이 글은 제가 여러 자료를 보고 편집하여 적었고 완벽한 리뷰를 못 한 내용이므로 다소의 오류가 있음을 유의하셔서 참고하시기 바라겠습니다.
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아마추어들은 렌즈의 해상도(解像度)가 좋은가 나쁜가에 대해서 흔히 이야기합니다. 렌즈의 해상도란 무엇을 말하는것일까요. 렌즈의 해상도에 대해서 알아봅니다. 렌즈의 해상도를 알려면 용어에 대한 명확한 정의를 살펴볼 필요가 있습니다. JIS(일본공업규격)을 참고하면 아래와 같은 정의가 나와 있습니다. 우리나라 공업규격은 KS규격이라하는데 일본 것과 거의 유사합니다만 KS규격은 검색할 수 없었습니다.
(1)분해능(分解能, resolving power): 피사체의 두 점을 나누는 능력........JIS Z8120H22
(2)해상력(解像力): 나누어지는 흑백선 한쌍의 최소폭의 역수(本/mm).......JIS Z8120K19
(3)해상도(解像度 resolution): 텔레비전 수상기의 화면의 높이에 포함되는 흑백의 총 본수........JIS Z8120L32
위의 정의는 일반인들이 선뜻 이해하기 어렵습니다만 해상도는 텔레비전 수상기에서 사용되는 말임을 알 수 있고 카메라 렌즈에 대해서 사용하는 용어는 아님을 알 수 있습니다.
텔리비변 수상기의 해상도란 것은 흑백선 기준으로 화면의 높이에 포함되는 흑백선의 총본수를 말합니다. 예를들면 화면에 흑선이 300본 가로선, 백선이 300본 가로선으로 물체를 구별할 경우 해상도 600TV본이라고 합니다. HDTV인 경우 주사선수가 해상도 1000TV본 정도 되는 걸로 알고 있습니다. 해상도란 것은 텔레비전에서 화면을 이루는 흑백 각각의 주사선 총본수를 말하는 것이고 테리비젼의 크기에 따라서 변하지 않습니다. 즉 텔레비전 수신 방식이 600TV본 방식이라면 화면의 크기에 관계없이 600TV본 화면으로 보여줄 뿐이고 고화질을 원하려면 고화질텔리비젼(HDTV)을 설치해야합니다.
따라서 엄밀히 말하면 카메라 렌즈에 해서 해상도 대신에 해상력을 이란 용어가 정확합니다. 해상도는 텔레비전 크기에 따라 변하지 않지만 해상력은 렌즈의 구경에 따라 변하는 변수이기 때문입니다. 그러나 일반인들은 통칭 해상력을 해상도라고 부르고 있습니다. 그러므로 이 글에서는 렌즈의 해상력에 대해서 알아보아야하고 해상력을 이해하기 위해서는 렌즈의 분해능을 알아야합니다.
1. 분해능
렌즈의 해상력에대해 이해하려면 렌즈의 분해능을 이해해야합니다. 또 렌즈의 분해능에 대해 공부하려면 고등학교 물리책의 빛의 회절현상을 공부해야합니다. 고등학교 수준으로는 완전한 이해는 어렵지만 원리는 이해할 수 있습니다. 아랫 그림은 대학교재인 ‘파인만의 물리학’ 2권 ‘빛 열 파동’편에 나오는 내용입니다(우리나라에도 원서 또는 번역판이 있다고 생각합니다. 파인만은 캘리포니아 공과대학 교수를 지낸 사람으로 1965년 노벨물리학상을 수상하였습니다).
따라서 엄밀히 말하면 카메라 렌즈에 해서 해상도 대신에 해상력을 사용하여야합니다만 일반인들은 통칭 해상력을 해상도라고 부르고 있습니다. 개념이 좀 어렵고 불필요하다고 생각되지만 혹시 렌즈의 해상력에 대해 논리적으로 알고 싶은 분이 계실 것이라 생각하여 설명드립니다.
요 위의 그림을 봅시다. 점 P 광원이 렌즈를 지나서 T점에 상을 맺습니다. 이 상을 맺었다라는 의미는 렌즈의 각 부위에 걸쳐(S~R) 들어오는 빛은 경로는 다르지만 T점에 도달하는 시간이 같기 때문에 맺힙니다(이것을 ‘페르마원리’라고 합니다). 물론 렌즈의 테두리부로 입사 출사되는 빛은 렌즈 중심부보다 이동거리가 길어지지만 테두리 렌즈의 두께가 얇아서 빠른 속도로 이동하고, 렌즈 중심부를 통과하는 빛은 이동거리는 짧으나 중심부의 렌즈 두께가 두꺼우므로 정체시간이 길어집니다. 이렇게 하여 T점에 도달시간은 같게 되어 상이 맺히게 됩니다.
그런데 P와 미소각도 떨어진 P' 점광원을 생각합니다. 만약 이게 P와 정말정말 가깝다면 역시 T점에 상을 맺히고 분해가 안될 것입니다. 물론 이 때 빛의 이동 시간과 경로도 P와 같습니다. 만약 P'가 약간 거리를 띠워져 있다면 T 점에 상이 맺히지 않겠지요. 왜냐하면 T에 맺는다면 각 광로의 도달 시간이 같을 수가 없기 때문입니다. 각광로의 도달시간이 같아야 상이 맺히니까요. 이럼에도 불구하고 P' 광원이 T에 상을 맺는다고 가정을 합시다. 이렇게 될 경우 각 광로는 시간차가 발생해야합니다.
이 시간차를 가지고 분해되는 각도를 추정할 수 있습니다. P'광원이 렌즈 윗단 부분인 P'ST 최단거리 경로로 이동하는 시간을 t1이라고하고, P'RT 최장거리로 이동하는 경로의 시간을 t2라고 합니다. 이 시간차 t2-t1이 빛의 한 주기보다 클 경우에 분리가 된다고합니다.
즉 두 점광원이 윗 식을 만족하는 위치에 떨어져 있어야 분리가 되는 최소각도입니다. 피사체가 분해되어 상이 맺혔다는 뜻은 두 점광원이 렌즈를 통하여 상을 맺을 때, 렌즈의 제일 상단과 하단을 통과하는 빛의 시간차가 한 주기 이상일 때를 말한다.
위 말은 분해능이란 빛의 경로차에 의해 발생하는 것을 말하는 것이고 이것은 ‘렌즈의 구경과 빛의 파장’에만 관계는 것으로 유도됩니다. 중간 유도 과정은 생략하고...
분해능 = 빛의 파장(람다)/렌즈의 구경
으로 됩니다. 즉 피사체의 두 점을 분리하는 능력은 렌즈의 구경과 빛의 파장만의 함수이며 구경이 크면 클수록 분해능은 좋아집니다(빛의 파장은 고정값이므로).
위의 값은 렌즈의 구경에 대한 분해능 값입니다. 구경 150mm의 경우 빛의 파장 507nm(나노메타)에서 분해능 값은 0초.9임을 알 수 있습니다.
(소결론)
(1)렌즈의 분해능은 빛의 파장과 구경에 관계되며 구경이 커지면 커질수록 분해능은 좋아진다(두 피사체를 분리해주는 각도가 적어진다).
예)초점거리 400mm F2.8과 초점거리 800mm F5.6 두 렌즈의 구경은 똑같은 142mm이다. 이 경우 400mm에다 2배 텔레컨버트를 끼웠을 경우 초점거리 800mm가 되는데 같은 구경이므로 이론적 두 렌즈의 분해능은 같다. 단 텔레컨버트의 수차는 무시한다.
(2)같은 초점거리이더라도 F수가 적은 렌즈는 구경이 클 것이다. 이 렌즈는 필름면에 맺히는 상의 밝기도 밝지만 분해능도 좋아진다.