Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
주제넘게 카메라와 렌즈의 구조라는 분류로 수박 겉핥기 식으로 포스팅을 다루다 보니 체득하고 있던 쥐꼬리만 한 잡학도 밑천이 거들나 수다거리가 마땅찮아 되새김질?이라도 해야 할 듯하다. 회절 현상은 지난 포스팅에서 간간이 해당 내용과 관련해서 언급되었던 바 있지만 좀 더 살을 붙여서 뜯고 맛보며 ‘한 걸음 더’ 들어가 보자.
학창 시절 물리 시간에 한 번씩은 들어보았을 내용이지만 가볍게 되새김질을 해보면, 빛의 회절 현상은 빛의 물리적 성질(입자와 파동의 이중적 성질)에서 파동적 성질(간섭과 회절)에 의해 나타난다.
★ 빛의 회절
빛이 슬릿이나 구멍을 통과할 때 직진하지 않고 동심원을 그리며 퍼져 나가는 현상. 파장이 길수록 슬릿의 틈이 좁을수록 잘 일어난다. 빛은 음파나 전파보다 파장이 짧아서 회절이 약하다. 빛의 회절로 스크린에 나타난 명암의 무늬는 빛의 경로 차로 발생한 위상 차로 인해 생긴 간섭 현상으로 인한 것인데 이를 빛의 회절상이라고 한다. 빛의 회절은 광학 기기를 통해 보는 상을 불분명하게 한다. 따라서 높은 분해능이 필요한 경우에는 가시광보다 파장이 짧은 자외선 현미경이나 전자 현미경 등을 사용한다.
출처> 과학용어사전
빛의 회절은 구멍이 작을수록 더 쉽게 발생(파장의 진폭보다 작은 슬롯에서 발생 따라서 가시광선에서 파장별로 회절의 정도 또한 차이가 있다)하며, 회절 현상에 의해 점광원은 아래 이미지와 같은 회절상으로 나타난다. 이는 분해능(해상력)이 저하된 상태에서 고해상도의 결과물을 구현하기 어렵다.
흔히 조리개 값이라고 칭하는 F number는 카메라 렌즈 밝기 즉, 빛을 통과시키는 개구(열린 구멍)의 크기를 나타내는 수치다. 이에 대한 자세한 설명은 별도의 포스팅과 인용으로 대체한다.
<카메라와 렌즈의 구조 X V> F 값(조리개 수치) / About f-number (f-stop,f-ratio)
Notice - 일반적인 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. F 값에 대해 정확한 개념과 적절한 표시 방법에 대해..
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★ 조리개 값 / F값(數)
렌즈의 초점거리 f와 조리개 직경 D의 비(比) f/D로 나타내며(D/f는 口徑比), 카메라의 렌즈에 조리개 눈금으로 F값이 표기되어 있다. 조리개 눈금에는 각각의 눈금(F수)의 제곱이 서로 1 대 2의 관계가 되는 다음과 같은 수열(數列)이 새겨져 있다. “1.4, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, …” 다음의 값을 조리개 값이라고 한다. 카메라의 초점면(필름면)이 받는 빛의 양은 F값의 제곱에 반비례하므로 조리개를 좁혀서 F값이 2.8에서 4로 √2배씩 커지면, 렌즈의 유효구경 지름이 √2씩 좁아진다. 면적은 지름의 변화의 제곱인 2배씩 작아지게 된다. 노출을 말할 때 1 스톱 또는 스탭이라고 하는 것은 이 눈금(조리개 값)의 1단계를 말한다. DSLR카메라의 경우, F값(조리개 값)을 카메라 파인더 화면에서도 확인 가능하다.
조리개 값이 작을수록 조리개가 열려 렌즈를 통해 더 많은 빛을 받아들이며, 조리개 값이 커질수록 조리개가 닫혀 더 적은 양의 빛을 받아들인다. 조리개를 한 눈금 좁히면(조리개 값이 커지면) 그 하나 앞의 눈금일 때의 1/2의 광량이 들어오도록 되어 있다. 조리개 값을 16이나 22로 좁히면 피사체의 심도는 커지지만, 경우에 따라서는 선예도(鮮銳度)가 저하되므로 확대사진을 만들 때는 조리개를 필요 이상으로 좁혀서는 안된다. 조리개를 렌즈의 최대치까지 완전 개방하는 경우, 화질저하가 있을 수 있으므로 2스톱 정도 조여 찍으면 선예도를 높일 수 있다.
[네이버 지식백과] F값 [F number, ─數] (두산백과)
출처> 두산백과
35mm 필름 포맷 렌즈의 회절 현상에 대한 화질(분해능) 저하는 일반적으로 F/16에서 약 10% F/22에서 약 30% 수준이라고 한다.
한 가지 덧붙이자면 회절 현상은 F/16에서 갑자기 발생하는 것은 아니다. 구멍을 통과한 모든 빛은 파동성으로 인하여 간섭이 발생하고 그 결과로 회절 현상이 나타난다. (회절이 발생하는 슬롯은 빛의 파장보다 좁은 틈/슬롯에서 발생한다. 하지만, 대부분 틈이 없는 직선이라고 보여지는 부분도 확대하면, 직선의 면에 아주 작은 굴곡이 있고, 따라서 이런 좁은 틈에서 회절이 발생한다) 하지만 개방된 조리개 수치에서는 잔여 수차로 인한 화질(분해능 또는 해상력) 저하가 조리개를 조이므로 인해 감소하는 것이 회절로 인한 화질 저하보다 더 크게 작용하여 이미지의 질적 수준(화질)은 상승할 것이다. 이후 점점 조리개를 조이게 되면 잔여 수차가 거의 사라지는 지점 이상의 값부터는 조리개를 조임으로써 얻는 (즉, 잔여 수차가 사라짐으로 인해 얻게 되는) 화질의 향상보다 빛의 회절로 인한 화질의 저하가 더 커지면서 전반적인 이미지 화질 저하가 유의미하게 체감된다. 현재의 일반적인 촬상소자의 분해능의 수준을 감안할 때, 화질 저하가 유의미하게 나타나는 것은 35mm 평판 기준으로 f/11이나 f/16 이상 조였을 때라고 표한 것이지 절대적인 값은 아니다.(렌즈의 초점거리나 조리개 개구의 모양 등, 조리개 날의 절삭 가공의 정밀도 등등 여러 제 조건의 영향을 받는다) 렌즈의 초점거리가 짧은 또는 광학 수차에 대한 보정이 완벽하게 이루어진 렌즈일수록 상대적으로 더 낮은 조리개 수치에서의 회절로 인한 화질 저하가 체감될 때도 있다.
35mm 필름 규격의 렌즈에서는 일반적으로 f/16 이상의 조인 조리개에서 회절 현상이 유의미하게 나타난다고 알려져 있다. 주의할 점은 조리개의 구경은 동일한 필름 판형의 렌즈에서도 모두 같지 않다는 점이다. 초점거리에 따라서 동일한 조리개 값에서도 조리개의 구경(직경)은 차이가 난다. 이를 간단히 공식으로 표하면,
조리개 값(F/값) =렌즈의 초점거리 / 입사동(조리개)의 직경
렌즈의 초점거리(화각)에 따라 조리개 값에 따른 조리개의 구경(직경)/입사동의 직경 또는 유효 구경은 다르고, 망원일수록 동일한 조리개 값에서 구경의 크기는 증대한다. 따라서 망원에서의 회절에 의한 화질 저하는 광각이나 표준 렌즈에 비해 크지 않으며, F/16의 조리개 값을 기준으로 한다면 망원보다는 광각일수록 회절에 의한 저하가 더 발생한다.
중/대형 판형의 초점거리에 따른 시야 범위(FOV) 또는 화각(AOV)이 35mm 필름 평판과 달리 넓으며 따라서 35mm 소형 평판에 비해 동일한 시야 범위나 화각을 표현할 때 중/대형 필름 판형의 장착하는 렌즈는 상대적으로 긴 초점거리 렌즈를 사용한다. 따라서 늘어난 초점거리만큼 조리개(입사동)의 지름/직경 또한 훨씬 커지고 빛의 회절에 의한 영항(화질 저하)도 적다. 즉, 필름 포맷(촬상면의 크기)에 따라 동일한 시야 범위의 촬영에 대한 초점거리가 증대하고, 조리개의 직경도 변화하므로, 동일한 F 값에서 촬상면의 크기가 증가할수록 조리개의 지름도 비례하여 증가한다. 따라서 중/대형 포맷(Large format) 렌즈는 회절 현상이 더 높은 조리개 값 F/22 또는 f/36 등(판형의 크기에 따라)에서 언급되어 차이를 보인다. (이와 동일한 이유로 작은 이미지 센서를 사용하는 카메라, 또는 똑딱이 등으로 불리는 콤팩트 카메라 등에서는 상대적으로 더 낮은 F/값에서 회절 현상으로 인한 화질 저하가 문제 될 수 있다)
▶ 빛의 회절 등으로 화질의 저하가 발생하는데도 왜 높은 조리개 수치가 필요한 걸까?
그 이유를 간략히 나열해 보면, 첫째, 깊은 심도 표현의 필요성이 있는 경우다. 깊은 심도 표현이 상대적으로 용이한 광각보다는 동일 조리개 수치에서 상대적으로 심도가 얕은 망원 화각에서는 깊은 심도 표현을 위해서는 높은 조리개 수치가 필요하다.
둘째, 노출 조정을 위해 필요 경우다. 광량이 풍부한 설원이나 정오의 태양광이 작렬하는 해변, 또는 일정 광량이 있는 상황에서 의도적으로 저속 셔터를 사용하기 위한 선택 등에 유용하다.(물론 렌즈에 입사하는 광량을 감소하기 위한 ND 필터 등을 활용하여 대체할 수 있다)
1960년 중반 이후의 35mm SLR 교환용 렌즈에서 최대 조리개 값이 F16에 그치는 렌즈, 특히 광각과 표준 렌즈 그리고 준망원 렌즈의 밝은 렌즈들에서 자주 눈에 띄는 특징이다. 원가 절감이라도 하기 위해서 f/22 스텝을 생략한 것일까?
1960년대 초, 이전에는 35mm 포맷 RF 카메라와 SLR 카메라 교환용 렌즈 대부분에서 F/22의 조리개가 있음을 어렵지 않게 확인할 수 있다. 기술적으로 f/16과 F/22의 조리개 단계는 별다른 장치를 추가로 필요로 하지 않으며 제조 비용도 증가할 여지도 별로 없다. 단순히 조리개 조절 장치에서 f/22 단계와 해당 조리개 값을 조리개 조절 부위에 각인하여 추가하는 것만으로도 충분하다. 이유에 대해 곰곰이 생각해보면 당시 카메라 본체의 최고 셔터 스피드 속도와 관련이 있는 듯하다. 1950년대의 대부분의 35mm 렌즈 교환용 카메라는 최고 셔터 속도가 1/500을 넘지 못하는 사양이었고 광량이 풍부한 촬영 상황에서의 노출 초과를 방지하기 위하여 셔터 속도를 더 이상 높일 수 없는 상태에서 대체적인 방법으로 렌즈의 높은 조리개 수치를 필요로 했다. 1960년대 이후, 카메라 본체 셔터 장치의 기계적 성능 향상으로 1/1000 이상의 셔터 스피드 실현이 가능했고, 이에 빛의 회절로 화질 저하되는 f/22 조리개 부분을 굳이 고집할 이유가 없어진 것이라 생각한다. 하지만, 일반적인 촬영 환경에서 효용은 그리 크지 않다고 하여도 f/22 조리개 수치의 선택지가 하나 사라지는 것은 조금 아쉽다.
▶ 회절에 의한 화질 저하의 대응
위에서 살펴본 바와 같이 회절 현상은 빛의 성질에 의해 발생하는 것으로 물리적 성질을 바꿀 수 없으므로 이에 대응하는 기술 구현은 쉽지 않다. 사실 회절은 광학에 있어 기술적 제한이자 벽이라고 할 수 있다. 작은 물체를 확대하기 위한 현미경 등에서는 회절에 대응하기 위해 파장이 아주 짧은 전파를 이용한 전자 현미경으로 광학 현미경의 회절에 의한 한계를 뛰어넘었다. (회절은 파장이 짧을수록 그 영향이 감소한다) 카메라 렌즈에서 회절 현상에 의한 화질 저하에 대응하는 가장 전통적이고 간단한 방법은 중형 또는 대형 필름 판형의 포맷을 사용하는 것이다. 중/대형 판형으로 촬상소자(필름 또는 이미지 센서)가 증대하면 이에 비례하여 동일한 조리개 값에서 조리개의 직경은 커진다. (동일한 화각 구현을 위해서는 렌즈의 초점거리도 멀어진다 ) 하지만 필름 판형의 증대는 휴대성/가성비 등등에서 많은 부분을 포기하여야 한다. 소형(35mm 필름 이하) 판형에서 해법은 없는 것일까?
<올드렌즈와 디지털카메라의 이종결합 X IV> 카메라 이미지 센서 규격 別 초점거리와 화각의 차이 - 환산 화각의 의미 / Difference between focal length and angle of view by camera
Notice - 일반적인 상식 수준에서 다루는 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. ▶ 필름 또는 이미지 센서 규격과 렌즈 초점거리(focal length)와 화..
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이런 회절로 인한 화질 저하의 해법으로 최근의 디지털 이미지 프로세싱 기술 발전의 힘을 빌어 이에 대응하는 기술이 눈길을 끈다. 이는 빛의 회절에 대한 근본적인 해결책은 아니다. 디지털 이미지 프로세싱의 주요 목적은 이미지 센서의 정보를 고속으로 처리하는 것이며, 이를 수행하는 과정에서 이미지의 일부 또는 전체의 화질 개선과 관련된 일련의 작업(디노이즈를 위한 필터링과 색 정보의 보간을 위한 디모자이싱 등)이 진행되며 노이즈 제거, 회절 또는 포커싱의 문제, 또는 잔존 광학 수차로 인해 발생하는 주변부의 화질 저하 등을 보완/개선하는 일련의 기능을 수행한다. 예를 들어 이해를 돕자면, 미드 CSI 등에서 흐릿한 디지털 이미지를 보정하여 알아볼 수 있는 해상도의 이미지로 만드는 기술 같은 것을 떠올려 볼 수 있겠다.
대표적인 빛의 회절로 인하 화질 저하를 보완하는 디지털 이미징 프로세싱은 Fujifilm의 ‘LMO’(lens modulation optimiser) 프로세싱, Sony의 ‘BIONZ X’ 프로세싱 등이 대표적이다.
디지털 이미지 프로세싱의 기술적인 부분에 대해서는 알지도 못하고 알 수도 없는 지적 수준인지라 언급하기 불가능하고 간단한 이미지로 개념을 소개하는 것으로 대신하고자 한다.
이런 최신의 기능은 적용상에 제한이 있는 경우가 많은데, 이런 고기능의 디지털 이미지 프로세싱 기술이 구현은 2012년을 전후로 상용화되어 적용된 제품은 최신의 카메라 기종과 일부 고급 기종에 한하고, 카메라 본체의 제조사와 동일한 렌즈와 센서가 조합되어야 하는 적절한 효과를 기대할 수 있다. 이는 렌즈와 센서, 그리고 프로세싱에 원활한 정보 전송과 이를 통한 제어 기능을 전제로 하고 있으므로 카메라 본체와 렌즈 간의 정보 전송 방식이 확보되지 않는 다른 장착 방식의 카메라와 렌즈 간의 ‘이종교배?’ 등에서는 이러한 기능이 활성화되지 않는 점은 아쉽다.
