원리사전 - 카메라의 원리 기억을 남기고 싶을 때, 찰칵
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hanjy9713
2023.09.29. 01:35조회 0
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원리사전
카메라의 원리
기억을 남기고 싶을 때, 찰칵
카메라는 주변의 풍경이나 사람의 모습을 그대로 재현해내는 기계이다. 우리나라에 카메라가 처음 들어왔을 때 무척 신기해 하기도 했지만 자신의 영혼을 가져가는 못된 기계라 하여 두려워했다고도 한다. 카메라의 어원은 라틴어 ‘카메라 옵스큐라’인데 카메라는 ‘방’, 옵스큐라는 ‘어둠’을 뜻한다. 어둠상자 한 면에 빛이 들어오는 바늘구멍을 뚫고 반대쪽 면을 적당히 거리 조절하여 보면 거꾸로 선 바깥 풍경이 비춰 보인다. 이 풍경이 비치는 면에 빛을 반응하는 물질을 둔다면 풍경의 상이 찍힐 것이다. 하지만 바늘구멍을 통해 들어오는 빛의 양은 너무 적고 선명한 상을 얻기 위해 상자를 움직여 초점을 맞추어야 한다. 만약, 바늘구멍을 크게 만든다면 들어오는 빛의 양은 많아지겠지만 물체로부터 오는 빛이 서로 겹쳐 선명한 상을 맺을 수 없다. 이 문제는 구멍 위치에 빛을 모을 수 있는 렌즈를 사용하여 해결한다. 즉, 한 장의 사진을 만들기 위해서는 빛을 모으는 렌즈, 빛을 느끼고 상을 맺는 감광물질(필름이나 광센서), 어둠상자와 같은 방(카메라 바디)이 필요하다. 이 세 가지가 카메라의 기본적인 구성요소이다.
빛을 모으는 렌즈
우리가 사용하는 카메라는 초점이나 빛의 양을 자동으로 조절하는 간단한 자동카메라와 사용자가 모든 것을 알아서 조절해야 하는 수동카메라가 있다. 수동카메라는 필름을 사용하는 기계식 카메라와 전자 광센서를 사용하는 디지털 전자식 카메라가 있다. 기계식 수동 카메라를 SLR(single-lens reflex), 디지털 방식의 수동 카메라를 DSLR(digital single-lens reflex)이라는 대명사로 부르기도 하는데 이는 뷰파인더를 통해 물체를 보는 방식을 구별하는 이름이다. SLR 카메라는 아래 그림처럼 촬영용 렌즈를 통해 들어온 빛이 거울과 프리즘에 반사되어 뷰파인더로 들어오게 되기 때문에 미리 상의 모습을 볼 수 있고, 셔터를 누르면 거울이 위로 올라가므로 본 그대로의 상이 필름에 맺힌다. 하지만 일부 단순한 카메라는 뷰 파인더가 촬영용 렌즈와 독립적이라 상과 대상물체가 일치하지 않는 경우가 있다.
SLR 카메라의 원리.
빛이 성질이 다른 물질을 지나가면 마치 빠른 속력의 차가 아스팔트에서 모래사장으로 진입할 때 바퀴 방향이 휘는 것처럼 경로가 꺾인다. 이 현상을 빛의 굴절 1) 이라고 하는데 이러한 빛의 굴절을 이용하여 만든 도구가 렌즈다. 렌즈는 크게 ‘볼록렌즈’와 ‘오목렌즈’로 분류한다. 볼록렌즈는 렌즈의 중심부가 두껍기 때문에 빛을 한 점으로 모으듯 수렴시키고, 오목렌즈는 렌즈의 중심부가 얇기 때문에 마치 한 점에서 빛이 발산된 것처럼 퍼지게 한다.
카메라 렌즈는 빛을 모아 초점에 상을 잘 맺어야 하므로 모양이 볼록렌즈여야 한다. 결과적인 모양은 볼록렌즈를 닮았지만 보통 카메라 렌즈는 볼록렌즈와 오목렌즈를 여러 개 조합하여 만든다. 왜 그럴까? 그 이유는 렌즈를 사용할 때 생길 수 있는 여러 종류의 수차를 보정하여 선명한 상을 만들기 위해서이다. 수차 2) 의 예를 들어 보면 구면수차와 색수차가 있다. 구면수차는 렌즈의 중심부와 주변부의 두께가 다르기 때문에 초점이 여러 개 생겨 상이 흐려지는 것이고, 색수차는 빛의 색깔에 따라 꺾이는 정도(굴절률)가 다르기 때문에 나타난다. 즉, 색수차는 렌즈를 통과한 백색광이 무지개 색으로 번져 보이는 것이라 할 수 있다.이런 렌즈의 수차를 줄이는 것이 좋은 렌즈의 조건이며 이를 위해 비구면 렌즈를 조합하기도 한다.
SLR이나 DSLR카메라의 경우는 원하는 사진이 무엇이냐에 따라 렌즈를 교체할 수 있다. 렌즈는 어떻게 구분할까?렌즈의 가장 중요한 기능은 빛을 모으고 초점에 맞춰 원하는 상을 맺는 것이다. 그래서 대부분 렌즈에는 그림과 같이 렌즈의 밝기(F수)와 상이 맺히는 위치인 초점거리 숫자가 표시되어 있다. 이 숫자를 보고 렌즈를 선택한다.
렌즈의 밝기인 F수는 빛을 받아들이는 렌즈의 능력이며 렌즈의 구경과 초점거리의 비로 나타내는데 예를 들면 1: 1.4 또는 F1.4 로 표시한다. F수가 작아지면 렌즈가 밝기 때문에 상이 밝아지고, F수가 커지면 렌즈의 밝기도 감소하여 상이 어두워진다. 초점거리는 렌즈의 중심에서 상이 맺히는 거리를 mm 단위로 표시한다. 이 숫자는 초점거리 보다 풍경이 보이는 범위인 화각을 알 수 있는 값이다.초점거리와 화각은 서로 반대의 상관관계가 있다. 초점거리가 길어지면 보이는 범위(화각)가 좁아지고 초점거리가 짧아지면 보이는 범위(화각)가 넓어진다. 그래서 초점거리가 50mm 인 표준렌즈를 기준하여 이 숫자가 커지면 좁은 범위에 집중되는 망원렌즈, 이 숫자가 작아지면 넓은 풍경을 찍기에 좋은 광각렌즈라 부른다. 이외에도 물고기 눈으로 보는 것 같은 어안렌즈, 작은 물체를 근접하여 촬영하는 접사렌즈, 초점거리를 여러 개 가지는 줌 렌즈 등으로 구분하여 상황에 따라 적절히 사용한다.
빛을 느끼고 상을 맺는 감광물질 필름, CCD, CMOS
초점거리와 F수가 표시되어 있는 렌즈.
<출처: Wikipedia>
렌즈를 통해 들어온 빛을 감지하여 상을 기록하는 것이 필름이다. 필름이란 빛을 감지하는 화학물질을 입힌 플라스틱 띠로 빛에 노출되면 화학반응을 일으킨다. 상을 저장한 이 필름을 암실에서 현상하면 밝고 어두운 부분으로 상이 드러나게 되는데 현상한 필름을 인화하면 다양한 크기의 사진을 얻을 수 있다. 하지만 요즘은 대부분 디카라 줄여 부르는 디지털 전자 카메라를 사용하기 때문에 필름이 무엇이냐고 반문할 수도 있을 것이다. 디지털 카메라에서 필름의 역할을 하는 것은 CCD(Charge-Coupled Device), CMOS(Complementary Metal–Oxide–Semiconductor )로써 빛을 감지하는 소자들이 집적된 이미지 센서이다.
CCD나 CMOS는 빛에 반응하는 작은 다이오드의 집합체로 각각의 광다이오드가 하나의 화소 역할을 하기 때문에 이 숫자는 해상도를 결정한다. 이 광다이오드는 광학적인 정보인 빛을 전자적 정보인 전하량으로 변환하여 저장하였다가 변환기를 거쳐 빛에 대한 정보를 디지털 값으로 바꿀 수 있게 해준다.
이 각각의 광다이오드 자체는 빛의 세기만 감지하기 때문에 이 센서에 색깔을 인식하는 방법을 추가한다. 그 중 하나의 방법이 각각의 광다이오드에 빛의 3원색인 RGB 각각의 색깔 필터를 장치하여 색깔 정보를 파악하고 기록하게 하는 것이다.
어둠상자와 같은 방 카메라 바디
렌즈를 통해 들어온 빛이 필름이나 CCD, CMOS 같은 이미지 센서에 상을 맺기 위해서는 불필요한 빛을 차단하는 어둠상자가 필요하다. 이 어둠상자가 카메라 몸체인데 흔히 바디(body)라 한다. 하지만 카메라 바디는 단순한 어둠상자가 아니다. 복잡하고 정밀한 기계적 조합과 디지털인 경우 최첨단의 전자 장치로 구성되어 있어 카메라 바디는 다양한 기능을 포함한다. 가장 기본이 되는 셔터는 필름이나 CCD, CMOS가 빛에 노출 되는 시간을 결정한다. 만약, 셔터 속도가 125라면 노출시간이 1/125초라는 의미이며 숫자가 클수록 노출 시간이 짧다. 최근의 디지털 카메라는 인간의 두뇌에 해당하는 화상처리프로세서, 상이나 사진을 직접 볼 수 있는 화면인 LCD, 사진을 저장하는 메모리 카드등과 같이 많은 기능이 추가되어 있어 점점 다양한 기능이 카메라 바디에 통합되는 추세이다. 사진은 이야기를 만들어 내는 매체이다. 카메라로 전달하고 싶은 이야기를 담아서 표현해 보는 것도 소통을 위한 또 하나의 방법이 될 것이다.
참고문헌 : 마셜브레인, 김동광 역, [만물은 어떻게 작동하는가]. (까치, 2003); 사이언티픽 아케리칸, 김미화 역, [첨단 기기들은 어떻게 작동하는가], (서울문화사, 2001); Paul.G.Hewitt, 김인묵 역, [수학없는 물리], (홍릉과학출판사, 2007)
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