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사진

ABOUT LENS (카메라 렌즈 이야기)

**미리 알립니다.

 이 리뷰에 사용된 정보나 몇 가지 이미지는 다음으로부터 사용하였습니다.
   - http://www.canon.com/camera-museum/tech/index.html
   - http://www.nikon.co.jp/main/eng/portfolio/technology_e/index.htm
   - http://www.konicaminolta.jp/products/consumer/camera/a-lens/index.html
   - http://www.pentaximaging.com/products/cameras/lenses/digital_35mm/index.jsp
   - http://www.olympus-esystem.com/dea/products/lens/index.html
   - http://www.sigma-photo.co.jp/english/lens/index.htm
   - http://www.tamron.com/lenses/default.asp
   - http://www.lgcamera.co.kr/mania/information/infoList.jsp
   - Canon EF Lenses Brochure (1996년판 PDF파일, 영어버전)
   - Canon EF Lenses Brochure (2004년판 PDF파일, 영어버전)
   - KonicaMinolta a-lens Brochure (2004년판 PDF파일, 일어버전)
   - Sigma Lenses Brochure (2004년판 PDF파일, 영어버전)

이 글은 절대적인 자료가 아닙니다.

렌즈의 일반적인 정보에 대해서 다양한 방법으로 자료를 모은 글입니다. 되도록 객관적이고 정확한 정보를 위해 노력했습니다만 어디까지나 참고자료일뿐 절대적인 자료가 아닙니다. 렌즈의 제조사에서 임의로 변경 가능한 자료이며, 제조사에서 밝힌 부분에 대해서만 자료를 수집했습니다.

그리고 많은 자료가 특정 렌즈 제조사인 캐논(Canon)의 자료를 참조하였습니다. 개인적으로 캐논 유저이며, 또한 캐논에서 가장 많은 자료를 공개하여 쉽게 찾을 수 있도록 제공하고 있기 때문입니다. 최대한 특정 제조사의 렌즈보다는 다양한 렌즈 제조사에 대해서 글을 적으려고 노력했습니다만 부득이하게 자료의 편중이 있음을 이해해 주셨으면 좋겠습니다.
135 필름과 그에 해당하는 이미지 센서를 기준으로 하는 렌즈에 대해서 적었습니다.

일반적으로 널리 사용되는 소형카메라의 135 필름 기준(촬상면 36 x 24mm)으로 이에 적합한 렌즈에 대해서 적었습니다. 디지털 규격으로 볼 수 있는 캐논의 EF-s, 니콘의 DX, 시그마의 DC, 탐론의 Di-II 등의 APC-C 규격에 따르는 렌즈도 크게 다른 부분없이 같은 맥락으로 보셔도 무방합니다. (올림푸스의 Zuiko Digital 렌즈도 비슷합니다.)

 

모니터의 밝기 및 명암, 그리고 감마 조절을 해주십시오.

위의 차트는 RGB 255,255,255 부터 RGB 005,005,005 까지의 그레이 스케일을 가지고 있습니다. 표 안에는 숫자 01부터 13까지 표기하고 있으며 눈으로 각각의 숫자가 식별 가능하셔야 이 글에 사용된 이미지의 정확한 계조 표현이 전달 가능합니다.


※ 모니터의 밝기 및 명암 조절을 하실 때에는 다음의 순서를 참고하시는 것이 좋습니다.
① 실내의 조명을 끈 상태에서 밝기(Brightness)를 최저로 하고 명암(Contrast)을 최고로 설정합니다.
② 실내의 조명을 끈 상태에서 밝기(Brightness)를 오른편의 숫자 13이 보이기 시작할 때까지 올립니다.
③ 실내의 조명을 켠 상태에서 명암(Contrast)을 왼편의 숫자 01이 자연스럽게 보일 때까지 내립니다.
- 눈의 피로를 줄이려면 명암(Contrast)을 조금 줄여서 사용하십시오.
- LCD의 경우 시야각에 따라서 차이가 있으므로 각도에 주의하십시오.

 

 

 

1. Prologue

 The Lens...
하루에도 수 많은 글들이 렌즈에 대해서 쓰여집니다. 지금도 제가 글을 쓰고 있습니다.^^ 그렇게 많은 정보의 홍수 속에서 조금이나마 카메라의 렌즈에 대해서 그리고 그 배경에 놓여져 있는 각 제조사의 기술들에 대해서 쉽게 찾아보고 정보를 습득하실 수 있도록 자료들을 정리해보고자 글을 시작합니다.

카메라의 렌즈를 간단하게 이야기하면 "이미지의 상을 맺어 촬영이 가능하게 해주는 것"을 말하지요. 백과사전의 말을 따르자면 다음과 같습니다. "유리와 같이 투명한 물질의 면을 구면(球面)으로 곱게 갈아 물체로부터 오는 빛을 모으거나 발산시켜 광학적 상(像)을 맺게 하는 물체 (네이버 백과사전)" 빛을 모으거나 발산시키켜서 카메라의 이미지 센서 혹은 필름에 어떠한 상을 맺어주는 것이 바로 카메라 렌즈인 것입니다.
그렇다면 이렇게 간단하게 요약된 렌즈 정의 아래 숨겨진 속사정을 알아보도록 하겠습니다.
감성과 이성의 만남.
제 글이 지나치게 이성적이라는 이야기를 몇번 들었습니다. 제가 제법 공과계열에 가까운 사람이다보니 그러한 영향이 없지 않나 생각해봅니다. 개인적으로 수치적인 내용에 민감하며, 숫자와 모델명들에 집착하는 성향도 없지 않는 듯 합니다. 저도 개인적으로 감성적인 부분이 부족하다고 느끼고 있으며 이에 대해서 어떻게든 채우려고 노력하는 중입니다.^^ (저도 언젠가 감성이 넘쳐나는 글을 적어보고 싶습니다.ㅠㅠ)

사진이라는 매체는 물질적인 것, 시각적인 것을 떠나 수 많은 내용이 복합된 것이 아닌가 생각해봅니다. 감성만으로 혹은 이성만으로 완성될 수 없는 것이라고 생각됩니다. 따라서 이성적인 면을 많이 알더라도 혹은 감성적인 것을 얻는다고 손해볼 것은 없지 않을까요? 이번 글에서도 어쩔 수 없이 이성적인 내용을 많이 다룰 예정입니다. 숫자와 어지러운 배경이론이 보이더라도 아는 만큼 조금이라도 가슴에 남을 사진 한장에 가까워 질 수 있는 통로라고 봐주시면 감사하겠습니다.

 

 

 

 

 

  2. The Lens, Basic

 

초점거리 (Focal Length)

렌즈의 특징 중에서 빼놓을 수 없는 것이 바로 초점거리입니다. 초점거리는 "렌즈나 구면 거울 등의 중심, 즉 주점(主點)과 초점과의 거리 (네이버 백과사전)"를 말합니다. 카메라에 적용하자면 렌즈의 주점에서부터 이미지센서(필름)까지의 거리를 말합니다. (정확하게 이야기하면 렌즈의 초점을 무한대로 놓았을 때, 렌즈의 제2 주점과 초점 사이의 광축 상의 거리입니다.)

카메라용 렌즈처럼 여러 장으로 구성된 렌즈 군이나 비대칭형 렌즈의 경우는 물리적인 렌즈의 중심과 제2 주점이 일치하지 않습니다. 따라서 렌즈의 중심을 육안으로 판별하기는 불가능 하므로 광학적 분석에 의해 렌즈의 중심을 산출해야 하는데 그 중심점을 '제 2주점' 이라고 합니다. 이는 렌즈의 유효구경의 연장선과 렌즈전체가 만들어낸 결상측 원뿔형 최종굴절각의 외곽 연장선이 만나는 지점이 이에 해당됩니다.

위의 그림처럼 제2 주점이 렌즈의 내부에 위치하는 경우가 대부분이지만 망원계열(특히 초망원)의 렌즈일 경우 제 2주점이 렌즈의 외부에 존재하기도 합니다.

 

초점거리와 화각

초점거리는 렌즈의 특성을 구분 짓는 큰 요소이며 그중에서 가장 큰 특징은 바로 화각을 결정하는 부분이라고 할 수 있습니다.
일정한 화면 사이즈에 대해서 렌즈의 초점거리가 바뀌면, 피사체가 촬영되는 범위가 바뀝니다. 이 범위를 각도로 나타낸 것이 화각 (Angle of View)입니다. 일반적으로 표기된 화각은 36mm×24mm의 화면의 대각선에 대한 각도입니다. 렌즈의 초점거리가 길어지면, 화각은 좁아져 화상은 커지며 반대로 초점거리가 짧아지면 화각이 넓어지고 화상은 작아집니다.

위의 그림과 같이 초점거리에 따라서 동일한 크기의 이미지 센서(필름)에 담기는 화각이 달라집니다.

[ 사진 - 초점거리에 따른 화각의 차이 (Canon) ]

 

화각과 배경, 그리고 심도

흔히 발줌이라는 이야기를 종종 합니다. 발줌이란 이야기는 초점거리가 다른 렌즈를 이용해서 피사체와의 거리를 조절하여 피사체의 크기를 원하는 크기로 상이 맺히도록 한다는 이야기입니다. 하지만 이러한 발줌으로는 극복할 수 없는 부분이 있습니다. 바로 배경 처리입니다.

[ 사진 - 초점거리에 따른 배경의 차이 (Canon) ]

위의 사진은 각각 피사체의 크기가 동일하도록 거리를 조절하여 (발줌) 촬영한 예제입니다. 피사체의 크기는 거리를 통하여 변화시킬 수 있지만 배경 처리, 즉 화각에 따른 이미지의 차이는 초점거리가 각기 다른 렌즈의 고유한 특징인 것입니다. 따라서 렌즈의 선택에 있어서 화각의 특징을 충분히 확인하실 필요가 있습니다.


피사계 심도(被寫界深度, Depth of Field)도 초점거리와 연관이 있습니다. 렌즈로 피사체에 초점을 맞추면 그 앞쪽(近點)과 뒤쪽(遠點)의 일정한 거리 내에 초점이 맞습니다. 이때에 초점이 맞는 거리의 범위를 피사계 심도라고 합니다. 보통 초점의 앞쪽 심도가 1/3 수준이며 뒤쪽 심도가 2/3 수준입니다.

이러한 피사계 심도를 결정하는 요소는 초점거리, 렌즈의 밝기, 피사체와의 거리가 있습니다. 초점거리가 길수록, 렌즈가 밝을수록, 피사체와 거리가 가까울수록 심도가 얕아집니다. (초점이 맞는 거리의 범위가 좁아집니다.) 위의 예제에서는 초점거리에 따른 심도를 비교해 보실 수 있습니다. 렌즈의 초점거리가 길어질수록 피사체의 배경 흐림이 심해지는 것을 확인할 수 있습니다. (위의 사진은 모두 조리개 f/2.8로 촬영하였습니다.) 렌즈의 밝기와 관련된 피사계 심도는 조리개 부분에서 다시 한번 이야기해보겠습니다.

 

  렌즈의 밝기
렌즈는 각각의 고유한 밝기를 가집니다. 렌즈의 밝기는 렌즈의 지름인 D(Diameter)와 초점거리 f(Focal length)와 연관이 있으며, 광량은 렌즈의 지름 D의 제곱에 비례하며, 상의 크기는 초점거리 f의 제곱에 비례합니다. 따라서 렌즈의 밝기는 상의 광량인 (D/f)²에 비례하게 됩니다. 이때의 (D/f)를 상대 구경(Relative Aperture)라고 부르며 이 수치의 역을 F(F-number) 라는 값으로 표기하여 렌즈의 밝기를 표시합니다.

예를 들어 초점거리가 50mm인 렌즈가 유효구경은 25mm라는 값을 가질 경우 상의 광량은 (25/50)²가 됩니다. 상대구경은 (25/50) 즉, 1/2이며 이 수치의 역인 2가 이 렌즈의 F-number가 됩니다.

하나의 공식으로 간단히 유도하면 F-number = f(초점거리) / D(렌즈의 구경)이라고 할 수 있습니다.
  1.4, 2, 2.8, 4, 5.6 .... ??

렌즈의 밝기를 표시하는 F-number에 대해서 위에서 이야기했습니다. 그렇다면 이러한 밝기의 차이를 쉽게 알아볼 수 있는 숫자들에 대해서 이야기해보겠습니다.

초점거리는 동일하며 렌즈의 밝기가 2배 차이나는 렌즈가 각각 있다고 한다면 다음과 같은 공식을 유추할 수 있습니다.

① (r1 × f)² = 2 × (r2 × f)² → 광량 공식인 (D/f)²을 이용하였으며 r2의 유효 구경을 가지는 렌즈가 r1보다 1/2배 어둡습니다.
② (r1 × f) = √2 × (r2 × f) → 좌우 변에 √를 적용했습니다.
③ r1 = √2 × r2 → 동일 값인 f (초점거리)를 나눴습니다.

즉, 2배의 밝기 차이가 나는 렌즈는 유효 구경이 √2배의 차이를 가집니다. √2는 약 1.414를 나타내며 간단하게 1.4라고 표기하겠습니다. 그렇다면 F-number가 1인 렌즈보다 1/2배의 밝기를 가지는 렌즈는 F-number의 √2배(1.4배)의 값을 가지는 렌즈가 되는 것입니다. 이를 간단히 표기하면 1.4가 되며 이 렌즈는 F1 렌즈보다 1/2배의 밝기를 가집니다. 만약 F1 렌즈보다 1/4배의 밝기를 가진다면 F-number는 √2×√2배의 값을 가지며 이는 정수 2가 됩니다.


위의 표와 같이 렌즈의 밝기를 보다 간단하게 비교하기 위해서 각각의 √2에 해당되는 값을 특정한 정수로 표기하여 사용하는 것이 흔히 얘기되는 렌즈의 밝기 표시인 것입니다. 이 수치는 조리개의 개방 정도를 나타내는 값에도 적용이 가능하며 현재의 렌즈의 밝기를 표시하는 일반적인 수치로 사용되고 있습니다.

  조리개 (Aperture)
조리개는 렌즈의 내부에 장착된 금속날로 이뤄진 장치로 렌즈로 들어오는 빛의 양을 조절합니다. 또한 렌즈의 피사계 심도를 결정하는 요소이기도합니다.
[ 사진 - 렌즈의 조리개 (Canon) ]



[ 사진 - EF 70-200mm f/2.8L IS USM 렌즈의 조리개 조임 모습 (Canon) ]





위의 그림과 같이 조리개는 렌즈의 내부에 장착되어 렌즈로 들어오는 빛을 제어하여 노출 제어를 담당합니다. 또한 초점거리 부분에서도 이야기했던 피사계 심도는 이 조리개를 통해 효과를 줄 수 있습니다. 조리개의 경우 최대 개방에 가까울수록 심도가 얕아지며 조리개를 조일수록 심도가 깊어집니다.

[ 사진 - 조리개와 피사계 심도 (Canon) ]

 

 

  렌즈의 정보 읽기

거의 모든 렌즈에는 위와 같은 정보가 기록되어 있습니다. 지금까지 이야기했던 내용에 대한 정보가 적혀있는 것이죠.

SIGMA ZOOM*

  렌즈의 이름
24-60mm

  24mm에서부터 60mm까지를 커버하는 초점거리
1:2.8

  F-number 2.8에 준하는 렌즈 밝기
EX DG

  렌즈의 제조사에서 붙인 별도의 내용
¢77

  전면부 장착 필터의 지름


*초점거리를 다양하게 가지는 렌즈를 Zoom(줌) 렌즈 혹은 다 초점렌즈라고 부릅니다. 반대로 하나의 초점거리를 가지는 렌즈를 단렌즈, 혹은 단초점 렌즈라고 부릅니다.

 

기본적인 렌즈의 정보를 알면 위의 사진과 같은 렌즈의 정보를 보고 렌즈의 특성 및 촬영될 이미지에 대해서 추측이 가능합니다. 위의 렌즈는 고정 조리개(f/2.8 고정)인 렌즈이지만 가변 조리개를 가진 렌즈도 많이 있습니다.

 

위의 렌즈는 캐논의 EF-s 18-55mm f/3.5-5.6 렌즈입니다.
렌즈의 전면에 CANON ZOOM LENS EF-S 18-55mm 1:3.5-5.6이라고 적혀 있습니다. 렌즈명은 캐논 줌렌즈이며, 초점거리는 18-55mm, 렌즈의 밝기는 F3.5에서 F5.6이라는 말이죠. 가변 조리개는 줌의 광각단의 값과 망원단의 값이 적혀있습니다. 즉, 18mm에서 F3.5이며 55mm에서 F5.6의 값을 가진다는 의미입니다.

*가변 조리개 렌즈가 고정 조리개 렌즈보다 저렴한 이유 : 위에서 얘기했듯이 렌즈의 밝기는 렌즈의 유효 구경과 초점거리가 관련이 있습니다. 예를 들어 초점거리가 35-70mm 렌즈가 있다고 합시다. 이때 유효 구경이 항상 12.5mm라면 렌즈의 밝기는 f/2.8-5.6이 되는 가변 조리개 렌즈가 됩니다. 하지만 유효구경이 12.5mm에서 25mm로 변화되는 렌즈라면 렌즈의 밝기는 f/2.8 고정렌즈가 되는 것이죠. 고정 조리개 렌즈를 만들기 위해서는 줌의 위치에 따라서 렌즈의 유효구경이 다르게 설계되어야 하며 따라서 제조 공정이나 절차가 복잡해진다는 것입니다. (이 예는 극단적인 경우이며 실제 가변 조리개의 렌즈라도 대부분 유효구경이 변화되도록 설계됩니다. 하지만 고정 조리개의 렌즈가 더욱 복잡하고 유효 구경의 변화폭이 큽니다.)

 

 

 

  3. The Lens, Aberration

 

수차 (Aberration)
본격적으로 이제서야 제가 적고 싶었던 내용에 대해서 시작됩니다.^^ 그러고보니 사설이 좀 길어져 버렸네요.

수차 (收差, Aberration)
렌즈 등의 광학계(光學系)에서 상을 맺을 때 한 점에서 나온 빛이 광학계를 지난 다음, 한 점에 모이지 않아 영상이 빛깔이 있어 보이거나 일그러지는 현상 (네이버 백과사전)

보다 좋은 품질의 이미지를 얻기 위해 렌즈 제작에서 해결하고자 하던 문제는 바로 렌즈의 수차 현상 제거였습니다. 빛이 광학계를 통과할 때 발생하는 현상에 대한 내용으로 크게 구면수차와 색수차로 나눠집니다. 구면수차는 자이델의 5수차로 나눠지며 색수차는 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이에서 발생되는 수차를 이야기 합니다. 자이델의 5 수차는 구면수차, 코마수차, 비점수차, 상면만곡, 상의 일그러짐으로 나눠집니다.
구면수차 (Spherical Aberration)

구면 수차는 모든 구면을 가지는 렌즈에서 발생하는 현상으로 광축과 평행한 방향으로 진행하는 광선이 광축과 떨어진 렌즈의 주변부를 통과할 때 초점의 앞, 혹은 뒤에 수렴하는 수차입니다. 이러한 구면수차는 주변부는 물론 중심부까지 영향을 미치며 전체적으로 얇은 베일을 쳐 놓은 듯이 부드럽게 만듭니다. 또한 전체적인 콘트라스트를 떨어뜨립니다.
이러한 구면 수차는 밝은 렌즈일수록 현상이 심하며, 망원 계열의 렌즈보다 광각 계열의 렌즈에서 눈에 띄게 발생합니다. 구면수차를 줄이기 위해 2매 이상의 구면 렌즈를 겹쳐 사용하는 방법이 있지만 무엇보다 비구면 렌즈의 사용이 확실한 해결방법입니다. 또한 구면수차는 조리개를 조여서 촬영하면 줄어듭니다.

코마수차 (Coma Aberration)

코마수차는 광축에 비스듬히 입사한 광선이 이미지의 한 점에 수렴되지 않는 수차입니다. 코마수차는 축 바깥의 지점에서 렌즈의 가장자리를 통과하는 광선과 렌즈의 중심을 통과하는 광선의 굴절 차이로 인해 발생합니다. 이때 생기는 빛의 퍼짐이 마치 혜성(comet)의 꼬리 같이 생겼기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다.
이러한 코마수차는 주요 광선의 입사각이 클수록 심해지며 이미지의 주변부에 주로 발생합니다. 조리개를 조여주면 어느 정도 개선이 가능하며 코마수차를 개선한 렌즈를 aplanat라고 부릅니다. (요즘의 대부분의 렌즈는 aplanat 렌즈입니다.)

 

비점수차 (Astigmatism)

비점 수차는 포인트 이미지가 생성되지 않는 현상입니다. 광축 상의 이미지는 정확하게 한 점으로 표현되지만 광축에서 벗어난 이미지는 점이 아닌 타원이나 선의 형태로 표현되는 것을 말합니다. 이 현상은 조리개를 조이면 약간은 개선되지만 크게 달라지지 않습니다.

상면만곡 (Curvature of Image Field)

상면 만곡은 렌즈를 통한 이미지의 상이 평면적으로 생성되지 않고 곡면으로 생성되는 것을 말합니다. 이러한 상면 만곡의 성향을 가진 렌즈는 프레임의 중심에 초점을 맞추면 주변부에 블러가 생기며 반대로 주변에 초점을 맞추면 중심부에 블러가 생깁니다.
비점 수차와 연관이 있으며, 시상 이미지와 자오 이미지 사이에 이미지를 생성하여 보정할 수 있습니다. 이 현상도 비점수차와 마찬가지로 조리개를 크게 개선되지 않으며 렌즈를 설계하는 단계에서부터 해결해야 합니다. 1843년에 비점수차와 상면 만곡을 해결할 수 있는 Petzval의 조건이 발견되어 요즘의 렌즈에는 이러한 문제점이 크게 해결된 상태입니다. (Petzval의 조건은 "렌즈의 각 싱글렌즈의 굴절지수 역수, 싱글렌즈의 수, 초점거리의 합은 0이 되어야한다" 입니다.) 이렇게 비점수차와 상면만곡을 해결한 렌즈를 Anastigmat이라고 부릅니다.

[ 사진 - 상면만곡으로 중심부와 주변부의 초점 상태가 다른 경우 (Canon) ]

 

왜곡수차 (Distortion of Image)

왜곡 수차는 직선의 이미지가 휘어져 나타나는 현상입니다. 피사체의 각 부분의 배율은 거리에 비례하여 증가하지만 전체적인 상의 배율은 비례하여 증가하지 못하는 이유로 발생합니다. 실제상보다 이상 상의 크기가 크면 술통형(베럴 디스토션)의 상이 발생하며, 이상상의 크기가 작으면 실패형(핀쿠션 디스토션)이 발생합니다.
이러한 문제점은 배열 렌즈의 구조를 가진 경우 빈번하게 발생합니다. 전형적인 줌 렌즈는 광각에서 배럴 디스토션이 망원에서는 핀쿠션 디스토션이 발생하는 경향이 있습니다. 이 현상은 조리개 조임과 관련 없이 항상 발생하며 비구면 렌즈를 사용하여 크게 개선할 수 있습니다.

[ 사진 - 배럴 디스토션과 핀쿠션 디스토션 ]

 

  색수차 (Chromatic Aberration)

색수차는 빛이 렌즈를 통과하면서 각 파장별로 굴절각이 다르게 분리되어 분광되는 현상을 말합니다. 파장에 따라 광학 축의 초점 포인트가 달라지는 축상 색수차와 파장에 따라 주위의 이미지 배율이 달라지는 배율이 달라지는 배율 색수차가 있습니다. 실제 사진에서 축 색수차는 컬러의 블러 현상과 플레어로 발생되며 배율 색수차는 색상 간의 경계선에서 발생합니다.
색수차를 제거하려면 서로 다른 굴절 지수와 분광 특성을 가진 광학유리를 조합하여 제작해야 하며 초 저분산 렌즈를 이용하면 효과가 있습니다. (광학유리를 조합하여 색수차를 제거하더라도 녹색 광원에 대한 제2차 스펙트럼이 남습니다.) 색수차는 초점거리가 길수록 심하게 발생하므로 망원렌즈에서 주로 발생합니다.

축상 색수차
배율 색수차
색수차 제거

 

 

 

4. The Lens, Technology

 

각 제조사에서 다양하게 선보이는 렌즈의 기술에 대해서 찾아보았습니다. 각종 수차를 제거하기 위한 다양한 기술이 담겨 있으며 그 외에도 보다 높은 화질의 이미지를 위해 그리고 보다 편리한 사용을 위한 기술들이 모여 있습니다.

 

비구면 렌즈 (Aspherical Lens)

촬영을 위한 렌즈들은 여러 매의 싱글 렌즈로 구성되며 대부분 구면의 형태를 가지고 있습니다. 따라서 구면 수차와 왜곡 수차를 보정하기 어려우며 이를 효율적으로 해결하기 위해서는 구면이 아닌 즉, 비구면의 형태를 가진 렌즈를 사용해야 합니다.
이러한 비구면 렌즈의 필요성은 일찍이 알려져 있었지만 비구면 렌즈의 정확한 측정과 제작이 어려워 생산이 어려웠으며, 최근(최초의 SLR용 비구면 렌즈는 1971년에 생산)에 이르러서야 효과적인 측정 및 제작방법이 활성화되어서 널리 사용되고 있습니다.

위의 그림과 같이 비구면 렌즈를 사용하여 구면수차를 깨끗하게 보정하였습니다. 뿐만 아니라 구면 렌즈에서 발생하기 쉬운 왜곡 수차도 같이 보정이 가능합니다.

[ 그림 - 비구면 렌즈의 적용 (Canon) ]

위의 그림과 같이 비구면 렌즈를 사용하여 대구경 렌즈의 구면수차 보정, 광각 렌즈의 왜곡 수차보정, 그리고 렌즈의 소형화를 실현할 수 있습니다. (Figure 14) 대구경 렌즈의 구면수차 제거와 함께 조리개 개방 시의 플레어 제거, 코마수차 제거에 효과적인 성능을 보여줍니다. (Figure 15) 또한 광각 렌즈에서는 화면 각 점의 결상 상태가 가장 양호한 상태가 되도록 광선의 통과 각도에 맞추어 광각의 디스토션 문제와 주변부의 화질 저하가 크게 개선되었습니다. (Figure 16) 비구면 렌즈를 사용하여 렌즈의 경량 소형화와 줌의 고배율 화가 가능해졌습니다.

저분산 렌즈 (Low Dispersion Lens)

빛은 어떠한 물질을 통과할 때 파장에 따라서 다른 굴절각을 가집니다. 이러한 이유로 렌즈를 통과한 빛은 색수차 현상을 가지게 되며 이는 보다 이상적인 이미지를 만들어내는데 문제점이 되어왔습니다. 색수차 현상을 제거하기 위해서 서로 다른 굴절 지수를 가지는 렌즈를 조합하여 사용하며 다양한 렌즈 설계가 진행되었습니다. 하지만 굴절지수 차이의 렌즈 조합에서 적색광과 청색광의 일치는 가능했지만 중간 파장의 녹색광 계열에서는 초점일치가 어려웠습니다. (이렇게 굴절지수 차이를 이용한 조합 렌즈는 Achromatic 렌즈라고 합니다.) 이렇게 남겨진 색수차를 잔존 색수차 혹은 제2차 스펙트럼이라고 부르며 이 색수차는 일반 광학 유리를 사용하는 한 제거하기 힘들었습니다.

[ 그림 - 굴절지수가 다른 렌즈의 조합으로 색수차의 제거 (Achromatic Lens) ]

보다 향상된 이미지를 만들기 위해서는 잔존 색수차를 확실히 제거할 필요가 있었으며, 이를 위해서 분산도가 낮은 렌즈를 만들 필요가 있었습니다. 카메라용 렌즈의 개발 이전에 이러한 문제를 해결하는 물체로 현미경에서 형석(fluorite)을 사용하고 있었습니다. 형석은 일반 광학유리와 다르게 저 굴절 및 저 분산의 특징을 가지고 있었습니다. 또한 파장에 따른 굴절률 차이가 독특해 적색에서 녹색까지는 일정한 굴절률을 가지지만 녹색에서 청색까지는 현저하게 큰 굴절률을 가지고 있어 초망원 렌즈의 묘사 능력을 뛰어나게 해주는 성향을 가지고 있었습니다.

[ 그림 - 형석의 굴절 특성 (Canon) ]

하지만 이런 자연산 형석은 결정의 크기가 작았고, 순도가 낮았기 때문에 카메라용 렌즈에 사용하기 어려웠습니다. 따라서 이러한 성향을 가지는 렌즈 제작을 목표로 각 렌즈 제조사에서는 저분산 렌즈를 제작하기 위해 많은 투자를 하였습니다. (캐논에서는 이러한 형석의 결정을 맺는 별도의 인공 형석 제작에 성공하였으며, 현재 생산되는 렌즈에 사용하고 있습니다.)
그 결과 생산된 렌즈가 바로 광학 저분산 렌즈입니다. 형석과 유사한 광학적 특징을 가진 유리의 소재를 개발하여 이러한 색수차 현상을 보정할 수 있게 되었습니다. (캐논에서는 인공 형석을 제작할 수 있지만 매우 고가이며 경도가 낮아 대구경으로 제작하기 어려운 점이 있어 별도의 저분산 렌즈와 함께 사용하고 있습니다.)

이렇게 생산된 저분산 렌즈는 형석에 비하면 미흡하지만 일반 광학유리 보다 굴절률과 분산도가 낮아 다중으로 사용하여 형석의 효과가 유사하게 접근할 수 있습니다. (캐논에서는 인공 형석에 가까운 굴절률과 분산도를 가진 S-UD 렌즈도 개발하여 사용하고 있습니다.)
색수차를 없앤 렌즈를 Apochromatic Lens라고 부릅니다.

초음파 모터 (Supersonic Motor)

1980년대에 AF 기술을 선보인 이후로 AF에 대한 기술 발전은 빠르게 진행되었습니다. 그러한 결과 전자력에 의한 AF 기능의 한계에 도달하게 되었으며 이에 따른 새로운 기술로 초음파 모터가 각광받게 되었습니다.
기존의 AF 기술은 전자력에 의한 회전력으로 작동하는 방식으로 전자 모터와 기어의 구성으로 속도 조절과 토크의 한계와 함께 소리(소음)가 발생하는 구조였습니다. 하지만 초음파 모터는 초음파의 진동 에너지를 회전력으로 전달시켜 AF를 구동하며 특히나 링(ring) 형태의 초음파 모터는 기어의 구조 없이 바로로 연결되어 소리가 거의 발생하지 않습니다. (30KHz 정도의 소리가 발생하여 사람의 귀에 들리지 않습니다.)

캐논에서 1987년에 USM (Ultra Sonic Motor)라는 이름으로 가장 먼저 선보였으며, 이후로 각 제조사에서 적용한 렌즈들을 선보이고 있는 상태입니다. 이 초음파 모터의 구조는 상당히 단순한 편으로 뼈대를 이루는 스테이터(stator)와 그 위에 움직이는 진동체인 로터(rotor)로 구성되어 휨 진행파의 진동에 따라 로터가 회전하는 원리입니다.

[ 그림 - 초음파 모터의 작동원리 (Canon) ]

초음파 모터는 속도의 조절이 자유로우며 높은 토크의 힘을 가집니다. 또한 구조가 단순하고 전력 소모가 적으며, 응답성이 좋습니다. 여기에 소음이 아주 적으며 FTM (Full Time Manual focus) 기능을 추가하기 간단한 구조를 가집니다.

[ 그림 - 초음파 모터 (Canon의 62mm Ring-Type) ]

*캐논에서는 이러한 초음파 모터(링 타입) 이외에 Micro USM이라는 소형 모터만을 초음파 모터로 제작하고 기존의 기어 형식을 이용한 제품도 있습니다. 이런 경우에는 기존 방식보다 소음이 줄어들고 속도 제어에 유리한 점이 있습니다만 링 타입에 비해서 소음이 발생하며 반응속도나 안정성이 낮은 편입니다. 하지만 가격이 저렴하고 크기가 줄어들어 소형 렌즈나 저가형 렌즈에 유용합니다.

내부 포커싱 (Inner Focusing)

기존의 포커싱 기법은 크게 렌즈의 전체가 움직이는 방법 렌즈의 전(前)군만 움직이는 방법으로 나눠졌습니다. 렌즈 전체가 움직이는 방법은 초점이 변화됨에 따른 수차 발생이 적다는 점이 있었지만 렌즈의 이동 부분이 많은 관계로 단 렌즈에서 주로 사용되었으며, 렌즈의 전군이 움직이는 방법은 간단하고 부담이 적은 방법으로 주로 줌 렌즈에서 사용되었습니다. 하지만 이러한 방법은 렌즈의 이동부가 많거나 길이의 변화가 생겨 사용에 불편함이 발생하며 망원렌즈로 갈수록 포커싱 부의 부담이 커져 조작이 어려워진다는 단점을 가지고 있습니다. 그 결과 개발된 방법이 내부 포커싱 기법입니다.

내부 포커싱 기법은 광학계의 중간 부분 혹은 가장 뒷부분을 이용하여 포커싱을 진행하는 방법으로 기존에 비해 가벼운 포커싱 군을 구성할 수 있어서 보다 빠른 포커싱과 정밀함이 증가되었습니다. 또한 초점과 관계없이 항상 같은 길이를 유지할 수 있어 전체적인 렌즈의 견고함이 증대되며, 최단 촬영거리까지 줄일 수 있게 되었습니다.

[ 그림 - 내부 포커싱 (Canon) ]

*캐논에서는 포커싱 부분이 조리개 전에 있으면 Inner Focusing, 조리개 뒤에 있으면 Rear Focusing이라고 부릅니다.

 흔들림 방지 장치

사진 촬영에 있어서 렌즈의 흔들림은 실패한 사진을 남기거나 이미지의 퀄리티를 떨어뜨리는 요인이었습니다. 특히나 초점거리가 길어질수록 렌즈의 흔들림에 민감하며 보다 안정된 렌즈의 위치를 요구했습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 렌즈의 제조사들은 흔들림 방지 장치를 개발하게 됩니다. 이론은 간단하게 렌즈가 지구 중력의 방향을 확인하여 흔들림에 대한 반대 방향으로 렌즈를 굴절시켜주는 것입니다. 세부적인 내용은 복잡하게 구성되어 있으며 별도의 프로세서와 회로를 가지고 작동하도록 구성되어 있습니다.

흔들림 방지 장치의 작동 (Canon의 IS)
흔들림 방지 장치의 효과 (Canon EF 70-200mm f/2.8L IS USM)

 

흔들림 방지 장치의 작동 (Nikon의 VR)

 

원형 조리개 (Circular Aperture)

사진에 있어서 배경 흐림은 아주 중요한 부분이며, 이를 보다 예쁘게 (보기 좋게) 만들기 위한 노력은 꾸준히 진행되고 있습니다. 이러한 배경 흐림에서 조리개의 조임 모양은 큰 영향을 주는 것 중에 하나입니다. 보다 자연스럽고 예쁜 배경 흐림을 위해 원형 조리개라는 기술이 탄생하게 됩니다.
원형 조리개는 조리개의 날 모양과 조임 방식을 개선하여 다각형의 조임 모양이 아닌 원형에 가까운 모양으로 조리개를 조여주는 기술입니다. 고정된 날의 조리개를 가지고 원형의 모양을 유지하기 위하여 정확한 조리개 설계와 구성이 중요한 부분으로 작용합니다. 이러한 원형 조리개는 주로 포트레이트를 위한 렌즈에 적용된 경우가 많으며, 미놀타의 렌즈의 경우 대부분 원형 조리개를 채용할 정도로 많이 사용되고 있습니다.

[ 그림 - EF 70-200mm f/2.8L USM과 EF 70-200mm f/2.8L IS USM의 조리개 조임 비교 (Canon) ]
[ 그림 - 원형 조리개와 일반 조리개의 비교 (Konica Minolta) ]

 

회절 렌즈 (Diffractive Optics)

보다 작은 크기의 렌즈를 만들면서 고화질을 유지하려는 노력은 계속되었습니다. 이러한 결과로 개발된 렌즈 중에 하나가 바로 회절 렌즈입니다. 회절이란 빛이 작은 점을 통과할 때 빛이 꺾어지는 현상을 말하며 일반적으로 조리개를 최대한 조일 때 이러한 회절 현상이 일어납니다. 이렇게 발생하는 회절 현상을 보다 효과적으로 컨트롤하여 광학적인 렌즈로 사용하도록 제작된 렌즈가 회절 렌즈입니다.
이렇게 개발된 회절 렌즈의 특징은 구면렌즈에서 발생하던 색수차의 현상이 역순으로 발생한다는 점입니다. 구면렌즈에서는 청색이 가장 굴절률이 높고 적색이 가장 낮았으나 회절 렌즈에서는 청색이 가장 낮고 적색이 가장 높습니다. 즉, 회절 렌즈를 통과한 빛을 다시 구면렌즈를 통과시키면 파장의 흐트러짐이 없는 이미지가 생성되는 것입니다. 이것은 볼록과 오목 렌즈의 조합으로 제거하던 색수차 현상을 볼록과 볼록 렌즈의 조합으로 제거할 수 있다는 것으로 렌즈의 전체 길이를 크게 줄일 수 있도록 해줍니다.

[ 그림 - 회절 렌즈를 이용한 색수차의 제거 (Canon) ]

하지만 이러한 회절 렌즈는 회절 현상으로 굴절된 빛 주변에 산란광이 발생하여 플레어가 발생할 확률이 높았고 전체적인 콘트라스트를 저하시키는 요인이 되었습니다. 이를 제거하기 위하여 단층이 아닌 복층의 회절 렌즈를 설계하여 산란광에 대하여 한 번 더 회절을 시켜주는 방법이 사용되었습니다. (이는 단렌즈에 적용된 내용이며, 최근의 줌 형태의 회절 렌즈는 3개의 층을 가져 초점거리의 변화에 반응하도록 제작되었습니다.)

이러한 회절 렌즈를 사용할 경우, 전체적인 렌즈의 길이와 무게를 감소시킬 수 있으며 동시에 색수차의 현상을 제거할 수 있는 장점을 가지게 되었습니다.

[ 그림 - 400mm f/4 렌즈를 설계 했을 경우, 회절 렌즈를 이용한 크기와 무게 차이 (Canon) ]

 

 

 

  5. MTF

MTF (Modulation Transfer Function)

렌즈의 성능을 수치로 나타내거나 어떤 렌즈가 좋은 렌즈인지 결정하는 것은 어렵기도 하고 민감하기도 한 부분입니다. 이러한 부분에 대해서 과학적인 실험을 통해 객관적인 수치로 렌즈의 해상력과 콘트라스트를 표시한 것이 바로 MTF 차트입니다. 하지만 이 MTF 챠트 만으로 렌즈의 전체적인 성능을 평가하기는 어려우며, 참고적인 자료로 활용한다면 더욱 유용한 정보가 될 것이라고 생각합니다.

이러한 MTF 차트는 실제 상에 대한 정보와 렌즈를 통과한 빛의 정보의 일치성에 대해서 비교하여 차이 값을 숫자로 표기한 방식입니다. 원래의 정보와 렌즈를 통과한 빛의 정보가 일치한다면 1의 값에 가까우며, 반대로 차이가 날 수록 0의 값에 가깝도록 챠트를 작성합니다.

컨트라스트와 해상력 (Contrast and Resolution)

이러한 MTF 챠트는 렌즈의 콘트라스트와 해상력에 대해서 객관적인 자료를 제공합니다. 콘트라스트는 색상의 대비(밝고 어두움의 정도)를 나타내는 정도이며 해상력은 표현할 수 있는 디테일의 정도라고 보시면 됩니다.

위의 사진을 보면 가장 좌측은 콘트라스트와 해상력이 높은 사진이며, 가운데 사진은 해상력은 높으나 컨트라스트는 낮은 사진입니다. 그리고 가장 우측의 사진은 컨트라스트는 높지만 해상력이 낮은 사진입니다. 이처럼 컨트라스트와 해상력은 사진에 있어서 중요한 부분 중에 하나입니다.
MTF 차트에서는 이 값을 수치로 계산하기 위해서 별도의 차트를 가지고 촬영하여 그 결과값을 분석하여 수치로 적용합니다. 이때에 컨트라스트를 확인하기 위하여 10lp/mm 챠트를 사용하며, 해상력을 확인하기 위하여 30lp/mm의 챠트를 사용합니다. lp/mm는 1mm에 몇개의 선이 존재하는지 말하는 것으로 이를 공간 주파수라고 부릅니다. 만약 10lp/mm 라면 1mm에 0.05mm의 흰선 5개와 0.05mm의 검은선 5개가 번갈아가며 존재하는 것입니다.

[ 그림 - 상 : 테스트용 챠트, 하 - 6lp/mm 챠트의 예제 ]

 

MTF Chart
[ 그림 - EF 35mm f/1.4L USM 렌즈의 MTF 챠트 (Canon) ]

위의 챠트를 보면서 이야기하겠습니다. 캐논에서 제공하는 정보는 모두 8개의 선을 가지고 있습니다. 먼저 검은색과 하늘색이 있는데 검은색은 렌즈 조리개를 최대로 개방한 상태의 값이며 하늘색은 f/8로 조리개를 조인 상태의 정보입니다. 굵은 선은 10lp/mm의 콘트라스트를 나타내는 정보이며, 가는 선은 30lp/mm의 해상력을 나타내는 정보입니다. 그리고 마지막으로 실선은 구결면(Sagittal)을 따라서 확인한 정보로 렌즈의 중심에서부터 주변부까지 직선방향의 공간 주파수에대한 정보이며, 점선은 자오면(Meridional)을 따라서 확인한 정보로 렌즈의 중심에서 동심원을 그리는 방향에 대한 공간주파수에 대한 정보입니다

예를 들어 렌즈의 최대 개방에서 해상력을 확인하려면 최대 개방을 나타내는 검은색 선 중에서 해상력을 나타내는 가는 선을 보시면 됩니다. 이때에 구결면에 대한 값과 자오면에 대한 값이 차이가 없을수록 더욱 좋은 해상력을 보여주며 (차이가 높을수록 비점 수차의 발생이 높아집니다), 둘 중에 하나만 높은 경우엔 특정 방향으로 해상력이 떨어지는 경향이 있습니다.

배경흐림 (빛망울)
[ 그림 - EF 70-200mm f/2.8L IS USM 렌즈로 촬영한 예제와 MTF 챠트 ]

위의 사진은 EF 70-200mm f/2.8L IS USM 렌즈로 1/125초, f/2.8, 200mm로 촬영한 사진입니다. 사진을 보면 전체적으로 빛망울을 나타내고 있습니다. 가운데 부분은 원형을 그대로 유지하고 있습니다만 주변부로 갈수록 원형이 조금씩 흩트려진다는 것을 알 수 있습니다. MTF 챠트의 최대 개방 값인 검은색 선을 중 사물의 디테일(해상력)을 표현하는 가는선을 보면 중앙부는 구결면(실선)과 자오면(점선)의 차이가 크지 않지만 주변부로 갈수록 구결면의 값은 높고 자오면의 값은 낮아집니다. 주변주의 빛망울의 모양을 보면 원의 중심을 바라보는 쪽과 동심원을 그리는 부분이 어색하게 처리되어 모양이 흐트려진 것을 알 수 있습니다. 이러한 정도는 구결면과 자오면의 차이가 클수록 심해지며 반대로 차이가 작을수록 빛망울 및 배경 흐림이 보기 좋게 만들어진다는 것을 알 수 있습니다.

MTF만 보지 마세요.

 

MTF는 분명히 렌즈의 성능을 평가할 수 있는 객관적인 자료입니다. 또한 MTF의 수치가 높은 렌즈가 실제적으로 더 좋은 해상도와 콘트라스트를 가지는 것도 사실이며, 개인적으로 촬영된 이미지를 보더라도 차이를 느낄 수 있을 정도였습니다.
하지만 MTF 차트는 어디까지나 해상력에 대한 정보입니다. 특히나 색상에 대한 정보는 전혀 없으므로 꼭 염려해두셔야 합니다. 또한 각 제조사에서 발표한 자료는 모두 동일한 조건에서 확인된 정보가 아니므로 어느정도 참고할 자료이며, 특히 이 MTF 챠트만으로 렌즈의 성능을 결정내리기는 어렵습니다. 그리고 MTF 챠트는 초점을 무한대에 놓은 상태에서 확인하는 정보이므로 참고하시길 바랍니다.

 

 

6. Epilogue

많은 분들은 이미 알고 계신 내용일 듯하여 조심스럽게 기본적인 내용을 포함하면서 또한 보다 세밀한 내용을 조금씩 넣는 방법으로 작성했습니다. 또한 제가 주로 알고 있는 정보나 자료가 특정 업체인 캐논에 집중된 관계로 이번 기회를 통해 다른 업체의 자료와 정보를 많이 찾아보았습니다. (하지만 여전히 캐논에 편향된 분위기가 있어서 죄송하다는 말씀을 드립니다.) 혹, 잘못된 정보나 누락된 내용이 있다면 언제든지 알려주십시오.^^

좀 독특한 형식의 글을 적어보았습니다. 포럼에서 이러한 기본적인 렌즈의 정보에 대해서 물어보시는 경우가 많아서 간단하게 정리해보고자 시작한 글인데 점점 사족이 늘어나면서 종 잡을 수 없는 글이 되어버렸네요.^^ 어떤 종류의 글인지 다소 모호하지만 모쪼록 렌즈의 기본에 대해서 조금이나마 이해하시는데 도움이 되셨으면 합니다.
카메라에서 빼놓을 수 없는 렌즈에 대해서 그리고 보다 좋은 화질을 위해서 다양한 기술이 집약되어 만들어진 렌즈에 대해서 그리고 지금 내 주변에 놓인 렌즈에 대해서 다시 한번 돌아보실 수 있는 기회가 되시길 바랍니다.