우리는 스마트폰이나 카메라로 사진을 촬영할 때 너무나 자연스럽게 사각형 사진을 받아들입니다. 스마트폰 화면에서 보는 사진도 사각형이고, 미러리스 카메라의 LCD에서 확인하는 사진도 사각형입니다. 인화한 사진 역시 대부분 직사각형입니다. 그러니까 렌즈는 원형인데 사진은 사각형입니다.
그런데 카메라를 정면에서 바라보면 조금 이상한 점을 발견할 수 있습니다.
빛이 처음 들어오는 렌즈는 원형입니다.
미러리스 카메라의 커다란 교환식 렌즈도 원형이고, 스마트폰 뒷면에 있는 작은 카메라 렌즈 역시 기본적으로 원형입니다. 렌즈 내부에 여러 장의 렌즈가 들어 있어도 각각의 광학 요소는 대부분 원형으로 만들어집니다.
그렇다면 자연스럽게 이런 의문이 생깁니다.
“원형 렌즈를 통과한 빛으로 사진을 만든다면 사진도 원형이어야 하는 것 아닐까?”
하지만 실제 사진은 직사각형입니다. 더욱 흥미로운 것은 빛을 전기 신호로 변환하여 사진을 기록하는 이미지 센서 역시 대부분 직사각형이라는 점입니다.
렌즈는 원형인데 센서는 사각형이고, 최종 사진도 사각형입니다.
왜 이렇게 서로 다른 모양을 사용하는 것일까요?
이번 글에서는 우리가 평소 당연하게 생각했던 카메라의 모양에 관한 작은 의문에서 출발하여 렌즈가 왜 원형인지, 렌즈를 통과한 빛이 어떻게 센서에 도달하는지, 이미지 서클이 무엇인지, 이미지 센서는 왜 사각형인지까지 차근차근 살펴보겠습니다.
사진이 만들어지는 과정을 아주 단순하게 정리하면 외부의 빛이 렌즈를 통과하여 이미지 센서에 도달하고, 이미지 센서가 그 빛을 전기적인 신호로 변환하는 과정이라고 할 수 있습니다.
디지털카메라에서는 대략 다음과 같은 순서가 이루어집니다.
피사체에서 반사된 빛 → 렌즈 → 조리개 → 이미지 센서 → 전기 신호 → 디지털 데이터 → 사진 파일
예를 들어 우리가 나무를 촬영한다고 생각해 보겠습니다.
태양이나 다른 광원에서 나온 빛이 나무에 닿고, 나무에서 반사된 빛의 일부가 카메라 렌즈 안으로 들어옵니다. 렌즈는 들어온 빛을 굴절시키고 모아 이미지 센서의 적절한 위치에 상을 맺게 합니다.
이미지 센서는 그 빛을 받아 전기적인 신호로 변환하고, 카메라 내부의 이미지 프로세서가 이를 처리하여 JPEG나 RAW와 같은 사진 데이터로 만들어 냅니다.
따라서 렌즈 자체가 사진을 저장하는 것은 아닙니다.
렌즈는 빛을 모으고 원하는 위치에 상이 형성되도록 하는 광학 장치이고, 실제 빛을 검출하는 부분은 이미지 센서입니다.
이 차이를 이해하는 것이 이번 글의 출발점입니다.
그런데 렌즈는 왜 원형일까?
렌즈가 원형인 가장 중요한 이유는 빛을 다루는 광학적인 특성과 제조 방식에 있습니다.
일반적인 카메라 렌즈는 중심을 기준으로 대칭적인 곡면을 갖습니다. 빛은 렌즈의 여러 부분으로 들어오고, 렌즈의 굴절 작용을 통해 센서 쪽으로 진행합니다.
원형 구조는 광축을 중심으로 여러 방향에서 들어오는 빛을 대칭적으로 다루기에 매우 적합합니다.
렌즈를 정면에서 보았을 때 중앙을 기준으로 위쪽, 아래쪽, 왼쪽, 오른쪽 어느 방향이든 동일한 형태가 반복됩니다. 이러한 회전 대칭 구조는 렌즈를 설계하고 가공하는 데에도 유리합니다.
또한 렌즈는 일반적으로 유리를 연마하거나 성형하여 제작합니다. 회전 대칭을 이용하면 정밀한 곡면을 만들고 검사하기에도 좋습니다.
따라서 렌즈가 원형이라는 것은 단순히 오래전부터 그렇게 만들어 왔기 때문이 아니라 광학 설계와 제조 측면에서 매우 합리적인 형태이기 때문입니다.
렌즈를 통과한 빛은 사각형이 되는 것이 아니다
여기에서 가장 중요한 부분이 등장합니다.
렌즈가 원형이라고 해서 렌즈를 통과한 빛이 곧바로 사각형으로 변하는 것은 아닙니다.
카메라 렌즈가 만들어 내는 영상 영역은 기본적으로 원형의 범위를 형성합니다. 렌즈 뒤쪽에 흰색 종이나 스크린을 적절한 위치에 놓을 수 있다고 가정하면, 렌즈가 만들어 내는 상이 존재하는 원형 영역을 확인할 수 있습니다.
이 영역을 사진에서는 ‘이미지 서클(Image Circle)’이라고 부릅니다.
즉, 렌즈는 처음부터 사각형 사진만 만들어 내는 것이 아닙니다.
렌즈는 센서가 들어갈 수 있을 만큼 충분히 큰 원형의 영상 영역을 만들어 냅니다.
그리고 카메라는 그 원형 영역 가운데 필요한 사각형 부분을 이미지 센서로 받아들이는 것입니다.
이미지 서클(Image Circle)이란 무엇일까?
이미지 서클은 이번 주제를 이해하는 데 가장 중요한 개념 중 하나입니다.
렌즈를 통과한 빛이 이미지 센서가 위치한 평면에 도달하면 렌즈가 표현할 수 있는 영상의 범위가 생깁니다. 이 범위가 원형에 가깝게 형성되기 때문에 ‘이미지 서클’이라고 부릅니다.
그런데 이미지 서클 전체가 동일한 품질을 갖는 것은 아닙니다.
일반적으로 중심부는 상대적으로 밝고 광학적 성능을 확보하기 쉬운 반면, 가장자리로 갈수록 광량이 감소하거나 여러 종류의 수차가 더 두드러질 수 있습니다.
카메라 제조사는 사용할 이미지 센서가 이 이미지 서클 안에 충분히 들어가도록 렌즈를 설계합니다.
따라서 풀프레임용 렌즈는 풀프레임 센서를 덮을 수 있는 이미지 서클이 필요하고, APS-C 전용 렌즈는 상대적으로 작은 APS-C 센서를 덮을 정도의 이미지 서클을 만들도록 설계할 수 있습니다.
이것이 렌즈와 센서 크기가 서로 밀접한 관계를 갖는 이유입니다.
원형 이미지 서클 안에 사각형 센서가 들어간다
이제 처음의 의문에 대한 핵심적인 그림을 머릿속에 그릴 수 있습니다.
커다란 원을 하나 그린 다음 그 원 안에 직사각형을 하나 그려 보겠습니다.
바깥쪽 원은 렌즈가 만들어 내는 이미지 서클이고, 안쪽 직사각형은 이미지 센서라고 생각하면 됩니다.
렌즈를 통과한 빛은 이미지 서클이라는 원형 범위에 상을 형성하지만 카메라는 그 전체를 기록하지 않습니다.
그 가운데 사각형 이미지 센서가 차지하고 있는 영역만 빛의 정보를 검출합니다.
따라서 우리가 얻는 사진도 센서의 모양을 따라 직사각형이 됩니다.
즉,
원형 렌즈 → 원형 이미지 서클 → 직사각형 이미지 센서 → 직사각형 사진
이라는 관계가 만들어집니다.
렌즈의 모양이 사진의 외곽 형태를 직접 결정하는 것이 아니라 실제로 어느 부분의 빛을 기록하느냐가 최종 사진의 형태를 결정하는 것입니다.
그렇다면 이미지 센서는 왜 사각형일까?
여기에서 또 하나의 의문이 생깁니다.
“렌즈가 원형이고 이미지 서클도 원형이라면 이미지 센서까지 원형으로 만들면 더 효율적이지 않을까?”
기술적으로 원형에 가까운 감광 영역을 만드는 것이 절대 불가능하다고 볼 수는 없습니다. 그러나 일반적인 카메라 시스템에서는 직사각형 센서가 훨씬 실용적입니다.
우선 디지털 이미지 자체가 행과 열로 구성된 픽셀 배열을 사용합니다.
예를 들어 가로 방향으로 수천 개의 픽셀이 있고 세로 방향으로 또 수천 개의 픽셀이 배열되어 하나의 이미지를 구성합니다.
이러한 픽셀을 직사각형 격자로 배치하면 주소를 지정하고 데이터를 읽고 처리하기가 편리합니다.
우리가 사용하는 디스플레이, 컴퓨터 화면, 스마트폰 화면, 인쇄물 등도 대부분 직사각형을 기본으로 합니다.
결국 사진을 촬영하고 저장하고 편집하고 표시하는 전체 시스템에서 직사각형 구조가 매우 효율적입니다.
반도체 제조에서도 사각형 센서가 유리하다
이미지 센서는 단순한 사진 필름이 아니라 반도체 기술로 만들어지는 정밀한 전자부품입니다.
CMOS나 CCD 이미지 센서는 반도체 웨이퍼 위에 여러 개의 센서를 제조한 후 각각을 분리하는 방식으로 만들어집니다.
이때 직사각형 칩은 웨이퍼 위에 반복적으로 배열하고 절단하기에 유리합니다.
물론 웨이퍼 자체는 원형입니다. 하지만 그 위에 만들어지는 개별 반도체 다이(Die)는 대부분 직사각형 형태입니다.
원형 센서를 사용한다면 센서 주변에 활용하기 어려운 공간이 늘어나고 절단이나 패키징 과정도 복잡해질 수 있습니다.
따라서 센서가 직사각형인 이유에는 사진의 형태뿐 아니라 반도체 생산, 회로 구성, 패키징, 비용 등 현실적인 제조 조건도 함께 작용합니다.
CCD도 사각형이고 CMOS도 사각형인 이유
과거 디지털카메라를 접했던 사람이라면 이미지 센서를 ‘CCD’라고 기억하는 경우가 많습니다.
CCD는 Charge Coupled Device의 약자로 빛을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서 기술 중 하나입니다.
그러나 CCD가 이미지 센서 자체를 의미하는 일반명사는 아닙니다.
이미지 센서에는 CCD 방식도 있고 CMOS 방식도 있습니다.
현대의 스마트폰과 미러리스 카메라, DSLR 등에서는 CMOS 이미지 센서가 매우 널리 사용됩니다.
CCD와 CMOS는 신호를 읽어 내는 구조와 동작 방식에 차이가 있지만, 우리가 흔히 사용하는 카메라에서는 둘 다 대체로 직사각형의 감광 영역을 사용합니다.
따라서 “CCD가 왜 사각형인가?”라는 질문을 조금 더 넓혀 보면 “왜 카메라의 이미지 센서는 직사각형인가?”라는 질문이 됩니다.
왜 원형 이미지 서클을 전부 사용하지 않을까?
원형 이미지가 이미 만들어지고 있는데 바깥부분을 사용하지 않는 것이 낭비처럼 느껴질 수도 있습니다.
하지만 실제 카메라 시스템에서는 반드시 그렇다고 볼 수 없습니다.
렌즈는 센서의 네 모서리까지 필요한 화질과 밝기를 제공할 수 있도록 이미지 서클을 확보해야 합니다. 센서가 이미지 서클에 간신히 걸쳐 있는 것이 아니라 실사용 영역에서 충분한 광학적 성능을 얻을 수 있도록 설계하는 것입니다.
또한 원형 사진은 일반적인 사진 감상 환경과 잘 맞지 않습니다.
컴퓨터 모니터도 직사각형이고 스마트폰 화면도 직사각형이며 TV, 인쇄 용지, 사진 액자도 대부분 직사각형입니다.
결국 원형 이미지를 그대로 기록한다고 하더라도 이를 보여 주는 과정에서 다시 직사각형 공간 안에 배치해야 하는 경우가 많습니다.
따라서 처음부터 필요한 직사각형 영역을 기록하는 것이 전체 시스템을 구성하기에 효율적입니다.
사진의 3:2와 4:3 비율도 센서와 관련이 있다
사진이 단순히 사각형이라는 사실에서 한 걸음 더 들어가 보면 사진마다 가로와 세로의 비율이 조금씩 다르다는 것도 알 수 있습니다.
대표적인 것이 3:2와 4:3입니다.
35mm 필름 카메라에서 널리 사용된 한 프레임의 크기는 약 36mm × 24mm였으며 비율로 계산하면 3:2입니다.
오늘날 풀프레임 디지털카메라의 센서 크기 역시 이 규격을 계승하여 약 36mm × 24mm를 사용합니다.
반면 Micro Four Thirds 계열과 여러 카메라 시스템에서는 4:3 비율을 사용합니다. 스마트폰 역시 센서와 촬영 설정에 따라 4:3을 기본 촬영 비율로 사용하는 경우가 많습니다.
따라서 사진이 직사각형이라는 것뿐만 아니라 어떤 비율의 직사각형인가도 이미지 센서의 규격과 카메라 시스템의 역사와 관련되어 있습니다.
렌즈의 이미지 서클과 센서 크기가 맞지 않으면 어떻게 될까?
이미지 서클과 이미지 센서의 관계를 이해하면 렌즈 호환성에 관한 여러 현상도 이해하기 쉬워집니다.
만약 이미지 서클이 센서보다 충분히 크다면 센서 전체가 렌즈가 만들어 내는 영상 영역 안에 들어갑니다.
반대로 이미지 서클이 센서보다 작다면 어떻게 될까요?
센서의 가장자리나 모서리 부분에 렌즈가 충분한 영상을 제공하지 못하게 됩니다.
그 결과 사진 가장자리가 매우 어둡거나 검게 나타나는 현상이 발생할 수 있습니다.
이와 관련하여 자주 접하게 되는 용어가 비네팅(Vignetting)입니다. 다만 일반적인 광량 저하와 이미지 서클 자체가 센서를 충분히 덮지 못해서 생기는 강한 검은 영역은 원인이 완전히 같다고 볼 수 없으므로 구분해서 이해하는 것이 좋습니다.
이 때문에 카메라 제조사는 특정 센서 규격에 맞도록 렌즈의 이미지 서클을 설계합니다.
스마트폰 카메라도 같은 원리일까?
스마트폰 카메라는 미러리스 카메라보다 훨씬 작지만 기본적인 원리는 같습니다.
스마트폰 뒤쪽의 카메라를 자세히 보면 작은 원형 렌즈를 확인할 수 있습니다.
그 렌즈 뒤에는 여러 장의 작은 광학 요소가 들어 있고, 가장 안쪽에는 직사각형 이미지 센서가 위치합니다.
외부에서 들어온 빛은 원형 렌즈 시스템을 지나 센서에 상을 형성합니다.
그리고 직사각형 센서가 그중 필요한 부분을 전기 신호로 변환합니다.
따라서 스마트폰에서도 기본적인 관계는 동일합니다.
원형 렌즈가 빛을 모으고 → 센서 평면에 상을 만들고 → 직사각형 센서가 이를 기록하고 → 이미지 프로세서가 사진으로 처리합니다.
스마트폰과 대형 미러리스 카메라는 크기와 구조, 렌즈 교환 여부, 센서 크기 등에는 큰 차이가 있지만 ‘원형 렌즈와 직사각형 센서’라는 기본적인 관계는 공통적입니다.
그렇다면 원형 사진을 촬영하는 카메라도 만들 수 있을까?
원리적으로 생각하면 가능합니다.
렌즈가 만들어 내는 원형 이미지 영역을 충분히 활용할 수 있는 센서와 처리 시스템을 설계하고, 최종 사진 파일에서도 원형 영역을 유지하도록 만들 수 있습니다.
하지만 일반적인 사진에서는 그렇게 해야 할 실용적인 이유가 크지 않습니다.
사진을 모니터에서 보고, 스마트폰에서 보고, 웹페이지에 삽입하고, 종이에 인쇄하고, 영상 편집에 사용하는 대부분의 환경이 직사각형을 기준으로 만들어져 있기 때문입니다.
또한 일반적인 디지털 이미지 파일 역시 가로와 세로 방향으로 정렬된 픽셀 배열을 기본 구조로 사용합니다.
물론 최종 결과물에서 원 밖의 부분을 투명하게 처리하거나 잘라 내어 원형 사진처럼 표현하는 것은 얼마든지 가능합니다.
그러나 이것은 센서 자체가 원형이라는 의미가 아니라 직사각형으로 촬영된 이미지 데이터를 원형으로 크롭하거나 마스킹하여 표현하는 경우가 대부분입니다.
렌즈가 사각형이면 사진도 사각형이 되는 것일까?
반대로 생각해 보는 것도 재미있습니다.
“그렇다면 렌즈 자체를 사각형으로 만들면 어떨까?”
중요한 것은 렌즈의 바깥 모양이 사진의 모양을 직접 결정하는 것이 아니라는 점입니다.
렌즈 시스템이 어떤 범위에 정상적으로 상을 형성하고 이미지 센서가 그중 어느 영역을 기록하느냐가 중요합니다.
렌즈의 일부를 사각형 형태로 제한한다고 해서 자동으로 사각형 사진이 만들어지는 것은 아닙니다.
오히려 광학계에 들어오는 빛의 양과 회절, 주변부 성능 등 여러 요소에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 “렌즈가 원형이라 사진도 원형이어야 한다” 또는 “사진이 사각형이므로 렌즈도 사각형이어야 한다”는 식으로 렌즈 외형과 사진 외형을 직접 연결해서 생각할 필요는 없습니다.
렌즈와 센서는 서로 다른 역할을 담당하기 때문입니다.
원형 렌즈와 사각형 사진은 서로 다른 목적에서 나온 결과다
처음에는 매우 단순한 의문이었습니다.
“카메라 렌즈는 동그란데 사진은 왜 네모날까?”
하지만 그 이유를 하나씩 따라가 보면 카메라의 광학 구조와 이미지 센서, 반도체 제조, 사진의 역사, 디지털 이미지 처리까지 연결되어 있다는 것을 알 수 있습니다.
렌즈는 빛을 효율적으로 모으고 상을 형성해야 하기 때문에 광축을 중심으로 한 원형의 회전 대칭 구조가 매우 유리합니다.
렌즈가 만들어 내는 영상 영역 역시 이미지 서클이라는 원형 범위로 이해할 수 있습니다.
반면 이미지 센서는 픽셀 배열, 반도체 제조, 데이터 처리, 디스플레이와 인쇄 환경 등을 고려할 때 직사각형 구조가 매우 실용적입니다.
그래서 원형 이미지 서클 안에 직사각형 이미지 센서를 배치하고, 센서가 받아들인 영역을 하나의 직사각형 사진으로 기록하는 구조가 만들어졌습니다.
결국 우리가 평소 보는 사각형 사진은 원형 렌즈가 사각형의 빛을 만들어 냈기 때문에 생기는 것이 아닙니다.
핵심을 한 문장으로 정리하면 다음과 같습니다.
“렌즈는 원형의 이미지 영역을 만들고, 그 이미지 서클 안에 있는 직사각형 이미지 센서가 필요한 부분만 기록하기 때문에 최종 사진이 직사각형이 된다.”
카메라를 정면에서 바라보면 가장 먼저 눈에 들어오는 것은 둥근 렌즈입니다. 하지만 그 렌즈 안쪽에서는 우리가 눈으로 직접 보기 어려운 원형 이미지 서클과 직사각형 이미지 센서가 서로 맞물려 하나의 사진을 만들어 내고 있습니다.
평소에는 너무 당연해서 지나쳤던 ‘둥근 렌즈와 네모난 사진’의 차이에는 이처럼 광학과 전자공학, 반도체 기술 그리고 사진의 역사가 함께 숨어 있습니다.
사진을 촬영할 때 이런 원리를 한 번 떠올려 본다면 카메라의 렌즈와 센서가 이전과는 조금 다르게 보일지도 모릅니다.
📚 카메라 렌즈와 이미지 센서에 대해 더 알아보기
렌즈가 만드는 이미지 서클과 이미지 센서의 관계를 더 자세히 알고 싶다면 아래 카메라 제조사의 공식 자료도 함께 참고해 보세요.
DX와 FX 센서의 크기 차이와 렌즈가 만드는 이미지 서클의 관계를 Nikon의 공식 자료를 통해 확인할 수 있습니다.
Nikon 공식 자료 바로가기 →렌즈의 초점거리와 화각, 렌즈에서 이미지 센서까지의 관계를 Canon의 공식 렌즈 자료에서 살펴볼 수 있습니다.
Canon 공식 자료 바로가기 →📷 함께 읽어보면 좋은 사진 이야기
원형 렌즈를 통과한 빛이 이미지 센서에 기록되어 한 장의 사진이 만들어지는 원리를 이해했다면, 이번에는 우리가 그렇게 만들어진 사진을 왜 남기는지도 함께 생각해 볼 수 있습니다. 사진은 단순한 이미지가 아니라 순간과 기억, 사람과 장소, 그리고 우리의 삶을 기록하는 중요한 수단이기도 합니다.
우리가 사진을 찍는 이유는 무엇일까요? 사진이 순간을 기록하고, 기억을 되살리며, 시간이 지나면서 한 사람의 인생을 보여주는 기록으로 남게 되는 의미를 자세히 살펴봅니다.
사진의 의미 자세히 알아보기 →💡 카메라의 원리를 아는 것도 흥미롭지만, 그 기술로 무엇을 남기고 왜 사진을 촬영하는지를 생각해 보면 사진을 조금 더 깊이 이해할 수 있습니다.
