1. 정의
**이미지 센서(Image Sensor)**는 빛을 전기 신호로 변환하여 디지털 이미지 데이터를 생성하는 장치입니다.
즉, 광학 신호(photons)를 전기 신호(electrons)로 변환하는 광-전기 변환 장치입니다. 디지털 카메라, 스마트폰, 산업용 검사 시스템, 자율주행 차량 등 다양한 분야에서 핵심 센서로 사용됩니다.
2. 종류
대표적으로 **CCD(Charge-Coupled Device)**와 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 센서로 나뉩니다.
| 구분 | CCD 센서 | CMOS 센서 |
|---|---|---|
| 작동 원리 | 빛을 전하(charge)로 변환 후, 픽셀 간 전하를 이동시켜 출력 | 픽셀 단위로 광전 변환 후 전자 신호를 바로 읽음 |
| 장점 | 이미지 품질 우수, 낮은 노이즈, 감도 높음 | 전력 소모 낮음, 고속 처리 가능, 칩 내 회로 통합 용이 |
| 단점 | 전력 소모 큼, 고속 동작 어려움, 가격 높음 | 노이즈 상대적으로 높음, 픽셀 균일도 문제 가능 |
| 사용 예시 | 고급 카메라, 천체 망원경 | 스마트폰, 웹캠, 자율주행 카메라 |
3. 주요 구성 요소
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광전 변환층 (Photodiode/Pixel Array)
- 빛(광자)을 전하(electron)로 변환.
- 센서의 해상도와 감도를 결정.
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컬러 필터 어레이 (Color Filter Array, CFA)
- 각 픽셀에 빨강(R), 초록(G), 파랑(B) 필터를 적용하여 컬러 이미지를 구현.
- 대표적으로 Bayer 필터 사용.
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어드레스 및 증폭 회로
- CMOS의 경우 픽셀별 신호 증폭 및 디지털 변환 회로 포함.
- CCD는 출력단에서 전하 신호 증폭.
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아날로그-디지털 변환기 (ADC)
- 전하/전압 신호를 디지털 데이터로 변환.
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렌즈 및 광학 시스템
- 빛을 센서 표면에 집중시키며, 이미지의 해상도와 품질에 영향.
4. 성능 지표
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해상도 (Resolution)
- 센서의 픽셀 수에 따라 결정. 단위: 메가픽셀(MP).
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감도 (Sensitivity, ISO)
- 낮은 광량에서도 신호를 충분히 얻는 능력.
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동적 범위 (Dynamic Range)
- 가장 어두운 영역부터 가장 밝은 영역까지 신호를 표현할 수 있는 범위.
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신호대잡음비 (SNR, Signal-to-Noise Ratio)
- 신호 품질 평가 기준, 노이즈가 적을수록 이미지 선명도 높음.
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프레임 속도 (Frame Rate)
- 초당 촬영 가능한 이미지 수.
- 자율주행, 고속 촬영에서는 매우 중요한 요소.
5. 적용 분야
- 스마트폰/카메라: 사진, 영상 촬영
- 산업용 비전: 불량 검사, 물류 자동화
- 의료: 내시경, 현미경 영상
- 자율주행: 장애물 인식, 거리 측정
- 보안/감시: CCTV, 얼굴 인식 시스템
6. 요약
이미지 센서는 빛을 전기 신호로 변환하여 디지털 이미지로 만드는 센서입니다.
- CCD: 고품질, 낮은 노이즈, 고급용
- CMOS: 저전력, 고속, 통합회로 용이
최근에는 CMOS 센서가 대부분 상용화되어 있으며, AI 기반 영상 처리와 결합되어 스마트 산업과 자율주행 분야에서 핵심 센서로 자리잡고 있습니다.
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