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사진을 공부하다보니 내 전공이 물리라는 것에 감사하게 된다.

물리를 가르치면서 물리II에 왜 렌즈공식 따위가 나오나 생각했는데 너무너무 감사하다.


안타까운 것은 학부 때 왜 광학을 듣지 않았을까 하는 것(...)


카메라라는 말의 어원은 카메라 옵스큐라라고 한다. (흔히 바늘구멍 사진기라고 생각하는 그 것)

카메라가 되었든 카메라 옵스큐라가 되었든 기본은 광원에서 나온 빛이나 물체에서 반사된 빛이 렌즈 등을 거쳐 필름이나 종이, 센서 등에 모이는 것이다. 


빛이 이동하는 경로는 다음과 같고, 얇은 렌즈를 통과하는 경우 물체에서 나온 빛은 다음의 규칙을 따른다.




(1) 물체에서 광축과 평행하게 나온 빛은 렌즈를 지나면 상초점을 반드시 지난다.

(2) 렌즈의 중심을 지나는 빛은 굴절하지 않고 직진한다.

(3) 물체초점을 지나는 빛은 렌즈를 지나면 광축과 평행하게 진행한다.


사실 물체에서 나온 빛은 수 없이 많은 가닥이 있지만 그 중 대표적이고 깔끔한 성질을 가진 빛 3개를 추린 것이고 

이 빛은 한 점에 모이게 되는데 모인 점에 상이 맺혔다고 한다. 

필름이나 종이, 센서 등을 (b)와 같이 상에 맞추에 대면 물체의 모양이 뚜렷하게 보이지만

필름 등을 상보다 (a)나 (c)와 같이 앞이나 뒤로 배치하는 경우 빛이 한 점에 모이지 않아 뚜렷하게 보이지 않는다.


사진에서 가장 중요한 것 중 하나는 상이 제대로 맺히도록 하는 것이다. 

(또는 아웃포커싱(out-of-focus)처럼 의도적으로 상이 맺히지 않도록 하는 것이다.)


일반적으로 초점거리가 멀어지면 상이 맺히는 지점도 멀어지고, 상은 확대된다.


(a): 렌즈의 초점거리가 가까운 경우 상이 앞 쪽에 맺히고, 축소되었다.

(c): 렌즈의 초점거리가 먼 경우 상이 뒤 쪽에 맺히고 확대되었다.


일반적으로 렌즈의 초점거리가 멀면 배율이 커서 물체를 크게 볼 수 있는 것은 이런 성질과 관련이 있다.


그러나 실제 카메라의 경우 얇은 렌즈를 쓰지도 않을 뿐더러, 여러 개의 렌즈를 복합적으로 사용한다.


두꺼운 렌즈에 대한 이론은 "물리의 이해" 페이지에 자세하게 나와 있다.


http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/optics/geometric/thicklens/thicklens.html


이것이 물리의 신비라고나 할까! 신기하게도 두꺼운 렌즈에서 얇은 렌즈에서와 비슷한 이론이 적용된다.


단 몇 가지 개념이 더 추가가 된다.

(1) 제1주요면: 물체초점에서 나온 빛이 이 면을 지나면 평행하게 나온다고 볼 수 있는 가상의 면

(2) 제2주요면: 평행하게 입사한 빛이 이 면을 지나면 상초점에 모인다고 볼 수 있는 가상의 면

(3) 마디점(nodal points): 입사광선과 출사광선을 연장한 선이 광축과 만나는 점 H1, H2. 

     렌즈 앞 뒤의 매질이 동일한 경우 (일반적인 공기 중에서 사용이 해당) 마디점은 제1, 제2 주요면에 있다.


두꺼운 렌즈에서 제1주요면과 제2주요면을 정하면 

물체초점과 제1주요면 사이의 거리는 상초점과 제2 주요면 사이의 거리와 동일하다.


그리고 렌즈가 여러 개 복합된 경우(카메라 렌즈가 여기에 해당)도 

제1주요면과 제2주요면을 정할 수 있고, 이 때 가상의 두꺼운 렌즈가 1개 있는 것으로 가정할 수 있다.


제1, 제2주요면이 꼭 렌즈 안에 있을 필요는 없으며, 광각렌즈의 경우 초점거리가 짧아 

렌즈교환식 카메라나 SLR카메라의 경우 렌즈가 너무 튀어나오거나 미러에 부딪힐 수 있어

제2주요면이 렌즈 뒤쪽에 있을 필요가 있다. 이렇게 설계된 렌즈를 레트로포커스 렌즈라고 한다.

레트로포커스 렌즈: 앞 쪽에 대구경의 오목렌즈가 있다. 


반대로 망원렌즈의 경우 초점거리만큼의 길이를 유지하기 위해서는 렌즈가 너무 길어질 수 있다. 

제2주요면이 렌즈보다 앞에 있으면 렌즈의 길이보다 실제 초점거리가 길어져서 렌즈를 짧게할 수 있다. 

이렇게 설계된 렌즈를 텔레포커스렌즈라고 하며 통상적으로 망원렌즈가 이렇게 설계되기 때문에 

망원렌즈를 텔레포커스렌즈라고 부르기도 한다.

텔레포커스 렌즈: 앞 쪽에 대구경의 볼록렌즈가 있다.



레트로포커스 렌즈나 텔레포커스 렌즈는 일반적인 렌즈보다 제작이 어려워 훨씬 비싸다.

일반적으로 F1.8의 밝은 광각렌즈나 망원렌즈는 비싸거나 거의 볼 수 없는데, 50mm F1.8 렌즈가 싸게 나오는 

것도 이런 제작 난이도와 상관이 있을 것이다.


무한대의 위치에 있는 물체에서 나온 빛은 상초점에 상을 맺는다. 

즉 무한대에 초점을 맞춘 경우 디지털카메라의 센서는 상초점에 위치한다.



<slr클럽 thilbong님의 글에서 나온 그림이라는데 원본 글은 폭파된 듯>

이 그림에서 제2주점은 제2주요면과 광축이 만나는 점이다.


무한대의 위치에 있는 물체를 보는 경우 제1주요면과 제2주요면 사이의 거리는 무한대에 비하면 무시할 수 있을 정도로 작을 것이므로, 렌즈를 얇은 렌즈처럼 생각할 수 있고, 렌즈의 중심을 지나는 빛은 직진하기 때문에 수 없이 많은 무한대의 빛은 상초점 위치에 있는 센서에 상을 맞출 것이다.




위의 그림과 같은 크기의 센서를 사용하는 카메라의 경우 무한대 지점에서 수 없이 많은 빛을 보내지만 센서에 들어오는 빛만 저장할 수 있다. 즉 노랑, 초록, 빨강의 정보는 입력할 수 있으나 보라색의 정보를 기록할 수 없다.

센서의 크기가 더 커지면 보라색의 정보를 더 받아들일 수 있을 수도 있고, 

반대로 센서의 크기가 작아지면 초록색이나 노란색을 받아들일 수 있을 정도로 화각이 축소된다.


같은 렌즈 초점거리에서 센서크기가 클 때 렌즈의 화각이 더 넓다.


예를 들어 표준렌즈인 50mm렌즈에서 화각을 생각해보자.


일반 필름과 사이즈가 동일한 풀프레임 센서는 가로 36mm, 세로 24mm, 대각선 43.3mm이고, 

크롭바디 DSLR에 많이 쓰이는 APS-C (1.5배 크롭)센서는 가로 24mm, 세로 16mm, 대각선 28.8mm이다.


화각은 센서 길이와 관련이 있기 때문에 가로, 세로, 대각선에서 달라지게 된다. 

일반적인 DSLR은 3:2의 가로세로비를 가지지만 콤팩트 카메라 등은 4:3의 가로세로비를 가져서 카메라마다 

비교가 어려운 점이 있어 일반적으로 화각이 가장 큰 대각선을 기준으로 한다.



위 그림에서 보듯이 표준렌즈라 불리는 50mm렌즈의 화각은 풀프레임에서 47도이지만,

1.5x 크롭바디에서는 32도 줄어들게 된다. 

크롭바디에서 화각이 47도가 되려면 위 그림의 오렌지색 점선이 위치한 곳이 초점거리가 되어야 한다.

삼각형 닮음비에 의해서 1:1.5= x:50이 되고 x를 구하면 33.3mm가 된다. 

일반적으로 1.5x 크롭바디에서 표준렌즈로 35mm렌즈를 쓰는 것은 이러한 이유 때문이다. 


위 그림을 보면 렌즈의 화각은 아래의 공식으로 구할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이 공식에 따라 

렌즈의 초점거리(단위:mm)에 따른 풀프레임(FF)과 1.5x 크롭바디에서 화각을 나타내면 다음과 같다.

 



위의 표를 보면 광각 렌즈의 경우 14mm와 24mm는 초점거리가 10mm밖에 차이가 나지 않지만 

화각이 30도 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 반대로 200mm렌즈와 400mm렌즈는 초점거리가 200mm 

차이가 나지만 화각은 6도 정도밖에 차이가 나지 않는 것을 볼 수 있다.


광각에서는 1mm 변화가 크지만, 망원에서는 10mm 변화도 크지 않다.


아래 그림은 풀프레임 기준으로 렌즈 초점거리에 따른 화각을 나타낸 것이다. 

따로 그리기 귀찮아서 인터넷에 있는 것을 가져왔다. (가장 먼저 그린 분이 누구인지 모르겠다...)



이상의 내용은 사실 인터넷에도 돌고도는 내용이라 특별히 새로운 내용은 없지만,

화각에 대해 공부하다보니 렌즈별 원하는 상의 크기에 따른 표준촬영거리를 구할 수 있을 것 같았다.


보통 야외 인물 촬영에 많이 쓰는 85mm 준망원렌즈나 135mm 준망원렌즈는 5~6m 떨어져야 한다고 하는데,

실제로 그런지 확인해보자.




가로그립일 때 떨어져야 하는 거리(m)



세로그립일 때 떨어져야 하는 거리(m)


위의 표를 좀 더 자세히 분석해보자. 상반신만 찍는다는 것은 무슨 말인가? 

평균적으로 신체의 70~80cm 정도를 찍는다고 생각할 수 있다. 이 때 사진에 인물이 100% 가득차게 찍지는 않으므로

여백을 고려하면 사진에는 약 1m의 상이 잡히게 될 것이다.  


상반신을 찍기 위한 적정거리는 광각렌즈인 24mm에서는 1m, 준광각인 35mm렌즈에서는 1.5m, 

표준렌즈인 50mm에서는 2.1m가 필요하다. 그리고 85mm 렌즈에서는 3.5m, 135mm에서는 5.6m이다.

확실히 준망원인 85mm부터는 3.5m는 떨어져야 상반신을 찍을 수 있기 때문에 좁은 실내에서는 찍기 부담스러울 

수 있다.


전신의 경우도 여백 없이 사람만 나오게 찍지는 않을 것이기 때문에 원하는 상의 크기는 

모델의 키에 따라 차이는 있겠지만 대략 2m 정도일 것이다.


이 때의 렌즈별 적정거리는 24mm에서 2m, 35mm에서 3m, 50mm에서 4m, 

85mm에서 7m, 135mm에서 11m이다. (135mm로 전신을 찍기 위해서는 사진사의 목소리가 커야할 것 같다. 

그래서 망원렌즈로 전신 사진을 찍기 위해 무전기를 쓰거나 전화를 한다는 이야기도 들은 적이 있다.)


300mm 이상급의 망원렌즈는 스포츠 촬영 등에 쓰인다고 하는데, 400mm 망원렌즈를 보면 30m 떨어진 거리에서도 한 사람의 전신을 잡아낼 수 있는 배율을 가지고 있는 것을 볼 수 있다.


카페에서 사람과 사람 사이 거리는 보통 1m 내외일 것이다. 이 때 24mm 렌즈에는 상반신이 다 잡히고(1m), 

35mm 렌즈에는 바스트샷에서 웨이스트샷(0.7m) 정도 찍힐 것이고, 

50mm 렌즈에는 클로즈업샷 또는 바스트샷(0.5m)이 찍힐 것이다.


개인적으로 카페에 가서도 2명 이상을 찍어줘야 하는(넓게 잡아야 하는) 경우가 많다 보니 

50mm 렌즈보다는 35mm 렌즈를 선호했는데 위의 표를 보니 내가 왜 35mm를 더 선호했는지 알 것 같다.


나는 화각을 계산할 때 각도로 계산하면 감이 없었는데, 

보통 찍고 싶은 물체의 크기와 촬영할 수 있는 물체와의 거리가 정해져 있기 때문에 

이 둘을 생각하고 위의 표를 대입해보니 미리 어떤 렌즈를 끼면 될 지에 대해 더 감이 오는 것 같았다.




Posted by 잉여공책


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