스마트폰 카메라로 영상을 촬영하는 원리

아날로그 카메라를 사용하던 사람들은 지금의 디지털카메라와 스마트폰 카메라의 촬영 원리가 매우 궁금하다. 스마트폰의 얇은 몸체에 붙은 작은 렌즈가 어떻게 빛의 양과 거리를 자동 조절하여 초점이 맞는 선명한 사진을 찍을까? 두께가 7mm에 불과한 스마트폰 속에 줌 기능까지 가진 정지영상과 동영상을 촬영하고, 영상 저장과 재생 기능 및 플래시 등을 갖추게 하는 데는 첨단의 광학과 전자기술이 적용되고 있다.

​스마트폰 카메라는 3가지 기본구조로 구성되어 있다.

1. 피사체(촬영 대상)로부터 오는 빛(광자)을 받아들이는 렌즈

2. 렌즈를 통과하여 들어온 빛(광자)을 전자신호로 감지하는 이미지 센서

3. 빛의 전자신호를 명암과 색의 영상 신호로 바꾸는 컴퓨터 소프트웨어

렌즈

스마트폰 카메라의 렌즈를 보면 앞에 작은 구멍이 있다. 이것을 구멍조리개(aperture)라 한다. 셔터를 누르면 피사체로부터 반사되어 오는 빛이 구멍조리개를 지나 렌즈를 거쳐 이미지 센서로 간다. 스마트폰 카메라의 렌즈는 매우 작지만 색수차 등의 현상이 최소화되도록 다수의 렌즈를 복합하여 복잡하게 설계하고 있다.

6개의 렌즈로 구성된 스마트폰 렌즈는 전부 레진이라 부르는 플라스틱으로 만들어져 있다. 유리 렌즈는 가공, 소형화, 대량생산이 어렵다. 렌즈를 통해 들어온 빛(광자)은 수억 개의 화소(photosite, pixelsite)가 있는 이미지 센서에 비친다.

​초점

카메라 렌즈를 거쳐온 빛은 전자적인 방법으로 초점을 맞추어 이미지 센서에 온다. 스마트폰에서는 이런 초점 조절을 적외선 레이저와 거리 조정 소프트웨어가 자동으로 한다. 자동 초점거리 조정에는 복잡한 소프트웨어 기술이 적용되어 있다.

​이미지센서

이미지 센서는 폭이 4-7mm 정도인 매우 얇은 실리콘 웨이퍼이다. 센서에 도달한 광자는 전자신호로 바뀐다. 이미지 센서에 광자가 비치는 양에 따라 명암의 차이, 파장(색)에 따라 전자신호가 달라진다. 이때 색을 구별하는 역할은 컬러 필터가 한다.

반도체로 만들어진 이미지 센서의 화소는 제품에 따라 수억 개인 것도 있다.

이미지 센서의 픽셀(화소) 위에 컬러 필터가 있다. 컬러 필터는 각 픽셀이 색을 구분하도록 한다.

위의 과정을 하나의 그림으로 보여준다.

​스마트폰 카메라는 촬영 때 영상이 잘 흔들리지도 않고, 잘못 촬영해도 영상을 선명하게 보정하는 ESI(electronic image stabilization)라는 소프트웨어도 내장되어 있다. 인공지능까지 이용하는 스마트폰 기술은 진화를 멈추지 않는 인간의 제6 감각기관이 되었다. – YS