사진학

Science of photography

사진술의 과학은 사진술의 모든 측면에서 화학 및 물리학을 이용하는 것이다. 이것은 카메라, 렌즈, 카메라의 물리적 작동, 전자 카메라 내부, 그리고 사진을 제대로 찍고 현상하기 위한 필름 현상 과정에 적용된다.[1]

광학

카메라 옵스큐라

주요기사 : 카메라 옵스큐라
An image of a tree projected into a box through a pinhole.
빛은 작은 구멍을 통해 어두운 상자에 들어가 구멍 반대편 벽에 반전된 이미지를 만든다.[2]

디지털이든 아날로그든 대부분의 사진의 기본 기술은 카메라 옵스큐라 효과와 3차원 장면을 2차원 이미지로 변형시키는 능력이다. 카메라 옵스쿠라는 가장 기본적인 것으로는 어두운 색상의 박스로 이루어져 있는데, 한쪽에는 아주 작은 구멍이 뚫려 외부 세계의 이미지를 반대쪽으로 투영한다. 이 양식을 흔히 핀홀 카메라라고 한다.

렌즈를 보조할 때 카메라의 구멍이 작을 필요가 없어 날카롭고 뚜렷한 이미지를 만들어낼 수 있고, 노출 시간을 줄일 수 있어 카메라를 손에 넣을 수 있다.

렌즈

주요 기사: 사진렌즈

사진 렌즈는 보통 여러 렌즈 요소로 구성되는데, 이 렌즈 요소들이 결합하여 색채 이상, 혼수상태, 구면 이상, 그리고 다른 이상들의 영향을 감소시킨다. 간단한 예로, 처음 디자인된 지 1세기가 넘도록 여전히 사용되고 있는 3원소 쿠크 트리플릿이 있다. 그러나 많은 현재의 사진 렌즈는 훨씬 더 복잡하다.

작은 틈새를 사용하면 대부분 줄일 수 있지만, 모든 이상을 줄일 수는 없다. 아스퍼릭 원소를 사용함으로써 극적으로 줄일 수도 있지만, 이것들은 구형이나 원통형 렌즈보다 갈기가 더 복잡하다. 그러나 현대적인 제조 기술로 비구형 렌즈 제조에 드는 추가 비용이 감소하고 있으며, 소형 비구형 렌즈는 이제 몰딩으로 제작되어 저렴한 소비자용 카메라에 사용할 수 있게 되었다. 프레스넬 렌즈는 무게가 매우 낮아 사진 촬영에 흔하지 않은 경우가 있다.[3] 최근 개발된 섬유결합 단심원렌즈는 광섬유 묶음으로 초점면에 묶인 서로 다른 안경의 동심원 반구형 껍질로 구성된 구들로 구성돼 있다.[4] 단신 렌즈는 2013년 10월 미국 플로리다 주 올랜도에서 열린 광학 콘퍼런스에서 이 기술이 막 첫 선을 보였기 때문에 카메라에도 사용되지 않는다.

모든 렌즈 디자인은 비용을 배제하지 않고 수많은 요소들 간의 절충이다. 줌 렌즈(즉, 초점 길이가 가변적인 렌즈)는 추가적인 절충을 수반하므로 일반적으로 프라임 렌즈의 성능과 일치하지 않는다.

카메라 렌즈가 필름이나 검출기에 어느 정도 떨어진 곳에 물체를 투사하는 데 초점을 맞출 때, 먼 물체에 비해 더 가까운 거리에 있는 물체도 대략적으로 초점을 맞춘다. 초점에 가까운 거리의 범위를 장의 깊이라고 한다. 장 깊이는 일반적으로 조리개 직경이 감소할수록 증가한다(f-숫자 증가). 분야 깊이의 바깥에 있는 초점이 없는 흐릿함은 사진술에서 예술적 효과에 쓰이기도 한다. 이 흐림의 주관적인 외관은 bokeh라고 알려져 있다.

카메라 렌즈가 초초점 거리 또는 그 이상으로 초점이 맞춰져 있다면, 초초점 거리 절반에서 무한대까지 모든 것을 덮으면서 장의 깊이가 커진다. 이 효과는 "초점 자유" 또는 고정 초점 카메라를 만드는 데 사용된다.

일탈

주요 기사: 광학 시스템의 이상

일탈은 광학 시스템의 성질을 흐리게 하고 왜곡시키는 것이다. 높은 품질의 렌즈는 더 적은 양의 이상을 만들어 낼 것이다.

구면 일탈은 광선이 렌즈에 부딪힐 때 발생하는 광선의 굴절이 증가하거나, 광선이 가장자리 부근의 거울에 부딪힐 때 발생하는 광선의 반사로 인해 중심 가까이에서 부딪히는 것에 비해 발생하게 된다. 이것은 구형 렌즈의 초점 길이와 중심으로부터의 거리에 따라 달라진다. 멀티렌즈 시스템을 설계하거나 아스퍼릭 렌즈를 사용하여 보정한다.

색도 일탈은 빛의 파장마다 다른 굴절률과 색상에 대한 광학적 성질의 의존성을 가진 렌즈가 원인이다. 푸른 빛은 일반적으로 붉은 빛보다 더 많이 구부러질 것이다. 색상에 대한 확대의 의존성 등 더 높은 순서의 색도 이상이 있다. 색채 이상 현상은 색채 이상을 없애기 위해 세심하게 설계된 재료로 만들어진 렌즈를 사용하여 보정된다.

곡선 초점 표면은 필름 또는 CCD의 위치에 대한 첫 번째 주문 초점의 의존성이다. 이것은 다중 렌즈 광학 디자인으로 보상할 수 있지만, 필름을 구부리는 것도 사용되었다.

초점

이 과목은 먼 배경에는 초점이 잘 맞춰져 있지만, 먼 배경에는 초점이 맞춰져 있지 않다.
참고 항목: 혼란의 원

초점은 광선이 렌즈를 통과하는 곳과는 무관하게 이미지 센서나 필름의 동일한 위치에 도달하는 경향이다. 선명한 그림의 경우, 다른 물체 거리에서 광선이 다른 각도로 렌즈의 다른 부분에 도달하기 때문에 초점이 거리에 맞게 조정된다. 현대 사진에서는 집중력이 자동적으로 이루어지는 경우가 많다.

현대 SLR의 자동 포커스 시스템은 대비를 측정하기 위해 미러 박스의 센서를 사용한다. 센서의 신호는 어플리케이션별 집적회로(ASIC)에 의해 분석되며, ASIC는 렌즈 요소를 움직여 대비 패턴을 극대화하려고 한다. 현대 카메라의 ASIC는 움직임과 다른 진보된 특징들을 예측하기 위한 특별한 알고리즘을 가지고 있다.

회절 한계

빛이 파장으로 전파되기 때문에 필름에 생성되는 패턴은 회절이라고 알려진 파동 현상의 영향을 받는데, 이는 빛의 파장의 몇 배의 순서로 영상 해상도를 특징으로 제한한다. 회절은 정지된 렌즈에서 작은 구멍(높은 f-numer)까지 광학 이미지의 선명도를 제한하는 주효과인 반면, 일탈은 큰 구멍(낮은 f-numer)에서의 제한효과다. 회절은 제거할 수 없기 때문에 주어진 작동 조건(직접 설정)에 가장 적합한 렌즈는 회절만으로 화질이 제한되는 이미지를 생성하는 렌즈다. 이런 렌즈는 회절제한이 있다고 한다.

CCD나 필름의 회절제한 광학 스폿 크기는 f-숫자(f-숫자가 빛의 파장을 약 0.0005 mm에 가까운 약 0.0005 mm)에 비례하여 사진 속의 전체적인 디테일을 필름의 크기에 비례하거나, CCD를 f-숫자로 나눈다. f/11이 장착된 35mm 카메라의 경우, 이 한계는 필름 폭에 걸쳐 약 6,000개의 분해능 요소(36mm / (11 * 0.0005mm) = 6,500개)에 해당한다.

회절에 의한 유한한 스폿 크기는 먼 물체를 구분하는 기준으로도 표현할 수 있는데, 두 개의 원거리 점원은 각도가 카메라 렌즈의 열린 개구부 너비로 나눈 빛의 파장을 초과하는 경우에만 필름이나 센서에 별도의 영상을 생성할 수 있다.

화학적 과정

주요 기사: 아날로그 사진

젤라틴 은

주요 기사: 젤라틴 실버 공정

다게레오타입체

주요기사 : 다게레오타입

콜로디온 프로세스 및 암브로타입

주요기사 : 콜로디온공정

시아노타이프

주요 기사: 시아노타이프

플래티넘 및 팔라듐 프로세스

주요기사 : 플래티넘 프린트

잇몸비크롬산염

주요 기사: 잇몸비크롬산염

검비크롬산염(Gum bichromate)은 이크롬산염의 빛 감도를 바탕으로 한 19세기 사진 인쇄 공정이다. 그것은 사진의 부정적인 요소로부터 화가의 이미지를 만들어 낼 수 있다. 껌 인쇄는 전통적으로 다층 인쇄 공정이지만 한 번의 패스만으로 만족할 만한 결과를 얻을 수 있다. 어떤 색이든 껌 프린팅에 사용할 수 있어 이 기법을 겹겹이 사용함으로써 자연스러운 컬러 사진 촬영도 가능하다.

C-프린트와 컬러필름

주요 기사: 크로노제닉 프린트

디지털 센서

주요 기사: 이미지 센서 및 디지털 이미징

실용적 응용

상호주의 법칙

주요 기사: 상호주의(사진)
노출 ∝ 개구부 영역 × 노출 시간 × 장면 휘도

상호주의 법칙은 빛의 강도와 지속시간이 노출을 하기 위해 어떻게 균형을 이루는지 설명한다. 이 법칙은 주어진 총노출에 대해 셔터 속도와 조리개 사이의 관계를 정의한다. 이러한 요소들 중 하나에 대한 변화는 종종 "점프"라고 알려진 단위로 측정된다. 정지율은 2의 인자와 같다.

필름을 노출하는 빛의 양을 절반으로 줄이는 방법은 다음 중 하나일 수 있다.

  1. 조리개를 한 스톱으로 닫기
  2. 셔터 시간 단축(셔터 속도 증가) 1회 정지
  3. 씬(scene) 조명을 절반으로 절단

마찬가지로 필름을 노출하는 빛의 양을 두 배로 늘리면 이러한 수술 중 하나와 반대되는 수술로 얻을 수 있다.

반사광도계에서 측정된 장면의 휘도는 노출에 비례하여 영향을 미친다. 적절한 노출에 필요한 빛의 양은 필름 속도에 따라 달라진다. 필름 속도는 정지 또는 정지 분수에 따라 달라질 수 있다. 이러한 변화들 중 하나라도 적절한 노출에 도달하기 위해 조리개 또는 셔터 속도를 동일한 수의 정지 수로 조정할 수 있다.

빛은 카메라의 조리개(f-stops 측정)를 사용해 가장 쉽게 조절되지만, 셔터 속도를 조절해 조절하기도 한다. 더 빠르거나 더 느린 필름을 사용하는 것은 적어도 롤 필름을 사용하는 것은 보통 빨리 할 수 있는 일이 아니다. 대형 포맷 카메라는 개별 필름 시트를 사용하며 각 시트는 다른 속도가 될 수 있다. 또한 폴라로이드 백이 있는 대형 카메라를 사용하는 경우 다른 속도 폴라로이드가 포함된 등 사이를 전환할 수 있다. 디지털 카메라는 노출 지수를 조절해 시뮬레이션하고 있는 필름 속도를 쉽게 조절할 수 있으며, 많은 디지털 카메라는 노출 측정에 따라 자동으로 조절할 수 있다.

예를 들어, f/16에서 1/60의 노출로 시작하여 4회 정지 지점의 노출 증가인 f/4의 개구부를 개방하여 필드 깊이를 얕게 만들 수 있다. 보상하기 위해, 셔터 속도도 4회 정지, 즉 노출 시간을 1/1000까지 조절해야 한다. 조리개를 닫으면 회절 한계로 인한 분해능이 제한된다.

상호주의 법칙은 총노출을 명시하지만, 일정한 총노출에 대한 사진 자료의 반응은 별빛 하늘을 촬영하는 것과 같이 매우 희미한 빛에서 매우 오랜 노출에 대해 일정하게 유지되지 않을 수도 있고, 태양을 촬영하는 것과 같은 매우 밝은 빛에서 매우 짧은 노출에 대해서도 일정하게 유지되지 않을 수도 있다. 이를 재료(필름, 종이 또는 센서)의 상호주의 실패라고 한다.

모션 블러

모션 블러드는 노출 중에 카메라나 피사체가 움직일 때 발생한다. 이는 움직이는 물체 또는 전체 사진에 독특한 줄무늬가 나타나는 원인이 된다(카메라 흔들기의 경우).

주제를 따라가는 동안 배경이 흐릿함

모션 블러드는 흐르는 물과 마찬가지로 속도나 움직임의 느낌을 창조하는데 예술적으로 사용될 수 있다. 그 예가 '패닝'의 기법인데, 카메라는 피사체를 따라 움직이게 되는데, 보통 자동차처럼 빠르게 움직인다. 올바르게 하면 명확한 주제의 이미지를 주겠지만, 배경에는 움직임이 흐려져 움직임의 느낌을 줄 것이다. 이것은 동작이 매끄럽고 정확한 속도로 진행되어야 하기 때문에 숙달하기 더 어려운 사진 기법 중 하나이다. 카메라에서 더 가깝거나 더 멀어지는 피사체는 집중력을 더 떨어뜨릴 수 있다.

라이트 트레일

라이트 트레일은 모션 블러드를 사용하는 또 다른 사진 효과다. 밤길의 긴 노출 사진에서 볼 수 있는 빛의 선 사진이 그 효과의 한 예다.[5] 이는 노출 중에 차들이 도로를 따라 이동하면서 발생한다. 스타 트레일 사진을 만들 때도 같은 원리가 사용된다.

일반적으로, 모션 블러드는 피해야 할 것이며, 이것은 여러 가지 다른 방법으로 이루어질 수 있다. 가장 간단한 방법은 셔터가 열린 시간 동안 이미지의 움직임이 거의 없도록 셔터 시간을 제한하는 것이다. 더 긴 초점 길이에서는 카메라 본체의 동일한 움직임이 더 많은 이미지 움직임을 유발하므로 셔터 시간이 더 짧아야 한다. 일반적으로 인용되는 경험 법칙은 초 단위의 셔터 속도가 밀리미터 단위의 35mm 등가 초점 길이의 역수여야 한다는 것이다. 예를 들어, 50 mm 렌즈는 1/50 초의 최소 속도에서, 300 mm 렌즈는 1/300 초의 속도로 사용해야 한다. 이는 셔터 시간과 함께 노출도 감소하기 때문에 저조도 시나리오에서 사용할 때 어려움을 야기할 수 있다.

고속 촬영은 매우 짧은 노출을 사용하여 빠르게 움직이는 피사체의 흐림을 방지한다.

피사체 이동으로 인한 모션 블러드는 보통 더 빠른 셔터 속도를 사용함으로써 막을 수 있다. 정확한 셔터 속도는 피사체가 움직이는 속도에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 헬리콥터의 로터를 "동결"시키기 위해서는 매우 빠른 셔터 속도가 필요한 반면, 느린 셔터 속도는 달리기 선수를 얼리기에 충분할 것이다.

삼각대는 카메라 흔들림으로 인해 동작이 흐려지는 것을 피하기 위해 사용될 수 있다. 이렇게 하면 노출 중에 카메라가 안정될 것이다. 약 1/15초 이상의 노출 시간에는 삼각대를 사용하는 것이 좋다. 삼각대 사용과 함께 카메라가 매우 정지된 상태를 유지하도록 하는 추가 기법이 있다. 이들은 셔터 해제 버튼을 직접 누를 때 정상적으로 발생하는 이동을 피하기 위해 케이블 해제 또는 적외선 원격 스위치와 같은 원격 작동기를 사용하여 셔터를 작동할 수 있다. '셀프 타이머'(시간 간격 후 셔터 해제를 자동으로 트립하는 타이밍 해제 메커니즘)도 같은 용도로 사용할 수 있다. 현대적인 싱글렌즈 반사형 카메라(SLR)는 대부분 거울이 뒤집혀 생기는 소량의 흔들림을 제거하는 미러 잠금 기능이 있다.

필름 곡물 분해능

ISO400 음극 필름에 강곡물, ISO1600에 푸시.

흑백영화는 '흔한' 면과 '끌' 면으로 되어 있다. 칙칙한 쪽은 에멀젼으로, 일련의 은 할로겐화 크리스탈을 매달아 놓는 젤라틴이다. 이 결정체에는 필름이 광노출에 얼마나 민감한지, 그리고 인쇄물이 얼마나 미세하게 보이거나 곡물처럼 보일지를 결정하는 은색 알갱이가 들어 있다. 알갱이가 클수록 노출은 빨라지지만 곡물 외관은 더 좋아 보인다. 알갱이가 작을수록 보기 좋지만 더 많이 노출되면 활성화된다. 필름의 곡물성은 ISO 인자로 표현된다. 일반적으로 배수는 10 또는 100이다. 숫자가 낮을수록 더 미세하지만 더 느린 필름을 생성하며, 그 반대의 경우도 마찬가지다.

소음(곡선)에 대한 기여

양자 효율

빛은 입자로 들어오고 빛 입자(광자)의 에너지는 플랑크의 빛의 시간 상수의 주파수다. 모든 사진 방법의 근본적인 특성은 사진판이나 전자 검출기에 빛을 모으는 방법이다.

CCD 및 기타 광다이오드

광다이오드는 역 바이어스 반도체 다이오드로, 충전 캐리어가 극히 적은 내인층이 전류의 흐름을 막는 역할을 한다. 광자는 소재에 따라 상단 풀밴드(full band)에서 가장 낮은 빈 밴드로 전자 1개를 올릴 수 있는 충분한 에너지를 갖고 있다. 전자와 "구멍" 즉, 그것이 있던 빈 공간은 그 후 전기장에서 자유롭게 움직이고 전류를 운반할 수 있게 되는데, 이것은 측정할 수 있다. 반송파 쌍을 생산하는 입사 광자의 분율은 반도체 재료에 크게 의존한다.

광전자 증배관

광전자 증배관은 일련의 전극으로부터 더 많은 전자를 노크하기 위해 광전자를 가속시켜 빛을 증폭시키는 진공 광전자관이다. 그것들은 가장 민감한 광선 탐지기에 속하지만 사진 촬영에는 잘 적합하지 않다.

앨리어싱

앨리어싱은 광학 처리와 화학 처리에서 발생할 수 있지만, 디지털 처리에서 더 흔하고 쉽게 이해된다. 광학 또는 디지털 이미지를 분해능에 비해 너무 낮은 속도로 샘플링하거나 다시 샘플링할 때마다 발생한다. 일부 디지털 카메라와 스캐너에는 샘플링 속도에 맞춰 의도적으로 이미지를 흐리게 해 앨리어싱을 줄이는 안티앨리어싱 필터가 탑재돼 있다. 크기가 다른 인쇄물을 만드는 데 사용되는 필름 현상 장비는 앨리어싱으로 작은 인쇄물의 곡물성을 높이는 것이 일반적이다.

일반적으로 곡물 등의 잡음이나 실제 물체의 디테일이 너무 작아 샘플링 속도로 나타낼 수 없는 두 가지 잡음을 모두 억제하는 것이 바람직하다.

참고 항목

참조

  1. ^ "Science of Photography". Photography.com. Archived from the original on Feb 13, 2008. Retrieved 2007-05-21.
  2. ^ Kirkpatrick, Larry D.; Francis, Gregory E. (2007). "Light". Physics: A World View (6 ed.). Belmont, California: Thomson Brooks/Cole. p. 339. ISBN 978-0-495-01088-3.
  3. ^ https://www.nikonusa.com/en/learn-and-explore/a/ideas-and-inspiration/phase-fresnel-from-wildlife-photography-to-portraiture.html
  4. ^ http://pietrzyk.us/ieee-spectrum-shows-off-new-lens-technology-2/
  5. ^ "TrekLens – JoBurg Skyline and Light Trails Photo". treklens.com. Retrieved 4 April 2010.