카메라와 렌즈 (2020)
(ciechanow.ski)- 빛의 기록 원리부터 시작해, 디지털 카메라의 센서·렌즈·조리개가 이미지를 형성하는 과정을 단계적으로 시각화한 기술적 해설
- 이미지 센서가 광자를 전기 신호로 변환하고, Bayer 필터와 디모자이싱을 통해 색상을 복원하는 과정을 설명
- 핀홀 카메라에서 출발해, 굴절·렌즈·초점 거리 개념을 도입하며 실제 카메라의 광학 구조를 구성
- 조리개(f-number) 와 심도(depth of field) , 보케(bokeh) 의 관계를 수학적·시각적으로 분석
- 수차(aberration) 와 색수차 등 현실 렌즈의 한계를 다루며, 광학 설계가 빛의 경로를 제어하는 기술임을 강조
빛의 기록과 디지털 센서
- 초기 사진은 은할로겐화물 필름을 이용했으나, 현대 카메라는 이미지 센서로 대체됨
- 센서는 포토디텍터 배열로 구성되어 광자를 전류로 변환
- 수집 시간(셔터 속도)에 따라 노출량이 달라짐
- 센서는 색을 직접 감지하지 못하므로, 색 필터 배열(Color Filter Array) 을 사용
- Bayer 필터는 2개의 녹색, 1개의 빨강, 1개의 파랑 필터로 구성
- 녹색이 두 배 많은 이유는 인간이 밝기를 녹색 영역에서 가장 민감하게 인식하기 때문
- 디모자이싱(demosaicing) 과정에서 RGB 값을 보간해 전체 색 이미지를 복원
- 셔터 속도는 광자 수집 시간을 결정하며, 과도하면 과다노출, 부족하면 저노출 발생
핀홀 카메라의 원리
- 센서를 노출된 상태로 두면 모든 방향의 빛이 들어와 무의미한 영상이 형성됨
- 이를 해결하기 위해 작은 구멍이 있는 상자(pinhole camera) 를 사용
- 구멍을 통해 들어온 빛이 교차하며 상하좌우 반전된 영상을 형성
- 구멍과 센서 간 거리 조절로 시야각(field of view) 이 변함
- 구멍이 작을수록 영상은 선명해지지만, 들어오는 빛이 줄어 밝기가 감소
- 너무 작으면 회절(diffraction) 로 인해 다시 흐려짐
- 핀홀 카메라는 단순하지만 빛의 효율이 낮고, 초점 제어가 불가능
유리와 굴절
- 빛이 유리를 통과할 때 방향이 바뀌는 이유는 굴절률(index of refraction) 차이 때문
- 굴절률 n = c / vₚ (빛의 속도 비율)
- 공기 1.0003, 물 1.33, 유리 1.53, 다이아몬드 2.43
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스넬의 법칙(Snell’s law) : n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂
- 빛은 굴절률이 높은 매질로 들어갈 때 법선 쪽으로 굽음
- 일부 각도에서는 전반사(total internal reflection) 가 발생
- 이 현상은 다이아몬드의 광택 효과를 만드는 원리
렌즈와 초점
- 평행한 유리판은 빛의 방향을 바꾸지 않지만, 곡면 유리(렌즈) 는 빛을 수렴 또는 발산시킴
- 볼록 렌즈(convex lens) 는 평행광을 한 점으로 모음
- 초점 거리(focal length) 는 렌즈 중심에서 초점까지의 거리
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얇은 렌즈 방정식: 1/sₒ + 1/sᵢ = 1/f
- 물체 거리(sₒ), 상 거리(sᵢ), 초점 거리(f)의 관계
- 렌즈와 센서 간 거리 조절로 초점 조절(focus) 가능
- 초점 이동 시 시야각 변화(focus breathing) 발생
- 줌 렌즈는 여러 유리 요소를 이동시켜 초점 거리 자체를 변화시킴
조리개와 심도
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조리개(aperture) 는 렌즈를 통과하는 빛의 양과 광선의 각도를 제어
- 작은 조리개 → 깊은 심도(depth of field)
- 큰 조리개 → 얕은 심도와 보케(bokeh) 효과
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f-number (N = f / D) 는 초점 거리와 입사동공 지름의 비율
- f/2는 f=50mm, D=25mm일 때
- f-number가 작을수록 밝은 렌즈, 빠른 셔터 가능
- f-number는 1.4의 배수로 증가하며, 한 스톱 증가 시 빛의 양이 절반으로 감소
- 조리개가 작아질수록 회절로 인한 해상도 저하 발생
수차와 색수차
- 실제 렌즈는 완벽하지 않아 수차(aberration) 가 발생
- 대표적 유형: 구면수차, 코마, 난시, 필드 곡률, 왜곡
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색수차(chromatic aberration) 는 파장별 굴절률 차이로 인해 색이 분리되는 현상
- 아크로매틱 렌즈(achromatic lens) 는 서로 다른 유리 재질을 결합해 보정
- 고급 렌즈는 여러 광학 요소(optical elements) 를 조합해
수차·비네팅·플레어를 최소화
결론
- 카메라와 렌즈의 핵심은 빛의 경로를 제어해 이미지를 형성하는 기술
- 셔터를 누르는 순간, 정밀한 광학 설계와 센서가 협력해
빛으로 현실을 기록하는 행위가 이루어짐
Hacker News 의견들
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Bartosz Ciechanowski의 블로그는 예전 Adobe Flash 전성기 시절 웹서핑의 즐거움을 다시 느끼게 함
조작하고 탐색하면서 예상치 못한 반응을 얻는 게 정말 재미있음
과거의 예술적인 플래시 사이트와 비교하는 건 공정하지 않겠지만, 그때의 감정을 그대로 떠올리게 함- 플래시는 SWF로 자급자족 형태의 앱을 내보낼 수 있었던 점이 좋았음
하지만 이런 사이트를 미래에도 보존하는 건 쉽지 않음
PDF로는 WebGL 애플릿이 안 되고, HTML로 내보내는 것도 구조에 따라 오류가 생길 수 있음
50년 후에도 SWF는 에뮬레이터로 돌릴 수 있겠지만, 이런 사이트들은 사라질 수도 있음
혹시 이런 사이트를 보존할 방법이 있을지 궁금함
- 플래시는 SWF로 자급자족 형태의 앱을 내보낼 수 있었던 점이 좋았음
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정말 놀라움
AI의 흔적이 전혀 없고(2020년 글이라 이제 이해됨), 오랜만에 명료하고 우아한 글쓰기를 보는 기분임 -
Bartosz의 기계식 시계 애니메이션도 꼭 봐야 함
Mechanical Watch 페이지에서 볼 수 있음 -
이 사람의 작업은 언제나 대단함
공유해줘서 고마움 -
예전에 올라온 관련 스레드가 있음
Cameras and Lenses – Hacker News 링크 (2020년 12월, 213개 댓글) -
언제나처럼 놀라운 작품임
다만 전자기파를 공간에서 뱀처럼 흔들리는 파형으로 표현하는 건 학생들에게 혼란을 줄 수 있음
전기장과 자기장의 진폭은 시공간에서 진동하지만, 파 자체는 직선으로 이동함
물론 빔 특성에 따라 파벡터에 수직한 방향으로 세기 변화가 생길 수도 있음
나도 더 나은 시각화 방법을 아는 건 아니지만, 많은 사람들이 이 부분을 오해하곤 함- 안테나 종류나 반사까지 고려하면 중첩(superposition) 개념 설명이 더 어려워짐
수신기가 특정 위치에서 감지하는 사인파는 좋은 예시지만, 더 정확히 표현하려면 빛의 세기 변화로 보여주는 게 나음
시간에 따라 빛이 켜졌다 꺼지는 식으로 주파수를 표현하면, 빛의 이동과 에너지 분포를 더 직관적으로 이해할 수 있음
결국 핵심은 빛의 이동성을 시각적으로 드러내는 것임
- 안테나 종류나 반사까지 고려하면 중첩(superposition) 개념 설명이 더 어려워짐
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Bartosz Ciechanowski와 Andrey Karpathy 같은 사람들은 정말 놀라움
다른 사람에게 평생 걸릴 사이드 프로젝트를 이들은 분기마다 하나씩 내놓는 느낌임
대부분의 사람은 창의적이거나 생산적이긴 해도, 두 가지를 동시에 이렇게 해내지 못함 -
사진과 렌즈는 100년 넘게 DIY 실험의 장이었음
그런데 iPhone, Samsung, Pixel 같은 스마트폰 카메라 내부를 직접 만져볼 수 있는 날은 언제 올까 궁금함
(이미 가능한지도 모르겠음, 그냥 물어보는 것임) -
Bartosz의 글을 볼 때마다 하던 일을 멈추고 읽게 됨
단순한 광자 버킷에서 시작해 핀홀, 렌즈 시스템으로 발전시키는 사고의 흐름이 놀라움
특히 혼란 원(circle of confusion) 부분이 인상적이었음
조리개 슬라이더를 직접 움직이며 빛의 원뿔이 좁아지고 흐림이 줄어드는 걸 보는 건, 정적인 텍스트로는 절대 얻을 수 없는 깨달음임
이런 방식이야말로 디지털 교재의 표준이 되어야 함 -
정말 훌륭한 글임
3개 이상의 광학 요소나 현대 렌즈 설계를 다루는 비슷한 자료도 있으면 좋겠다는 생각이 듦