[6장] 렌즈의 수차

오늘은 렌즈에 대해 이야기하겠습니다.
앞장에서 우린 빛을 이미지센서에 모아주기 위해 렌즈를 사용한다고 배웠습니다. 렌즈는 그러면 빛을 모아주는 역할만 하는 걸까요? No~! 원한다면 빛을 퍼뜨리는 것도 가능합니다. (볼록 렌즈는 빛을 모아주고, 오목 렌즈는 빛을 퍼뜨리는 역할을 합니다.)

볼록 렌즈(출처: 위키피디아)

오목렌즈(출처: 위키피디아)

 

카메라에서 사용되는 렌즈는 빛을 모아주는 역할을 하니까 볼록 렌즈 하나만 쓰지 않을까?라는 의문도 자연스럽게 하실 수 있는데요. 실제로 카메라에서 사용되는 렌즈는 '다중 렌즈'로 구성이 되어있고 오목 + 볼록 렌즈의 조합으로 이루어져 있습니다.

(다중 렌즈 자체는 볼록 렌즈의 기능을 하지만 내부 물리적으론 오목 + 볼록 렌즈 조합으로 구성됩니다.)

 

볼록렌즈, 오목렌즈 예시(출처: 위키피디아)

왜 이렇게 할까요? 그 이유는 렌즈에 발생하는 광학 수차를 줄이기 위해서 이며, 수차에도 여러 가지 종류가 있습니다.

 

다중 렌즈 예시

 

---

1. 구면 수차

카메라의 렌즈 자체는 구면이기 때문에 발생하는 문제인데요! 아무리 공정과정이 완벽해도 구면으로 렌즈를 완벽하게 깎는 것은 불가합니다. 그래서 동일 렌즈라도 성능의 편차가 존재하고 상이 정확하게 한 점으로 모이지 못하는 현상이 나타나기도 합니다. 

구면 수차(출처: 위키피디아)

 

구면 수차 예시(출처: 위키피디아)

링크: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Spherical-Aberration.png?uselang=ko

 

이러한 구면수차를 없애기 위한 방법은 다음의 몇 가지가 있습니다.

1) 비구면 렌즈를 사용한다.
렌즈 자체가 구면이기 때문에 발생하는 문제이니 비구면 렌즈를 사용하는 방법이 있습니다. 하지만 비구면 렌즈는 공정상 난이도와 비용이 높은데요. 그렇더라도  수차가 완화되는 것이지, 완전히 제거되는 것은 아니랍니다. 

 

2) 다중 렌즈를 사용한다. 

오목렌즈와 볼록렌즈, 비구면 렌즈를 이용해 빛들을 한 점에 모을 수 있도록 합니다. 렌즈에서 한 점에 모으지 못하는 오차를 줄이는 방법입니다.

3) 조리개를 더 조인다.

렌즈의 중심부와 외곽부의 초점 차이이니 조리개를 줄여서 빗나가는 광선들은 사용하지 않는 방법입니다.
아이리스를 좁히면 광량이 줄어드는 문제가 있기 때문에 적정 F-Number를 사용해야 하겠죠?

---

2. 색수차 

빛은 입사각이 같아도 파장마다 굴절율이 다르기 때문에 상이 맺힐 때 색이 퍼지는 현상을 말합니다. 여기서 보라색 파장의 빛이 굴절율이 제일 심하기 때문에 보라 빛 수차가 자주 관찰되곤 합니다.(Purple pringe) 그리고 색수차는 태양과 같이 여러 파장이 빛이 포함된 광원에서 발생이 됩니다. 문제 되는 파장이 없다면 색수차도 발생하지 않겠죠?

색수차 예시(출처: 위키피디아)

색수차 예시(출처: 위키피디아)

Purple Fringe(출처: 위키피디아)

색수차는 단일 렌즈에서도 발생하는 문제며, 다중 렌즈를 사용하더라도 색수차가 완전히 제거되지는 않는답니다. SW적으로도 완벽하게 처리하는 방법도 딱히 존재하지 않기 때문에, 제품 자체의 특성이 그렇다면  촬영에 신경 쓰거나 렌즈를 교체하는 방법이 있겠습니다. 

 

---

3. 혜성형 수차

실제 빛은 광축에 평행해서 오진 않고, 임의의 각으로 평행한 광선이 들어오며 한 곳에 빛이 모이게 됩니다. 그런데 구면이다 보니 수렴 지점이 꼬리 형태로 보이게 되는데 이것을 혜성형 수차라 합니다. 혜성처럼 꼬리 형태로 블러한 특징이 있습니다. 구면수차와 마찬가지로 조리개를 줄임으로서 어느 정도 완화시킬 수 있습니다.

해성형 수차(출처: 위키피디아)

 혜성형 수차 예시(출처: 위키피디아)

---

4. 상면 만곡

렌즈는 곡률을 가진 구면이기 때문에 굴절해서 맺히는 상도 평면이 아니라 원형 형태로 되어있답니다. 이미지 자체는 포물면으로 상이 맺히지만, 일반적인 이미지 센서는 평면이기 때문에  가운데는 초점이 맞아도 외곽부는 초점이 맞지 않는 현상이 발생합니다. 따라서 초점을 맞춘 후 센서를 앞으로 이동시키면 주변부가 초점이 맞고 중심이 초점이 흐려지는 경우가 발생을 합니다. 이미지 센서 자체가 평면이라서 문제가 발생을 한 것이니 상면 만곡 수차만큼 휘어서 센서를 설계하면 상면 만곡 수차를 없앨 수 있습니다. 또는 초점면 근처에 적절하게 볼록렌즈나 오목렌즈를 놓는 것으로 이러한 수차를 줄일 수 있습니다.

상면 만곡(출처: 위키피디아)

---

5. Distortion

렌즈가 곡률을 가진 구면이기 때문에 광축에서 멀어질수록 광학 배율이 조금씩 달라져 외곽부와 중심부가 동일한 비율로 보이지 않는 현상을 말합니다. 중심부가 외곽부보다 작은 형태로 왜곡이 발생되면 양의 왜곡(Pincushion Distortion) 반대로 중심부가 외곽부 보다 큰 형태로 왜곡이 발생되면 음의 왜곡(Barrel Distrotion)이라 합니다. 이러한 왜곡현상은 렌즈와 조리개의 상대적인 위치에 따라 발생이 됩니다. 단일 볼록 렌즈 앞에 조리개가 위치하면 음의 왜곡이 반대로 뒤에 위치하면 양의 왜곡이 발생하기 때문에 볼록/오목 렌즈 사이의 대칭이 되는 위치에 조리개를 위치해야 상대적으로 왜곡을 최소화시킬 수 있습니다.

Barrel Distortion(출처: 위키피디아)

Pincushion Distortion(출처:위키피디아)

Lens Distortion 예시(출처: 위키피디아)

---

이러한 수차들은 결국에 렌즈가 다 구면이라서 발생을 하는 것입니다! 위에서도 잠깐 언급했지만 구면 렌즈를 안 쓰면 되지 않나요?라는 질문도 당연히 하실 수 있는데요! 맞습니다. 그래서 비구면 렌즈도 존재를 합니다. 그래도 수차는 완전하게 제거하지는 못하는데요. 결과적으로 오차를 최대한 줄이기 위해 N개의 다중 렌즈를 쓰기도 하고, 그 안에서도 비구면 렌즈도 섞기도 합니다.

비구면렌즈(출처: 위키피디아)

이렇게 다중 렌즈를 구성하면, 앞에 렌즈에 의해 오차가 생겨도 오차가 생기는 반대방향으로 빛이 이동하도록 보정해서 오차를 최소화할 수 있습니다. 빛을 모았다가 다시 퍼뜨렸다가 하는 과정에서 오차를 어느 정도 수렴하게 합니다.  그것이 다중 렌즈를 사용하는 이유입니다. 물론 다중 렌즈를 사용해서 나타나는 문제점도 있습니다.  렌즈가 N개로 구성되다 보니 렌즈 내부에서 렌즈끼리 반사된 빛이 이미지 센서에 다시 투영돼서 생긴 것입니다. 이러한 렌즈 플레어는 태양과 같이 광원이 강한 곳에서 발견할 수 있는데요. 앞서 설명한 것처럼 렌즈 내부에 반사된 빛이 이미지 센서에 투영돼서 발견이 되는데, 빛의 세기가 약한 곳에선 잘 발견이 되지 않습니다. 입사된 빛의 1~2% 반사돼서 투영되다 보니 광원이 강하지 않을 땐 세기가 약해서 눈에 보이지 않다가, 태양과 같이 빛의 세기가 강하다면 1~2%라도 상당히 크기 때문에 눈에 보이는 것입니다.

렌즈 플레어가 발생되는 원리

 

다중 렌즈로 인해 lense ghost가 발생하는 경우도 있습니다. 실제로 눈으로 봤을 땐 광원이 존재하진 않지만 카메라 영상에선 광원이 생기는 현상인데요. 렌즈가 100% 투과가 되지 않고 반사가 되기 때문에 발생하는 것입니다.

렌즈플레어 이미지(출처: 위키피디아)

 

렌즈 고스팅 현상(출처-아래링크)

https://r2.community.samsung.com/t5/Galaxy-Note/Dust-inside-camera-lens-lens-flare-ghost/td-p/175822

Dust inside camera lens, lens flare/ghost

플레어와 고스트 문제를 해결하기 위해서 렌즈를 코팅 하기도 하지만 비용이 느는 단점이 있습니다.

---

수차와 관련해서 좋은 사이트가 있어서 공유합니다.

https://av.jpn.support.panasonic.com/support/global/cs/dsc/knowhow/knowhow15.html

Lens Characteristics: Flare, Ghosting and Aberration | Digital Camera Know-Hows | Digital Camera | Digital AV | Support | Panaso