광자, photon에 대하여, 크로스토크, crosstalk 현상

 

지난번 전자기 스펙트럼에 대해서 알아보았습니다.

전자기스펙트럼 electromagnetic spectrum, EMS / 가시대역, 근적외선 대역 visible spectrum, near-infrared, NIR, IR

 

광원에서 방출된 빛이 물체에 부딪혀 반사되고, 이 반사된 빛이 카메라의 필터를 통과하여 픽셀의 포토디텍터에 도달합니다. 이 때 각 필터는 특정 파장의 빛만을 통과시키고 나머지는 차단합니다. 포토디텍터는 이 투과된 빛을 전기 신호로 변환하고, 이 신호는 나중에 양자화 과정을 거쳐 디지털 이미지 데이터로 변환됩니다. 이 데이터는 각 픽셀의 강도 또는 밝기를 나타내며, 이것이 우리가 최종적으로 보게 되는 이미지의 일부입니다

 

이러한 과정을 이해하면 영상처리에서 발생하는 문제점과 개선방안을 고민해 볼 수 있습니다.

 

빛의 파동과 입자의 이중성

빛은 특별한 성질을 가지고 있습니다. 우리가 일상에서 보는 빛은 파동의 형태로 존재하며, 물결이 퍼져나가듯이 공간을 통해 전파됩니다. 그러나 물리학의 실험들은 빛이 때로는 입자처럼 행동한다는 것을 보여줍니다. 예를 들어, 빛이 물체에 충돌할 때 입자처럼 에너지를 전달하고, 이는 '광자'라는 입자로 설명될 수 있습니다. 이러한 빛의 '이중성'은 빛이 파동과 입자의 성질을 동시에 가진다는 것을 의미합니다.

 

빛의 이중성은 물리학에서 매우 중요한 개념입니다. 빛이 파동과 입자의 성질을 동시에 가진다는 것은 빛과 물질의 상호작용을 설명하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 광전 효과는 빛이 전자를 물체에서 빼내는 현상인데, 이는 파동으로는 설명할 수 없는 현상입니다. 파동이라면 물체 전체에 에너지를 균일하게 분배해야 하지만, 광자로 설명하면 특정 전자에 에너지를 집중해서 전달하는 것이 가능합니다.

 

광자의 특징

광자는 몇 가지 특별한 성질을 가집니다. 먼저, 광자는 에너지를 가지고 있지만 질량은 가지고 있지 않습니다. 그렇기 때문에, 빛의 속도인 광속으로 이동할 수 있습니다.

에너지와 운동량 : 광자는 에너지를 갖고 있으며, 이 에너지는 빛의 색(주파수)에 의해 결정됩니다. 빛의 에너지가 클수록, 예를 들어 자외선이나 감마선 같은 고주파수의 빛은 더 많은 에너지를 가집니다. 광자는 또한 운동량을 가지고 있어, 물질과 충돌할 때 이 운동량을 전달할 수 있습니다.

 

-광자의 에너지와 파장:

 

광자는 빛의 입자로, 에너지를 가지고 있습니다. 이 에너지의 크기는 광자의 파장(빛의 색을 결정하는 요소)에 의해 결정됩니다. 파장이 짧은 광자는, 예를 들어 자외선처럼, 더 많은 에너지를 가지고 있습니다. 반대로 파장이 긴 광자, 즉 적외선이나 라디오 파동처럼, 에너지가 적습니다. 파장이 짧을수록 광자는 더 많은 에너지를 운반합니다. 우리가 보는 빛의 다양한 색은 다른 파장과 에너지를 가지고 있으며, 각 색은 다른 에너지의 광자를 나타냅니다.

 

광자는 빛의 입자로, 각기 다른 색깔을 나타내는 에너지를 가지고 있습니다. 광자의 색깔은 '파장'이라는 단위로 측정되며, 이 단위는 나노미터(nm)를 사용합니다. 나노미터는 미터의 10억분의 1에 해당하는 매우 작은 길이 단위입니다. 파장의 용어는 'Wavelength'입니다. 다양한 색의 빛은 각기 다른 파장을 가지고 있으며, 이것이 우리가 색을 구별할 수 있는 이유입니다.

- 짧은 파장: 예를 들어, 400nm에서 500nm 사이의 파장을 가지는 빛은 파란색이나 보라색과 같은 색을 나타냅니다. 이러한 짧은 파장의 빛은 더 높은 에너지를 가지고 있습니다.
- 긴 파장: 반면에, 600nm에서 700nm 사이의 파장을 가지는 빛은 빨간색이나 주황색과 같은 색을 나타냅니다. 긴 파장의 빛은 상대적으로 에너지가 적습니다.

-광자의 세기(Intensity):

광자의 세기는 빛의 밝기를 의미합니다. 세기가 높다는 것은 더 많은 광자가 특정 지점에 도달한다는 것을 의미하며, 이는 빛이 더 밝게 보입니다. 예를 들어, 태양의 빛이 밝은 것은 태양에서 많은 광자가 우리에게 도달하기 때문입니다. 세기가 높을수록 우리 눈에 더 밝게 보이는 빛을 만들어냅니다.

광자와 센서의 상호작용

광자는 카메라, 태양 전지판, 눈과 같은 광학 센서에 도달할 때 중요한 역할을 합니다. 광자가 센서에 도달하면, 센서는 광자의 에너지를 감지하고 전기 신호로 변환합니다. 이 전기 신호는 결국 이미지나 다른 형태의 데이터로 변환됩니다. 예를 들어, 디지털 카메라의 센서는 다양한 색상의 광자를 감지하여 이를 전기 신호로 변환하고, 이를 디지털 이미지 데이터로 처리합니다. 이 과정에서 광자의 파장은 감지되는 색상을 결정하고, 광원의 세기는 이미지의 밝기나 전기 신호의 강도를 결정합니다. 따라서, 광자는 광학 센서를 통해 물리적 빛 에너지를 전기적 신호로 변환하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

 

필터

파장을 감지하는 일반적인 방법 중 하나는 필터를 사용하는 것입니다. 필터는 특정 파장(또는 색상)의 빛을 선택적으로 통과시키거나 차단하는 데 사용됩니다. 이것은 특히 카메라와 같은 광학 장치에서 중요한 역할을 합니다.색상 필터:디지털 카메라에서는 적색, 녹색, 청색 필터가 일반적으로 사용되어 각각의 색상에 해당하는 빛의 파장을 감지합니다. 예를 들어, 녹색 필터는 녹색 빛의 파장을 통과시키고 다른 색상의 빛은 차단합니다.

 

필터 배열:

 

복잡한 이미징 시스템에서는 여러 필터가 배열되어 복수의 파장을 동시에 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 다중스펙트럼 카메라는 여러 필터를 사용하여 다양한 파장의 빛을 감지하고, 이를 통해 더 풍부한 색상 정보를 얻을 수 있습니다. 필터는 광자의 파장을 구별하고, 이를 통해 특정 색상이나 스펙트럼의 정보를 얻는 데 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 방식으로, 광학 장치는 빛의 다양한 특성을 정확하게 감지하고 분석할 수 있습니다.

 

필터 배열에 대해서는 지난번 포스팅을 참고해주십시오.

2024.01.30 - [Sensor] - Color filter array, CFA, 컬러필터어레이, MFA, multispectral filter array, 멀티스펙트럴필터어레이

Color filter array, CFA, 컬러필터어레이, MFA, multispectral filter array, 멀티스펙트럴필터어레이

 

카메라 센서

카메라 센서의 단면도

센서는 여러 층으로 구성되어 있습니다.

실리콘 기판(Silicon Substrate): 이것은 센서의 가장 아래쪽에 위치하며, 전자 회로의 기반이 됩니다.
픽셀 웰(Pixel Well): 실리콘 기판 위에 있는 이 공간들은 빛을 감지하는 데 사용되는 광자(빛의 입자)를 모읍니다.
포토디텍터(Photodetector): 픽셀 웰 위에 위치하며, 빛의 입자(광자)가 들어오면 이를 전기 신호로 변환합니다.
색 필터 배열(CFA, Color Filter Array): 각기 다른 색의 빛을 감지하기 위해 빨간색, 초록색, 파란색 필터를 포함하고 있습니다.
마이크로렌즈(Microlens): 가장 위에 위치하며, 들어오는 빛을 포토디텍터로 정확히 집중시키는 역할을 합니다.
이 다이어그램은 카메라가 어떻게 빛을 감지하여 이미지로 변환하는지를 나타냅니다. 빛은 마이크로렌즈를 통과하여 색 필터들을 지나 포토디텍터에 도달하고, 이 때 각 필터는 특정 색상의 빛만을 통과시켜 정확한 색상 정보를 포착할 수 있게 합니다. 포토디텍터는 이 빛을 전기 신호로 바꾸어 디지털 이미지를 만들어냅니다.

 

크로스토크, crosstalk

 

크로스토크는 광자가 센서에 비스듬한 각도로 입사할 때 발생할 수 있습니다. 이는 마이크로렌즈와 컬러 필터 어레이(CFA)를 통과한 후 발생할 수 있는데, 광자가 직접적으로 아래에 있는 포토디텍터(빛을 감지하는 센서 부분)로 들어가는 대신, 옆으로 비켜 인접한 포토디텍터로 들어갈 수 있습니다. 이로 인해 발생하는 크로스토크 현상은 다음과 같은 이유로 발생할 수 있습니다:

 

마이크로렌즈의 굴절: 마이크로렌즈는 빛을 포토디텍터로 집중시키는 역할을 하지만, 때로는 빛을 완벽하게 수직으로 내리쬐지 않고 경사지게 만들 수 있습니다.

 

필터의 배열: 컬러 필터는 특정 색상의 빛만을 통과시키도록 설계되어 있지만, 만약 광자가 필터에 경사진 각도로 입사한다면, 광자는 의도한 포토디텍터 대신 옆에 위치한 포토디텍터로 들어갈 수 있습니다.

 

센서의 물리적 구조: 센서의 물리적 구조에 따라, 광자가 센서 내부를 통과하는 경로가 변할 수 있으며, 이는 광자가 예상치 못한 위치에 도달하게 만들 수 있습니다.이 현상은 이미지의 정확성을 저하시키고 색상의 왜곡을 초래할 수 있기 때문에, 카메라 센서를 설계할 때는 이러한 크로스토크를 최소화하기 위한 고려가 필요합니다.

 

크로스토크의 예시, 멀티스펙트럼의 감도 그래프 example

 

곡선들이 겹치는 부분은 크로스토크와 유사한 개념을 나타낼 수 있습니다. 이는 두 필터가 일부 파장 범위에서 동시에 반응한다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 파란색 필터와 녹색 필터가 일부 파장대에서 겹친다면, 그 파장의 빛은 두 필터 모두에 의해 감지될 수 있습니다. 이는 이미지 처리 시 색상 정보를 분리하거나 정제할 때 고려해야 할 중요한 요소입니다.