카메라 조작법과 작동원리

카메라 조작법과 작동원리

김진국

카메라는 풍경, 동물, 식물, 사람, 사물 등의 상을 종이나 회면에 나타내는 장치이다.
카메라(Camera)라는 명칭은 아치 모양의 방(arched chamber)을 의미하는 라틴어에서 유래되었으며 사진(포토그라피, Photography)이란 용어는 1839년 허셀(John Frederick William Herschel, 1792 ~ 1871 천문학자, 영국)이 처음 사용하였다.

1. 카메라 조작법

카메라의 왕초보자라면 복잡한 매뉴얼을 모두 숙지하고 카메라를 사용한다는 것은 어렵다.
사용하면서 매뉴얼도 보고 이것, 저것 읽어 원리를 터득하여 자기 것으로 만들어야 할 것이다.

가. 카메라를 떨어뜨리거나 파손되지 않도록 안전하게 잡고 무리한 힘을 가하지 말아야 한다.

나. 카메라를 작동하게 한다. 즉 파워(power) 스위치를 켠다.

다. 무엇을 찍을 건지 대상을 정하고 표준렌즈로 찍을 건지 광각으로 찍을 건지 망원렌즈로 찍을 건지 결정해서 렌즈를 선택해야 한다.

라. 찍을 대상을 어디에 위치하게 할 것인지 구도를 잡는다.
황금분할을 이용하지만 대충 주요 대상을 가로나 세로의 2/3 지점쯤에 위치시키면 된다. 예를 들어 사람을 대상으로 할 때 완전 정면으로 찍는 것이 아니면 그 사람의 눈이 향하는 쪽이 2/3, 등 쪽이 1/3 되도록 한다. 특히 사람을 찍을 때는 팔이 잘려 나가거나 발목이 잘리지 않게 주의해야 한다. 상반신을 찍거나 무릎 위를 찍는 것은 예외다.
수평선이나 지평선도 2/3나 1/3에 오도록 하며 화면이 반으로 갈라지지 않도록 하면 된다.

마. 거리 조절링으로 초점을 맞춘다.
대상이 가운데 있지 않으면 대상을 가운데 두고 초점을 맞춘 후 구도를 잡는다.

★자동 포커스가 아닌 경우 초점을 정확히 맞추지 않으면 사진이 흐려져 쓸 수 없게 된다.

바. 광량을 조리개와 셔터스피드로 조절하여 맞춘다. 자동으로 먼저 측정해서 감을 잡고 원하는 노출을 하면 된다(자동에서 반 셔터를 누르면 화면에 정보가 나타난다).

★주의할 점은 셔터스피드가 1/60초, 1/30초와 같은 느린 속도에서 찍지 않도록 해야 한다. 전문가는 1/30초에서도 찍을 수 있지만 1/60초 이상으로 느려지면 보통 사람은 셔터를 누를 때 카메라가 흔들려서 상이 흐려진다. 셔터스피드가 1/125초 이하로 하여 찍도록 하는 것이 좋다.

사. 반 셔터(셔터를 약간 누르는 것)로 광량 등 모든 정보를 확인한다.

아. 반 셔터에서 숨을 멈추고 셔터를 누르는 손가락의 힘을 빼고 서서히 셔터를 누른다.

★여기서 제일 중요한 것이 셔터를 누르는 것이다. 세게 누르면 카메라가 흔들려서 구도가 바뀌고 상이 흐려진다. 상이 흐려지면 어떻게 수정할 방법이 없다.
셔터는 자동이 없으며 삼각대를 사용할 경우 셀프타이머(self-timer)나 호환되는 무선의 리모컨 릴리즈(Release)와 긴 줄로 된 케이블 릴리즈(Release)를 사용할 수 있다.

2. 카메라의 역사

카메라의 어원은 라틴어 ‘카메라 옵스큐라(Camera Obscura)’인데 카메라는 ‘방’, 옵스큐라는 ‘어둠’을 뜻한다. 사면이 막힌 어두운 방 속에서 밖을 향하는 쪽의 벽에 작은 구멍을 내어 그 반대편 벽에 밖의 경치가 상으로 맺히게 하였는데 이것이 사진의 시작이다.
최초 기록으로는 아리스토텔레스가 일식 확인용으로, 다음에는 화가가 풍경화의 밑그림을 그리기 위해 사용하였다 한다.
사람의 눈은 색을 구별할 수 있을뿐만 아니라 다른 기능도 대체로 다른 동물의 눈보다 우수하지만 만능은 아니다.
사람의 눈은 너무 밝아도, 어두워도 볼 수 없고 멀리도 볼 수 없으며 지각하는 속도도 느리며 너무 가까이 있는 두점은 한점으로 보이고(최소시각, 최소 분해각, 最小分解角, limiting resolving angle) 또 가까이 있는 색은 구별이 않되고 혼합(청색과 녹색은 혼합되어 노랑색으로 보임)되어 보이는 등 한계가 있다.
옵스큐라(Camera Obscura)의 원리는 작은 어둠상자의 한 면에 빛이 들어오는 바늘구멍을 뚫고 반대편에서 거리를 맞추어 보면 거꾸로 선 상이 비춰 보인다.
그 원리는 다음과 같다.
어떤 물체가 광원으로부터 빛을 받으면 받은 빛의 일부를 반사킨다.
그런데 물체에서 반사되는 빛은 대부분 난반사로 한점에서 반사된 빛이 다시 한점에 모이기는 어렵다.
어떤 물체의 상이 맺히기 위해서는 물체의 한점에서 반사된 빛이 한점으로 보이는 최소시각(최소 분해각, 最小分解角, limiting resolving angle) 내의 점에 다른 점보다 더 많이 모이거나 더 적게 모이고 그 차이를 눈이 구별할 수 있는 한계 이상이어야 한다.
물체에 광을 빛추어 빛을 바로 스크린에 반사시키면 상이 맺히지 않는다. 물체에서 난반사된 빛이 이론상 수많은 상을 만든다 해도 서로 겹쳐 빛의 혼합으로 의미있는 상은 맺혀지지 않는 것이다.
그런데 물체와 스크린 사이를 가리고 작은 바늘 구멍으로만 빛을 통과 시키면 스크린에 상이 맺힌다.
그것은 상을 맺게 하는데 주위에서 혼합되어 방해하는 대부분의 빛을 차단하였으므로 물체의 한점에서 구멍으로 들어간 빛이 스크린에 빛치면 통과한 빛이 약하드라도 최소시각(최소 분해각, 最小分解角, limiting resolving angle) 내의 빛은 합쳐져 주위에 다른 빛이 없으므로 우리 눈은 약하지만 한점으로 느끼게 되고 전체는 희미한 상이 되는 것이다.
이때 상은 도립상이 된다.
상을 더 똑똑이 만들기 위해 구멍을 크게하여 빛을 많이 통과시키면 물체의 한점에서 나온 많은 양의 빛이 넓은 구멍으로 퍼져서 통과하여 스크린에 상이 한점으로 맺히는 것이 아니라 넓은 원으로 그라데이션(gradation) 상태로 맺히게 된다.
그런데 이런 상의 퍼짐을 우리 눈이 인식하여 구별할 수 없도록 상의 퍼짐을 최소시각(최소 분해각, 最小分解角, limiting resolving angle) 한계를 벗어나지 않도록 구멍의 크기를 조절하면 보다 선명한 상을 얻을 수 있으며 이 상태를 상의 초점(Image point, 피사계 심도 depth of field)이 맞았다고 하는 것이다.
이렇게 바늘구멍을 통해 들어오는 빛의 양은 너무 적어 밝고 선명한 상은 얻을 수 없고 바늘구멍을 크게 만들어 들어오는 빛의 양을 늘리면 물체로부터 오는 빛이 번져 선명한 상을 얻을 수 없다.
그러던 중 1550년 지롤라모 카르다노(Girolamo Cardano, 1501 ~ 1576, 수학, 의학, 물리학, 이탈리아)가 카메라 옵스큐라의 구멍에 볼록렌즈를 사용하여 밝고 선명한 사진을 얻게 되었다.
1568년에 원근법의 실제(La Pratica della Perspettiva)를 저술한 베네치아 귀족 다니엘레 바르바로(Daniele Barbaro, 1514 ~ 1570, 성직자, 외교관, 건축가)는 옵스큐라 볼록렌즈 가쪽 둘레를 가리면 더욱 선명한 상이 맺힌다는 조리개의 효과를 발표하였다.
카메라 사진은 상이 비치는 면에 빛에 반응하는 물질을 두면 상이 기록되게 되는데 이를 위해 오랜 기간 동안 많은 사람들이 연구하였다.
1614년 안젤로 살라(Angelo Sala, 1576 ~ 1637, 의사, 화학자, 이탈히아)는 최초로 감광물질을 발견했다. 질산은에 햇빛을 쪼이면 잉크 색으로 변화하는 현상을 발견하였던 것이다.
1725년 슐체(Johann Heinrich Schulze, 1687 ~ 1744, 해부학, 독일)는 질산은의 혼합물에 햇빛을 쪼이면 검게 변하는 현상을 발견했다.
1799년 토마스 웨지우드(Thomas Wedgwood, 1771 ~ 1805, 사진작가, 발명가, 영국)는 질산은에 담근 종이나 가죽을 카메라 옵스쿠라에 최초로 장전해 영상을 촬영하였다. 그러나 영상이 고정되지 않아 일정 시간이 지나면 영상이 사라졌다.
1826년 요셉 니세포르 니에프스(Joseph Nicephore Niepce, 1765 ~ 1833, 프랑스)는 현상 과정을 발명하여 평면상에 영상을 최초로 기록하여 보존하였다. 니에프스는 천연 아스팔트(bituman, 역청)를 디펠유에 섞어 바른 퓨터판(pewter plate, 주석과 납의 합금판)을 카메라 옵스쿠라에 장전해 촬영한 다음 라벤더유로 씻어내면 햇빛을 받은 부분만 굳어지고 나머지 부분은 씻겨나간다.
1835년 윌리엄 톨벗(William Henry Fox Talbot, 1800~1877, 영국)은 염화은을 바른 종이에 상이 맺히게 하는 방법과 종이의 음화(陰畵)에서 여러 장의 양화(陽畵)를 인화하는 사진술의 기본원리를 발견하였으며 이를 칼로타입(calotype)이라 한다.
1837년 다게르(Louis Jacques Mandé Dagurre, 1787 ~ 1851, 화가, 사진 발명가, 프랑스)는 요오드와 수은을 섞은 감광판을 사용하는 은판 사진술(다게레오타입, Daguerreotype)을 완성하였다.
1851년 아처(Frederick Scott Archer, 1813 ~ 1857, 사진작가, 조각가, 영국)는 콜로디온 습판법(wet-collodion plate)을 발명하였다.
콜로디온 습판 사진은 즉석에서 유리판에 콜로디온(알코올과 에테르에 니트로 셀룰로오스를 녹인 것)을 발라 질산은 용액에 담가 감광성을 지니게 한 후 카메라로 찍은 다음 곧 현상한다.
1871년 매독스(Richard Leach Maddox, 1816 ∼ 1902, 영국)는 브롬화은 젤라틴유제를 유리판에 바른 사진건판(寫眞乾板, photographic plate)을 발명하였다.
1880년 이스트먼(George Eastman, 1854 ~ 1932, 미국)은 코닥(이스트먼 코닥, Eastman Kodak Company)을 설립하여 사진건판을 생산하였고 1884년 롤필름을 발명하여 사진의 대중화를 이끌었다.

3. 카메라의 원리

카메라는 어둠상자 원리를 이용한 것이다. 카메라는 바디(몸체), 빛을 모으는 볼록렌즈, 빛을 감지하여 상을 맺게 하는 필름이나 광센서(CCD, CMOS, 감광물질)로 구성되어 있다.

가. 카메라 렌즈

렌즈의 가장 중요한 기능은 빛을 굴절시켜 상을 맺는 것이다. 카메라 렌즈는 물체에 반사되어 분산된 빛을 모아 다시 상을 맺어야 하므로 볼록렌즈여야 한다. 그러데 카메라 렌즈는 볼록렌즈와 오목렌즈를 여러 개 조합하여 만든다. 렌즈를 사용할 때 생길 수 있는 여러 종류의 수차를 보정하기 위해서이다.
수차에는 구면수차와 색수차가 있다. 구면수차는 렌즈의 중심부와 주변부의 두께가 다르기 때문에 초점이 여러 개 생겨 상이 흐려지는 것이고, 색수차는 빛의 색깔(파장)에 따라 꺾이는 정도(굴절률)가 다르기 때문에 나타난다. 즉, 색수차는 렌즈를 통과한 백색광이 무지개 색으로 번져 보이는 것이다. 이런 렌즈의 수차를 줄인 것이 좋은 렌즈이다.
대부분의 렌즈에는 렌즈의 밝기(F 수)와 렌즈의 용도를 나타내는 초점거리가 숫자로 표시되어 있다. 이 숫자를 보고 렌즈를 선택한다.
F 수는 유효 구경(有效口徑, 조리개를 최대로 열었을 때 구멍의 구경)을 D, 초점거리를 f라 하면, 상의 밝기는 D/f의 제곱에 비례한다. D/f를 렌즈의 구경비(口徑比), 그 역수 f/D를 F수라고 한다.
어떤 렌즈에서 조리개를 최대로 열었을 때의 F수가 최솟값을 나타내는데 그 렌즈의 최대 밝기를 나타낸다. 보통 50mm 표준렌즈에 1: 1.4 또는 F1.4로 표시되어있다. 초점 거리가 같은 렌즈이면 F수가 적은 렌즈일수록 구경이 큰다. F수가 적은 렌즈(구경이 큰 렌즈)는 더 어두운 곳에서도 찍을 수 있으므로 좋은 렌즈가 되는 하나의 조건이다.
초점에서 렌즈를 통과하는 광축의 수직인 면을 초점면이라하고 한개로된 렌즈에서 렌즈의 중심을 주점이라 한다.
그런데 여러개의 렌즈가 복합된 렌즈에서의 주점을 제2주점이라 한다. 복합렌즈가 작용하여 나타나는 결과를 하나의 가상렌즈로 보고 이 가상렌즈의 중심을 제2주점이라하는 것이다.
초점거리는 렌즈의 중심(렌즈 주점)에서 초점까지 거리이며 mm 단위로 표시한다. 카메라 렌즈가 여러 개로 되어 있으면 여러 개의 가운데 부분에 조리개가 있으며 조리개(제2주점)에서 초점까지의 거리를 초점거리라 한다. 초점거리의 길이에 따라 광각, 표준, 망원렌즈가 된다.

1) 볼록렌즈의 상 형성

볼록렌즈는 빛을 굴절시키므로 렌즈 중심축에 평형으로 들어온 빛은 모두 굴절하여 초점에 모였다가 다시 분산된다. 이때 렌즈 중심에서 초점까지의 거리를 초점거리라 한다.
그런데 물체의 한 점에 쪼이는 빛은 여러 방향에서 쪼이므로 반사되는 빛도 여러 방향으로 나오는 것이지 평형으로만 나오지 않는다. 이 말은 어떤 물체에서 나온 빛이 렌즈를 통과한다면 평형으로만 들어가지 않는다는 것이다. 물체의 한 점에서 렌즈 쪽으로 흩어져 출발한 빛이 렌즈를 통과할 때 굴절되어 다시 한 점에 모인다면 그 지점에 상이 맺히는 것이다. 렌즈의 초점에 상이 맺히는 것이 아니고 초점보다 뒤 쪽에 맺힌다. 물체의 한 점에서 출발한 빛 중에서 평형으로 들어가지 않은 빛은 초점을 지나지 않기 때문이다. 예를 들어 같은 점에서 렌즈의 중심으로 들어간 빛은 굴절하지 않고 직진한다. 평형으로 들어가 굴절된 빛과 직진한 빛이 만나는 지점에 상이 맺힌다. 렌즈에 가까운(초점거리보다는 멀어야 함) 물체의 상은 초점 뒤쪽 먼 지점에 상이 맺히고 렌즈에서 물체가 멀어지면 상은 초점 가까이에 맺히게 되며 무한대로 멀어지면 거의 초점에 맺히게 된다.

2) 카메라 상 초점 맞추기

카메라로 사진을 찍기 위해서는 렌즈로부터 상이 맺히는 거리에 필름이나 광센서가 위치해야 한다. 사진을 찍기 위해 카메라에서 상의 초점을 맞춘다는 것은 렌즈 링(거리계)을 돌려서 상이 맺히는 지점에 필름이나 광센서가 위치하도록 렌즈를 이동시키는 것이다. 먼 곳에 있는 물체를 찍을 때는 렌즈 링으로 경통을 줄여 렌즈를 바디 가까이로 당겨야 하며 가까운 물체를 찍기 위해서는 경통을 늘여 렌즈를 나오게 해야 한다.
초점을 맞춘다 하니까 렌즈의 초점을 맞추는 것으로 착각할 수 있는데 렌즈의 초점을 맞추는 것이 아니다. 어떤 정해진 렌즈의 초점은 변화가 없으며 또 상이 렌즈의 초점에 맺히는 것도 아니기 때문이다. 카메라에서 10m 거리에 있는 피사체에 렌즈를 움직여 상의 초점을 맞추었다면 10m는 피사체(물체)의 초점거리이다.

3) 화각(畵角, angle of view)

어떤 렌즈를 통해 찍을 수 있는 시야의 범위를 화각이라 한다.
찍히는 필름이나 광센서의 크기가 정해져 있으므로(풀 프레임 광센서는 35mm 필름과 넓이가 같음, 36 mm×24mm) 여기에 들어올 수 있는 시야는 렌즈와 광센서 간의 거리가 가까우면 가까울수록 넓게 되어 광각이 크게 된다. 그런데 광센서는 상이 맺히는 위치에 있어야 하고 같은 렌즈에서 상이 렌즈에 가장 가까이 오는 경우는 찍으려는 물체가 무한대에 위치할 경우이며 이때 초점에 상이 맺힌다. 어떤 렌즈에서 화각이란 그 렌즈의 최대 화각을 의미하는 것이므로 광센서가 초점에 위치할 때의 화각이다.
그래서 화각을 각도로 나타내지만 초점거리(mm)로도 나타낸다. 초점거리가 짧으면 화각이 크고 초점거리가 길면 화각이 작다. 망원렌즈는 먼 곳을 좁은 시야로 찍으므로 화각이 작다. 즉 렌즈의 초점 거리가 길다. 그래서 경통이 길다.
그런데 필름의 넓이가 작은 것도 있고 큰 것도 있으며 CCD(Charge Coupled Device, 電荷結合素子, 전하 결합 소자) 광센서 중에서도 풀 프레임이 있고 이보다 크기가 작은 크롭 센서가 있다. 크롭(crop)은 잘라내다 라는 의미이다. 크롭 센서 1:1.5는 크기가 23.6 x 15.8 mm로 풀 프레임의 1/1.5이다. 크롭 센서 1:1.5가 장착된 카메라는 풀 프레임 화면 주변을 잘라서 화면을 확대함으로 풀 프레임에 비해 화각이 1/1.5로 줄어든다.
50mm렌즈(초점거리 50mm, 화각 47°)에 풀 프레임대신에 1/1.5크기의 크롭 센서를 사용하면 화면이 확대되어 초점거리 75mm렌즈를 사용하는 것과 같아진다.
크롭 센서 1:1.5의 환산 화각은 다음과 같이 계산된다.
환산화각(환산 초점거리, equivalent focal length) = 50mm × 1.5 = 75mm
그리고 같은 크기의 화각으로 촬영하기 위해서는 초점거리 33mm의 렌즈를 사용하면 된다.
환산화각(환산 초점거리, equivalent focal length)=50mm × 1/1.5 = 33mm
그래서 광각에는 화각이 줄어들어 불리하고 망원렌즈에는 화각이 더 줄어들어 유리하다.
렌즈는 화각이 넓을수록 원근감이 강하게 나타나며(렌즈에 가까운 것이 크게 찍히고 먼 것이 작게 찍힌다), 이와 반대로 화각이 좁아지면 원근감이 거의 나타나지 않는다.
사람의 눈은 망막이 둥글게 되어 있어 카메라의 평면인 필름이나 센서와 다르기 때문에 화각이 망막에 제한을 받지 않고 외부에 영향만 받아 약 120°이다.

4) 렌즈의 종류

가) 단초점 렌즈와 줌렌즈

단 렌즈(단초점 렌즈, Single vision Lens)는 초점거리가 하나뿐인(고정된 화각) 렌즈로 줌 기능이 없기 때문에 촬영자가 이동해서 거리를 맞춰야 한다. 속어로 '발줌(foot zoom)' 이라고도 하며 전반적으로 줌 렌즈보다 화질이 좋다.
줌 렌즈(a zoom lens)는 초점거리(화각)를 변경할 수 있는 렌즈이다. 조합된 렌즈의 위치를 옮기면서 초점거리(화각)를 변경할 수 있는 렌즈이다.
렌즈를 밀거나 당기거나 돌려서 초점거리(화각)를 조절하며, 피사체의 상을 확대하거나 축소할 수 있다. 상대적으로 단 렌즈보다 화질은 떨어지지만, 기술이 발전함에 따라 그 격차는 점점 줄어들고 있다.
줌렌즈에서 줌인은 초점거리를 길게 하는 것으로 화각이 작아져 피사체에 접근하는 사진이 되며(피사체를 당기는 것) 줌아웃은 초점거리를 짧게 하는 것으로 화각이 커지고 피사체를 멀어지게 하는 기법이다.

나) 광각, 표준, 망원렌즈

일반적으로 카메라에 부착된 렌즈는 초점거리와 필름 화면의 대각선 길이가 대체로 같은 표준렌즈이다. 35mm 일안 리플렉스 카메라에서는 초점거리가 50 ∼ 58mm이다. 찍히는 각도[寫角]가 약 50°이므로 자연스럽게 찍히기 때문이다. 표준렌즈의 원근감이 사람 눈과 비슷하다. 실제 사람의 눈의 화각은 약 120 °이다.
찍히는 각도가 60°보다 넓은 렌즈를 광각(廣角) 렌즈, 표준렌즈보다 화각이 좁은 렌즈를 장 초점(長焦點) 렌즈라 한다.
초점거리를 기준으로 하면 초점거리가 50(38 ~ 58) mm 인 표준렌즈, 그리고 58mm보다 커지면 좁은 범위의 피사체를 크게 찍는 망원렌즈, 38mm 보다 작아지면 넓은 경치를 찍을 수 있는 광각렌즈라 부른다. 이외에도 물고기 눈으로 보는 것 같은 광각이 가장 큰 어안렌즈, 작은 물체를 근접하여 촬영할 수 있는 접사렌즈, 초점거리가 여러 개인 줌 렌즈 등이 있다.

* 사람의 눈
• 사람 눈의 최대 홍채 크기(유효 구경)나 초점거리는 사람에 따라서 혹은 처한 환경에 따라 다르기 때문에 정확하게 나타낼 수는 없지만 홍채 최대 직경은 7.2 ~ 8mm이고 눈(수정체와 각막)의 초점거리는 변화며 최대 2.5cm, 최소 2.27cm이다.
수정체와 망막 사이의 거리는 2.5cm이며 성인의 정상 명시 거리는 25cm이다.
공식
1/u+1/v=1/f
u = object distance(수정체와 망막 간의 거리)
v = image distance
f = focal length
최대 초점거리=1/2.5+1/∞=1/f=1/2.5 (무한대를 볼 때 초점은 망막에 있음)
f=2.5(cm)
최소 초점거리=1/2.5+1/25=1/f=(10+1)/25
f=2.27(cm) (정상 명시 거리 25cm)
• F 수는 2.8~3.1이다.
구경비= 8mm/25mm=0.32
F=1/0.32=3.1
구경비= 8mm/22.7mm=0.35
F=1/0.35=2.8

나. 빛의 양 조절

필름이나 광센서는 적정량의 빛으로 반응을 일으켜야 상이 표현된다. 상이 표현되기 위해서는 빛의 양이 많이 들어온 곳은 반응이 일어나고 적게 들어온 곳은 반응이 일어나지 않아야 구별이 되어 상으로 나타난다. 빛의 양이 너무 많이 들어가면 모든 부분에 반응이 일어나 전체가 검게 되므로 상이 표현될 수 없다. 또 빛이 너무 적게 들어가면 모든 곳에서 반응이 일어나지 않아 전체가 희게 되므로 상이 나타나지 않는다.
카메라와 사람의 눈을 비교해 보면 사람의 눈은 어두운 곳에 들어갈 때 홍채로 눈동자(동공)를 최대로 크게 하여 빛을 받아들이지만 그것으로는 들어오는 빛의 양이 모자라므로 망막에서는 빛에 민감한 간상세포(약한 빛의 세기에 반응하는 세포)가 반응하여 감지한다. 반대로 빛이 밝은 곳으로 이동하면 홍채의 작용으로 눈동자의 크기를 줄여 들어오는 빛을 감소시키고 망막에서는 빛에 덜 민감한 원추세포(강한 세기의 빛에 반응하는 세포)가 작용한다. 카메라에서는 어두운 곳에서 촬영할 때 조리개를 많이 열어 빛이 통과하는 구멍을 크게 하거나 셔터스피드를 느리게 하여 빛이 통과하는 시간을 길게 하여 빛의 양을 맞추고 그래도 빛의 양이 부족하면 ISO의 수치를 높여 광센서를 빛에 민감하게 하여 빛이 약한 곳에서도 사진이 촬영될 수 있는 조건을 맞춘다. 반대로 빛이 밝은 곳에서 촬영할 경우에는 조리개로 빛이 통과하는 구멍을 줄이거나 셔터스피드를 짧게 하여 빛이 들어오는 시간을 줄여서 광량을 맞춘다. 그래도 들어오는 광량이 많으면 ISO의 수치를 낮추어 광센서가 빛에 덜 민감하도록 하여 빛이 강한 곳에서도 촬영이 가능하도록 조건을 맞춘다.
결과적으로 조리개는 홍채와 같은 작용을 하고 ISO는 빛 감지 세포인 원추세포와 간상세포와 같은 작용을 한다. 눈은 감았을 때 작동하지 않고 눈을 떴을 때 무비 카메라와 같이 계속 작동한다. 이와는 다르게 카메라는 계속 작동하지 않다가 셔터 버튼(shutter release, 셔터 릴리즈)을 누르면 카메라 속의 셔터(shutter)가 열었다가 닫히는데 그 열린 시간 동안에 들어간 빛이 같은 곳에 누적되어 반응시킨다.
사람의 눈은 연속으로 촬영하는 것과 같으므로 빛의 세기만 측정하여 맞추면 되지만 카메라는 한 장씩 촬영하므로 한 장 찍을 동안 들어가는 빛의 양의 합으로 사진이 촬영된다. 즉 약한 빛의 세기로 긴 시간 찍는 것과 강한 빛으로 짧은 시간 찍는 것은 같은 밝기의 사진이 된다. 그래서 카메라에서는 빛이 들어가는 시간을 조절하는 셔터스피드계가 필요한 것이다.
카메라의 광량의 조절은 일단 조리개와 셔터스피드로 맞추어 사용한다.

1) 조리개(iris diaphragm)

카메라 렌즈에는 빛이 투과하는 구멍 크기를 조절하는 조리개가 렌즈군 가운데 있다. 조리개가 열리는 단위를 f 수(f값)라 하는데 그 내용은 다음과 같다.
유효 구경(有效口徑, 조리개를 열었을 때 구멍의 구경)을 D, 초점거리를 f라 하면, 상의 밝기는 D/f의 제곱에 비례한다. D/f를 렌즈의 구경비(口徑比), 그 역수 f/D를 f 수( f값)라고 한다.
조리개는 보통 지름을 연속적으로 변화시킬 수 있는 홍채 조리개(iris diaphragm)가 사용된다. 조리개 눈금에는 각각의 눈금(f 수)의 제곱이 서로 1 대 2의 관계가 된다. 조리개를 조금씩 닫아 유효 구경 D의 값이 작아지면 f 수는 점점 커진다. 조리개 링에는 f수가 다음과 같이 새겨져 있다. “1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, …” (√2의 0승은 1, √2의 1승은 1.4, √2의 승은 2, √2의 3승은 2.8, √2의 4승은 4,…)
f 수(f값)가 클수록 조리개 구멍 크기는 작아지며 눈금 간격(stop, 스텝, 스톱)은 빛의 양이 1/2배로 줄어들게 표시한 것이다(빛의 양은 (1/ f 수)의 제곱에 비례).

2) 셔터스피드(셔터 속도)

셔터 버튼(shutter release)을 누르면 셔터가 열렸다가 닫힌다. 셔터가 열려있는 동안에 빛이 들어간다. 셔터가 열러 있는 시간을 셔터스피드(셔터 속도)라 하는데 셔터스피드가 길수록 많은 양의 빛이 들어간다. 셔터스피드가 1초 이상일 때는 그대로 표기하고 1초 미만은 125(1/125초), 250(1/250초)와 같이 역수로 표기한다.
그래서 숫자가 크면 클수록 셔터가 열리는 시간이 짧으며 단계(stop, 스텝, 스톱)는 1/2배 간격으로 표시한다.

* 초점심도(焦點深度, depth of focus)

조리개 값을 한 단계(1 스텝) 올리고(구멍 크기를 한 단계 줄이고) 셔터스피드를 한 단계(1 스텝) 내리면 (시간을 한 단계 길게 하면) 같은 밝기가 된다. 그러나 사진은 다르게 나온다. 조리개를 많이 열고 셔터 속도를 줄인 경우에는 초점을 맞춘 거리에만 선명하게 나오고 그 앞과 뒤 부분은 흐리게 나온다. 그러나 조리개 값을 높여 열리는 구멍 크기를 작게 하고 셔터스피드 값을 낮추어 노출시간을 길게 하면 초점 앞과 뒷부분 모두 더 넓은 부분이 선명하게 나온다.
조리개값을 높여 구멍을 줄이면 착란원(錯亂圓, circle of confusion, 한점에서 출발한 빛이 촛점전이나 후에 형성하는 원)이 작게 형성되므로 우리눈이 두점 간을 구별할 수 없는 범위가 넓어지기 때문이다(우리 눈이 구별할 수 없는 두점은 한점으로 보이므로 선명한 것이다).
선명하게 나오는 범위를 초점심도(焦點深度, depth of focus)라고 한다.

* 피사계 심도(被寫界 深度, depth of field, DOF)

사진의 초점이 맞은 것으로 인식되는 피사체의 범위이다. 피사체(被寫體, subject for photography)의 초점(상이 잘 맺는 물체와 렌즈간의 거리)은 단 하나의 면에 정해지게 되어 있으나 실제 사진에서는 상의 초점면을 중심으로 서서히 흐려지는 현상이 나타나는데, 이때 충분히 초점이 맞은 것으로 인식되는 범위의 한계를 피사계 심도라 한다.

3) ISO(ASA), 필름 감도

필름 카메라의 광량의 조절은 먼저 조리개와 셔터스피드로 맞추어 사용한다. 너무 밝거나 너무 어두워 조리개와 셔터스피드의 조절로는 적정노출이 불가능할 경우 감도에 따라 필름을 선택하여 적용한다.
필름 감도 표시법에는 여러 가지가 있다. ASA(American Standard Association, 미국표준협회)가 많이 사용되다가 1980년 이후에는 주로 ISO(International Standardation Organization, 국제표준화기구)로 감도 표시를 하였다.
필름 카메라에서는 ISO 100을 기본 값으로 하며 ISO 100보다 낮으면 저감도 필름이고(ISO 50, 25 등), ISO 100보다 높으면 고감도 필름이다(ISO 200,400 등). 저감도 필름은 감광물질의 입자가 곱기 때문에 사진이 선명하고 부드럽다. 그렇지만 적정노출로 촬영하기 위해서는 광량이 많이 필요하다. 고감도 필름은 감광 물질의 입자가 거칠어 사진이 부드럽지 않다. 그렇지만 광량이 적어도 기본값의 필름과 같은 셔터 속도를 사용할 수 있어, 광량이 부족한 상황에서도 촬영을 할 수 있다.
밝기가 일정한 곳에서 ISO값이 100인 필름 대신에 200, 400으로 ISO값이 높은 필름으로 바꾸어 사용할 때 셔터스피드나 조리개를 각각 1 톱, 2 톱을 높여 사용하면 같은 밝기의 사진을 찍을 수 있다.
예를 들어 광도가 1/2로 낮아 어두워서 사진 촬영이 어렵다면 ISO값이 100인 필름 대신에 ISO값이 200인 필름을 사용하면 찍을 수 있다는 것이다. 광도가 1/4이면 ISO값이 400인 필름을 사용하면 된다. 문제는 ISO값이 400인 필름과 같은 민감한 필름을 사용하면 사진이 조금 더 거칠게 된다는 것이다. 광도가 2배로 높아 광원이 너무 세다면 ISO값이 100인 필름 대신에 ISO값이 50인 필름을 사용하면 찍을 수 있고 광도가 4배이면 ISO값이 25인 필름을 사용하면 된다.
또 광원의 세기에 문제가 없을 때 ISO값이 50이나 25인 필름을 사용하고 노출 시간을 길게 하여 찍으면 사진 화면이 더욱 부드럽게 된다.

4) 노출 보정

설경과 같이 특이한 환경이거나 자연광이 아닌 빛을 사용할 때 나타나는 노출 과부족이나 색깔 변화를 바르게 조정하고 그리고 색을 변화시켜 자신만의 특별한 효과를 내고 싶을 때 노출 보정을 한다.
눈과 같이 하얀색인 피사체를 카메라의 적정노출로 촬영하면 조금 어두운 사진이 나온다. 하얀색은 색 반사율이 높기 때문에 카메라는 너무 밝다고 측광 하여 적정노출을 조금 어둡게 하므로 어두운 사진이 되는 것이다.
찍기 전에 셔터스피드계나 조리개로 조절하여 노출 내비게이터의 눈금을 조금 높여주면 밝은 사진이 된다.
검은색은 이와 반대로 사진이 좀 더 밝게 나오므로 반대로 눈금을 조금 낮추어 촬영하면 된다.
조리개나 셔터스피드계 등으로도 밝기가 조절이 불가능할 때는 ISO 수치를 올려서 사진을 밝게 해 줄 수 있다. ISO는 수치를 높이면 노이즈가 생기므로 될 수 있으면 사용하지 않는 것이 좋다.
카메라에는 노출을 보정하는 화이트 밸런스 기능이 따로 있으며 화이트 밸런스 중에는 여러 가지 방법이 있다. 그중에 색온도(캘빈, Kelvin)를 변환시킬 수 있는 기능이 있으며 그 단위는 K(캘빈)이다. 색온도 변환은 광량의 노출 보정은 아니다.
광원은 캘빈(Kelvin) 수치가 클수록 캘빈 온도(색온도)가 높고 푸른빛으로 차가워지며 반대로 수치가 낮을수록 캘빈 온도가 낮아지고 붉은색이다.
카메라에서 조정할 때는 반대로 캘빈 값을 높여주면 주황색(붉은) 계열의 사진이 되고 캘빈 값을 낮추어주면 파란색 계열의 사진으로 변환된다.

다. 감광물질

상이 맺히는 곳에서 빛에 반응하여 기록하도록 빛에 민감한 화학물질을 입힌 필름이나 광센서인 CCD(Charge Coupled Device, 電荷結合素子, 전하 결합 소자), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 相補性金屬酸化膜半導體, 상보성 금속 산화막 반도체)을 사용한다. 필름은 보통 35mm(36 mm×24mm)을 사용하며 광센서는 크기가 다양하다. 가장 큰 것을 풀 프레임이라 하며 35mm 필름과 같은 크기이다.

1) 필름

필름이란 셀룰로이드나 폴리에스터 띠에 빛에 반응하는 화학물질을 입힌 것으로 빛에 노출되면 빛을 많이 받은 부분은 화학반응이 많이 일어나고 빛을 적게 받은 부분은 화학반응이 적게 일어나거나 일어나지 않게 된다. 필름은 피사체에서 반사된 빛의 정보를 화학물질의 반응 정보로 변환하여 기록하는 것이다.
카메라로 찍은 상을 저장한 필름은  저장된 상이 눈에는 보이지 않는 잠상(潛像, latent image)으로 기록되어 있으므로 화학약품을 이용하여 암실에서 현상(現像, Derivative, 빛에 영상이 생성된 필름을 약품으로 처리하여 상이 나타나도록 함)하면 밝고 어두운 부분으로 상이 드러나고 고정되어 눈으로 볼 수 있는 상이 만들어진다.
필름이 현상되기 전에 빛에 노출되면 필름의 상이 고정되지 않았으므로 빛에 반응이 일어나 필름을 망치게 된다.
이렇게 현상한 필름은 네거티브상(像)이므로 피사체와 같은 명암의 포지티브상으로 만들 수 있게 만든 감광물질을 입힌 인화지(印畵紙, printing paper)에 적정한 빛을 노출하여 인화(印畫, Derivative, 영상 사진 원판을 인화지 위에 올려놓고 빛을 쪼여 사진이 나타나도록 하는 일)한다.
 인화과정에서 필름의 상을 확대 인화하여 다양한 크기의 사진을 얻을 수 있다.

2) CCD, CMOS 이미지센서

CCD(Charge Coupled Device, 電荷結合素子, 전하 결합 소자)는 픽셀(Pixel, 화소)을 한 면(너비로)에 규칙적으로 수많이 배열하여 집적시킨 전하 결합 소자(電荷結合素子, 반도체 칩)로 이미지 각점의 광 신호를 각 픽셀이 동시에 모두 처리한다. 각 픽셀에는 색 필터, 빛에 반응하는 광 다이오드, 디지털 변환기, 축전기 등이 있다.
렌즈를 통해 들어와 맺힌 상의 각 점에 해당하는 빛이 CCD의 각 픽셀에 닿으면 광다이오드에 붙어 있는 RGB 색 필터에 의해 각기 다른 색으로 분리된다. 분리된 빛이 광다이오드에 보내지면 광다이오드는 빛에 반응하여 전자를 방출하여(광전효과) 빛 정보를 전기적 정보로 변환시킨다.
이 전기적 정보는 각 픽셀에 있는 ADC(analog digital converter)라는 변환장치를 통해 디지털 값으로 변환된다. 즉 각각의 픽셀에서 픽셀의 좌표(위치), 색, 빛의 양에 대한 정보를 전기 정보로 변환한 다음 다시 디지털화하여 저장하는 것이다.
디지털은 이진수 값인 ‘0’과 ‘1’ 단 두 가지로 정보를 표시하는 것이다.
CCD(Charge Coupled Device, 電荷結合素子, 전하 결합 소자) 중 가장 큰 것을 풀 프레임 (36x23.9mm)이라 한다. 이것은 35mm 필름 크기로 가장 넓기 때문에 같은 집적도라면 광다이오드가 가장 많이 집적되어 있다. 크롭 센서는 풀 프레임보다 작은 것이다. 크롭(crop)은 잘라내다 라는 의미이다. 보급형 DSLR에 사용되는 크롭 센서 1:1.5는 크기가 23.6x15.8mm로 풀 프레임의 1/1.5이다.
광다이오드 한 개가 하나의 화소 역할을 하므로 광다이오드의 숫자가 많은 것이 해상도가 높은 것이다.
CMOS와 CCD은 제작과정과 구동방식(주사 출력 방식)이 다르다. 광 감각 센서(CMOS, CCD) 제작 공정은 Wafer에다 Pixel의 광 집적 부분(색 필터, 광다이오드)과 구동회로(전기적 신호를 저장하고 읽어서 출력하는, 즉 주사하여 출력하는 부분) 집적 부분의 두 부분으로 나눌 수 있는데 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 相補性金屬酸化膜半導體, 상보성 금속 산화막 반도체)는 두 부분을 각각의 칩으로 대량 생산한 다음 결합해서 한 개의 칩으로 만들지만 CCD(Charge Coupled Device, 電荷結合素子, 전하 결합 소자)는 두 기능을 한 개의 칩에 집적하는 방식으로 대량생산이 어렵다. 그리고 CCD는 광전으로 발생한 전자량으로 신호를 출력하지만 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 相補性金屬酸化膜半導體, 상보성 금속 산화막 반도체)는 각 픽셀마다 증폭기가 있어 전자랑 신호를 전압으로 바꾸어 출력한다. 그 결과 CMOS는 CCD에 비해 다소 감도가 떨어지고 노이즈가 많을 수 있지만, 대량생산을 할 수 있어 가격이 저렴하고 전력 소모가 적은 것이 특징이다.

4. 카메라의 종류

카메라 종류에는 초점이나 빛의 양을 카메라가 자동으로 조절하는 자동 카메라와 사용자가 모든 것을 맞추어야 하는 수동 카메라가 있다. 수동 카메라는 필름을 사용하는 기계식 카메라와 전자 광센서와 리튬전지를 사용하는 디지털 전자식 카메라가 있다.

가. 디지털 전자식 카메라

디지털카메라에서 필름의 역할을 하는 것은 CCD(Charge Coupled Device, 電荷結合素子, 전하 결합 소자), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor )로 빛을 전기화 하여 디지털로 전환하는 소자들이 집적된 이미지 센서이다. 광센서가 아날로그 필름을 대신함으로써 디지털로 전환되었다.
그리고 모든 작동이 최첨단의 전자 장치로 이루어지게 되어 카메라의 기능이 다양하게 되었다.

나. SLR

SLR(single-lens reflex) 카메라는 필름을 사용하는 기계식 수동 카메라이다. 그러나 실제 기능에는 완전 자동, 조리개 우선 반자동, 셔터스피드 우선 반자동, 프로그램, 완전 수동의 4가지 작동법이 있다.
보통 카메라에서 뷰파인더를 통해 물체를 보는 방법에는 SLR 방식과 SLR 이 아닌 방식이 있다.
SLR 카메라는 촬영용 렌즈와 뷰파인더로 보는 렌즈가 같은 1개의 렌즈로 된 카메라이다. SLR 카메라는 촬영용 렌즈를 통해 들어온 빛이 거울과 프리즘에 반사되어 뷰파인더로 들어오기 때문에 미리 촬영될 상의 모습을 그대로 볼 수 있다. 그리고 셔터를 누르면 거울이 위로 올라가므로 빛이 그대로 통과하여 필름에 상이 맺힌다. 하지만 일부 단순한 카메라는 SLR 방식이 아니다. 뷰 파인더는 촬영용 렌즈가 아닌 다른 렌즈로 보기 때문에 뷰파인더의 상과 찍히는 상이 일치하지 않는 경우가 있다.
그리고 SLR 카메라는 찍을 대상에 따라 렌즈를 교체할 수 있다.

다. DSLR

DSLR(digital single-lens reflex) 카메라는 디지털 방식의 수동 카메라이다.
간단히 말하면 DSLR 카메라는 SLR 카메라를 디지털화한 것이다.
필름 대신에 CCD(Charge Coupled Device, 電荷結合素子, 전하 결합 소자), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 사용함으로써 사진이 디지털로 전환되었다. 그리고 인간의 두뇌에 해당하는 화상 처리 프로세서, 상이나 사진을 직접 볼 수 있는 화면인 LCD(Liquid Crystal Display, 액정 표시장치), 사진을 저장하는 메모리 카드 등과 같이 많은 기능이 추가되었다.
모든 작동이 최첨단의 전자 장치로 이루어지게 되어 보다 악 조건에도 촬영이 가능하고 원하는 사진을 얻을 수 있도록 카메라의 기능이 다양하게 되었다.

카메라 조작법과 작동원리.hwp

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