편광 필터는 한 평면에서 진동하는 빛만 통과시키고 나머지를 흡수함으로써 파란 하늘을 어둡게 하고, 물·유리·젖은 나뭇잎의 반사를 제거한다. 피사체 쪽에서 보면 선형 편광 필터와 원형 편광 필터는 동일한 역할을 한다. 둘 다 렌즈 전면 요소에 선형 편광된 빛을 전달하고, HP5+나 FP4+ 필름에서 동일한 계조 효과를 낸다. 차이는 오직 필름에 도달하기 전에 빔을 샘플링하는 카메라 내부에만 존재한다.

모든 것을 지배하는 하나의 방정식

기본 법칙은 말루스의 법칙(Malus’s law)이다. 첫 번째 편광자에 대해 각도 theta로 설정된 두 번째 편광자를 통과한 빛의 강도는 *I = I₀ cos²(theta)*다. theta = 0일 때 두 축이 정렬되어 투과율이 최대가 되고, theta = 90도일 때 두 축이 교차하여 이상적인 투과율은 0이 된다(실제 편광자는 소광비에 따라 10⁻⁴에서 10⁻⁶ 사이의 누설광이 있다).

이 단일 cos² 항은 동시에 두 가지 작용을 한다. 렌즈 앞에 달린 필터를 회전시키면, 필터 축과 하늘에서 오는 부분 편광 사이의 각도가 바뀌어 하늘이 그 각도의 cos² 값에 따라 어두워지거나 밝아진다. 같은 항이 카메라 내부의 문제도 지배한다. 렌즈에 달린 선형 편광 필터는 카메라의 노출계 또는 AF 빔 스플리터를 두 번째 편광자로 삼아 교차 쌍(crossed pair)의 첫 번째 요소가 된다. 필터를 회전시키면 내부 센서로 가는 투과량이 두 편광자 사이 각도의 cos² 에 따라 변동하는데, 이는 실제 피사체 밝기와는 완전히 독립적으로 일어난다.

SLR이 빔을 샘플링하는 방식

자동 초점 SLR은 빛 전부를 필름으로 보내지 않는다. 주 반사 미러는 부분 은도금 처리되어 있어, 그 미러를 직진 통과한 빛의 일부가 뒤에 장착된 작은 보조 미러에 닿고, 이 미러는 빔을 바디 하단의 위상 검출 AF 모듈로 굴절시킨다. 그곳에서 분리 렌즈가 렌즈 사출 동공의 반대쪽 가장자리에서 온 광선을 받아 선형 CCD 위에 두 개의 상을 맺는다. 이 두 상의 간격이 초점 오차를 나타낸다. 너무 가까우면 피사체가 앞초점, 너무 멀면 뒤초점이며, 정확한 초점일 때는 고정된 기준 간격이 된다.

보조 미러의 유전체 코팅과 분리 광학계는 모두 빛의 편광 상태에 따라 반사·투과량이 달라진다. 깨끗한 선형 편광을 입력하면 필터 회전에 따라 두 분할 상의 상대적 강도가 변한다. 위상 비교 회로는 실제 디포커스가 아닌 광학계가 부과한 강도 불균형을 읽게 되어 초점이 흔들린다. 같은 메커니즘이 빔 스플리터 노출 셀도 오염시킨다. camera-wiki가 표현한 대로, 선형 편광 필터를 장착하면 “노출계와 자동 초점 모두 제대로 작동하지 않는다.”

1/4파장판, 그리고 왜 렌즈 쪽을 향해야 하는가

원형 편광 필터는 선형 편광자와 1/4파장판(lambda/4 리타더)을 접합한 것으로, 리타더의 빠른 축과 느린 축이 편광자의 투과 축에 대해 45도를 이룬다. 빛은 앞의 편광자를 지나 선형 편광이 되고, 리타더는 두 개의 직교 전기장 성분 중 하나를 다른 것에 비해 1/4 파장, 즉 90도 위상만큼 지연시킨다. 두 성분은 원형 편광된 빛으로 재결합된다.

이 기법의 핵심은, 원형 편광된 빛이 필터의 어느 회전 각도에서도 하류의 모든 분석기(analyser)에 동등한 양의 두 선형 상태를 제시한다는 것이다. 각도에 따라 변동하던 cos² 항은 이제 상수로 평균화된다. 빔 스플리터는 원형 편광 빛을 비편광 빛과 똑같이 분할하므로, 노출계와 AF 모듈은 렌즈에 편광 필터가 없는 것처럼 작동한다. 하늘이나 반사에 대한 피사체 측 편광 효과는 변하지 않는다. 그 작업은 앞쪽의 선형 요소가 담당하기 때문이다. 순서가 중요하기 때문에 CPL은 방향성이 있다. 즉 리타더가 반드시 렌즈 쪽을 향해야 한다. 반대로 장착하면 빔 스플리터에 다시 선형 편광된 빛이 전달된다.

원형 편광 필터가 등장한 시기와 이유

이 해결책은 카메라 설계의 특정 변화 때문에 존재한다. 빔 스플리터를 사용하지 않는 셀로 측광하거나 외부 노출계를 사용하는 한, 선형 편광 필터로도 충분했다. 문제는 1985년 2월 완전한 바디 내장 자동 초점 시스템과 자동 필름 이송을 갖춘 최초의 SLR인 Minolta Maxxum/Dynax 7000과 함께 빔 스플리터 AF와 TTL 바디가 등장하면서 시작됐다. 편광에 민감한 보조 미러와 AF/노출 광학계가 시장 전체로 퍼지면서 원형 편광 필터가 기본 권장 제품이 되었다. 수동 기계식 바디에서 외부 노출계를 사용한다면 선형 편광 필터도 여전히 충분히 사용할 수 있으며, 일반적으로 가격도 더 저렴하고 투과율도 약간 더 높다.

빛의 손실량 — 실제 예시와 함께

필터가 공짜는 아니지만 흔히 이야기하는 “13 스톱” 같은 말은 너무 부정확하고, 상한값은 틀렸다. 이미 편광된 하늘을 각도에 따라 어둡게 하는 효과는 필터의 기본 감광량이 아니라 사용자가 선택한 피사체 효과이므로 이를 이중으로 계산한 셈이다. 제조사 데이터는 훨씬 정확하다. Heliopan은 필터 팩터를 약 2.32.8로, 대략 +1.3 스톱으로 평가하며, B+W Kaesemann 원형 편광 필터도 같은 범위에 속한다. HTC(High Transmission Coating) Kaesemann은 편광 성분당 약 99.5% 투과율에 이르며, 약 1.5 스톱까지로 명시한다.

TTL 측광에 CPL을 사용할 때는 직접 보정을 적용하지 않아도 된다. 노출계가 필름이 받는 것과 동일한 감광된 빔을 읽기 때문이다. 외부 노출계를 사용할 때는 직접 팩터를 적용해야 한다. FP4+로 존 V 중간 조도를 측광하는데 입사광 측정값이 EV 14, 즉 f/11에서 1/125 s로 설정하는 경우를 가정하자. Kaesemann을 장착하고 +1.5 스톱을 보정하면 1/125 s 기준으로 약 f/6.7(f/8과 f/5.6의 중간), 또는 f/11을 유지하고 1/45 s로 낮추면 된다. 노출계가 포착할 수 없는 변수가 하나 있다. 편광 필터의 하늘 효과는 카메라가 태양으로부터 90도 방향을 바라볼 때 최대가 되고, 태양을 향하거나 정반대 방향을 바라볼 때는 0으로 수렴한다. 따라서 맑은 하늘에서 태양과 90도 방향의 최대 효과를 향해 필터를 회전시킬수록 유효 팩터가 높아진다. 확신이 없을 때는 한 스톱씩 브라케팅하라.

흑백 필름에서 원형 편광 필터를 쓸 가치가 있는가?

주요 용도인 파란 하늘을 어둡게 하는 데 있어서는, 흑백 사진에서 편광 필터가 대개 잘못된 도구다. 색상 대비 필터가 더 효과적이고 제어하기 쉽다. 색상이 아닌 각도에 작용하는 편광 필터와 달리, 색상 대비 필터는 카메라가 향하는 방향과 관계없이 예측 가능하게 하늘을 어둡게 한다. Wratten 25 레드, 15 진한 옐로/오렌지, 또는 12 마이너스블루가 하늘을 안정적으로 어둡게 한다. Ansel Adams는 Monolith, the Face of Half Dome(1927)에서 거의 검은 하늘을 표현하기 위해 편광 필터가 아닌 Wratten 29 딥레드를 사용했다. 편광 필터는 사용하는 색상 대비 필터에 관계없이 어떤 파란 하늘이든 어둡게 하지만, 흑백에서의 진정한 가치는 물·유리·젖은 나뭇잎에서 오는 비금속 반사를 제거하는 데 있다. 어떤 색상 필터도 건드릴 수 없는 반사들이다. 바로 그때가 1.5 스톱을 투자할 만한 순간이다.

출처: HyperPhysics(Georgia State University)의 1/4파장판 자료; Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations의 말루스의 법칙 자료; camera-wiki.org 및 Lensrentals의 위상 검출 AF와 빔 스플리터 자료; Heliopan 및 Schneider-Kreuznach/B+W 필터 팩터 데이터시트; Wikipedia 및 mikeeckman.com의 Minolta Maxxum 7000 자료; Ansel Adams, The Negative.*