사진은 어떻게 찍힐까
사진은 카메라를 통해서 3차원 임의의 공간의 한 순간을 2차원의 평면으로 사영된 결과이다. 카메라가 어떻게 3차원의 공간을 2차원으로 담아내게 되는지 그 과정을 간단하게 정리해보려고 한다.
핀홀(pinhole) 카메라 모델
가장 기본적인 핀홀 카메라 모델이다. 빛이 나무에서 난반사 되어 사방으로 퍼지게 되는데 그 중에 일부 빛(빨간색 라인)을 따라 핀홀을 통과하게 되고 상자 안 벽면에 이 작은 빛들이 모여 하나의 상을 이루게 된다. 일반적으로 핀홀과 상이 맺히는 감광면(이미지 센서) 사이의 거리가 멀어지면 상이 뚜렷해지지만 어두워지고, 반대로 핀홀-감광면 사이의 거리가 짧아지면 밝아지지만 선명도가 떨어지는 경향이 있다.
렌즈를 포함한 카메라
핀홀 카메라는 작은 구멍을 통해서 빛을 모으다 보니 상을 얻기 위해서 노출되는 시간이 길어져야 했다. 보다 편리하게 빛을 모으기 위해서 렌즈를 사용하게 된다. 원리에 대한 설명하기 전에 용어에 대해서 간단하게 짚고 넘어가려고 한다. <그림2>을 참조해서 보면, 렌즈의 가장 중심을 주점 이라고 한다. 주점을 통과하는 빛은 다른 굴절없이 진행하게 된다. 실제 내부적으로 굴절이 일어나지만 렌즈의 대칭성으로 다시 원래 빛의 경로로 되돌려주는 과정이 있다. 이 주점을 통과하며 이미지 센서의 가운데를 지나가는 선을 광축, 그리고 렌즈에 광축과 평행하게 들어오는 빛이 광축과 만나는 점을 렌즈의 초점이라고 한다. 때문에 광축과 평행한 빛은 무조건 초점을 통과하는 성질을 가진다. 여기서 주점과 초점사이의 거리를 초점거리(focal length)라고 하고, 이는 카메라 렌즈를 사면 쉽게 확인할 수 있다.
초점이 맞는다는 것의 의미
"초점이 맞는다" 라고 하면 어떤 의미인가? 사진을 찍었을때 피사체가 선명할 수도 흐릿할 수도 있다. 이는 어떻게 결정되는 걸까? 이를 비교하기 위해서 거리가 다른 두 물체에 대해서 어떻게 이미지 센서이 상이 맺히게 되는지 확인해보려고 한다. 빨간선에 대해서 집중해서 보면, 맨 위의 선은 광축과 평행하여 초점을 지나게 되고, 가운데 선은 주점을 통과하여 다른 굴절없이 진나가게 된다. 가장 아래의 선은 카메라 밖의 초점을 지나 렌즈를 통해 광축과 평행하게 이동하게 된다. 초점이 맞는 경우는 이 3가지 빛이 이미지 센서에서 만나게 됨을 의미하게된다. 가장 동일한 위치의 빛이 센서의 동일한 위치에 상을 만들주어 선명한 이미지를 얻게 된다. 반면에 멀리 떨어진 두번째 물체의 경우 파란색 선을 따라가면 모이는 지점이 이미지 센서보다 앞쪽에 위치하게 된다. 때문에 실제 이미지 센서에서는 빛이 모이지 않아 흐릿한 형상의 이미지를 얻게 되고, 초점을 맞추기 위해서는 렌즈를 이미지 센서 쪽으로 이동시키면 쉽게 해결 된다.
실제 카메라에선
실제 카메라에서는 여러개의 복합렌즈를 사용하다보니 훨씬 더 복잡한 방식으로 동작하게 된다. 여러개의 렌즈를 하나의 렌즈처럼 모델링할수 있다. 이 가상의 렌즈의 주점을 제2주점이라고 한다. 제2주점을 구하기 위해서는 위에서 보았던 단일 렌즈의 빛의 모양을 그대로 생각하면 되는데, 유효구경에 맞춰서 들어온 광선의 연장선과 마지막 렌즈를 통해 굴절되어 나간 광선의 연장선이 만나는 위치에 가상 렌즈가 존재한다고 생각할 수 있다. 그리고 이 가상 렌즈와 광축이 만나는 점을 제2주점이라고 한다.