오늘은 카메라 시스템의 이미지 센서와 관련 된 얘기를 하려고 합니다. 카메라에서 렌즈를 거쳐 입력 되는 빛을 전기로 변환 시키는 역할을 이미지 센서가 하게 됩니다. 그리고 이미지 센서에서 사람의 맹점 (blind spot)과 비교 되는 특성이 있는데, 이에 대해서 설명해 놓은 글이 없어서 나름대로 정리해 봤습니다.
고가의 DSLR이나 휴대폰 카메라 모두 카메라 내부에는 빛을 전기로 변환 시켜주는 이미지 센서라는 반도체 칩이 있습니다. 이미지 센서는 빛이 금속과 만나면 전자로 변환 된다는 이인슈타인의 광전효과를 이용한 것이며, 아인슈타인은 광전효과로 1921년에 노벨상 물리학상을 받았습니다. (상대성이론은 탁월한 이론이지만 검증이 안 되어서 노벨상이 어렵고 대안으로 광전효과로 상을 주었다는 설)
이 이미지 센서는 휴대폰에 카메라 기능이 들어가면서 지난 15여년 동안 급격하게 발전하였고, 최신 휴대폰에는 10여년 전의 DSLR 보다 높은 성능의 이미지 센서가 탑재 되어 있습니다. 카메라의 화소수가 8M 이상을 지원하면서 휴대폰에 들어갈 정도로 작게 만들기 위해서 새로운 이미지 센서 제조 기술이 도입 되었는데, 이것이 바로 BSI 기술입니다.
위 그림의 왼쪽처럼 FSI (front side illumination) 방식은 빛이 센싱 되는 포토 다이오드까지 가는 도중에 여러 장애물을 만나면서 감쇄 되지만, BSI (back side illumination) 방식은 빛이 바로 포토 다이오드에 닿게 때문에 감도가 좋습니다. 포토 다이오드는 실리콘 웨이퍼 표면에 가공 되기에, BSI 방식에서는 실리콘 웨이퍼에 포토 다이오드를 생성 후 웨이퍼를 얇게 만드는 (625um를 2~3um로 얇게) 추가적인 공정이 요구 됩니다.
재미있는 것은 생물체에서도 FSI나 BSI와 같은 구분이 있습니다. 아래 그림 처럼 인간과 같은 척추 동물의 눈은 망막에서 뇌까지의 신경섬유가 망막 앞을 지나가는 FSI 방식이지만, 오징어와 같은 무척추 동물의 눈은 신경섬유가 망막 뒤로 지나가는 BSI 방식입니다.
인간 눈의 심경섬유는 망막 앞을 지나가기에 입력 되는 빛이 감쇄 되고, 신경섬유 뭉치가 망막에서 빠져 나가는 지점은 시신경이 아예 없기에 볼 수 없는 지점, 즉 맹점이 있게 됩니다. 진화론적으로 보면 오징어 눈이 인간 눈 보다 더 발전 된 구조로 볼 수 있습니다. 맹점의 위치는 양 쪽 눈의 신경섬유 뭉치가 눈 사이를 지나 가기에 눈 중심에서 바같 쪽으로 20' 정도에 위치 한다고 합니다.
사물을 볼 때 양쪽 눈을 모두 이용하고 보는 대상에 촛점을 맞추기에 인간 뇌의 이미지 프로세싱 단계에서 맹점이 interpolation 되면서 잘 인식 되지 않습니다. 정면의 한 점에 시선을 고정하고 연필을 들고 중심에서 바같 쪽으로 이동하면서 정면을 보고 있으면, 20' 정도 벗어나면 안보이는 지점이 있습니다.
동물 눈의 망막 표면은 둥글게 되어 있어서 수정체를 거친 빛이 망막에 일정하게 닿지만, 카메라 이미지 센서는 평편하기에 렌즈 중심으로부터의 거리가 달라지게 됩니다. 이로 인해서 이미지 센서에 상이 맺힐 때 왜곡이 생기며, 이를 보완하는 렌즈가 추가로 사용 됩니다. 생명체의 눈처럼 렌즈를 액체로 만드는 시도들이 (예, Varioptic liquid lense) 있지만 아직 본격적인 상용화는 안 되고 있습니다.
초식동물은 생존을 위해서 육식동물의 접근을 감시하기 위해서 눈이 좌우 180'를 볼 수 있게 진화하였으며, 육식동물은 반대로 목표물의 정확한 위치를 인식하기 위해서 양눈 시각이 겹쳐지게 정면에 위치하도록 진화하였다고 합니다.
곤충의 눈은 좌우의 2개의 겹눈으로 각각의 겹눈은 수백에서 수만 개 (잠자리는 3만 개)의 낱눈을 가지고 있습니다. 나무 위키 그렇게 많은 낱눈으로 어떻게 인식하나 신기하게 생각 될 수도 있지만, 사람의 눈도 딱~ 사물이 바로 들어오는게 아니라 망막 시신경의 생체 전류가 무더기로 뇌로 들어가고 뇌에서 이것을 인식하게끔 처리 되기에 딱~ 인식 될 수 있다고 봅니다. 인간이 태어나서 눈으로 제대로 보기까지 시간이 필요한 것도 뇌의 이미지 프로세싱 셋업에 그만큼 시간이 필요한 것이라 봅니다.
