기준일을 100으로 놓고 그린 선입니다. 통화가 서로 달라 지수로 겹쳤습니다.
밤 사진이 지저분한 건
카메라가 나빠서가 아니라
광자가 없어서다
아래 사진은 불러온 이미지가 아닙니다. 화소마다 도착할 광자 수를 계산하고, 푸아송 분포에서 실제로 뽑아서 그린 것입니다. 조도를 낮추면 광자가 줄고, 줄어든 만큼 √N 만큼 흔들립니다. 이건 렌즈나 소프트웨어로 못 이깁니다 — 빛 자체의 성질입니다.
기준 숫자 하나
이 조각의 모든 계산이 여기서 나온다
왜 √N 인가
잡음이 아니라 빛의 성질
빛은 연속된 흐름이 아니라 광자라는 알갱이로 옵니다. 평균 100개가 오는 조건이어도 실제로는 96개, 103개, 91개가 옵니다. 이 흔들림은 푸아송 분포를 따르고, 표준편차가 정확히 √평균입니다.
그래서 신호 대 잡음비는 N/√N = √N입니다. 광자를 4배 모으면 화질은 2배가 됩니다. 광자를 모으는 방법은 셋뿐입니다 — 더 밝게, 더 오래, 더 큰 화소로. 이 셋 말고는 물리적으로 방법이 없습니다.
| 장면 | 조도 | 노출 | 화소당 전자 | 잡음 | SNR |
|---|---|---|---|---|---|
| 한낮 야외 | 10,000 lux | 1/1000 | 380 | ±19.5 | 19.5 |
| 흐린 날 | 2,000 lux | 1/500 | 152 | ±12.3 | 12.3 |
| 실내 조명 | 150 lux | 1/60 | 95 | ±9.7 | 9.7 |
| 어두운 방 | 30 lux | 1/30 | 38 | ±6.2 | 6.2 |
| 촛불 하나 | 5 lux | 1/15 | 13 | ±3.6 | 3.6 |
1 μm² 화소 · 반사율 18% · f/1.8 · 렌즈 투과 90% · 양자효율 75% 기준. ★실제 카메라는 노이즈 리덕션과 다중 프레임 합성으로 이보다 낫게 보이게 만들지만, 합성 전 한 장이 받는 광자 수는 이게 전부입니다.
조리개 — 광자를 모으는 두 번째 손잡이
4F² 로 나뉜다
렌즈가 센서에 만드는 조도는 반사율 × 조도 × 투과율 ÷ (4F²)입니다. F가 제곱으로 들어가므로 조리개를 한 스톱(√2배) 조이면 광자는 정확히 절반이 됩니다. 위 렌즈 그림의 광추 반각도 atan(1/2F) 로 그린 것이라, 손잡이를 움직이면 빔이 실제로 좁아집니다.
| 조리개 | 광추 반각 | 어두운 방 전자 | SNR | f/1.4 대비 |
|---|---|---|---|---|
| f/1.4 | 19.7° | 62.8 | 7.9 | 1.00배 |
| f/1.8 | 15.5° | 38.0 | 6.2 | 0.60배 |
| f/2.8 | 10.1° | 15.7 | 4.0 | 0.25배 |
| f/4.0 | 7.1° | 7.7 | 2.8 | 0.12배 |
| f/8.0 | 3.6° | 1.9 | 1.4 | 0.03배 |
30 lux · 1/30초 · 1 μm² 화소 기준. f/1.8과 f/2.8은 광자 2.42배 차이입니다 — 폰 제조사가 조리개 숫자를 크게 적는 이유가 이것입니다. ★조리개를 밝게 하는 것과 화소를 키우는 것은 같은 일입니다. 둘 다 광자 수를 늘립니다. 다만 조리개를 열면 초점이 맞는 깊이가 얕아지고 렌즈가 커집니다 — 폰 두께가 여기서 걸립니다.
화소를 늘리면 왜 나빠지나
센서 면적은 그대로인데 칸만 늘리면
1/1.7형 센서는 43.3 mm²입니다. 여기에 1,200만 개를 넣으면 화소 하나가 3.61 μm², 1억 800만 개를 넣으면 0.40 μm²입니다. 면적이 9분의 1이면 받는 광자도 9분의 1, SNR은 3분의 1이 됩니다.
| 화소 수 | 화소 크기 | 화소 면적 | 어두운 방 전자 | SNR |
|---|---|---|---|---|
| 12 MP | 1.90 μm | 3.61 μm² | 137 | 11.7 |
| 48 MP | 0.95 μm | 0.90 μm² | 34 | 5.9 |
| 108 MP | 0.63 μm | 0.40 μm² | 15 | 3.9 |
| 200 MP | 0.47 μm | 0.22 μm² | 8 | 2.9 |
그럼 왜 1억 화소를 만드나. 되돌리는 방법이 있기 때문입니다 — 이웃한 3×3 화소를 하나로 묶으면(비닝) 면적이 되돌아옵니다. 위 판에서 직접 눌러 보세요. 다만 그 순간 해상도는 9분의 1이 됩니다. 1억 800만 화소로 팔고, 어두우면 1,200만으로 찍는 것입니다.
비닝이 못 되돌리는 것도 있습니다. 읽기 잡음은 화소마다 따로 붙어서 묶을 때 √9배로 함께 늘고, 화소 사이 벽(격벽)이 차지하는 면적은 화소가 작을수록 비율이 커집니다. ★그래서 실제 회복은 이론값보다 조금 못합니다.
색을 얻는 대가
화소마다 색 필터가 하나씩
센서는 색을 못 봅니다. 광자 수만 셉니다. 그래서 화소마다 빨강·초록·파랑 중 하나의 필터를 덮고, 나머지 두 색은 이웃에서 빌려 옵니다(디모자이크). 위 판에서 베이어 원본을 눌러 보면 그 상태가 보입니다.
대가는 빛입니다. 필터가 자기 색만 통과시키므로 화소가 받는 광자는 대략 3분의 1이 됩니다 — SNR로는 1.73배 손해, 약 0.79 스톱입니다. 흑백 센서를 눌러 보면 그 차이가 그대로 보입니다. 흑백 전용 카메라가 어두운 데서 유리한 이유가 이것입니다.
어두운 곳의 알록달록한 얼룩도 여기서 나옵니다. 세 색의 광자 수가 각자 따로 흔들리는데, 그걸 이웃에서 빌려와 섞으니 색이 뭉텅이로 튑니다. 실제 밤 사진에서 보는 그 얼룩입니다.
나이트 모드 — 폰이 물리를 이기는 게 아니다
√N 이 문제를 만들고, √N 이 답도 만든다
여러 장을 찍어 합치면 신호는 N배, 산탄잡음은 √N배가 됩니다. 그래서 SNR은 √N배 — 잡음을 만든 바로 그 법칙입니다. 위 손잡이에서 합성 장수를 올려 보세요.
| 합성 장수 | SNR 배수 | 스톱 | 손각대 1/10초일 때 총 시간 |
|---|---|---|---|
| 1 장 | 1.00배 | 0 | 0.1 초 |
| 4 장 | 2.00배 | 1.0 | 0.4 초 |
| 10 장 | 3.16배 | 1.66 | 1.0 초 |
| 50 장 | 7.07배 | 2.5 | 5.0 초 |
폰이 밤에 갑자기 잘 찍는 건 센서가 좋아져서가 아니라 시간을 써서 광자를 더 모으기 때문입니다. 한계도 분명합니다 — 그 몇 초 동안 피사체가 움직이면 끝입니다. 그래서 나이트 모드는 풍경에는 잘 듣고 사람에게는 잘 안 듣습니다.
실제로 파는 센서들
공개 사양의 화소 크기를 이 계산에 넣으면
| 센서 | 화소 | 면적 | 어두운 방 전자 | SNR |
|---|---|---|---|---|
| 소니 IMX989 (1인치) | 1.60 μm | 2.56 μm² | 97 | 9.9 |
| 삼성 ISOCELL GN2 | 1.40 μm | 1.96 μm² | 74 | 8.6 |
| 아이폰 메인 (1/1.28") | 1.22 μm | 1.49 μm² | 57 | 7.5 |
| 소니 IMX766 (1/1.56") | 1.00 μm | 1.00 μm² | 38 | 6.2 |
| 삼성 ISOCELL HP2 (2억) | 0.60 μm | 0.36 μm² | 14 | 3.7 |
30 lux · f/1.8 · 1/30초 · 흑백 기준(컬러면 각각 3분의 1). ★화소 크기는 공개 사양, 나머지는 이 페이지의 계산입니다. HP2(0.6μm)는 IMX989(1.6μm) 대비 화소당 광자가 0.14배입니다 — 2억 화소 센서가 비닝 없이는 못 쓰는 이유가 숫자로 나옵니다.
이 물리를 파는 회사들
광자를 더 모으는 방법을 파는 쪽
소니 반도체(IMX)가 이미지 센서 시장의 절반을 쥐고 있습니다. 아이폰 카메라 센서가 소니입니다. 삼성(ISOCELL)이 화소를 잘게 쪼개는 쪽(2억 화소)과 격벽 기술로 추격합니다. 온세미는 차량용에서 강합니다 — 자율주행 카메라는 해상도보다 어두울 때와 역광에서 안 죽는 것이 훨씬 중요해서, 이 조각의 계산이 그대로 제품 기준이 됩니다.
렌즈 쪽에는 라간정밀(대만), 모듈 조립에는 LG이노텍이 있습니다. ★주가가 이 기술 때문이라고는 말하지 않습니다.
실물은 이렇게 생겼다
위 화면은 제가 광자를 세서 그린 모식도입니다. 그 광자를 실제로 받는 판은 이렇게 생겼습니다 — 라이선스가 확인되는 사진만 가져왔습니다.
① 빛을 받는 건 저 가운데 작은 사각형뿐이다
카메라를 뜯어 센서를 접사로 찍은 것입니다. 은색 브래킷과 보랏빛 세라믹 패키지가 크게 보이지만, 실제로 빛을 받는 건 한가운데 회색 사각형 하나입니다. 위아래로 부챗살처럼 뻗은 금색 실은 그 사각형에서 신호를 빼내는 본딩 와이어고요.
이 판 하나에 화소가 1,200만 개 들어갑니다. 위에서 계산한 대로 화소 하나가 1.90 μm 각, 면적으로는 3.61 μm²입니다. 저 사각형을 1,200만 칸으로 나눈 게 사진 한 장의 해상도입니다.
주변의 커패시터·저항과 견줘 보면 감이 옵니다 — 부품 몇 개 크기에 1,200만 개를 새겨 넣은 겁니다.
② 칩 크기와 빛 받는 면적은 다르다
웹캠에서 뜯어낸 센서입니다. 검은 패키지가 기판 위에서 꽤 큰 자리를 차지하는데, 사방을 촘촘히 두른 금선 안쪽을 보면 정작 다이는 그보다 훨씬 작습니다. 그리고 그 다이 안에서도 실제 감광 영역은 가운데 사각형뿐입니다.
이게 왜 중요하냐면 — 카메라 스펙에 적히는 ‘화소 수’는 저 사각형을 몇 칸으로 쪼갰느냐일 뿐, 사각형 자체가 커지는 건 아니기 때문입니다. 위에서 108 MP로 바꿔 보면 화소가 0.63 μm까지 작아지고, 칸당 받는 빛도 그만큼 줄어듭니다. 같은 판을 더 잘게 썬 것뿐이라서요.
③ 화소를 현미경으로 보면 — 이게 ‘색필터 1/3’이다
센서 표면을 80배로 들여다본 것입니다. 빨강·초록·파랑 사각형이 바둑판처럼 박혀 있는데, 이게 베이어 컬러필터입니다. 화소마다 색유리를 한 장씩 덮어 놓은 것이고, 초록이 빨강·파랑의 두 배입니다 — 사람 눈이 초록에 제일 민감해서요.
위 계산의 ‘색필터 1/3’이 바로 이겁니다. 화소 하나에 도달한 빛 중 제 색이 아닌 3분의 2는 저 유리에서 걸러집니다. 거기에 양자효율 75%가 또 곱해지고요. 광자를 아무리 많이 던져도 전자가 그만큼 안 나오는 이유가 이 사진에 있습니다.
다만 이건 1980년대 캠코더 센서입니다. 화소가 커서 80배로도 보이는 것이고, 요즘 폰의 1.90 μm 화소는 이 배율로는 보이지 않습니다. 구조는 같고 크기만 다릅니다.
풀고 있는 식 — 어둠의 잡음은 센서 탓이 아니다
밤 사진이 지저분한 가장 큰 이유는 회로 잡음이 아니라 빛 자체가 알갱이라는 데 있습니다. 같은 밝기를 재도 매번 도착하는 광자 수가 흔들리고, 그 흔들림은 √N 입니다.
SNR = N / √N = √N
전자 100개 → SNR 10 · 상대잡음 10%
전자 10,000개 → SNR 100 · 상대잡음 1% 100배 모아야 잡음이 10분의 1
이 제곱근이 카메라 설계 전부를 설명합니다. 잡음을 절반으로 줄이려면 빛을 네 배 모아야 하고, 빛을 네 배 모으는 방법은 셋뿐입니다 — 더 오래(흔들림), 더 열린 조리개(얕은 심도), 더 큰 화소(큰 센서·비싼 렌즈). 폰이 밤에 여러 장을 겹쳐 찍는 것도 결국 N 을 키우는 같은 수법입니다.