정보 렌즈의 원리와 이해

[고래를기다리며/배재찬]

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1. 렌즈의 어원

1550년 이탈리아에서 처음 개발. 라틴어의 Linse(콩)에서 현재 Lense로 변천.

2. 렌즈의 원리와 종류

렌즈는 빛이 진행 도중 다른 매질을 만나면 꺾이는 성질을 응용한 것으로 두께가 균일하지 않은 렌즈의 경우 빛은 항상 두꺼운 쪽으로 꺾이게 된다. 즉 중간이 두꺼운 볼록렌즈는 빛을 모으고 주변이 두꺼운 오목렌즈는 주로 확산시키며 뷰파인더의 접안렌즈나 복합 렌즈 중에서 수차를 보정하기 위해 사용된다.

3. 렌즈의 초점거리와 결상의 원리

1). 렌즈의 초점거리
무한대로부터 광선 혹은 광축과 평행한 광선이 입사했을 때 렌즈의 광학적 중심에서 초점 면까지의 거리
*초점 : 무한히 먼 곳에서 오는 광선은 렌즈의 광축과 평행하게 입사하고 렌즈를 통과한 후 광축상의 한 점에 모이게 된다. 이점을 초점이라 한다.
* 초점을 맞추는 원리 : 피사체 거리가 변하면 영상 거리도 변한다. 따라서 선명한 영상을 맺히게 하기 위해선 피사체 거리가 바뀜에 따라 영상 거리도 조절해야 한다. 카메라의 경우 렌즈 군을 이동시켜 초점을 맞춘다.(피사체가 멀어 질수록 영상은 초점 면 가까이에 맺힌다.)

4. 복합 렌즈

1). 복합 렌즈의 필요성
하나의 렌즈는 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이로 정확히 한 점에 초점을 맺지 못한다.(색수차) 또한 렌즈의 주변부와 중심부의 입사각의 차이로 역시 정확한 초점을 맺지 못한다. (구면 수차) 따라서 이러한 렌즈의 각종 수차를 보정하여 보다 선명한 화상을 만들기 위하여 사진용 렌즈는 여러 매의 렌즈를 몇 개의 군으로 형성하여 제조하게 된다.
2). 복합 렌즈의 초점거리
얇은 렌즈의 경우 렌즈의 광학적 중심은 렌즈의 두께의 중간 지점으로 볼 수 있다. 그러나 두꺼운 렌즈나 복합 렌즈의 광학적 중심은 두 개가 존재한다. 즉 전측초점에 대한 제1주점, 후측초점에 대한 제2주점이 그것이다. 따라서 사진용 복합 렌즈의 초점거리는 광축과 평행한 광선(혹은 거리계 눈금을 무한대에 맞추었을 때 렌즈의 제2주점에서 필름 면(초점 면)까지의 거리를 말한다.

5. 화각과 포괄각

1). 화각
렌즈의 제2주점에서 필름 면의 대각선을 포괄하는 각도, 혹은 렌즈의 제1주점에서 촬영되는 피사계의 범위를 나타내는 각도를 화각 또는 사각이라 한다.
2). 포괄각 : 렌즈가 만드는 원형의 상에서 선명한 영상을 맺는 범위(이미지 써클)를 포괄하는 각도. 렌즈에 대해 필름 면이 고정된 135mm카메라나 중형 카메라에서는 화각보다 조금 크면 되나 뷰카메라와 같이 무브먼트를 하기 위해서 보다 큰 포괄 각이 필요하다.
*이미지 써클 : 렌즈가 만드는 원형의 상에서 선명한 상을 만드는 범위를 말한다. 이는 조리개 수치에 따라 달라진다.(조리개를 죌수록 선명한 상을 맺는 범위는 상대적으로 확대된다.)
###대형 카메라 렌즈는 포괄력이 렌즈의 성능을 좌우하는 중요한 요소가 된다.
###포괄 각은 렌즈의 설계시 좌우된다. 즉 같은 초점거리의 렌즈라 할지라도 렌즈의 설계 방식에 따라 포괄력은 달라진다.
###일반적으로 렌즈의 초점거리가 길수록 포괄력은 커진다.(확대기 렌즈도 동일하다.)
###같은 초점거리의 렌즈는 같은 거리에 있는 같은 크기의 피사체에 대해 같은 크기의 영상을 만든다.(카메라의 종류에 관계없이)
소형 카메라의 표준 렌즈는 중형 카메라에서 광각렌즈의 효과를 가지나 렌즈의 포괄력이 적어 중형 카메라에 사용할 때 주변부가 어두워지는 현상이 생긴다.

6. 렌즈의 수차

렌즈의 광학적 결합에 의한 주변부가 흐려져 선명한 상을 만들지 못하거나 화상이 왜곡되어 나타나는 등의 현상을 수차라 한다.

1). 색수차
색광의 파장이 따른 굴절률의 차이로 각 색광의 초점이 한곳에 맺히지 않는 현상을 색수차라 한다. (백색광(태양광)이 프리즘을 통과한 후 여러 가지 색광으로 분리되는 현상과 같다.) 렌즈의 초점거리가 긴 렌즈(망원렌즈)일수록 심하게 일어난다.
###색수차의 보정 : 색수차의 보정을 위해 오목렌즈를 포함하는 복합 렌즈를 사용한다. 특히 황색과 청자색 계의 두 가지 대표 색으로 색수차를 보정한 렌즈를 애크로매틱(Achromatic)렌즈라 하고 적, 청, 녹의 세 가지 삼원색으로 색수차를 보다 엄격히 보정한 렌즈를 애퍼크로매틱(Apochromatic - APO) 렌즈라 한다.
2). 구면 수차
렌즈의 표면이 구면으로 인해 렌즈의 주변부와 중심부로 입사한 빛이 렌즈 표면에서의 입사각의 차이로 인해 한 점에 모이지 않는 현상을 구면 수차라 한다. 이는 특히 곡면 율이 큰 광각렌즈에서 심하게 일어난다. 조리개를 조이면 빛이 주변 부를 통과하지 않으므로 많이 감소된다.
3). 코마수차
영상의 주변에 혜성 모양의 착락원들을 나타내는 현상으로 조리개를 죄면 감속시킬 수 있다.
4). 비점수차
수직선과 수평선이 한 점에 맺히지 못하고 두 개의 초점을 만드는 현상.
5). 상면만곡
렌즈가 곡면임으로 평면의 피사체가 평면의 화상을 맺지 못하고 곡면으로 맺히는 현상(중심에 초점을 맞추면 주변부가 흐려진다.)특히 복사를 하거나 접사시 문제가 된다. - 매크로 렌즈, 확대기 렌즈)
6). 화상의 왜곡
렌즈의 광축에서 멀리 있는 (렌즈의 주변부) 직선이 곡선으로 결상되는 현상. 조리개의 위치에 따라 다른 형태의 왜곡이 생기며 조리개를 조여도 없어지지 않는다. 조리개를 렌즈의 중심부에 설치함으로서 보완 할 수 있다.
*렌즈의 코팅
렌즈 표면에서의 난 반사를 줄이기 위해 렌즈 표면에 투명한 ㅤㅇㅑㄺ은막 (불화 마그네슘, 빙정석, 티타늄)을 증착시켜 표면 반사율을 감소시킨다. - 플레어, 고스트이미지의 장지. 현재는 다층막 코팅으로 반사율을 더욱 감소시키고 있다.
*플레어와 고스트
플 레어는 렌즈에 입사한 빛이 전부 투과하지 못하고 일부가 렌즈 표면에서 난 반사되어 필름에 맺히는 화상의 질을 떨어뜨리는 현상을 말한다. 지나치게 밝은 피사체나 역광촬영시 주로 발생하며 특히 새도우부의 디테일을 저하시킨다. 고스트는 플레어의 일종으로 조리개나 광원의 형태가 화상에 나타나는 현상이다. (주로 광원이 사각 내에 포함되는 경우). 렌즈 코팅이나 적절한 후드를 사용함으로서 어느 정도 방지할 수 있다.

7. 사진용 교환 렌즈

1). 표준 렌즈
화면의 대각선 길이와 비슷한 초점거리를 갖는 렌즈로 인간의 육안에 가장 가까운 묘사를 한다. 약 45도 내외의 화각을 갖는다. - 사용하는 필름의 크기에 따른 렌즈의 초점거리
135 mm 카메라 - 50mm
6*6cm카메라 - 70-80mm
브로니판 카메라 - 100mm
4*5판 카메라 - 150mm
8*10판 카메라 - 300mm
2). 장초점렌즈, 협각렌즈
표준 렌즈(화면의 대각선 길이) 보다 긴 초점거리를 갖는 렌즈로 스포츠, 생태, 패숀사진등에 쓰인다.
(1). 화각이 좁아 피사체의 모습이 상대적으로(초점거리가 짧은 렌즈보다)크게 찍힌다.
(2). 피사계 심도가 얕다.
(3). 압축된 원근감을 갖는다. - 준망원 렌즈 : 85-200mm. 초망원렌즈 : 초점거리 300mm이상
* 포츄레이트 렌즈 : 일반적으로 초점거리 80-135mm의 렌즈는 인물촬영에 적합하여 포츄레이트 렌즈라 한다. 100mm전후의 초점거리를 갖는 렌즈는 인물을 전혀 왜곡시키니 않고 사실적인 표현이 가능할 뿐만 아니라 피사체와 약간의 거리감을 둠으로서 보다 자연스러운 표현이 가능하다.
3). 광각렌즈
표준 렌즈(화면의 대각선 길이)보다 초점거리가 짧은 렌즈로 물러설 수 없는 좁은 공간이나 스냅용 또는 초현실적인 표현이 가능하다.
(1). 넓은 화각을 가지므로 피사체의 모습이 상대적으로 작게 찍힌다.
(2). 깊은 피사계 심도를 갖는다.
(3). 원근감이 과장되어 묘사된다. 광각렌즈 : 초점거리 28-35mm. 초광각렌즈 : 18-24mm
*피사체의 크기를 동일하게 할 때 렌즈의 초점거리에 따른 화상의 차이
*동일한 피사체 거리에서 초점거리가 다른 렌즈를 사용하여 화면상으로 피사체 비율이 동일하게끔 초점거리가 짧은 렌즈의 화면을 트리밍했을 때 화상의 차이
(4). 어안렌즈
180도의 화각을 갖는 초광각렌즈로 일명 스카이 렌즈라고도 한다. 초점거리 8-16mm로 술통형 왜곡이 심하게 일어난다. 화상이 원형으로 나타나는 원상 어안 렌즈와 사각형의 형태를 가지는 대각선 어안 렌즈가 있다.
(5). 줌 렌즈
렌 즈 군을 일부 이동시켜 초점거리를 변환시킬 수 있는 렌즈. 초점거리를 변환시켰을 때 항상 초점이 맞추어져 있는 것과 다시 초점을 맞추어야 하는 것이 있으며 렌즈의 밝기가 고정된 것과 초점거리를 변환시켰을 때 밝기가 변하는 것(장초점으로 갈수록 어두워진다.)등이 있다. 조작 방식에 따라 직진식, 회전식, 원터치식이 있다. 줌렌즈는 무엇보다도 렌즈의 교환 없이 간단히 초점거리를 변환시킬 수 있으므로 촬영 상황에 따른 신속한 대응이 가능하고 편리하다는 장점을 들 수 있다. 그러나 무겁고 밝기가 어두우며 렌즈의 구성이 많아 플레어가 심하게 나타나 화상의 질이 저하되는 단점이 있다. 그러나 현재는 렌즈의 성능도 많이 향상되었으며 단 렌즈 이상의 밝기를 갖는 우수한 줌렌즈가 생산되고 있다.
(6). 마크로 렌즈
일반 촬영용 렌즈는 무한대 촬영에 기준을 두고 설계된 반면 마크로 렌즈는 접사 시에 중점을 두고 설계된 고해상도 렌즈로 특히 상면만곡의 수차를 엄밀히 보정하여 복사시에도 유리하다. 일반 렌즈보다 필름 면에서 더 길게 연장된다.
=접사 배율 : 영상의 크기/피사체의 크기
=접사시 노출의 보정 : M=(1+접사 배율)의 제곱
(7). 반사 망원렌즈
오목거울의 집광성을 이용한 반사 광학계의 렌즈와 일반렌즈를 결합하여 만든 렌즈로 주로 초 망원계(500mm이상)에서 채택하고 있다.
가. 초점거리에 비해 경동이 짧아 휴대에 편리하다.
나. 상대적으로 경동이 굵어지고 조리개를 설치 할 수 없어 별도의 ND필터로 투과 광량을 조절한다.
다. 렌즈가 대체로 어두워 초점 맞추기가 힘들다.
라. 초점이 맞지 않는 부분이 링 모양으로 흐려진다.
*Cat, Catdioptric Lens : 오목거울만을 사용한 렌즈는 상면만곡이 심하여 일반렌즈와 조합하여 사용하게 되는데 이러한 렌즈를 캣 렌즈라 한다.
(8). 시프트 렌즈
제한적으로 카메라 몸체에서 단방향으로 상하 좌우 평행이동을 할 수 있는 렌즈로 대형 카메라의 무브먼트 효과를 낼 수 있다. 또한 제한적으로 틸트의 기능을 갖는 렌즈도 있다. 시프트렌즈는 일반렌즈보다 더 큰 포괄력을 갖는다.
(9)연 초점 렌즈
의도적으로 구면 수차를 보정하지 않고 화면 전반에 걸쳐 부드러운 연조의 화상을 만든다. 여성의 포츄레이트나 일부 풍경 사진에 이용된다. 부드러운 정도를 조절할 수 있는 렌즈도 있다.

8. 렌즈의 형식
1). 장초점렌즈와 망원렌즈
장초점렌즈와 망원렌즈는 표준 렌즈에 비해 긴 초점거리를 갖는다는 점에서 동일하나 렌즈의 구성에 다소 차이가 있다. 장초점렌즈는 초점거리를 결정하는 렌즈의 제2주점이 렌즈 내에 있어 렌즈의 전체 길이가 초점거리보다 길게 되나 망원렌즈는 렌즈의 앞쪽 바깥부분에 있어 렌즈의 전체 길이를 초점거리 보다 짧게 만들 수 있다.
2). 역망원 타임 렌즈
일안반사식 카메라에서 초점거리가 짧은 광각렌즈는 반사미러 때문에 카메라에 장착이 불가능하다. 따라서 모든 광각렌즈는 망원타입의 렌즈를 역이용하여 제 2주점을 렌즈의 후측 바깥 부분에 두게 설계함으로서 렌즈의 백포커스(복합 렌즈에서 렌즈의 최후 면에서 초점 면까지의 거리)를 초점거리 보다 훨씬 길게 만들 수 있다. 이러한 형태의 렌즈를 역망원타입 렌즈라 한다.

9. 렌즈의 제원
1). 렌즈의 초점거리
2). 렌즈의 밝기
렌즈가 갖는 최대 개방 조리개 수치
렌즈의 밝기=렌즈의 초점거리 / 유효 구경(개방)
3). 조리개 수치 범위
4). 렌즈의 구성
5). 최단 촬영 거리-135mm나 중형 카메라용 렌즈
6). 포괄각, 포괄력 - 대형 카메라용 렌즈
*해상력
렌 즈 또는 필름의 기록 능력을 나타내는 것으로 해상력 차트를 촬영하여 1mm내에 식별 가능한 선수로 표시한다. 수치가 높을수록 해상력이 우수하다. 이는 피사체의 콘트라스트에 따라 달라지며(콘트라스트가 강할수록 해상력은 높게 나타난다.) 렌즈의 상면 만곡에 의해 주변부로 갈수록 해상력은 떨어진다. 또한 조리개를 죄면 수차가 감소되어 해상력이 증가하나 너무 죄이면 빛의 회절현상이 일어나므로 일반적으로 조리개 수치 범위둥 중간 부분에서 최고치를 나타낸다

[출처] 렌즈의 원리와 이해|작성자 돌뫼