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, 비점 수차, 상면 만곡이 개선되고 색수차 일부도 개선되어 화질이 개선된다. (왜곡 수차의 경우 그 효과는 크지 않다) 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 감쇄로 인한 화질 개선 효과가 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.
풀어서 설명하면, 결상면의 중심은 구면의 중앙 통과한 빛이 주로 결상하게 되지만, 주변부는 구면의 중앙뿐만 아니라 외곽 부분을 통과한 빛까지 상을 맺게 된다. 단색광 수차인 자이델의 5 수차(광의의 구면수차)와 색 수차는 구면의 중심부보다 외곽(주변) 부분을 통과한 빛에서 더 뚜렷하게 나타난다. (주변부로 갈수록 구면의 굴곡이 심해서 중앙에 비해 주변부의 구면수차가 더 증가한다) 따라서 상이 맺히는 결상면의 중앙부보다 주변부에서 구면수차가 증가하고 그 결과 촬영된 이미지의 분해능/해상력이 떨어지고 대비가 감소하여 화질 저하가 발생한다.
조리개를 조이면, 렌즈로 입사하여 통과하는 빛의 일부를 차단하게 되는 데, 렌즈 중심을 통과하는 일부의 빛(파란색으로 표시된 추적 광선)을 차단하기도 하지만, 구면의 광축 중심에서 먼 외곽을 통해서 들어온 광선(붉은 색과 초록색 추적 광선) 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.
참고로 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 크기가 된다. (일반적인 경우, 렌즈가 만드는 이미지 서클의 크기는 촬상면 보다 크기 때문이다) 이는 흔히 판형에 따른 초점거리와 시야범위/화각의 문제 즉, 동일한 초점거리의 렌즈라 하여도 촬상면의 크기에 따라 시야 범위/화각(FOV/AoV)이 다르다. 일반적인 카메라에서는 잘 사용되지 않지만, 렌즈의 앞면에 시야의 크기를 조정하는 틀이 있는 경우에는 틀이 시야 조리개가 된다. 때에 따라서는 후드 등으로 비네팅이 생긴다면 후드가 시야 조리개 역할을 하는 것이 할 수 있겠다.
그렇다면 조리개를 무한정 조이면 화질은 계속 좋아지는 것일까? 빛의 간섭과 회절, 그리고 광학계의 화질 저하의 관계에 대해서는 이미 여러 차례 다루었으므로 확인해 보자.
<카메라와 렌즈의 구조 III>회절현상과 조리개(F값), 그리고 최신 디지털 카메라의 기술적 대응 / Construction of camera - Diffraction of light
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..
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▶ 구경의 크기와 광학적 성능의 관련성
일반적으로 구경이 크다는 것은 조리개 최대 개방에서 입사동의 크기가 크고, 따라서 렌즈로 입사해서 통과하는 빛의 양이 많아서 촬상면에 충분한 조광이 가능하다. 이를 '밝은' 또는 '빠른' 렌즈라고 칭해지며, 큰 직경의 조리개 개구를 가지는 낮은 조리개 값의 렌즈를 의미한다. (렌즈에서 말하는 구경은 렌즈 전면의 유리의 크기가 아니라 빛이 통과하는 광학계 내부 구멍의 지름 즉, 광학상의 직경, '입사동의 유효 구경'을 의미한다)
위에서 살펴본 바와 같이, 조리개를 조이면 광학계를 구성하는 요소의 전체 부분 중 중앙에 있는 일부(근축) 부분만을 통과한 빛만이 촬상면에 도달하는 것을 알 수 있다. 따라서 조리개를 조이면 렌즈의 근축(광축을 중심으로 가까운) 부분만을 사용해서 화질이 개선된다고 표현하기도 한다.
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 최대 개방 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 것은 아니다. 그 외에도 각 렌즈에 따라 구경의 크기와는 상관없는 요소들 - 수차 보정을 위한 특수 요소(고굴절 유리를 사용하여 구면의 곡률을 완화를 통한 구면 수차를 억제하거나 저분산 유리를 사용하여 색수차를 줄이거나 구성 요소의 그룹화를 통한 APO/색지움 렌즈도 구면수차와 색수차를 줄일 수 있다)나 소재의 사용 여부, 빛의 회절과 관련한 조리개의 개구 모양 등등에서 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 일정 이상 개방된 조리개 조건에서는 보다 나은 광학적 성능을 보일 여지도 있고 결과물의 주변부까지 고른 광량 확보에서 더 나은 성능을 보여줄 것이다.
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 구면과 구면 곡률이 큰 외곽 부분을 모두 활용하여야 하는 최대 개방에서 각종 수차 문제가 더 심해지고 이를 보정하기 위한 특수한 설계(비구면 요소 등)와 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 용어라 생각하지 않는다. (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 불렸지만 최근의 밝은 렌즈들의 홍수 속에서는 표준 렌즈의 f/2 렌즈를 대구경이라 부르기에는 썩 어울리지 않는다. 즉, 동일한 초점거리를 갖는 단렌즈를 예로 들면 최대 개방 조리개 f/1.4의 렌즈는 f/2에 비해 더 대구경이지만, f/1.2에 비해서는 작은 구경의 렌즈가 되는 상대적이고 모호한 개념의 용어다.
