위상차방식 AF에 구조와 원리에 대해서 알아보자 (카메라 AF 시스템 - 2)

 DSLR 카메라 하면 당연하게 들어가 있는 위상차 AF 시스템, 지금은 새로운 기술에 밀려 역사의 뒤안길로 사라지고 있지만, 오랜기간 DSLR 카메라를 고성능 카메라로 군림하게 한 기술 중 하나이다. 

이번 포스팅은 전통적인 DSLR 카메라에 들어가는 위상차 AF 시스템에 대해서만 다루도록 하겠다.

처음엔 이해가 안가고 좀 복잡할 수 있겠지만 인내심을 가지고 끝까지 읽어보면 분명 이해가 갈 것이라고 생각한다.

1. 위상차 방식 AF란?

위상차 라는 말의 "위상"은 전자쪽에서 쓰이는 용어로, 쉽게말해 "전기적인 파형의 특정위치"를 뜻하는 말이다. 

우리가 사진을 공부하고 있어서 위상이란 단어의 "상"이 "영상"할 때 쓰이는 모양상(像) 으로 생각할 수 도 있지만, 위상차 방식은 렌즈를 통해 들어온 이미지(상)를 비교하는 것이 아닌 파형(위상)을 비교해서, 초점이 맞았는지 판단하는 기술이다.

한문으로 하면 位相差(자리 위, 서로 상, 다를 차)이며, "위상의 차이" 정도로 생각하면 되는데, 영어로는 phase detection "위상 검출" 정도로 해석하면 된다.

그렇다면 무엇을 비교할까?

바로 렌즈를 통과한 빛의 위와 아래, 혹은 왼쪽과 오른쪽의 빛을 분리해서 그 차이를 가지고 비교를 하게된다.

용어를 정확하게 이해하자는 뜻에서 장황하게 설명을 늘어 놓았는데, 한 줄 요약하면

위상차 방식 AF란 렌즈를 통해 들어온 빛을 두 개로 분해하여, AF 센서로 보내고, AF센서에 맺힌 두개의 파형을 비교하여, 초점이 맞았는지 판단하는 AF 시스템을 말한다.

사실 말이 한 줄이지, 이 복잡한 기술을 한 줄로 요약하면, 아무도 이해하지 못할것이다.

2. 위상차 방식의 원리

  2.1. DSLR의 구조

   DSLR에서 AF 센서는 미러박스 아래쪽에 장착되어 있다. 그리고 미러 밑에 보조미러를 달아서  렌즈를 통해 들어오는 빛의 일부를 아래 있는 AF센서로 보내서 초점을 잡는다.

[그림 1] DSLR의 위상차 AF 시스템 구조

구조도는 이렇고, 아래 사진들은 실제 미러박스를 분리해서 촬영한 사진으로, 실제 미러의 사진을 보면 아래와 같은데 평소에 렌즈를 빼고 보면 거울이 하나 있는것이 보인다.

[사진 1] DSLR 카메라의 메인미러

그냥 보면 미러박스 내부가 모두 검정이라 단순한 거울처럼 보이지만 실제로는 중앙 부위가 아래 사진처럼 반투명 거울로 되어있다.

[사진 2] DSLR 카메라 미러의 반투명 창

아래 사진은 미러박스의 뒷면인데, AF센서로 빛을 보내는 보조미러가 달려있으며 촬영시에 메인미러가 올라갈때 같이 올라간다.

[사진 3] DSLR 카메라 미러박스의 뒷 모습

  2.2. 위상차 AF 작동원리

    앞선 설명에서 위상차 AF는 빛을 2개로 나누어서 판단한다고 했다. 그래서 그 원리를 그림으로 간단히 표현하면 아래 그림과 같다. 제조사마다 기술이 조금씩 다르긴 하지만 기본 개념은 같다

[그림 2] 위상차 방식 AF의 기본 개념도

조금 확대해서 보면 다음과 같다. 유심히 봐야할 부분은 이미지센서 쪽 초점이 어디에 맞았는지 그리고 아래쪽 AF 센서의 어느 위치에 빛이 모이는지 이다.

아래 그림은 초점이 이미지 센서 앞쪽에 맞았을 때를 나타낸 그림으로 보조미러 아래쪽 AF센서에 빛이 모인 지점이 안쪽에 위치 하고 있다.

[그림 3] 초점이 촬상면 앞에 맞았을때

아래 그림은 초점이 정확히 맞았을 때를 나타낸 그림으로 AF센서에 빛이 모인 지점이 AF센서의 중앙에 정확히 맞았다.

[그림 4] 초점이 정확히 맞았을때

아래 그림은 초점이 뒤에 맞았을 때를 나타낸 그림으로 AF센서에 빛이 모인 지점이 AF센서의 바깥쪽에 위치 하고 있다.

[그림 5] 초점이 촬상면 뒤에 맞았을 때

그림이 작아서 잘 안보일까봐 gif로 만들어봤다 아래 그림을 보면 한결 이해가 갈것이다.

[그림 6] 위상차 AF 동작원리

그럼 이제 카메라가 어떻게 판단하는지 보자면, 아까 설명에 위상차 방식은 파형을 비교한다고 말을 했었다. AF센서에 모인 빛이 가장 강한곳에 전기신호가 강하게 들어오는데 그걸 그림으로 표현하면 아래와 같다.

[그림 7] 위상차 AF의  초점 판별

위 사진에서 왼쪽은 초점이 촬상면 뒤쪽에 맞았을 때 이고, 오른쪽은 초점이 정확히 맞았을 때 이다.

렌즈를 통해 분리된 두개의 빛은 초점의 위치에 따라 AF 센서에 맺히는 위치가 달라지게 되는데, 그 두개의 파형이 일치할 때, 즉 위상이 일치할 때, 초점이 맞았다고 판단을 하게 된다.

이러한 특성때문에 한가지 장점이 하나 생기는데, 초점이 앞에 맞았는지 뒤에 맞았는지도 알아낼 수 가 있다. 아래 그림을 보면 이해가 갈것이다.

[그림 8] 초점 위치에 따른 파형 변화

위 그림에서 센서에 검출된 파형을 보면 빨간 파형은 왼쪽 센서, 파란 파형은 오른쪽 센서에서 검출된 정보이다. 여기서 우리가 봐야할 것은 두 가지인데  

첫째, 맨 아래 겹쳐진 그림을 보면 파형의 좌우가 바뀌어 있는것을 볼 수 있다. 이것을 통해 카메라는 초점이 앞에 맞았는지 뒤에 맞았는지를 판단하게 된다.

둘째, 각 파형의 간격인데 두 파형의 간격이 좁을 수록 초점에 근접하다는 것을 알 수 있다. 즉 초점 까지의 거리를 판단할 수 있기 때문에 어느정도 렌즈를 움직여야 하는지 판단할 수 있다.

이렇게 위상차 AF 방식은 두 센서를 통해 들어온 신호가 일치하는지 여부로 초점을 확인할 뿐만 아니라 렌즈를 어느 방향으로 어느정도를 움직여야 초점이 맞는지 까지 계산하여 가장 빠른 경로로 초점을 잡게 된다.

3. 위상차 AF의 장단점

  3.1. 장점

• 콘트라스트 AF에 비해 엄청나게 빠르다.
• 센서를 여러 개 배치해서 움직이는 대상에 대해서도 빠르게 대응할 수 있다.

  3.2. 단점

• 센서 및 부품의 추가로 가격이 비싸진다.
• 부피가 커진다.
• 물리적인 보정이 필요하다.
• 부품 노후화가 초점 정확도에 영향을 줄 수 있다.

4. 마치며

지난번 콘트라스트 검출 방식 AF 에 이은 포스팅이다. 사실 위상차 방식 AF에 대한 더 많은 이야기를 하고 싶지만 포스팅이 너무 길어 지는 것 같기도 하고, 이정도만 알아도 개념에대해선 충분한것 같기도 해서, 좀더 다른내용에 대해서는 별도의 포스팅으로 글을 써보려고 한다.

좀 복잡한 내용이긴 하지만 나름 최대한 쉽게 설명한다고 썼는데, 이해가 잘 갈지는 모르겠다.

그리고 어째 이번 포스팅은 글보다 그림 그리는데 시간을 더 쓴거같다. 그림 그리는거 너무 힘들다

부디 한 사람 이라도 도움이 되었으면 좋겠다.

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