초점 심도

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1. 개요
2. 초점 심도와 피사계 심도
- 2.1. 두 개념의 차이점
3. 초점 심도의 계산
- 3.1. 단일 평면에서의 초점 심도 계산
- 3.2. 배율을 이용한 초점 심도 계산
4. 초점 심도에 영향을 미치는 요인
참조

1. 개요

초점 심도는 렌즈 뒤에서 초점이 맞는 이미지를 생성하기 위해 필름이나 센서가 배치되는 범위를 의미한다. 이는 검안학과 같은 광학 및 기술 분야에서 중요하며, 피사계 심도와는 다른 개념이다. 초점 심도는 조리개가 작을수록 증가하며, 계산 공식과 관련 요인에 따라 달라진다. 천문학에서는 파면 오차를 발생시키는 초점이 맞지 않는 정도를 나타내는 데 사용된다.

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초점 심도
지도 정보
기본 정보
용어	초점 심도
영문명	Depth of focus
설명	광학에서 초점이 맞는 범위 또는 깊이
분야	광학
관련 용어	피사계 심도
정의	광학계의 초점면에서 허용 가능한 흐릿함을 유지하면서 물체를 이동시킬 수 있는 범위 물체의 상이 초점면에서 얼마나 멀리 떨어져도 흐릿하게 보이지 않는지 측정
세부 내용
초점 깊이 범위	광축을 따라 측정되는 허용 가능한 흐릿함의 범위 초점면의 양쪽으로 확장되는 3차원 공간
초점 심도의 영향 요인	렌즈의 f-수 (f/#) 렌즈 초점 거리 이미지 센서의 픽셀 크기 허용되는 흐릿함의 정도
f-수와 초점 심도의 관계	f-수가 클수록(더 어두운 조리개) 초점 심도가 깊어짐 f-수가 작을수록(더 밝은 조리개) 초점 심도가 얕아짐
초점 거리와 초점 심도의 관계	초점 거리가 짧을수록 초점 심도가 깊어짐 초점 거리가 길수록 초점 심도가 얕아짐
픽셀 크기와 초점 심도의 관계	픽셀 크기가 클수록 초점 심도가 깊어짐 픽셀 크기가 작을수록 초점 심도가 얕아짐
허용 흐릿함과 초점 심도의 관계	허용 흐릿함이 클수록 초점 심도가 깊어짐 허용 흐릿함이 작을수록 초점 심도가 얕아짐
활용 분야
현미경	시료의 선명한 이미지 영역에 영향을 미침 미세한 구조를 관찰할 때 중요한 요소
사진술	사진의 선명한 부분의 범위를 결정 피사계 심도와 밀접한 관계를 가짐
영화	촬영 시 초점이 유지되는 범위 조절 특정 장면에서 다양한 시각 효과를 얻을 때 사용
광학 시스템 설계	광학 시스템의 성능을 평가하는 데 사용 렌즈 설계 시 초점 심도 고려
추가 정보
계산식	초점 심도 = 2 × 허용 착란원 크기 × f-수
주의 사항	초점 심도는 피사계 심도와 혼동되기 쉬움
피사계 심도와의 차이점	피사계 심도는 물체가 초점이 맞는 범위 초점 심도는 상이 초점이 맞는 범위

2. 초점 심도와 피사계 심도

초점 심도와 피사계 심도는 사진 및 영상 촬영에서 혼용되기도 하지만, 서로 다른 개념이다. 초점 심도는 렌즈 뒤, 즉 필름면이나 센서가 허용 가능한 초점을 유지하며 움직일 수 있는 범위를 의미하며, 주로 밀리미터의 분수 또는 1/1000인치와 같은 미세한 단위로 측정된다. 반면 피사계 심도는 렌즈 앞, 즉 피사체가 허용 가능한 초점을 유지하는 범위를 의미하며, 주로 미터나 피트와 같은 거시적 단위로 측정된다.^[1]

초점 심도는 때때로 피사계 심도를 지칭하기 위해 잘못 사용되기도 하지만, 실제로는 렌즈 뒤쪽 영역, 즉 필름면이나 센서가 배치되어 초점이 맞는 이미지를 생성하는 위치를 가리킨다.^[1]

초점 심도는 단일 물체 평면이 선명한 초점을 유지하는 동안 이미지 평면이 움직일 수 있는 거리, 또는 피사계 심도의 이미지 측 공액(conjugate)을 의미하기도 한다. 전자의 경우 초점 심도는 이미지 평면에 대해 대칭적이지만, 후자의 경우 대부분 거리가 비슷하지만 이미지 평면의 먼 쪽에서 초점 심도가 더 크다.^[1]

2. 1. 두 개념의 차이점

초점 심도는 이미지 평면(필름 또는 센서)이 위치할 수 있는 범위와 관련된 개념으로, 렌즈 뒤 영역에서 초점이 맞는 이미지를 생성하기 위해 필름면이나 센서가 배치되는 곳을 의미한다.^[1] 반면, 피사계 심도는 렌즈 앞 영역에서 초점이 맞아 보이는 피사체의 위치와 관련된 개념이다.^[1]

초점 심도는 주로 광학적, 기술적 측면에서 중요하며, 피사계 심도는 촬영 결과물의 심미적 측면에서 중요하다.^[1]

초점 심도는 보통 밀리미터의 분수 또는 1/1000인치와 같은 미세한 단위로 측정되지만, 피사계 심도는 미터나 피트와 같은 거시적 단위로 측정되는 경우가 많다.^[1]

피사계 심도와 초점 심도는 모두 조리개가 작을수록 증가한다. 원거리 피사체의 경우, 고정된 f값에서 초점 심도는 초점 거리와 피사체 거리에 비교적 민감하지 않다. 하지만 매크로 영역에서는 초점 심도가 초점 거리가 길어지거나 피사체 거리가 가까워짐에 따라 증가하는 반면, 피사계 심도는 감소한다.^[1]

3. 초점 심도의 계산

초점 심도는 특정 공식에 의해 계산될 수 있다.^[6] 이와 관련된 계산식은 하위 섹션에서 자세히 설명한다.

천문학에서 초점 심도 $\Delta f$ 는 $\pm \lambda/4$ 파면 오차를 발생시키는 초점이 맞지 않는 정도이며, 다음 식으로 계산할 수 있다.^[4]^[5]

: $\Delta f = \pm 2 \lambda N^2$ .

3. 1. 단일 평면에서의 초점 심도 계산

초점 심도(''t'')는 다음 공식을 통해 계산할 수 있다.^[6]^[1]

:

t = 2Nc \frac{v}{f},

여기서 ''t''는 총 초점 심도, ''N''은 렌즈 F수, ''c''는 착각원, ''v''는 상의 거리, ''f''는 렌즈 초점 거리이다. 대부분의 경우, 상의 거리(피사체 거리와 혼동하지 말 것)는 쉽게 결정되지 않는다. 초점 심도는 배율 ''m''으로도 나타낼 수 있다.

:

t = 2Nc (1 + m).

배율은 초점 거리와 피사체 거리에 따라 달라지며, 때로는 추정하기 어려울 수 있다. 배율이 작을 때는 다음과 같이 간소화된다.

:

t \approx 2Nc.

이 간단한 공식은 계산이 훨씬 쉽고, 많은 경우 정확한 공식과의 차이가 미미하기 때문에 지침으로 자주 사용된다. 또한, 간단한 공식은 항상 보수적인 쪽으로 오차를 범한다(즉, 초점 심도는 계산된 값보다 항상 크다).

역사적인 관례에 따라, 혼동원은 때때로 1000으로 나눈 렌즈 초점 거리로 간주된다.^[2]^[3] 이 공식은 초점 거리가 포맷 크기를 나타내는 일반 렌즈(광각 또는 망원 렌즈와 대조적으로)의 경우에 가장 의미가 있다. 이러한 관행은 현재 사용되지 않으며, 혼동원을 포맷 크기(예: 대각선 길이를 1000 또는 1500으로 나눈 값)를 기준으로 하는 것이 더 일반적이다.^[3]

천문학에서 초점 심도

\Delta f

는

\pm \lambda/4

파면 오차를 발생시키는 초점이 맞지 않는 정도이다.^[4]^[5]

:

\Delta f =  \pm 2 \lambda N^2

.

3. 2. 배율을 이용한 초점 심도 계산

초점 심도는 배율 ''m''으로도 나타낼 수 있다.

:

t = 2Nc (1 + m).

배율은 초점 거리와 피사체 거리에 따라 달라지며, 때로는 추정하기 어려울 수 있다. 배율이 작을 때는 다음과 같이 간소화된다.^[1]

:

t \approx 2Nc.

이 간단한 공식은 계산이 훨씬 쉽고, 많은 경우 정확한 공식과의 차이가 미미하기 때문에 지침으로 자주 사용된다. 또한, 간단한 공식은 항상 보수적인 쪽으로 오차를 범한다(즉, 초점 심도는 계산된 값보다 항상 크다).

4. 초점 심도에 영향을 미치는 요인

초점 심도는 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 피사계 심도와 초점 심도를 결정하는 요소는 동일하지만, 이 요소들이 미치는 영향은 다를 수 있다.

'''조리개:''' 조리개가 작을수록(조리개 값을 크게 할수록) 피사계 심도와 초점 심도가 모두 증가한다.
'''초점 거리와 피사체 거리:''' 매크로 촬영이 아닌 경우, 고정된 f값에서 초점 심도는 초점 거리와 피사체 거리에 상대적으로 민감하지 않다.
'''혼란원(착란원):''' 소형 카메라에서는 더 작은 혼동원 한계로 인해 초점 심도가 비례적으로 작아진다.
'''렌즈 뒤 필터:''' 렌즈 뒤에 젤(gels)이나 기타 필터를 배치하면 광학 경로가 바뀌어 초점면이 이동한다.

4. 1. 조리개

조리개가 작을수록(조리개 값을 크게 할수록) 피사계 심도와 초점 심도가 모두 증가한다. 멀리 있는 피사체(매크로 범위 너머)의 경우, 고정된 ''f''값에서 초점 심도는 초점 거리와 피사체 거리에 상대적으로 민감하지 않다. 매크로 영역에서는 초점 거리가 길거나 피사체 거리가 가까울수록 초점 심도가 증가하는 반면, 피사계 심도는 감소한다.

4. 2. 초점 거리와 피사체 거리

매크로 촬영이 아닌 경우, 고정된 f값에서 초점 심도는 초점 거리와 피사체 거리에 상대적으로 둔감하다. 매크로 촬영에서는 초점 거리가 길거나 피사체 거리가 가까울수록 초점 심도가 증가하고, 피사계 심도는 감소한다.

4. 3. 혼란원 (착란원)

소형 카메라에서는 더 작은 혼동원 한계로 인해 초점 심도가 비례적으로 작아진다. 영화 카메라에서는 서로 다른 렌즈 마운트와 카메라 게이트 조합에 렌즈가 보정되는 정확한 플랜지 초점 거리 측정값이 있다.

4. 4. 렌즈 뒤 필터

렌즈 뒤에 젤(gels)이나 기타 필터를 배치하면 광학 경로가 바뀌어 초점면(focal plane)이 이동한다. 따라서 초점 심도가 더 깊어져 변화량을 무시할 수 있도록 보정하기 위해 렌즈 조리개를 조여야 하는 경우가 많다. 35mm 영화 영화 제작(filmmaking)에서는 렌즈가 25mm보다 넓으면 렌즈 뒤에 필터를 사용하지 않는 것이 좋다고 권장된다.

참조

_[1] 서적 Larmore 1965
_[2] 서적 Larmore 1965
_[3] 서적 Ray 2000
_[4] 서적 McLean 2008
_[5] 서적 Lipson, Lipson, and Lipson 2010
_[6] 서적 Larmore 1965

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