흑백 카메라
이미지센서의 흑백개조 (=Debayering)란?
범용 디지털 카메라의 이미지센서를 흑백센서로 만들기 위해 칼라 이미지센서 표면에 형성되어 있는 Bayer Filter (= color filter array)층을 벗겨내는 작업을 말합니다.
전세계의 많은 도전적이고 실험정신있는 아마추어 천문인들이 다양한 방법으로 이미지센서의 Debayering에 성공을 거둔 실예가 많이 있습니다. 대부분 센서표면의 마이크로 연마하거나, 단단한 나무스틱등을 사용하여 CFA층을 밀어서 벗겨내는 방법이 여기에 속합니다. 저희는 위에서 언급한 이러한 방법이 갖는 단점인 정량적인 작업제어 불가능, 미세 스크래치등 문제를 해결하기 위해 새로운 방법을 찾고자 2년여 동안 수 많은 시도를 하였습니다.
저희의 시도한 방법들은 마이크로 연마, 대나무젓가락을 이용한 CFA 밀어내기,열,유기용제, 에칭액, CNC를 이용한 미세연마, 현미경과 마이크로톰 blade을 이용한 벗겨내기시도등이 있습니다. 대부분의 경우 적절한 작업도구를 만들어서 함께 사용하면 상당히 완성도 있는 Debayering이 가능합니다. 그러나 작업중 발생할 수 있는 미세한 충격에도 센서표면에 상처를 남기게 되어 작업의 수율이 낮고 리스크가 높았습니다. 그러던 중 2015년 봄 우리는 하나님께서 특별한 지혜를 주셔서 획기적으로 안정적인 새로운 Debayering Process를 발견하게 되었습니다.
여러 회사의 이미지센서를 대상으로 테스트 결과 캐논, 니콘,소니, 후지등 대부분의 카메라회사의 이미지센서 Debayering 할 수 있으며 매우 깨끗하게 센서에서 CFA를 제거할 수 있었습니다. 이 방법은 정량화된 방법으로서 안전하게 작업을 제어하는것이 가능하게되어 고품질의 상용화 제품을 발표하게 되었습니다.
이미지센서의 흑백개조후 단점은 무엇인가?
첫째, 칼라사진을 더이상 찍을 수 없습니다. 센서 표면에 있던 Color Filter Array가 모두 제거되어 모든 픽셀에서 더이상 칼라값을 기록하지 못하게 됩니다.
둘째, 마이크로렌즈가 제거되었기 때문에 수광손실이 발생합니다.
세째, 센서 표면의 배선부분에서 생기는 반사로 인하여 밝은 별, 광원을 찍을 때 할로,고스트상이 개조전보다 강하게 나타납니다.
마이크로렌즈는 CFA위에 위치하여 빛을 모아서 photodiod로 집중시키는 역할을 하는데 이것은 Debayering작업시 CFA와 함께 제거 되었습니다.
CFA는 RGGB색깔 필터로서 투과율이 높지 않은데 이러한 CFA가 제거되면서 photodiod에 도달하는 수광량은 증가됩니다. 그러나 CFA와 함께 제거된 Microlens는 빛을 모아서 photodiod로 집중시키는 매우 중요한 역할을 하는데 이것의 제거는 아주 아쉬운 부분으로서 수광효율의 저하를 초래합니다. 즉 CFA제거로 얻은 이익과 ML제거로 잃은 손실이 동시에 발생합니다.
CFA가 제거된 후 노출된 실리콘 웨이퍼의 배선부분은 빛의 반사체로서 개조전에 비하여 높은 내부 반사가 발생합니다. 이것은 센서 전면의 필터나 렌즈 표면에서 2차반사를 일으키게 되어 밝은 광원은 촬영된 사진에 Halo와 Ghost상을 만들게 됩니다. 이러한 현상은 대부분의 digital camera의 센서커버 window에서 조금씩 발생하는 현상이지만 Debayered Sensor의 경우 센서표면에서 더 강하게 나타납니다. 즉, 천체 사진 촬영시 밝은 별과 성운 성단이 함께 있는 경우 밝은 별 주위에 Halo를 만들고 화면의 또다른 영역에 Ghost상을 만들 수 있습니다.
Monochrome개조를 통해 무엇을 얻게되나?
Color Image sensor의 Bayer Filter (= color filter array)라는 개념은 빛의세기만을 기록하는 이미지센서에 색정보를 함께 기록할 수 있도록 하는 매우 혁신적인 개념이지만 color값을 얻기위해서 센서가 갖고 있는 고유 능력의 상당한 손실을 감수하고 있습니다.
포토다이오드 위에 붙어있는 RGB color filter 층은 투과율은 높지 않기 때문에 광량 손실이 크고, 2pixels x 2pixels을 한 단위로하여 즉 4pixel이 하나의 색정보를구현하기 때문에 Bayer Filter가 적용되기 전 1pixel이 정보를 기록하는것에 비하여 해상도가 훨씬 낮습니다. 그리고 false color를 예방하기 위해 사용하는 low pass filter의 사용은 더 큰 해상도 저하를 초래하고 있습니다.
이에 비하여 Mono개조를 하면 개조전에 비하여 최소 2배이상의 해상도가 증가되며 이것은 화소수 개념으로 환산하면 약 4배 이상의 pixel수 증가에 해당하는 것으로서 압도적으로 탁월한 해상력을 얻게 됩니다. 이것은 2천만화소의 캐논 eos 6D카메라를 흑백으로 개조하면 Full Frame 8천만화소의 color DSLR로 얻을 수 있는 해상도의 사진을 찍을 수 있게 된다고 말할 수 있습니다.
위의 테스트 이미지는 흑백 천체사진에서 가장 많이 사용되는 네로우밴드 필터인 Ha필터(7nm)를 칼라버전 Astro 6D 와 흑백 CMOS개조된 Mono Astro 6D 의 Drop-In filter Holder에 각각 장착하고 동일 노출조건으로 촬영후 RawDigger 프로그램을 통해 변환된 사진입니다.
위의 테스트 사진에서 우리는 4pixel이 하나의 단위로 기록된 칼라 이미지센서와 1 pixel단위로 Data가 기록되는 흑백이미지센서의 차이를 쉽게 확인 할 수 있습니다.
왜 상용 디카를 흑백카메라로 개조하는가?
코닥,소니등 회사의 흑백 이미지센서를 사용한 냉각카메라들이 많은 아마추어 천문인들에게 사용되어지고 있습니다. 하지만 노트북을 비롯한 카메라를 제어하기 위한 장비들의 사용성은 DSLR 또는 미러리스 카메라들에 비하여 복잡하고 가격도 많이 비싼게 현실입니다.
DSLR개조 카메라의 가장 큰 장점은 아주 쉽고 친근한 User Interface를 갖고 있다는 것과 새롭게 개발되는 신제품들은 최신 반도체 공정에서 생산되어 센서 성능도 뛰어나고 가격도 저렴하다는 것이 장점이 있습니다.
어떤 사진을 찍을수 있나요?
1.천체사진
Drop-in filter Holder에 간편하게 교환하여 장착할 수 있는 천체사진용 2” LRGB filter를 사용하여 훨씬 섬세한 디테일이 살아있는 성운, 은하사진을 찍을 수 있으며 Ha, H-beta, SII OIII 등의 Narrow Band filter등을 사용하여 창조적인 false color 딮스카이 사진을 만들 수 있습니다. 이제 냉각CCD카메라에서 할 수 있던 전문적인 천체사진 작업을 DSLR의 쉽고 편리한 사용환경에서 할 수 있게 되었습니다.
2.일반 가시광선 사진
흑백사진을 통해 작가는 일상의 피사체를 통하여 작가의 깊은 작품세계를 표현할 수 있습니다. 이 경우 각종 필터를 함께 사용하면 아주 많은 유익이 있습니다. R, G, B filter를 사용하면 각각 필터마다 투과 대역이 전체 가시광선 영역대비 약 1/3정도이기때문에 렌즈 색수차의 영향을 훨씬 덜 받게되어 보다 선예도 높은 사진이 가능해집니다. 여기에 더하여 Bayer filter가 제거 되었기 때문에 4배증가된 해상도가 더해지면 놀랄만한 해상도의 풍경 및 인물사진 작품을 손쉽게 만들 수 있습니다.
보통DSLr 카메라의 경우 좋은 품질의 렌즈로 정확하게 촛점을 맞추어 찍은 사진이라 하더라도 low pass filter에 의한 해상도 저하와 렌즈 수차, bayer filter image processing 등으로 인하여 최대 해상도의 사진일지라도 보통 3픽셀폭의 디테일을 갖고 있습니다. 하지만 아래 샘플 사진은 캐논의 범용 EF 40mm 렌즈 + Ha필터를 사용하여 찍은 사진으로서 1:1 확대사진을 보면 1 pixel 단위의 섬세한 극한의 디테일을 확인 할 수 있습니다.
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3.적외선사진, 자외선사진
기존 적외선사진을 위한 low pass filter개조 카메라는 사실상 R-G-G-B 필터배열에서 주로 R채널에 data의 대부분이 기록되기 때문에 나머지 3픽셀은 아무런 역할이 없었다고 볼 수 있습니다. Debayered camera를 적외선사진기로 활용할 경우 R-G-G-B 필터배열을 제거하였기 때문에 필터개조만 했을 때보다 4배의 유효픽셀수를 갖게 되어 R72 필터등의 적외선 사진용 필터를 함께 사용하면 선예도가 압도적으로 높은 사진을 얻게 됩니다.
범용의 DSLR 카메라는 대부분 자외선을 거의 기록하지 못하지만 monochrome 개조후자외선통과를 방해하던 cover glass, CFA, low pass filter등이 모두 제거되고 자외선 투과 성능을 갖는 protection filter를 장착 하였기 때문에 자외선 수광능력은 4배이상 증가되었습니다. hoya U-360, X-nite 330 필터등을 함께사용하면 개조전엔 불가능하던 300~400nm 대역의 고 해상도의 자외선 사진을 찍을 수 있습니다.
Monochrome Sample Gallery ——->>>
