후지필름 X-Trans 센서개발 비하인드 스토리

디지탈카메라의 중요한 부분의 하나가 센서. 지금은 대형화의 물결이 밀려 들고 있지만, 되돌아 보면 후지필름의 촬상소자는 언제나 아이디어에 넘치고 있었다. 

후지의 최신작 X100S의 「X-TrasnCMOS II」센서를 바탕으로,  촬상소자 개발의 계승과 축적을 되돌아 보자.

▲후지 X100, 당시 컴팩트카메라가 $1200달러로 출시되었지만 매진행진을 이어갔다.

2012년 후반부터 DSLR 상응하는 대형 센서를 탑재한 컴팩트 디지털 카메라가 속속 등장하고 새로운 장르를 형성하고있다. 렌즈일체형이지만 기존의 컴팩트카메라가 화질면에서 부족했었기에 컴팩트하면서 화질좋은 카메라유저층에게 인기가 많았다.

　그런 APS-C 사이즈 센서를 탑재한 컴팩트 디지탈 카메라의 선두주자가 후지필름의 "FUJIFILM X100 '이다.  포토키나에서 충격적으로 데뷔하여 전세계의 주목을 이끈 것은 2010년 가을 (발표시에는 "FinePix X100"의 명칭이었다), 그 발표이후 출시는 2011년 봄이었다. 

　X100을 출시한 다음 재빨리 로우패스를 실현한 렌즈 교환식의 "FUJIFILM X-Pro1 '을 출시하고 2013년에는 상면 위상차 AF를 채용한"FUJIFILM X100S'를 출시

차례 차례로 새로운 기술을 센서에 도입 왔다.

▲후지필름의 전자 영상사업부 상품부 오오이시 마코토 씨. 

대형 센서가 탑재된 컴팩트카메라가 드물지 않은 현재

- 지금은 각 카메라회사에서 APS-C 사이즈나 더 큰 센서를 탑재한 컴팩트 (렌즈 일체형) 디지털 카메라가 속속 나오고 있습니다만, X100를 냈을 때 그런 미래는 예견하고 있었던 것입니까? ?

오오이시 씨 :　기대는 하고 있었습니다만, 상상은 하고 있지 않았습니다. 결과적으로 그렇게 된 것이 올바르네요. 

우리는 단순히 화질이 좋은 스냅카메라의 최종 형태이라고 할 수있는 제품을 개발하고 싶다고 생각했을 뿐입니다.

　2010년 포토키나에서 개발 발표로 처음 선보였을 때 나도 그 자리에있었습니다만, 첫날의 반응들은 몹시 대단하게도 이것은 절대로 제품으로 출시해야한다고 느낀 기억합​​니다 . 각 메이커가 이런 카메라를 출시하고있는 분위기가 몹시 기쁩니다 그 도움이 될 수 있었던 뜻이 큰 제품이었습니다.

- X100의 개발에 즈음 해, 처음부터 센서 크기는 APS-C 사이즈를 예정하고 있었습니까?

오오이시 씨 :　처음부터 APS-C 사이즈가 선정 된 것은 아닙니다. 우리가 목표로하는 화질을 실현하는 데 필요한 무엇을 시뮬레이션한 결과 만장일치로 APS-C 사이즈로의 렌즈는 조합이 최상의 화질을 얻을 수 있다고 결론을 내린게된 것입니다. X100은 베이어 배열 필터를 갖춘 센서이지만 (후속 제품 X100S는 필터없는 X-Trasn II) 등장 시점에서 상당히 고화질 카메라로 완성되었다고 자부하고 있습니다.

- X1​​00은 베이어 배열의 CMOS 센서 였지요. 그것이 X-Pro1에서 X-Trans CMOS라는 새로운 센서되었습니다. 이것 또한 최근 트렌드인 "로우 패스 필터리스"라는 흐름을 먼저 출시한 모습인데요.

오오이시 씨 :　X100 전용 렌즈와의 매칭을 생각해 설계했다고 하지만 일반적인 구조의 CMOS 센서를 사용하고있었습니다. 그리고 렌즈 교환식 카메라를 발행되면, 어느 렌즈에도 대응할 수있는 실력이 필요합니다. 그 중에서도 "로우 패스 필터는 본래 없어도 좋은 것이 아닌가?"라는 의견이 나오기 시작했습니다. 

개인적으로는 로우 패스 필터에서 손실된 부분은 입체감이 나오기 쉬운 부분이라고 생각해서, 거기서 죽어버리는 디테일은 아주 아깝다고 생각했습니다.

　하지만 아시다시피 로우 패스 필터를 제거하면 고주파 부분에 물결 무늬(모아레)가 나오기 쉬워져 버립니다. 하지만 개발 멤버의 한 사람이 "이러이러한 생각으로 설계하면 이론상 로우 패스 필터가 없어도 모아레가 나오지 않게된다"는 제안을 했죠. 그는 옛부터 후지필름 연구소에서 슈퍼 CCD 허니컴의 시대부터 계속해서 센서를 개발해온 명장이었습니다.

"슈퍼 CCD 허니컴 '에서'X-Trasn CMOS"로 진보된 후지센서

- 슈퍼 CCD 허니컴이 그립군요. 그러고 보니 슈퍼 CCD 허니컴도 이번 X-Trans CMOS도 센서가 대각선으로 배열되어 있네요?

오오이시 :　슈퍼 CCD 허니컴은 센서를 대각선으로 일렬로 세우는 것으로, 기존의 배열보다 가로 세로의 해상력이 약 1.4 배에 길게 빼야한다는 이론을 바탕으로 개발되었습니다. 그 후 등장한 EXR 센서도 그 벌집센서을 기반으로하고 있습니다.

　이야기가 조금 세지만, 왜 은염 필름에 물결 무늬와 가짜 색이 나오지 않을까? 필름을 개발하면서 알게된 노하우이지만 아날로그이기 때문에 랜덤으로 입자가 배치되기때문입니다.  디지털이라면 촬상 소자의 배열이 일정한게 배열되기 때문에, 흑백과 세세한 체크 무늬 등을 찍으면 모아레가 발생해 버립니다. 

그것은 규칙적인 화소 배열인 원인이되고 있습니다.

　기술적으로 센서의 각 라인에 RGB 픽셀이있는 것이 이상적인데 일반적으로 베이어 배열은 R과 G가 교대로 늘어선 라인과 B와 G가 번갈아 늘어선 줄이 순서입니다 있습니다. 평소에는 주위의 신호에서 색상을 보완하면 좋겠지만 화소 피치보다 세세한 부분은 그렇지 않습니다.

　예를 들어, R 화소가 없다고 빨강 성분이 얼마나 있는지 모르기 때문에 잘 그림을 만들 수 없습니다. 그 결과가 거짓 색상으로 이어집니다. 픽셀이 부족하면 잘 색상을 보완 할 수 없기 때문 가짜 색이 발생하는 것입니다. 밝기 차이가 크고 세세한 흑백 패턴에 나오는 물건이 바로 가짜 색상과 물결 무늬가 됩니다.

　그래서 X-Trans CMOS는 화소를 비스듬하게 배치 한 다음에, 6 × 6 픽셀로 그림을 만들기 위해 항상 RGB 성분이 거기에있게했습니다. 

완전한 랜덤은 아니기 때문에, 은염 필름처럼 완전히 제로라는 것은 아니지만 기존의 광학 로우 패스 필터를 탑재한 카메라보다 모아레와 가짜색은 나오지 않습니다.

X-Trasn CMOS는 로우 패스 필터를 없애고 화소를 6 × 6 배열 정렬했다. 

6 × 6 배열은 항상 각 행렬에 RGB가 존재하기 때문에 보간 처리에서 실패가 줄어 (= 가짜 색상 등의 발생 억제), 

결과적으로 로우 패스 필터를 사용하지 않는 센서로서의 제품화를 가능하게했다.

- 새로운 배열의 센서개발도 힘들었을것이라고 생각됩니다만?

오오이시 :　X-Trans CMOS가 실제로 이론대로의 결과물을 보여줄까 그 검증에 오랜 시간이 걸렸습니다. 기술적 관점에서 함정 아닌가도 그렇고, 이론적으로 괜찮아도 실제 센서는 아날로그 기술의 세계이기 때문에 만들어 보면 예상대로되지 않는 것도 있습니다. 그래서 모든 조건을 주고 컴퓨터상에서 시뮬레이션을 실시하여 검증한 후 만들어 보았습니다. 그 때는 엄청난 긴장감이있었습니다만, 할 수 밖에 없었습니다. ^^.

- 실제로 X-Trans CMOS 탑재한 카메라로 촬영한 사진을 실제 크기로 보면 디테일까지 제대로 묘사되어있는 것을 알 수 있습니다. 

아, 이것이 진짜 1600만 화소의 실력이야,라고 느끼게 되었습니다. 재미있는 것은, 광학적 특성도 아주 솔직하게 발휘됩니다. 조리개를 개방에서 서서히 좁혀 가면 점점 해상력이 올라서가 어느 정도 이상 쪼이면 이번에는 회절 효과의 영향이 나타나는데요.

오오이시 씨 :　그렇습니다. 센서의 능력이 오른만큼 렌즈의 특징이 나타나기 쉽다라고 할 수 있습니다. 렌즈의 장점을 꺼낼 여력을 가진 센서를 개발 할 수 있었으므로, 렌즈 교환식 X-Pro1과 X-E1에서는 안심하고 좋은 렌즈를 넣을 수있게되었습니다.

▲X-Trasn CMOS 탑재의 "FUJIFILM X-E1"와 렌즈 "XF35mm F1.4"조합에서 촬영 

F2.8 1/500초 ISO200

- X-Trans CMOS 센서가 되면서 고감도도 강해진 것 같습니다. 기분 탓일까요? 노이즈 저감 처리의 성능 향상인 것입니까?

오오이시 씨 :　X-Trans CMOS 해상도 기본으로 개발했지만, 고감도에도 강해지고 있습니다. X100S의 유효 화소수는 X100의 1230만 화소에서 1630만 화소로 증가하고 있습니다만, 센서로 노이즈도 30% 정도 줄일 수 있습니다.

　기존의 센서에서는, 픽셀에서 이미지를 생성할 때 각 화소에 타고있는 노이즈의 영향을받을 만, X-Trans CMOS는 화소 배열의 특징에서 각 화소를 생성 할 때 RGB 모두 들어 있는 것과 기존의 베이어 배열보다 G 화소가 많이 배치되어 있기 때문에 잘 보완 할 수 있습니다. G 화소가 많은만큼 R과 B는 적기 때문입니다만, 거기에다가 후지필름의 고유의 이미지 알고리즘을 더 할 수 있었습니다.

상면위상차 AF는 아직 진화한다.

- 그리고 최신형 X100S 이야기 입니다. X-Pro1에서 X-Trans CMOS를 탑재했다고 생각하면, X100S는 상면 위상차 AF 기능을 추가한 'X-Trasn CMOS II "로 진화했습니다.

오오이시 씨 :　실은 X100을 개발 발표했을 때 이미 상면 위상차 AF의 개발은 진행중 있었습니다. 재빨리 개발하려고 생각하고 있던 것은 아니고, 우리의 시간에 개발하다 보니 결과적으로 시장 출시가 빨랐다라는 느낌 이군요.

- 사실 상면 위상차 AF의 도입도 카메라업계에서 가장 먼저 도입을 했었는데요. 상면 위상차 센서 자체의 아이디어는 꽤 오래전부터 있었다고 들었하지만 확실히 먼저 탑재 한 것이 "FinePix F300EXR" (2010년 7월 발표)에서 타사보다 한참 빨랐다고 기억하고 있습니다. 특히 망원시 AF가 초고속으로 놀랐습니다. 그것이 이번 X100S, X20, FinePix F900EXR 단번에 탑재되었습니다.

오오이시 씨 :　상면 위상차 아이디어 자체는 옛날부터 있었습니다. 촬상 소자의 일부에 위상차 AF 센서를 탑재하고 촬상면에서 위상차 AF를 실시하는 기술인데, 중요한 것은 하나의 소자에 부분적으로 다른 소자를 포함하는 기술입니다. 사실 그것을 이미 개발한 '슈퍼 CCD 허니컴 SR "기술이 살아 있어요.

▲2003년 2월 출시한 파인픽스 F700

- 아, SR입니까? 그립네요. 확실히 "FinePix F700"(2003년 2월 발표) 이군요. 촬상 소자에 크기가 다른 2 종류의 화소를 나란히 양측의 화소를 혼합하여 다이나믹 레인지를 4배로 확대라는 이론은 센서크기는 작지만 계조가 풍부해 개인적으로 좋아했던 카메라였습니다.

오오이시 씨 :　상면 위상차 AF를 실현하려면 일반 화소와 위상차 센서이되는 화소를 모두 하나의 이미지 센서에 두지 않으면 안됩니다. 그 때 SR에서 개발 한 기술이 아직까지 살아있는 것입니다.

　상면위상차 센서가 되는 화소는 각각 대해 반만큼 차광 하도록 만들어져 있고, 거기에 따라 「위상을 포함한 신호」로 하고 있습니다. 그리고 그 양자의 신호를 맞추면, 위상차이를 알 수 있기 때문에 AF센서로서 사용할 수 있고, 어긋난 양을 계산하면 피사체까지의 거리로 환산할 수 있는 것으로 나머지는 렌즈를 움직일 뿐입니다.

실제로는 중앙부에 14만 화소 정도 준비하고 있습니다.구 체적으로 무엇이 일어나고 있을까는, 실제제품 X100S으로 만나 볼 수 있습니다.

▲X-TrasnCMOS II는 중심부에 14 만 화소 정도의 위상차 센서이되는 화소를 갖추고있다.

-그렇다고 라고하면?

오오이시 씨 :　X100S를 MF 모드로하면 중앙부가 확대되어 표시됩니다 만, 그것이 위상차 센서와 위치이에요. MF 모드에서는 표시가 흑백이되고, 스플릿 이미지처럼 동상이 어긋난 상태로 표시됩니다. 그것이 위상차 센서에서 신호 자체예요. 그 차이가 없어 지도록 초점 링을 돌리면 초점이라고하는 것입니다 ( "디지털 스플릿 이미지"기능).

▲X100S를 MF 모드로하면 중심부에 회색 영역이 나타난다. 

여기가 상면 위상차 센서가 배치되는 위치이다

▲초점 링을 돌리면 거기가 확대된다. 이것은 앞의 얼굴에 초점이있는 상태.

 조금 거리가 어긋나는 모자의 뒤에 인연이나 뒤에있는 인형 불구하고 이미지가 흐릿한 위에 좌우로 어긋나있다. 이 엇갈림이 포인트

▲뒤에 초점이있는 상태. 앞의 인형은 초점이 맞지 않고 상이 어긋나있다

▲전에 초점이있는 상태. 엇갈림의 방향이 다르다. 이 엇갈림의 방향과 거리에서 앞 또는 얼마나 핀트가 어긋나 있을까를 계산할 수 있다.

- 사실이게도 리얼하게 상면 위상차를 체감 할 수있는군요. 그리고, 상면 위상차 AF는 기존의 콘트라스트 AF보다 훨씬 빠르지만 위상차의 픽셀을 이용하여 화질이 미묘하게 저하 않을까? 라고 말하는 사람이 있습니다.

오오이시 씨 :　보완 알고리즘에는 자신이 있고, 화질의 열화는 없습니다. 사실 위상차의 신호도 초점이 곳은 이미지만들기에 사용하고 있습니다. 걱정 없습니다.

- 또 하나, 상면 위상차 AF는 SLR의 위상차 AF에 비해 어두운 곳에 약하다는 이미지가 있습니다. 그것은 SLR이 가지는 위상차 센서에 비해 위상차 검출에 사용 화소의 크기가 작다고 생각 좋은가요?

오오이시 씨 :　그렇습니다. 위상차 측정 센서가 작기 때문에, SLR에 비하면 어두운 곳에는 약해집니다만, 그래도 3EV의 밝기가 있으면 작동합니다. 또한 구조상 콘트라스트 AF와 함께 사용할 수 있기 때문에, 상면 위상차 센서가 약한 곳에서는 콘트라스트 AF와 함께 있기 때문에 문제 없습니다. 단지 상면 위상차 AF는 간신히 본격적으로 탑재 할 수 있었다는 단계이므로 향후 더 개선해 가고 싶다고 생각하고 있습니다. 꽤 중요한 기술이라 생각됩니다.·

- X100의 등장으로부터 2년 이상이 경과하고 시장은 APS-C 사이즈는 물론, 35mm 풀프레임 센서를 탑재한 컴팩트 디지탈 카메라 (렌즈 일체형 디지털 카메라)도 등장하고 있습니다. 이것에 대해 어떻게 생각하십니까?

오오이시 씨 :　기술적으로는 풀프레임 센서사이즈로해도 X-Trans의 좋은점은 발휘할 수 있지만  35mm 풀프레임 센서크기의 좋은 점은 어디에있는 것일까?라고 생각하면 센서가 크면, 해상력이 좋아지는 이유만은 아니라고 생각하고 있습니다. 맛이나 공기 감의 묘사 같은 곳이 소중히되는 것은 아닐까.

　후지필름의 제품은 색 재현과 계조를 중시하고 있고 그 위에 더 세밀한 해상력과 고감도 성능을 추가한다는 방침이 있습니다. 그런 의미에서 RAW보다 JPEG가 좋습니다. 우리가 생각한 색 재현과 계조가 나타납니다. 2000만 이상의 고소화의 요망도 있습니다만, 감도와 노이즈 및 카메라 크기의 균형을 포함하여 고려하면 현재 APS-C 사이즈의 유효 1630 만 화소이 최고라고 생각했습니다만 물론 풀프레임 센서의 연구도 병행하고 있습니다.

맺음말

 최근의 로우 패스 필터리스 "X-Trans CMOS II"는 슈퍼 CCD 허니컴 (화소 크기를 팔각형으로 45도 각도로 비스듬하게 나란히 자신 배열의 CCD 센서) 시대의 기술이 계승되고 있는 것이였다.

슈퍼 CCD 허니컴이 제품으로 등장한 것이 2000년. 그것을 기반으로 진화하고 2003년에는 크기가 다른 2 종류의 화소를 탑재하고 동적 범위를 넓혔다 FinePix F700이, 2010년에는 상면 위상차 센서를 탑재 한 FinePix F200EXR이 등장했었다.

　그 후 CMOS 센서로의 이행이 있고 그것이 대각선 배열에 의해 로우 패스 필터리스를 실현한 X-Trans와 상면 위상차 AF를 계승 한 X-Trans CMOS II가되고 결실을 맺게 된것이다.  후지필름은 기존 기술의 장점을 계승하고 발전시키면서 새로운 센서와 카메라를 만들어 나가고 있다.

앞으로의 X-Trans CMOS III 또는 풀프레임센서도 기대가 되지만 2015년에 출시될것으로 예상되는 플래그쉽카메라 X-Pro2에 탑재된다는 차세대 유기센서도 기대가 크다. 앞으로 후지필름의 행보를 주목해야될 때이다.

참고

2013/06/12 - 후지필름 유기CMOS 이미지센서 개발