초점
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers 인간의 눈은 빛에 예민(sensitive)하다. 또는 다른 표현으로 말한
다면, 인간의 눈의 망막은 우리가 물체를 볼 때 빛에 반응(react) 한다. 기술적으로는, 빛은 각기 다른 파장(wave length)을 가진 여러 가지 전자파(electromagnetic waves)로 구성되어 있다.
인간의 눈은 그 파장이 약 380에서 760 nm(나노미터) 사이의 범 위인 전자파에 만 반응(sensitive)한다. 전자파의 이 범위를 가시 스펙트럼(visible spectrum)이라고 하며, 인간의 눈이 볼 수 있 는 빛의 범위를 나타낸다. 인간의 눈에는 각 파장은 서로 다른 빛 의 색(light color)으로 보인다.
대표적인 광원(태양, 형광등/할로겐 램프)으로부터 방출되는 빛은 다양한 서로 다른 빛의 색의 조합이다. 그러나 광원은 흰색(또는
투명함)으로 보인다. 이것은 프리즘(참조“Prism”)으로 설명된다.
프리즘에서는 프리즘을 통과하는 빛이 각각의 빛의 성분으로-대 표적으로는 무지개 색으로- 분리된다.
본론으로 되돌아 간다면, 우리가 서로 다른 색으로 물체를 보는 이유는 각 물체가 서로 다른 빛의 반사/흡수 특성을 가지고 있기 때문이다. 예를 들면, 흰색의 종이 조각은 모든 빛의 색을 반사하 며, 그 결과 흰색으로 보인다. 비슷하게, 순수하게 청색인 물체는 단지 청색 빛(스펙트럼)만을 반사하고 다른 모든 빛의 색은 흡수 한다. 각 물체가 반사하는 빛의 색은 물체의 표면의 특성에 의해 좌우된다.
Light and Color (빛과 색)
녹색이다
녹색 스펙트럼 만이 나무잎에서 반사한다 다른 색은 흡수된다
렌즈의 성능 평가 방법의 하나로 주기적인 흑백의 수직 띠를 촬 영하여, 그 컨트라스트의 저하를, 이미지의 주기 또는 그 역수인 공간 주파수(spatial frequency)의 관수로 나타내는 것이다. 수 직 띠가 거칠면 흑과 백이 확실하게 식별되지만, 세밀하게 되어 렌즈의 해상 한계를 초과하면, 흑과 백이 식별되지 않게 되고 회 색으로 보이게 된다. 이와 같은 컨트라스트의 재현률(contrast reproducibility)을 MTF라고 한다. 종래의 렌즈 평가에서는 해상 도에 중점을 두었으나, 이것은 한계치를 나타내는 것 뿐이고 렌즈 의 전체적인 평가는 되지 않으므로, 최근에는 MTF에 의한 평가 가 일반적이다.
렌즈 등의 광학계의 전송 특성을 표현하는 방법으로 어느 정도 세밀한 패턴이 어느 정도까지 컨트라스트가 좋은 화상을 만드는 가를 나타낸다.
MTF는 이미징 시스템이 디테일을 처리하는 능력을 기술하는 방 법의 하나이다. 전자공학에 있어서 주파수 레스폰스(반응)의 공간 적 등가(Spatial equivalent)이다.
MTF는 화상 디테일의 컨트라스트를 재생하는 렌즈의 능력을 나 타내는 하나의 중요한 지표(index)이다. MTF는 렌즈의 컨트라스 트 재현률로 측정되는데, 이것은 해상도 챠트(Resolution chart) 상에 있는 정밀한 흑과 백의 수직선을 분해하는 능력이다. 렌즈는 일반적으로 높은 공간 주파수(보다 좁은 흑과 백의 선)에서는 감 도가 낮아지므로, 컨트라스트 재현률은 주파수가 증가함에 따라 감소한다. 아래의 MTF 곡선이 이 변화를 나타내고 있는데, 이 그 림에서 수평축은 공간 주파수, 수직축은 컨트라스트 재현률을 표
시하고 있다. MTF 값은 라인(선)이 더 이상 분해되지 않는 점에 도달할 때까지 변화하고 있는 것을 알 수 있다. 이 점은 렌즈의 최종적인 해상력(final resolving power)이거나, 분해되는 가장 좁은 간격의 흑과 백의 선을 나타내는 것이다. 말할 필요도 없이, 컨트라스트 재현률의 값이 높으면 높을수록, 주어진 공간 주파수 에서 컨트라스트는 더욱 충실하게 재현된다. 이것은 각 주파수에 서 보다 높은 MTF 값을 가진 렌즈는 컨트라스트를 보다 잘 재현 한다는 것을 의미한다.
TV용 렌즈를 선택할 때, 렌즈의 최종적인 해상력에 추가하여 낮 은 주파수에서 중간 주파수에 걸친 MTF의 특성을 조사하는 것도 동시에 중요하다. 왜냐하면 렌즈의 저역에서 중역에 걸친 주파수 범위는 일반적으로 NTSC나 PAL 비디오 신호에서 사용되고 있 는 주요 주파수 범위를 나타내기 때문이다. 이 범위에서는 높은 레스폰스(100%에 가까운)를 갖는 것이 필수적이다. 그렇지 않으 면 비디오 화상은 샤프한 컨트라스트로 재현되지 않는다. 아래의 그림은 하나의 예를 보여준다. 렌즈 B는 보다 높은 공간 주파수 에서(이미지의 세밀한 부분에서) 이미지를 재현하는 능력이 있으 며, 그리고 때로는 렌즈 A 보다 더 많은 해상력을 가진 것으로 잘 못 평가 받을 수도 있을 수 있다. 그러나, 점 X 까지는 렌즈 A가 보다 높은 해상력을 가지고 있으며, 이것은 대부분의 카메라 응용 에 있어서 더 중요할 수 있다.
렌즈를 선택할 때에는, 어떤 응용에 사용하는가에 따라, 렌즈의 MTF 곡선과 최종 해상력(final resolving power) 양 쪽을 주의 깊이 고려해야 한다.
MTF (Modulation Transfer Function) (변조 전달 함수)
입사광의 전 파장에 걸쳐 광량을 동일하게 감소시키는 광학 필터 로써, 피사체의 색 재현(색 밸런스)에는 영향을 주지 않고 투사광 을 감소시키는 필터. 또는 피사계 심도를 낮게 하고 싶을 때 유효 하다.
야외 촬영시 카메라는 때때로 대단히 큰 하이라이트에 직면하게 된다. 어떤 경우에는 이들 하이라이트를 렌즈의 최소 아이리스 개 방으로 해도 처리할 수 없을 때가 있다. 이러한 이유 때문에 몇 가지 형식의 선택적인 ND 필터를 CC 필터(Color Conversion filter)와 함께 프리즘 시스템 앞 쪽에 설치한다. ND 필터는 보다
높은 조도(Illumination)를 취급 할 수 있도록 입사광의 세기를 감쇄 시킨다. ND 필터를 사용하여도 감쇄가 전체 스펙트럼에 걸 쳐 균일하기 때문에 입사광의 색 온도에는 영향을 미치지 않는다.
ND 필터는 또한 보다 넓은 아이리스 개방을 의도적으로 선택하 기 위해 사용되기도 한다. 피사계심도(depth of field)는 아이리 스 어퍼츄어(개방)와 역 비례 관계가 있으므로, 카메라 오퍼레이 터는 적당한 ND 필터를 사용하여, 촬영하는 물체의 전후에 있는 물체를 의도적으로 디포커스(defocus) 시킬 수 있다.
ND Filter (Neutral Density Filter) (엔디 필터)
보다 높은 컨트라스트 재현률
렌즈 A가 보다 높은 이미지 품질을 생성할 수 있다
렌즈 B가 보다 높은 이미지 품질을 생성할 수 있다 점 X
공간 주파수 (선/ mm) 100
100
33 MTF
보다 높은 해상력 렌즈 B
렌즈 A
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers CCD 이미저 상의 포토 센서의 물리적 크기와 조정에 의하여, 세
밀한 디테일의 물체, 예를 들면, 세밀한 줄무늬 패턴을 촬영할 때, 소위 모아레(Moire)로 알려진 무지개 색의 패턴이 이미지를 가로 질러 나타나기도 한다.
이것은 렌즈의 입사광의 주파수가 각 포토 센서 사이의 공간 (space)에 의해 결정되는 CCD의 공간 오프셋(참조: “Spatial Offset”) 주파수를 초과할 때 나타나는 경향이 있다. 그러한 모아 레 패턴이 나타나는 것을 감소시키기 위하여 옵티컬 로우패스 필
터(optical low pass filter)가 CCD 카메라에 사용된다. 옵티컬 로우패스 필터는 CCD 프리즘 블록 앞에 위치시키며, 비교적 보 다 낮은 주파수의 빛 만이 통과하도록 허용한다. 이러한 형식의 필터링은 또한 화상의 디테일을 감소시키기 때문에 옵티컬 로우패 스 필터의 특성을 선택할 때는 세심한 주의가 필요하며, 효과적으 로 모아레는 감소시키지만 카메라의 최대 해상력(resolving power)의 열화도 없도록 해야 한다.
Optical Low Pass Filter (옵티컬 로우패스 필터)
가색혼합(Additive Mixing)에서 설명하였듯이(참조: “Additive Mixing”), 3 CCD 비디오 카메라는 입사되는 빛을 삼원색인 적 색, 녹색, 청색으로 우선 분리함으로써 칼라 비디오 신호를 처리한 다. 이 분리는 3 개의 프리즘으로 이루어지는 카메라의 프리즘 시 스템으로 이루어 진다. 프리즘 시스템은 빛이 그 색이나 파장에
의존하는 서로 다른 반사 특성을 이용한다. 예를 들면, 아래의 그 림에서, 녹색 빛은 어떤 프리즘에 의해서도 반사되지 않으며 직접 녹색 CCD로 들어 간다. 적색은 두 번째 프리즘의 표면에서 반사 되지 않으며, 세 번째에서 반사되어 두 번째 프리즘 내에서 한번 더 반사되어 적색 CCD로 들어 간다.
Prism (프리즘)
프리즘
입사광
CCD
CCD CCD
카메라
3-CCD 카메라의 색분리 시스템
흰 피사체를 촬영했을 때에 카메라 렌즈의 성능에 의해 화면의 중심에서는 백색으로 촬영되어도 화면의 상부와 하부등 모서리에 서는 밸런스가 깨져서 마젠터 또는 녹색으로 될 때가 있다. 이 현 상을 쉐이딩이라 하며 이것을 보정하기 위한 회로를 쉐이딩 보정 회로라 한다.
화이트 쉐이딩은 화이트 밸런스(참조: “White Balance”)가 스크 린의 중심부에서 정확하게 조정되어 있어도, 스크린의 위나 아래 쪽 부분에 녹색이나 마젠터 색조(cast)의 기미가 나타나는 현상 이다. 화이트 쉐이딩은 칼라를 분리하는 시스템에 다이크로익 층 (dichroic layer)(다른 색은 통과시키면서 하나의 특별한 색은 반 사시키기 위하여 사용한다)을 채택한 카메라에서 볼 수 있다. 이 시스템에서 3 원색인 색(적색, 녹색, 청색)은 칼라 프리즘(참조:
“Prism”)을 사용하여 분리한다. 3색 프리즘은 어떤 색을 제한하 기 위하여 전체 반사 층과 색을 선택하여 반사하는 층을 조합하 여 사용한다.
예를 들면, 청색 프리즘은 청색 빛 만 제한하고, 이것을 청색 CCD 이미저에 보낸다.
그러나, 각 프리즘의 색을 필터링하는 특성은 각 반사 층에 빛이 들어오는(입사 각도) 각도에 따라 약간 변한다. 입사광의 이 각도 는 다이크로익 코팅 층의 멀티 레이어 구조에 있어서 서로 다른 빛의 통로를 일으켜 프리즘의 스펙트럼 특성의 변화를 가져오게 된다. 이 효과는 중심부에서 화이트 밸런스를 정확하게 조정했다 해도 스크린의 위쪽과 아래쪽 부분에 청색이나 마젠터 색조를 띈 부분이 보이게 한다.
화이트 쉐이딩은 일반적으로 불균일한 전송 특성을 가진 렌즈에 기인하며, 이미지의 중심부가 가장자리 부분 보다 더 밝게 보이기 도 한다. 이것은 화이트 밸런싱에 사용하는 가변 이득 증폭기에 포물선의 교정 파형을 공급함으로써 교정된다.
화이트 쉐이딩의 또 다른 원인은 CCD 배열(array)에 있는 포토 센서의 불균일한 감도 때문이다. 이 경우에는, 화이트 쉐이딩 현 상이 스크린의 위쪽과 아래쪽에 한정되지 않는다. 소니의 고급 업 무용 방송 카메라에는 화이트 쉐이딩 현상을 억제하기 위해 적절 한 조정을 자동적으로 수행하는 회로가 장착되어 있다.
White Shading (화이트 쉐이딩)
녹색 색조
마젠터 색조
청색을 반사하는 다이크로익 코팅
적색을 반사하는 다이크로익 코팅
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers 기술적으로, “줌”이란 렌즈의 초점 거리(참조: “Focal Length”)
를 변경하는 것이다. 연속적으로 초점 거리를 변경할 수 있는 능 력을 가진 렌즈를 줌 렌즈라고 한다. 줌 렌즈는 카메라퍼슨이 화 각(참조: “Angle of View”)을 변경하도록 한다. 순서대로 화각을 변경하며는 CCD 이미지에 들어오는 이미지의 면적을 변경한다.
예를 들면, 하나의 이미지에 줌인(zooming-in)하며는(렌즈의 텔 레포토 위치) 렌즈에 들어오는 이미지가 작아지고 결과적으로 이 미지의 면적이 확대된 것처럼 나타날 것이다. 줌아웃(zooming- out)(광각 위치)은 이미지의 많은 부분이 이미저로 들어오고 결과 적으로 이미지는 보다 작게 보일 것이다. 또한 줌의 위치가 변하
면 이미저에 들어오는 빛의 양도 변한다.
텔레포토(telephoto) 위치에서, 물체로부터 반사되고 렌즈를 통해 들어오는 빛이 적기 때문에 아이리스도 따라서 조정되어야 한다.
초점 거리가 변하면 색 수차(참조: “Chromatic Aberration”)와 다른 빛 확산(other light-diffusion) 특성이 변하므로 고품질 줌 렌즈는 일련의 보상 렌즈를 사용한다(고가품이 된다).
줌잉 비율과 화각 사이의 상호 관계는 아래 그림과 같다.
Zoom (줌)
줌잉과 화각 간의 상호관계 665 mm 200 mm
400 mm 120 mm 48 mm
4.8 mm 8 mm
CCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthersAppendix
EVS(Enhanced Vertical Definition System)와 Super EVS 는 카메라의 수직 해상도를 개선하기 위하여 개발된 기술의 하나 이다. Super EVS는 EVS의 향상된 기술이므로, 먼저 EVS에 사 용된 기본 기술을 보자.
EVS는 수직 해상도의 개선이 필요하여 그 해결책으로 개발되었 다. 기술적으로, 그 메커니즘은 프레임 읽어내기(Frame Integration)(참조: Field Integration and Frame Integration Mode)에 기초하고 있으며, 그러나 전자 셔터를 유효하게 사용함 으로써 이 모드에서 야기되는 태생적인 화상 블루어는 감소시키 고 있다.
프레임 인테그레이션에서 설명하였듯이, 화상 블루어는 1/30초라 는 보다 긴 축적 기간에 의해 나타나게 된다.
EVS는 처음의 1/60초(1/30 = 1/60 + 1/60) 중에 축적된 전하 를 버림으로써 이것을 제거한다. 그리하여 두 번째의 1/60초에 축적된 전하 만을 유지하게 된다. 프레임 인테그레이션과 마찬가 지로 EVS는 우수 필드를 생성하기 위하여 CCD의 우수 라인을 사용하고, 기수 필드를 생성하기 위하여 기수 라인을 사용한다.
따라서 동일한 높은 수직 해상도를 제공하게 된다. 그러나 축적된
전하의 처음 1/60초는 버려지므로, EVS는 그 감도를 1/2로 희생 시킨다.
Super EVS는 이러한 감도의 저하에 대한 하나의 해결책으로 개 발되었다. Super EVS에 사용되는 전하의 읽어내기 방법은 필드 인테그레이션과 EVS의 중간에 설정된다. 처음 1/60초에 축적된 모든 전하를 버리는 대신에, Super EVS는 이 버려지는 기간이 선형적(linearly)으로 조정되게 한다. 기간을 0으로 설정하면, 결 과는 필드 인테그레이션을 사용할 때와 같게 된다. 역으로 1/60 에 설정하면 결과는 프레임 인테그레이션과 동일하게 된다. 그리 고 0과 1/60 사이에 설정하면 Super EVS는 EVS에 의한 개선 된 수직 해상도와, 그러나 화상 블루어가 덜 감지되는 혼성 기능 을 제공하게 된다. 가장 중요한 것은, 해상도의 개선과 화상 블루 어는 선택되는 버리는 기간에 좌우 된다는 것이다.
다음과 같이 정리할 수 있다.
0에 가깝게 설정하면 수직 해상도의 개선은 적고, 화상 블루어도 적다.
1/60에 가깝게 설정하면 수직 해상도는 많이 개선되고 화상 불루어도 많아 진 다.
EVS/Super EVS (이뷔에스)
각 포토 사이트
기수
필드 인테그레이션
�감도는 높으나 해상도는 낮다
�버려지는 전자는 없다
Super EVS
�필드 인테그레이션과 프레임 인테그레이션 양 쪽의 장점을 살린다 (기술적으로 두가지의 중간이다)
�전자 셔터가 바뀌는 라인에서 다른 시간에 동작한다
EVS (프레임 인테그레이션)
�해상도는 높으나 감도는 낮다
�셔터 속도가 NTSC는 1/60초 PAL은 1/50초로 설정된다
�전자는 CCD의 오버 플로우 드레인 (OFD)에 버려진다 전자는 완전히 버려지지 않는다
우수
기수
우수
기수
버려지는 전자
유효한 전자
우수
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers CCD는 일반적으로 TV 시스템이 가지고 있는 주사선 수와 거의
같은 수직 픽셀 수를 가지고 있다. 예를 들면, NTSC 시스템에서 는 480개의 유효 TV 주사선이 있으며, 따라서 이 시스템에 사용 되는 CCD는 약 490개의 수직 픽셀을 가지고 있다.
비월주사 TV 시스템에서는, 전체 주사선의 단지 1/2만이 한번에 (하나의 필드에서) 디스플레이 된다. 이것은 CCD가 하나의 화상 필드를 생성하기 위하여 수직 샘플의 단지 1/2만을 읽어 낸다는 것을 의미한다. 오늘날 일반적으로 사용되는 읽어내기 방법에는 프레임 인테그레이션 방법과 필드 인테그레이션 방법의 두 가지가 있다.
프레임 인테그레이션 방법에서는, CCD 어레이의 각 픽셀은 수직 레지스터로 읽어내기 전에 하나의 완전한 프레임(1/30초/2 필드) 을 위한 전하를 축적한다. 우수 필드를 생성하기 위하여, CCD의 우수 라인의 전하가 읽어내기 되어지고, 기수 필드를 위하여 기수 라인을 위한 전하가 읽어내어 진다. 이 방법은 높은 수직 해상도
를 제공하지만 이미지가 보다 긴 1/30초 기간에 캡쳐되므로 화상 블루어라는 결점이 있다.
필드 인테그레이션 방법은 1/60초인 필드 레이트에 축적 기간을 매칭시키기 위해 짧게 함으로써 이 블루어를 감소시킨다. 그러나 만일 각기 다른 라인이 우수 필드나 기수 필드를 생성하기 위하여 읽어내 진다면 이것은 전하 축적이 보다 짧은 축적 기간 때문에 1/2로 떨어지는 것을 의미한다. 필드 인테그레이션은 두개의 수직 적으로 인접한 포토 사이트의 전하를 혼합하고 그리고 쌍으로 수 직 레지스터로 그들을 읽어냄으로써 이것을 피하고 있다. 각 쌍은 두개의 인접 수직 픽셀이 합쳐진 것으로써 비월 주사선 상에 하나 의 픽셀을 나타낸다. 기수와 우수 필드는 어느 전하가 혼합될 것 인가의 포토 사이트를 변경하여 생성된다. 이 방법이 가장 일반적 으로 사용되기는 하지만, 프레임 인테그레이션 방법에 비해 수직 해상도가 떨어진다. 그 이유는 두개의 인접 픽셀의 화상 정보가 물리적으로 커진 센싱 면적에 의해 수직 방향으로 평균화 되기 때 문이다.
Field Integration and Frame Integration Mode (필드 읽어내기와 프레임 읽어내기 모드)
필드 기수 우수
프레임 인테그레이션
필드 인테그레이션
CCD 읽어내기 모드 전하 읽어내기
전하 읽어내기
1 프레임
시간
시간 A+B A+B
B+C B+C C+D C+D
D+E D+E
픽셀 A, C, E, 등 픽셀 B, D, 등
HAD(Hole Accumulated Diode) 센서는 그 표면에 정공 축적 층이 있는 다이오드 센서이다. 이 층은 Si-Si02 경계 층에서 불 규칙하게 발생된 전자에 의해 야기되는 암 전류 잡음(dark current noise)을 효과적으로 감소시킨다. 정공 축적 층은 정공 이 CCD 표면에서 발생한 전자와 쌍을 이루게 하여, 센서에 들어 와 축적되는 전자의 수(암 전류 잡음의 양)를 감소시킨다. 암 전 류 잡음의 감소는 고정 패턴 잡음(fixed pattern noise)의 감소 를 가져오고, 높은 S/N비와 낮은 다크 쉐이딩(dark shading)이 라는 결과를 가져 온다.
정공 축적 층은 또한 래그(Lag: 지연)를 제거하는데도 중요한 역
할을 한다. CCD에서의 래그의 양은 포토 센서에 축적된 전자가 수직 시프트 레지스터에 전송되는 효율에 의해 결정된다. 정공 축 적 층이 없는 CCD에서는 포토-센싱 우물의 밑 바닥(전위)이 시 프트되는 경향이 있고, 그림 (a)처럼, 심지어 전자가 리드아웃 (read out)된 후에도 우물에 남아 있게 된다. 그러나 HAD 센서 가 있는 구조에서는 정공 축적 층이 포토-센싱 우물의 밑 바닥을 동일한 전위로 클램프(clamp)하므로, 축적된 전자는 완전히 수직 레지스터(b)에 떨어지게 된다. 그리하여 전자는 리드아웃 후에는 포토-센싱 우물에 남아 있지 않게 된다.
[추가 설명] CCD의 고정 잡음을 억제하기 위하여 사용하는 CCD 센서의 구조의 일종. HAD(Hole Accumulated Diode) 센서는, 표면에 홀(hole: 정공)을 모으는(accumulate) 층이 있는 다이오 드 센서이다. 이 층(layer)이 Si-SiO2 경계층에서 랜덤하게 발생 하는 전자에 의해 야기되는 암 전류 노이즈를 효과적으로 감소시 킨다. 정공 축적 층(hole accumulate layer)은 정공(hole:+전 기를 가짐)을 표면에서 발생한 전자와 쌍을 이루도록 하여, 센서
내에 들어와서 축적되는 전자(암전류 노이즈의 양)의 수를 감소시 킨다. 암 전류 노이즈의 감소는 고정된 패턴 노이즈의 상응하는 감소를 가져와, S/N비를 높여 주고 쉐이딩(dark shading)을 낮 추어 준다. 홀 축적 층은 또한 래그(lag)를 없애는데 중요한 역할 을 한다. CCD 카메라에서의 래그의 양은 포토 센서에 축적된 전 자를 수직 시프트 레지스터(vertical shift register)로 전송하는 효율에 의해 결정된다.
HAD Senser
TM(정공 축적 센서)
CCD는 CCD의 구조와 각 광전 소자에 축적된 전하를 출력으로 전송하는데 사용하는 방법에 따라 두 가지로 분류한다.
IT(Interline Transfer) CCD는 포토-센싱 소자의 종열과 수직 레지스터가 교대로 (alternately) 배열되어 있는 구조로 되어 있 다. 포토-센싱 소자(소위 말하는 픽셀)는 입사된 빛을 1/60초 기 간(PAL은 1/50초)에 걸쳐서 전하로 변환한다. 이 기간 후에, 축 적된 전하는 수직 귀선 기간 동안에 수직 시프트 레지스터에 전 송된다. 동일한 라인에 있는 전하(CCD 배열에서 동일한 횡열)는 동일한 순서에 따라 수직 시프트 레지스터를 통해 아래로 시프트 되고, 수평 레지스터로 라인 순서대로 읽혀져 들어 간다. 하나의 주어진 라인이 수평 레지스터에로 읽혀져 들어 가면, 이것은 즉 시 읽혀져 나가고(동일한 수평 기간 동안) 그리하여 다음 스캐닝
라인이 레지스터로 읽혀져 들어 온다.
IT 이미저 구조의 유일한 제한 사항은 수직 스미어(참조 :
“Vertical Smear”)라는 결점이다. 이것은 CCD가 하이라이트에 노출되었을 때 나타난다. 스미어는 하이라이트를 관통하는 수직 선으로 나타나는데, 어두운데서 밝은 물체를 촬영할 때 때때로 보인다. 이 현상은 대단히 많이 노출된 광전 소자에 축적된 전하 가 광전 소자에서 수직 레지스터로 전송이 일어나기 전에 수직 레지스터로 누설됨으로써 발생한다.
FIT(Frame Interline Transfer) CCD는 근본적으로 이 결점을 극복하기 위하여 설계되었다. 이 소자의 위 부분은 분리된 센싱 부분과 전하를 시프트하는 레지스터가 있는 점에서 IT CCD와
IT/FIT CCD (아이티/에프아이티 씨씨디)
표면 방향 깊이 방향 표면 방향 깊이 방향
지연
HA 층에 의하여 고정된 전위
전위 전위
(b) HAD 센서 (a) HAD 센서 구조가 없는 CCD
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers 정확하게 동일하게 동작한다. 아래 부분은 축적된 전하를 위한 임
시 저장 영역으로 동작한다. 즉 전하가 포토-센싱 구역에서 수평 레지스터(수직 블랭킹 기간 동안에)로 전송되자 마자, 신속하게 이 완전하게 보호된 구역으로 시프트된다. 대단히 짧은 기간에 전하 가 수직 레지스터를 통해 움직이므로, CCD가 하이라이트에 노출 되어도 광전 소자로부터 수직 레지스터로 누설되는 불필요한 전하 의 효과는 아주 작게 된다.
FIT 구조는 이와 같이 우수한 스미어 성능을 제공하지만, 그 복잡 성 때문에 가격이 IT CCD 보다 비싸다. 그러나 최근의 소니 IT CCD는 HAD 센서와 온칩 렌즈 기술(참조: “HAD SensorTM”,
“On Chip Lens”)을 사용함으로써 수직 스미어가 거의 무시할 정도로 감소되었다.
참고 : 수직 스미어는 일반적으로‘-120db’이하에서는 육안으로 거의 인지할 수 없다고 하고 있다.
어둠 속에서 볼 수 있는 인간의 눈의 능력과 비교하여 볼 때, CCD 카메라는 감도(참조: “Sensitivity”)에 있어서 제한이 있다.
감도를 개선하기 위하여 많은 기술들이 개발되어 왔다. 온칩 렌즈 는 그 중의 하나이다. 온칩 렌즈(OCL) 기술은 각 포토 센서 위에 마이크로 렌즈를 설치함으로써, 빛이 보다 효율적으로 유도되도록 하여 CCD의 빛을 수집하는 능력을 철저하게 향상시켰다. 소니의 HAD-센서 기술과 OCL의 조합으로 심지어 극단적으로 낮은 조 도 상태에서도 이미지 캡쳐 능력에 엄청난 개선을 달성하였다.
각 마이크로 렌즈가 입사되는 빛을 각 포토-센싱 부분에 집중시 킴으로써, CCD의 수직 레지스터에 빛의 누설을 적게 하여 수직 스미어(참조: “Vertical Smear”)를 크게 감소시킨다
On Chip Lens (온칩 렌즈)
수직 시프트 레지스터
수평 시프트 레지스터
임시 저장 영역
FIT CCD IT CCD
포토 센서
CCD의 밀도는 감광 영역(sensing area)내의 화상 요소(화소) 의 수로 표시한다. 각 화소(pixel)는 입사광의 샘플링을 하기 위 하여 하나의 광 센서(photo senser)를 가진다. CCD의 감광 영 역내의 화소의 수는, 카메라의 결과적인 해상도(resultant resolution)를 결정하는 주요 요인이 된다. 여기서 주목해야 하 는 것은, CCD의 가장자리를 따라 어떤 부분은 가리워진다 (masked)는 것이다. 이 부분은 수평과 수직 블랭킹 기간에 해당 하고 흑(neutral black)에 대한 레퍼런스로 이용된다.
따라서 CCD 칩 내의 화소에 대한 두�가지 정의가 있게 된다.
마스크되는 부분을 포함하여, CCD 칩내의 화소의 총숫자를 표 현하는 총 화소(total picture eleｍent)와 입사광을 감지 (sensing)하는데 실제로 이용되는 화소의 수를 표현하는 유효 화소(effective picture element)이다.
Picture Element (화소)
CCD는 오늘날 비디오 카메라에 가장 일반적으로 사용되는 이미 징 소자이다. 요약하면, CCD는 입사되는 빛을 카메라 렌즈를 통해 비디오 신호를 만드는 전기적인 신호로 변환한다. CCD의 메커니즘이 인간의 눈과 매우 흡사하므로, 인간의 눈이 어떻게 동 작하는가를 보고, CCD와 비교해 보면 매우 유익할 것이다. 아래 의 그림 A와 같이, 인간의 눈에서는, 하나의 이미지(=빛)는 수백 만 개의 포토-센싱 세포로 이루어진 눈의 망막으로 인도되고 형 성된다.
그리고 망막은 이 이미지를 형성한 빛을 대단히 작은 전기적인 전하로 변환한다. 그리고 이것들은 뇌 신경 시스템을 거쳐 두뇌로 보내어 진다. 이것이 인간이 물체를 보는 기본 메커니즘이다.
CCD의 메커니즘으로 되돌아 와서, CCD는 눈의 망막의 포토-센 싱 세포와 동일하게 동작하는 포토 센서를 가지고 있다. 그러나 전하(전기적 하전)의 읽어내기(리드아웃) 방법은 완전히 다르다.
그림 C는 IT의 구조를 보여주는데, 빛을 전하로 변환하는데 사용 되는 포토 센서와 전하 읽어내기 메커니즘(비디오 신호를 구성 하기 위한)을 보여주고 있다.
픽셀(화소)이라고도 하는 포토 센서가 입사되는 빛을 전기적인 전 하로 변환한다.
빛의 변환과 전하의 축적은 1/60초 기간에 걸쳐 계속된다. 1/60 초 기간 후에, 각 포토 센서에 있는 전하는 수직 블랭킹 기간 동 안에 수직 시프트 레지스터로 전송된다. 동일한 라인(CCD 배열 의 동일한 횡열)에 있는 전하는 수직 레지스터를 통해 아래로 시 프트되고, 다음의 1/60초 축적 기간 동안에, 15.734 KHz의 주파 수로 라인 바이 라인(line by line)으로 수평 레지스터로 읽혀져 들어 간다. 이것은 순간적으로 읽혀지기 때문에(동일한 수평 기간 동안에) 다음의 주사선이 수평 레지스터로 읽혀져 들어갈 수 있 다.
Readout Mechanism (읽어내기 메커니즘)
CCD 화소
가리워진 화소
유효 화소
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers RPN이라는 용어는 CCD내의 불량(defect)에 의하여 화상 모니터
상에서 보이는 흰색 또는 흑색의 점을 말한다. 일반적으로, 이들 점은 수평 그리고/또는 수직 방향으로 있는 여러 개의 파괴된 픽 셀로 구성되며, 색을 적합하게 재현할 수 없다.
이들 점은 두 가지 범주로 나누어진다. 즉, 데드 픽셀(dead pixel)과 블레미스(blemish: 흠, 오점)이다. 데드 픽셀은 색을 재 현할 수 없지만, 블레미스는 재현할 수 있다. 다만 그들 픽셀에 축 적된 전하가 불필요하게 레벨이 시프트되므로 인해 적합하게 색을 재현 못하는 것이다.
소니는 데드 픽셀과 블레미스를 해결하기 위하여 컨실먼트 (concealment: 은폐)와 컴펜세이션(compensation: 보상) 기술 을 각각 개발하였다. 컨실먼트 기술은 데드 픽셀을 수평과 수직 방향으로 있는 인근 주변의 화상 데이터를 사용하여 지능적으로 보간(interpolate, 또는 replace)을 하는 것이다. 한편, 컴펜세이 션 기술은 불필요한 레벨의 시프트를 전기적으로 오프셋(offset)하 여 블레미싱 효과를 감소시키는 것이다. 데드 픽셀과 블레미스의
명확한 원인은 아직도 조사가 진행 중이다. 현재로서는, 비행기에 의한 고도 운반 중 우주선(cosmic rays)이 CCD 픽셀에 손상을 가하는 것으로 주로(primarily) 믿어지고 있다. 비행기로 운반되는 많은 카메라가 많은 RPN을 나타내고 있다는 통계에 근거하여 그 렇게 믿고 있는 것 이다.
（설명�추가）주변 픽셀과 비교하여 약간 레벨이 높은 암 전류 (dark current)에 의해 발생하는 CCD 이미저 상의 잡음. 작은 흰 점으로 나타난다. 하이 게인으로 어두운 물체를 촬영할 때 잘 감지된다. 잡음 레벨은 온도에 좌우되며, 섭씨 10도 상승 때 마다 2배가 된다.
RPN Compensation: RPN과 동일한 진폭을 가진 역극성의 펄 스를 혼합하여 RPN을 상쇄시키는 RPN에 대한 정정 방법의 한가 지. APR(Auto Pixel Restoration)기능이 일반적으로 카메라에 있다. APR로도 숨겨지지 않는(cannot be concealed) CCD의 RPN은 매뉴얼(manual)로 정정을 한다.
RPN (Residual Point Noise)
(잔여 점 잡음)그림A : 인간 안구의 구조
그림B : CCD 카메라의 구조
CCD 눈동자
렌즈
수직 시프트 레지스터
수평 시프트 레지스터
그림C : CCD 리드아웃 구조
포토 센서
화상 모니터 망막
빛이 전기로 변환 뇌세포
CCD 카메라의 휘도(루미넌스)의 수평 해상도를 개선하기 위하여 사용하는 방법이다. 이 기술을 이용함으로써, 각 CCD 이미저가 가지고 있는 픽셀의 수로 기대되는 이론적인 것보다 더 높은 해 상도를 얻는 것이 가능하다. 그림 (a)와 같이, R과 B CCD칩은 G CCD칩에 대해 수평 방향으로 1/2 피치 만큼 오프세트하여 프리즘 블럭에 고정한다. 그렇게 하면, 휘도 신호를 생성하기 위 한 하나의 라인내의 샘플(픽셀)의 수는 2배가 되고, 공간적으로 오프세트하지 않았을 때 보다 높은 해상도가 얻어진다．
이것은 또한 3개의 CCD 칩의 출력을 조사함으로써 설명할 수도 있다. 하나의 물체(보다 이해를 돕기 위하여 휜 종이 위에 그려진 흑색의 삼각형을 예로 든다)를 공간 오프세트를 이용한 CCD 카 메라로 촬영하면, 그림 (b)처럼 이미지가 G, R, B CCD상에 투 영된다. (c)의 A와 B는 (b)의 A와 B 부분을 확대한 것이다.
각 포토 센서에 축적된 신호 전하(charge)의 양은 1-7에 신호 레벨로서 보여주고 있다. 비디오 모니터 상에 디스플레이 하면, G CCD의 신호 레벨은 A�처럼 나타나고 R과 B CCD의 신호 레벨은 B�처럼 나타날 것이다.
이것들은 공간 오프세팅을 하지 않았을 때의 해상도를 나타낸다.
각 신호에 어떤 가중치를 준 R/G/B 신호의 합으로써 TV 표준에 서 규정하고 있는 휘도 신호는, 공간 오프셋팅에서 A�와 B�의 합 으로써 등가적으로 제공된다.
이것을 C�에서 볼 수 있다. 결과적으로 해상도는 크게 개선된다.
더욱이, 공간 오프세팅이 이루어지면, CCD 클럭 신호에 의해 야 기되는 불필요한 아티팩트(artifact, 결함)도 감소할 것이고, 따라 서 보다 예리한(sharper) 화상 이미지를 재현하는데 기여한다.
Horizontal Pixel Shift 기술이라고도 한다.
Spatial Offset Technology (공간 오프세트 기술)
AppendixCCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthers 비디오 카메라에 CCD를 사용하면 튜브 카메라에서는 실현할 수
없는 전자 셔터를 실현할 수 있다. 이 기능은 필름 카메라의 기계 적 셔터와 유사하며 같은 방법으로 사용할 수 있다. 작동시키면, 화상의 번짐(Blur)이 거의 없이 빠르게 움직이는 물체를 카메라가 캡쳐하게 한다. 물론, 명심해야 할 점은, 셔터 속도가 빠르면 빠 를 수록, CCD에 들어오는 빛은 적어지며, 아이리스를 보다 많이 열어야 한다. 이 기능을 이해하기 위하여, IT CCD의 메커니즘을 재검토 해 보자. 입사광에 의해 만들어진 전자(전기적 전하)는, 포 토 센서에 일정 기간 저장되며, 포토 센서로부터 수직 시프트 레 지스터(a)로 전송된다. 전자 셔터를 OFF(1/60초, 1필드)로 설정하 면, 전자는 완전한 1필드 기간(1/60초) 동안 축적되며, 전자는 수 직 레지스터로 읽어져 나간다(read out). 그러나 이 축적 기간 동 안에 화상에 빠른 움직임이 있으면, 화상의 불루어가 보이게 된다.
이 번짐을 피하기 위해서는 CCD 카메라가 전자 셔터 기능을 사 용하여 전자의 축적 기간을 단축시켜야 한다. 전자 셔터는 위와 같이 동작하므로, 예를 들어 1/500초의 셔터 속도가 선택되었다 면, 이 기간 동안에만 축적된 전자가 수직 레지스터로 출력된다.
이 기간 이전에 축적된 전자는 CCD의 OFD(overflow drain)으 로 버려진다. 그 결과, 빠른 움직임의 화상을 짧은 셔터 기간 동안 에만 캡쳐함으로써 화상 블루어를 효과적으로 감소시키게 된다.
유념해야 할 점은, 축적 기간을 단축시키면 감도가 저하되며, 이것 은 보다 아이리스를 많이 열어 보상해야 한다. 보다 빠른 셔터 속 도는 때때로 ND 필터를 사용하는 대신에 아이리스를 많이 열어서 피사계 심도(참조: “Depth of Field”)를 낮게 하는 목적으로 사용 되기도 한다.
Variable Speed Electronic Shutter (가변 속도 전자 셔터)
수직 시프트 레지스터
출력 수평 시프트 레지스터
(a) IT CCD의 구조 (b) 전자 셔터의 원리
발생된 전자
셔터 기간 1/60
버려진 전자 출력되는 전자
1/60 1/60
셔터 기간
셔터 기간
수직 스미어는 CCD 카메라에 나타나는 독특한 현상이다. 이것은 밝은 물체나 광원을 촬영할 때 나타난다. 이 현상은 비디오 모니 터 상에 아래의 사진처럼 물체나 광원의 상하에 수직 줄무늬와 같이 나타난다. 가장 눈에 띄는 예는, 자동차의 헤드라이트를 어 두운 곳에서 CCD 카메라로 촬영했을 때이다.
스미어는 입사광이 수직 시프트 레지스터에 직접적으로 누설되거 나, 광전 소자에 축적된 전하가 넘쳐 흐를 때 나타난다. 스미어가 수직 줄무늬로 관찰되는 이유는 전자가 수평 레지스터로 시프트
다운(shift down) 되는 동안 수직 레지스터로 계속적으로 누설되 기 때문이다.
스미어의 양은 물체나 광원으로부터의 빛의 강도나 이것들이 CCD 상에 차지하는 면적에 일반적으로 비례한다. 따라서 스미어 레벨을 평가하려면 면적을 규정해야 한다.
최근의 소니 CCD 카메라의 스미어는 HAD 센서의 사용에 의해 거의 무시할 정도로 감소되었다.
TV 화상의 밝은 부분의 우측 또는 상하에 꼬리를 끄는 현상으로 스트리킹 보다는 경미한 것을 말한다. CCD 카메라에서는 CCD 의 구조상 자동차의 헤드라이트와 같은 극도로 밝은 것을 촬영했
을 때 희게 상하로 나타날 때가 있다. 이것이 CCD의 수직 방향 스미어로 이것을 억제하는 것이 CCD 제조상의 커다란 기술적 과제이다.
Vertical Smear (수직 스미어)
[추가 설명]
수직 스미어 수직 스미어가 HAD 센서의 사용으로 감소된다
CCD MechanismCamera FunctionsVTRSOthersAppendix
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