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  2. 2011.10.21 카메라 렌즈(Camera lens)의 모든 것 - 첫번째 (10)
사진/카메라2011. 10. 26. 20:41
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카메라 렌즈의 역사 및 기술 개발(History and technical development of photographic camera lenses)


완벽한 렌즈라면 한점을 한점으로 (상대적 공간에서 절대적 정확도 이내로) 상을 맺어야 한다. 그러나, 크기나 무게, 비용 등 실질적인 문제 뿐만 아니라, 물리학 법칙, 우리 지식의 한계, 공법의 한계 등으로 인하여, 완벽한 렌즈는 불가능하다. 카메라 렌즈 역사중 최초의 100년은 렌즈의 여러가지 렌즈 수차(optical aberration)를 무난한 정도 까지 떨어뜨리면서, 광학 지식이 천천이 축적되던 시기라고 할 수 있다. 그 다음 100년은 그 지식을 기술적으로 적용함으로써, 렌즈가 다양해지면서도 다재다능해지는 시기라고 할 수 있다.

참고로 아래에 있는 그림에서 렌즈 곡률이나 간격 등은 모두 개략적이다. 재료도 유리가 아닐 수도 있다. 즉, 이 그림만으로는 실제 렌즈를 제작할 수 없다. 참고로, 렌즈의 이름은 모두 상표로 등록되어 있으며, 그중 많은 렌즈가 아직 지적재산권에 걸려 있는 상태로, 이 글에서는 구분하기 위한 목적으로만 사용한다.

초기의 카메라 렌즈(The earliest photographic camera lenses)


카메라 렌즈의 역사는 월라스톤(Wollaston)의 메니스커스(Meniscus) 렌즈로부터 시작된다. 1804년 영국의 윌리엄 월라스톤(William Hyde Wollaston)은 1매짜리 메니스커스 렌즈(Meniscus lens, 요철렌즈)를 발명하였다. 처음에는 안경에 사용되었다. (자신이 원시라면 안경알을 시험해 보시길) 이 렌즈는 상당히 넓은 범위(f/16에서 약 50° 정도)에서 어느 정도 뚜렷한 상을 맺는 최초의 렌즈였다. 월라스톤은 1812년 이 렌즈를 예술가용 카메라 옵스큐라(camera obscura)에 장착시켰다.

메니스커스 요철렌즈는 오목한 면을 앞쪽으로 하고 그 앞에 조리개를 설치함으로써, 최초의 사진용 렌즈로 불리우게 되었다. 프랑스의 니세포르 니엡스(Joseph Nicéphore Niépce)가 최초의 사진 기법인 "heliography"을 시험한 몇몇 카메라 옵스큐라에 이 렌즈를 부착했기 때문이다. (카메라의 역사 참조) 메니스커스 렌즈는 1550년 지오바니 바티스타 델라 포스타(Giambattista della Porta)가 카메라 옵스큐라에 부착한 간단한 양면볼록렌즈(biconvex lens)의 한계였던 상면만곡(field curvature)을 해결하였다. 참고로, 니엡스는 1828년까지 메니스커스 렌즈를 사용하지 않았다. 즉, 1827년 경 역청(bitumen)을 사용한 최초의 사진을 촬영할 때는 양면볼록 렌즈를 사용했다. 메니스커스 렌즈는 코닥의 베스트셀러였던 브라우니(Brownie)와 같이 간단한 박스형 사진기에는 지금도 사용되고 있다. 

월라스톤의 메니스커스 (Meniscus, 요철)렌즈 

니엡스와 루이스 다게르(Louis-Jacques-Mandé Daguerre, 프랑스)는 동일한 업자(샤를 세발리에, Charles Chevalier, 프랑스)로부터 렌즈를 공급받았다. 다게르의 다게레오타입(daguerreotype) 사진도 메니스커스(Meniscus) 렌즈를 장착한 카메라 옵스큐라(camera obscura)를 사용하여 실험하였다. 하지만, 유리는 빨강 스펙트럼에서 파랑 스펙트럼으로 갈수록 굴절률(refractive index)이 커지고, 그 결과 파란색은 앞쪽에 초점이 맺히고, 빨강색은 상 주변에 무지개 장식 같은 얼룩을 만들게 된다. 이는 색 수차(chromatic aberration)에 의한 영향이다. 메니스커스 렌즈에는 이와 같은 색 수차를 보정할 방법이 없어 초점을 맞추기 힘들었다. 다게레오타입은 파란색에 감광하는데, 사람의 눈은 주로 노란색으로 초점을 맞추기 때문이다. 

세발리에(Chevalier)는 1829년 돌랜드(Dollond)의 아크로매트 이중렌즈(Achromat Doublet, 색지움렌즈, 원래는 망원경용)를 사용하도록 제안했다. 이 렌즈는 원래 메니스커스 렌즈보다 선명도가 떨어졌지만, 굴절률이 낮고 분광(dispersion)이 낮은 크라운(crown (소다석회, soda-lime)) 렌즈와 굴절률이 높고 분광(dispersion)도 높은 플린트(flint (납, lead)) 렌즈를 결합함으로써, 개별 색수차를 상쇄시키고 파란색과 노란색을 한군데에서 초점이 맞도록 한 렌즈이다.

현대식 아크로매트(색지움) 렌즈(약 1900년 이후)는 파란색과 빨간색-특히 486 / 656 나노미터-을 한 점에 모으도록 설계하는 것이 일반적이다. 참고로 존 돌랜드(John Dollond, 영국)가 1754년에 이 사실을 발견하여,1758년에 영국 왕립 학회(British Royal Society)로부터 코플리 메달(Copley Medal)을 수상하였지만,(1966년 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 색수차를 해결할 수 없다고 결론을 내렸음) 아크로매트(Achromat) 렌즈를 개발한 사람은 1729년 체스터 홀(Chester Moor Hall)이었다.

아크로매트 이중(Achromat Doublet, 색지움) 렌즈

아크로매트 이중(Achromat Doublet, 색지움) 렌즈는 1839년 8월 19일 프랑스 정부가 발행한 공식 다게레오타입 설명서에 지정된 렌즈였다.  세발리에는 1839년 말부터 아크로매트 렌즈에 메니스커스 렌즈를 추가하여, 상면만곡(field curvature)과 색수차(hromatic aberration)를 조절함으로써, 19세기 야외용 표준 렌즈인 아크로매트 풍경(Achromat Landscape)렌즈를 개발하였다.

세발리에의 아크로매트 풍경(Achromat Landscape)렌즈

벳시바르 인물 렌즈(Petzval portrait lens)


아크로매트 풍경렌즈(Achromat Landscape)는 완벽과는 거리가 멀었다. 무엇보다 실용적인 최대구경이 f/16 으로, 야외 다게레오타입 촬영에 20-30분 소요될 정도로 느렸다. 그래서 1840년 프랑스 국가산업진흥회(Society for the Encouragement of National Industry)에서는 밝은 렌즈를 국제공모하였다. 조셉 벳시바르(Joseph Petzval, 현재 헝가리)은 광학에는 전혀 경험이 없는 수학교수였지만, 오스트리아-헝가리 연합군의 "인간 컴퓨터(human computer)"의 도움을 받아 다게레오타입 인물촬영(daguerreotype portrait)에 적합할 정도로 빠른 렌즈에 도전하였다.

그는 1840년 벳시바르 인물렌즈(Petzval Portrait) 개발에 성공하였다. 전면은 접합식 아크로매트(색지움) 렌즈, 후면은 간격을 떨어뜨린 아크로매트 렌즈로 구성된 4매 렌즈로, 최초의 대구경(f/3.6) 인물용 렌즈였다. 그늘진 야외에서 다게레오타입 노출시 1-2분 정도 걸렸다. 1851년 개발된 콜로디온(colloidion ) 습판식에 사용할 경우 실내에서도 1-2분 정도로 가능하였다. 하지만 벳시바르 인물렌즈는 다른 렌즈보다 훨씬 우수했음에도 국수주의로 인하여 상을 타지 못했다.

벳시바르 인물렌즈(Petzval Portrait)

초점거리 150mm인 벳시바르 렌즈는 1841년에 원뿔형 금속제 보이그랜더(Voigtländer, 현재 오스트리아) 카메라에 탑재되어 원형 다게레오타입을 촬영하였다. 보이그랜더-벳시바르는 예술가용 카메라 옵스큐라를 변형한 것이 아닌, 사진 촬영 전용으로 설계된 최초의 카메라와 렌즈였다. 이 벳시바르 인물렌즈(Petzval Portrait)는, 그후 거의 100년간 가장 뛰어난 인물사진용 렌즈로 사용되었다. 현대의 관점에서 볼 때 이 렌즈에는 심각한 상면만곡(field curvature)오차와 비점수차(astigmatism)가 있었다. 중심부(약 20°, 매우 중요할 경우 10°)는 선명하였지만, 바깥쪽은 급격하게 초점이 어긋나서 피사체 주위로 "유쾌한" 할로 현상(halo effect)이 나타났다. 벳시바르 인물렌즈는 현재에도 상면 만곡이 문제시 되지 않는, 좁은 각도의 투영렌즈로 인기가 높다. 

1841년 다게레오타입 보이그랜더(Voigtländer) 카메라 : source

이 렌즈는 여러 렌즈 회사들이 불법적으로 복사했고, 벳시바르은 피터 보이그랜더(Peter Voigtländer)와 로열티 문제로 추악한 분쟁에 빠져들어 결국 비참하게 숨을 거두었다. 이 인물렌즈가 최초의 수학적 계산에 의한 렌즈였고, 1856년부터는 Hugo Adolph Steinhei(현대독일)에서 근무한 Ludwig von Seidel(현대 독일)에 의해 물리적 계산식이 잘 정립되었음에도, 그 후로도 약 반세기 동안 사진렌즈는 시행착오법을 통해 개발되었다. 렌즈 발전에는 퇴행적인 손해였다.

광학수차의 극복(Overcoming optical aberrations)


아크로매트 풍경렌즈(Achromat Landscape)는 또한 직선이 곡선으로 나타나는 기하학적 왜곡이 아주 심했다. 사진이 개발된 초기에는 촬영시간이 오래 걸려 음직이지 않는 건물이 아주 중요한 사진 주제였기 때문에 이는 매우 심각한 문제였다. 게다가 그 당시는 그림엽서가 19세기 중반에 개발되었을 정도로, 가보기 힘든 곳의 사진(특히 입체사진)은 안락한 집에서 세계를 구경할 수 있다는 점에서 아주 인기가 좋았다. 왜곡은 화각이 커질 수록 급격히 나빠졌다. 따라서 아크로매트 풍경렌즈는 광각 렌즈로는 사용할 수 없었다. 최초의 성공적인 광각렌즈(최대 92°, 실용적으로는 80°)는 1892년 해리슨 슈나이처 글로브 렌즈(Harrison & Schnitzer Globe, 미국) 이었으나, 최대구경이 f/16(실용적으로는 f/30)에 불과했다. 찰스 해리슨(Charles Harrison)과 조셉 슈나이처(Joseph Schnitzer)가 개발한 글로브 렌즈는 4매의 대칭 요소로 구성되었다. 이름이 의미하는 것처럼, 제일 바깥쪽 면을 확장하면 완전한 구가 된다.

해리슨 슈나이처 글로브 렌즈(Harrison & Schnitzer Globe)

1850년, 대칭(Symmetry)을 사용하면 깨끗한 상을 방해하는 일곱가지 렌즈 수차(5가지 모노크롬 "자이델(Seidel)수차" (구면수차(spherical), 코마(coma), 비점수차(astigmatism), 상면만곡(field curvature), 직선왜곡(rectilinear distortion))와 2가지 색수차(축방향(axial) 및 횡방향(transverse))중에서 3개의 수차(직선왜곡, 코마, 횡방향 색수차)가 자동적으로 보정된다는 사실이 발견되었다.

아울러 제조상의 결함으로 인하여 중심이탈(decentration) 수차도 발생한다. 즉, 렌즈가 사양에 따라 제작되지 않았거나, 위치가 어긋나면 기대한 품질을 얻을 수 없다. 구조가 복잡해질수록 연마불량 혹은 위치 불량에 한층 민감해진다. 

영상의 품질을 떨어뜨리지만 수차 혹은 오류가 아닌 광학 현상도 있다. 예를 들어, 중심에서 멀어질수록 cos4θ만큼 상이 어두워지는 자연 비네팅(natural vignetting) 현상이나, 광각렌즈 사진에서 볼 수 있는 가장자리 확대현상, 혹은 건물이 사다리꼴로 나타나는 현상 등은 3차원 피사체를 2차원으로 투영하는 과정에서 나타나는 기하학적 효과일 뿐, 물리적 오류가 아니다.

글로브 렌즈의 대칭식은 달메이어(Dallmeyer) Rapid-Rectilinear 렌즈와 슈타인하일(Steinheil) Aplanat 렌즈에 직접적인 영향을 주었다. 우연히도 존 달메이어(John Dallmeyer)의 Rapid-Rectilinear 와 아돌프 슈타인하일(Adolph Steinheil)의 Aplanat는 거의 동일한 4매 대칭식으로, 1866년에 거의 동시에 도착했다. 이들 렌즈는 구면수차(spherical) 및 상면만곡(field curvature) 을 제외한 대부분의 광학수차를 제거한 f/8 렌즈였다. 굴절률(refractive index) 차이를 최대로 하되, 각 아크로매트에서 분광(dispersion)을 동일하게 유지한 것이 돌파구였다. Rapid-Rectilinear 과 Aplanat 은 그 당시 모든 필름 포맷에 대해 초점거리와 화각에 확장가능했으므로 이후 약 50년간 표준적인 중구경 범용렌즈로 사용되었다.

달메이어(Dallmeyer) Rapid-Rectilinear 렌즈와 슈타인하일(Steinheil) Aplanat 렌즈

아크로매트 풍경 렌즈(Landscape), 벳시바르 인물렌즈(Portrait), 해리슨 슈나이처 글로브 렌즈(Harrison & Schnitzer Globe) 및 Rapid-Rectilinear/Aplanat 등 4개의 렌즈는 19세기 사진사들이 반드시 갖추어야했던 렌즈였다.

조리개(Aperture stops)


조리개가 영상 품질을 높일 수 있다는 사실은 1500년대에 알려졌다. 조리개구경이 너무 작아 회절이 심하게 발생하지 않는 이상, 조리개를 쓰면 여러가지 횡방향 수차(코마(coma), 비점수차(astigmatism), 직선왜곡(rectilinear distortion) 및 횡방향 색수차(lateral chromatic)를 일으키는 주변부 빛을 차단하기 때문이다. 현재에도 대부분의 렌즈는, 횡방향 수차와 회절이 타협하는 중간정도의 구경에서 최상의 품질을 생성한다.

따라서 심지어 메니스커스(Meniscus)렌즈조차 영구적인 조리개가 있었다. 하지만 초기의 렌즈에 있는 조리개는 조정기능이 없었다. 작동되는 구경자체가 작은데다, 다게레오타입은 민감도가 낮아서 몇 분씩 노출해야했기 때문이다. 사진사들은 입사광을 줄임으로써 노출시간이 늘어나는 것을 용납할 수 없었다. 1951년 콜로디온 습판식(wet colloidion process)이 개발되면서 노출시간이 획기적으로 짧아졌고, 이에 따라 조리개조절 기능이 필요하게 되었다.

가장 오래된 조리개는 1858년의 존 워터하우스(John Waterhouse)의 이름을 딴 워터하우스 스톱(Waterhouse stop)이었다. 동판에 정해진 크기의 구멍이 뚫어진 형태로, 렌즈 옆에 있는 홈에 삽입하는 방식이었다. 

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

1880년 경, 사진사들은 구경 크기가 심도에 영향을 미친다는 것을 깨달았다. 이에 따라 조리개 조절기능이 훨씬 중요해졌고, 조절가능한 조리개가 표준 렌즈 기능이 되었다. 1880년대 아이리스 조리개(iris diaphragm)가 최초로 등장했고, 1900년대에는 표준 조리개가 되었다. 아이리스 조리개는 그 이전 19세기 초부터 예술가용 카메라 옵스큐라(camera obscura)에 널리 사용되었고, 니엡스(Niépce)도 실험용 카메라에서 한번 이상 사용하였다. 그러나 현대식 렌즈에 사용되고 있는 조리개는 1858년 찰스 해리슨(Charles Harrison)과 조셉 슈나이처(Joseph Schnitzer)에 의해 개발되었다. 해리슨과 슈나이처의 조리개는 열고 닫는 속도가 빨랐고, 이는 자동 조리개 카메라용 렌즈에 필수가 되었다.

현대 렌즈 조리개의 f값은  f/1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, 45, 64, 90 등으로 표시되는데,1949년에 표준화되었다. 그 이전에는 이러한 영국식 시스템과 독일식 ( f/1.1, 1.6, 2.2, 3.2, 4.5, 6.3, 9, 12.5, 18, 25, 36, 50, 71, 100 등)이 경쟁했었다. 또한 통일 시스템(Uniform System, 미국, 영국에서 발명됨)은 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 등(여기에서 미국1 = f/4, 미국2 = f/5.6, 미국4 = f/8 등)으로 표기했는데 20세기초 이스트만 코닥에서 선호하였다. 

망원렌즈(The telephoto lens)


1매의 요소로 구성된 렌즈는 렌즈의 길이와 초점거리가 같다. 예를 들어 초점거리 500mm 렌즈는 렌즈부터 촬상면까지의 거리가 500mm이다. 망원렌즈는 전면에 확대 렌즈(군), 후면에 축소렌즈(군)를 조합하여 명목상의 초점거리보다 짧게 만든 렌즈이다. 즉, 전면부에서는 상을 과대굴절시키고, 후면에서 초점면을 회복함으로써 백포커스 길이(back-focus length, 렌즈 후면 정점으로부터 초점면까지의 거리)를 매우 단축시킨 것이다. 원래는 일반렌즈의 뒤에 부착할 수 있는 오목렌즈가 악세서리로 판매되었다. 1833년 피터 발로우(Peter Barlow)가 개발한 오목 색지움 확대렌즈(negative achromat magnifier)인 발로우 렌즈(Barlow lens)는 현재도 아마추어 망원경의 접안렌즈 배율을 높이는 목적으로 사용되고 있다. 현대의 망원컨버터(teleconverter)가 발로우 렌즈이다.

1891년 토마스 달메이어(Thomas Dallmeyer)와 아돌프 미테(Adolph Miethe)는 전면에 아크로매트 이중(achromat doublet, 색지움)렌즈, 후면에 아크로매트 삼중(achromat triplet)렌즈로 구성된 망원렌즈를 거의 동시에 동일한 수식과 함께 특허를 내려고 시도하였다. 누가 먼저인지 알아내지 못했고, 결국 둘다 최초의 망원렌즈 특허를 받지 못했다.

달메이어(Dallmeyer)와 미테(Miethe)의 망원렌즈

초기의 망원렌즈는 전면부와 후면부가 균형잡히지 않았고, 후면부가 영상뿐만 아니라 수차까지 확대하였다. 또한 전.후면부 간격을 조정함으로써 유효초점거리를 조정할 수 있도록 하였으나, 이는 수차문제를 악화 시켰을 뿐이었다. 광학적으로 보정되고 시스템으로 확립된 최초의 망원렌즈는 1905년  f/8 Busch Bis-Telar(독일) 이었다.

Busch Bis-Telar

현대식 비점수차보정렌즈(The "modern" anastigmat lens)


사진렌즈는 1890년, 자이스(Zeiss, 독일)가 프로타르(Protar)를 개발하면서 한단계 도약하게 된다. 폴 루돌프(Paul Rudolph)의 프로타르 렌즈는 최초의 성공적인 비점수차보정렌즈로, 당시 기준으로 비점수차를 포함하여 다른 모든 수차를 높은 수준으로 보정하였다. 이 렌즈는 f/4.5 인물용부터 f/18 초광각까지 모두 적용할 수 있었다. 프로타르(Protar) 렌즈는 처음엔 Anastigmat(비점수차제거렌즈)라고 불렸으나, 이런 특성의 렌즈가 많아져 일반적인 용어가 되자, 1900년에 프로타르라는 기발한 이름으로 변경되었다.

자이스 프로타르(Protar)

프로타르 렌즈는 최초의 "현대식" 렌즈라고 할 수 있다. 산화바륨(barium oxide) 기반의 크라운 유리(optical crown glass, 저굴절, 저분산 특성의 유리)를 사용하면서 비대칭 공식(asymmetric formula)을 적용했기 때문이다. 이 유리는 1884년, 칼 자이스(Carl Zeiss)의  Jena Glass Works에서 일하던 물리학자 에른스트 아베(Ernst Abbe)와 화학자 오토 쇼트(Otto Schott)가 개발하였다. 이 쇼트 유리는 소다석회 크라운 유리(soda-lime crown glass) 보다 분산은 낮고 굴절률은 높았다. 프로타르의 전면부는 예전 유리를 사용했으나, 후면부 아크로매트(색지움)렌즈는 고굴절 유리를 사용했다. 약 1930년대 이후에 생산된 거의 모든 고품질 사진렌즈는 비점수차가 보정되는 렌즈이다.

현재의 최첨단 카메라 렌즈는 비점수차보정렌즈(anastigmatic)보다 대충 두배 정도 더 엄밀한 삼중색지움렌즈(apochromatic, APO) 이다. 하지만 그러한 렌즈들은 원래의 일곱가지 수차보다 훨씬 더높은 수준의 수차를 보정해야 한다. 이를 위해서는 20세기 중반에 발명된 고굴절/저분산 희토류(산화 란탄(lanthanum oxide)) 렌즈, 형석(불화 칼슘(calcium fluoride)) 렌즈 등이 필요하다. 최초의 소비자 카메라용 삼중색지움렌즈는 1964년 개발된 35mm SLR인 라이카플렉스(Leicaflex) 시리즈용 "Leitz APO-Telyt-R 180mm f/3.4(1975)" 이었다. 1980년대 이후 개발된 거의 모든 전문가용 망원렌즈는 삼중색지움렌즈이다. 참고로, 과학용/군용/산업용으로는 삼중색지움렌즈보다 더 뛰어난 렌즈도 있다.

쿠크 삼중렌즈(The Cooke Triplet)


20세기 카메라 렌즈의 전형은 Taylor, Taylor & Hobson의 쿠크 삼중렌즈(Cooke Triplet)이다. 데니스 테일러(Dennis Taylor, TTH와는 관련없음)가 개발한 쿠크 삼중렌즈는 믿을 수 없으리만치 간단한 비대칭 3매 비점수차보정렌즈(anastigmat)로, 새로운 쇼트(Schott) 유리의 이점을 최대한 이용하고자 렌즈 설계를 재점검하는 과정에서 탄생했다. 모든 요소가 너무 강하여 정렬불량에 매우 민감함으로써 당시로서는 상당한 제조 기준을 통과해야 했다. 쿠크 삼중렌즈는 20세기의 "경제적인 렌즈"의 표준이 되었다. 예를 들어, 최고로 많이 팔린 거리계연동 카메라로 추정되는 1937년 미국의 아거스(Argus) C3에 장착된 Argus Cintar 50mm f/3.5 렌즈가 쿠크 삼중렌즈였다. 

Taylor, Taylor & Hobson의 쿠크 삼중렌즈(Cooke Triplet)

이 렌즈는 중형 롤필름 카메라의 밀착 사진이나, 35mm "미니어처" 포맷 카메라의 부분 확대에 적당하며, 대형 인화는 곤란하다. 그러나, 20세기 전반의 필름은 해상도가 높지 않아 별로 문제 될 것이 없었다.

테사르 렌즈(The Tessar)


폴 루돌프(Paul Rudolph)는 자신이 개발한 프로타르(Protar) 렌즈의 성능이 불만족스러워 테사르 렌즈를 개발했다. (형태는 쿠크 삼중렌즈와 비슷) 테사르는 원래 f/6.3 이었지만, 1930년에 f/2.8(최고 성능은 f/3.5까지)로 개선되었다.

테사르는 고품질/중구경/평균원근감을 갖는 20세기 표준렌즈였다. 최초의 자동노출 카메라인 코닥(Kodak) Super Six-20 (1938)에 장착된 "Kodak Anastigmat Special 100mm f/3.5"가 테사르 렌즈였다. 또한 올림푸스의 오리지날 half frame 카메라인 Olympus Pen (1959)에 장착된 "D. Zuiko 2.8 cm f/3.5", 최신 롤라이(Rollei) 35(1974)에 장착된 "슈나이더(Schneider) S-Xenar 40mm f/3.5", 주류 카메라회사의 마지막 수동초점 35mm SLR인 Nikon FM3A (2001)에 장착된 "AF Nikkor D 45mm f/2.8P Special Edition" 등도 Tessar 렌즈였다. Zeiss Stiftung의 마지막 카메라인 Zeiss Ikon S 312에 "Zeiss Tessar 40mm f/2.8 (1972)"이 채택된 것은 썩 어울리는 일이었다.

자이스 테사르(Zeiss Tessar)

라이츠(Leitz) 최초의 카메라인 Leica A (1925)에 장착된 "라이츠 엘마(Leitz Elmar) 50mm f/3.5"가 테사르(Tessar)라는 건 잘못 알려진 사실이다. 그 당시 라이카에선 18x24mm 무비카메라용 50mm f/3.5 Kino Tessar 를 개발했었고, 이것이 새로운  24x36mm 포맷에는 불충분했기 때문에 풀프레임을 지원하는 렌즈를 새로 개발해야했다. 50mm 테사르 렌즈가 24x36mm 포맷을 지원하게 된 것은 라이카의 성공에 자극을 받아 자이스 이콘(Zeiss Ikon)에서 콘택스(Contax)를 설계한 이후의 일이다. 엘마(Elmar)는 테사르(Tessar)와는 다른 계산식인 쿠크 삼중렌즈(Cooke Triplet)에 기반한 렌즈였다.

에르노스타와 조나(The Ernostar and the Sonnar)


비점수차제거에 의하여 사진 품질이 향상되자, 그 다음으로 어두운 곳에서 촬영하거나 셔터 속도를 올릴 수 있도록 구경을 키우는데로 관심이 쏠리게되었다. 자연광 스냅사진(candid available light photography)에 적합한 최초의 광각렌즈는 1923년 에르네만 에르노스타(Ernemann Ernostar, 독일)이었다. 루드비히 베르텔레(Ludwig Bertele)의 공식은 원래 10cm f/2 렌즈였으나, 1924년에는 10.5 cm/85mm f/1.8 까지 향상 시켰다. 에르노스타 렌즈도 쿠크 삼중렌즈의 변종으로, 렌즈 앞에 볼록렌즈요소 혹은 그룹이 추가된 형태였다.

Ernemann Ernostar 10.5 cm f/1.8

이 렌즈가 에르네만의 에르마녹스(Ermanox,1923) 카메라에 장착되어, 에리히 잘로몬(Erich Salomon)의 손에 들어가면서 현대적인 포토저널리즘(photojournalism)을 열었다. 프랑스 수상이었던 Aristide Briand 는 "국제회의에는 단 세 가지만 있으면 된다. 외국어 비서, 책상 그리고 잘로몬이다."라는 유명한 이야기를 남겼다. 참고로 미국 사진기자들은 1950년대까지도 플래시를 사용했다. 

베르텔레는 1926년 에네르만이 자이스에 합병된 뒤, 좀더 유명한 조나(Sonnar)렌즈라는 이름으로 에론스타를 계속 발전시켰다. 그는 1932년 f/1.5까지 도달하여, 35mm 거리계연동 카메라인 Contax I (1932)용 Zeiss Sonnar 50mm f/1.5 를 개발하였다.

Zeiss Sonnar 50mm f/1.5

조나(Sonnar)렌즈는 망원렌즈 설계로 유명했고 지금까지도 그렇다. 조나는 전면 확대부(front positive element)의 강력함으로 인해 약간 망원성이다. 예를 들어 Contax II(1936) 용 Zeiss Olympia Sonnar 180mm f/2.8은 전설에 가까운 명작이다.

비대칭 더블가우스 렌즈(The asymmetric double Gauss)


1817년, 칼 프레드릭 가우스(Carl Friedrich Gauss)는 프라운호퍼(Fraunhofer) 망원경 대물렌즈에 메니스커스(meniscus, 요철) 렌즈를 추가하여 개선하였다. 1988년 Alvan Clark는 이 렌즈를 앞뒤로 대는 형태로 좀더 개선하였다. 그는 가우스를 기려 이 렌즈를 더블가우스 렌즈(double Gauss)라고 명명하였다.  현재의 설계는 1895년으로 거슬러 올라간다. 칼 자이스 예나의 폴 루돌프(Paul Rudolph)는 접합 이중렌즈(cemented doublets)를 중심렌즈로 사용하여 색수차를 보정하였다. [플라나(Planar) 렌즈]

이후 넓은 구경의 고성능 렌즈를 위해 렌즈를 추가하는 방식으로 개발이 이루어졌다. 1920년대 Taylor Hobson에서 성과를 거두었는데, f/2.0 Opic 과 이후의 Speed Panchro는 많은 회사들에 라이선스 되었다. 이 디자인은 현재 사용되는 많은 렌즈의 기반이 된 바, 특히 35mm 및 기타 소형 카메라에 사용되는 대구경 표준렌즈의 기반이 되었다. 넓은 화각에 대해 f/1.4까지 좋은 결과물을 제공할 뿐 아니라, 때로는 f/1.0 까지 만들어졌다.

이 디자인은 현재 Canon EF 50mm f/1.8 와 Nikon 50 mm f/1.8D AF Nikkor 와 같이 저비용 고품질의 빠른 렌즈에 사용되고 있다. 아울러 렌즈 요소를 추가하여 더 빠른 렌즈의 기반으로 사용되기도 하는데, 예를 들어 캐논과 니콘에서 일곱번째 요소를 추가해 50 mm f/1.4 를, 비구면 일곱번째 요소를 추가해 Canon's 50 mm f/1.2 를 제작했다. 또한 이 설계는 프로젝터와 같이 간단하고도 빠른 표준렌즈(~53° 대각선)가 필요한 다른 응용에도 나타난다.

반사방지 코팅(Antireflection coating)


표면 반사는 19세기 렌즈 설계시 주요한 한계 요소였다. 모든 유리-공기 접촉면 마다 4-8%의 반사가 발생하여 빛 투과가 줄어들고, 반사된 빛의 산란으로 플래어가 발생함으로써, 6번 혹은 8번이상 손실이 발생하면 렌즈의 실용성이 떨어졌다. 따라서 일정한 수 이내의 요소로만 수차를 해결해야만 했었다.

일부 렌즈는 빛 손실을 표시하기 위해 f-stop 대신 T-stop (transmission stop)을 표시하기도 했다. T-stop은 "진짜" 혹은 실질적인 구경을 나타내며 영화용 렌즈에서는 흔했다. 영화 촬영기사들은 영화촬영시 어떠한 렌즈를 사용해도, T-stop을 참고로 일관성있는 노출을 유지할 수 있었다. 이것은 사진용 카메라에서는 별로 중요하지 않았고,  Bell & Howell의 Foton 라는 35mm 거리계연동 카메라용 렌즈에만 T-stop이 표시되었다. Bell & Howell은 영화촬영장비 제조회사였다. Foton 의 표준렌즈는 Taylor, Taylor & Hobson 사의 Cooke Amotal Anastigmat 2 inch f/2 (T/2.2) (1948; 카메라는 미국제, 렌즈는 영국제, 더블가우스) 였다. f/2 와 T/2.2 사이의 1/4 스톱 차이는 16% 손실이었다.

데니스 테일러는 1896년, 세월이 흘러 변색된 렌즈가 직관과는 달리 더 밝아지는 경우가 있음을 알게 되었다. 조사결과 그것은 산화된 층이 상쇄간섭(destructive interference)을 일으켜 표면반사가 억제된 것이었다. 표면반사를 억제하기 위하여 아주 얇은 두께(약 130-140 nm)의 불화마그네슘 또는 불화 칼슘을 진공 침전(vacuum deposition) 방법으로 코팅한 렌즈를 발명한 것은 1935년 자이스의 알렉산더 스마쿨라(Alexander Smakula)였으며, 1939년 최초로 시판되었다. 반사코팅방지 코팅은 반사를 1/3로 줄여주었다.

1941년 코닥의 35mm 거리계연동 카메라 Ektra 는 최초의 소비자 카메라용 완벽한 반사방지 렌즈 라인인 Kodak Ektar 35mm f/3.3, 50mm f/3.5, 50mm f/1.9, 90mm f/3.5, 135mm f/3.8 and 153mm f/4.5 를 발표하였다. 2차세계대전으로 인해 모든 소비자용 카메라 생산이 중단되어, 1940년대 말까지는 대량의 코팅렌즈는 등장할 수 없었다. 그러나 1950년대 초부터는 코팅렌즈가 고품질 카메라의 표준이 되었다.

반사방지 코팅이 등장하자 조나(Sonnar)렌즈에 비해 더블가우스(Double Gauss)가 더 인기를 얻게 되었다. 반사방지 코팅기술이 없었던 이차세계대전 이전에는 조나가 더 널리 사용되었다. 조나의 경우 3군. 즉 6개의 공기-유리면이 있어, 8개의 면이 있는 더블가우스에 비해 플래어의 영향을 덜 받았기 때문이다. 아울러 조나의 망원렌즈 효과로 렌즈의 길이가 잛아, 소형화를 추구하던 라이카와 콘택스 35mm 거리계연동카메라에 더 적합한 측면도 있다.

최대구경이 점점 커짐에따라, 더블가우스(Double Gauss)의 고대칭성이 수차보정에 유리했다. 특히 SLR의 경우, 거리계연동(rangefinder)와는 달리 시차오차가 없어, 보다 가까운 곳까지(1미터 수준에서 50cm 수준으로) 초점을 잡을 수 있게 됨으로써 특히 중요하게 되었다. 더블가우스는 반사방지 코팅과 새로이 등장한 고굴절 희토류 유리 덕분으로 1950년대 표준렌즈 설계에 널리 사용되었다.

다음 단계는 당연히 한개의 파장만 반사를 억제 하는 것이 아니라, 10여개 이상의 화학물질 층을 이용해 가시광선 영역 전체에 대한 반사를 억제하는 것이었다. 아사히 광학(Asahi Optical)의 SMC Takumar lenses (1971)는 소비자용 카메라(M42 마운트 펜탁스 SLR)를 위한 최초의 멀티코팅렌즈 였다. 멀티코팅이 없었다면 현대의 15매, 20매짜리 고보정 줌렌즈는 아예 불가능했을 것이다. 오늘날 출시되고 있는 멀티코팅 렌즈의 투과 효율은 약 99.7% 이상이다.

반사방지 코팅 여부에 관계없이 플래어를 막기위해서는 렌즈 후드가 계속 필요하다. 

역초점 광각렌즈(The retrofocus wide angle lens)


일반적인 광각렌즈(초점거리가 촬상면 대각선 길이보다 짧고 화각이 넓은 렌즈)는 필름 가까이 설치되어야 한다. 그러나 SLR은 거울이 움직일 수 있는 공간이 필요하여 렌즈가 훨씬 앞쪽에 설치되어야 한다. 예를 들어 35mm 거리연동계 카메라의 경우 렌즈와 촬상면의 간격이 10mm 면 충분하지만, 35mm SLR은 40mm가 필요하다. 이로 인해 복잡한 역초점 설계방식의 렌즈 개발이 촉진되었다. 이를 위해서는 렌즈 맨 앞에 아주 큰 오목렌즈를 설치해야한다.

1950년 앙제닉스(Angénieux, 프랑스)의 Retrofocus Type R1 35mm f/2.5가 최초의 35mm SLR(Exaktas)용 역초점(retrofocus) 광각렌즈이다. 전면 오목렌즈를 제외한다면, 피에르 앙제닉스(Pierre Angénieux) 사의 R1 렌즈는 5매짜리 테사르(Tessar) 렌즈이다. 참고로, "역초점(retrofocus)"은 독점권이 해제되기 전까지 앙제닉스 사의 상표였다. 원래의 일반적 용어는 "역(inverted)" 또는 "역망원(reversed telephoto)"이었다. 망원렌즈는 전면에 볼록렌즈, 후면에 오목렌즈가 있는 반면, 역초점렌즈는 전면에 오목렌즈, 후면에 볼록렌즈가 있기 때문이다. 최초의 역초점(retrofocus) 렌즈는 Taylor, Taylor & Hobson 35mm f/2 (1931) 이었다. 이 렌즈는 RGB를 각각 별도의 음화로 촬영했던 Technicolor 무비카메라를 위하여, beamsplitter 프리즘을 넣을 수 있도록 back-focus 공간을 확보하는 목적이었다. 기타 앙제닉스 역초점 렌즈로는 "28mm f/3.5 Type R11(1953)" 과 "24mm f/3.5 Type R51(1957)" 등이 있었다.

앙제닉스(Angénieux)의 Retrofocus Type R1 35mm f/2.5

역초점(Retrofocus)렌즈는 전면의 대형 오목렌즈로 인해 비대칭성이 크고, 이에 따라 전통적인 방법으로는 왜곡을 보정하기 힘들다. 장점이라면 일반 광각렌즈의 사선방향으로 cos4θ 만큼 빛이 감쇄되는 비네팅현상도 사라진다는 것이다.

역초점 설계는 일반 렌즈 설계에도 영향을 미쳤다. 예를 들어, 루드비히 베르텔레(Ludwig Bertele)가 설계한 Contax IIA (1950) 35mm RF 용 Zeiss Biogon 21mm f/4.5(1954) 렌즈와, 그 개정버전인 Zeiss Hologon 15mm f/8(1969), 최종버전인 Zeiss Ikon Hologon Ultrawide 는 대략 대칭에 가까웠으나, 반쪽씩 뜯어보면 역초점렌즈라고 할 수 있었다. Biogon과 Hologon 렌즈는 대형 오목렌즈를 사용하여 자연 비네팅 현상을 억제하였던 것이다. 110도의 화각을 가진 Hologon은 구석에서 3¼ 만큼 빛이 감쇄되었을텐데, 이는 그 당시 필름의 노출 제한폭을 초과한 것이다. Hologon에는 이를 보정하기 위해 방사선방향으로 2 스톱만큼 어두워지는 필터를 표준 악세서리로 제공했다. Hologon의 렌즈 뒷면과 필름간의 거리는 4.5mm에 불과했다.

Zeiss Biogon 21mm f/4.5

요즘 나오는 디지털 SLR용 표준 원근감렌즈(normal perspective lense)는 역초점인 경우가 많다. 이미지 센서가 35mm보다 작기 때문에 동일한 화각을 유지하려면 초점 거리가 짧아야 하기 때문이다.

어안렌즈(The "fisheye" lens)


어안렌즈(fisheye lens)는 직선왜곡(rectilinear distortion)을 거의 보정하지 않는 특별한 종류의 초광각 역초점 렌즈이다. 대부분의 어안렌즈는 화각이 180°인 원형영상을 촬영한다. 어안(fisheye)이란 물고기가 하늘을 보면 이렇게 보인다는 가정에서 만들어진 단어이다.

최초의 어안렌즈는 1923년의 Beck Hill Sky이다. 로빈힐(Robin Hill)의 원래 의도는 구름분포의 과학적 연구를 위하여 하늘을 반구 형태로 촬영하기 위한 목적이었다. 불룩 튀어나온 오목 메니스커스 렌즈를 사용하여 180° 화각을 60° 로 압축한 후, 그 빛이 조리개를 통과하여 적당한 광각렌즈로 들어가도록 하였다. 이 스카이(Sky) 렌즈는 21mm f/8  으로, 지름 63mm의 상을 생성했다. 영국 기상청(British Meteorological Office)에서는 이러한 렌즈를 500미터 간격으로 2개 설치하여 입체영상을 촬영했다.

Beck Hill Sky

참고로 빛 감쇄(light falloff)로 인하여 180도 직교사진은 촬영할 수 없다. 120° (35mm 카메라에서는 초점거리 12mm)가 역초점 설계의 실질적 한계이며, 역초점이 아닌 경우에는 90° (초점거리 21mm)가 한계이다.

접사(마크로) 렌즈(The macro lens)


엄격하게 말하자면, 접사사진(macrophotography)은 영상의 크기가 실물과 동등한 사진(1:1)으로부터 영상이 실물보다 10-20 배 큰 사진 (20:1, 그 이상은 현미경사진)을 촬영하는 기술적 사진을 말한다. 원래 "마크로" 렌즈는 가까운 거리에서 촬영하도록 최적화된 일반적 공식의 렌즈로서, 근접 하여 초점을 잡고 멀리 있는 물체는 초점이 잡히지 않도록 긴 확장 튜브나 주름상자 악세서리에 장착하여 촬영하였다. 

그러나 1955년 35mm SLR인 Exakta 용으로 개발된 Kilfitt Makro-Kilar 4 cm f/3.5(서독) 렌즈가 마크로 렌즈의 의미를 바꾸어버렸다. 이 렌즈는 연속 근접 초점이 가능한 최초의 렌즈이다. 하인즈 킬피트(Heinz Kilfitt)에서 개발한 Makro-Kilar 렌즈 버전 D는 무한대로부터 5cm 에서 1:1 까지 초점을 잡을 수 있었고 버전 E는 10cm 에서 1:2(실물 크기의 반)까지 초점을 잡을 수 있었다. Makro-Kilar 렌즈는 매우 긴 삼열 나선(extra long draw triple helical)에 장착된 테사르 렌즈이다. SLR 카메라는 아주 가까운 거리에서도 뷰파인더 시차오차가 없기 때문에 마크로 렌즈와 아주 잘 어울린다. 

Kilfitt Makro-Kilar 4 cm f/3.5

접사렌즈 설계가 그렇게 어려운 것은 아니다. 영상의 크기가 피사체와 비슷하면 대칭성이 증대되기 때문이다. 1904년 Goerz Apo-Artar 사진제판(photoengraving) 처리 렌즈는 아주 엄밀한 품질관리가 필요했으나, 삼중색지움렌즈(apochromatic)였다. 이 렌즈는 무한대에서 접사까지 날카로운 영상을 얻을 수 있었는데, (Makro-Kilar 이전엔 힘들었음) 일반적으로 1:10에 가까워지면 연속적으로 초점을 맞추기 힘들었다. 대부분의 SLR은 높은 배율에 최적화된 중구경 마크로 렌즈를 포함시키고 있다. 그러나, 이들은 작동가능 거리가 좀 더 긴 대신, Makro-Kilar 보다 초점거리가 긴 경향이 있다.

"마크로 줌" 렌즈는 1970년대 나타나기 시작했다. 그러나, 전통주의자들은 이 렌즈들이 기술적 정의와 거리가 멀다는 이유로 접사렌즈로 인정하지 않는다. 대부분 1:4 이상 확대되지 않는데다, 상대적으로 품질이 떨어지기 때문이다.

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이 문서는 http://en.wikipedia.org/wiki/Camera_lens 중 두번째 부분을 번역한 것입니다. 앞부분은 여기를 보세요. 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 

Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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  1. Yoon

    아주 흥미롭게 읽었습니다..!

    2020.08.05 14:23 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]

사진/카메라2011. 10. 21. 15:54
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(pinhole)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)

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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 


Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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  1. VRMania

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

    2011.10.21 23:29 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  2. 무늬만원빈

    좋은 정보 감사드려요.....^^

    2011.10.24 05:23 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  3. alphaMAX

    이해쏙쏙 되고 좋슴돠 감사해요~^_^

    2012.05.04 21:40 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  4. 메롱이

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

    2012.08.29 15:42 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  5. 지나가던

    오타가 있네요. pin hall -> pinhole 입니다. 좋은 내용 잘 보고 갑니다.

    2017.10.09 11:08 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]