비네팅 현상은 왜 나타날까?_Vignetting In Optics

 

▷비네팅과 기하광학◁

- 비네팅 현상은 왜 나타날까? -

 

이번 글은 비네팅(Vignetting) 현상에 대하여 알아보는 내용이다.

 

비네팅(Vignetting)은 렌즈 주변부의 광량 저하로, 사진의 외곽 부분이 어둡게 나오는 현상이다.

티스토리 블로그 이미지 편집 기능에도 비네팅 효과 기능이 있다.

꿀나리 블로그 메인사진을 티스토리 편집 기능으로 비네팅 100의 효과를 줘봤다. 

( 제주도 놀러 갔을 때 호텔 테라스에서 찍은 사진이다. )

왼쪽이 비네팅 전, 오른쪽이 비네팅 후 사진이다. 한눈에 봐도 사진의 외곽부가 어둡게 나온다는 것을 알 수 있다.

비네팅 현상은 의도하지 않은 상황에서 발생할 수도 있고, 위 사진처럼 분위기를 연출하기 위해 의도적으로 만들 수 있다.

이번 글은 비네팅 현상이 발생하게 되는 과정을 기하광학에서 설명하는 것이 목적이다.

꿀나리 블로그에는 렌즈의 이미지 formation과, Stop에 대한 글들이 있다.

이 부분에 대한 내용을 간략하게 사용하여 비네팅 현상에 대한 원리를 살펴보도록 하자.

 

 

< Vignetting in optics >

* 비네팅 현상을 설명하기 위해 Stop과 lens에 대한 광선의 위치를 맞추는데 중점을 두었기 때문에 각각의 위치 및 크기가 어색할 수 있는 점에 이해 부탁드립니다.

 

물체의 끝부분 \(Q\)부터 시작하여 중간지점\(Q_{1}\), 시작 지점\(M\) 순서로 비네팅 현상을 확인해보도록 하자.

 

(1) 100% Vignetting

위 그림은 물체(Object)의 높이 부분인 \(Q\)에서 나오는 빛의 이미지 형성에 대한 그림이다.

먼저, 빨간색 광선을 보면 Stop의 끝부분을 통과한 후 렌즈의 가장자리에서 굴절되어 Image \(Q'\)을 형성하였다.

조금 더 단계적으로 표현하자면 빨간색 광선은 1차적으로 Stop을 무사히 통과하였고, 2차적으로 렌즈와 만나서 Image를 형성할 수 있었다.

이제 ①번 광선을 확인해보면, ①번 광선은 1차 관문인 Stop을 통과하지 못했다. 

그리고 ②번 광선을 보면, Stop은 통과했지만 2차 관문인 렌즈를 만나지 못하여 Image를 형성하지 못하는 광선이 되었다.

이처럼 물체에서 나오는 광선수는 많지만 빨간색 광선을 제외하고는 Image에 도달하지 못하는 광선이 된다.

결과적으로 ①번 때문에 간신히 볼 수는 있지만, 광선이 도달하지 못해서 가장 어두운 상태를 이루게 되고

이와 같은 그림이 가장 어두운 영역으로 100% 비네팅에 해당하게 된다.

 

 

 

(2) 50% Vignetting

이제는 물체의 중간 부분 \(Q_{1}\)에서 나오는 광선에 대하여 확인해보자.

빨간색 광선은 1차 관문 Stop의 위치를 통과하는 영역에서 존재하며, 2차 관문 렌즈와 만나는 영역에 제한을 둔다.

이들의 조건을 만족하는 영역이 R로 표시된 부분이다.

 ①번 광선을 보면, 1차 Stop에서 가로막히며, ②번 광선은 Stop은 통과하지만 렌즈와 만나지 못한다.

Stop을 통과하면서 렌즈에 의해 Image에 도달할 수 있는 가장 끝 광선이 아래에 위치한 빨간색 광선이며

Stop에 의해 가로막히지 않는 범위가 위에 위치한 빨간색 광선이 된다.

그래서 두 빨간 광선 사이의 영역 R이 Image를 형성할 수 있는 광선이 되며 100% 비네팅과 비교하였을 때,

Image에 도달하는 광선수는 많아지지만 여전히 못 가는 영역이 생긴다.

하지만 50%의 광량은 확보하고 50% 광량은 차단되므로 50% 비네팅의 그림이라고 할 수 있다.

 

 

 

(3) 정상적인 경우

마지막으로 물체의 시작점 \(M\) 부분이다.

\(M\)에서 나오는 빛은 Stop을 통과한 후 렌즈를 거쳐서 Image \(M'\)에 도달한다. 

앞선 그림들과 똑같은 크기와 위치를 맞추다 보니, 렌즈의 크기나 Stop의 크기 등이 다소 어색한 부분이 되어버렸다.

그림의 다른 부분은 꼼꼼히 보지 않고, 이번 그림의 형태가 비네팅 현상이 없는 정상적인 경우에 속한다는 것만 확인하도록 하자.

결국 비네팅 현상이 없어서 \(M'\) 부분이 가장 밝게 나오게 될 것이다.

 

 

 

< Total >

(1), (2), (3)의 경우를 합쳐서 생각해보면, 물체의 \(Q\) 부분이 가장 어둡고 \(Q_{1}\)이 절반 정도의 광량 저하가 발생하며, \(M\)이 가장 밝게 된다. 즉, 이미지의 외곽 부분이 광량 저하에 의해 어둡게 나타나는 비네팅(Vignetting) 현상이다.

 

서론 부분에서 비네팅 현상은 원하지 않는 경우에 발생하여 광량 저하 특성에 문제가 생길 수도 있고, 분위기를 연출하기 위해 의도적으로 활용할 수 있다고 하였다.

지금까지 살펴본 내용에 따르면 이는 광량 저하에 Stop이 관여하기 때문에 비네팅은 Stop에 민감하게 반응할 것이라는 점을 알 수 있다.

Stop의 위치와 크기에 따라서 특성이 좌우되기도 할 것이고, 또는 렌즈의 크기가 영향을 줄 수 도 있을 것이다.

그래서 원하지 않는 경우에 비네팅 현상이 나타나서 문제가 될 수 있지만,

사용자가 임의로 조리개를 활용하여 외곽부를 차단함으로써 의도적으로 연출할 수 있게 된다. 

 

---

 

+ 티스토리 블로그 글을 작성할 때, 사진의 이미지 편집 기능에서 비네팅 아이콘을 확인해보면 ⊙이런 식으로 생겼다.

중심부와 외곽부의 광량 차이를 아이콘으로 표현한 게 아닐까...?

 

 

Vignetting In Optics