Stories about photography and cameras/Camera structure and how it works
<카메라와 렌즈의 구조 X IX> 필름 카메라의 측광 방식과 노출계의 구조 / Structure of exposure meter & Camera's metering method
산들산들.2017. 3. 26. 07:00
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
사진에서 정확한 노출의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 따라서 카메라의 성능에서 정확하고 편리한 노출계(광도계) 기능 그리고 이를 잘 활용하는 것이 중요하다. 카메라의 노출계 구조에 대한 잡담을 통해 카메라를 더 잘 이해할 수 있는 기회가 되지 않을까 생각한다.
먼저 측광/노출의 내용에 앞서 전제가 되는 카메라의 노출 방식에 대해 미리 이해해야 할 부분이 있는데, 카메라의 셔터 스피드와 렌즈의 조리개 f값, 그리고 필름이나 이미지 센서의 감도와 관련한 사항 (ISO, ASA, DIN) 그리고 전체 광량(EA)에서 이 요소들의 조합으로 노출 기준이 결정되는 방식에 대해 공부할 필요가 있다. 또한 촬영과 현상에 일관되게 적용되는 밝기의 기준/분류가 될 'Zone system'과 Zone Scale에 대해서도 사진의 노출 시스템을 이해하는데 도움이 된다고 생각한다. 존 시스템은 적절한 노출이라고 할 수 있는 기준에 대한 기술적, 통계적 접근이며, 동시에 이를 고려하여 사진가가 톤과 계조를 조정할 수 있다. 즉, 촬영 당시의 조건(빛의 방향, 양, 질 등)을 고려하여 최종 이미지(프린트 또는 디지털 파일)의 톤을 예측하는 것인데, 이는 인화와 현상을 거쳐야 비로소 촬영된 이미지를 확인할 수 있었던 필름에서는 꽤 중요한 요소였지만, 라이브 뷰를 통해 실시간으로 피드백이 가능한 디지털 이미징에서는 반드시 필수라고 생각하지는 않는다. 하지만, 단순히 기계적 정 노출에서 벗어나 다양한 노출 단계의 확장된 표현 또는 감각적인 활용, 예술적 표현 등에서, 존 스케일 시스템은 디지털 이미지에서도 여전히 꽤 유용한 기준점이 된다.
앞에서 기술한 것에 대한 기본적인 이해가 전제되어 있다면 카메라 노출 측정과 이를 시각화하는 일련의 단계(필름 현상, 인쇄 또는 디지털 이미지 출력을 위한 방법 및 표준)를 이해하는 별다른 문제는 없겠다. 이번 잡담에서는 카메라 측광의 기계적 원리와 방식에 대해 개괄적인 수준에서 다루어 보자.
▶ 측광 원리
- 입사식과 반사식 노출 측정 / Incident light meter & Reflected light meter
입사식 노출계 (incident light meter)는 피사체의 표면에 투사되는 빛의 양을 측정하는 것으로 '조도'를 측정한다. 반사식 노출계 (Reflected light meter)는 피사체의 표면에 반사된 빛의 양, 즉, 휘도를 측정하는 방식이다. 입사식 노출 측정 방식은 노출계의 센서를 피사체의 표면에 근접해서 직접 투사되는 빛의 양을 측정해야 해서 피사체의 표면에서 직접 측정하므로 원거리 측정이 불가능하며, 반사식은 반사되는 빛의 양을 측정하므로 원거리에서도 측정 가능하다. 따라서 카메라의 내장 노출계나 외장 노출계 등 대부분이 반사식 노출 측정 방식을 사용한다. 카메라의 측광과 노출계 구조를 설명할 때 별다른 언급이 없다면 반사식 노출 측정 방식을 의미한다.
두 노출 측정은 방식만큼이나 구조와 외형이 다르므로 혼동할 염려는 적다. 입사식은 측정면에 투사하는 빛을 180˚의 반경에서 모두 측정하기 위하여 반구형의 돔 모양 수광부를 가진다. 입사식 측광은 피사체에 투과하는 빛을 직접 측정하기 위해서는 피사체에 근접하여야 한다. 반면 반사식 노출 측광은 피사체와 거리가 멀리 떨어져 있어도 가능하다.
휴대용 노출계에는 기능이나 측광 방식에 따라 여러 측광 모드가 가능하다. 지속광에 대한 입사식, 반사식 모드와 순간광에 대한 플래시 모드 등이 가능하며, 스폿 측광을 위한 스폿 측광기도 있다.
입사식 노출 측정은 피사체 면에 직접 조도를 측정하는 방식으로 피사체의 반사율과 상관없이 광량을 측정하는데 유리하지만, 실제 카메라에 노광 되는 밝기, 노출은 피사체의 반사율을 고려하지 않고는 의미가 없으므로 일반적인 상황에서 촬영은 반사식이 대부분을 차지한다.(입사식 노출계를 피사체에 위치하고 카메라 방향으로 측광을 하면 반사식과 유사한 측광이 가능하지만 측광 값의 정확도는 그리 신뢰가 가지 않는다) 피사체에 입사하는 정확한 광량 측정에 유리함에도 불구하고 입사식은 제한적인 조건 즉, 인위적으로 밝기 조절이 가능한 조명 또는 플래시를 사용하는 스튜디오 촬영이나 자연광을 주광으로 하고 인공조명으로 보조광을 사용할 때 주로 활용된다. 조도를 직접 확인할 수 있으므로 피사체를 비추는 주광과 보조광의 조명비(1:2, 1:3, 1:5, 1:9 등등) 계산/조정에 유용하다. 개인적으로 입사식 노출계는 조명 장비의 일종이라 생각할 정도다. 자연광의 풍경이나 일상의 스냅 촬영에서 입사식 노출계의 효용은 그리 높지 않아 보인다. (개인의 활용법에 따라 차이가 있으므로 단정 지어 말할 수는 없다)
정해진 조명비와 조명의 종류, 위치 등의 세팅과 활용은 상업적 사진 촬영에서 시행착오를 줄여주고 일정 수준의 검증된 품질의 이미지를 만드는데 효율적인 방법이라 생각한다. 흔히 웨딩 사진이나 증명사진, 가족사진 촬영 등에 자주 활용되지만 정형화된 분위기를 탈피하여 창의적인 방식으로 촬영하고 싶다면 조명비나 조명의 구성, 세팅 값을 창의적으로 재구성할 필요도 있다. 즉, 틀에 박힌 방법에서 벗어나기 위해서는 기존의 틀을 부수어야 하는 그리고 이는 기본적인 조명에 대한 이해와 많은 시행착오를 통한 경험과 체득이 필요한 부분일 테고 알의 껍질을 깨는 노력이 전제되어야 하지 않을까 싶다. 그런 의미에서 공짜 점심은 없다.
- 반사식 노출 측정
반사식 노출계는 18%의 반사율을 가진 40% 회색을 기준(중간 값)으로 하는데 이는 존 시스템(Zone system)에서 0~10까지 11단계 밝기 분류에서 가운데 V 단계(Midle gray)에 의해 도출된 값을 의미한다. 촬영 구도내의 노출을 18% 반사율을 기준으로 한 기계적이고 획일적인 측광은 실제 피사체의 밝기 상태나 분포/비율에 따른 변수와 아주 밝거나 어두운 영역이 존재하는 등의 문제를 반영하지 못하므로 실제 노출과 차이가 발생할 수 있다. 검은 고양이와 흰 고양이가 무질서하게 섞여있을 때의 반사식 측광의 결과를 생각해 보자. 반사식 노출 측광의 결과물은 찍고자 하는 프레임 속에 검은 고양이와 흰고양이의 분포나 프레임 내 차지하는 비율에 따라 수시로 노출값은 변화할 것이다. 가장 확률이 높은 기계적 노출 측광 방식은 대부분의 상황에서 대체로 실제와 일치하는 측광 결과를 보여줄 수 있지만, 모든 상황에서 적절한 노출 결과를 보장할 수 없다. 이런 기계적 노출과 실제의 노출 간의 차이를 촬영자의 판단에 따라 보정과 조정 단계가 필요함을 의미한다.
반사식 측광의 영역(각도)에 따라 30˚~50˚의 피사체 시야각에 대해 측광 하는 와이드(Wide) 타입과 4˚~10˚의 표준타입, 0.5˚~1˚의 스폿(SPOT) 타입의 반사식 측광이 있다. 그 외 촬영 프레임의 측광 범위 구분하는 방식으로 평균 측광, 중앙 중점 측광, 분할 측광, 멀티 측광, 스폿 측광 등 다양한 모드의 측광 기능으로 발전하였다. 이런 다양한 모드는 앞에서 설명한 기계적 노출 측광에서의 불충분한 성능을 보완하기 위한 기능이라 하겠다.
▶ 노출계(Light meter) 종류
- 셀레늄(셀렌) 광전지 / Selenium photocell 활용한 노출계
셀렌의 광전효과를 활용한 광전지. 철 또는 알루미늄으로 된 기관 표면에 셀렌을 증착하고 열가공하여 결정화한 다음 그 위에 금속 또는 산화카드뮴으로 된 반투명 박막을 접착시킨다. 그리고 이 박막에 빛을 쬐면 셀렌 결정층과 박막 사이의 경계에 광기전력 효과가 생겨 전하를 만든다. 기판과 박막을 외부회로로 연결하면 전류를 검출할 수 있다. 이 전지는 기판쪽이 양극, 박막쪽이 음극이다. 셀렌 광전지는 약 3,000~8,000A의 빛에 감응하고 5,800A 부근에서 최대 분광감도를 보인다. 이것은 사람 눈의 분광감도에 가깝다. 광도계 · 노출계로 실용화되어 있다.
<출처> "과학백과사전"
초기의 카메라용 단독 노출계와 클립 온 타입의 외장 노출계, 그리고 카메라 본체의 내장 노출계는 셀렌 광전지를 활용한 방식이었다. 셀렌은 일종의 태양 전지와 같아서 별도의 전지가 필요 없었고, 노광 되는 빛의 세기에 따라 셀렌 광전지에서 만들어지는 전류가 증감하고 이를 전류계가 검출하여 그 양을 표시하는 간단한 구조로 실용적이었다. 하지만, 측광 할 수 있는 범위가 좁아서 특히 미약한 빛을 측광 하는 것이 어렵고 반응 속도가 느려 측광 속도가 느리며, 셀렌 광전지가 빛을 받아들이는 수광부가 일정 면적 확보가 필요하였으므로 카메라에 내장하여도 수광부가 카메라 전면에 일정 공간을 차지하는 형태여야 하고 따라서 소형화하는데 어려움이 있었다.
셀레늄 광전지를 활용한 노출계는 1932년에 처음 등장하였고, 이후 단독의 노출계와 클립 온 타입의 외장형 노출계가 주로 만들어졌다. 수광부는 효율을 위해 볼록 렌즈들이 모여 벌집 형태로 조밀하게 모인 형태로 만들어졌으며. 1960년 무렵부터 자동 측광을 위한 노출계와 카메라의 결합이 시도되었는데, 물리적 기계 장치로 이를 구현하기에는 너무 복잡하였다고 한다. 고급형의 RF 카메라와 SLR 카메라에서는 셔터 스피드와 노출계를 연동시키고 조리개 수치는 수동으로 조작하는 방식으로 실 제품을 많이 볼 수 있다.
- CDS 셀을 활용한 노출계
황화 카드뮴(CdS)의 광전도 효과를 이용한 광센서. CdS는 그 에너지갭이 약 2.4eV로서, 광감도가 인간의 시감도 곡선에 가까운 데다 높은 광감도를 가지고 있어서 종래부터 많은 곳에서 광센서로 사용되어 왔다. CdS 셀은 진공증착이나 소결 등 저렴한 수법으로 간단히 제작할 수 있는 것도 특징이다. 그러나 일반적으로 조도(照度)가 낮을수록 응답시간이 더디고, 다소 안정성이 부족한 등의 문제점도 있다. 그 때문에 카메라 등의 조도계의 분야에서는 종래 대부분 CdS셀이 사용되었음에도 불구하고 Si 포토셀 등의 광기전력형의 광센서로 대체되고 있다
CDS(황화 카드뮴) 셀을 빛의 강도에 따라 저항이 변하는 일종의 가변 저항으로 이를 활용한 노출계는 1960년대 중반부터 본격화되었는데, 기존의 셀렌 광전지 방식에 비해 수광부를 작게 설계할 수 있어 소형화가 가능하였고 측광 범위가 넓어서 보다 낮은 저조도의 빛을 측광 하는데도 유리하였다. 단점으로는 전원을 공급할 별도의 전지를 필요로 하였고, 이후 CDS를 대체한 실리콘 광소자에 비해 저조도에서 측광 속도가 느리고 부정확한 단점이 있다.
CDS 셀
- 실리콘 광소자 (SPD, GPS)
CDS 셀의 단점을 보완하여 최근에는 실리콘 포토 다이오드 (silicon photo diode)와 갈륨 포토 다이오드 (Gallium photo diode)등이 활용되고 있다. 아주 미미한 빛에도 반응하여 측광 범위가 넓고, 빛에 대한 응답속도가 매우 빨라서 고속 자동 노출과 TTL 플래시 측광에 적합하다.
Photo diode
▶ TTL 측광
CDS 셀을 활용한 노출계의 측광 방식이 변경되자 가장 눈에 띄는 변화는 TTL(Through the lens) 측광이 가능해진 점이다. TTL 측광은 여러 장점이 있으나 먼저 셀렌늄 광전지 방식에서는 과도한 기계장치의 복잡한 설계로 실현에 어려움이 많았던 자동(Auto) 측광이 수광부의 소형화로 카메라 내부에 설계 가능해졌고 렌즈의 광학부와 조리개를 통과한 빛을 측광 함으로써 자연스럽게 조리개 수치와 연동이 가능하였다. 따라서 셔터 스피드와 연동하는 노출계가 조리개 수치까지 연동되어 측광은 한결 간편해졌다.
TTL 측광의 장점은 정확한 실제 필름에 노광 되는 광선을 직접 측광 하므로 다른 측광 방식보다 정확하고, 각종 필터 등을 사용할 때 필터 계수에 의한 노출의 변동이 별도 조작 없이 바로 적용된다.
35mm 필름 규격 SLR 최초의 TTL 측광이 적용된 Pentax Spotmatic의 경우, 렌즈를 통과한 빛이 미러에 반사되고 펜타프리즘을 통과한 후 뷰파인더 접안부 양 옆에 CDS 셀을 장착하여 측광 하는 방식이었다. 이는 SLR 방식만의 장점이 크게 두드러졌다. 렌즈의 광학계와는 별도의 레인지파인더 방식을 취하는 RF 카메라에는 이와 같은 SLR의 TTL 측광 방식을 그대로 적용하기는 어려웠다. (렌즈 셔터 방식이 적용되는 중/대형 또는 렌즈 고정형의 콤팩트 카메라 또한 CDS 셀의 측광 속도만으로 TTL 측광 방식을 구현하기는 곤란했다. 즉, 렌즈 셔터는 촬영 셔터가 조리개의 위치에 있으므로 셔터가 열리는 짧은 순간에 측광 하여야 하는 문제가 있었다 ) TTL 측광으로 인해 일반 소비자와 전문가를 대상으로 하는 카메라 시장에서 SLR 방식이 또 하나의 비교 우위에 섰다고 하겠다.
SLR 카메라의 측광 방식 변화와 발전은 1959년 출시하여 1973년까지 생산되어 Nikon에게 큰 성공을 가져다준 니콘 최초의 SLR 카메라인 Nikon F를 살펴보며 이해하면 쉽고 흥미롭다. 니콘 F는 펜타 프리즘과 뷰파인더가 결합된 파인더를 교환 장착이 가능한 구조인데, 니콘 F의 오랜 생산 기간 동안 측광 방식의 변경이 교환 가능한 파인더 변화에 고스란히 시각적으로 잘 드러난다.
1959년 출시된 Nikon F에는 클립 온 방식의 외장 부착형 셀레늄 노출계를 장착 사용하는 방식이었다.
Nikon F
1962년 선보인 Nikon F Photomic의 뷰파인더에는 CDS 셀을 이용한 방식의 노출계가 파인더가 장착되었지만, 셀레늄 수광부를 단순히 CDS 셀이 대체한 것으로 TTL 측광 방식은 아니었다.
Nikon F Photomic
이후, 1965년이 되어서야 TTL 측광을 지원하는 Nikon F Photomic T(Tn) 파인더로 업그레이드되었다. CDS 셀 수광부를 이제 카메라 외부에서 찾을 수 없다.
Nikon F Photomic T
1968년에는 Nikon F Photomic Ftn 중앙부 중점/가중(60%) 측광 방식으로 업그레이드되었다. 이 방식은 니콘의 측광 표준으로 이후 다른 제품군에도 일관되게 적용되었다.
Nikon F Photomic Ftn
이후 SLR 카메라의 측광을 위한 실리콘 광소자는 미러 아래 공간이나 뒷공간에 설치되었고 평균 측광 방식에서 측거점을 다양화하면서 중앙 중점 측광, 분할 측광, 다중(멀티) 측광, 스폿 측광 방식으로 발전하였다.
SLR 카메라 別 TTL 측광을 위한 광소자 센서 위치
글이 자꾸 길어진다. 어딘가에서는 마무리를 지어야 하는데 꼬리에 꼬리를 물고 수다가 계속되니 난감하다.
개방 측광을 위한 구조
“초기 SLR TTL 측광 카메라의 경우, 측광을 위해 렌즈의 조리개를 조여야 했고 이때 뷰파인더 창이 조여진 조래개 값만큼 어두워지는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 뷰파인더를 통해 구도 및 초점 조절 시에는 최대 개방의 조리개 상태를 유지하고 측광 시에 레버 조작을 통해 조리개가 설정한 값으로 조여지는 Stop-Down metering (압축) 측광 방식을 채택하였다. 하지만 이 방식도 측광을 위해 레버 등을 작동하는 순간에 뷰파인더가 어두워지는 문제는 여전히 개선되지 못했다. 이런 문제를 해결하기 위한 ‘개방 측광’(측광 시에도 조리개가 최대 개방을 유지, Full-aperture metering) 방식을 채택한 카메라가 등장하였는데, 개방 측광 기능을 구현하기 위해서는 렌즈의 조리개 값 정보를 카메라의 노출계와 연동시키는 장치가 필요하였다.”
각 카메라의 제조사마다 마운트 방식이 달랐고 따라서 렌즈의 조리개 값과 카메라의 노출계를 연동시키는 구조가 각기 달랐다. 초기에는 물리적 레버 등을 통한 커플러 장치였으며 렌즈의 조리개 값을 카메라 노출계로 전달하는 일방적인 방식에 그쳤다. 그러나 자동 노출(AE-auto exposure) 기능이 개발되고 이를 구현하기 위해서는 렌즈 조리개에서 카메라 본체, 카메라 본체에서 렌즈 조리개로 상호 연동하는 방식이 요구되었고 마운트 방식의 구조가 점차 복잡해졌으며, 70년대 후반 AF(auto focuse) 기술과 함께 점차 마운트에 전기적 접점을 활용하고 전기 모터 등으로 구동/제어되는 방식으로 발전했다.
▶ RF 카메라와 렌즈 셔터 카메라의 측광 방식과 구조
RF 카메라의 또한 1950년대 말, SLR 카메라와 비슷한 방식의 셀레늄 광전지를 활용한 클립 온 타입의 외장 노출계를 장착하여 카메라의 셔터 스피드와 노출계의 셔터 스피드를 연동하고 렌즈의 조리개는 수동으로 조작하는 방식이 먼저 도입되었다. 이후, 셀레늄 방식의 내장 노출계 방식이 제품화되었고, 다시 CDS 셀 방식의 내장 노출계로 업그레이드되었다. 이후 SLR 카메라에 고급형 소형 카메라 시장의 주도권을 완전히 내어주고, 판매 경쟁에서 밀린 탓에 새로운 제품의 출시가 점차 미루어졌다. 그리고 편리한 오토 기능이 대폭 강화되고 가격마저 저렴했던 렌즈 고정형 RF 카메라의 약진과 저렴한 콤팩트 카메라의 인기도 RF 카메라의 퇴조에 많은 영향을 주었다고 생각한다.
CDS 셀 방식의 Canon 7S와 셀레늄 방식의 Canon 7
대부분의 렌즈 교환형 RF 카메라 제조사가 해당 사업에서 철수하거나 새로운 제품을 출시하지 않는 상황에서 라이카는 꾸준히 몇 종의 새로운 제품은 출시하였고, 1971년 CDS 셀 노출 방식으로 라이카 M5부터 TTL 측광을 도입하였지만, 라이카 M5는 몇 가지 요소(기존 M4 다른 외형의 변화 등등)가 시장에서 별 다른 호응을 얻지 못하여 큰 주목을 받지는 못했다. 카메라 구조상 렌즈 교환형의 RF 카메라는 포컬 플레인 셔터 방식이었으므로 TTL 측광을 도입하는데 구조적인 어려움은 없었다.
Leica M5
하지만 렌즈 셔터 방식을 취하는 고정형 렌즈의 RF 카메라나 콤팩트 카메라, 하프 프레임 카메라 등은 렌즈 조리개에 셔터가 위치하는 방식으로 셔터가 작동하기 전까지 세터는 닫혀있어야 하고 따라서 렌즈를 통과한 빛을 측광 하는 TTL 방식을 취할 수 없었다.(렌즈 셔터에서 TTL 측광이 가능하기 위해서는 셔터가 열렸다 닫히는 짧은 순간에 측광, 즉, 측광 속도가 문제 되었다. CDS 셀 방식은 측광 속도가 이에 미치지 못했다. 이후 실리콘 광소자 등의 소재가 사용된 이후 렌즈 셔터 카메라에서도 TTL 측광이 일반화되었다) 따라서 카메라 전면에 별도의 CDS 셀 수광부가 위치하고 이 전면에 렌즈의 조리개 값과 연동하는 장치(커플러)를 통해 별도의 노출계 조리개 구조로 CDS 셀에 유입되는 광량을 조절하여 실제 렌즈를 통과하는 빛의 양과 CDS 셀에 노광 되는 빛의 양을 연동하는 방식으로 제작되었다. 하지만 외부에 측광 셀을 배치하고 조리개 값을 연동 방식은 필터 장착했을 때 필터 계수 등으로 변화하는 노출 변화 값이 적용되지 않았고 이를 별도의 방법으로 반영하여야 하는 등의 번거로움이 있었다. (일부 카메라에는 노출 계수 조절 레버 등이 있다)
CDS 셀 전면의 조리개 장치와 연동 커플러
이후 각 조리개 값에 따라 변화하는 저항값을 연동시키는 방식을 취하는데, 이 방식은 SLR 카메라에도 적용되어 '개방 측광'을 위한 방식 중의 하나로 사용되기도 하였다. 최근의 렌즈 셔터 장착한 카메라의 TTL 측광은 실리콘 광소자 센서를 이용하여 셔터가 작동하는 짧은 시간 내에 측광이 모두 이루어지는 구조로 렌즈 셔터 카메라에서도 TTL 측광과 TTL 플래시 기능까지 모두 구현된다.
카메라의 노출 시스템은 전자적인 제어 기술과 결합하면서 조리개 우선 자동 노출에서 셔터 스피드 자동 노출 기능을 확대되며 자동 노출 시스템이 완성되었다. 이에 대해서는 언제가 될지 장담할 수는 없지만 다른 포스팅에서 다루어 보자.
