(1) 기초광학 1 굴절 : 빛이밀도가다른매질로들어갈때그경계면에서속도가변하여진로가바뀌는현상 - 굴절율 (n) = Sin( 입사각 ) / Sin( 굴절각 ) - 굴절율은빛의파장과매질의밀도에따라달라진다. 2 분산 : 매질의경계면에서파장이다른빛들이각기다르게굴절되어보이는현상. ( 프리즘의색분산현상 ) 파장이길수록굴절율이감소한다. 4 회절 - 빛이파장보다짧은통로를지날때직진하는광선이외에회절에의해경계면에서빛의방향이꺾이는현상 (2) Lens 의구조및광학특성 1 광선은유리 Lens 내에서굴절한다. : 굴절현상은유리매질의밀도가높을수록광선이늦게통과하는특성에기인한것으로유리의두께를달리함으로써광의굴절정도를조절할수있다. Lens는이런특성을가진여러개의렌즈들이경통안에서결합된형태로내부반潁? 제거하기위해특수코팅되어피사체에서반사되어나오는광을모아촬상면에상을맺어주게한다. 2 Lens 장착방법 - C 마운트방식 : Lens뭉치와 CAMERA의연결부위가 Screw 방식으로돌려서연결하는방식, CCTV CAM에서주로사용. - Bayonet 마운트방식 : 방송용에주로사용하며신속한장착이가능하다. (ENG, EFP) 틀에맞추어연결하여고정시키는방식. - Breech 마운트방식 : Studio용 Camera Lens처럼중량이클경우특수한고정용레버를이용하여장착하는방식. 3 반사 - 굴절과달리광선이어떤매질에부딪힐때그경계면에서빛이새로운방향으로진행하는현상. - 반사면이매끄러운평면일경우입사각과동일각으로반사. - 반사면이고르지못할경우에는난반사를한다. (Lens의반사율을작게하려면 Lens표면을 Coating하여광투과율을높인다.) 3 조리개 : 사람눈의조리개처럼여러장의얇은금속막을다각형을이루도록중첩시켜광량을조절하는역할을한다.
4 F# : Lens의밝기를나타내는양으로촛점거리와입사광의직경의비로표현된다. -F#=f/D f : Lens의초점거리 D : 렌즈의유효구경 ( 입사동 ) - F# 가작을수록유효구경이커서많은광량이통과하고 F# 가클수록 D가작아지므로광량이줄어들게된다. - 일반적으로 F# 값은 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22로표기. F1.4가가장밝은값이며한단계식숫자가커질수록광량의통과는 1/2 로줄어들게된다. 5 Back Focus / Flange Back - 굴절과달리광선이어떤매질에부딪힐때그경계면에서빛이새로운방향으로진행하는현상. - 반사면이매끄러운평면일경우입사각과동일각으로반사. - 반사면이고르지못할경우에는난반사를한다. Back Focus - 무한대에초점을맞추었을경우렌즈뒷면최종단에서결상면까지의거리. - 렌즈를탈 장착함에따라발생하는오차를 ±0.5 mm 정도조정하는작업을 Back Focus 보정이라한다. Flange Back - 렌즈마운트의최종단면에서결상면까지의거리. Back Focus 보정은 Lens 조리개를 Full 개방한상태로조명을낮게하여조정하며그때 CAMERA 의 DTL 은 OFF 상태에서행한다. - ⅰ) Zoom in 상태에서 Focus lens 를움직여초점을맞춘다. - ⅱ) Zoom out 하여 Back Focus 용 lens 를움직여초점을맞춘다. - ⅲ) 상기 ⅰ),ⅱ) 방법을 2 3 회반복하여조정한다. - * Zoom in 상태에서는피시계심도가얕고, Zoom ont 상태에서는초점심도가얕다. (Lens 의반사율을작게하려면 Lens 표면을 Coating 하여광투과율을높인다.) 6 초점거리 : 무한대의한점에서출발한광선이 Lens를통과한다음맺어지는상과 Lens중심 ( 주점 ) 까지의거리
7 주점 (Principal Point) : Lens의광학적중심을말함. 9 피사계심도, 초점심도 F# 가클수록심도가깊어진다. 초점거리가짧을수록피사계심도는깊어진다. 피사체거리가멀수록심도는깊어진다. 전방의심도보다후방의심도가깊다. 후방피사계심도 (d1) = (δ*f#*l 2 /f 2 - δ *F#*L) 전방피사계심도 (d2) = (δ*f#*l 2 /f 2 + δ*f#*l) Image Size와허용착락원 : Image Size 1¼" 1" ⅔" ½" 허용착락원 0.04 mm 0.03 mm 0.021 mm 0.016 mm 8 화각 - - Zoom in 상태로갈수록화각은작아지고, - Zoom out 상태로갈수록화각은커진다.θ= 2*tan-1 (H'/2*f)
10 입사동, 출사동 - 입사동 : Lens 앞쪽에서본조리개의허상으로 Lens에투과되는광량을결정한다. - 출사동 : Lens 뒤쪽에서본조리개의허상으로 Lens의수차에관계된다. 12 렌즈의해상력과 MTF (Modulation Transfer Function) - 렌즈의결상능력은보통그의해상력으로표시한다. -해상력이란 1 mm 의간격내에미세한선들을몇개까지재현해낼수있는가로표시하며그단위로는 [ Line pair / mm ] 로나타낸다. ( 이는 TV의해상도단위 [ TV Line, TV 本 ] 과는구별된다. ) - 같은해상도를내기위해서는촬상소자의 Size가작을수록렌즈의해상력은높아야한다. - 아래그림을보면전기적인주파수와공간주파수와의관계를비교해서나타내고있다. - 전기적인특성에서 Amp. 의주파수특성에의해고주파수가제한되는것처럼공간주파수에서도렌즈의 MTF 에의해고주파성분이제한된다. 11 램핑 (Ramping, F-Drop) - 줌렌즈의조리개를활짝연상태로, Zoom out 에서 Zoom in 으로할경우 Video Level이점점낮아지는현상을말하며, 줌렌즈의초점거리가변할수록입사동구경도변하게된다. - 이는장초점거리의렌즈로조명이낮은곳에서사용할경우문제가되며, 실내에서는조명을충분히주면문제가않된다.
- NTSC 방식에서는전송대역이 Video 신호가 4MHz 로제한되므로그에해당하는렌즈해상력을보면다음과같다. Image Size 4MHz에해당하는공간주파수 ( 렌즈해상력 ) 1*1/4" 12.3 Lines/mm 1" 16.5 Lines/mm 2/3" 24.0 Lines/mm 1/2" 33.0 Lines/mm 2. 렌즈수차 (Aberration) : 렌즈가곡면이고재질이유리이며광의파장이각기다르므로해서광선이초점면에정확히집속되지않는현상을수차라하며, 이수차의발생정도에따라렌즈의품질이평가된다. (1) 자이델수차 : 렌즈형상이구면으로써이상적인초점을형성하지못하여발생하는수차. 이수차는광의파장에무관하게발생하퓠단색광에서도발생한다. 1 구면수차 - 광축에서멀리떨어진외곽부를통과하는광선의굴절율이크므로렌즈가까운쪽에초점을형성하므로근축광선과한점에초점형성이않되는현상. - 현상은밝은빛주변에 Halo로나타난다. - 이를줄이기위해서는조리개를줄여주면많이개선이되며, 렌즈설계시에는비구면렌즈를사용하던가오목렌즈와함께사용하여수차보정을한다. 3 비점수차 - 그림과같이광축을벗어난임의의물점에서나온광선은렌즈통과후화면모서리의한점에집속되지못하고두개의선으로분열되어비정형곡선, 혹은타원형으로흐려진다. - 조리개를조임으로서다소줄일수는있지만완전히없앨수는없다. - 그림의차트로비점수차를측정하는데사용된다. 4 상면만곡 - 평면의피사체가평면으로결상되지않고곡면의형태로결상되는현상. 2 코마수차 - 구면수차는광축에평행한광선에서생기는현상이지만, 코마수차는광축에대해임의각도로비스듬히입사하는광선에의해나타나는현상. - 렌즈주변부로입사하는광선은초점면에결상되지만, 중심부입사광선과는굴절각이다르기때문에화상은혜성꼬리처럼흐려짐발생. - 조리개를조이면줄어들며, 렌즈설계시좌우대칭형의렌즈사용을가능한줄임으로서다소감소시킬수있다.
- 상평면을화면중심에맞추면주변이흐려지고, 상평면을주변에맞추면중심이흐려지는현상. - 비점수차를보정하면상면만곡도함께개선이되며, 조리개를조여주면약간감소시킬수있다. 5 왜곡 (Distortion) - 앞의수차는초점의정확도와관련된현상인데반해왜곡현상은전적으로화상의형태와관련된현상이다. - 왜곡현상은평면으로결상되지만기하학적으로똑같이결상되지못한다. - 이현상은렌즈의중심을통과하는주광선이비정상적으로굴절될때일어난다. - 굴절현상은조리개와무관하여, 조여주어도개선할수없으며설계시비구면렌즈로개선가능. - 줌렌즈의경우 Zoom in때는실패형 (Pin cushion) 왜곡이생기며 Zoom out 때는술통형 (Barrel) 왜곡이생기는경향이있다. - 화면왜곡 = (ΔH/h) X 100 [%] (2) 색수차 : 색수차는태양광처럼여러가지색광을포함하고있는광에대해발생한다. 이색수차는각파장에대한굴절율과배율이달라서광이한점에집속되지못해나타난다. 1 축상색수차 - 파장에따라광축상의결상점이각기다르게나타나파장이짧을수록렌즈가까이초점을맺어렌즈를줌잉할경우색광들의초점이달라져색이퍼지는현상. - 원인은초점그룹의잔존수차와광학유리의한계특성때문이며 - 조리개를줄임으로약간의개선이되며설계시서로다른유리재질을합성하여사용하여보정해준다. 2 배율색수차 - 그림과같이볼록, 오목렌즈를조합하여사용하면축상색수차는제거되지만광선의통로는서로다르게되어초점거리가색광별로서로다른상태가되어상의배율이파장에따라달리나타나는현상.
- 이를보정하기위해서는여러가지다른종류의재질유리와다른타입의오목, 볼록렌즈를복합적으로사용하여개선한다. 3. 그외장애현상 1 Flare - 렌즈광축에비스듬히입사하는광선들이렌즈의경통안쪽벽면에서불규칙하게반사되어화상이부분적으로밝게얼룩이생기는현상. - 렌즈면을코팅하고경통의내부벽면을특수무광처리하여경통내부반사를줄이며렌즈앞에후드를설치하여불필요한광이유입되지않도록한다. 2 Ghost - 일광이나전등에의한강한직사광선이유입되면렌즈통내부벽면의일부와렌즈면의반사로인해흐릿한형상이나조리개형태의유령화상이나타난다. - 렌즈면을반사율이낮게코팅처리하여감소시킬수있다. 3 Vignetting - 렌즈후드나필터의크기가부적당하여사용렌즈의화각에걸리거나렌즈통내부에서광선의진행방향이걸리게되어화상이모서리부분이잘리거나어두워지는현상. 특히 Zoom out ( 광각 ) 상태로갈수록심해진다. - 조명을높여주고조리개를조여주면이현상을감소시킬수있다. 렌즈의조리개 (F) 값 = 초점거리 렌즈의직경 ( 유효구경 ) 표준렌즈 50mm의최대개방시의조리개값이 1.4일경우렌즈의직경 ( 빛이통과할수있는유효직경 ) 은50 1.4 35mm임을알수있다. 통상조리개값의배열은 1.4-2 - 2.8-4 - 5.6-8 - 11-16 - 22-32로배열되어있는데여기서각단계별로값이 2(1.4) 배만큼증가하는것을볼수있다. 이는빛이통과하는조리개 ( 원형 ) 의면적과관련이있는것으로빛의통과량이 2배로증가하기위해서는조리개가열려있는구멍의크기 ( 면적 ) 이 2배로증가해야하거나같은구멍 ( 조리개 ) 로빛이들어가는시간을 2배로하여야한다. 여기서원의넓이를구하는공식은원의넓이 = πr2 따라서 r의값이 2(1.4) 만큼증가할때마다원의면적은 2배로증가하고이로인해조리개를통해들어가는빛의양도 2배증가하게된다. 보통렌즈의전면부를보면 1:2.8과같은수치가나타나있다. 이수치의표시는특정렌즈뿐아니라모든렌즈에서적용되는표시이다. 렌즈에조리개가있는데그수치가작을수록밝다. 사진에서는조리개가밝기외에초점의심도와연관이있기때문에매우중요한요소가된다. 요즘의렌즈들은여러장의렌즈를겹쳐서설계하고있기때문에실제렌즈의직경이꼭위의식에서구해지지는않지만기본적으로는구경이큰렌즈의F값이더적고많은빛을받아들일수있다. 이제는위의수치가밝기의기준이되었기때문에 ( 노출의기준 ) 렌즈의크기와렌즈의초점거리비율보다밝기가더중요하다. 조리개 2.8이라면초점거리 / 직경이야어떻든우선 2.8이라는기준밝기에맞추어설계한다. 밝기기준이틀리면노출시스템이불안해진다. 렌즈는대부분여러개의광학렌즈로구성된다. 예를들어 10군 13매이것은 15매의볼록, 혹은오목렌즈들로이루어져있다는말이다. 처음빛이렌즈의선단을통과하여각각의렌즈들을투과하여필름면에닿을때까지빛의감소가생기게된다. 또한렌즈의길이도빛의감소요인이된다. 모든렌즈는각각의구조와특성에의해개방조리개값이달라지게된다. 렌즈의조리개라함은빛의투과성을기준으로한다. 이말은 100개의빛입자가렌즈를모두통과해서필름면에닿으면조리개값이 f 1.0 이된다. 만약100개가통과하여그중50개만필름면에닿는다면조리개값은f1.4가되고 25개가되면f2 가되는식이다. 렌즈의밝기란그렌즈의조리개를최대로개방했을때의조리개값이다. 따라서보편적으로는 f값이적을수록렌즈의가격이비싼편이다. 통상줌렌즈의경우렌즈의밝기표시가 1 : 3.3~4.5와같이변하는값으로표시되어있는것을볼수있는데이는줌렌즈의각초점거리별로최대조리개값이다르다는이야기이다. 예를들어니콘렌즈 70-210mm의경우최대조리개값이 4 ~5.6으로되어있다. 이는본렌즈를 70mm에서사용할경우에는조리개값을최대4까지열수있지만망원쪽인210mm로사용할경우에는조리개를최대한개방하더라도5.6이하의수치로는개방할수가없다는뜻이다. 그이유는초점거리 렌즈의유효구경 = 최대개방시의조리개값여기서초점거리는 70mm ~ 210mm까지변하는동안렌즈의유효구경도같은비율로변해야하는데그렇게설계되어있지못하기때문에최대개방시의f값이변하게되는것이다. 니콘 80~200mm의경우 f값이 2.8로고정되어있는데이런렌즈의경우는설계시에이러한부분들을반영하기때문에고가의렌즈이다. 물론렌즈자체의해상도가높은면도있다.