카메라렌즈(camera lens)는 사진렌즈(photographic lens) 혹은 대물렌즈(objective lens)라고도 하는데, 카메라 몸체와 기계 장치와 함께 사용하여, 화학적/전자적으로 영상을 저장할 수 있는 필름 또는 센서에, 피사체의 상을 맺는 광학렌즈 혹은 렌즈뭉치(assembly of lens)를 말한다.  

원리적으로는 간단한 볼록렌즈로 충분하지만, 가능한한 여러가지 광학수차(optical aberrations)를 최소화 하기 위해서는 여러개의 광학렌즈 요소로 구성된 복합렌즈(compound lens)가 필요하다. 렌즈 설계자의 역할은 가능한한 수차를 상쇄시키고 사진에 적합하면서도 대량생산이 가능한 렌즈를 만드는 것이다.

이론적으로는 카메라, 비디오, 망원경, 현미경, 기타 광학 장비에 사용되는 렌즈가 큰 차이가 없지만, 세부 사항 및 제조방법은 다르다.  카메라에 고정된 렌즈도 있지만, 초점거리, 구경 등이 다른 렌즈를 바꿔낄 수도 있다. 

렌즈의 작동원리(Theory of operation)


전형적인 직교렌즈(rectilinear lens, 직선이 직선을 촬영되는 렌즈)는 바늘구멍 "렌즈"의 성능을 향상시킨 것이라고 할 수 있다. 이상적으로는 바늘구멍(pin hall)렌즈는 작은 구멍을 사용하여 거의 모든 빛을 차단하고, 한 점에서 한 선의 빛만 뽑아 센서에 보낸다. 그러나, 바늘구멍렌즈는 다음과 같은 심각한 한계가 있다. 

바늘구멍 카메라의 원리
  • 바늘구멍사진기의 구멍이 크면 상이 흐려진다.(아래 좌측)
  • 구멍을 작게하면 해상도가 좋아지지만, 빛의 양이 줄어든다.
  • 회절(Diffraction)로 인해 구멍을 일정 크기보다 더 줄이면 어두워질 뿐만 아니라 흐려진다(가운데)
렌즈란 바로 "어떻게 하면 빛을 더 많이 받아들이면서도 뚜렷한 상을 얻을 수 있을까?" 하는 질문에 대한 답이라고 생각할 수 있다. 첫번째 답은 바늘구멍에, 초점거리(focal length)가 촬상면까지의 거리와 동일한 렌즈를 설치하는 것이다. 이렇게 하면 구멍을 상당히 크게 해도 무방하다.(아래 세번째) 볼록렌즈는 렌즈 입사각에 비례하여 빛을 굴절 시키기 때문이다. 기하학적 배치는 비슷하지만, 바늘구멍 카메라의 경우 하나의 점에 한줄의 빛만 비추는데 비해, 렌즈가 있는 경우 들어온 빛다발이 가느다란 삼각뿔 모양으로 모인다. 카메라 앞에서 보면 작은 구멍인 구경(aperture)을 볼 수 있다. 이것을 렌즈의 입사동공(entrance pupil)라고 하는데, 이론적으로는 피사체상의 어떤 한점에서 나온 빛 중에서 이 입사동공을 지난 모든 빛은 센서/필름 상에 한점으로 모여야한다. 카메라 안쪽에서 봤을 때의 구경의 가상이미지는 출구동공(exit pupil)이라고 한다.



실제의 카메라렌즈는 여러개의 렌즈 요소로 구성된다. 추가되는 요소는 여러가지 수차(aberrations)를 줄이는 목적이지만, 작동원리는 동일하다. 즉, 입사동공으로 들어온 빛다발이 출구동공을 통해 촬상면에 한점으로 초점을 맺게하는 것이다.

제작(Construction)


렌즈는 브라우니(Brownie) 박스카메라에 사용된 요철렌즈(meniscus)와 같이 한장의 렌즈로부터 20여매로 구성되는 복잡한 줌렌즈까지 여러가지 요소로 만들어 질 수 있다. 그중에는 여러장의 렌즈를 서로 붙여 만든 것도 있다.

맨 바깥 요소는 전체 렌즈뭉치(lens assembly)의 성능에 매우 중요하다. 현대의 렌즈는, 마모, 플래어(flare), 표면반사 등을 줄이고, 색균형을 보정하기 위해 코팅처리를 한다. 수차를 최소화하기 위해 입사각(angle of incidence)과 굴절각(angle of refraction)이 같도록 곡률을 설정한다. 단초점렌즈(prime lens)의 경우엔 어렵지 않지만, 줌렌즈에서는 항상 타협이 필요하다.

렌즈의 초점을 맞추는 방법은 렌즈뭉치와 촬상면의 간격을 조정하는 것과, 렌즈뭉치 내부의 요소를 움직이는 방법이 있다. 일부렌즈에는 성능을 높이기 위해 캠(cam, 회전운동을 왕복운동으로 변환하는 장치)을 이용해 그룹간의 거리를 조정한다. 니콘(Nikon)에서는 이를 CRC (close range correction)라고 하고, 핫셀블라드(Hasselblad)와 마미야(Mamiya)에서는 FLE (floating lens element)라고 한다.

가장 널리 사용되는 렌즈 재료는 유리이다. 광학성질이 우수하고 긁힘에 강하기 때문이다. 기타 수정유리, 형석(fluorite), 아크릴성 플라스틱(Plexiglass), 심지어는 게르마늄(germanium)과 운석유리(meteoritic glass)도 사용된다. 유리로 제작하기 힘든 비구면렌즈(aspherical lens)의 경우 가공성과 효율성이 높은 플라스틱이 사용된다. 하지만 플라스틱은 흠집이 잘 나기 때문에, 아주 저렴한 렌즈를 제외하면 제일 바깥 요소로는 사용되지 않는다. 플라스틱 주형렌즈는 일회용 카메라에 오랫동안 사용되어 평판이 나쁘기 때문에 좋은품질의 광학회사는 "광학수지(optical resin)"와 같이 애둘러 표현하는 경향이 있다. 그러나 유명회사가 생산하는 현대식 고성능(고가) 렌즈엔 주형식 혹은 하이브리드 타입의 비구면 렌즈가 포함된 경우가 많으므로, 플라스틱이 포함된 모든 렌즈는 품질이 떨어진다고 치부하는 건 옳지 않다.

1951년 미공군 해상도시험차트(1951 USAF resolution test chart)는 렌즈의 분해능(resolving power)을 측정하는 방법중 하나이다. 해상도는 재료의 품질, 코팅, 구조 등의 영향을 받는다. 렌즈 해상도는 궁극적으로 회절(diffraction)에 의해 제한되는데, 이 해상도까지 접근하는 카메라렌즈는 거의 없다. 이러한 렌즈를 "회절한계(diffraction limited)" 렌즈라고 하는데 거의 아주 비싸다.

1951년 미공군 해상도시험차트

오늘날 거의 모든 렌즈는 플레어, 기타 원치않는 효과를 최소화하기 위해 여러번 코팅을 한다. 색채에 나쁜 영향을 미치는 자외선(ultraviolet)을 차단하기 위해 UV 코팅도 한다. 현재 렌즈요소를 붙여주는 광학 접착제 대부분에 자외선을 차단하므로 UV 필터가 거의 필요없다. UV 를 촬영하고자 하는 사람은 접착제도 코팅도 없는 렌즈를 찾아야 한다. 

렌즈에는 대부분 빛이 들어오는 양을 통제할 수 있도록, 구경조절장치 - 대부분 조리개 -를 갖추고 있다. 초기 카메라에는 크기가 다른 구멍이 여러개 뚫려 있는 회전판 또는 미끄럼판이 사용되었다. 이들 워터하우스 스톱(Waterhouse stop)은 현대에도 특별한 렌즈에 가끔 사용된다. 빛이 통과하는 시간을 제어하는 셔터(shutter)는 렌즈뭉치(lens assembly) 내부, 카메라 내부에 주로 설치되지만, 드물게 렌즈 앞에 설치되는 경우도 있다. 일부 렌즈내장 리프셔터(leaf shutter)의 경우 조리개가 없이 셔터가 두가지 기능을 겸하기도 한다.

Dallmeyer Soft Focus Series B 렌즈와 워터하우스 스톱(좌측은 삽입된 모습)

구경과 초점거리(Aperture and focal length)


광학렌즈에 있어 가장 기본적인 두가지 요소는 초점거리(focal length)와 최대구경(maximum aperture)이다. 초점거리는 촬상면에 투영된 상의 배율을 결정하며, 구경은 상의 밝기를 결정한다. 동일한 카메라를 사용할 경우, 초점거리가 짧을수록 화각( field of view)이 넓어진다. 구경이 크면(f값(f-number)이 적으면) 동일한 노출에도 셔터속도를 빠르게 할 수 있다. 

렌즈의 최대구경은 초점비율 혹은 f값(f-number)으로 표현한다. f값은 렌즈의 초점거리를 유효구경(입사동공)으로 나눈 수로서 무차원수(dimensionless number)이다. f값이 작을수록 초점면에 들어오는 빛의 강도가 높다. 다른 조건이 동일하다면, 구경이 클수록(f값이 작을수록) 심도(depth of field)가 낮아진다. 
실재 사용되는 렌즈뭉치(lens assembly) 에는 광량측정장치나 플래어 감소용 별도 구멍, 혹은 노출순간 구경을 열어두어 SLR카메라가 심도가 낮고 밝은 피사체에 초점을 맞추도록 하는 장치 등이 포함될 수도 있다.

초점거리는 대부분 mm 로 표시하지만, 예전 렌즈 중에는 cm 나 인치(")로 표시된 것도 있다. 주어진 필름/센서 크기(대각선 길이)에 따라 렌즈는 다음과 같이 분류된다.
  • 표준렌즈(Normal lens) : 대각선 화각이 약 50°이고, 초점거리가 센서의 대각선 길이와 거의 비슷함
  • 광각렌즈(Wide-angle lens) : 화각이 60° 보다 크고 초점거리가 표준렌즈보다 짧음
  • 장초점렌즈(Long-focus lens) : 초점거리가 필름센서의 대각선보다 긴 렌즈. 화각이 좁다. 장초점렌즈 중 가장 일반적인 것이 망원렌즈(telephoto lens)로서, 특별한 광학구성을 사용해 렌즈의 실 길이가 초점거리보다 짧다.
28 mm 렌즈                                                           50 mm 렌즈
70 mm 렌즈                                                         210 mm 렌즈
[[[렌즈선택에 따른 화각의 변화. 동일한 위치에서 35mm 카메라로 촬영]]]

초점거리가 다른 렌즈를 사용하면 다른 거리에서도 피사체를 동일한 크기로 촬영할 수 있다. 단, 원근감(perspective)이 달라지게 된다. 예를 들어 손을 앞으로 뻗은 사람을 각기 광각, 표준, 망원렌즈로 촬영하되, 거리를 조정하여 사람이 동일한 크기로 촬영해 보면, 광각렌즈로 촬영한 사진에서는 손이 과장되어 머리보다 크게 나타난다. 초점거리가 길어질수록 이러한 과장효과는 줄어든다. 하지만, 동일한 위치에서 세가지 렌즈로 촬영한 뒤, 사람이 동일한 크기가 되도록 확대한 후 잘라내 보면 모든 사진의 원근감이 동일하다. 인물 사진을 촬영할 경우, 장초점렌즈의 원근감이 실물보다 조금 더 좋아보이는 경향이 있어서, 중간 정도의 망원렌즈를 추천한다.

초점거리가 다른 렌즈로 거리를 달리하여 동일한 크기로 촬영한 원근감 효과

렌즈요소의 수(Number of elements)


렌즈의 복잡도(렌즈요소의 수 및 비구면성)에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 화각 및 최대구경이다. 구경이 넓은 초광각렌즈를 만들기 위해서는 여러가지 광학수차(optical aberration)를 상쇄시키기 위해 매우 복잡할 수 밖에 없다. 수차는 렌즈 가장자리로 갈수록 심해지는데, 초광각렌즈는 렌즈 가장자리를 사용해야하기 때문이다. 구경이 작은 장초점렌즈라면 아주 간단한 구성만으로도 괜찮은 품질의 영상을 얻을 수 있다. 두개의 렌즈요소로 구성되는 이중렌즈(doublet)만으로도 충분할 것이다. 오래전, 표준 초점거리를 가진 "전환가능(convertible)"렌즈를 탑재한 카메라가 있었다. 앞쪽 렌즈요소를 떼어내면 초점거리가 두배가 되고, 구경과 화각은 반이 되었다. 이 간단한 반쪽렌즈는 화각이 좁고 구경이 상대적으로 좁으면 적당한 품질이 나왔다. 물론 주름상자를 표준길이의 두 배로 확장시켜야 했다.

최대구경이 f/2.8 이상인 표준 단초점 렌즈라면 적어도 3매(삼중 렌즈) 또는 4매("테사르(Tessar)" 렌즈, 그리스어에서 4를 뜻하는 tessara에서 유래)의 요소가 필요하다. 초점거리 지원범위가 넓은, 소위 슈퍼줌렌즈는 15매 이상으로 구성되기도 한다. 렌즈는 이를 구성하는 각각의 광학매질(optical media, 공기, 유리, 플라스틱 등)간의 반사로 인해, 대비(contrast)와 채도(saturation)가 심각하게 저하된다. 초기의 렌즈나 줌렌즈에서 심하며, 특히 빛이 직접 쪼이는 경우 훨씬 심해진다. 광학 코팅 기술이 도입되고 기술이 진보함에 따라 렌즈의 성능이 향상되었고, 그 결과 현대의 고품질 줌렌즈의 경우 어느정도 대비가 쓸만한 사진을 촬영할 수 있게 되었다. 물론 여러개의 요소로 구성된 줌렌즈은 랜즈요소가 작은 렌즈에 비해(구경, 초점거리, 코팅 등이 동일할 경우) 빛의 통과량이 적다.

45mm f/2 MD-Rokkor 렌즈. 5군/6매로, 렌즈 요소간의 반사를 볼 수 있다.

렌즈 마운트(Lens mounts)


대부분의 이안 반사식(SLR) 카메라와 몇몇 거리계연동 (rangefinder) 카메라는 렌즈를 떼어낼 수 있다. 마미야(Mamiya) 이안반사식(TLR) 카메라와 같이 다른 종류의 카메라도 일부 렌즈를 교환할 수 있는 모델이 있다. 렌즈 마운트(lens mount)란 렌즈를 카메라에 부착하는 곳으로, 렌즈와 카메라에 각각 기계적/전기적 연결장치가 있다. 렌즈 마운트는 카메라와 렌즈간의 호환성을 결정짓는 중요한 요소이다. 대형 카메라 회사는 자체적으로 고유한 마운트가 있어 일반적으로 다른 회사제품과 호환되지 않는다. 그러나, 거리계연동 카메라용 라이카 M39 렌즈 마운트, 초기 SLR용 M42 렌즈 마운트, 후기 SLR용 펜탁스(Pentax) K마운트, 디지털일안반사식(DSLR) 카메라용 포써드 시스템 마운트(Four Thirds System mount) 등은 예외로, 모두 여러 카메라 회사들이 함께 사용하였다. 대부분의 대형 카메라도 렌즈를 교환할 수 있는데, 렌즈보드(lensboard)나 전면에 설치한다.

렌즈의 종류(Types of lens)


접사(마크로) 렌즈("Close-up" or macro)


접사사진에 사용되는 접사렌즈(마크로(macro)렌즈)는 촬상면에 파사체의 실제 크기보다 같거나 크게 촬영되는 렌즈를 말한다. 대부분 아주 작은 물체를 확대촬영하기 위한 목적으로 사용된다. 마크로렌즈는 어떤 초점거리이든 관계없다. 확대배율, 필요한 비율, 피사체에 대한 접근성, 조명 등을 고려하여 초점거리를 결정한다. 접사작업을 위해 광학적으로 교정한 특수렌즈일 수도 있고, 아주 가까운 사진을 위해 초점면을 앞으로 끌어오도록 (어댑터나 스페이서를 이용해) 변경한 렌즈일 수도 있다. 심도(depth-of-field)는 무척 낮아 활용도는 제한된다. 일반적으로 심도를 높이기 위해 조리개를 조여(stop down) 사용한다. 

줌렌즈(Zoom)


줌렌즈는 내부 렌즈요소의 움직임에 따라 초점길이가 변하는 렌즈로, 일반적으로 경동(鏡胴, barrel)을 돌리거나 단추를 눌러 모터를 작동시킴으로써 초점길이를 바꾼다. 보통 중-광각에서 표준을 거쳐 중-망원까지, 혹은 표준에서 망원까지 렌즈를 조절할 수 있다. 줌범위는 제작한계가 있다. 즉, 최대구경이 크고, 초광각에서 초망원까지 줌이 되는 이상적인 렌즈는 불가능하다. 줌렌즈는 주로 여러가지 소형 카메라 - 스틸카메라, 영화카메라, 렌즈고정식, 렌즈교환식을 막론하고 - 에 사용된다. 크기 및 가격 때문에 중대형 줌렌즈는 많지 않다. 모터식 줌렌즈의 경우 초점, 조리개 , 기타기능도 모터식일 수 있다. 

줌렌즈의 원리

특수 렌즈(Special-purpose)

  • 고차색지움 렌즈(Apochromat (APO))는 색수차(chromatic aberration)를 보정한 렌즈이다.
  • 프로세스 렌즈(Process Lens)는 기하학적 수차(실타래형(pincushion) 왜곡과 술통형(barrel) 왜곡)를 극단적을 제거한 렌즈로 특정한 거리에서만 사용된다. (프로세스 렌즈와 고차색지움렌즈는 일반적으로 구경이 좁으며, 정물을 극히 정확하게 촬영하는데 사용된다. 렌즈 앞쪽에서 10-20cm 정도에 있는 물체에 최적화 되어 있으며, 이 범위를 벗어나면 성능이 많이 떨어지다.
  • 확대렌즈(Enlarger lens)는 카메라가 아닌 확대기(photographic enlarger)에 사용하는 렌즈이다.
  • 항공사진(aerial photography)용 렌즈
  • 어안렌즈(Fisheye lenses) : 화각이 180도 이상되는 극초광각 렌즈로 (의도적인) 왜곡이 많다.
  • 입체렌즈(Stereoscopic lenses) : 3차원 사진을 촬영하는 한쌍의 렌즈. 적절한 뷰어를 사용하면 3차원 효과를 볼 수 있다.
  • 연초점 렌즈(Soft-focus lens) :  초점이 맞으면서도 부드럽게 촬영되는 렌즈로 의도적으로 왜곡을 남긴 렌즈. 초상사진이나 패션 사진에 많이 사용된다. 
  • 적외선 렌즈(Infrared lens)
  • 자외선 렌즈(Ultraviolet lens)
  • 회전식 렌즈(Swivel lens) : 카메라 몸체에 부착된 채 회전할 수 있는 렌즈로 독특한 촬영각도가 가능하다.
  • 시프트 렌즈(Shift lens) 와 틸트 렌즈(tilt lens) : 합쳐서 투영제어렌즈(perspective control lenses) 라고도 하는데, 뷰카메라(view camera)를 모방하여 SLR에서 특수하게 투영을 제어할 수 있는 렌즈
회전식 렌즈(Swivel lens) 와 틸트렌즈(tilt lens)

====
이 문서는 http://en.wikipedia.org/wiki/Camera_lens 중 앞부분을 번역한 것입니다. 일부는 뺀 것도 있고 마음대로 추가한 부분도 있습니다. 카메라에 대한 지식이 부족하여 오역한 부분도 있을 수 있습니다. 혹시 잘못된 내용을 발견하시면 언제든지 알려 주시기 바랍니다.  

카메라의 개요 와 카메라의 역사 그리고 거리계연동카메라와 일안반사식카메라 12 그리고 이안반사식 카메라도 참고 하세요.

민, 푸른하늘 

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  1. VRMania  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은글 읽고 많이배워갑니다. 모르는부분이 더 많은것같아요// 장문을 쓰시느라 고생하셨어요.

    2011/10/21 23:29
  2. 무늬만원빈  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 정보 감사드려요.....^^

    2011/10/24 05:23
  3. alphaMAX  수정/삭제  댓글쓰기

    이해쏙쏙 되고 좋슴돠 감사해요~^_^

    2012/05/04 21:40
  4. 메롱이  수정/삭제  댓글쓰기

    Lens Resolution Charts to Accompany NBS Circular 374라고 아시는지요?
    아시면 관련 정보를 알 수 있을까요? glowlake@naver.com입니다.

    2012/08/29 15:42
    • Favicon of http://www.internetmap.kr BlogIcon 푸른하늘이  수정/삭제

      저는 모르겠네요. 검색해봐야 할텐데, 지금은 다른 것에 빠져 있어, 시간이 없습니다.

      2012/08/30 10:02

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