해상도란

[광학 기술 백서 #11]해상도란

 

 

  카메라를 통해서 사진을 찍을 때 렌즈나 카메라의 특성으로 인해 어쩔 수 없이 실제 영상과는 차이가 나게 됩니다. 그러므로 실제와 다른 이런 차이를 최소화하고 영상을 좀더 뚜렷하게 볼 수 있도록 하는 것이 좋은 사진이라고 할 수 있겠는데요. 이렇게 좋은 화질을 구현하기 위한 요소는 많은 것들이 있지만, 그중에서도 가장 중요한 것은 바로 Sharpness와 Contrast입니다.

이미지의 선명도(Sharpness)와 명도비(Contrast)

  당연히 이미지가 선명하게 보이는 것이 좋은 사진의 첫째 조건입니다.
하지만 선명한 이미지를 얻기 위해서 더욱 중요하게 여겨야 할 것이 있습니다. 그것은 바로 흑과 백의 밝기 차이를 의미하는 명도비(Contrast)입니다. 

  명도비가 높을 수록 상은 선명하게 보이므로 좀더 좋은 영상을 얻을 수 있습니다.
그러면 일반적으로 이러한 명도비를 포함한 선명도를 어떻게 표현할까요? 

  광학적으로 렌즈나 카메라의 선명도 표현 정도를 알아보기 위해서는 흑색과 백색이 교차로 나타나는 줄무늬 모양을 사용합니다. 이런 줄무늬를 이용하여 단위 길이당 얼마나 많은 줄무늬를 표현할 수 있는지를 측정한 후 렌즈나 카메라의 성능을 결정합니다. 

 

 

 

  위의 그림이 바로 이러한 용도로 쓰이는 줄무늬 Sample입니다. 줄무늬의 간격이 점점 작아질수록 렌즈나 카메라와 같은 광학계도 이것을 표현하기가 힘들어집니다.
그러므로 최대 얼마까지 줄무늬를 보여줄 수 있는냐가 광학계의 중요한 성능이 되고, 이를 lp/mm (line pair per millimeter)라고 말합니다.

 

예를 들어 최대 50lp/mm까지 나타낼 수 있는 렌즈는 1mm의 길이 안에 흑색과 백색의 줄무늬를 각각 50개씩, 총 100개까지 보여줄 수 있는 해상력을 지니고 있다는 의미입니다.
40lp/mm의 렌즈와 비교한다면 당연히 50lp/mm 렌즈가 더욱 성능이 좋은 것이고요.
그런데 여기에서 의문이 하나 더 듭니다.
 

 도대체 몇 lp/mm 라는 것은 어떤 기준으로 결정을 하는 것일까요?

사람의 눈은 개인별로 차이가 있고, 같은 물체라도 어떤 사람에게는 보이는 것이 어떤 사람에게는 안보일 수가 있습니다. 이런 주관적인 사람의 눈을 가지고 구분을 하게 된다면 기준이 모호해져 정확한 측정을 할 수 없습니다.

그래서 등장하는 것이 바로 명도비라는 놈입니다.

  이미 앞에서도 언급했듯이 명도비는 물체의 선명도에 많은 영향을 끼칩니다. 예를 들어 같은 lp/mm를 가진 물체라 하더라도 명도비가 높은 것이 더욱 선명하게 보입니다. 이와 같은 내용은 아래의 사진에서도 확인할 수 있습니다.

 

  이 사진을 잘 살펴보면 낮은 lp/mm(왼쪽)를 가진 줄무늬가 높은 lp/mm(오른쪽)가진 줄무늬보다 좀더 선명하게 보이는 것을 알 수 있습니다. 

  또한 같은 lp/mm를 가지고 있더라도 명도비가 낮을수록(아래쪽) 흐릿하게 보이는 것도 확인할 수 있습니다.
실제 렌즈에서는 lp/mm가 높아질수록 명도비가 떨어지게 되고 어느 기준 이하가 되면 구분할 수 없을 정도로 흐려지게 됩니다. 

 

이것을 표현한 것이 2종류의 화살표입니다. 이를 살펴보면 같은 lp/mm에서 붉은 색 화살표가 파란색 화살표보다 더 높은 Contrast를 지니고 있다는 것을 알 수 있습니다. 그러므로 붉은색 화살표가 파란색 화살표보다 좀더 높은 성능을 지닌 렌즈를 표현한 것이라는 사실을 짐작할 수 있습니다.

 

  일반적으로 렌즈에서 표현할 수 있는 Contrast의 한계 기준을 30% 정도로 생각하고 있습니다.
이 말은 만약 흰색의 밝기를 1, 검은색의 밝기를 0으로 표현했을 때, 렌즈를 지나면서 이 두 색의 밝기 차이가 0.3 정도로 줄어든다는 의미입니다. 이 값 이하로 Contrast가 떨어지게 되면 검은색과 흰색의 밝기 차이를 구분하기가 힘들어지고 회색의 뿌연 판으로만 인식되게 됩니다.

  그러므로 렌즈의 성능을 나타내는 lp/mm는 Contrast가 30%일 때의 값을 의미합니다. 즉 50lp/mm의 렌즈는 흰색과 검은색의 줄무늬가 각각 50개일 때 Contrast가 30%라는 의미입니다.
그리고 이와 같이 lp/mm 당 Contrast의 값을 연속적으로 측정하여 기록한 표를 MTF(Modulation Transfer Function)이라고 하며, 이 표는 렌즈의 성능을 알 수 있는 중요한 기준으로 사용됩니다.

 

 

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필진 소개

 

박강환, Benjamin Park (앤비젼 제품 기획팀/광학 담당) 광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist