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최근 디지털 카메라와 관련해서 ‘지그재그 배열’, ‘크로스센서’등의 DSLR 전문용어를 자주 듣게 된다. 한 번이라도 보거나 들은 적은 있지만 사실 뭐가 어떻게 되어 있는지 잘 모르는 분이 많은 것이 사실이다. 그래서 이번 [특집1]에서는 알기 쉽게 3D 일러스트를 중심으로 ‘AF’, ‘이미지센서’, ‘라이브뷰’, ‘계조보정과 다이나믹 레인지’ 관련 기술용어를 지금부터 완전정복한다.
P.28 AF 초점 조작 방법의 이해
수많은 시행착오 끝에 찾아낸 이상적인 AF, ‘위상차 AF’
최신 DSLR에 라이브뷰 기능이 탑재되면서 자주 듣게 되는 말이 바로 ‘위상차 AF’ 다. ‘위상차 AF’란 AF SLR 카메라에서 전통적으로 채용돼 온 광학식 AF 시스템을 말한다. 라이브뷰에서 채용하고 있는 ‘콘트라스트 AF’와 구별되기 때문에 최근 다시 주목 받고 있다. 그러나 의외로 ‘위상차 AF’가 어떤 구조로 되어 있는지는 그다지 알려져 있지 않다. 그래서 다시 한번 AF(Auto Focus, 자동초점 조절 기능)에 대해 원점으로 되돌아가 각 AF 방식의 차이점에 대해 자세히 이야기해 보겠다. AF는 카메라의 이상적인 기능으로써 예전부터 다양한 시도가 이루어졌다. AF 기능이 탑재된 세계 최초의 카메라는 1977년에 발매된 35mm 컴팩트 카메라 ‘코니카 C35AF(일명: 쟈스핀 코니카)’였다.
이 카메라는 미국 하니웰(Honeywell)사가 개발한 레인지 파인더와 같은 삼각측량의 원리를 응용한 AF 모듈(Visitronic)을 탑재했다. 이 구조는 촬영 렌즈와는 따로 있는 두 개의 측거창 가운데 하나의 창에 있는 미러는 고정하고, 다른 하나의 측거창의 미러는 렌즈의 전후 이동과 연동해 회전하게 되어 있다. 이 두 창에서 얻어진 피사체의 상을 전자적으로 검출해 비교 일치한 시점에서 미러와 렌즈의 움직임을 정지하는 것이었다.
한편 폴라로이드에서는 피사체를 향해 초음파를 발사해 돌아올 때까지의 시간에 따라 피사체까지의 거리를 측정하는 음파 탐지기 방식을 개발했다. 또 캐논에서는 삼각측량의 원리는 같지만 하나의 측거창으로부터 근적외광을 피사체에 비추고 다른 하나의 측거창에서 그 반사광을 검출해, 거기서 얻어진 조사각으로부터 피사체까지의 거리를 산출하는 방법이 고안돼 실용화됐다. 이후에도 이러한 AF 방식은 계속 발전해 컴팩트 필름 카메라 시대로 계승됐다.
한편 SLR의 AF화는 컴팩트 카메라보다 높은 정밀도가 요구되기 때문에 시행착오를 거듭했다. 초기에는 렌즈 자체에 삼각측량 방식의 측거 기능과 내장 모터에 의한 초점 조절 기능을 탑재했다. 또는 바디 내에 피사체의 콘트라스트를 검지하는 AF센서를 배치해 모터가 내장된 렌즈를 구동해 콘트라스트가 가장 높아진 위치에서 초점을 맞추는 콘트라스트 AF 방식을 채용한 것도 있었다.
그러나 둘 다 렌즈의 사이즈가 비정상적으로 커지거나 AF동작이 느려 널리 보급되진 않았다. 이런 상황 아래에서 1985년에 MF방식의 카메라와 변함없는 스마트하고 컴팩트한 외관과 고속, 고정밀도로 동작하는 획기적인‘위상차 AF’방식을 채용한 미놀타의 a-7000이 전격 등장했다. a-7000의 AF는 AF속도, 초점 정밀도 모두 이상적인 AF를 실현하고 있다는 점에서 큰 인기를 얻어 곧 베스트셀러가 됐다. 뿐만 아니라 a-7000은 카메라 업계에 엄청난 충격을 안겨 다른 AF 방식은 종적을 감췄고, AF SLR에서는 모두 위상차 AF방식을 채용하게 됐다.
AF속도가 월등히 빠른 위상차 AF가 현재 주류
SLR에서는 초망원렌즈 또는 매크로렌즈 사용 시 피사체까지의 거리를 측정해도 측거 결과와 실제의 초점 위치를 정확하게 일치시키는 것은 정밀도상 매우 어렵다.
그래서 교환 렌즈의 종류에 관계없이 촬영렌즈를 통과한 빛이 AF 가능한 방식으로 초점 위치에서 상의 콘트라스트를 검출해 피크를 구하는‘콘트라스트 AF’와 촬영 렌즈를 통과한 광속을 둘로 분할 투영해서 두상의 위치 관계에 의해 초점의 피크를 얻는 ‘위상차 검출 방식’이 고안됐다. 그러나 AF 속도면에서 위상차 검출 방식이 월등했기 때문에 현재 DSLR의 주류는 ‘위상차 AF’를 채용하고 있다.
위상 간격을 항상 판단해 초점 조작을 고속 처리
위상차 AF의 구조는 카메라의 렌즈를 통과한 광속을 초점면의 후방에서 둘로 분할해 각각 다른 라인 센서에 결상시키면 두피사체상(위상)의 간격이 초점 위치에 따라 변화한다. 초점이 맞는 위치를 기준으로 하면 전핀의 경우에는 상 간격이 좁고, 후핀의 경우에는 상 간격이 넓어지는 성질을 이용해 초점을 맞추는 것이다. 이 방식으로 수많은 교환 렌즈가 있는 SLR시스템에 대해 어느 렌즈에서도 같은 요령으로 초점 조작을 실시할 수 있는 것이고, 피사체상(위상)의 간격에 따라 포커스링을 어느 방향으로 움직일지를 순간적으로 판단할 수 있어 AF 속도를 고속화시키는 것이 쉬워진다.
또한 측거점의 다점화나 동체추적 기능 등 AF의 부가 기능에 대한 적응성도 뛰어나 위상차 AF가 실용화된지 20년 이상이 흐른 오늘날 50point가 넘는 측거점을 가진 놀라운 DSLR 출시로 이어졌다. 최근 DLSR은 F-1 스포츠카, KTX 등 고속으로 이동하는 피사체를 추적하는 위상차 AF 능력을 갖추게 됐다.
F2.8 대응 센서는 F5.6 대응 센서보다 고정밀 AF 가능
F2.8 대응 센서는 촬영 렌즈의 조리개가 F2.8 시의 광속을 이용하고, F5.6 시의 광속을 이용하는 F5.6 대응 센서보다 촬영렌즈 바깥쪽의 광속을 이용하기 때문에 초점 이동 시의 위상 변화량은 F5.6 대응 센서의 약 2배(좌측의 일러스트 내 A와 B의 차이)가 된다. 때문에 같은 화소수의 라인센서에서는 정밀도 더 높은 AF가 가능하게 된다.
가로선·세로선 모두 대응하는크로스 라인 센서
위상차 AF의 원리는 앞서 말한대로 광속을 두 개로 분할해 피사체상을 투영한 두라인 센서로부터 얻은 정보를 비교하는데, 라인 센서를 가로 방향으로 레이아웃한 싱글 라인 센서는 피사체의 세로선은 잘 검출하지만 가로선은 서투르다.
또 라인 센서가 세로로 레이아웃 된 싱글라인 센서는 피사체의 가로선은 잘 검출하지만 세로선은 검출하기 어렵다. 그래서 하나의 측거점에 가로세로 모두 싱글 라인 센서를 배치하는 것으로 피사체의 가로선·세로선 모두에 대응할 수 있도록 한 것이 크로스 라인 센서다. 기존에는 중앙에만 크로스 라인 센서로 하고 있던 기종이 많았지만 최근에는 AF의 고성능화가 진행되면서 모든 측거점을 크로스 라인 센서화한 기종도 나왔다.
기종에 따라서는 새로운 고정밀도를 추구한 올림푸스 E-3처럼 11point의 측거점 전부를 크로스 라인 센서화할 뿐만 아니라 모든 센서를 지그재그 배열로 한 것도 있다. 캐논 EOS 1Ds MarkⅢ 처럼 19point의 크로스 라인 센서 중 세로선 검출 센서를 모두 F2.8 광속 대응 센서로 하고, 가로선 검출 센서를 모두 F5.6 광속 대응 센서로 해서 2종류의 센서를 조합한 크로스 라인 센서를 채용한 경우도 있다.
피사체의 미세한 부분까지 포착할 수 있는 지그재그 배열
AF센서에는 이미지 센서와 같은 CCD, CMOS가 채용되고 있는데, 어느 경우라도 화소피치가 미세해지면 감도가 낮아지거나 S/N 비가 나빠지는 경향이 있는 것은 이미지센서와 같다. 하지만 화소피치를 미세하게 하는 만큼 피사체의 분해능력을 올릴 수 있으므로 AF 정밀도가 향상되게 된다. 그러므로 얼마나 화소피치를 미세하게 하면서 화소의 감도나 S/N비를 향상 시킬지가 AF센서의 성능면에서의 과제라고 할 수 있다. 그 한 가지 방법으로 화소피치를 미세하게 하면서 동시에 화소의 감도나 S/N 비를 향상시키는 것을 생각할 수 있다.
이미지센서의 진화를 보면 알 수 있듯이 이미지센서의 감도나 S/N비는 그렇게 간단하게 향상시킬 수 없다. 그래서 실용화된 것이 두 라인 센서를 1/2 화소씩 비켜 놓아 배치하는 지그재그 배열로, 약 2배의 해상도를 얻는 방법이다. 이와 같은 구조는 이전부터 스캐너 등의 라인 센서의 해상도를 올리는 방법으로 사용되고 있어 비교적 대중적인 방법이라고 할 수 있다. 이 방법이라면 화소 사이즈는 이전과 같아서 화소의 감도와 S/N비를 유지하면서 해상도만 약2배로 하는 효과가 있으므로 AF 정밀도를 매우 효과적으로 향상시킬 수 있다. 그렇지만 지그재그 배열에서는 화소수가 약 2배로 증가하는 만큼 AF 정보의 처리도 약 2배의 파워가 필요하게 되므로 채용 기종은매우 일부로 한정되고 있다.
올림푸스 E-3에서는 AF의 연산 처리 전용의 AF엔진을 설치해 모든 점에서 트윈 크로스 센서를 실현하고 있다. 그러나 지그재그 배열은 동일 메이커간의 AF센서 비교에서는 성능면의 기준이 되지만 각 메이커의 AF센서의 화소수, 화소피치, 해상도 등이 공표되어 있는 것은 아니기 때문에 지그재그 배열의 유무가 그대로 메이커간의 AF센서의 성능 차이가 된다고는 할 수 없으므로 주의가 필요하다.
Q. AF 영역을 화면 주변부까지 사용할 수 없는 이유는 무엇입니까?
A(메이커). 위상차 AF에서는 메인 미러의 뒤에 배치한 서브 미러로 AF 유닛에 빛이 도달하게 하고 있습니다. 서브 미러로 반사할 수 없는 주변부는 측거할 수 없는 영역이 되기 때문입니다(올림푸스).
AF 영역을 화면 주변부까지 사용하기 위해서는 메인 미러나 서브 미러, AF센서를 각각 크게 하지 않으면 안되고 카메라 사이즈와의 밸런스가 문제가 되기 때문입니다(캐논).
AF센서 모듈에 촬영 렌즈로부터의 광속을 이끌기 위한 물리적인 제약과 초광각에서 초망원까지의 다양한 촬영 렌즈에 대응하기 위한 광학적인 제약이 있기 때문입니다(니콘).
기구상 서브 미러의 크기에 의존하고 있어 현재로서 전면 배치는 불가능합니다(펜탁스).
A(스기모토). SLR의 경우 광학 파인더에 빛을 보내는 메인 미러가 가장 중요해지므로 미러 업 동작 등을 고려하면 아무래도 서브 미러는 메인 미러보다 작아질 수밖에 없다. 때문에 AF 영역이 어느 정도 제한되는 것은 어쩔 수 없는 부분이다. 만일 서브 미러를 대형화 해 화면 주변부까지 측거점이 배치 가능케 됐다고 해도 촬영 렌즈의 화면 주변부의 화질, 나아가 AF 광학계를 포함한 화면 주변부의 화질이 문제가 되기 때문에 실용적인 AF시스템이 될지는 의문이 남는다.
캐논 EOS 1D MarkⅢ의
AF 영역 배치도
Q. 측거점을 다점화하면 어떤 장점과 단점이 있습니까?
A(메이커). 장점은 구도에 전념할 수 있다는 점입니다. AF 잠금을 이용하지 않고도 간단히 AF 촬영을 할 수 있어 더욱 편리합니다. 단점은‘다점으로 하면 AF 속도가 느려지고, 주변 AF 영역의 AF 정밀도가 낮다’는 것이 일반적인 인식이라고 생각합니다(올림푸스).
움직이는 피사체 포착 능력이 높아지는 것이 장점입니다. 또 구도를 정하고 AF하는 경우에 카메라가 흔들리는 빈도를 줄일 수 있습니다. 단점은 원리적으로 AF 광학 모듈의 사이즈가 커지거나 주변 영역의 AF 성능이 중앙 영역에 비해 불리하게 되는 경우도 있습니다(소니).
장점은 정지한 피사체에서는 초점을 맞추고 싶은 위치에서 보다 정확하게 측거점을 선택할 수 있다는 것입니다. 동체에서는 주변의 측거점 정보를 이용하면 피사체를 면으로 파악하는 것이 가능해집니다. 반면 단점은 연산량이 증가하는 등 개발 설계상의 제약 사항이 증가하는 것입니다(니콘).
A(스기모토). 촬영 시의 구도 그대로 AF가 가능하게 되는 것보다 좋은 것은 없기 때문에 측거점은 많으면 많을수록 미세한 장소의 지정을 할 수 있어 편리할 것이다. 다만 측거점의 지정이 번거롭지 않도록 조작성을 연구할 필요가 있다. 또 측거점이 많아질수록 AF의 연산 처리가 방대해지는 데다가 고려해야 할 요소가 더 복잡해지므로 고속이면서 파워풀한 AF 엔진이 필요하다. 화면 주변부의 AF정밀도를 확보하기 위해 AF광학계에도 조금 연구가 필요할 것이다.
니콘 D3의 AF 영역 배치도
Q. AF 스피드는 무엇에 의존합니까?
A(메이커). ‘AF센서가 빛을 축적하는 시간’과‘AF센서에서 데이터를 읽어내는 시간’, ‘디포커스량을 산출하는 시간’, ‘초점을 맞추기 위한 렌즈 제어 시간’등을 들 수 있습니다(올림푸스).
AF용 CMOS센서의 성능, AF용 CPU의 연산 능력, 렌즈 구동 속도등 여러 요인이 있습니다(캐논).
피사체의 콘트라스트 차와 렌즈의 위치, 피사체와의 거리에 의존합니다. 콘트라스트 차가 크고 렌즈의 투입량이 작으면 일반적으로 속도는 빠릅니다(펜탁스).
A(스기모토). 느낌상 AF의 스피드는 렌즈의 동작 속도에 따른 부분이 크다고 느껴 지는데 이는 카메라 내에서의 AF처리가 충분히 빠른 경우의 이야기다. 실제로는 AF센서의 반응, 연산 속도, 통신 속도, 렌즈의 동작 속도와 투입량, 피사체의 콘트라스트 등 AF동작에 관련하는 모든 요소가 복잡하게 얽혀 있다. 이것에 동체 예측 AF나 연속 촬영의 요소가 더해지면 카메라의 연속 촬영 능력이나 미러의 안정 시간, 디지털 부분의 처리 능력 등 카메라의 종합력까지 관계 된다.
Q. AF의 정밀도는 무엇에 의존합니까?
A(메이커). 기본적인 정밀도는 AF 유닛의 설계로 정해집니다. 필요한 정밀도에 맞춰 화소수, 화소피치 등의 센서 구성, AF광학계의 구성을 설계합니다. 또‘센서가 빛을 축적할 때의 축적 제어’, ‘촬영 환경 또는 교환 렌즈에 따른 보정’등 디포커스량을 검출하는 알고리즘도 중요한 요인입니다. 교환 렌즈에 있어서의 렌즈 제어의 정밀도는 잊어서는 안되는 요소입니다(올림푸스).
AF 광학계(세퍼레이터 렌즈 등)의 설계와 부품 정밀도, AF센서의 성능(화소수, 노이즈 성능 등), AF 알고리즘(초점의 연산 방법이나 판정방법 등)에 의존하는 것 외에 교환 렌즈의 구동 정밀도, 광학 성능 등 다양한 요소가 영향을 미칩니다(소니).
A(스기모토). AF의 초점 정밀도는 AF센서의 해상도나 연산의 알고리즘, 각 렌즈의 특성이나 광원 특성에 맞춘 보정, 렌즈 제어의 정밀도를 어디까지 높일지, 카메라나 렌즈 자체의 조립 정밀도와 각각의 불균일을 보정하는 구조 등 모든 부분의 정밀도, 조정의 정확함에 의존하고 있다고 할 수 있다. 예를 들어 렌즈 제어의 정밀도와 AF 속도는 상충관계에 있으므로 균형을 어떻게 잡을지와 각각의 렌즈나 바디의 불균일을 어떻게 보정할지도 최종적인 정밀도를 결정하는데 중요하다
Q. AF에 렌즈 고유의 데이터(구면 수차 등)를 반영하고 있습니까?
A(메이커). 렌즈 고유의 데이터를 교환 렌즈에 내장하고 있습니다(올림푸스).
A(스기모토). 촬영 렌즈에는 구면 수차, 색수차, 왜곡 수차 등 다양한 수차(결점)가 있지만 그 중 AF에 큰 영향을 주는 것이 구면수차다. 구면 수차는 구면 렌즈에 대해 렌즈의 중앙부를 지나는 빛과 주변부를 지나는 빛의 초점이 어긋나는 현상으로 실제의 촬영 렌즈에서는 조리개 값에 의해 초점 위치가 미묘하게 변하는 초점 이동이 일어난다. 이 때문에 AF렌즈에서는 각 렌즈의 조리개 값에 따른 초점 이동을 비롯한 렌즈 개개의 보정 데이터를 렌즈 내의 ROM에 내장하고 있다. 카메라 측에서는 이 데이터를 읽어 들여 최종적인 초점 위치를 미세 조정해 정밀도를 더욱 높이고 있다.
Q. 다점으로 측거점을 자동 선택할 경우 측거점을 선택하는 우선 사항은?
A(메이커). 촬영거리, 초점거리, 거리 분포 등의 장면을 판별한 다음 종합적으로 선택 영역을 결정하고 있습니다. 기본적으로는 카메라에 가장 가까운 피사체를 우선하도록 제어하고 있지만 조건에 따라 중앙 영역을 우선하는 경우도 있습니다(소니).
D3, D300에서는 피사체 판별 기능을 갖추고 있기 때문에 인물이 있는 경우에는 인물에게 초점을 맞추기 쉽습니다. 이외에는 특정 사물이나 특정 조건에서의 우선 사항은 특별히 없습니다(니콘).
A(스기모토). 최근에는 보급기에서도 다점 측거가 실현되고 있는데 측거점을 자동선택으로 했을 경우 무엇을 우선해 초점을 맞추고 있는가는 카메라를 잘 다루기 위해 알아 두고 싶은 포인트다. 이 점은 AF 세팅의 노하우 부분이기도 하므로 비공표된 메이커도 있지만 대개 가까운 거리 우선 또는 중앙 가까이의 측거점을 우선하는 경우가 많은 듯 하다. 또한 니콘은 업계에서 가장 먼저 장면 인식 기술을 도입하고 있어 인물이 있는 경우는 인물을 우선하는 것 같다.
Q. 광원에 의해 초점은 어긋납니까?
A(메이커). 광원에 의해 피사체의 색온도가 변화하면 교환 렌즈의 색수차에 의해 초점 위치가 어긋나는 경우가 있습니다. 광원의 영향을 받는 AF 유닛은 광원에 의한 어긋남을 보정하는 기능을 탑재했습니다(올림푸스).
최근 기종에서는 특수 광원 아래에서 발생하는 극히 몇 안 되는 초점의 어긋남을 자동 보정하는 기능을 탑재했습니다(캐논).
특히 색이 치우친 광원을 사용했을 경우에는 원리적으로 어긋나는 경우가 있습니다. a의 AF시스템에서는 일반적인 광원에서는 촬영에 지장이 되지 않는 레벨이 되도록 AF 광학 설계를 최적화했습니다(소니).
기본적으로 AF 시와 촬영 시의 광원이 같으면 어긋나지 않습니다(니콘).
광원의 파장에 의해 어긋남은 생깁니다. 보통의 광원이면 자동으로 보정하는 구조를 도입하고 있습니다(펜탁스).
A(스기모토). 과거를 예로 들면 형광등 아래나 조리개 개방 부근에서 AF 정밀도 테스트를 하면 후핀 경향이 되는 기종이 있었지만 최근에는 광원에 의한 초점의 불균일을 보정하는 기능을 갖춘 기종이 많아졌다. 광원에 의해 초점이 어긋나는 원인 중 하나는 촬영 렌즈의 색수차(축상색수차)로, 광원에 적색 성분이 많은지 청색 성분이 많은지에 따라 초점 위치가 미묘하게 어긋난다. 또 하나는 AF 유닛의 광학계의 색수차도 영향을 미친다. 대책으로는 AF센서의 앞에 적외선 컷 필터를 설치하거나 광원의 분광 분포에 따라 초점위치를 보정하는 등의 기능이 사용되고 있다.
인공 광원도 종류가 다양하다.
스기모토 도시히코가 생각하는 꿈의 ‘AF’
▶ 위상차 AF와 콘트라스트 AF의 하이브리드(Hybrid)화
▶ 피사체를 인식시켜 측거점, AF 모두 자동 추적 가능
▶ 라이브뷰 이미지에서 위상차 AF의 측거점을 선택
위상차 AF와 콘트라스트 AF의 하이브리드형을 제안한다. 향후 라이브뷰 기능이 보급됨에 따라 콘트라스트 AF의 강화가 예상된다. 한편으로 위상차 AF 방식으로는 여러 가지 제약이 있지만 피사체의 위상차만으로 렌즈의 구동 방향이나 초점 위치의 예측까지를 순간적으로 판단할 수 있는 장점이 있다. 그래서 이상적인 AF로서의 촬영 방식은 라이브뷰에 의한 콘트라스트 AF를 주체로 위상차 AF로 지원하는 하이브리드(Hybrid)AF를 제안하고 싶다. 광학 파인더는 생략하고 하프 미러 앞면은 위상차 AF로 하고, 하프 미러를 통과한 빛으로 라이브뷰를 한다. 렌즈의 초기 동작이나 동체 예측은 위상차 AF로, 초점 판단과 피사체 인식은 콘트라스트 AF로 판단한다.
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