위상 검출 자동 초점은 어떻게 작동하나요?

DSLR 카메라 기술에 대해 이야기할 때 , 위상차 자동 초점(PDAF)의 작동 방식에 대한 혼란이 흔히 발생합니다. 이 주제는 많은 사람들에게 흥미롭지 않을 수 있지만, 카메라에서 자동 초점 문제가 발생하는 이유와 과정이 궁금하다면 이 글이 사진 촬영 시 카메라 내부에서 일어나는 일을 설명해 줄 것입니다. 캐논 5D Mark III, 니콘 D800, 펜탁스 K-5 등 고급 디지털 SLR 카메라의 자동 초점 문제에 대한 부정적인 리뷰는 수없이 많습니다. 대부분의 사진가들은 근본적인 문제가 특정 모델이나 카메라 종류에 있는 것이 아니라, 카메라가 초점을 맞추는 방식 자체에 있다는 사실을 모르고 있는 것 같습니다. 인터넷 검색만 해봐도 10년 이상 전부터 모든 종류의 DSLR 카메라에서 발생하는 자동 초점 문제에 대한 수천 건의 보고서를 찾을 수 있습니다. 따라서 현대 카메라에서 흔히 볼 수 있는 전방 및 후방 초점 문제는 새로운 것이 아닙니다. 위상차 센서를 탑재한 최초의 DSLR 카메라부터 존재해 왔습니다.

DSLR 카메라는 어떻게 작동하나요?

이 문제를 더 깊이 이해하려면 먼저 DSLR 카메라의 작동 원리를 이해하는 것이 필수적입니다 . 일반적인 DSLR 카메라 그림에는 45도 각도로 배치된 반사판 하나만 나와 있습니다. 하지만 이러한 그림에는 반사판 뒤에 있는 보조 거울이 나와 있지 않습니다. 이 보조 거울은 빛의 일부를 위상 검출 센서로 반사하는 역할을 합니다. 아래의 간략화된 그림은 니콘 D800의 일반적인 이미지를 바탕으로 제가 직접 제작한 것입니다.

다음은 위 그림에 나타난 각 숫자에 대한 설명입니다.

1. 빛줄기
2. 메인/반사 거울
3. 보조 거울은 "보조 거울"이라고도 합니다.
4. 카메라 셔터와 이미지 센서
5. 주경 조정을 위한 중심에서 벗어난 핀(1.5mm 육각)
6. 보조 거울 조정을 위한 편심 핀(1.5mm 육각)
7. 위상 검출 센서(AF 센서)
8. 펜타프리즘
9. 뷰파인더

사진을 찍을 때 카메라 내부에서 어떤 일이 일어나는지 살펴보겠습니다. 빛은 렌즈(1)로 들어가 카메라 내부로 들어갑니다. 반투명한 주경(2)은 45도 각도로 기울어져 있어 대부분의 빛을 수직으로 오각형 프리즘(8)에 반사합니다. 오각형 프리즘은 수직으로 반사된 빛을 수평으로 변환하여 반사시키므로 뷰파인더(9)를 통해 보이는 장면을 정확하게 확인할 수 있습니다. 빛의 일부는 주경을 통과하여 역시 각도(위 그림과 같이 많은 최신 니콘 카메라에서는 54도)로 기울어진 부경(3)에 반사됩니다. 그런 다음 빛은 위상 검출/자동 초점 센서(7)에 도달하고, 센서 어레이(자동 초점 지점마다 두 개의 센서)로 전달됩니다. 카메라는 이 센서들에서 얻은 이미지를 분석하고 비교합니다( 레인지파인더 에서 초점을 확인하는 방식과 유사 ). 만약 이미지가 동일하지 않으면 렌즈에 적절한 조정을 하도록 지시합니다(자세한 내용은 아래 참조).

위의 과정은 상당히 간단해 보이지만, 이 접근 방식에는 한 가지 중대한 문제가 있습니다. 위상 검출 센서는 렌즈에 필요한 조정을 지시하는 반면, 이미지는 완전히 다른 장치인 카메라 뒷면의 센서에 의해 캡처됩니다. 왜 이것이 문제일까요? 사진을 찍을 때 주경과 부경이 모두 올라가고 셔터가 열리며 렌즈에서 들어온 빛이 카메라 센서로 직접 전달된다는 점을 기억하십시오(4). 위상 검출 자동 초점이 제대로 작동하려면 렌즈 마운트 와 카메라 센서 사이의 거리, 그리고 렌즈 마운트와 위상 검출 센서 사이의 거리가 정확히 같아야 합니다 . 아주 작은 차이라도 있으면 자동 초점이 잘못됩니다. 또한 부경의 각도가 정확하지 않으면 자동 초점 문제가 발생할 수 있습니다.

위상 검출 센서는 어떻게 작동하나요?

위상 검출 센서의 작동은 광학 위상 비교 원리에 기반하며, 거리계 카메라와 유사하게 작동합니다. 보조 거울에서 반사된 빛은 마이크로렌즈에 장착된 미세 이미지 센서 배열(자동 초점 시스템의 초점 포인트 수에 따라 두 개 이상)에 의해 수신됩니다. 뷰파인더에 보이는 각 초점 포인트마다 위상 차이를 감지하는 데 사용되는 두 개의 미세 센서가 있습니다. 하나는 렌즈의 양쪽에 있으며, 페이지 상단의 그림(7)에 나와 있습니다(이 그림은 두 개의 서로 다른 광선이 두 개의 서로 다른 센서에 도달하는 것을 보여줌으로써 이러한 동작을 과장한 것입니다).

실제로 최신 위상 검출 장치는 두 개 이상의 센서를 포함하고 있으며, 이 센서들은 매우 가깝게 배치되어 있습니다. 빛이 이 두 센서에 도달했을 때, 물체가 초점이 맞으면 렌즈의 양쪽 가장자리에서 나오는 광선이 각 센서의 중앙에 정확히 모입니다(이미지 센서와 마찬가지로). 이 경우 두 센서는 동일한 이미지를 얻게 되므로 물체가 완벽하게 초점이 맞춰진 것입니다. 만약 물체가 초점이 맞지 않으면 광선이 모이지 않고 아래 그림과 같이 센서의 양쪽에 각각 도달하게 됩니다(이미지 출처: 위키피디아).

그림 1부터 4까지는 초점이 (1) 너무 가까운 경우, (2) 정확한 경우, (3) 너무 먼 경우, (4) 너무 먼 경우를 나타냅니다. 이 그림들은 두 프로파일 간의 위상차를 이용하여 초점을 변경해야 하는 방향뿐만 아니라 최적의 초점을 얻기 위해 변경해야 하는 크기까지 결정할 수 있음을 보여줍니다. 실제로 움직이는 것은 센서가 아니라 렌즈라는 점에 유의해야 합니다.

위상 검출 시스템은 피사체가 초점 앞쪽에 있는지 뒤쪽에 있는지 알 수 있기 때문에 카메라 렌즈에 초점을 맞추기 위해 회전해야 하는 방향과 양에 대한 정확한 지침을 보낼 수 있습니다. 카메라가 피사체에 초점을 맞출 때(폐쇄 루프 자동 초점) 발생하는 상황은 다음과 같습니다.

1. 렌즈의 가장자리를 통과하는 빛은 두 개의 이미지 센서에 의해 평가됩니다.
2. 빛이 이미지 센서에 도달하는 방식을 기반으로 자동 초점 시스템은 피사체가 앞쪽에 초점이 맞춰졌는지 뒤쪽에 초점이 맞춰졌는지, 그리고 그 편차가 얼마나 되는지 판단할 수 있습니다.
3. 그러면 자동 초점 시스템이 렌즈에 초점을 맞추도록 지시합니다.
4. 위에서 설명한 단계는 완벽한 초점이 맞춰질 때까지 필요한 만큼 반복됩니다. 초점을 맞출 수 없는 경우 렌즈는 스스로 재조정하여 다시 초점을 찾기 시작하는데, 이것이 바로 "초점 탐색" 현상입니다.
5. 초점이 완벽하게 맞춰지면 자동 초점 시스템은 초점이 맞았음을 알려줍니다(예: 뷰파인더 안의 녹색 점, 알림음 등).

이러한 모든 작업은 순식간에 이루어지기 때문에 위상 검출 시스템이 콘트라스트 검출 시스템보다 훨씬 빠릅니다(콘트라스트 검출 시스템은 초점을 맞출 때까지 초점을 앞뒤로 계속 변경하면서 이미지 센서 수준에서 많은 이미지 데이터 분석을 수행합니다).

위상 검출 자동 초점(AF)은 고급 전문가용 카메라 라인의 업데이트마다 지속적으로 개선되는 매우 복잡한 시스템입니다. 수년에 걸쳐 자동 초점 포인트 수가 크게 증가했으며, 더욱 안정적인 크로스 타입 자동 초점 포인트의 수도 늘어났습니다. 예를 들어, 캐논 1D X와 캐논 5D Mark III 카메라는 무려 61개의 자동 초점 포인트를 자랑하며, 그중 41개가 크로스 타입입니다. 카메라에 탑재된 정교한 자동 초점 센서 배열을 살펴보세요.

자동 초점(AF) 포인트 수가 증가했을 뿐만 아니라, 그 신뢰성 또한 크게 향상되었습니다. 오늘날 대부분의 최신 전문가용 카메라에는 피사체를 지속적으로 추적하고 정확한 초점을 맞출 수 있는 초고속 고성능 자동 초점 시스템이 탑재되어 있습니다.

DSLR 카메라의 자동 초점 문제

DSLR 카메라의 자동 초점 문제는 많은 사진작가들이 직면하는 어려움 중 하나입니다. 위상 검출 자동 초점 시스템은 정확한 결과를 얻기 위해 매우 높은 정밀도를 요구하기 때문입니다. 특히, 위상 검출/자동 초점 시스템은 제조 과정에서 정확하게 설치 및 정렬되어야 합니다. 제조 과정에서 흔히 발생하는 아주 미세한 오차라도 발생하면 자동 초점이 정확하지 않게 됩니다. 이것이 바로 위상 검출 센서를 탑재한 최초의 DSLR 카메라가 등장한 이후로 위상 검출 시스템이 문제의 원인이 되어 온 주된 이유입니다. 이러한 잠재적 오차를 인지하고 모든 DSLR 카메라 제조업체는 이를 고려하여 검사 및 품질 보증(QA) 과정에서 개별 카메라를 정밀하게 보정할 수 있는 고정밀 보정 시스템을 개발했습니다.

위상 검출 센서 정렬 문제가 감지되면 시스템은 컴퓨터 자동 테스트를 수행하여 각 초점 지점을 순차적으로 검사하고 카메라 내부에서 수동으로 조정합니다. 부정확한 지점은 재보정 및 조정되고, 보정 값은 카메라 펌웨어에 기록됩니다. 이 과정은 위상 검출 방식의 AF 미세 조정/AF 마이크로 조정과 유사하지만, 각 자동 초점 지점에 대해 개별적으로 수행됩니다.