CCTV 카메라 모듈의 종류와 활용[1] - 광학 기초 & 카메라모듈의 종류와 특징

 

 

글 | 유명호 삼성테크윈 영상정보개발 수석

월간 시큐리티월드 통권 제120호(info@boannews.com)

카메라의 모듈이 소형화됨에 따라 렌즈계도 소형화가 가속화되겠지만 전장의 경우에는 한계가 있으므로 액체 렌즈를 비롯한 새로운 방법들이 시도될 것으로 판단된다. 소형화를 위해서는 플라스틱 보다는 굴절률과 분산치 분포가 다양한 글라스 비구면 렌즈에 대한 수요가 증가할 것으로 보이고, 또 소형화에 따른 부품의 정밀도가 향상되어야 하므로 관련 측정 및 조립기술의 정확도는 높아질 것으로 전망된다.

 

<목차>

 

1. 광학의 기초

2. 광의 단위

3. 카메라 모듈의 종류와 특징

    (1) 렌즈의 설계
    (2) 렌즈의 구조 및 광학 특성
    (3) 렌즈의 수차(Aberration) 

------------------------------------------------------------------------------------------

 

1. 광학의 기초

렌즈는 피사체의 이미지를 정확하게 인식하기 위해 빛을 모으는 역할을 하는 것으로 렌즈의 기본 특성인 해상도와 콘트라스트, 색 재현성과 파장대역, 주변 광량비, 왜곡 수차 등이 최적화되도록 여러 개의 구면, 비구면 렌즈를 경통부에 조합해 그 기능을 구현하게 된다. 렌즈는 이미지 센서, 경통, FPCB 등의 부품과 조립되어 카메라 모듈을 구성하는 부품으로 일반적으로 경통에 렌즈가 조립된 렌즈 모듈의 형태로 사용된다.

카메라의 모듈에는 비구면 렌즈를 사용하는데, 비구면은 구면과 달리 축상에서 멀어질수록 일정한 곡률값을 갖지 않는 면을 의미한다. 구면은 곡률중심이 하나이므로 제작하기가 쉽지만 구면이기 때문에 구면수차를 가지며 이로 인해 상이 흐려지게 된다. 상을 보정하기 위해 여러 개의 구면을 사용하므로 광학계가 무겁고 커져서 수차보정이 쉬운 비구면을 사용하는 추세다.

피사체에서 반사된 광신호가 렌즈를 통해 CCD면에 결상하게 되면, CCD는 결상된 광신호를 전기신호로 변환시키고, 다음의 신호처리 부분에서 여러 가지 다양한 전기적 신호처리를 거친 후, 우리가 일반적으로 보는 TV방식으로 인코딩(Encoding)해 만들며, 그 후 모니터로 보거나 VCR로 기록한다. 여기서는 우선 광학 부분부터 비디오 신호가 만들어지는 과정을 순서대로 살펴보기로 한다.

① 굴절 : 굴절은 빛이 밀도가 다른 매질로 들어갈 때 그 경계면에서 속도가 변하여 진로가 바뀌는 현상으로 빛의 파장과 매질의 밀도에 따라 달라진다. 굴절율은 다음과 같이 결정된다.

 

  ㆍ굴절율(n) = Sin(입사각) / Sin(굴절각)

 

 

② 분산 : 분산은 빛의 파장에 따라 굴절률은 다르므로, 매질의 경계면에서 파장이 다른 빛들이 각기 다르게 굴절되어 보이는 현상을 말한다. 프리즘의 색분산 현상이 이러한 현상의 예를 말하는 것으로 빛은 파장이 길수록 굴절률은 감소한다.

③ 반사 : 굴절과 달리 광선이 어떤 매질에 부딪힐 때 경계면에서 빛이 새로운 방향으로 진행하는 현상을 말한다. 반사면이 매끄러운 평면일 경우에는 입사각과 동일한 각으로 반사를 하며, 반사면이 고르지 못할 경우에는 난반사를 한다. 따라서 렌즈의 반사율을 작게 하려면 렌즈 표면을 코팅(Coating)해 광투과율을 높인다.

④ 회절: 빛이 파장보다 짧은 통로를 지날 때 직진하는 광선 이외에 회절에 의해 경계면에서 빛의 방향이 꺾이는 현상을 말한다.

 

------------------------------------------------------------------------------------------

 

2. 광의 단위

 

흔히 광의 단위로는 광도(Intensity), 광속(Flux), 조도(Illumination), 휘도(Luminance) 등으로 나누어 볼 수 있으며 단위별 주요 개략은 표 1과 같다.

 

 

여기서 광의 단위는 각 방식에 따라 다음과 같아진다.

 

① Front 방식 : 사용 스크린의 특성에 따라 휘도가 바뀌므로 광속(lm)으로 표시한다.

 

② Rear 방식 : 스크린 게인에 따라 휘도가 바뀌며 ft·L로 표시한다. 예를 들면, 40"(약0.5㎡)의 스크린에서 광속 1,000lm 일 때 (Gain = 1.5 - 5), 조도는 1,000 lm / 0.5㎡ = 2,000 lx 가 되고, 휘도는 Gain × 조도 ( ft·Cd) = 4 × 2000 / 10.76 = 743.5 ft·L 가 된다.

 

------------------------------------------------------------------------------------------

 

3. 카메라 모듈의 종류와 특징

(1) 렌즈의 설계

 

렌즈를 설계할 경우에는 렌즈만의 특별한 공식이 있는 것은 아니다. 대개의 경우 앞서 이루어진 렌즈 설계를 면밀히 검토해 유사한 형태의 참고 모델을 찾아내는 것이 필요하다. 이것을 참고해 각 요소의 굴절 성능과 요소간격을 정하고 최적화 기법을 이용해 설계한다. 근래에는 컴퓨터가 널리 보급되어 있고 또한 각종 설계 소프트웨어가 많이 보급되어 렌즈 설계에 많은 도움을 주고 있다.

① 렌즈의 기능 사양(Specification)

ㆍ초점거리(F) : 초점거리(Focal Length)란 렌즈를 무한대에 초점을 맞추었을 때 그 렌즈의 제2주점(광학적 중심부-Rear Nodal Point)에서 필름면까지의 거리를 말하는데, 초점거리에 따라 사진상에 다른 효과를 나타내며 기본적으로 이미지크기, 확대, 그리고 화각이 조절된다. 그림 2는 렌즈의 초점거리를 나타낸 것이다.

 

 

그림과 같이 초점거리에는 광학계의 마지막 면의 정점에서 제2초점까지의 거리로 정의되는 후초점거리(Back Focal Length: bfl: fb)와 제2초점에서 F까지의 거리로 정의되는 유효 초점거리(Effective Focal Length: efl: f)가 있다. 대개 줌 렌즈의 초점거리는 Zoom Ratio에 의해 결정된다.

ㆍ화면크기 - 화면크기는 Light valve의 대각선 길이로 결정된다.

ㆍ화각(2θ) - 화각은 초점거리와 화면크기로 결정된다.

ㆍ최적 투사거리 - 이 값은 Conjugate 거리를 결정한다.

ㆍ F/No(초점거리/유효구경) - 이 값은 렌즈의 밝기를 결정하는 것으로 100mm 렌즈의 지름이 25mm라면 F/Number값은 (100mm)/(25mm) =f/4가 된다. 50mm 렌즈의 지름이 12.5mm라면 (50mm)/ (12.5mm)=f/4가 되고, 50mm 렌즈의 지름이 25mm 라면(50mm)/(25mm)=f/2가 된다. 즉 조리개(유효경)의 지름이 커질수록 f-number는 작아진다. 동일한 f-stop *주) 일 경우 모든 렌즈는 동일한 광량을 통과시킨다.

② 렌즈의 성능사양

ㆍ해상도와 콘트라스트  - MTF 값이 Pixel Pitch를 충분히 만족하는가 또는 영상주파수 대역을 커버하는가의 정도를 나타내는 것이다.

ㆍ색재현성, 파장대역 - 사용파장 대역과 투과율을 고려해 결정한다.

ㆍ주변 광량비 - 대구경 렌즈와 광각 렌즈 설계시 특히 주의해 결정한다.

ㆍ왜곡수차 - 왜곡의 허용량을 고려해 결정한다.

③ 구조, 원가(Cost) 등 제한조건

ㆍ렌즈 구성매수 - 성능을 만족하는 범위내에서 최소 매수로 결정한다.

ㆍ렌즈 재질 - 재질의 공급이 가능한 지를 검토해 결정한다.

(2) 렌즈의 구조 및 광학 특성

 

① 유리 렌즈의 굴절 특성

 

굴절 현상은 유리 매질의 밀도가 높을수록 광선이 늦게 통과하는 특성 때문에 생긴다. 유리의 두께를 달리 함으로써 광의 굴절 정도를 조절할 수 있는데, 렌즈는 이런 특성을 가진 여러 개의 렌즈들이 경통안에서 결합된 형태로 피사체에서 반사되어 나오는 광을 모아 촬상면에 상을 맺게 해준다. 렌즈의 내부 반사를 제거하기 위해서는 특수코팅 처리를 해야 한다.

② 렌즈의 장착방법

ㆍC 마운트 방식 - 렌즈 뭉치와 카메라의 연결 부위를 스크루 방식으로 돌려서 연결하는 방식으로 CCTV 카메라에 주로 사용된다.

ㆍBayonet 마운트 방식 - 틀(ENG, EFP)에 맞춰 연결해 고정시키는 방식으로 신속한 장착이 가능하며, 주로 방송용에서 사용된다.

ㆍBreech 마운트 방식 - 특수한 고정용 레버를 이용해 장착하는 방식으로 스튜디오용 카메라 렌즈처럼 중량이 큰 경우에 사용된다.

③ 조리개

 

사람 눈의 조리개처럼 여러 장의 얇은 금속막을 다각형을 이루도록 중첩시켜 광량을 조절하는 역할을 한다.

 

 

 

④ F-number

 

렌즈의 밝기를 나타내는 양으로 초점거리와 입사광의 직경 비로 표현된다. F-number가 작을수록 유효구경이 커서 많은 광량이 통과하고, F-number가 클수록 D가 작아지므로 광량이 줄어들게 된다. 일반적으로 F-number 값은 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22로 표기된다. F1.4가 가장 밝은 값이며 한 단계식 숫자가 커질수록 광량의 통과는 1/2로 줄어들게 된다.

 

⑤ Back Focus/Flange Back

 

Back Focus는 무한대에 초점을 맞추었을 경우, 렌즈 뒷면 최종단에서 결상면까지의 거리이다. 렌즈를 탈·장착함에 따라 발생하는 오차를 ±0.5mm 정도로 조정하는 작업을 Back Focus 보정이라 한다. Flange Back은 렌즈 마운트의 최종단면에서 결상면까지의 거리를 나타낸다. Back Focus 보정은 렌즈 조리개를 완전 개방한 상태로 조명을 낮게해 조정하며, 카메라의 DTL은 OFF 상태에서 행한다. 다음은 렌즈의 포커스 보정 과정을 요약한 것이다.

ㆍZoom In 상태에서 포커스 렌즈를 움직여 초점을 맞춘다.

ㆍZoom Out해 Back Focus용 렌즈를 움직여 초점을 맞춘다.

ㆍ상기의 방법을 2∼3회 반복해 조정한다.

ㆍZoom In 상태에서는 피사계 심도가 얕고, Zoom Out 상태에서는 초점 심도가 얕다.

 

⑥ 초점거리

 

초점거리는 무한대의 한 점에서 출발한 광선이 렌즈를 통과한 다음 맺어지는 상과렌즈 중심(주점)까지의 거리를 나타내며, 주점(Principal Point)은 렌즈의 광학적 중심을 말한다. 그림 5는 초첨거리에 대한 정의를 나타낸 것이고, 그림 6은 대칭형 렌즈의 초점 거리를, 그림 7은 대물거리와 피사거리, 화상거리의 상호관계를 각각 나타낸 것이다. 

 

⑦ 화각

 

Zoom in 상태로 갈수록 화각은 작아지고, Zoom out 상태로 갈수록 화각은 커진다. 그림 8은 2/3〃 렌즈의 화각을 나타낸 것이다.

 

⑧ 피사계 심도와 초점 심도의 관계

 

피사계 심도와 초점 심도와의 관계는 다음과 같이 정리할 수 있다.

ㆍF#가 클수록 심도가 깊어진다.

ㆍ초점거리가 짧을수록 피사계 심도는 깊어진다.

ㆍ피사체 거리가 멀수록 심도는 깊어진다.

ㆍ전방의 심도 보다 후방의 심도가 깊다.

ㆍ피사계 심도는 다음과 같이 결정된다.

후방 피사계 심도(d1) = (δ*F#*L2/f2 - δ*F#*L)

전방 피사계 심도(d2) = (δ*F#*L2/f2 + δ*F#*L)

표 2는 이미지 사이즈와 허용 착락원의 관계를 나타낸 것이다. 아울러 그림 9는 전후방의 피사계 심도를, 그림 10은 피사계 심도와 초점 심도와의 관계를, 그림 11은 조리개의 개폐에 따른 피사계의 심도 변화를 각각 나타낸 것이다.

 

 

⑨ 입사동과 출사동

 

입사동은 렌즈 앞쪽에서 본 조리개의 허상으로 렌즈에 투과되는 광량을 결정하며, 출사동은 렌즈 뒤쪽에서 본 조리개의 허상으로 렌즈의 수차와 관계가 있다. 그림 12는 입사동과 출사동의 관계를 나타낸 것이다.

 

⑩ 램핑(Ramping, F-Drop)

 

줌 렌즈의 조리개를 활짝 연상태로 Zoom Out에서 Zoom In으로 할 경우, Video Level이 점점 낮아지는 현상을 말하며 줌 렌즈의 초점거리가 변할수록 입사동 구경도 변하게 된다. 이는 장초점 거리의 렌즈가 갖는 문제점으로서 조명이 낮은 곳에서 사용할 경우 실내 조도를 높임으로서 해결할 수

있다. 그림 13은 초점거리에 따른 비디오 레벨의 변화를 나타낸 것이다.

 

 

(3) 렌즈의 수차(Aberration)

 

렌즈는 곡면이고 재질이 유리이며, 광의 파장이 각기 다르기 때문에 광선이 초점면에 정확히 집속되지 않는 현상을 수차라고 한다. 이때 수차의 발생 정도에 따라 렌즈의 품질이 평가되며 그 수차에는 다음과 같은 종류가 있다.

① 자이델 수차(구면 수차)

 

렌즈 형상이 구면으로써 이상적인 초점을 형성하지 못해 발생하는 수차이다. 이 수차는 광의 파장과는 무관하게 발생하므로 단색광에서도 발생한다. 광축에서 멀리 떨어진 외곽부를 통과하는 광선의 굴절률이 크므로 렌즈에 가까운 쪽에 초점을 형성한다. 구면 수차는 이와 같이 근축 광선과 광축에서 멀리 떨어진 외곽부를 통과하는 광선이 한 점에 초점 형성이 되지 않는 현상을 말한다. 이 현상은 밝은 빛 주변에 Halo로 나타난다. 이를 줄이기 위해서는 조리개를 줄여주면 크게 개선되며, 렌즈 설계 시에 비구면 렌즈 또는 오목렌즈와 함께 사용하여 수차 보정을 한다. 그림 14는 자이델 수차에 대해 나타낸 것이다.

 

 

② 코마 수차

 

구면 수차는 광축에 평행한 광선에서 생기는 현상이지만, 코마 수차는 광축에 대해 임의의 각도로 비스듬히 입사하는 광선에 의해 나타나는 현상이다. 렌즈 주변부로 입사하는 광선은 초점면에 결상되지만, 중심부 입사광선은 굴절각이 다르기 때문에 화상은 혜성 꼬리처럼 흐려짐이 발생한다. 이때 조리개를 조이면 줄어들며, 렌즈 설계 시에 좌우 대칭형의 렌즈 사용을 가능한 줄임으로써 다소 감소시킬 수 있다. 그림 15는 코마 수차에 대해 나타낸 것이다.

 

 

③ 비점수차

 

그림 16과 같이 광축을 벗어난 임의의 점에서 나온 광선은 렌즈 통과후에 화면 모서리의 한 점에 집속되지 못하고 두 개의 선으로 분열되어 비정형 곡선, 혹은 타원형으로 흐려진다. 조리개를 조임으로써 다소 줄일 수 있지만 완전히 없어지게 할 수는 없다.

 

 

④ 상면 만곡

 

그림 17과 같은 상면 만곡은 평면의 피사체가 평면으로 결상되지 않고 곡면의 형태로 결상되는 현상이다. 상평면을 화면 중심에 맞추면 주변이 흐려지고, 상평면을 주변에 맞추면 중심이 흐려지는 현상이다.

 

 

⑤ 왜곡(Distortion)

 

왜곡 현상은 평면으로 결상되지만 기하학적으로 똑같이 결상되지 못한다. 이 현상은 렌즈의 중심을 통과하는 주광선이 비정상적으로 굴절될 때 일어난다. 굴절 현상은 조리개와 무관해 조여주어도 개선할 수 없으며 설계시에 비구면 렌즈로 개선할 수 있다