CCTV 렌즈(LENSS)란.?

[박월성]

CCTV LENS

□ 렌즈 기초(초점거리/렌즈·촬상소자형/렌즈속도/피사계심도/아이리스/화각/해상력/프리세트)

CCTV 시스템의 설계에 있어서 카메라의 성능·기능도 중요하지만, 무엇보다 중요한 것은 렌즈의 특성 등을 잘 파악하여 적절한 렌즈를 채택함으로써 보다 저렴한 비용으로 효율적인 CCTV 시스템을 구현하는 일이라고 할 수 있다. 따라서, CCTV 시스템 구현에 있어 렌즈에 대한 기초적인 지식은 필수적인 것이다.

CCTV 시스템이 전송하는 화질의 절반을 책임지는 렌즈. 따라서 적절한 렌즈 선정이 선행돼야만 효율적인 감시 시스템을 구축할 수 있다고 해도 과언이 아니므로 설치업자는 물론 발주처에서도 필히 숙지하고 있어야 한다. 렌즈는 흔히 카메라의 이미지 센서 유리면에 상을 모으고 또 센서에 도달하는 빛의 양을 적절하게 조절하는 것이 주목적인 것으로 카메라의 센서에 도달하는 빛의 양은 렌즈의 열림이나 아이리스(조리개)에 의해 결정된다. 이는 주로 F치로 분류되며, 렌즈와 카메라 센서 사이의 Focusing Point는 마운팅에 의해 좌우되는데, 이는 흔히 C 마운트와 CS 마운트로 대별된다. 최근 CCD 카메라의 크기가 점차 소형화됨으로써 렌즈와 CCD 소자 사이의 거리인 초점거리를 줄일 필요가 증가함으로써 출현한 것이 CS 마운트 렌즈로, 종래의 C 마운트에서 CS 마운트로 대체되는 경향에 있다. C 마운트 방식은 카메라의 센서와 렌즈 후면사이의 거리가 17.5mm였지만, CS 마운트 방식은 12.5mm로 줄인 것으로 CS 마운트용 렌즈인데도 불구하고 C 마운트 렌즈를 채용하게 되면 초점이 잡히지 않아 상은 매우 흐리게 나타난다.

따라서 이런 차이를 숙지하지 않고서 렌즈를 선택하게 되면 원하는 화질을 얻을 수가 없다. 흔히 C 마운트 렌즈는 렌즈 사용 매수가 많아서 상을 정밀하게는 포착하지만 가격이 비싸며, CS 마운트 렌즈는 가격도 저렴하고 설계가 편리한 이점이 있다. 출시되는 대부분의 카메라는 C 마운트와 CS 마운트 렌즈의 호환이 가능한데, 간혹 호환이 불가능한 카메라에서 C 마운트 렌즈를 CS 마운트 렌즈로 변환코자 할 시에는 5mm 어댑터를 추가로 부착해야 한다.

■ 초점거리(Focal Length, f)

볼록 렌즈에 평행한 빛을 입사 시키게 되면 광축상의 한 점에 빛이 집중되는데, 이 한 점에 모인 것을 렌즈의 초점이라고 말하며, 렌즈 중심으로부터 초점거리까지의 거리가 초점거리이다. 초점거리가 긴 경우, 촬영 범위는 좁고 피사체를 크게 볼 수 있는 반면, 초점거리가 짧을 경우에는 촬영범위는 넓고 피사체는 작게 보인다. 이 수치는 렌즈의 화각을 결정하는 바로미터이기도 하다. 흔히 초점거리는 다음 공식으로 구한다.

초점거리 = (피사체 거리 × 이미지 사이즈) / (피사체 높이) 예를 들면, 피사체의 거리가 100m, 피사체의 높이가 10m인 경우, 1/2인치 카메

라와 1/2인치 렌즈를 설치해서 풀 화면으로 감시하고자 할 경우, 필요한 렌즈의 초점거리를 구하면 다음과 같다. f = (100000mm × 4.8mm) / (10000mm) = 48mm, 즉 f48mm의 렌즈를 사용하면 된다. 렌즈의 주점(렌즈의 광학적 중심점)에서 상이 맺히는 점까지의 거리를 mm로 나타낸 것으로 화각과 아주 밀접한 관계를 가지고 있다. 사람의 눈과 비슷한 화각을 가진 렌즈를 표준 렌즈라 하는데 표준 렌즈의 초점거리는 CCD의 형(Format)에 따라 다르다. 표준 렌즈 보다 초점거리가 짧은 렌즈를 사용하면 보다 넓은 화각(광각：Wide Angle)을 얻을 수 있고, 표준 렌즈 보다 초점거리가 긴 렌즈를 사용하면 화각은 좁지만 물체를 가까이 볼 수 있는 망원 렌즈(Telephoto)의 역할을 할 수 있다.

■ 렌즈·촬상소자의 형(Format)

촬상소자(CCD)의 형(크기) 역시 화각에 영향을 미친다. 같은 초점거리 렌즈를 사용해도 촬상 소자의 크기가 작을수록 화각도 좁아진다. 주의할 점은 소자의 형에 따라 렌즈의 형도 같거나 작아야 한다는 것이다. 예를 들면, 1/3인치 카메라에는 1/3~1인치형 렌즈는 사용할 수 있으나, 1/3인치형 렌즈는 1/2인치 카메라에는 사용할 수 없다. 국내의 경우는 1/3인치 카메라의 사용이 주류를 이루고 있는 반면 채용되는 렌즈는 주로 1/2인치용 렌즈가 대부분으로 1/2인치형 렌즈의 가격이 1/3인치보다 비싼 점을 생각하면 재고되어야 할 부분이다.

■ 렌즈속도(F치)

렌즈에서의 속도란 집광능력을 의미한다. 렌즈의 속도는 조리개를 최대로 열었을 경우(최소의 F치)를 기준으로 등급이 매겨지는데, 이 F치의 값은 렌즈의 초점거리(f)를 렌즈의 유효구경(D)으로 나눈 값으로 표시된다. 이 F 수치는 피사계의 심도에 영향을 준다. 렌즈밝기는 f/D로 구할 수 있는데, 렌즈의 실제 배율에 반비례하고, 초점거리에 정비례함을 알 수 있다. 대부분의 렌즈는 F:1.4로서 소수이지만 비구면 렌즈에는 F:0.8도 있다. 조명이 어두운 곳에서는 F치가 낮은 렌즈가 위력을 발휘하는데, F치가 한단계 변하면 밝기는 2배로 변하게 된다.

■ 피사계 심도(Depth Of Field)

피사계의 심도란 초점이 맞추어졌다고 생각되는 지점에서 선명한 화상이 맺힐 수 있는 폭을 말한다. 피사계의 심도는 조리개를 조일수록(F치가 높을수록) 깊어지고, 조리개를 개방할수록 낮아진다. 또한 초점거리가 짧을수록 피사계의 심도는 깊어진다. 자동 조리개 렌즈 사용시는 조리개가 빛의 양에 따라 조리개가 자동으로 조절되기 때문에 피사계의 심도도 변하게 된다. 즉 광량이 적은 야간에는 조리개가 최대로 열리기 때문에 조리개의 피사계의 심도는 낮아지고 주간에는 광량이 많아 조리개가 조여 지므로 피사계의 심도는 깊어진다. 감시하고자 하는 지점의 거리를 주간에 맞추게 되면 야간에는 조리개가 최대로 열리므로 피사계의 심도가 낮아져 감시하고자 하는 지역을 뚜렷이 감시하지 못하고 흐릿한 화상으로 올바른 감시를 하지 못할 때가 빈번하다. 따라서 자동 조리개를 사용할 때는 야간에 거리를 맞추어주는 것이 유리하다.

■ 아이리스(조리개)

렌즈에 통과하는 빛의 양을 조절하는 아이리스는 크게 비아이리스, 매뉴얼 아이리스, 오토아이리스 등 3가지 타입으로 나누어진다. 비아이리스 타입은 아이리스 조절이 불가능해 애플리케이션에도 큰 제약이 있다. 주로 실내용으로 빛의 변화가 거의 없거나 미세할 경우에 적합하다. 아이리스를 크게 조절하기 위해서는 매뉴얼 아이리스가 필요한데, 일반적으로 F치 범위는 F1.4∼22로 F1.2, F1.0, F0.95, F0.8 등과 같이 수치가 낮은 렌즈는 고속 렌즈로 F치가 낮으면 높은 렌즈에 비해 빛이 훨씬 많이 투과하게 된다. F치가 커질수록 아이리스는 1/2씩 닫히므로 카메라의 촬상소자에 도달하는 빛의 양은 50%씩 줄어든다. 흔히 F치는 1.4, 2.0, 2.8. 4.0, 5.6, 8.0, 11, 16, 22 등이다. 실외나 광량의 변화가 큰 곳에 이용되는 오토 아이리스는 크게 DC타입과 비디오 신호 제어 타입이 있다. 이 두 타입의 렌즈는 광의 레벨이 변하게 되면 렌즈의 아이리스를 자동 조절하는데, 주요 차이점은 DC 타입은 구동회로가 렌즈에 내장되어 있지 않으므로 구동회로가 내장된 카메라에만 사용할 수 있다. 비디오 신호 제어 타입은 아이리스 구동용 코일이나 전자석 구동회로가 렌즈에 내장된 방식으로 비디오 신호를 입력받아 동작한다.

■ 화각(W)

화각은 CCD 카메라가 피사체를 촬상할 때에 렌즈 전방으로부터 몇 도 이내의 물체를 촬상 하는가를 나타내는 것으로 렌즈를 통해 촬영 가능한 범위를 각도로 나타낸 것이다. 주로 화각을 구하는 공식은w=2tan(y/2f)로서 초점거리가 짧으면 보다 넓은 범위를 촬영할 수 있음을 의미한다. 일반적으로 화각은 렌즈가 무한대의 초점이 맞추어질 때에 측정된다.

■ 해상력

해상력은 렌즈의 결상 성능을 나타내는 것으로 감시 렌즈의 경우, 여러 가지 선폭의 차트를 상면에 나타내어 역투영(투영거리 2∼3m)하고, 얼마나 세밀한 차트가 분리되어 재현 가능한가의 한계를 조정하는 것이다. 예를 들면, 해상력 100본/mm는 1mm 폭 중에 100쌍(흑, 백 각각의 선폭은 5마이크론)의 차트가 재현 가능한 결상성능을 가진 렌즈가 된다. 화질은 단지 해상도만 높으면 좋다고 말할 수는 없다. 왜냐하면 해상도 이외에 색의 강약이 있는 화상에서는 선명도도 화질을 좌우하기 때문이다. 선명도의 치수는 실내는 2000∼20Lx로 약 100배, 실외는 밝을 때는 100000Lx, 어두울 때는 10Lx로 약 10000배이다.

■ 프리세트 줌, 포커스, 아이리스를 미리 정한 위치에 멈추기도 하고, 위치를 순차변환토록 프리세트용 위치센서로 포텐쇼미터를 탑재하고 있다. 프리세트로 컨트롤할 경우에는 원하는 포커스의 프리세트 위치를 포텐쇼미터내에 전압으로 기억시킨다. 프로그램된 렌즈의 조작이 필요할 시에는 컨트롤러에 따라 포텐쇼미터에 기억된 위치를 호출해서 줌, 포커스 위치를 프리세트 컨트롤한다. ▲

□ 렌즈 분류 (고정초점/가변초점/줌렌즈/광각·표준·망원)

CCTV 렌즈는 C 마운트/CS 마운트 방식에 따라 흔히 고정초점 렌즈와 가변초점 렌즈, 줌 렌즈 등 크게 3그룹으로 분류된다.

■ 고정초점렌즈(Fixed Focal Lens)

약 50%의 국산화를 이룬 고정초점 렌즈는 피사체 또는 피사계 범위가 고정된 것으로 주로 감시나 관찰 혹은 측정 시스템에 주로 적용된다. 크게 매뉴얼 아이리스 렌즈와 오토 아이리스 렌즈로 나눠지는데, 전자는 편의점이나 백화점, 은행 등의 점내, 고속도로의 터널 등 조명조건이 일정한 실내나 CCD 아이리스 제어 카메라를 사용할 경우, 광량을 변화시켜야 하는 곳에 주로 설치된다. 이 렌즈를 내장한 카메라의 F치는 F4.0이나 F5.6으로 조정하면 카메라/렌즈의 피사계 심도를 높일 수 있다. 또 후자는 상기 장소의 옥외나 야간감시, 철도역의 플랫폼, 주차장, 은행 등의 ATM, 고속도로 관제 시스템 등 조명조건이 열악한 장소에서 렌즈의 아이리스를 자동으로 조절한다. 특히 카메라에 센서를 별도로 부착하지 않더라도 10,000~13,000Foot candle까지 조절이 가능하므로 고감도 카메라에 병용하는 것이 일반적이다.

■ 가변초점렌즈(Veri-Focal Lens)

2배 줌 기능을 탑재해 렌즈 하나로 화각을 표준, 광각으로 모두 커버하는 가변초점 렌즈는 표준 화각은 약 30°인데, 광각은 60°~80°까지 가능하다. 일본 Tamron이 처음 개발한 이 렌즈가 국내에 선을 보인 것은 1995년, 금융기관에 감시 시스템을 본격 도입한 것이 그 계기가 되었으며, 향후 렌즈 시장에서 가장 급성장할 분야 중 하나이다. 그 이유는 첫째, CCTV 시스템에 설치할 경우 에러가 거의 없다는 점이다. 예를 들면, 7대의 카메라와 렌즈로 시스템을 구축할 경우, 각 카메라에서 피사체까지의 거리는 각각 다르게 된다. 설치 경험이 있는 사람이라면 누구나 피사체를 최장거리로 촬영하기 위해서는 12mm 렌즈가, 또 최단거리로 충분한 화각을 얻기 위해서는 6mm 렌즈가 혼용되어야 한다는 것을 알 수 있다. 하지만 실제 카메라에서 피사체까지의 거리를 정확히 계산할 시간이나 여건이 허락되지 않는 장소에서는 가변초점 렌즈를 탑재하게 되면 이런 문제를 일소할 수 있다. 두 번째 이유는 가변초점 렌즈의 진가를 쉽게 발휘하는 곳으로 설치한 카메라의 위치 변경이 빈번한 곳이다. 예를 들면, 편의점에 카메라 10대분의 하우징을 천정에 부착한다고 가정하자. 그러나 예산 관계상 우선 가변초점 렌즈 3대만 설치해도 유저는 일일이 렌즈를 교환하지 않고서도 원하는 화각을 얻을 수 있다. 한 마디로, 유저에게는 언제 어디서든 원하는 화각을, 설치업자에게는 설치의 용이함을, 유통업자에게는 재고삭감 등의 이점을 두루두루 활용할 수 있는 이상적인 렌즈로 은행의 객장 등 감시할 지점이 자주 바뀌는 곳일지라도 한번 설치하게 되면 반영구적이라는 얘기다. 하지만 아직은 고정초점 렌즈에 비해 가격이 2배 이상이라는 점이 흠으로 지적되고 있다.

■ 줌 렌즈(Zoom Lens)

최근 어수선한 세계 정세를 반영하듯, 감시 카메라의 설치 건수 증가는 해가 갈수록 두드러지고 있다. 그러나 고정초점 렌즈의 CCTV 카메라로 촬영한 범죄 기록 테이프를 재생해보면 범인의 용모를 쉽게 식별하기 어려우므로 감시 카메라도 이제는 점차 줌 렌즈를 탑재해서 범인을 식별하려는 움직임이 일고 있다. 고정초점이나 가변초점 렌즈와 마찬가지로 줌 렌즈 또한 렌즈의 초점거리가 바뀔 수 있다는 사실을 제외하고는 아이리스 제어와 마운팅 등 전체 특성은 대동소이하다. 이 렌즈는 초점거리가 렌즈에 부착된 외부 링을 매뉴얼로 이동하거나 원격제어 모터로 조절되는데, 대개 줌의 거리에 따라 분류된다. 팬/틸트와 결합해서 시스템적으로 연동되기 때문에 고부가가치성으로 오퍼레이터에게 유연성을 확보해주는 이점이 있다. 따라서 기종 선택 시에는 렌즈 전원뿐 아니라 필요한 초점거리를 꼭 확인해야 한다. 줌 렌즈는 크게 매뉴얼 줌 렌즈, 전동 줌 렌즈, 오토 아이리스 전동 줌 렌즈, 프리세트 줌 렌즈 등 모델은 다양하지만 설치 유형은 피사계 범위가 가변 하는 복잡한 특성때문에 오더 메이드가 주종을 이룬다. 매뉴얼 줌 렌즈는 최근 컴퓨터와 연계된 화상정보처리기기의 보급으로 설치 사례가 증가하고 있으며, 그 외는 통상 팬/틸트와 병용되고 있다. 전동 줌 렌즈는 공항의 로비, 건물의 실내, 원자력발전소 등 조명조건이 일정한 장소에 선택되는데, 특수 사용 예로는 수술실의 상황을 촬영하고 교육하는 무영등을 들 수 있다. 또 오토 아이리스 전동 줌 렌즈는 소방서 망루에서의 주변지역 감시, 댐의 수위관제, 연안의 어장이나 어선 감시, 공항의 옥외 감시 등에 적용되며, 오토 아이리스 프리세트 전동 줌 렌즈는 정유공장이나 제철공장 등 대형 플랜트내의 기기나 계기류 체크, 대형 카지노의 게임기와 사람 감시 등에 적합하다. 앞으로는 줌 렌즈에 마이컴을 내장해서 컴퓨터 등과 연계, 보다 유연하고 확장성 있게 다양한 감시 시스템에 적합한 모델이 속속 등장할 것으로 기대된다. 이전까지 국내에서 가장 많은 수요를 보이고 있는 줌 렌즈는 2/3인치 12.5~75mm 6배 줌 렌즈였지만, 앞으로는 1/3인치 8~64mm 8배 줌으로 바뀔 것으로 보인다. 또 구매방식 또한 현재는 단품 위주로 판매되고 있지만 머지 않아서는 줌과 카메라의 일체형 렌즈가 선호될 것으로 전망되는데, 이는 카메라가 거의 돔형으로 출시되고 있기 때문에 작고 고성능인 렌즈가 요구되고 있기 때문이다. 이외에도 렌즈 열림 직경이 0.06~0.25인치로 매주 작은 핀홀 렌즈는 몰래 감시용으로 설치되는데, 렌즈 편차는 편각(180°)과 직각, 매뉴얼과 오토 아이리스, Narrow Tape나 Front Design 등이 있다. 특수 광학 렌즈가 필요하므로 F치는 비교적 높고 경하중이다. 일반 구면 렌즈 보다 상의 수차나 왜곡이 적은 비구면 렌즈는 단초점거리(감시 지역이 넓다)이면 Pincushion 효과를 더욱 얻을 수 있다. 주로 광각, 저왜곡, 고속 렌즈 등에 설치하는 것이 바람직하며, 저조도 감시 카메라에 사용하면 별도의 광을 추가하지 않아도 된다. 또 재질이 플라스틱으로 압축, 몰딩된 것으로 카메라의 렌즈 사용 매수를 줄일 수 있다. 대부분 F치가 0.7인 경우가 많으며, 경량화, 대량생산은 부적합하기 때문에 가격은 고가인 셈. 하지만 옥외용 카메라에 탑재하면 환경변화로 인해 열화되기 쉽고, 내구성이 떨어져서 수명이 단축될 수 있다.

■ 광각·표준·망원 렌즈

CCD 소자는 주로 캠코더에 많은 영향을 받아왔는데, 이 소자가 어떻게 개발되느냐에 따라 CCTV 시스템에도 많은 영향을 받게 된다. 감시용 카메라의 촬상 소자 크기도 이제는 1인치→2/3인치→1/2인치→1/3인치→1/4인치로 점차 소형화되는데, 인치별 이미지 사이즈는 1/3인치가 6mm, 1/2인치가 8mm, 2/3인치는 11mm, 1인치는 16mm로 통용되고 있다. 대개 사람의 눈과 비슷한 시야의 각(46°)을 보이는 렌즈를 표준 렌즈라고 칭하는데, 초점거리에 따른 인치별 표준 렌즈는 화각이 46°~50° 내외인 렌즈로 1인치가 25mm, 2/3인치가 16mm, 1/2가 12mm, 1/3인치가 8mm이다. 원근감 등이 자연스러우며 초점거리를 기준으로 보면 촬상 면적의 대각선 길이와 거의 비슷한 초점거리를 가진 렌즈이다. 사람의 눈으로 보이는 시야각보다 좁으면 망원 렌즈에 해당된다. 표준 렌즈보다 초점거리가 짧고, 또 화각이 크면 광각 렌즈로 분류한다. 광각 렌즈는 화각이 60° 이상 되는 렌즈로 표준 렌즈보다 초점거리가 짧고 상은 작지만 넓은 지역을 볼 수 있어 광범위를 감시하고자 할 때는 이런 렌즈를 선택한다. 반면 망원 렌즈는 표준 렌즈보다 초점거리가 짧고 좁은 범위로만 볼 수 있으며, 멀리 있는 피사체를 보다 상세하게 가까이서 감시할 때에 사용된다. 따라서 CCTV 카메라로 넓은 지역을 대충 감시하려면 광각 렌즈를 설치하고, 보다 상세하게 피사체를 감시하려면 망원 렌즈를 설치하면 된다.