[Computer Vision] SLR, Pinhole(핀홀 카메라), Focal length(초점거리), 렌즈공식

1. SLR (Single Lens Reflection)

- 이름 그대로 단일 렌즈 카메라다. pinhole, thinlens 두 가지 종류가 있으며 조리개, 셔터 등 구성요소로 이루어져있다.
- 상이 맺히는 부분은 실제 사물과 정반대의 상이 맺힌다.
- 프리즘을 통해 사용자는 실제 물체와 동일한 상을 볼 수 있다.
- 이미지 센서로는 ccd, 혹은 cmos를 사용한다.

1.

2. Pinhole

SLR에서 우리가 흔히 쓰는 렌즈가 있는 카메라를 thinlens 방식이라고 하고, 렌즈 대신 구멍을 뚫어 사용하는 방식을 pin hole 방식라고 한다. (초등학교때 바늘구멍 사진기처럼)

 

빛은 모든 방향으로 반사되고, 점과 같은 아주 미세한 입자라고 생각하자.
반면 구멍은 물리적으로 그만큼 작게 만들 수 없으므로, 빛이 구멍을 통과하면 작은 동그라미 같은 상이 생긴다.
따라서 pinhole을 통과하면 작은 동그라미들이 겹쳐진 상이 맺히게 된다. (위 아저씨의 왼쪽 그림을 자세히 보면 작은 동그라미들로 이루어져 있는 걸 볼 수 있다.)
 
구멍 크기에 따른 pin hole 카메라의 상
구멍이 커질때: 
- 구멍이 커질수록 들어오는 빛의 양은 더 많이 들어오게 되어 커진다. → 제곱으로 커진다. 예를 들어 구멍 크기가 2배로 변하면 들어오는 빛의 양은 4배가 된다. (면적은 반지름의 제곱에 비례하니깐)
- 구멍이 커질수록 이미지는 흐려진다.(상에 맺히는 동그라미들이 더 커지므로)
구멍이 작아질땐 반대로 생각하면 된다. 

 
 
앞선 논리에 따르면 구멍이 작아질수록 선명한 상을 얻게 되는데, 너무 작아지면 빛의 회절 때문에 
따라서 적절한 pinhole 지름의 길이는 sqrt(f)/28 mm 로 정해두었다. (sqrt는 제곱근 표시, f는 아래에서 언급할 초점거리)
 
 
 

3. Focal length (초점거리)

focal length, 초점 거리는 이미지 센서와 pinhole 또는 lens까지의 거리를 나타낸다. 초점과는 다른 개념이다!
소문자 f로 표시한다. 
초점은 물리적인 양이 아니라 화질이 뚜렷한 정도를 나타내는 추상적인 단어다(예시: 초점이 맞다, 초점이 안 맞다,. ..)

 
 
초점거리의 길이 변화에 따른 상의 변화
아래 그림과 같이 초점 거리가 2배로 변하면, 이미지 센서에는 상의 중심부 부분이 이미지 센서에 꽉 차게 된다. 
중심부만 투영된 상이 2배 증가했다. 따라서 초점거리가 길수록 줌 효과를 낼 수 있다.
반대로 생각하면 초점거리가 짧을수록 보다 더 넓은 화면을 찍을 수 있는, 화각이 넓어진다.
대신 빛이 모이는 영역이 더 넓어져 빛의 밀도가 낮아지므로, 초점거리가 길수록 모여지는 빛의 크기는 제곱으로 줄어든다.

예를 들어, DSLR 카메라에서 줌을 당기면 렌즈가 앞으로 나가는 것을 볼 수 있을 텐데, 이미지 센서와의 거리를 넓혀 초점거리를 길게 하는 것이다.
 
 
thin lens와 pin hole 에서의 focal length 차이
 
thin lens(일반적인 렌즈가 있는 카메라)
- 정확한 위치에 focal length가 와야 뚜렷한 상이 맺힌다(초점이 맺힌다)
- 정확한 focal length는 고정, 물체거리에 따라 초점은 변동된다. 
- 초점의 개념이 있다
 
pin hole()
렌즈와 이미지 센서와의 거리에 상관없이 센서가 있는 위치에 상이 찍힌다. 
- 모든 focal length에서 정확한 상이 맺힌다. 따라서 초점의 개념이 없다.

thin lens에선 렌즈와 광원이 만나는 중심부까지의 거리가 focal length인 것을 기억하자!
 
 

4. Thin lens formula (렌즈 공식)

 

Thin lens에서 focal length는 다음과 같이 구할 수 있다. 
 
D': 렌즈부터 물체에서 나온 빛이 굴절되어 초점이 맺히는 곳 까지의 거리
D: 렌즈부터 물체까지의 거리
f: 광축과 렌즈에 수직으로 들어오는 빛이 만나는 지점까지의 거리
 

 
 
 
 
 
사진 출처: 경북대학교 박순용 교수님 멀티미디어시스템개론 강의자료