상면만곡: 회오리 보케와 소용돌이 보케가 생기는 이유

수차란 렌즈가 피사체를 담는 과정에서 발생하는 구조적 또는 기타 요인으로 인해 발생하는 문제점을 통칭하는 말입니다. 수차의 원인은 매우 다양하고 복잡해서 모두 알고 기억해 두기는 어렵습니다. 그러나 이를 이해하고 그에 대한 해결책을 고민해 본다면, 어제보다 오늘은 더 나은 사진을 찍을 수 있을 것입니다. 그래서 오늘은 '자이델의 5 수차'중의 하나인 '상면 만곡'의 발생원인과 예시 그리고 해결 방안에 대해서 자세히 알아보겠습니다.

 

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상면만곡(Petzval field curvature)이란?

상면 만곡은 렌즈가 곡선의 형태를 지니고 있기 때문에 렌즈를 통과한 이미지의 형태도 곡선의 형태(포물면)를 이루게 되는 현상을 말합니다. 다시 말해 이미지는 포물면으로 결상이 되지만(센서에 맺히게 되지만), 이미지 센서는 평면이기 때문에 이미지 중앙에서 가장자리로 갈수록 선명도가 떨어지고 흐려지게 됩니다.

 

그림 a, 상면만곡의 원리

 

그림 a는 상면 만곡이 발생하는 과정을 보여주고 있습니다. 중앙으로 들어오는 빛과 가장자리에서 들어오는 빛은 곡면인 렌즈를 통과하면서 서로 다른 위치에서 초점이 맺히게 되는데 곡면의 형태를 나타냅니다. 이를 '상면의 만곡'이라고 하며, 이 현상을 처음으로 규명한 수학자 '요제프 페츠발'의 이름을 따서 '페츠발 면'이라고도 합니다.

 

중앙부에 초점을 맞추면 가장자리가 흐려지고 반대로 가장자리에 초점을 맞추면 그림 a에서 녹색의 선과 같이 중앙부는 흐려지게 됩니다.

 

렌즈의 형태에도 영향을 받습니다. 볼록렌즈의 페츠발 면은 안쪽으로 휘어지고(중심부에서 빛을 더 강하게 굴절시키기 때문에), 오목렌즈의 페츠발 면은 바깥쪽으로 휘어집니다.(중심부에서 빛을 덜 굴절시키기 때문에).

 

필름 카메라는 이미지를 휘어진 만큼 구부리는 방법으로 보정이 되었지만 디지털 사진에서는 보정이 불가하고 현대의 카메라가 센서 해상도가 더욱 증가함에 따라 더욱더 뚜렷하게 나타나게 됩니다.

 

그림 b, 파도형 상면만곡

 

어떤 경우에는 단순하게 그릇처럼 오목하거나 볼록한 것이 아니라 물결이 치듯 상면 만곡이 발생합니다. 대부분의 현대 렌즈는 내부 설계가 상당히 복잡한데, 특히 상면 만곡을 줄이기 위해 특별히 배치된 광학 요소도 있습니다. 그 결과, 상면 만곡은 그림 b와 같이 파도가 치는듯한 형태로도 발생합니다.

 

파도 모양의 상면 만곡을 가진 렌즈는 중앙과 모서리에서는 선명하지만 그 사이 영역에서는 곡선의 형태를 띠게 됩니다. 또한, 상면 만곡의 특성은 피사체와의 거리에 따라 달라질 수 있습니다. 일부 렌즈는 짧은 거리에서는 상면 만곡이 거의 보이지 않지만 무한대 영역에서는 꽤 강하게 나타날 수 있습니다.

 

상면 만곡의 수준은 렌즈 설계에 따라 다릅니다. 보통 50mm 이하의 렌즈(초광각, 광각 및 표준)는 상면 만곡 발생 빈도가 높고. 반면에 망원 렌즈에서는 그 빈도가 낮거나 없습니다.

 

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상면만곡과 코마 수차의 차이

 

상면만곡 실제 이미지 예시

 

그림 c는 상면만곡의 예시입니다. 우리가 은하수와 같은 천체 사진을 찍을 때 중앙은 선명하지만 주변부(가장자리)로 갈수록 흐려지는 것을 종종 경험하게 됩니다. 이를 해결하기 위해 가장자리에 초점을 맞추고 찍으면 이번에는 중앙이 흐려지게 됩니다. 이것은 많은 경우에 코마 수차와 혼동을 불러일으키는데, 만약 이미지 가장자리에 위치한 별들이 방사형으로 늘어져 보인다면 이는 '상면 만곡'의 영향입니다.

 

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상면만곡 확인 방법

 

상면만곡 MTF차트 확인

상면만곡은 평평한 대상을 사진으로 찍어 확인할 수 있습니다. 중앙은 선명하지만 가장자리가 흐릿하게 나타나면 상면만곡의 영향을 받고

있다고 판단할 수 있습니다. 그리고 렌즈 구매 전에 상면만곡의 유무를 확인하는 가장 쉬운 방법은 렌즈 제조사가 제공하는 MTF 데이터를 찾아보는 것입니다.

 

 

그림 d, MTF 차트 상의 그래프 선들이 중간 지점까지 완만하게 떨어지다가 다시 위로 튀어 오르고 다시 아래로 떨어집니다. 이것이 파도 형태의 상면만곡을 보여주는 좋은 예시입니다. 이러한 MTF 차트의 흐름을 보여주는 렌즈로 찍은 결과물들은 이미지 중심으로부터 가장자리로 갈수록 선명 > 약간 흐림 > 선명 > 흐림 의 결과를 가지게 될 것입니다.

 

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상면만곡 줄이는 방법

상면만곡을 줄이기 위해서는 조리개를 조이는 방법(f-number를 증가)이 있습니다. 일반적으로 f/8 또는 f/11과 같은 좁은 조리개에서는 상면만곡의 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 또한, MTF차트를 확인하여 상면만곡을 제거한 렌즈를 선택하는 것도 좋은 방법이겠습니다.

 

다만 현재까지 출시된 이미지 보정 프로그램으로는 상면만곡의 수정은 불가하기 때문에 렌즈의 특성을 숙지하고 사전에 대비가 필요하겠습니다.

 

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상면만곡의 활용

 

페츠발 렌즈 예시 이미지

일부 사진작가님들은 상면만곡을 감성적인 요소를 강화하는 방법으로 활용하기도 합니다. 대표적인 예로 '회오리 보케', '소용돌이 보케'가 있는데요. 로모그래피 사에서 판매하는 뉴 펫츠발 55 f/1.7의 경우에는 상면만곡의 효과를 오히려 강점으로 내세우고 있는 제품입니다.