[DSLR용어] 조리개 (Aperture)

조리개의 기능과 F-stop의 계산법

조리개는 렌즈의 중간에 위치하여 렌즈를 통과하는 빛의 양을 조절하는 기구입니다. 조리개값은 보통 F값으로 표현되는데(ex F2.8 F1.4 F11등) F뒤의 숫자가 작을수록 '밝은 렌즈'라고 부릅니다.

렌즈의 F값이 작을수록 렌즈를 통과하는 광량이 늘고 F값이 클수록 통과하는 광량이 적어집니다. 또 조리개를 완전히 여는 것을 '최대개방조리개'라고 하고 이때의 F값을 '개방 F값'이라고 부릅니다. 개방 F값이 작은 렌즈를 '밝은 렌즈'(또는 '대구경렌즈')라 하며 반대로 개방 F값이 큰 렌즈를 '어두운 렌즈'라고 부릅니다.

일반적으로 줌렌즈는 단렌즈보다 밝은 렌즈를 만드는 것(F값이 작도록 만드는 것)이 어렵습니다. 또한 밝은렌즈일수록 구경이 커지는 단점이 있습니다. 이는 렌즈자체의 무게나 크기뿐만아니라 필터, 후드의 선택에도 영향을 미치는 요소입니다.  

이 아래부터는 F값의 계산에 대한 이론적인 설명입니다. 자세한 설명이 필요없으신 분들은 아래 조리개모양과 날 수로 바로 넘어가세요~

F/2.8과 F/16의 차이. 출처 : 위키백과

Aperture Revealed - 120 fps - HD from Camera Technica on Vimeo.

얼핏보면 F2.8, F4. F5.6등 F값은 대충잡은 수치처럼 보이지만 실제는 √2배씩 증가하는 값입니다. 이 규칙의 원리는 조리개의 열려있는 면적과 빛이 통과하는 양이 비례한다는 사실에서 출발합니다. 조리개의 모양은 오각형이든 육각형이든 원과 유사하다고 생각할 수 있으며 아시다시피 원의 넓이는 π * r * r 입니다. (π는 원주율, r은 원의 반지름) 즉, 조리개의 반지름이 √2배씩 늘어나면 빛이 들어오는 면적은 2배로 넓어집니다.

따라서 1,1√2, 2, 2√2, 4, 4√2의 단계로 √2배씩 직경이 늘어날때마다 빛의 유입량은 두배로 늘어납니다.

반대로 최대를 1로 보았을때 √2배씩 직경이 줄어들면 빛의 유입량은 반으로 줄어듭니다. 렌즈의 F-stop은 이러한 계산법에 기초하여 만들어졌습니다.

반지름이 √2배 늘어나면 원(혹은 근사한 다각형)의 면적은 2배 늘어나고 빛의 유입량도 2배가 된다.

이렇게 빛의 양이 2배로 증가했을때를 '1스톱 증가'라고 부르며 1/2로 감소했을 때를 '1스톱 감소'라고 합니다. 요즘에 출시되는 보통의 DSLR은 조리개 설정을 통하여 빛의 양을 2배나 1/2로 조절하고, 노출보정을 통하여 1/3스톱씩 조절할 수 있도록 합니다.

조리개의 값은 보통 F값으로 표현됩니다. 그렇다면 F1.4 F2, F2.8. F4 이런 숫자는 어떻게 생겨난 것일까요? 위를 보시고 추측하신 분들도 계시겠지만 앞의 값에다가 √2의 근사값인 1.414를 곱한수들입니다. 위에서 설명한 원의 면적이 두배로 늘어나는 규칙에서 파생된 숫자들입니다.

1 * 1.414 ≒ 1.4
1.4 * 1.414 ≒ 2
2 * 1.414 ≒ 2.8
2.8 * 1.414 ≒ 4
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즉 DSLR의 조리개설정에서 나오는 F값의 숫자들의 간격은 빛의 양을 2배 혹은 1/2배씩 조절하는 것이라고 생각하시면 됩니다.

그렇다면 단순히 빛의 양만 가지고 F값을 결정할 수 있을까요? 그런 것은 아닙니다. 왜냐면 CCD에 들어가는 빛의 양은 렌즈의 구경과 초점거리에 따라 달라지기 때문입니다. 그렇기 때문에 F값은 초점거리를 유효구경으로 나눈 값으로 표기됩니다.

F = f (초점거리) / D (유효구경)

초점거리는 위 그림에서 제2주점부터 CCD까지의 거리를 말하는 것이고 유효구경은 실제로 빛을 통과시킬 수 있는 조리개의 구경(조리개의 지름)을 말하는 것입니다.

즉, 초점거리와 유효구경이 같을때의 조리개값을 F1이라고 기준을 잡고 그 이후로 빛의 양이 반으로 줄어들때마다 유효규경의 반인 반지름에 √2의 근사값인 1.414를 곱하여 표기합니다.

f(초점거리)	D(유효구경)		빛유입원의 넓이	F값
1	1.00		0.785	1.00
1	0.71		0.395	1.41
1	0.50		0.196	2.00
1	0.35		0.096	2.83
1	0.25		0.049	4.00
1	0.18		0.025	5.66
1	0.13		0.013	8.00
1	0.09		0.006	11.31
1	0.06		0.002	16.00
1	0.04		0.001	22.63

위 표는 초점거리를 고정하고 유효구경을 √2씩 나누는 방식으로 작성하였다.
빛 유입원의 넓이는 반으로 주는 것이 보인다. 즉, 빛이 들어오는 양이 반씩 줄어든다.  

위의 F-stop의 단계에 따라 카메라의 조리개값도 보통 F1, F1.4, F2, F2.8, F4, F5.6, F8, F11, F16, F22, F32순으로 바뀐다. (물론 반드시 빛이 반씩 줄어야 할 이유는 없다. F3.5 같은 값이 존재하는 이유이다.)

위에서 추측해보면 초점거리가 멀 수록 (망원일수록) 밝은 조리개를 확보하기 힘들어 집니다.

단순계산해봐도
50mm 때의 F2.8의 유효구경은 17.8 정도가 되고
250mm 때의 F2.8의 유효구경은 89.2 정도가 됩니다.
이를 빛이 들어오는 원의 면적으로 따져보면 1001 : 25031 정도가 되는데 25배 정도 차이가 납니다.

즉 초점거리가 r배 멀어지고도 같은 F값을 유지하려면 구경도 r배 커져야 하고 조리개가 형성하는 원의 면적은 r제곱배 늘어나야 합니다. (밝은 망원렌즈의 구경이 매우 큰 이유가 이 때문입니다.)

DSLR에서 보통 '조리개우선모드'는 Av로 표현되는데 이는 Aperture Value의 약자입니다. 즉, 조리개는 사용자가 조절하고 셔터스피드의 속도를 바꿔 측광하는 방식을 말합니다.

조리개는 기본적으로 렌즈에 들어오는 빛의 양을 조절하지만 이것 이외에도 심도도 결정합니다. 이는 피사계심도 부분에서 다루겠습니다.

조리개의 모양과 날의 수

왼쪽부터 캐논 10-22, 토키나11-16, 탐론17-50의 빛갈라짐

조리개의 날이 구성하는 모양은 빛망울의 모양에 영향을 미치며 조리개를 조였을 때 빛갈라짐의 모양도 결정합니다. 조리개날이 많거나 조리개의 날 모양이 곡선에 가까울수록 빛망울의 모양은 원형에 가까워지며(이는 초점에 따라서 바뀔 수 있습니다.) 빛망울의 모양은 원형에 가까울수록 아름답다고 평가되는데 이 때문에 원형에 가까운 빛망울 모양을 이루는 렌즈가 좋은 렌즈로 평가받습니다. (물론 절대적인 것은 아닙니다) 

빛갈라짐은 광원이 산발적으로 혹은 독립적으로 분포되어 있는 곳에서 조리개를 조여 촬영했을때(대략 F8~10이상) 나타나는데 빛갈라짐이 확실하고 선명하게 나타나는 렌즈를 선호하는 경향이 있습니다. 빛갈라짐의 수는 조리개 날의 수가 짝수이면 조리개의 날와 같고 홀수이면 조리개 날의 수의 2배가 됩니다. 예를 들어 조리개 날 수가 6매면 6개의 뾰족한 날을 가진 빛 갈라짐을 가지며 7개인 경우 14개가 됩니다.

예전은 렌즈의 선예도와 색감이 성능의 절대적인 척도였지만 요즘은 빛갈라짐이나 빛망울의 모양도 부수적이기는 하지만 성능의 중요한 척도로 이용되고 있습니다. 이것으로 간단한 조리개 설명을 마치겠습니다.