CamCyclopedia
CamCyclopedia(카메라 백과사전)에서 카메라에 대한 기본 원리와 갤럭시 카메라에 적용된 AI 기술과 주요 기능에 대해 알아보세요.
👨🎓김태환
목차
1. 렌즈의 기본 설명 및 주요 현상
2. 갤럭시 카메라의 렌즈
3. 참고
렌즈의 기본 설명 및 주요 현상
[1] 렌즈란?
렌즈는 피사체에 반사되는 빛을 집광하여 이미지 센서에 결상하는 도구입니다. 스마트폰 카메라에서 사용하는 렌즈는 플라스틱 혹은 유리 재질을 사용합니다.
[2-1] 렌즈의 원리
빛은 굴절률이 다른 매질을 지나갈 때 일부는 반사되고 일부는 굴절하게 됩니다. 이러한 법칙을 스넬의 법칙(Snell's law)이라 합니다. 렌즈에서도 마찬가지로 빛이 통과하면서 굴절이 일어나게 되고, 이 굴절을 통해 이미지 센서에 초점을 형성하여 결상 되는데 이는 가장 기초적이면서 중요한 현상입니다.
이 법칙에 의거하여 볼록렌즈는 렌즈 뒤에 초점을 갖고, 오목렌즈는 렌즈 앞에 초점을 갖게 됩니다. 이러한 렌즈들을 조합하여 하나의 군을 형성하고 또 이러한 렌즈군 간의 거리 및 초점을 조절하여 이미지 센서에 결상을 하게 됩니다.
일련의 예시로 하기에 더블 가우스 렌즈[1]를 나타내었는데, 이는 대부분의 카메라에서 사용되는 렌즈 조합 중 하나입니다.
[2-2] 용어 설명
- 심도
심도는 피사체가 선명도를 가지는 카메라에서의 거리에 따른 범위입니다.
심도는 크게 피사계 심도(Depth of field)와 초점 심도(Depth of focus)로 나눠볼 수 있습니다. 피사계 심도란 초점을 맞춘 물체의 앞뒤로 선명하게 보이는 범위이고, 초점 심도란 피사체가 고정된 상태에서 센서가 움직일 때 초점을 유지할 수 있는 범위입니다.
심도는 '얕다', 또는 '깊다'라 표현합니다. 얕은 심도는 선명도를 가지는 범위가 굉장히 좁고, 깊은 심도는 선명도를 가지는 범위가 굉장히 넓습니다.
심도와 선명도는 밀접한 관계를 가지고 있는데, 모바일 렌즈에 국한되어 사이즈 축소에 의한 부 효과로 근거리 촬영 시 주변부 흐림 현상이 나타나곤 합니다.
이 현상 발생 원인의 경우 얕은 심도를 가진 렌즈이거나, 센서 사이즈가 커짐에 따라 중심부 대비 주변부의 초점 위치가 다르기 때문입니다. 이런 경우 최소 초점이 보증된 거리를 확보한 뒤 사진을 찍거나 카메라 줌 배율을 이용하면 보다 선명한 사진을 촬영할 수 있습니다. - 조리개(Aperture)
조리개(Aperture)란 렌즈의 유효 직경을 변경시켜주는 기구물입니다. 조리개를 통해 카메라로 들어오는 광량을 조절할 수 있고 심도 또한 조절할 수 있습니다.
조리개를 넓힐수록 빛이 들어오는 양이 많고 심도가 얕아지고, 조리개를 조일수록 빛이 들어오는 양이 적고 심도가 깊어집니다. 갤럭시 카메라 같은 경우 고정 조리개 타입입니다. - F-넘버(F-number)
F-넘버(F-number)란 빛이 들어오는 양을 일정한 수로 표현한 값으로써, 광학계 밝기의 척도가 됩니다. F-넘버 값은 렌즈의 구경과 초점거리와의 비인 구경비(Aperture ratio)의 역수로 구할 수 있습니다. 렌즈의 F-넘버가 작을수록 밝지만 심도가 얕고, F-넘버가 클수록 어둡지만 심도가 깊습니다. - 화각
화각이란 렌즈를 통해서 카메라가 이미지를 담을 수 있는 각도입니다. 화각을 구하기 위해선 이미지 센서의 대각 방향으로의 광선이 이루는 각도를 통해 구할 수 있습니다. 일반적으로 광각 카메라보다 망원 카메라가 화각이 좁습니다. - 변조 조달 함수(MTF,Modulation Transfer Function)
변조 조달 함수(MTF, Modulation Transfer Function)란 특정 공간 주파수에서의 콘트라스트(Contrast) 비율을 나타냅니다. 여기서 콘트라스트란 인접한 경계부의 명암 대비 양입니다. 따라서 특정 공간 주파수에서 변조 조달 함숫값이 클수록 명암 대비율이 크다는 뜻이고, 이는 더욱 선명한 사진을 얻을 수 있다는 뜻입니다.
일반적으로 공간 주파수가 고주파로 감에 따라, 명암 대비가 모호하여 변조 조달 함숫값이 낮아집니다. 변조 조달 함수는 렌즈를 설계함에 있어 성능을 나타내는 중요한 지표가 됩니다.
[3] 렌즈의 주요 현상
- 비네팅(Vignetting)
비네팅(Vignetting)이란 중심부에 비해 주변부의 광량이 저하되어 어두워지는 현상입니다. 주변부로 향할수록 광량이 저하되는 이유는 코사인 4차 법칙(Cosine 4th rule)[2] 때문입니다.
이러한 비네팅은 휴대폰 내 ISP(Image Signal Processor)에서 LSC(Lens Shading Correction)라는 과정을 통해 보정됩니다. 비네팅은 피사체에 집중되는 효과를 주기 위해 일부러 후보정을 통해 입혀지기도 합니다.
- 플레어(Flare)
플레어(Flare)란 렌즈 배럴(barrel) 내 기구물이나 렌즈 등에 잡광이 반사되어 화면에 보이는 현상입니다. 플레어 중에서도 피사체에 반사된 빛이 마치 복사되어 화면 일부에 나타나는 현상을 고스트(Ghost)라고 합니다. 이러한 고스트 현상은 렌즈에 저 반사 코팅(Anti-Reflection coating)을 적용함으로써 저하시킬 수 있습니다.
- 왜곡(Distortion)
- 광학 왜곡(Optical distortion)
광학 왜곡(Optical Distortion)은 TV 왜곡(TV Distortion)이라고도 불리며, 렌즈 설계의 특성에서 나타나는 수차 중 하나입니다. 위 보이는 사진처럼 왜곡의 형태를 통해 배럴 왜곡(Barrel Distortion) 혹은 핀쿠션 왜곡(Pincushion Distortion)이라고 표현합니다. 이러한 광학 왜곡 또한 LDC(Lens Distortion Correction)라는 과정을 통해 보정합니다. - 원근 왜곡(Perspective distortion)
원근 왜곡(Perspective Distortion)이란 3차원 형상을 2차원적으로 촬영하면서 발생하는 원근감에 의한 왜곡 현상입니다. 이 왜곡은 화각이 넓은 경우, 피사체 크기가 큰 경우 현상이 심합니다. 원근 왜곡은 광학 왜곡과는 발생하는 원인이 다르며, 광학 왜곡이 전혀 없는 경우도 발생합니다.
갤럭시 카메라에서의 렌즈
렌즈 모듈 구성
갤럭시 카메라는 소비자가 선호하는 화각 별로 구성되어 있으며, 일반적으로 초광각(Ultrawide)/광각(Wide)/망원(Tele) 구조로 되어 있습니다.
그러나 최근에는 갤럭시 S 시리즈 울트라 기종에 한해 프리즘을 이용한 고배율 망원 카메라가 추가되는 추세입니다. 프리즘을 이용한 고배율 망원 카메라는 광 경로를 꺾어(Folded) 사용함으로써 '카툭튀' 없이 보다 선명한 망원 사진을 찍을 수 있습니다.
Super-Clear Window
Super-Clear Window는 기존 단면 저 반사 코팅과 다르게 카메라 윈도 글라스(Window glass)에 양면 저 반사 코팅을 적용한 기술입니다. 렌즈뿐만 아니라 윈도 글라스에 의해서도 반사가 일어나 플레어나 고스트 현상이 발생하는데 이 기술을 적용하여 반사율을 낮춤으로써 고스트 현상을 개선하였고, 이를 통해 갤럭시는 어두운 환경에서도 보다 선명한 화질을 구현하고 있습니다.
초 저 반사 코팅 (Nano-structure coating)
초 저 반사 코팅은 기존 저 반사 코팅(Anti-reflection coating)와 다르게 나노 크기 구조(Nano-sized Structure) 막 코팅으로써, 이 기술을 통해 렌즈 반사율을 더 낮췄습니다. 더 낮춰진 반사율을 통해 역광에서 발생하는 고스트 및 플레어 현상을 개선하였고, 이를 통해 선명한 화질을 구현하고 있습니다. 해당 기술은 현재 갤럭시 S22 Ultra 광각 카메라에 적용되어 있습니다.
CamCyclopedia(카메라 백과사전) 목차 바로 가기
CamCyclopedia 소개글 바로 가기
이외에도 CamCyclopedia는 커뮤니티 -> 카테고리(app) -> CamCyclopedia -> “CamCyclopedia 목차”를 통해 언제든지 확인하실 수 있습니다.
참고
[1] [더블 가우스 렌즈(Double Gauss Lens)] : https://en.wikipedia.org/wiki/File:Double_gauss.png
[2] [코사인 4승 법칙(Cosine 4th rule)] : Douglas A. Kerr, P.E. (2007). Derivation of the “Cosine Fourth” Law for Falloff of Illuminance Across a Camera Image
23 의견
