센서 크기와 픽셀 크기를 MTF에 맞추는 작업이 중요한 이유 알아보기

이 문서에서는 다양한 공간 주파수에서 렌즈의 MTF 곡선을 살펴보고 카메라의 센서 크기와 픽셀 크기에 가장 적합한 렌즈를 찾는 방법을 소개합니다.

먼저 이 문서를 읽고 MTF 그래프에 대한 기본 지식을 쌓고 이 지식을 활용하여 어떤 의사 결정을 내릴 수 있는지는 알아보세요. MTF를 이용해 렌즈 품질을 평가하는 방법 알아보기

‌MTF와 센서 크기 매칭하기

카메라 센서에 적합한 범위의 렌즈를 선택하면 전체 프레임에서 우수한 이미지 품질을 유지할 수 있습니다. 여기에는 카메라의 센서 크기에 맞는 렌즈에서 발생하는 모든 이미지 서클을 처리할 수 있는 성능을 기준으로 렌즈를 선택하는 과정이 포함됩니다.'

적용 사례

이미지 서클을 고려하여 적합한 렌즈를 선택하는 방법에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

Pyrite 4.0/45 렌즈와 Pyrite 4.5/90 렌즈를 사용한다고 가정하고 센서 크기가 42mm인 카메라에 어떤 렌즈가 더 적합한지 알아보겠습니다. 비교하기 쉽도록 렌즈의 조리개 값은 f/5.6으로 고정되어 있다고 가정합니다.'

센서 크기가 42mm인 카메라 기준

• PYRITE 4.0/45렌즈의 이미지 서클 크기는 43.2mm이고 전체 이미지 서클 영역이 사용됩니다.

• PYRITE4.5/90렌즈는 이미지 서클 크기가 90mm이고 이미지 서클의 절반만 사용되므로 검은색으로 칠해진 부분은 사용되지 않고 나머지 MTF 값만 적용됩니다.

이미지 서클을 기준으로 렌즈를 비교한 결과

위 그림에서 알 수 있듯이 이미지 서클을 고려하지 않고 PYRITE 4.0/45 렌즈와 PYRITE 4.5/90 렌즈의 MTF 그래프를 비교하면 두 렌즈의 성능이 비슷해 보입니다.

그러나 이미지 서클을 고려하면, 센서 크기가 42mm인 카메라의 MTF 값은 PYRITE 4.5/90 렌즈가 PYRITE 4.0/45 렌즈보다 전반적으로 더 균일하기 때문에 이 경우에는 PYRITE 4.5/90 렌즈를 선택하는 것이 바람직합니다.

렌즈 이미지 서클과 렌즈 해상도 간의 관계

이 섹션에서는 이러한 이미지 품질에 차이가 발생하는 이유를 알아보고 렌즈 이미지 서클과 렌즈 해상도 사이의 관계를 분석합니다.

아래 두 사진은 동일한 장면을 서로 다른 렌즈를 이용해 초점 거리 50mm에서 동일한 f값으로 촬영한 것입니다. 두 렌즈 모두 카메라 센서 크기에 적합한 동일한 이미지 서클을 가지고 있습니다.

그러나 두 사진 사이에는 이미지 품질에 눈에 띄는 차이가 있습니다. 이러한 차이가 생기는 원인이 무엇인지 알아보겠습니다.

렌즈 해상도 사이의 관계를 이해하기 위해 다음 세 개의 곰 인형 시뮬레이션 이미지를 살펴보겠습니다. 이 이미지들은 동일한 카메라 센서 크기(적합한 이미지 서클의 렌즈 사용)로 촬영되었지만 렌즈 해상도는 다릅니다. 센서 크기가 동일하더라도 해상도가 높아질수록 픽셀 크기가 작아집니다. 이러한 픽셀 크기의 차이는 전체적인 이미지 품질과 세부 수준에 영향을 줄 수 있습니다.

카메라 센서의 해상도가 낮을 때, 즉 센서의 픽셀 크기가 클 때는 두 렌즈가 생성하는 이미지에 큰 차이가 없음을 알 수 있습니다. 그러나 픽셀 크기가 작아질수록 이미지 품질의 차이가 더 커집니다. 결국, 성능 특성이 다른 두 렌즈의 최종 이미지 품질은 픽셀 크기가 작아질수록 차이를 보입니다.'

따라서 구형 카메라처럼 센서 픽셀 크기가 큰 저해상도 카메라를 사용할 때는 고해상도 렌즈와 저해상도 렌즈 사이에 이미지 품질에 큰 차이가 없습니다. 하지만 카메라 해상도가 높아지고 센서 픽셀 크기가 에어리 원반 크기보다 작아지면 에어리 원반이 더 큰 렌즈로 촬영한 최종 이미지에 이미지 블러(Blur)가 발생합니다.'

‌‌MTF와 픽셀 크기 매칭하기

카메라 센서의 픽셀 크기와 렌즈의 MTF(Modulation Transfer Function)를 매칭시키는 것은 디지털 이미징에서 고려해야 할 중요한 사항입니다. 이러한 작업의 목표는 렌즈와 센서가 함께 원활히 작동하고 세부 이미지 정보를 포착하여 시스템 성능을 최적화하도록 하는 것입니다. 시스템 성능을 극대화하기 위해서는 렌즈와 카메라의 해상도가 비슷한 것이 매우 중요합니다.'

MTF를 사용하여 적절한 픽셀 크기를 계산해 보겠습니다.

MTF = (lp/mm) = 1000/(2 × 픽셀 크기(µm)) 또는 픽셀 크기(µm) = 1000/(2×(lp/mm))

30% 컨트래스트에서 MTF가 50lp/mm인 경우, 이는 1mm에 50개의 라인 쌍이 있음을 의미합니다.

픽셀 크기(µm) = 1000/(2×(50))=10 µm

30% 컨트래스트에서 MTF가 100lp/mm인 경우, 이는 1mm에 100개의 라인 쌍이 있음을 의미합니다.

픽셀 크기(µm) = 1000/(2×(100))=5 µm

렌즈의 MTF 성능이 50lp/mm인 경우 렌즈를 10µm 픽셀 크기에 맞출 수 있습니다. 반면 렌즈의 MTF 성능이 100lp/mm이라면 이 렌즈는 5µm 픽셀 크기의 카메라에 적합합니다.

이상적인 해상도는 검은색과 흰색 선 사이의 경계가 매우 선명하다는 것을 의미합니다. 물론 이론과 현실은 항상 다르기 때문에, 실제로는 이러한 경계가 흰색과 검은색 사이의 회색 톤으로 흐릿하게 표시됩니다. 또한 렌즈 해상도가 낮을수록 색상 사이의 전환이 덜 선명하게 나타나고, 전환이 덜 선명할수록 '콘트라스트(Contrast)'도 낮아집니다.

메가픽셀, 밀리미터당 라인 쌍 또는 미터 단위로 측정되는 해상도를 살펴볼 때는 콘트라스트도 함께 고려하는 것이 중요합니다. 제조업체에서는 일반적으로 콘트라스트를 이미지 샤프니스(Sharpness)와 적절한 균형을 이루도록 30%로 지정합니다. 즉, 샤프니스를 평가할 때는 30%의 콘트라스트 MTF(변조 전달 함수) 값이 유용한 기준으로 사용됩니다.

실제 MTF(lp/mm) = 1/(2 x 픽셀 크기 x 0.7)

적용 사례

좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 카메라의 픽셀 크기가 7µm라고 가정할 때 Pyrite 4.5/90 렌즈는 카메라에 얼마나 적합할까요?

68% 콘트라스트에서 ‌MTF가 40lp/mm인 경우, 이는 1mm에 40개의 라인 쌍이 있음을 의미합니다.

픽셀 크기(μm) = 1000 / (2 x 40 x 0.7) = 8.75 μm

44% 콘트라스트에서 ‌MTF가 80lp/mm인 경우, 이는 1mm에 80개의 라인 쌍이 있음을 의미합니다.

픽셀 크기(μm) = 1000 / (2 x 80 x 0.7) = 4.375 μm

MTF 곡선을 이용해 평가하면, 60% 콘트라스트에서 40lp/mm가 필요한 어플리케이션의 경우 Pyrite 4.5/90 렌즈는 이러한 요구 사항을 충족합니다.

그러나 콘트라스트가 50% 이상인 80lp/mm가 필요한 경우에는 Pyrite 4.5/90 렌즈가 적합하지 않습니다. 이 경우 캡처되는 세부 이미지의 정확도가 떨어져 전반적인 이미지 품질이 낮아질 수 있습니다.

결론

최적의 이미지 품질을 달성하기 위해서는 센서 크기 및 픽셀 특성과 함께 렌즈의 MTF 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 렌즈의 MTF 곡선을 카메라의 센서 크기와 픽셀 크기에 맞추면 호환성을 보장하고 이미지 샤프니스(Sharpness)를 극대화할 수 있습니다.'

렌즈를 선택할 때는 이미지 서클의 범위를 고려하고 전체 센서 영역을 활용하여 프레임 전체에서 일관된 이미지 품질을 얻을 수 있는지 확인하세요. 카메라의 센서 크기에 따라 발생하는 전체 이미지 서클을 처리할 수 있는 렌즈가 가장 이상적입니다.'

렌즈를 비교할 때 MTF 그래프만 보면 렌즈의 성능이 비슷해 보일 수 있지만, 이미지 서클이 센서 크기에 가장 적합한 렌즈를 선택하면 일반적으로 더 나은 화질을 얻을 수 있습니다.

렌즈 해상도와 이미지 서클의 관계는 이미지 품질에 영향을 미칩니다. 픽셀 크기가 작아질수록 렌즈 해상도의 차이가 더욱 두드러져 최종 이미지에 포함되는 세부 정보 수준에 영향을 미칩니다.

센서 픽셀 크기를 렌즈 MTF와 매칭하는 작업은 시스템 성능을 최적화하기 위해 중요합니다. 최상의 이미지 품질을 보장하려면 렌즈의 MTF 성능을 기준으로 적절한 픽셀 크기를 계산하세요.'

요약하면, 카메라 시스템에 적합한 렌즈를 선택하고 최상의 이미지 품질을 얻기 위해서는 반드시 렌즈 MTF, 센서 크기 및 픽셀 속성 사이의 관계를 이해해야 합니다.