카메라구조

1. 디지털 카메라의 구조

그림 1.

디지털 카메라는 그림 1과 같이 렌즈(lens), 조리개(aperture), 셔터(shutter), CCD로 구성되어있다. 여기에서 빨간색 선은 빛을 나타나며 랜즈를 통해 빛이 모여 들어오면 조리개가 빛의 양을 조절하고 셔터막에 빛이 들어오게 된다. 항상 이와같이 빛이 셔터막에 있고 촬영을 하면 셔터가 젖혀졌다가 다시 닫힌다. 그동안의 그빛은 고스란히 CCD에 부딪히고 각각 하나의 pixel에 빛을 정량화한 값이 입력되므로 우리는 보통 각각 pixel에 입력된 값이 색상으로 표현된 사진을 보는 것 이다.

- 렌즈 : 빛을 모으는 장치

- 조리개 : 빛의 양을 조절하는 장치

- 셔터 : 빛을 CCD에 입력되지 못하도록 빛을 가리고있는 장치(촬영순간 빛을 막고있던 셔터가 빠르게 열렸다 닫히는 순간이 빛에 노출되어 촬영 노출시간을 정의해 주고 빠르면 빠를수록 순간포착이 가능하다.)

- CCD : 빛을 전기적 신호로 변환이 되는 장치

2. 렌즈와 빛

그림 2.

그림 2는 나무라는 피사체가 있다. 나무는 렌즈를 통해 피사체의 빛이 교차되어 CCD(필름)에는 거꾸로 나타나게 된다. 우리는 렌즈에서 피사체의 상이 맺히는 거리는 초점거리(focal length)라고 한다.

그림 3.

그림 3은 피사체 중에서 빛을 여러개 쪼개어 딱 하나의 빛을 살펴본 것이다. 피사체의 나무의 가장 위부분을 예시로 하여 살펴보면 하나의 빛은 렌즈를 통과할 때 여러개로 분리 됐다가 렌즈를 통해 CCD에 하나의 점으로 초점이 맞춰지는것을 볼 수 있다. 즉, 렌즈부터 하나의 점으로 조점이 맞춰지는 곳까지 거리는 초점거리(focal length)라고 한다.

3. 반사(Refraction)

그림 4.

그림 4는 빛이 매질에 부딪히면서 각도가 변화되는 것을 스넬의 법칙(Snell's law)을 나타낸것이다. 오른쪽에 있는 표는 각각 매질에 따른 굴절률 이다. 굴절률은 n으로 표현되며 빛의속력과 매질에서의 속력비율이다. 각각 매질의 굴절률을 스넬의 법칙인 공식에 대입하면 빛이 매질을 통과할 때 얼만큼 굴절되는지 알 수 있다.

다음예시는 는 공기중에서 입사각 30도로 유리를 통과할 때 반사각을 나타낸 것이다.

4. 얇은 렌즈(Thin lens)

그림 5.

그림 5는 초점거리를 계산한다. r1은 렌즈의 앞쪽인 곡률의 반지름 길이고 r2는 렌즈 뒤쪽인 곡률의 반지름 길이고 n은 매질의 굴절률이다. 렌즈의 설계가 완료되면 위와 같은 공식을 통해 초점거리를 계산된다.

 

그림 6.

그림 6은 그림 5에서 설계된 초점거리가 사진찍히는 피사체(물체)의 거리에 따라 초점거리가 조금씩 달라지는것을 계산하는 것이다. 즉 빛의 거리에 따라 초점이 맻혀지는 곳까지의 거리가 달라지기 때문이다. 이는 위과 같은 공식을 통해 변화된 초점거리를 알 수 있다. p는 물체에서 렌즈까지거리이고, q는 렌즈에서 이미지까지의 거리인 변화된 초점거리이고, f는 그림 5에서 설계된 초점거리이다. 즉, 우리는 q의 값을 알고 싶은것이다.

5. 피계사심도 및 초점심도(Depth of Field and Depth of Focus)

그림 7.

그림 6인 변화된 초점거리를 알아내고 그림 7은 빛이 모여지는 초점이 얼만큼 오차가 있는지(착란원 크기)를 이용하여 사진에서 초점이 맞게 나타나는 피사체의 범위를 결정할 수 있다. P는 사진찍을 피사체의 거리인 기준이 되고 f는 설계된 초점거리 c는 빛이 정확히 모이지 않고 흩어지는 정도를 말하고 D는 조리개의 크기를 말한다. 조리개는 그림 7의 오른쪽 그림에 렌즈부분에 검은색부분이 된다. 이와 같은 매개변수를 이용하여 사진찍을 피사체의 거리의 기준에서 최대(PF)최소(PN)의 초점이 정확히 맺히는 범위를 알아낼 수 있다. 그리고 또한 조리개를 통해 빛의 양을 줄이면 그림 7과 같이 최대최소의 초점이 정확히 맺히는 범위가 넓어진다.

다음은 이와같이 빛을 통해 촬영하면 CCD를 통해 사진이 만들어진 결과물을 활용하는 방법을 설명합니다.