Field Stop과 Aperture Stop은 무엇일까?_FOV와 광학 조리개에 대하여

 

 

▷Field Stop과 Aperture Stop은 무엇일까?◁

-광학 조리개에 대하여-

 

 

Stop은 광학을 하면서 정말 자주 나오는 용어 중에 하나이다.

간단하게 말하면 Aperture stop은 광학계에 들어오는 빛을 조정하는 구경 조리개이고,

Field stop은 Field를 가로막는 시야 조리개이다.

이번 글에서는 Aperture Stop과 Field Stop, FOV에 대해서 쉽게 알아보도록 하자.

 

 

< Field Stop과 FOV >

다음 그림은 일반 렌즈에서 굴절된 빛이 스크린에 이미지를 형성하는 과정이다.

<그림1>

 

Aperture Stop의 위치는 조건에 따라 위치를 달리하며, Field Stop의 경우는 Focal plane 앞에 위치한다.

focal plane은 focal point가 위치한 곳에 수직한 평면이며, 위 그림에서는 평행하게 입사한 빛이 광축과 만나는 점에서

focal point, focal plane이 형성된다. 따라서 field stop앞에 field stop이 위치한 것을 확인할 수 있다.

그림에서도 볼 수 있지만, Field Stop은 입사 광선이 평면, 즉 Screen을 통과할 수 있는 angle을 제한한다.

이는 물체의 범위 정도를 결정하게 되는데, 이 부분은 아래 그림을 확인하면 이해가 될 것이다.

 

 

외곽에 존재하는 검은색 사각형 테두리가 field의 일부만 이미지에 맺히도록 조정하는 fied stop의 역할이다.

그래서 field stop으로 시야(Field of view : FOV)를 결정하게 된다.

시야라는 용어는 들었을 때 별로 거부감 없이 받아들일 수 있지만, 광학에서 의미하는 시야(FOV)는

광학시스템을 통해서 넓게 펼쳐진 Object (그냥 보이는 풍경이라고 생각하면 될 것 같다)의 표면을 얼마나

볼 수 있는지를 결정하는 것이 FOV(Field of view)이다. 

 

Field of view도 그림으로 나타내면 다음과 같이 표현할 수 있다.

Field of vies (시야)

시야(FOV)를 결정짓는 요소에는 관찰자의 위치와, Stop의 크기 즉 Position과 Size에 그 요소가 있다.

이 부분을 한 번에 이해하는 방법이 있다.

우리가 창문이 있는 방 안에서 창문을 통해 밖을 바라볼 때이다.

혹시 그런 장소에 있다면 직접 확인해봐도 좋을 것 같다.

먼저 하나의 창문에서 멀리 떨어져서 풍경을 바라보면 상대적으로 작은 풍경이 보인다.

이제 거리를 좁히면서 창문에 가까이 접근하면 점점 더 넓은 풍경이 보이기 시작할 것이다.

이 부분이 시야를 결정짓는 관찰자의 위치(Position)에 해당하는 경우이다.

그림에서는 눈과 Stop의 위치가 가까울수록 \(\alpha\)값이 커지면서 더 넓은 영역이 보이고,

멀어질수록 \(\alpha\)값이 작아지면서 보이는 영역이 줄어드는 것을 통해 확인할 수 있다.

이때, 시야를 결정짓는 각도 \(\alpha\)는 양극단을 통과하는 광선의 각도\(\theta\)에 의해 결절되기 때문에,

half-field라고 불리는 \(\theta\)에 의해서 표현된다.

 

 

반면에 Size는 창문의 크기를 뜻한다.

창문의 크기가 클수록 넓은 풍경이 보이고, 작을수록 작은 풍경이 보이는 것이므로 어렵지 않게 이해 가능하다.

창문의 크기를 광학계에서 Field Stop인 것이다.

 

 

 

< Aperture Stop >

<그림 1>에서 Aperture Stop도 확인하였다.

Aperture Stop의 Aperture은 구멍을 뜻하며, 이 구멍의 크기에 따라 빛을 제한하는 양이 달라진다.

즉, Aperture Stop은 광학계에 들어오는 빛을 제한하는 역할을 한다.

 

<그림2>

 

위 그림은 물체에서 나온 빛이 광학계를 통과 후 이미지가 형성되는 과정에서 중간에 Aperture Stop을 둔 모습이다.

①번과 ②의 차이점은 Aperture Stop 구멍의 크기이다. (위치는 동일하게 두었으며 편의상 약간의 거리를 두었다.)

①번의 경우가 ②번보다 구멍이 더 크기 때문에 점선으로 표시된 빛이 통과하여 Image에 도달하는 것을 볼 수 있다.

반면에 ②번의 경우는 구멍의 크기가 ①번보다 작아서 기존에 통과했던 파란색 점선의 빛이 Stop에 의해

가로막혀 Image에 도달하지 못하는 것을 볼 수 있다.

 

이 부분에서 알 수 있는 Aperture Stop의 중요한 특징은 Image의 크기는 변함이 없고

도달하는 빛의 path가 줄어들기 때문에 밝기가 어두워진다는 것이다.

Image의 크기가 변함이 없다는 것이 이해가 잘 안 될 수 있는데,

이전에 꿀나리 블로그에 포스팅했던, 렌즈 광학계에서 Image가 형성되는 원리에 대한 설명을 보면

물체의 한 점에서 나온 빛은 광학계를 통과 후, 이미지의 한 점에 모인다.

그래서 Aperture stop이 있어도, Image에 맺히는 점은 똑같기 때문에 크기에는 변화가 없다.

다만 외곽부에서 굴절되어 이미지에 도달했던 빛들이 Stop에 의해 가로막힘으로써 

이미지에 도달하는 광선수가 감소하므로 밝기에 변화가 생길 수 있다.

 

+ 렌즈 수차(자이델 5대 수차)에 대해서도 글을 썼었는데,

대부분의 수차와 관련된 글들은 보완 방법으로 '조리개를 조절하면 된다'는 말을 한다.

그 이유가, 수차 때문에 초점에서 벗어나는 광선들을 조리개로 제한시켜서 걸러낼 수 있기 때문이다.

다만, 조리개를 한계치 이상으로 줄이게 되면, 밝기가 어두워지는 문제가 생겨서

오히려 특성을 악화시킬 수 있기 때문에 필요에 따라 조절해야 한다.

 

 

Field Stop과 Aperture Stop은 무엇일까?_광학 조리개에 대하여_FOV(Field of View)