카메라 렌즈의 기초 이론

사진가들의 렌즈에 관한 관심은 대단합니다. 하지만 이러한 관심은대부분 렌즈의 성능에 대한 것들이며 정작 렌즈에 관한 기본적인 이론에는무관심하여 흔히 사용되고 있는 기본적인 용어에 대해서도 모르고 있는사람들이 많은 것 같습니다. 이러한 무지는 렌즈에 대한 편견을 갖게하며렌즈를 자신의 실수에 대한 희생양으로 만들어 죄없는 렌즈를 탓하게됩니다. 조리개 값은 어떻게 정해지는가? 화면 중앙부의 선예도가 주변부보다좋은 이유는 무엇인가? 조리개를 조이면 심도가 깊어 지는 것은 어떤이유일까? 망원과 장촛점 렌즈의 차이는 무엇인가? 등등 필자와 마찬가지로 사진을 좀더 심도깊게 공부하고 싶은 사람들의 궁금증은 한이 없을 것으로생각됩니다.다음의 열가지 설명은 사진에 입문한 사람들이 가장 빈번하게 질문하는사항들을 간추려 본 것이므로 참고하시기 바랍니다. 오래전에 정리한 내용이지만 디지탈 카메라가 보편화되어 있는 지금에도 달라진 것이 없습니다.

참고서적: 교환렌즈 기술 백과 - 일신서적 -
THE CAMERA - ANSEL ADAMS -
기타

작성일: 1993. 8. 13.
작성자: 황 호 연


카메라 렌즈의 기초 이론

1. 구경비

렌즈의 전면에는 일반적으로 렌즈 제조업체와 렌즈의 명칭, 촛점거리,구경비가 표시되어 있다. 초점거리는 f=50mm 또는 f:50mm 로 표시되며최대 조리개 또는 개방 조리개로 알려져 있는 1:1.4 혹은 1:2.8 등의비율이 표시되어 있는데 이 비율이 구경비이다.구경비는 렌즈의 밝기를 나타내며 렌즈의 최대 유효구경과 렌즈의 촛점거리의 비율이며 최대 유효구경을 1로 보았을 때 촛점거리가 최대 유효구경의 몇배인가를 표시하는 것이다. 렌즈의 촛점거리가 최대 유효구경보다 커질수록 필름에 도달하는 광량이 적어지므로 어두운 렌즈가 되는것이다.

2. 유효구경과 조리개 값

유효구경이란 렌즈의 광축에 평행하게 입사한 광선이 조리개를 통과할 수 있을 때 렌즈 전면에서 그 평행광선의 최대 지름을 의미하며 조리개를 조이면 유효구경도 작아지며 조리개 전단의 렌즈군이 보통 볼록렌즈로되어 있으므로 조리개의 지름보다 유효구걋?크다. 반대로 조리개 전단의렌즈군이 오목렌즈 형태이면 유효구경이 조리개 지름보다 작아진다.개방 조리개는 F 1.4 등으로 표시하며 항상 대문자를 사용하고 조리개를 최대한 열었을 때의 유효구경과 렌즈의 촛점거리의 비율이며 구경비와같다. 조리개 값은 각각의 조리개 상태에서의 유효구경과 촛점거리의 비율이며 현재 1을 기준으로 루트(?)2=1.414 를 공비로 하는 등비 수열로 표시하여야 한다. 단, 개방 조리개 값은 이러한 규정에서 제외하여도 좋다고되어 있으므로 개방조리개 값은 1.4, 1.7, 1.8, 2.8등 렌즈의 설계에 따라임의로 지정한다.

예) 1.8, 1.414x1.414=1.999, 1.999x1.414=2.827, 2.827x1.414=3.997,.....
*1.999는 2로 2.827는 2.8, 3.997은 4 등으로 표기한다.

렌즈의 종류에 관계없이 조리개 값이 같으면 필름에 도달하는 광량은 동일하다.

3. 촛점거리와 제2주점

단체 렌즈의 촛점거리는 렌즈에서 렌즈 곡면을 기준으로한 원의 중심점까지의 거리를 의미하지만 카메라 렌즈의 촛점거리는 무한대에 촛점을맞추었을 때 렌즈의 제2주점과 필름면 사이의 광축상의 거리를 의미한다.여기서 제2주점(2차로 가는 술집이 아님)이라는 것은 렌즈로 입사한평행광선의 연장선과 최후 렌즈에서 굴절되어 촛점에 모인 광선을 렌즈쪽으로 연장한 선이 만나는 점에서 수선을 그었을 때 그 수선과 광축이만나는 점을 말한다. (말로 쓰려니 오지게 복잡하네. 그림으로 설명하면간단한데....) 이 제2주점은 표준렌즈 계열의 렌즈에서는 조리개의 위치와동일하나 망원(TELE TYPE)의 경우에는 렌즈의 전면에 위치하며 광각의경우에는 렌즈의 후단에 위치하고 렌즈의 촛점거리와 화각등의 기준점이된다.

4. 촬영거리와 렌즈의 밝기

렌즈의 밝기나 촛점거리, 조리개의 값등은 모두 평행광선 즉, 무한대의거리로 부터 입사되는 광선이 기준이며 촬영 거리가 가까와지면 경통이전방으로 길어진다. 특히 접사렌즈의 경우에는 경통의 길이가 아주 길어져필름면에 도달하는 광량이 크게 줄어든다. 일반적인 촬영 거리에서는렌즈의 촛점거리에 비해서 렌즈의 길이의 변화가 적으므로 무시할 수있으나 촬영거리가 촛점거리의 10배 정도가 되면 필름면에 도달하는 광량의 저하가 뚜렸해진다. 이러한 이유로 접사의 경우에는 노출을 증가시켜야하며 TTL 노출계를 사용할 때는 촬영거리의 단축에 따른 광량의 변화를확인할 수 있다. (일반 렌즈는 그 렌즈의 최단 촛점거리까지 노출의 변화가없으나 접사용 렌즈나 접사기능이 있는 줌렌즈의 경우에는 노출이 변하는것을 알 수 있다.)

5. 화면의 중심과 주변부의 밝기

일부 중형 카메라와 대형카메라를 제외한 카메라 내의 필름면은 그중심의 광축과 항상 직각으로 교차하며 조리개의 수치는 이 중심부의밝기를 나타낸다. 이 밝기는 필름면의 중심에서 벗어날수록 조금씩 어두어진다.조리개를 개방한 상태로 렌즈를 정면에서 똑바로 들여다 보면 조리개의모양이 원형으로 보이지만 주변에서 비스듬이 들여다보면 렌즈의 경통에가려 조리개의 모양이 타원형으로 보이며 전체적인 면적이 좁아진다.이때 조리개를 조이면 조일수록 주변부와 중앙에서 들여다 본 모양의 차이가줄어들게 되는데 이러한 원리로 비스듬히 렌즈로 입사하여 필름의 가장자리로 들어가는 광량은 정면으로 입사하여 필름의 중앙부로 들어가는 광량보다 줄어들게 되어 필름의 주변부가 어두어지는 것이며 조리개를 조일수록 중앙부와 주변부의 광량차가 줄어들게 된다.필름의 주변부가 어두어지는 또 한 가지 이유는 광축에서 벗어날 수록광선의 주행거리가 멀어진다는 점인데 이것은 제2주점에서 필름 중앙부까지의 거리와 주변부까지의 거리가 다르기 때문이다. 제2주점에서 필름의주변 어느 지점을 연결하는 선과 광축과의 각도가 X라고 하면 그 부분의밝기는 아래표와 같이 코싸인X의 4승에 비례하여 감소한다.

표 1.

X 광량 감소량

0도(중앙) 100%
5도 98.48%
10도 94.06%
15도 87.05%
20도 77.97%
25도 67.46%
30도 56.25%
35도 45.02%
40도 34.43%
45도 25.00%

따라서, 개방 조리개에서는 위의 두가지 요인에 의하여 화면 주변부의밝기가 저하되지만 조리개를 조이면 코싸인 4승의 법칙에만 영향을 받게된다.일반 카메라의 경우에는 필름면이 고정되어 있으며 카메라나 렌즈 설계시렌즈의 이미지 써클(IMAGE CIRCLE) 중앙에 화면이 위치하도록 설계하기때문에 이러한 주변부의 광량 감소는 신경쓸 것이 못되나 쉬프트(SHIFT)가가능하도록 설계된 카메라나 파노라마 카메라의 경우에는 상당한 주의가필요하다.

6. 렌즈의 화각과 렌즈의 구분

렌즈의 화각은 무한대에 촛점을 맞추었을 때, 렌즈의 제2주점과화면의 대각선을 잇는 각도이며 이 화각에 따라 광각 렌즈, 표준렌즈,장촛점 렌즈등이 구분된다.표준렌즈는 화면의 대각선 길이와 촛점거리가 비슷한 렌즈로 화각이50도 정도로 인간의 눈이 비교적 선명하게 볼 수 있는 각도와 유사하고원근감이 자연스럽게 표현되는 렌즈를 말한다.광각렌즈는 보통 화각이 60도 이상인 것을 의미하며 화각이 30도 이하인렌즈들을 망원렌즈의 범주에 넣는다. 장촛점과 망원렌즈의 구분은 화각에의한 것이 아니며 설계상의 구분으로 장촛점 렌즈는 구조상 표준렌즈와유사한 형태이나 망원렌즈는 TELE TYPE이라 하여 제2주점을 렌즈의 전방으로 이동시켜 렌즈의 길이를 짧게 설계한 것이다. 촛점거리가 긴 망원렌즈들은 제2주점이 렌즈 밖으로 나와 있다. 이와는 반대로 광각렌즈의 경우에는 촛점거리가 너무 짧아지면 렌즈 몸체와 카메라의 밀러가 부딛히게된다. - 예를 들면 20mm 렌즈는 일반적인 설계대로 제작하면 조리개와 필름면의 거리가 2cm인데 이렇게 되면 SLR의 경우에는 렌즈를 끼울 때부터밀러를 올려놓고 끼워야 하며 촛점은 별도로 전용 화인더를 부착하거나어림잡을 수 밖에 없다. - 따라서 광각렌즈는 렌즈의 전단에 오목렌즈 군을부착하여 렌즈의 후방으로 제2주점을 이동시켜 렌즈의 길이를 길게하며렌즈의 제2주점은 카메라 안쪽에 위치하게 된다. 이런 광각 렌즈들은 일반렌즈와 구분하기 위해서 RETRO-FOCUS TYPE이라 부른다.화각에 대한 개념은 일반 렌즈와는 달리 대형 카메라용 렌즈의 경우에는렌즈에서 필름면으로 투사하는 광선의 각도를 의미하고 있으며 포괄 각도라고 하기도 한다. 이 것은 렌즈의 촛점거리와 무관하다고 볼 수 있으며렌즈의 이미지 써클을 형성하는 각도이다. 다른 카메라와는 달리 대형카메라의 필름면은 고정되어 있지 않기 때문에 필름면의 이동에 따라화면의 대각선과 제2주점을 맺는 각도가 달라지며 이때문에 일반적인 화각의 개념으로 렌즈를 구분 할 수가 없?것이다. 대형 카메라 렌즈의 경우에는 이 포괄 각도가 큰 렌즈를 광각 렌즈라 부르기도 한다.

7. 이미지 써클(IMAGE CIRCLE)

렌즈에서 나온 빛은 항상 원형으로 필름면에 투영되며 화면의 중앙부가가장 선명하고 주변으로 갈수록 점점 선명도가 떨어진다. 이것은 위에서언급한 바와 같이 화면 주변부의 광량 저하가 원인이며 이 투영원의에서허용 선예도를 유지하고 있는 범위를 이미지 써클이라 한다.이미지 써클은 35mm 카메라의 경우에는 거의 무시되고 있으나 대형카메라에서는 큰 비중을 차지하고 있다. 대형 카메라는 렌즈와 필름면을이동시켜 피사계 심도를 조절하고 피사체의 원근감이나 필름면에서의 위치를 조절할 수 있게 되어 있다. 이때 이미지 써클이 작은 렌즈를 사용하면필름면을 조금만 이동시켜도 화면의 주변부의 밝기가 눈에 띠게 떨어져카메라의 조작성에 제약을 주게된다. 따라서 대형 카메라용 렌즈는 가능한한 이미지 써클이 큰 것을 요구하게 되며 렌즈 구입시 필수적으로 확인해보아야 할 사항이다.

8. 심도와 착란원(CIRCLE OF CONFUSION)

심도에는 피사계 심도와 촛점 심도의 두가지가 있다. 피사계 심도는촛점을 맞춘 면의 전후방으로 촛점이 맞아 있는 것처럼 보이는 범위를말하며 렌즈의 촛점거리의 제곱과 촬영거리의 제곱에 반비레하여 얕아지고조리개 수치에 비례하여 깊어지며 전방의 심도는 후방의 심도보다 얕다.하지만 접사 때와 같이 아주 가까운 거리에 촛점을 맞추면 전후방의 심도차이가 매우 적어진다.촛점 심도는 필름면에서의 심도를 말하며 전후방의 심도가 같으며조리개를 조일수록 깊어지며 근거리에 촛점을 맞추면 깊어지고 원거리에촛점을 맞추면 얕아지며 허용 착란원의 크기에 의하여 정해진다.피사체의 한 점에서 나온 빛은 촛점이 정확하게 맞?있으면 필름 상의한 점에 모인다(수차에 의한 영향을 무시할 경우). 이 점이란 것은 면적이없는 것으로 지름도 물론 없다. 반면에 촛점이 정확하게 맞아 있지 않은부분의 한 점에서 나온 빛은 한 점에 모이는 것이 아니고 어떤 넓이와지름을 가진 원을 형성한다. 이것을 착란원이라 하며 이 원의 크기는 촛점에서 벗어 날 수록 크기가 점점 커진다. 필름면에서 이렇게 원을 형성하는피사체의 각 부분들은 결국은 흐리게 보여서 촛점이 맞지 않은 것으로 보이는데 원의 크기가 어느정도 커지기까지는 육안으로 구별이 불가능하고 촛점이 맞아 있는 것 같이 보인다. 이렇게 우리 눈으로는 점인지 원인지분간이 되지 않는 즉, 촛점이 맞지 않았어도 맞아있는 것 처럼 보이는원의 크기를 허용착란원이라 하며 이 허용 착란원의 크기보다 작은 원을형성하는 피사체의 범위를 피사계 심도라고 할 수 있다.허용 착란원의 크기는 인화지 상에서의 크기가 0.25-0.5mm 정도이므로35mm 카메라의 경우 네가티브 필름상에서는 0.025mm 이하여야 한다( 어떤책에는 35mm 카메라의 경우 허용 착란원의 크기가 0.033mm로 규정되어있다고 수록되어 있다). 착란원은 크기는 조리개를 조일수록 광선의 입사각이 좁아져 그 크기가 작아지므로 결국은 피사계 심도가 깊어지는 것이다.* 최상품의 렌즈라 하더라도 사실상 피사체의 한 점에서 나온 빛이 촛점이정확하게 맞아 있다 하더라도 필름상의 한 점에 모이는 것은 불가능하며어느정도 크기의 원을 형성한다. 이것은 빛의 회절 현상에 의한 영향이며성능이 우수한 렌즈는 이러한 원의 크기가 아주 작기 때문에 점인 것으로인정할 뿐이다.

9. 코팅(COATING)

일반적으로 코팅되지 않은 렌즈를 통과하는 광선은 렌즈와 공기의경계면에서 약 4% 정도의 빛이 반사에 의하여 유실되므로 한 매의 렌즈를통과하더라도 약 8%의 광량이 떨어진다. 또 렌즈 두께 1cm 당 1% 정도의빛이 흡수되므로 광량의 감소는 더욱 떨어지게 되어 6군 7매 정도의 표준렌즈를 통과하여 필름면에 도달하는 광량은 원래의 광량의 52%도 되지않는다. 이러한 현상은 단순히 필름면에 도달하는 광량의 감소에 그치는것이 아니라 반사광에 의한 플레어(FLARE)로 랜즈의 성능에 막대한 영향을주며 렌즈의 조리개 수치에 대한 광량의 정확도도 떨어진다.코팅은 렌즈의 표면에 특정한 물질을 진공 증착의 방법으로 얇게 입히는것으로 이 물질의 굴절율은 렌즈의 굴절율과 밀접한 관계가 있으며 코팅의두께는 반사를 제거하려 하는 빛의 파장과 관계가 있다. 이 코팅의 장점은크게 두가지 측면으로 볼 수 있는데, 한 가지는 렌즈의 효율에 관한 것으로광선의 투과량을 증가시켜 같은 개방 조리개의 렌즈라 하더라도 실제로는더 밝은 렌즈가 되고 조리게의 수치에 따른 광량의 변화가 정확해 진다는것이며, 두번째는 화질에 관한 측면으로 플레어의 감소로 인한 화상의선예도와 콘트라스의 증가이다.카메라 렌즈에 코팅 기술을 최초로 적용한 "아사히 광학"의 경우 현재PENTAX 렌즈에 사용되고 있는 7층 수퍼 멀티코팅(SUPER MULTI-COATING:SMC)의 경우 렌즈 표면에서의 반사율이 0.2%라고 주장하고 있으며 다른업체의 렌즈도 별 차이가 없을 것이므로 최근의 멀티코팅 렌즈의 표면반사율은 코팅이 되어 있지 않던 렌즈들의 1/20에 불과한 것이다. 이러한코팅 기술의 발전은 줌 렌즈의 실용화에도 지대한 공헌을 하였다.

10. 비구면(ASPHERICAL LENS) 렌즈 와 초저분산(EXTRA-LOW DISPERSION) 렌즈

색 수차를 제외한 렌즈의 모든 수차는 렌즈가 구면으로 설계되어 있기때문에 발생하는 것이며 이들 수차는 렌즈가 밝아지고 화각이 넓어 질수록심해져서 같은 종류의 광학 유리를 사용할 경우에는 밝은 렌즈일 수록 렌즈의 성능이 떨어지며 광각 렌즈가 더 성능이 떨어지게 된다.비구면 렌즈는 렌즈의 주변부를 특수하게 연마하여 렌즈의 중앙부로입사한 광선과 주변부로 입사한 광선이 한점에 모이도록하여 구면 수차를제거한 렌즈로 주로 대구경 표준렌즈와 광각렌즈에 사용한다. 또 이 비구면렌즈는 의곡 수차(BARREL DISTORTION)의 보정에도 큰 효과가 있다.렌즈의 촛점거리가 길어지면 135mm 정도까지는 문제가 없으나 200mm정도를 경계로하여 300mm 이상이 되면 색수차 때문에 화상의 콘트라스트가크게 떨어지게 된다. 이것은 렌즈의 광학유리가 같을 경우 촛점거리가 길어질수록 색?분산 범위가 커지기 때문이며 따라서 렌즈의 성능을 향상시키기 위해서는 굴절율이 적고, 빛의 분산도 적으며 분산의 성질도 일반 광학유리와는 다른 재질이 필요하게 되었는데 이러한 요구에 적합한 형석 렌즈의 개발로 망원 렌즈의 성능은 진일보하게 되었다. 이 형석 렌즈는 불화칼슘의 인공 결정체로 렌즈의 표면 반사율이 적고 월등한 부분적 분산율과넓은 범위의 빛의 파장을 통과 시킬 수 있는 성질을 가지고 있으므로 망원렌즈의 성능 향상과 소형화, 대구경화를 가능하게 하였다.