디카의 실초점거리, 환산초점거리, 화소수와 면적 3 (최승용님 질문에 대한 답변)

질문)
박병우님의 천문살롱의 글을 읽고....
디지탈 카메라의 초점거리를 구해 보았습니다.
제가 현재 사용하고 있는 카메라는 니콘 쿨픽스 995 입니다.
제품에는 30mm - 152mm라고 나오는데 실제로 테스트 해보니...
광학줌을 모두 당긴 상태에서 30mm정도고 디지탈줌을 모두 당긴 상태는
129mm정도 됩니다.
사진을 찍어서 ACDC나 니콘뷰에서 메타데이트를 보면 알 수 있습니다.
그러면 여러분이 가지고 계시는 디지탈 카메라는 어떤가요?
광고와 다른 초점거리가 나오는 이유는 무엇일까요?
이것이 다르다면 그저 감으로 찍는수밖에 없을까요?
한번 테스트 해보시길 바랍니다.^^
그리고 리플 부탁 드립니다


답변)
승용씨, 회원 카페란에서 하신 질문에 대한 답변을 여기에 적겠습니다. 여기에 적는 이유는, 어제 적은 요 아래 글과 연관이 되고, 또 제가 천문살롱에서 공개적으로 적었으므로, 그 의문사항에 대한 답변도 공개적으로 하는게 나을 것같아서입니다.

1. 디카의 실제 초점거리와 35mm판 필름 환산 초점거리란?
이건 무슨 말이냐하면, 디카의 CCD 면적은 필름보다 작으므로 면적이 작은 것을 고려하여 같은 화각의 피사체를 입사시키려면 35mm판 필름 카메라에서 어느 정도 초점거리의 렌즈를 사용해야하느냐 하는 것입니다.

*쿨픽스5700의 실제 초점 거리의 가변 범위는 8.9~71.2mm인데 이 정도의 화각을 35mm판 필름에 같은 화각으로 투영하려면 35~280mm의 줌렌즈가 필요합니다. 바꾸어 말하면 쿨픽스5700은 일반 35mm필름 카메라에 35~280mm 줌 렌즈를 부착한 것과 같은 사양입니다. 성능 무지 좋십니다! 이것이 FCKCP5700!--->Film Camera Killer by CP5700

*쿨픽스5400의 경우 가변 초점 거리...5.8~24mm(35mm판 환산시 28~116mm)

*쿨픽스5000의 경우 가변 초점 거리...7.1~21.4mm(35mm판 환산시 28~85mm)

*쿨픽스4500의 경우...실초점거리...???(35mm 판 환산시 29~155mm)

*쿨픽스995의 경우...실초점 거리...???(35mm 판 환산시 38~152mm)


위의 데이터에서 보듯이 디카의 실 초점거리는 얼마 안되지만 35mm 판 환산시는 아주 범위가 커집니다. 디지털 메타데이터에서는 실제 초점거리가 나오므로 아주 적은 값으로 나오는 것입니다. 초점거리는 일반적으로 35mm 판으로 환산한 값이 타당하다고 봅니다. 그 이유는 우리가 그 수치에 많이 익숙해져 있기 때문이고, 또 디카의 ccd는 너무 다양해서 실초점거리를 모델마다 각양각색이라 감을 잘 잡을 수 없기 때문입니다. 따라서 디카는 실초점거리가 짧으므로 아무렇게나 사진을 찍어도 초점이 잘 맞고 그 범위도 큽니다(피사체의 심도가 깊다).  

2. 필름과 CCD면의 크기
*35mm 판 필름~ 가로: 세로: 대각선 = 36 : 24 : 43mm

*쿨픽스5700: 공칭 ccd 크기: 2/3인치(16.93mm), 가로: 세로: 대각선 = ? : ? : 16.93mm

*쿨픽스5400: 공칭 ccd 크기: 1/1.8인치(14.1mm), 가로: 세로: 대각선 = ? : ? : 14.1mm

*쿨픽스5000: 공칭 ccd 크기: 2/3인치(16.93m), 가로: 세로: 대각선 = ? : ? : 16.93mm

*쿨픽스4500: 공칭 ccd 크기: 1/1.8인치(14.1mm), 가로: 세로: 대각선 = ? : ? : 14.1mm

*쿨픽스995: 공칭 ccd 크기: 1/1.8인치(14.1mm), 가로: 세로: 대각선 = ? : ? : 14.1mm

위의 데이터에서 보듯이 5000과 5700은 같은 설계 개념이고, 나머지 모델도 같은 설계개념으로 보입니다. 이 글을 정리하면서 발견한 건데, 5000이나 5700이나 ccd 사이즈는 같은데 우찌 된 사연으로 화질에서 차이가 날까요? 전 화소면적이 주 원인이라고 생각했었는데 화소면적이 같으므로 이건 헛 짐작이었고, 뭔가 이유가 있을 것같습니다. ED 렌즈 때문에 그런가요? 잘 모르겠습니다. 아뭏던 이 CCD는 같은 CCD임에 틀림이 없는 것이, 실제 초점거리와 35mm판 필름 환산 초점거리의 비율이 똑같이 맞아 떨어지고 있다는 것입니다.


3. 필름 카메라의 화각 크기
화각의 크기 계산은 지난 번 뉴톤반사망원경 설계시의 예제와 같습니다. 백날가도 같은 염불입니다. 그래서 이 식을 ‘백날가도 같은 염불 식(式)’이라 합니다. 즉

화각 크기 세타 = 2tan-1(화각 길이/2x초점거리)

에서 유도 됩니다.  

예를들어 똑독한 놈 세 개만 계산해보겠습니다. 35mm 판 필름 대각선 기준 계산입니다. 대각선 길이는 43mm이므로...

*초점거리 21mm인 경우
세타 = 2tan-1(43/2x21) = 91.3도(요위의 그림 92도와 일치)

*초점거리 35mm인 경우
세타 = 2tan-1(43/2x35) = 63.1도(요위의 그림 62도와 일치)

*초점거리 1000mm인 경우
세타 = 2tan-1(43/2x1000) = 2.46도도(요위의 그림 2.5도와 일치)

초점 거리가 길면 길수록 더 정확하게 근접하는 걸 알 수있습니다.

4. 디지털카메라의 화각 크기
쿨픽스5700의 경우를 생각해봅니다.
사양서에서 실초점거리 8.9mm일 때, 35mm 판 화각에서는 35mm 초점거리와 같다고 했으므로, 그 때의 화각을 구하여보면...

*실제 초점거리 8.9mm인 경우
세타 = 2tan-1(16.93/2x8.9) = 87도

절단났습니다! 요위의 35mm 판은 초점거리 35mm에서 62도 화각인데 87도라뇨? 경사났네~ 경사났네~ 무려 138%의 화각 증가가 되부렀습니다. 왜 이럴까요? 역으로 35mm 판 화각에서는 실제 디카의 화각 71% 되버립니다.

이것은 ccd의 공칭 사양 2/3인치에서 실제의 화소 면적 크기는 아주 작기 때문입니다. 2/3인치는 그 자투리 부분의 크기까지 다 합쳐서 2/3인치라고 하기 때문입니다. 실제 1/2인치 ccd의 경우 12.7mm가 길이가 되어야하나 실 화소 대각선 길이는 대략 8mm 정도라고합니다. 62% 수준이지요. 또 1/3인치 ccd의 경우도 그 대각선 길이의 70% 정도만 실화소 길이가 됩니다. 이건 회사마다 다 틀리겠지요. 이 자투리를 빼고나면 당연히 같은 화각으로 나옵니다.

5. 초점거리 환산
환산은 아주 쉽습니다. 화각의 필름 길이는 초점거리와 그대로 반비례하므로, 실초점거리와 환산초점거리는 똑 같은 비율로 비례합니다. 바로 계산가능합니다. 예를들어 5700의 경우 8.9mm가 35mm로 나오므로 35/8.9=3.93=4 그러므로 메타데이터의 초점거리에서 곱하기 4만 해주면 됩니다. 만약 승용씨의 995가 환산초점거리가 사양표에 없다면, 화소크기가 있어도 계산 가능하고, 없더라도 대략적으로 추정 계산 가능합니다. 그런데 잘 찾아보면 있지 싶습니다.

6, 화소 면적과 화소수 관계
위의 연유로 ccd 공칭 치수의 65% 정도만 실제 ccd의 화소수라고 생각하고, 몇모델의 화소 크기를 계산해보았습니다. 혹시 자료를 가지고 계신 분은 안계십니까? 있으면 올려주시고 한번 확인해 주십시요. 검산은 해보지 않았습니다.

계산 과정은 좀 허접해서 생략합니다.

*쿨픽스5700 화소크기: 3.5마이크론
*쿨픽스5400 화소크기: 2.8마이크론
*쿨픽스995 화소크기: 3.5마이크론

정도입니다. 이 정도면 냉각ccd보다는 훨씬 작은 크기가 아닌가요? 화소 크기가 10마이크론 이하이면 행성이나 천체사진을 찍는데 거의 지장이 없다고 생각합니다. 따라서 화소수보다는 색감을 신경쓰서 화소 면적을 고려하여 선택하는 것에 한 표를 던지는 바입니다.

인준씨가 관측기에 올린 덕초현 귀가시 찍은 푸른 밭 사진을 보면, 밝은 햇살 아래서인지는 몰라도, 전경이 좀 탔습니다. 이것의 해결 방법은 4500 더 가격 하락하기 전에 팔고 5700 사면 되는디...돈도 10~20만원만 더 보태면 되는디...