과학용 카메라 사양 읽는 법 — 픽셀 · 셔터 · 촬영 영역 · 양자효율 · 속도

현미경 카메라 사양표의 화소 크기, 셔터 방식, 화소 수와 촬영 영역, 양자효율과 읽기잡음, 프레임률이 실제 촬영에서 무엇을 바꾸는지 움직이는 그림으로 풀어 봅니다.

현미경 카메라의 사양표에는 화소 크기, 셔터 방식, 화소 수, 양자효율, 읽기잡음, 프레임률이 줄지어 적혀 있습니다. 숫자가 클수록 좋은 것도 있고, 현미경과 시료에 맞아야 좋은 것도 있습니다. 이 글은 각 항목이 실제 촬영에서 무엇을 바꾸는지를 그림으로 보여 줍니다. 그림은 화면에 보이는 동안 반복해서 움직입니다.

예로 드는 카메라는 카탈로그에 있는 네 대입니다.

Teledyne Photometrics Retiga E7 냉각 CMOS 카메라 — **Retiga E7**
냉각 CMOS · 글로벌 셔터

Teledyne Photometrics Prime BSI Express 후면조사 sCMOS 카메라 — **Retiga E7**
냉각 CMOS · 글로벌 셔터

	Retiga E7	Prime BSI Express	Kinetix	Moment
화소 크기	4.5 µm	6.5 µm	6.5 µm	4.5 µm
화소 수	3200 × 2200	2048 × 2048	3200 × 3200	3200 × 2200
셔터	글로벌	롤링	롤링	글로벌
양자효율	73%	95%	95%	73%
읽기잡음	2.1 e⁻	1.0 e⁻	0.7 e⁻	2.0 e⁻
최대 속도	51 fps	95 fps	500 fps	51 fps
냉각	−25 °C	0 °C	0 °C	없음

화소 크기 — 빛을 모으는 양과 잘게 나누는 정도

화소는 빛을 받아 담는 작은 그릇입니다. 같은 빛이 쏟아질 때 큰 화소는 한 칸에 더 많은 빛을 모아 어두운 시료에서 신호가 빨리 찹니다. 6.5 µm 화소의 넓이는 4.5 µm 화소의 약 2.1배입니다. 대신 작은 화소는 같은 넓이를 더 촘촘히 나눠, 같은 배율에서 더 잘게 담습니다.

왼쪽은 같은 빛이 큰 화소와 작은 화소에 쏟아질 때 한 칸이 차는 정도, 오른쪽은 분해 한계 거리를 센서 위에서 몇 칸으로 담는지다

화소를 무작정 작게 하면 좋은 것도 아닙니다. 대물렌즈가 가를 수 있는 가장 가까운 두 점의 거리(분해 한계)를 센서 위에서 2칸 이상으로 담으면 충분하고(나이퀴스트 기준), 그보다 잘게 나누면 한 칸에 들어오는 빛만 줄어듭니다. 20× · NA 0.45 대물에서 520 nm 빛의 분해 한계는 약 0.70 µm이고, 센서 위에서는 20배인 약 14 µm입니다. 6.5 µm 화소는 이를 약 2.2칸, 4.5 µm 화소는 약 3.1칸으로 담으므로 둘 다 조건을 넘습니다. 배율이 낮아질수록 큰 화소는 2칸에 못 미칠 수 있습니다.

셔터 — 한 줄씩 찍나, 한 번에 찍나

롤링 셔터는 윗줄부터 차례로 노출되어 그사이 움직인 막대가 비스듬히 찍히고, 글로벌 셔터는 모든 줄이 같은 순간 노출되어 곧게 찍힌다

롤링 셔터 는 줄마다 차례로 노출하고 읽습니다. 빠르고 잡음이 적어 과학용 sCMOS 카메라에 많이 쓰이지만, 노출하는 동안 대상이 움직이면 모양이 기울어 찍힙니다.
글로벌 셔터 는 모든 화소가 같은 순간에 노출됩니다. 움직여도 모양이 그대로라, 스테이지를 멈추지 않고 훑으며 찍거나 짧은 스트로브 조명에 맞춰 찍을 때 유리합니다.

타일마다 스테이지를 멈추고 찍는다면 롤링 셔터도 문제없습니다. 셔터 방식이 결정적인 것은 연속 스캔이나 빠르게 움직이는 시료를 찍을 때입니다.

화소 수와 촬영 영역 — 현미경 시야에 맞아야 한다

센서가 담는 넓이(촬영 영역)는 화소 수 × 화소 크기 로 정해집니다. 화소가 많다고 넓게 찍히는 것이 아니라, 같은 화소 수라도 화소가 크면 넓어지고 작으면 좁아집니다. 시료 위에서 실제로 보이는 넓이는 여기에 배율로 나눈 값입니다.

현미경 시야(지름 25 mm · 20 mm 원) 위에 세 카메라의 촬영 영역을 같은 축척으로 차례로 겹쳤다. Kinetix는 모서리가 시야 밖으로 나간다

센서의 대각선이 현미경 시야보다 크면 모서리가 어두워집니다(비네팅). 큰 센서로 한 장에 더 넓게 담으려면 현미경 쪽 시야도 함께 커야 합니다. 그래서 카메라를 고를 때는 화소 수보다 센서 대각과 현미경 시야 를 먼저 맞춰 봅니다.

양자효율과 읽기잡음 — 어두운 신호를 얼마나 살리나

같은 광자 20개가 들어와도 양자효율 95% 화소는 19개, 73% 화소는 약 15개를 전자로 바꾼다. 아래 표는 읽기잡음까지 넣은 신호 대 잡음비다

양자효율(QE) 은 들어온 광자 가운데 전자로 바뀌어 신호가 되는 비율입니다. 같은 노출에서 신호의 크기를 정합니다.
읽기잡음 은 사진 한 장을 읽어 낼 때마다 신호와 상관없이 더해지는 잡음입니다. 빛이 많으면 묻히지만, 빛이 적을수록 비중이 커집니다.

그래서 두 값의 차이는 어두운 채널에서 크게 드러납니다. 위 계산에서 광자 100개일 때 두 카메라의 신호 대 잡음비 차이는 1.17배지만, 10개일 때는 1.37배로 벌어집니다. 형광이 약한 표지를 찍는다면 양자효율과 읽기잡음을 먼저 봅니다. 노출이 수 초 이상으로 길어지면 열로 생기는 잡음(암전류)도 커지므로 냉각 온도가 함께 중요해집니다.

속도 — 프레임률이 처리량을 정하는 때와 아닌 때

타일 한 장을 찍는 시간을 이동 · 정착, 네 채널의 노출, 읽기로 나눈 막대다. 노출이 길면 카메라 속도 차이는 작고, 짧으면 커진다 (계산 예)

최대 프레임률이 두 배라고 스캔이 두 배 빨라지지는 않습니다. 타일 한 장에는 스테이지 이동과 정착, 채널마다의 노출이 함께 들어가기 때문입니다. 노출이 100 ms쯤으로 길면 51 fps와 95 fps의 차이는 약 5%에 그치고, 노출이 10 ms로 짧으면 약 11%로 커집니다. 프레임률이 처리량을 좌우하는 것은 밝은 시료로 노출을 짧게 할 때 와 스테이지를 멈추지 않고 연속으로 훑을 때 입니다.

고를 때 순서

현미경 시야 에 센서 대각이 들어오는지 본다
배율 에서 화소가 분해 한계를 2칸 이상으로 담는지 본다
신호 세기 에 맞춰 양자효율 · 읽기잡음 · 냉각을 본다 — 어두운 형광일수록 중요하다
촬영 방식 에 맞춰 셔터를 고른다 — 멈춰서 찍으면 롤링, 움직이며 찍으면 글로벌
처리량 이 노출보다 카메라에 묶여 있을 때만 프레임률을 따진다

이 순서로 고른 실제 예는 전자동 역립 형광현미경을 꾸미는 네 가지 방법의 카메라 절에 있습니다.