광학계라 함은 광범위한 의미를 가지고 사용되고 있지만 전자광학 영상 시스템에 있어서의 광학계란, 빛의 일부분을 모으고 굴절시켜 물체의 광학적 상(image)을 만드는 장치 라고 이해하면 됩니다. 즉, 렌즈를 의미합니다.
우리 눈을 예로 들어보겠습니다.
아래 그림과 같이 사람 눈은 홍채(iris)를 열고 닫아 들어오는 빛의 양을 조절하고, 수정체(lens)를 지나면서 빛이 굴절되어 시신경이 밀집해 있는 망막(retina)의 황반(macula)에 상이 맺혀 물체의 상을 인지하게 됩니다.
이 때, 안구의 형태에 따라 빛이 한 곳으로 모이는 지점이 망막의 앞쪽이 되느냐 뒤쪽이 되느냐에 따라 근시 또는 원시가 됩니다. 결국 사람의 광학계가 잘못 설계되어 물체의 상이 제대로 맺히지 못하는 것으로 볼 수 있습니다. 이 경우 안경을 사용해서 빛의 굴절을 조절함으로써 망막에 정확히 맺히게 하는 것이죠.
영상 시스템의 광학계도 똑같은 원리로 이해할 수 있습니다.
아래 그림과 같이 물체에서 반사 또는 방사된 빛은 렌즈에 의해 굴절되고 조리개(aperture)에 의해 빛의 양이 조절되어 영상 센서에 상이 맺히게 됩니다.
조리개는 아래 그림과 같이 열리거나 닫혀서 렌즈를 통과해서 센서로 가는 빛의 양을 조절합니다.
이제 조리개가 열리고 닫히고에 따라 빛을 많이 받거나 적게 받는다는 사실은 쉽게 이해가 됩니다. 그럼 아래쪽에 나와있는 f/1.8, ...f/22는 무엇을 의미할까요?
이를 이해하기 위해선 영상 시스템의 광학계에 대한 좀 더 심도있는 이해가 필요합니다.
광학계를 이해하기 위해서는 반사/굴절, 렌즈에 대한 사전 지식이필요한데 앞선 포스팅을 참조하시면 될 것 같습니다.
전자광학 공부를 위한 광학 기초 - 1. 반사와 굴절
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전자광학 공부를 위한 광학 기초 - 2. 렌즈
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조리개(Aperture)와 초점거리 (focal length)
센서에 도달하는 빛의 양은 빛이 통과하는 면적에 비례하고 빛이 이동한 거리의 제곱에 반비례합니다.
어렵게 들리지만 이 것을 쉽게 비유해보겠습니다.
큰 창문일수록 빛이 많이 들어오고(면적) 멀리서 빛을 볼 수록(거리) 우리는 빛을 어둡게 느낍니다.
둘을 합쳐보면 창문을 크게 열고 가까이에서 보면 창밖의 풍경을 밝게 볼 수 있는 반면, 창문을 작게 열고 멀리서 보면 창밖의 풍경이 상대적으로 어둡습니다. 이제 이해가 되시죠?
자, 이 것은 무엇을 의미할까요? 영상 시스템 광학계에서 조리개의 크기(창문 크기)와 초점 거리(창문까지의 거리)에 따라 센서에 도달하는 빛의 양(사람 눈이 인지하는 창 밖의 밝기)을 비교해 볼 수 있다는 의미입니다.
조리개의 크기와 초점 거리에 따라 영상 센서가 받는 광량을 비교하기 위해 f/# (읽을때는 보통 f-number 또는 f-수)를 정의합니다. f/# 은 조리개의 지름에 대한 렌즈 초점거리의 비율로 정의됩니다. 아래 그림으로 이해해보면 어렵지 않습니다.
광학계에 의해 빛이 모이는 지점에서 받는 광량은 조리개 지름 d와 초점거리 f에 의해 결정됩니다.
초점거리 f와 조리개 지름 d는 단위(mm)가 같기 때문에 f-number는 단위가 없습니다. (그냥 수라고 하면 됩니다.) 때문에 스펙이 다른 여러 카메라, 광학계, 망원경 등 가릴 것 없이 단순히 f/# 값으로 비교할 수 있습니다.
■ 조리개 지름에 따른 F/# 과 광량
조리개가 1/2씩 작아질 때마다 F/# 은 2배씩 커지고 광량은 조리개 면적(1/2*1/2=1/4)에 따라 1/4씩 작아집니다.
마찬가지로 조리개가 2배씩 커지면 F/# 은 1/2씩 작아지고 광량은 4배가 됩니다.
다음과 같이 요약할 수 있습니다.
[조리개 지름 관점]
F/# 값이 2배 => 조리개 지름이 1/2배 => 조리개 면적은 1/4배 => 받는 광량은 1/4배
[초점거리 관점]
F/# 값이 2배 => 초점거리가 2배 => 받는 광량은 1/4배
[정리]
F/# 값이 $k$배 => 받는 광량은 $1/k^2$배
F/# 을 이해했으면 다음 포스팅부터는 다시 물리의 세계로 가보겠습니다.
[출처] 직접작성 (last updated: 2021.03.09)
[참고자료]
http://fantasy297.tistory.com/212
https://www.edmundoptics.co.kr/resources/application-notes/imaging/f-lens-irisaperture-setting/
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