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<카메라와 렌즈의 구조 X VIII> 조리개를 조이면 왜 화질이 좋아지는가 - 조리개 개구의 크기와 화질의 관계 / Aperture affect and the image quality 본문

사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure

<카메라와 렌즈의 구조 X VIII> 조리개를 조이면 왜 화질이 좋아지는가 - 조리개 개구의 크기와 화질의 관계 / Aperture affect and the image quality

잉여로운 삶을 사는 산들 산들 2017.01.23 14:18


Notice - 일반적인 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.



카메라의 조리개를 조이면 일반적으로 화질이 개선된다고 한다. 즉, 자이델의 오(五)수차 중에서 구면수차, 코마, 비점수차, 상면 만곡이 개선되고 색수차 일부도 개선되어 화질이 개선된다. (왜곡 수차의 경우 그 효과는 크지않다) 그렇다면 어떤 이유로 수차가 줄고 화질이 개선되는 것일까?


먼저 조리개의 가장 주된 기능은 카메라로 입사되는 광량의 조절이다. 조리개가 개방되면 입사 광량은 증가하고 조이면 광량은 줄어든다. 주된 기능에 부수적으로 수반되는 기능/효과가 심도 변화와 수차 보정이 있다. 심도 변화는 익히 알고 있고 관련해서 여러 번 다루었던 내용이니 생략하고(조리개와 심도의 광학 이론적인 부분에 대해서는 기회가 닫는다면 한 번 다뤄 볼 생각이다) 조리개를 조이면 수차가 줄어드는 이유에 대해 알아보자.



▶ 조리개의 변화에 따른 변화


조리개의 최대 개방에서는 입사하는 대부분의 빛은 렌즈의 광학계를 통과하여 결상면에 맺힌다. 이를 광선 추적선으로 나타내면 아래 이미지와 같다.


좀 더 자세히 살펴보면 결상면의 중심은 구면의 중앙 통과한 빛이 주로 결상하게 되지만, 주변부는 구면의 중앙뿐만 아니라 외곽 부분을 통과한 빛이 상을 맺게 된다. 단색광 수차인 자이델의 5 수차 중에서 구면수차 및 코마, 비점, 상면만곡과 색 수차는 구면의 중심부보다 외곽(주변) 부분을 통과한 빛에서 더 뚜렷하게 나타난다. 따라서 상이 맺히는 결상면의 중앙부 보다 주변부에서 각종 수차 문제로 분해능/해상력이 떨어지고 색수차 등의 화질 저하가 크게 나타난다.




조리개가 조여지면서 렌즈로 입사하는 일부 빛을 차단하게 되는 데, 렌즈 중심을 통과하는 일부의 빛(파란색으로 표시된 광선)을 차단하기도 하지만, 구면의 광축 중심에서 먼 외곽을 통해서 들어온 광선(붉은 색과 초록색) 대부분은 조리개에 의해 차단된다. 따라서 조리개의 개구를 통과한 빛의 양은 감소하고 동시에 수차가 심한 구면 외각을 통과한 광선은 차단되어 결상되는 상의 수차가 개선되어 화질이 좋아진다.



렌즈에 있는 조리개와 '시야 조리개'는 구분되어야 한다. 보이는 범위를 제한하는 조리개를 시야 조리개(Field stop)라고 하는 데 카메라에서 시야 조리개는 보통 촬상소자(필름이나 이미지 센서)의 크기이다. 동일한 초점거리의 렌즈라 하여도 촬상면의 크기에 따라 시야(화각)이 다르다. 아니면 렌즈의 앞면에 시야의 크기를 조정하는 틀이 있는 경우에는 틀이 시야 조리개가 된다. 때에 따라서는 후드 등으로 비네팅이 생긴다면 후드가 시야 조리개 역할을 하는 것이 된다.


그렇다면 조리개를 무한정 조이면 화질은 계속 좋아지는 것일까? 빛의 간섭과 회절, 그리고 광학계의 화질 저하의 관계에 대해서는 이미 여러 차례 다루었으므로 확인해 보자.



▶ 구경의 크기와 광학적 성능의 관련성


일반적으로 구경이 크다는 것은 입사동의 크기가 크다는 것으로 입사되는 빛의 양이 많아 밝은 렌즈, 큰 직경의 조리개 개구를 가지는 작은 조리개 값의 렌즈를 의미하는 것과 동일하다. (렌즈에서 말하는 구경은 빛이 통과하는 구멍의 지름 즉, 입사동/유효 구경을 의미한다, 단순히 구성요소의 직경을 의미하는 것이 아니다)


위에서 살펴본 바에 따르면 조리개를 조여 광학계를 구성하는 요소 구면의 전체 부분 중 중앙에 있는 일부(근축) 부분만을 사용하게 되는 것을 알 수 있다. 따라서 조리개를 조이면 렌즈의 근축(광축을 중심으로 가까운) 부분만을 사용해서 화질이 개선된다는 이야기도 가능하다. 하지만, 대구경의 렌즈의 조리개를 일정 조이면 구면의 근축 부분을 사용하여 되고, 상대적으로 작은 구경의 렌즈보다 더 뛰어난 화질을 보인다는 주장은 옳지 않다.


즉, 조리개를 조이면 렌즈 광학계의 근축 부분을 사용하게 되어 큰 조리개 개구에서 구면 전체 면을 사용할 때보다 화질이 개선되는 것은 맞지만,  기타 조건들이 같다면, 즉, 동일한 초점거리를 갖고 있으며 최대 개방 조리개 값의 차이만 있는 렌즈 (예를 들어 초점거리 50mm의 f/1.8 렌즈나 50mm  f/1.4 또는 50mm f/1.2의 렌즈)가 동일한 조리개 값에서 사용하는 구면의 부분은 거의 차이가 없다. 특수한 고 굴절의 소재를 사용하지 않는 한 구면의 곡률과 수차의 정도도 크게 다르지 않다. 단지 최대개방 조리개 값의 차이로 인해 구면의 직경(지름) 크기는 차이가 있지만, 같은 조리개 값에서 사용하는 구면은 동일한 곡면의 같은 부분을 사용하게 되고, 이는 단순히 렌즈의 구경의 크기 차이가 같은 조리개 값 조건 하에서 더 나은 광학적 성능과 직결되는 것이 아니란 것을 의미한다. (하지만, 실제에서는 각 렌즈에 따라 구경의 크기와는 상관없는 요소들 - 수차 보정을 위한 특수 요소나 소재의 사용 여부,  빛의 회절과 관련한 조리개의 원형 구현 정도, 광학계 또는 렌즈 전체 빌드 품질 등-로 차이가 발생할 여지는 있다)


굳이 최대 구경이 큰 렌즈를 최대 구경이 작은 렌즈와 비교하여 동일한 유효구경에서 비교할 때 장점을 찾자면 전혀 없는 것은 아니다. 최대 개방 조리개 값에서 조리개를 한 두 단계(Stop) 더 조일 수 있는 점이 일부 장점으로 작용하여 보다 나은 광학적 성능을 보일 여지도 있고 결과물의 주변부 광량 등에서 더 나은 성능을 보여준다.

 



최대 개방 조리개 값이 작은 렌즈의 광학계는 최대 개방 조리개 값이 큰 광학계에 비해 불필요한(사용하지 않는) 구면의 외곽 부분을 줄여서 더욱 작은 구성요소의 직경을 갖는 광학계 구성이 가능하여 제조비용/무게/크기 등을 줄일 수 있다. 그리고 최대 개방 조리개 값이 큰 렌즈일수록 큰 구면의 외곽 부분을 모두 활용하여야 하는 최대개방에서 각종 수차 문제가 발생하므로 이를 보정하기 위한 특수한 설계와 추가 요소가 필요하게 되어 제조비용이 증대하며, 증가된 구성요소의 크기와 매수로 인해 크고 무겁다.


엄밀히 말하자면, 일반적으로 사용하는 '대구경'이란 용어에서 구경은 입사동(조리개의 유효 개구)을 의미하는 것으로, 대구경이라는 용어 자체는 정확한 광학 개념의 용어는 아니다. (그리고 렌즈의 초점 거리에 따라 최대 개방 조리개 f-stop 또한 대구경의 정의가 딱히 정해져 있지도 않다) 1930년 대에는 표준 렌즈의 최대개방 조리개 값이 f/2 정도에 해당하는 렌즈도 대구경 렌즈라 불렸다. 하지만 최근의 밝은 렌즈들의 홍수 속에서는 표준 렌즈의 f/2 렌즈를 대구경이라 부르기에는 썩 어울리지 않는다. 즉, 동일한 초점거리를 갖는 단렌즈를 예로 들면 최대개방 조리개 f/1.4의 렌즈는 f/2에 비해 더 대구경이지만, f/1.2에 비해서는 작은 구경의 렌즈가 되는 상대적이고 모호한 개념의 용어라 할 수 있다.



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