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스마트폰 카메라 글로벌 1위 LG이노텍 이야기
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카메라모듈이란 Camera Module – 익플루언서
개념 및 구조 : 카메라모듈이란 렌즈를 통해 들어온 이미지를 디지털신호로 변환시키는 부품으로 휴대폰, 스마트폰 등에서 사진 및 동영상 촬영 용도로 …
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Date Published: 11/17/2022
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Date Published: 8/13/2022
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KR101794582B1 – 카메라 모듈의 볼 가이드 구조
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주제에 대한 기사 평가 카메라 모듈 구조
- Author: LG그룹
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- Date Published: 2021. 4. 1.
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HUENTEK (주)휴엔텍
카메라모듈 개념 및 구조
: 카메라모듈이란 렌즈를 통해 들어온 이미지를 센서를 통해 디지털신호로 변환시키는 부품이다.
– 카메라 모듈은 크게 이미지 센서(Image Sensor) 와 렌즈 모듈(Lens Module), IR-Filter, Package 등으로 구성됩니다.
– 이미지 센서(Image Sensor)는 CCD(Charge Coupled Device)센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semi-conductor)로 분류 된다.
가. CCD센서는 일반적으로 CMOS보다 질 좋은 화질을 구현할 수 있다는 장점, 단점은 가격이 비싸고 전력의 소모량이 큼.
나. CMOS는 양산성이 우수해서 가격이 저렴함, 단점은 상대적으로 화질이 떨어지고 노이즈가 발생, 사이즈가 크다.
– 렌즈 모듈(Lens Module)은 구면은 유리로 만들고, 비 구면은 플라스틱 사출로 만든다.
Camera Module
Actuator는 카메라모듈 내 Lens를 고속으로 상하좌우로 이동시키며 초점을 맞추거나 손 떨림 보정 기능을 수행하는 기능의 부품입니다. 주요 기능으로는 AF, OIS, 광학 줌 등이 있습니다.
삼성전기 카메라모듈 제품에는 Ball Guide 방식이 적용됩니다. 이를 통하여 Suspension 또는 Spring 지지 방식 대비 고중량 Lens부품의 AF, OIS 구동이 가능합니다. 또한 OIS 구동 시 지지부를 X, Y Stage화 하여 2축 Ball Guide를 적용, 각 축 구동 시 Cross-Talk을 배제하여 Rolling 현상을 제거하였습니다. 구동 속도 및 정확성이 뛰어나 배터리 소모 절감 측면에서도 강점을 가지며 고신뢰성을 확보하였습니다.
Zoom Actuator
Zoom Actuator는 광학줌을 구현하기 위한 부품입니다. 광학줌이란 여러 장의 Lens를 이용하여 배율을 다양하게 조절하는 기능입니다.
따라서 디지털 줌과는 다르게 멀리 있는 피사체를 확대해서 촬영해도 밝고 선명한 사진을 얻을 수 있습니다. 기존의 직통(Vertical) 방식과 고배율 줌을 구현하기 위한 굴절(Folded) 방식의 Zoom Actuator가 있습니다.
Small & Slim Folded(굴절 광학계 적용) 고 배율 Zoom 모듈
Ball Guide 구조 적용으로 고중량 Lens 적용 가능
Prism Tilt + Ball Guide 구조로 고배율, 고성능 확보 용이
공정 최소화를 통한 생산성 향상 및 고장모드 최소화
성능 확장성 용이 : Long Stroke 적용 다단 Zoom, 2D Scanner 등 적용 가능
Closed Loop방식의 제어 시스템 도입으로 고정밀도 보장
Vertical vs Folded
직통(Vertical) 방식은 기존에 일반적으로 사용되는 구조로 고배율 광학줌을 구현하려면 긴 초점 거리를 확보하여야 하기 때문에 카메라 모듈의 높이가 증가하고 이는 스마트폰의 디자인을 저해하는 요인으로 작용합니다. 따라서 이 방식의 카메라 모듈은 고배율 광학줌 구현에 한계가 있으며 통상적으로 광학 2~3배줌까지 지원하게 됩니다. 굴절(Folded) 방식은 잠망경의 원리를 응용한 구조로 프리즘을 통해 빛을 굴절시키고 굴절된 빛이 가로로 배열된 Lens와 Sensor를 통과하는 구조입니다. 이를 통하여 카메라 모듈의 두께 증가 없이 긴 초점 거리를 확보할 수 있으며 고배율 광학줌 구현이 가능합니다.
직통 방식에서는 배율 증가에 따라 카메라 모듈의 높이가 증가하고 5배 광학줌 이상은 스마트폰 실장이 불가한 수준으로 높이가 증가할 수 있습니다.
굴절 방식은 카메라 모듈의 돌출 없이 슬림 디자인과 고배율 줌 구현을 가능하게 합니다.
모바일 카메라 모듈의 구성은?
모바일 카메라 모듈은 어떤 부품들로 이루어져 있을까?
지난 포스팅에 카메라 모듈의 핵심부품인 image sensor에 대해 알아 보았습니다. 스마트폰에 요즘은 기본 서너개씩 들어가고 많게는 6~7개까지 들어가는 (이건 좀 선을 넘고 있는건 아닌가? 싶은) 카메라 모듈에 대해 알아보겠습니다. 초창기 피쳐폰에 들어가던 카메라기능은 그냥 사진이 찍힌다는 것으로도 차별화 되었기에 오토포커스나 손떨림방지(OIS), 조리개, 줌 등등 기존 카메라가 가지고 있던 기능들이 아무 것도 없었습니다. 그냥 찍히면 끝! 그러니 FF(Fixed Focus)면 그만 이었습니다. 현재는 앞에 나열한 기능들이 거의 다 들어가 있죠. 앞으로는 카메라 모듈의 하드웨어 적인 기술 발전 보다는 소프트웨어 기술이 중요한 computational imaging이 모바일 카메라의 기술을 선도해 갈 것이라 생각 됩니다. computational imaging은 준비하여 다음에 따로 포스팅 할 기회를 가져보겠습니다. 이번 포스팅은 카메라 기능을 어떻게 축소하여 모바일 카메라 모듈에 구현했는지 하드웨어 위주로 알아 보겠습니다.
모바일 카메라 모듈의 일반적 구성
이미지지 출처 : insightsolutionsglobal.com
모바일 카메라 모듈의 하드웨어 구성은 위의 그림에서 크게 벗어나지 않습니다. 사람의 눈으로 치면 망막의 시세포에 해당하는 이미지 센서가 있어야 합니다. 이미지 센서가 보통 카메라 모듈에서 가장 비싼 부품입니다. 주로 갑같은 을에서 만들기 때문에 어찌 할 수 없는 부품이기도 합니다. 삼성LSI, Sony, 옴니비전, SK하이닉스가 시장의 주요 플레이어들 입니다.
그 다음으로 비싼 부품이 렌즈모듈입니다. 특수 기능을 가지고 있는 카메라 모듈이라면 액츄에이터가 렌즈보다 비싼경우도 있죠. 렌즈 모듈은 사람으로 치면 눈의 수정체 이고 빛을 모아 이미지 센서면에 상이 맺혀지게 하는 부품입니다. 고화소로 갈수록 렌즈 모듈에 들어가는 렌즈의 갯수도 늘어나게 됩니다. 렌즈의 f값도 낮아지고 수차도 개선해야 하므로 비구면 렌즈도 쓰이고 경우에 따라서는 글라스 렌즈나 렌즈는 아니지만 줌을 구현하려면 광학소자로 프리즘이 필요하기도 합니다. 렌즈 배럴이라고 부르는 검정색 통에 1번 렌즈를 넣고 스페이서 넣고 2번 렌즈 넣고 또 스페이서 넣고 계속해서 렌즈와 스페이서를 차곡 차곡 쌓아 올립니다. 마지막 렌즈를 넣고 나서는 그 위에 백링을 넣고 에폭시로 고정시켜 배럴에 차곡차곡 넣은 렌즈와 스페이서가 빠지지 않도록 고정합니다. 정교한 작업으로 사람이 손으로 하기 힘들죠 다 자동화 되어 있습니다.(초창기엔 사람이 조립했습니다.) 조립이 완료된 렌즈 모듈은 해상력 검사 까지 장비에서 자동으로 하고 있습니다. Largan, Sunny, 세코닉스 등이 주요 업체입니다. 1,2위 업체가 시장의 상당 부분을 나눠먹고 있죠.
세번째로 비싼 부품이 액츄에이터 입니다. 위의 그림에서는 AF motor라고 표기 되어 있습니다. 액츄에이터는 기능에 따라 AF 액츄에이터가 될수도 있고 OIS+AF 액츄에이터, Zoom 액츄에이터, IRIS+OIS+AF 액츄에이터가 될수도 있습니다. FF(Fixed Focus)의 경우에는 액츄에이터가 아니고 그냥 사출 Holder가 됩니다. 액츄에이터는 렌즈 모듈과 결합되어 이미지 센서면에 최적의 초점을 맺을 수 있도록 렌즈 모듈을 상황에 따라 상,하,좌,우,앞,뒤로 움직여 주는 역할을 합니다. 액츄에이터는 주로 VCM(Voice Coil Motor)방식이 사용되고 있으며, 베어링을 사용하는 액츄에이터도 있고, 피에조 소자를 쓰기도 하고, 형상기억 합금을 이용하기도 합니다. 액츄에이터는 복잡한 구조로 인해 자동화 라인을 구성하려면 특정 모델의 액츄에이터 생산 수량이 대량이 아니면 장비 투자금액을 감당할 수 없기 때문에 대부분 수작업으로 생산합니다. 스마트폰 모델마다 또는 렌즈의 사양에 따라 액츄에이터의 크기나 렌즈배럴과 조립되는 액츄에이터의 보빈이 달라지기 때문에 액츄에이터 생산 수량이 자동화 장비를 투자할 정도로 커지는 것은 애플 아이폰에 적용되는 부품이 아니라면 어렵겠죠. 삼성전기, 미네비아미쯔미, 알프스 등이 주요 업체 입니다.
그 다음은 IRCF(IR Cut Filter) 입니다. 모바일 카메라 모듈은 주로 사진을 찍는 용도이기 때문에 사람이 눈으로 보는 영역인 가시광 파장을 기록하게 됩니다. 적외선 영역은 사람눈에는 안보이지만 우리 주변에 많이 존재하고 있죠. 전열기구나 백열전구 같은 붉은 색 광원에서는 엄청난 양의 적외선이 나오게 됩니다. IRCF 가 없으면 상황에 따라 엄청나게 들어오는 적외선 때문에 사진의 색감이 사람의 눈으로 보는것과 완전히 다른 사진이 됩니다. 그래서 사람이 볼수 없는 적외선 영역은 IRCF로 차단하는 것이죠. IRCF에는 반사형과 흡수형으로 나눌수 있고 반사형은 말그대로 적외선을 반사시켜서 차단하는데 일부 적외선이 센서까지 도달하여 사진에 영향을 미미하게 줄 수 있고 흡수형은 필터 내부로 적외선을 흡수해 버려 사진에 주는 영향이 반사형 보다 적습니다. 흡수형 필터를 블루필터라고 부르기도 합니다. 국내업체는 옵트론텍이 있으며 대만이나 중국에 업체들이 있습니다.
센서와 액츄에이터 수동소자들을 전기적으로 연결시키는 기판은 주로 FPCB를 사용합니다. 특정 업체는 세라믹 기판을 사용하기도 합니다. 카메라 모듈을 만드는 공정에 따라 CoB(Chip on Board) 공정에서는 FPCB를 사용하고, Flip Chip공정을 사용하면 세라믹 기판을 사용하게 됩니다.
위에서 설명한 부품들을 잘 조립하면 모바일 카메라 모듈이 됩니다. 장난감 조립하듯이 부품을 끼워넣으면 끝나는 간단한 조립은 아닙니다. 광학부품이기 때문에 취급이 어렵고 이물관리가 반도체 제조공정처럼 되지 않으면 카메라 모듈 조립이 불가능 합니다. 거의 모든 부품의 결합이 에폭시로 이루어지고 성능을 물리적 한계까지 밀어붙인 렌즈이기 때문에 이미지 센서와 광축을 맞춰 중앙부터 코너까지 모두 균일한 해상력이 나오도록 잘 조립하는게 모듈생산 업체의 기술력입니다. 비싼 카메라 모듈 불량나면 그냥 폐기해야 하니까요. 모바일 카메라 모듈은 조립이 끝나야 화상검사를 할수 있고 조립이 끝났다는 얘기는 모든 부품들이 에폭시로 붙어 있다는 것이기 때문에 불량 모듈을 재작업 해서 살려내기 불가능 하다는 얘기입니다. 재작업 해봐야 에폭시 분리하다 다 부서지기 때문에 그냥 폐기 하는게 비용이 더 적습니다. 이런 특성이 있기 때문에 공정 관리 능력이 없는 업체는 경쟁력이 없죠. LG이노텍, 삼성전기, Sunny 등이 모바일 카메라의 주요 업체입니다. LG이노텍은 애플이 주요 납품처 이고, 삼성전기는 삼성무선사에 Sunny는 중국 주요 폰메이커에 납품하고 있습니다.
끝으로 위에서 설명한 카메라 모듈은 단지 모듈일뿐 일반적으로 생각하는 카메라가 아니라는 것입니다. 무슨 말인지 어리둥절 할 수 도 있겠지만 대부분의 사용자가 카메라라고 부르는 카메라는 결국 사진이나 동영상이 찍혀서 저장되고 눈으로 볼 수 있다는 의미로 카메라라고 부르는 거죠. 모바일 카메라 모듈이라고 부르는 이유는 카메라에 들어가는 부품이라는 의미로 ‘모듈’이란 단어가 붙어 있습니다. 결국엔 스마트폰에 카메라 모듈이 조립이 되어야 진정한 카메라로 부를 수 있습니다. 카메라 모듈은 bayer image를 출력하는 카메라의 부품입니다. bayer image는 일반적 의미의 사진이 아닌 사진이 될수 있는 디지털 데이터에 불과하죠. 이 디지털 데이터가 스마트폰의 AP에서 이미지 프로세싱을 거쳐야 사람이 눈으로 볼 수 있는 사진 또는 동영상이 되는 거죠. 이러한 원리를 모르면 카메라 모듈의 하드웨어 스펙이 사진 또는 동영상의 화질을 결정하는 전부라고 판단하는 오류를 범하게 됩니다. 서두에도 언급했던 computational imaging에 포함되는 이미지 프로세싱이 얼마나 강력한 역할을 하는지는 추후에 따로 포스팅 하겠습니다.
카메라모듈이란 : 네이버 블로그
카메라 모듈에 대해 알아봅시다. <카메라 모듈> <카메라 모듈 구조> 개념 및 구조 : 카메라모듈이란 렌즈를 통해 들어온 이미지를 디지털신호로 변환시키는 부품으로 휴대폰, 스마트폰 등에서 사진 및 동영상 촬영 용도로 주로 사용된다. – 카메라 모듈은 크게 이미지 센서(Image Sensor) 와 렌즈 모듈(Lens Module), IR-Filter, Package 등으로 구성된다. – 이미지 센서(Image Sensor)는 빛을 받아서 전기 신호로 전환하는 소자로서 동작과 제작 방법에 따라 다시 CCD(Charge Coupled Device)센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semi-conductor)로 분류 된다. 가. CCD센서는 일반적으로 같은 화소수의 CMOS보다 질 좋은 화질을 구현할 수 있다는 장점을 지니고 있는데, 그에 반해 가격이 비싸고 전력의 소모량이 커서 실제 카메라 모듈에서의 비중은 크게 높지 않다. 나. COMS는 각각의 픽셀에서 실시간으로 전기신호를 전환하여 회로의 집적도가 높으며 주변 IC와 통합이 용이하며 양산성이 우수해서 가격이 저렴한 장점이 있지만 상대적으로 화질이 떨어지고 노이즈가 발생하는 문제, 센서의 사이즈가 크다는 단점이 있다. – 렌즈 모듈(Lens Module)은 유리와 같은 투명한 재질을 구면이나 비 구면으로 만들어서 사물에서 오는 빛을 모으거나 발산시키면서 광학적인 상을 맺게 하는 것을 의미하며, 일반적으로 플라스틱과 유리 렌즈를 사용하고 S/W 렌즈나 액체 렌즈 등 도 존재한다. <휴대폰 카메라 핵심 부품의 기능> 구분 기능 비고(디지털 카메라와 비교) 이미지 센서
(Image Sensor) 영상을 전기적 신호로 변환하는 장치
(디지털 카메라의 핵심 반도체소자) 기능 동일 렌즈
(Lens) 피사체(물체)의 이미지를 센서로 전달
– 구면, 비구면 등으로 구성됨
– 재질 : Plastic(주로 사용), Class 기능 동일(디지털 카메라 대비 크기가 매우 작음) IR필터
(IR Cut Filter) 영상신호에 포함된 적외선 성분 차단하여 센서에서 생기는 영상 노이즈를 차단함 디지털 카메라는 주로 OLPF(Optical Low Pass Filter)를 사용함. IR-F를 사용하기로 함(기능 동일) PCB(FPCB) 이미지센서의 변환된 디지털 영상신호를 받아 메인보드로 전달 기능 동일
카메라 모듈 활용분야에 대해 알아봅시다.
– 가장 두드러지는 적용 분야는 역시 휴대폰 분야이다. 카메라폰은 2000년대 초반에 개발되어 시장에 처음으로 출시되었으며 전세계적으로 이에 대한 수요가 급격히 증가함에 따라 제품의 고화소/고기능화 추세와 함께 시장의 규모가 빠르게 성장하였다.
– 자동차 관련 카메라 모듈은 휴대폰에 이어 새로운 시장으로 주목받고 있다. 초기에는 고급 차량을 대상으로 후방 감시 카메라용으로 일부 보급되던 형태에서 운전이 미숙하거나 위험을 대비한 중소형 차량에서의 전/후방 감시 카메라를 채용하는 형태를 넘어, 이제는 사방 측면을 모두 보여주는 어라운드뷰모니터의 단계까지 카메라 모듈 시장이 크게 확대되고 있다.
가. 또한 자동차 분야 중에는 이와 같은 모니터링 카메라 이외에도 최근 블랙박스도 주목되는 분야이다.
나. 이에 따라 기존에 일부 고급 차량에 1대만 채용되던 카메라 모듈이 중소형 차량까지 각 평균 2대의 카메라 모듈이 필요해짐에 따라서 자동차 카메라 모듈 시장의 확대가 전망된다.
다. 자동차의 안전과 관련된 카메라 모듈이기 때문에 기존의 카메라 모듈에 비해 기술 진입 장벽이 높으며 영상을 인식하는 분야까지 아우르는 넓은 적용범위를 갖춰야 하며 차량에 대한 감시뿐만 아니라 주행 중 장애물의 인식, 운전 경로의 파악 등 다양한 분야로의 적용이 확대되고 있다.
라. 국내에서는 2002년부터 세진전자, 세코닉스 등의 업체가 개발을 시작하여, 2005년에는 엠씨넥스도 개발에 참여하였다.
마. 네비게이션과 카메라를 결합하여 차량에 장착하는 형태도 확장 중이다.
– 보안시장의 CCTV이다. 세계적으로 보안에 대한 필요성이 증가되면서, 세계 각국 정부 및 기업들은 주요시설의 안전을 위해 보안장비의 신규 수요 및 기존 보안정비의 upgrade 수요가 증가하고 있다.
– USB카메라모듈은 데스크탑PC, 노트북PC, ATM(현금자동입출금기) 등 영상과 정보통신이 결합된 여러 가지 산업분야에 적용되며 성장하고 있다. USB는 컴퓨터와 주변 기기를 연결하는 데 쓰이는 입출력 표준 가운데 하나이며 PC용으로 개발되었으나, 활용성과 편리성이 뛰어나 PDA, 게임콘솔, 오디오, 통신기기, 프린터, 저장장치, 진단장비 등 다양한 기기에 사용되고 있다. USB카메라 모듈은 2000년대 초 휴대폰용으로 개발된 카메라의 발전과 맥을 같이 하고 있으며, 주로 휴대폰용 카메라모듈 제조사가 생산을 하고 있다.
가. ATM용 USB카메라모듈 산업은 전방산업인 ATM 산업의 직접적인 영향을 받고 있따. ATM에 대한 한정된 시장수요로 성장성은 미미한 수준이지만, CCTV, HOME DVR 등 관련 애플리케이션 분야에 접목이 쉬운 특성이 있다.
– 카메라 모듈은 로봇용 인공눈에도 적용되고 있다. 로봇의 인공눈의 특성상 단순히 보는 것을 넘어 이미지의 정보를 처리하고 물체를 인식하며 3차원의 물리적 정보를 실시간으로 제공할 수 있는 것과 같은 뛰어난 기술의 수준이 요구되고 있는데 이러한 기술을 갖추기 위해서는 이미지 센서와 신호를 처리하는 ISP 및 DSP의 기능이 향상되어야 한다. 또한 이에 따라 AF 및 줌용 엑츄에이터의 동작 속도도 더욱 개선되어야 할 것이다.
– 그 외에도 에어컨 및 3DTV, 스마트 TV 등 카메라 모듈이 적용되어 쌍방통신을 구현하는 기기 등이 점점 증가하는 추세를 보이고 있다.
카메라모듈 제작 공정에 알아봅시다.
www.c-on.co.kr
– 휴대폰용) 카메라 모듈 제작 공정은
1) 웨이퍼 공급
2) 웨이퍼 절단
3) 칩을 PCB에 부착
4) 칩과 PCB를 Gold Wire로 연결
5) Lens+AFA 기구물 접착
6) 개별 모듈로 분리
7) FPBC 접합
8) 초점(Focus) Setting
9) Epoxy 경화해 초점 고정
10) 화상/색상 검사 및 세팅
순으로 이루어진다.
카메라모듈이란 Camera Module
카메라 모듈에 대해 알아봅시다.
<카메라 모듈>
<카메라 모듈 구조>
개념 및 구조 : 카메라모듈이란 렌즈를 통해 들어온 이미지를 디지털신호로 변환시키는 부품으로 휴대폰, 스마트폰 등에서 사진 및 동영상 촬영 용도로 주로 사용된다.
– 카메라 모듈은 크게 이미지 센서(Image Sensor) 와 렌즈 모듈(Lens Module), IR-Filter, Package 등으로 구성된다.
– 이미지 센서(Image Sensor)는 빛을 받아서 전기 신호로 전환하는 소자로서 동작과 제작 방법에 따라 다시 CCD(Charge Coupled Device)센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semi-conductor)로 분류 된다.
가. CCD센서는 일반적으로 같은 화소수의 CMOS보다 질 좋은 화질을 구현할 수 있다는 장점을 지니고 있는데, 그에 반해 가격이 비싸고 전력의 소모량이 커서 실제 카메라 모듈에서의 비중은 크게 높지 않다.
나. COMS는 각각의 픽셀에서 실시간으로 전기신호를 전환하여 회로의 집적도가 높으며 주변 IC와 통합이 용이하며 양산성이 우수해서 가격이 저렴한 장점이 있지만 상대적으로 화질이 떨어지고 노이즈가 발생하는 문제, 센서의 사이즈가 크다는 단점이 있다.
– 렌즈 모듈(Lens Module)은 유리와 같은 투명한 재질을 구면이나 비 구면으로 만들어서 사물에서 오는 빛을 모으거나 발산시키면서 광학적인 상을 맺게 하는 것을 의미하며, 일반적으로 플라스틱과 유리 렌즈를 사용하고 S/W 렌즈나 액체 렌즈 등 도 존재한다.
<휴대폰 카메라 핵심 부품의 기능>
구분 기능 비고(디지털 카메라와 비교) 이미지 센서
(Image Sensor) 영상을 전기적 신호로 변환하는 장치
(디지털 카메라의 핵심 반도체소자) 기능 동일 렌즈
(Lens) 피사체(물체)의 이미지를 센서로 전달
– 구면, 비구면 등으로 구성됨
– 재질 : Plastic(주로 사용), Class 기능 동일(디지털 카메라 대비 크기가 매우 작음) IR필터
(IR Cut Filter) 영상신호에 포함된 적외선 성분 차단하여 센서에서 생기는 영상 노이즈를 차단함 디지털 카메라는 주로 OLPF(Optical Low Pass Filter)를 사용함. IR-F를 사용하기로 함(기능 동일) PCB(FPCB) 이미지센서의 변환된 디지털 영상신호를 받아 메인보드로 전달 기능 동일
<카메라와 렌즈의 구조 V> 스마트 폰 카메라의 구조 – 휴대용 전자기기의 카메라 모듈의 광학구성 / Construction of camera – camera module
Notice – 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
렌즈 교환형 카메라 렌즈(SLR, 미러리스, RF 카메라) 등에 대해 수다를 떨다 보니 일상생활에서 항상 접하게 되는 스마트폰이나 태블릿, 또는 노트북 등의 내장 카메라와 비교해 보고 싶었다. 광학 구성이나 작동 원리는 어떻게 다른지 궁금하다.
휴대용 전자기기(스마트 폰 등)에 카메라는 전자기기의 일부를 구성하는 하나의 모듈로 제조되어지는 경우가 일반적이다. 모듈은 호환성을 위해 일부 표준화가 진행되어 표준화 모듈로 제조된다. 화상과 영상을 담는 이미지 센서와 광학부, 포커싱 구동 부분 그리고 프로세스 칩과 본체와의 연결 커넥터 등이 주요 구성 부분이다.
▶ 카메라 모듈의 이미지 센서(CMOS)
카메라 모듈 이미지 센서 크기는 1/3인치 또는 1/4인치 정도의 소형 CMOS 센서가 주로 사용된다.(디지털 이미지 센서에는 CMOS와 CCD 방식이 있지만, 최근의 디지털카메라는 CMOS 방식이 거의 대부분이다) 이미지 센서의 크기는 각 모델별로 소소한 차이가 있지만, 더 큰 이미지 센서를 적용하면 광학부 또한 더 두꺼워지고 커져야 해서 두께가 얇은 휴대용 기기, 스마트폰에 적용하는데 한계가 있다. 하지만 최근의 7mm 내외의 두께 제한 내 고화소/고해상도의 이미지 품질을 위해 고급 스마트 폰 기종에는 보다 큰 센서를 장착하는 추세다. 올해 5월 소니에서 양산 시작한 최신의 EXMOR R5 IMX318은 1/2.6인치 이미지 센서 크기에 2250만 화소에 준수한 기술력을 보여주고 있다. 보통 1인치 크기의 이미지 센서의 소형 콤팩트 카메라와 비교해서 스마트 폰의 이미지 센서는 작지만 화소에서 있어서는 큰 격차를 보이지 않는 수준에 도달했다. 하지만 화질은 화소수만으로 결정되는 것은 아니다.
여담으로 디지털 카메라의 고화소화 추세는 비단 이미지 센서의 픽셀 집적 기술뿐만 아니라 이미지 프로세싱 과정에 하드웨어의 처리 성능 향상과 밀접하게 관련된다고 생각한다. 고화소(해상도)의 이미지나 영상을 처리한다는 것은 정보/데이터 양의 큰 폭의 증가를 의미한다. 고 해상도의 이미지나 영상을 처리하는 프로세서의 하드웨어(전송속도 및 처리속도) 성능의 향상뿐만 아니라 프로세싱 과정의 최적화된 소프트웨어(압축기술이나 코덱 기술 등) 기술에도 주목해야 하지 않을까.
EXMOR R5 IMX318
▶ 카메라 모듈의 광학부(Lens)
스마트 폰 등의 카메라 모듈에서 가장 관심이 가는 부분은 광학부의 구성이다. 작은 구경의 렌즈로 어떻게 고해상력의 이미지를 구현하고 어떤 구조와 메커니즘을 가지고 있는지 사뭇 궁금했다. 먼저 스마트 폰 등 휴대기기에 사용되는 카메라의 일반적인 사양에 대해 알아보자. 화각은 이해하기 쉬운 35mm(135 필름 규격) 포맷으로 설명하면 초점거리 28mm~33mm에 해당하며 화각으로는 75도~65도의 광각을 가지고 있다. F/값은 약 f/2.2~2.4 수준이며 조리개가 없는 구조이므로 조절할 수는 없다.
이미지 센서도 축소되었고 광학부 또한 이에 맞춰 축소되었으므로 조리개도 축소하여 장착이 가능한 것은 아닐까? 그러나 작은 포맷의 이미지 센서와 렌즈로 구성된 카메라 모듈은 물리적으로 아주 작은 조리개에서 빛의 회절 현상이 문제된다. 아쉽게도 조리개 장치는 빛의 물리적 성질로 인해 카메라 모듈과 같이 빛이 들어오는 작은 입사동을 가진 렌즈 장치에는 실효성이 없다.
휴대용 전자 기기의 소형 카메라 모듈의 광학계는 어떤 광학 설계를 기반으로 하고 있을까? 이는 익히 우리에게 잘 알려진 쿠크 삼중 렌즈의 광학식을 기반으로 하고 비구면 요소 등을 활용하여 광학적 성능의 향상을 도모하고 있다. 쿠크 삼중 렌즈는 19세기 말에 등장하였고 자이스의 테사나 라이카 엘마의 기반이 된 설계식이지만 그 영향력은 최신의 카메라 모듈에도 흔적을 찾을 수 있을 정도로 유서 깊은 광학 설계식이다.
광학요소의 재질은 플라스틱 ‘레진’이 주로 사용된다. 광학 유리는 가공 난도가 높고 소형화에 한계가 있으며 생산비용도 플라스틱 사출 방식에 비해 매우 높다. 레진을 사용한 사출 성형으로 비구면의 자유로운 형상으로 손쉽게 제작할 수 있고 대량 생산 및 제조비용도 크게 절감할 수 있다.
카메라 모듈의 광학 구성에서 가장 일반적인 형태로 iphone 6 등에 적용되었던 모듈로 6매로 구성된다. 간명한 구조와 크기에 대한 제한 등으로 광학 줌 기능 구현하는 경우는 거의 없다. 디지털 줌 기능으로 5배 줌이 가능하지만 이는 이미지 센서의 일부분만을 사용하는 기능으로 확대된 만큼 화질 저하가 발생한다.
최근 개발된 스마트폰용 카메라 모듈에서 광학 줌 기능이 가능한 모듈(Corephotonics社 Hawkeye)이 선보이기도 했다. 하지만 이 방식 또한 줌 기능을 활성화하기 위한 별도 모듈을 장착하는 방식이라 부피와 공간의 제약에서 자유롭지 못하고, 구조적으로도 얇은 콤팩트 카메라와 유사한 방식의 직각으로 꺾는 내부 구조를 활용하여 전후 이동이 필요한 줌 구동방식을 상하 또는 좌우 방식으로 전환해서 활용하는 구조로 보인다.
이미지 출처 – http://www.yole.fr
▶ 카메라 모듈의 초점 조정 (Focusing)
초기의 카메라 모듈의 렌즈들은 초점 조정이 필요 없는 ‘고정 초점 렌즈'(Fixed focus lens) 방식이었다. ‘고정 초점 렌즈’는 깊은 피사체 심도를 가지고 있어서 근거리부터 원거리 및 무한대에 이르는 넓은 범위에 초점을 맞출 수 있도록 설계된다. 간명한 구조로 매우 근접한 피사체 촬영을 제외하고, 대부분의 일반적 상황에서 초점이 맞으므로 간단한 스냅 촬영 용도의 일회용 필름 카메라에 자주 활용되던 렌즈 방식이다. 대표적으로 Iphone 3 까지의 카메라 모듈이 이 방식의 고정 초점 렌즈였다. 간단한 구조로 제작 가능하고 따라서 제조 비용이 저렴한 모듈을 만들 수 있지만 가까운 거리의 피사체를 촬영할 때 초점이 맞지 않으며, 화질이 좋지 못한 단점이 있다.
Iphone 3 camera module
최근의 스마트 폰 카메라 모듈에는 초점 조절이 가능한 모듈 구조가 추가되어 설계/제조된다. 따라서 고정 초점 방식을 고집할 이유가 없으므로, 상대적으로 큰 개구로 설계가 가능하며, 작은 개구를 갖는 고정 초점 렌즈 구조와 비교해서 많은 빛을 받아들일 수 있으므로 촬영 이미지의 화질 개선에도 도움이 된다. 작은 카메라 모듈에서 구동 방식은 코일에 전류를 흘려 발생하는 자력을 이용하는 방식이 일반적이다. 초점 조절을 통해 광학적 성능(분해능)과 전반적 이미지 품질이 향상되었고 보다 근접한 파사체의 촬영이 가능하고 전문 카메라에 비교해서는 떨어지지만 낮은 수준의 심도 표현이 가능해졌다.
‘고정 초점 렌즈’는 ‘고정 초점거리 렌즈’와 혼용되는 경우가 비일비재하다. 초점이라는 하나의 용어로 초점(focus)과 초점거리(focal length) 등으로 모호하게 두가지 의미를 혼용함으로 발생하는 문제라고 생각한다. ‘고정 초점 렌즈’는 Fixed focus lens를 칭하고 ‘고정 초점거리 렌즈’는 Fixed focal length lens로 구분하고자 했다. 즉, ‘고정 초점 렌즈’는 초점 조정이 필요 없는 렌즈(때때로 무-無-초점 렌즈라고도 사용되지만 이 또한 적절해 보이지는 않는다)를 의미하고, ‘고정 초점거리 렌즈’는 단-單-렌즈로 흔히 지칭되는 단일 초점거리 렌즈를 의미한다. 영어권에서는 단렌즈(Fixed focal length lens)를 프라임 렌즈(Prime lens)로 칭하기도 한다.
앞에서 기술한 스마트 폰에 장착되는 소형 카메라 모듈에서 광학적 구조의 한계로 작용하는 것은 무엇보다 두께에 대한 제한이다. 약 7mm 이내의 두께로 제한(스마트 폰의 두께를 감안한 제한)이 걸려 있으므로 광학 줌을 위한 기능을 구현하는 것이 어렵고, 심도의 표현이나 피사계 심도로 인해 강조되는 원근감/입체감을 표현하는 것에 한계를 가진다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 최근 듀얼 카메라 모듈이 적극활용되는 이유가 아닐까 생각한다.
일반적인 광학 줌 렌즈의 광학 구조와 작동 방 또한 링크로 대신하자.
2017/07/31 – [사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure] – <카메라와 렌즈의 구조 24> 줌 렌즈와 가변 초점 렌즈의 광학 원리. 그리고 이너 줌(Inner Zoom)의 대하여 / Zoom lens & Vari-focal lens. About inner Zoom
듀얼 카메라의 활용도는 꽤 넓은 편인데 대표적으로 광각 사용이 가능한 점을 들 수 있다. 각각의 카메라로 촬영된 이미지를 선택적으로 활용하거나 두 개의 카메라가 촬영한 화면을 합성하여 하나의 카메라 모듈로 촬영한 화각보다 넓게 만드는 것이 가능할 것이다. 그리고 심도 표현이 보다 폭넓어진다. 하나의 카메라는 주 피사체를 하나의 카메라는 배경을 촬영하는 것이 가능하고 배경 촬영의 포커싱 정도를 조정하여 배경 흐림(아웃포커싱)등의 표현이 가능하다. 그리고 피사체의 거리에 따른 입체적 표현이 가능하다, 각각의 카메라의 시차 또는 별도의 거리 측정 알고리즘을 이용해서 원근감과 입체적 효과를 구현할 수 있다고 한다. 앞으로 듀얼 카메라 모듈은 하드웨어적 최적화와 이미지 프로세스의 성능 그리고 소프트웨어의 결합으로 그동안 구현되지 못했던 광학적 성능과 새로운 쓰임으로 발전이 기대된다.
보다 자세한 내용은 아래 링크의 글로 대신하자.
2018/09/14 – [사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure] – <카메라와 렌즈의 구조 45> 스마트 폰과 모바일 기기의 듀얼&트리플 카메라 모듈에 대하여 / About Dual camera module in mobiles
듀얼 카메라의 광학구성
미래의 휴대용 전자기기의 카메라 모듈의 발전을 예상하기란 쉽지 않다. 하지만 최근의 특허 관련 기술 동향을 보면 어느 정도 방향성을 예측할 수 있다. 대표적인 몇 가지를 소개해 보자.
최근에도 관련 제품이 나와서 활용되고 있는 다양한 렌즈 컨버터(Lens converter)를 활용한 방식이다. 기술적으로 어려운 부분은 많지 않다. 단지 실제 판매로 이어질 것인지 시장/상품성의 문제가 걸림돌이 아닐까 싶다. 광학 컨버터를 활용하여 화각 등에 변화를 줘서 다양한 효과를 구현할 수는 있겠다.
스마트 폰 카메라 모듈의 두께 제한은 아래와 같이 한번 꺾인(프리즘이나 반사경을 이용한 방법) 구조로 회피 가능하다. 이를 통해 광학부의 두께 문제를 해결할 수 있고 나아가 이미지 센서의 크기 제한의 족쇄도 해결할 수 있다. 물론 모듈의 전체적인 부피는 증가할 수 있지만, 스마트 폰 내부의 설계에서 해당 공간을 확보하면 해결될 문제다. 기존 얇은 초박형 콤팩트 카메라 등에 적용되고 있는 기술이며 제품화하는데 기술상 문제는 없지 싶다.
위의 구조에서 연장하여 광학 줌이 가능한 구조로 설계하는 것이 가능하다. 이미 일부 콤팩트 카메라 등에 활용되고 있다.
이미지 센서의 면을 곡면으로 처리하여 제작되는 카메라 모듈을 예상해 볼 수 있다. 현재 휘어지거나 접는(리플렉스) 액정 등이 상용화되는 상황에서 곡면의 이미지 센서를 만드는 것이 불가능해 보이지는 않는다. 이는 모든 디지털 이미지 센서를 활용하는 카메라, 영상장비 등에 모두 적용될 수 있는 기술이며 이를 통해 구면수차 등 자이델의 5 수차와 색수차에서 괄목할 만한(혁신적인) 개선이 가능할 것이며, 잔여 수차 문제 해결을 통해 화질(분해능) 개선 효과 또한 많은 개선이 있을 것으로 생각된다. 그리고 광학 수차를 감쇄하기 위하여 여러 장의 요소(Element)나 비구면 요소 등의 사용을 배제할 수 있어 보다 간명한 광학 구성의 렌즈 설계가 가능하다.
이런 곡면의 이미지 센서 등장만으로도 고가의 장비가 넘쳐나는 교환형 카메라와 렌즈 시장에도 일대 혁신이 일어나지 않을까? 기존의 평면 이미지 센서의 카메라를 위한 교환용 렌즈들은 호환이 불가능해지겠지만, 설계의 간소화, 제조에서 고난도 공정 배제, 제조에서의 수율 등 전반적인 부분의 개선으로 실제 제품의 가격에서의 혁신도 예상된다. 그래도 골동스러운 올드 렌즈를 좋아해서 기존의 것에 애착을 가지고 사용하는 사람도 많겠지만, 새로운 기술의 진보나 혁신을 너무 기대하는 것도 반대로 너무 삐딱하게 바라 볼 이유는 없어 보인다. 하지만, 렌즈 교환형 카메라에 곡선형 이미지센서는 몇 가지 중요한 문제점을 가질 수 있는데, 교환되는 광학계마다 적절한 곡률이 다르고 이에 대응하는 유동적이고 가변적인 곡면/곡률을 이미지 센서는 기술적으로 그리 쉽지도 않고 실현 가능할지도 의문이기 때문이다.
한 치 앞도 알 수 없는 세상인데 주제넘게도 넓은 오지랖을 자랑하며 돗자리를 너무 활짝 핀 것은 아닌지, 살짝 걱정된다. 간혹 어설픈 무당이 뿌린 쌀알도 물구나무를 서기도 한다. ‘무당’하니 또 푸른 기와집이 생각나서 답답해졌다.
▶ 2018/12/24 – [사진과 카메라 이야기/사진과 카메라에 얽힌 잉여로운 감상] – 스마트 폰 사진과 전문 디지털 카메라 사진에 대하여 – 폰카 vs DSLR과 미러리스
KR101794582B1 – 카메라 모듈의 볼 가이드 구조 – Google Patents
G — PHYSICS
G03 — PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
G03B — APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
G03B2205/00 — Adjustment of optical system relative to image or object surface other than for focusing
G03B2205/0053 — Driving means for the movement of one or more optical element
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