피사계 심도 (Depth of Field) 에 대하여 알아보자...

피사계 심도 (Depth of Field) 에 대한 심도 낮은 이야기....


SLR/DSLR 카메라를 구입했다는 이야기는 이제부터 심도 표현이 가능해졌다는 이야기다.
다시말하면 사진 촬영시 항상 심도를 염두해 두어야 한다는 머리 아픈 이야기 이다.
물론 이런것을 모르더라도 사진촬영에 지장이 없을 정도로 요즘 카메라들의 자동기능은 뛰어나다.
카메라에서 제공하는 각종 장면 모드 (Scene Mode)를 사용하면 나름 괜찮은 사진을 얻을 수 있다.
그래도 심도정도는 집고 넘어가는 것이 향후 사진 생활에 도움이 될 것이다.

렌즈를 통해 맺혀진 상(image)는 사실상 무수히 많은 작은원으로 구성 되어있다.
그 이유는 빛의 성질인 회절 때문이라는데 자세한 내용은 대학 물리학이나 광학공학 책을 찾아보자....
여하튼 그 작은원을 착란원 (Circles of Confusion)이라한다.
이 착란원의 모양은 핀홀 카메라라면 원형일테고, 조리개날이 5개인 렌즈라면 5각형 모양일 것이다.

      - 이런 현상을 이용해서 아래 사진 처럼 카메라렌즈 앞부분에
        하트나 별 모양의 종이를 덧붙여 보케 모양을 이쁘게 촬영하는 경우도 있다.
        사진 출처는  보케(namaster_)님의 블로그 이다. 
              http://blog.naver.com/namaster_?Redirect=Log&logNo=150002316287

 

 

 

 

이론적으로 렌즈의 초점은 하나의 평면에만 존재한다 즉 한번에 하나의 평면에만 초점을 맞출 수 있을 것이다.
이 평면을 임계초점면 (The Plane of Critical Focus)라 한다.  이 임계초점면을 앞 뒤로 착란원은 커지게 된다.
그러나, 인간의 눈, 필름, CCD등은 이 착란원의 크기가 충분히 작으면 점으로 인식하게 된다.
정확하게는 착란원의 크기가 일정크기보다 작다면 그 차이를 감지하지 못하게 된다.
필름이라면 필름면의 화학적 입자크기, CCD라면 CMOS 센서의 크기, 인간의 눈이라면 시신경의 크기가
감지할 수 있는 최소 착란원의 크기가 될 것이다.
다음 도식을 보면 이해가 쉬울 것이다.

 
착란원의 크기가 CCD(필름)이 감지할 수 있는 것 보다 작은 범위 안에서는 모두 초점이 맞는다고 볼 수 있다.
피사계의 위치에 따른 피사계 심도와 초점 위치에 따른 초점 심도가 있으나 원리적으로는 모두 같은 내용이다.
아래그림은 Canon EOS 1Ds Mark II/III의 픽셀크기를 비교해놓은 그림이다.

참고로 CMOS는 필름과 달리 센서(포토 다이오드)외에 회로부가 같이 있어야 하기 때문에 포토다이오드로 빛을 최종
모아주는 마이크로렌즈가 있다. 이러한 특이한 구조덕분에 필름보다 색수차등에 더 민감한 것이다. 자세한
내용은 나도 잘 모르니 패스 하고 CMOS의 픽셀 크기가 어느 부분의 거리인지만 알아 두자.

 

한마디로 피사계 심도(Depth of Field)를 정리하면 사진에서 초점이 맞았다고(선명하다고) 간주할 수 있는 영역이다.

 
다음으로 심도를 영향을 미치는 요소에 대해 알아보겠다.
심도는 크게 3가지로 조절 할 수 있다.

      1. 조리개 값 : 조리개가 작아질수록 피사계 심도는 깊어진다.
            - 가장 널리 쓰는 방법으로 심도조절을 목적으로 대부분의 유저들이 조리개 우선 모드를 사용한다.

      2. 렌즈의 초점길이 : 초점거리가 짧은 렌즈일 수록 피사계 심도는 깊어진다.

      3. 피사체까지의 거리 : 피사체까지의 거리가 멀어질수록 피사계 심도는 깊어진다.

 

 

 출처 : 사진학강의 7판 (바바라 런던외) 

그럼 하나씩 자세히 알아보도록 합시다.

1. 조리개 값에 따른 피사계 심도
    들어가기 앞서 조리개 값이란 무엇일까?
    렌즈의 초점거리를 조리개 구경으로 나눈 값을 조리개값으로 정의 했습니다.
    왜 이렇게 정의했을까? 같은 조리개값을 갖는 다양한 렌즈 (초점거리와 구경에 관계 없이)에서
    필름면에 도달하는 빛의 양을 동일하게하는 절대적인 기준값으로 정했기 때문이다.

    광원으로 부터 일정거리에 떨어져있는 기준면에 도달하는 빛의 양은 거리의 제곱에 반비례하고
    또한 면적은 구경의 제곱에 비례하여 늘어나므로 두개를 나누어 주면 거리(초점거리)와 구경에
    관계없는 무차원수를 얻을 수 있기 때문이다.

    그렇다면 왜 조리개 값을 조이면 심도는 늘어나는 것일까?
    조리개값을 조이면 렌즈를 통해서 들어오는 빛의 꺽임이 열었을 때보다 작아져 초점 심도가 깊어지기 때문이다.
    잘모르겠다. 이 것을 직접 눈으로 확인하기 위해서 약간의 뻘짓을 해봤다.
    회사에서 눈치를 보며 실제 크기로 3D 작도를 해봤다.

    붉은색 원반에 초점을 맞췄을때 그로부터 약간 떨어져있는 파란색 원반을 투영하여 착란원의 크기를 재봤다.
    차이를 확실히 보여주기위해 피사체의 거리는 상당히 가까운 영역으로 했다.
    실제 촬영 결과와 비교하기위해 보유중인 Canon EFs 60mm macro f/2.8을 모델로 작도 해봤다.

 

 

그림에서 알 수 있듯이 조리개를 열면 렌즈 최 외각부를 통과한 빛이 급격히 꺽이면서 (주황색 실선을 보자)
실제 초점이 맞는 영역(주황색선이 교차하는 곳)에서 서로 다른 경로를 따라 온 빛의 각도가 커져
착란원의 크기가 커지는 것을 알 수 있다. (약 7mm 정도)

     - 실제 최대 조리개에서 최외각 경로를 거쳐 들어오는 빛의 경우
       다른 경로 대비 빛의 이동거리가 길어 주변부 광량 저하가 생기고,
       렌즈부에서 급격히 꺽여 색수차가 생기는 등의 문제가 있다.

다음으로 동일 렌즈에 f/2.8을 보자
빛의 꺽임이 많이 줄어들면서 착란원의 크기가 3.5mm까지 줄어든것을 알 수 있다.

 

 

 

 

다음으로 f/11일때를 보자
조리개 구경이 많이 줄어들면서 빛의 꺽임이 거의 없어져 착란원의 크기가 1mm 보다 작아져
심도가 깊어짐을 알 수 있다.

위의 그림을 검증해보기 위해 실제 그림과 같이 세팅하고 촬영을 해봤다.

 

 

 

후지 리얼라 필름의 십자표시와 필름 케이스크기를 짐작해 보면
앞서 작도상 착란원크기인 3.5mm와 0.9mm가 크게 틀린 값같지는 않다.
원래 픽셀값을 세어서 CCD 크기로 환산하려했으나, 귀챠니즘의 압밥으로 포기

2. 렌즈의 초점거리별 피사계 심도
    동일한 조리개 값에서 초점 거리 차이에 따른 심도 변화도 작도로 알아 보았다.
    동일한 조리개 값이라도 초점거리가 짧은렌즈보다 긴렌즈의 경우 절대적인 조리개 구경커
    최 외각 경로의 빛이 더 많이 꺽이게 되고
    위에서 알아본것과 동일한 이유로 심도는 얕아지게 되는 것이다.
            단, 이경우는 조리개 조절과는 다르게 구도가 변한다는 것을 유의하자...

 

 

위의 그림은 초점거리 20mm렌즈시 착란원의 크기가 0.2mm 수준으로
매우 높은 심도를 나타낸다.

위의 그림은 초점거리 50mm렌즈시 착란원 크기가 2.5mm 수준으로
20mm 렌즈 대비 심도가 낮음을 알 수 있다.

 

여기서 왜 컴팩트 디지털 카메라의 심도가 깊은지 알 수 있다.
컴팩트 디카의 경우 작은 CCD 크기로 초점거리 7mm부근에서 시작하는
렌즈를 사용한다. 따라서 조리개 값이 의미 없을 정도로 깊은 심도를 갖는다.
실제 조리개가 2단뿐이거나 ND 필터로 조리개를 대신하는 소형 컴팩트 디카가 있다.

 

3. 피사체까지 거리에 따른 피사계 심도

 

    피사체와 렌즈의 거리가 가까울 수록 피사체에서 나온 빛이 렌즈면에서 굴절이 많이되고
    착란원의 크기가 커져 심도가 얕아지게 된다.

    작도한 그림에 문제가 있어 다시 그리자니 난감하고하여 촬영 이미지만 올리는 것으로 설명을 대체 합니다.

 

 

4. 렌즈의 피사계 심도 눈금에 대해...

     요즘 출시되는 대부분의 AF 렌즈의 경우 거리계창만 있고 피사계 심도 눈금이 없는경우가 대부분이다.
     특히 캐논의 경우 있는 녀석이 거의 없다. 렌즈에 숫자가 많이 써있으면 조금 뽀대면에서 좋을 텐데.
     페이트 값을 아끼려고 했나. 나쁜 캐논...
     하긴 있다 한들 거의 사용하지 않을 뿐더러 피사계 심도 미리보기 버튼이 있기 때문에 존재의 이유가 없기는 하다.
     그러나 간혹 MF 렌즈를 사용하는 유저도 있고 (특히 펜탁스 유저)해서 여기에 대해 조금만 집고 넘어가보자.

 

사진은 SMC Pentax-A 50mm F:1.4 렌즈의 모습이다. 통상적인 MF렌즈와 별반 차이는 없다.
위에 m와 ft로 거리 눈금이 있고, 아래 조리개를 조절할수 있는 조리개링과
조리개 수치를 볼 수 있다. 그리고 가운데 있는 것이 심도 눈금이다.
그럼 이 심도 눈금은 어찌 사용하는가?

 

위의 사진을 보면 조래개는 8에 맞춰져 있고 초점은 대략 2.2m 부근인 것을 알 수 있다.
심도눈금에서 현재 조리개값인 8에 해당하는 눈금을 찾아보면 1쌍이 있는 것을 알 수 있다.
좌측의 눈금이 약 1.8m 부근을 우측의 눈금이 2.9m 부근 거리 눈금을 지침하는 것을 알 수 있다.
이는 초점은 2.2m에 맞았지만 조리개 8에서는 대략 1.8~2.9m 내에 있는 피사계 모두까지 심도를 확보할수 있다는 뜻이다.

즉, 조리개 8에서 붉은색영역에 해당하는 거리에 있는 피사체는 모두 촛점이 맞는다.

위의 방법을 응용한 촬영방법으로 존포커싱(Zone Focusing) 이란 것이 있다.
통상 스냅촬영이나 캔디드 촬영시 렌즈의 피사계 눈금을 이용하여 피사체가 심도 눈금안에
있다면 초점을 맞추지 않고그냥 샷을 날리는 촬영방법이다.

예전 MF 렌즈에서 많이 사용했던 방법으로 조리개를 적정히 조여 피사계 심도를 확보한뒤
피사계 심도눈금안의 심도 거리가 2~8m 라면 목측으로 대략 그정도거리의 사물을 초점 조절없이
촬영하는방법이다. 빨리움직이는 물체나 빠른 촬영을 위해 고안된 방안이라 하겠는데
요즘처럼 AF가 정확한 시절에는 크게 의미가 없어보이는 촬영기법이다.

또 다른 방법으로 과초점 거리 (Hyperfocal Distance) 라는 것이 있다.
일반적으로 풍경사진과 같이 상당히 먼거리의 피사체 촬영을 할 때
대부분 사람들이 아래의 첫번째 그림처럼 초점을 무한대(∞)에 맞춘다.
이경우 피사계 심도는 대략 7m~무한대라는 것을 심도 눈금을 통해 알 수 있다. (조리개는 16이라 가정)

그러나 풍경이 근거리부터 원거리까지 펼져져 있고 찍사는 그 모든것이 선명하게 나오는 것을 원할 때는
위의 촬영방법으로 그 렌즈의 최대 심도를 얻을 수 없다. 이런 경우 사용하는 것이 과초점 거리라는 것이다.

아래의 두번째 그림이 그것을 나타낸다. 조리개값 16에 해당하는 심도 눈금중 원거리에 해당하는 눈금을 거리 눈금 무한대에
맞추면 되는 것이다. 그러면 심도는 약 2.6m~무한대라는 것을 심도 눈금을 통해 알 수 있다.
첫번째 촬영방법보다 근거리 심도가 확보된 것을 알 수 있다.

 

 

무한대에 초점을 맞췄을 때 심도

 

 

과초점 거리 : 근거리에서 원거리까지 렌즈의 최대 심도를 표현할 수 있다.

 

 
요즘과 같이 심도눈금이 없는 렌즈의 경우에도 응용가능한 기법이다.
심도눈금을 자세히 보면 통상 촛점면 뒷쪽의 피사체가 앞쪽보다 심도가 깊는 것을 알수 있다.
위의 예에서 보면 촛점은 2.2m에 맞았지만 조리개 8에서는 대략 1.8~2.9m의 심도를 확보할 수 있었다.
촛점면 2.2m 보다 전방쪽으론 0.4m, 후방 쪽으론 0.7m까지 심도가 확보가능하다.

이를 이용하여 최대심도사진 촬영시 전방 1/3지점에 초점을 맞추면 대략 과초점 거리에 해당한다.

이상으로 피사계 심도에 대한 심도 얕은 이야기를 마친다...