줌렌즈

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1. 개요
2. 특징
- 2.1. 작동 원리
3. 역사
4. 설계
5. 가변 초점 렌즈 (Varifocal lens)
참조

1. 개요

줌 렌즈는 최단 초점 거리와 최장 초점 거리의 비율로 성능을 나타내는 렌즈이다. 다양한 광학 기기에 사용되며, 줌 렌즈의 역사는 1834년 광학 망원경에 사용된 초기 형태에서 시작되었다. 1902년 클라일 C. 앨런은 최초의 진정한 줌 렌즈를 특허 등록했으며, 1959년 킬피트 줌마 렌즈는 일반 생산된 최초의 35mm 필름 사진용 가변 초점 렌즈였다. 줌 렌즈는 복잡한 설계로, 배율 변화에도 초점이 맞는 이미지를 유지하기 위해 초점면의 움직임을 보상해야 한다. 대부분의 줌 렌즈는 실제로는 가변 초점 렌즈이며, 자동 초점 기능과 함께 사용된다.

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줌렌즈
줌 렌즈
종류	사진 렌즈
발명가	알버트 킹슬레이 테일러
발명일	1959년
개요
정의	가변 초점 거리를 갖는 렌즈
작동 방식	렌즈 요소의 상대적 위치를 변경하여 초점 거리를 조정
특징	다양한 화각 제공 광학 성능 저하 가능성
용어
줌 비율	최대 초점 거리와 최소 초점 거리의 비율
광학 줌	렌즈의 물리적 움직임을 통해 초점 거리를 변경
디지털 줌	이미지의 중앙 부분을 확대하여 초점 거리를 변경 (화질 저하 발생)
파포컬 렌즈	줌 변경 시 초점이 유지되는 렌즈
역사
최초의 줌 렌즈	텔레포토 줌 렌즈 (1894년)
최초의 가변 초점 렌즈	알버트 킹슬레이 테일러 (1959년)
장점 및 단점
장점	다양한 화각을 하나의 렌즈로 커버 가능 렌즈 교환의 번거로움 감소
단점	단일 초점 렌즈에 비해 광학 성능이 떨어질 수 있음 최대 조리개 값이 어두울 수 있음 크고 무거울 수 있음
종류
표준 줌 렌즈	18-55mm, 24-70mm 등 일반적인 화각을 커버
광각 줌 렌즈	10-24mm 등 넓은 화각을 제공
망원 줌 렌즈	70-200mm, 100-400mm 등 먼 거리를 촬영
슈퍼 줌 렌즈	18-200mm, 18-300mm 등 넓은 줌 범위를 가짐
기술적인 측면
렌즈 디자인	여러 개의 렌즈 요소로 구성되어 수차를 보정
손떨림 보정 기능	이미지 센서 또는 렌즈 요소를 움직여 흔들림을 보정
조리개	렌즈를 통과하는 빛의 양을 조절
활용
사진	풍경, 인물, 스포츠 등 다양한 분야에서 활용
비디오	다큐멘터리, 영화 등 다양한 영상 제작에 활용

2. 특징

줌 렌즈는 최장 초점 거리와 최단 초점 거리의 비율(줌 배율)로 성능을 표현한다. 예를 들어 100mm에서 400mm까지 초점 거리를 조절할 수 있는 줌 렌즈는 4:1 또는 "4×" 줌 렌즈라고 부른다.^[3] 줌 배율이 높을수록 더 넓은 범위의 화각을 촬영할 수 있지만, 일반적으로 단렌즈에 비해 이미지 품질이 떨어진다. 2009년 기준으로 3배 줌을 초과하는 사진 줌 렌즈는 단렌즈와 동일한 수준의 이미지 품질을 내기 어렵다.

디지털 줌은 이미지 센서의 일부 영역을 확대하는 방식이므로, 렌즈 자체의 초점 거리를 조절하는 광학 줌보다 화질이 떨어진다. 많은 디지털 카메라가 광학 줌과 디지털 줌 기능을 모두 제공하며, 두 기능을 결합하여 사용하기도 한다.

전문 비디오 및 TV 렌즈는 높은 줌 비율을 특징으로 할 수 있는데, 낮은 해상도로 움직이는 이미지를 기록할 때는 품질 저하가 덜 감지되기 때문이다. 높은 줌 비율의 TV 렌즈는 복잡하며 수십 개의 광학 소자를 가지고 있으며, 종종 25kg 이상이다.^[4]

2. 1. 작동 원리

줌 렌즈는 최장 초점 거리와 최단 초점 거리의 비율로 설명된다. 예를 들어, 초점 거리가 100mm에서 400mm까지인 줌 렌즈는 4:1 또는 "4×" 줌으로 설명할 수 있다. 슈퍼줌 또는 하이퍼줌이라는 용어는 매우 큰 초점 거리 계수를 가진 사진 줌 렌즈에 사용된다. 일반적으로 3×를 초과하는 사진 줌 렌즈는 단렌즈와 같은 수준의 이미지 품질을 생성할 수 없다.^[3]

일부 사진 줌 렌즈는 망원 렌즈이며 표준 렌즈보다 초점 거리가 길고, 일부는 광각 렌즈(''표준''보다 넓다)이다. 다른 렌즈는 광각에서 망원까지의 범위를 커버하며, 이 렌즈들은 때때로 "표준" 줌이라고도 불린다. 이 렌즈의 표시는 일반적으로 "광각"과 "망원"을 의미하는 '''W'''와 '''T'''로 표시된다.

일부 디지털 카메라는 더 긴 초점 거리 줌 렌즈(더 좁은 시야각)의 효과를 에뮬레이션하기 위해 캡처된 이미지의 자르기 및 확대를 허용한다. 이것은 일반적으로 디지털 줌으로 알려져 있으며 광학 줌보다 낮은 광학 해상도의 이미지를 생성한다. 많은 디지털 카메라는 광학 줌과 디지털 줌을 모두 가지고 있으며, 결합하여 사용하기도 한다.

줌 및 슈퍼줌 렌즈는 사진기, 비디오 카메라, 영화 카메라, 카메라, 이미지 프로젝터, 쌍안경, 현미경, 망원경, 조준경 및 기타 광학 기기와 함께 사용된다. 또한, 줌 렌즈의 무초점 시스템 부분은 가변 배율의 광학 망원경으로 사용되어 조절 가능한 빔 확장기를 만들 수 있다.

3. 역사

1834년 왕립 학회 회보에 초기 형태의 줌 렌즈가 보고되었다.^[7] 1902년 클라일 C. 앨런은 최초의 진정한 ''줌'' 렌즈를 특허(US patent) 받았다.^[7] 1927년 영화 "그것(It)"의 오프닝 샷에서 줌 렌즈가 사용된 초기 사례를 볼 수 있다. 1932년, 벨 앤 하웰은 35mm 영화 카메라용 Cooke "Varo" 40–120 mm 렌즈를 출시했다.^[7]

1959년, 킬피트는 35mm 사진용 줌마 36–82 mm/2.8 렌즈를 출시했다.^[8] 1950년경 SOM-Berthiot에서 일하던 프랑스 엔지니어 로저 큐빌리에는 광학 보상 줌 시스템을 가진 Pan-Cinor 렌즈를 설계했다. 1956년, 피에르 앙제뉴는 줌 시 정밀한 초점을 가능하게 하는 기계적 보상 시스템을 도입한 16mm용 17-68mm 렌즈를 1958년에 출시했다. 같은 해, 앙제뉴 4배 줌의 35mm 버전인 35-140mm의 프로토타입은 촬영 감독 로저 펠루에 의해 줄리 라 로스(Julie La Rousse) 제작에 처음 사용되었다. 앙제뉴는 16mm 영화 카메라용 12-120mm 및 35mm 영화 카메라용 25-250mm를 포함한 10대 1 줌 렌즈 설계를 인정받아 1964년 영화 예술 과학 아카데미에서 기술상을 수상했다.

1986년, 펜탁스 줌 70은 소비자용 소형 카메라에 탑재된 최초의 줌 렌즈였다. 이후 광학 렌즈 설계의 발전, 특히 광학 광선 추적을 위한 컴퓨터의 사용으로 줌 렌즈의 설계 및 제작이 훨씬 쉬워졌으며, 현재 전문 및 아마추어 사진 촬영에 널리 사용되고 있다.^[7]

4. 설계

줌 렌즈는 다양한 설계가 가능하며, 가장 복잡한 렌즈는 30개 이상의 개별 렌즈 요소와 여러 개의 움직이는 부품을 가지고 있다. 그러나 대부분은 동일한 기본 설계를 따른다. 일반적으로 고정되거나 렌즈 본체를 따라 축 방향으로 미끄러질 수 있는 여러 개의 개별 렌즈로 구성된다. 줌 렌즈의 배율이 변하더라도 초점이 맞는 이미지를 선명하게 유지하려면 초점면의 움직임을 보상해야 한다. 이러한 보상은 기계적 수단(렌즈의 배율이 변하는 동안 전체 렌즈 어셈블리를 이동) 또는 광학적 수단(렌즈가 줌될 때 초점면의 위치가 가능한 한 적게 변하도록 배열)으로 수행할 수 있다.

줌 렌즈의 간단한 설계는 어셈블리를 두 부분으로 나눈다. 표준 고정 초점 거리 사진 렌즈와 유사한 초점 렌즈와, 빛을 초점을 맞추지는 않지만 통과하는 빛의 빔의 크기를 변경하여 렌즈 시스템의 전체 배율을 변경하는 고정 및 가동 렌즈 요소의 배열인 무초점 줌 시스템이 그 앞에 위치한다.

간단한 줌 렌즈 시스템. 무초점 시스템의 세 개의 렌즈는 ''L''₁, ''L''₂, ''L''₃ (왼쪽부터)이다. ''L''₁과 ''L''₂는 좌우로 움직여 시스템의 전체 초점 거리를 변경할 수 있다(아래 이미지 참조).

이 간단한 광학 보정 줌 렌즈에서 무초점 시스템은 두 개의 양의(수렴) 렌즈(렌즈 ''L''₁과 ''L''₃)와 그 사이에 음의(발산) 렌즈(''L''₂)로 구성되며, 음의 렌즈의 절대 초점 거리는 양의 렌즈의 절반보다 짧다. 렌즈 ''L''₃는 고정되어 있지만, 렌즈 ''L''₁과 ''L''₂는 특정 비선형 관계에서 축 방향으로 이동할 수 있다. 이러한 움직임은 일반적으로 렌즈 하우징의 복잡한 기어와 캠 배열에 의해 수행되지만, 일부 최신 줌 렌즈는 컴퓨터 제어 서보를 사용하여 이 위치 지정을 수행한다.

음의 렌즈 ''L''₂가 렌즈의 앞쪽에서 뒤쪽으로 이동하는 동안, 렌즈 ''L''₁은 포물선 호를 그리며 앞으로 이동한 다음 뒤로 이동한다. 이렇게 함으로써 시스템의 전체 각 배율이 변하여 줌 렌즈 전체의 유효 초점 거리가 변경된다. 표시된 세 지점 각각에서 세 렌즈 시스템은 무초점(빛을 발산하거나 수렴하지 않음)이므로 렌즈의 초점면 위치를 변경하지 않는다. 이 지점 사이에서 시스템은 정확히 무초점이 아니지만, 초점면 위치의 변화는 작을 수 있어(잘 설계된 렌즈의 경우 약 ±0.01 mm) 이미지의 선명도에 큰 변화를 주지 않는다.

줌 렌즈 설계에서 중요한 문제는 렌즈의 전체 작동 범위에서 광학 수차(예: 색수차 및 특히 면 굽음)의 보정이다. 이는 하나의 초점 거리에 대한 수차만 보정하면 되는 고정 렌즈보다 줌 렌즈에서 훨씬 더 어렵다. 이 문제는 줌 렌즈의 느린 채택의 주요 원인이었으며, 초기 설계는 현대의 고정 렌즈보다 상당히 열등했고 좁은 범위의 f-number에서만 사용할 수 있었다. 현대 광학 설계 기술을 통해 가변적인 초점 거리와 조리개에서 우수한 수차 보정을 갖춘 줌 렌즈를 제작할 수 있게 되었다.

시네마토그래피 및 비디오 응용 분야에 사용되는 렌즈는 초점 거리가 변경되는 동안 초점을 유지해야 하지만, 사진 촬영 및 투사 렌즈로 사용되는 줌 렌즈에는 그러한 요구 사항이 없다. 초점 거리가 변경된 후 재초점이 필요한 렌즈(엄밀히 말하면 가변 초점 렌즈이며 줌 렌즈가 아님)와 동일한 이미지 품질로 초점을 변경하지 않는 렌즈를 제작하는 것이 더 어렵기 때문에 후자의 응용 분야에서는 종종 후자의 렌즈를 사용한다. 최신 사진기의 대부분은 자동 초점을 사용하므로 이는 문제가 되지 않는다.

줌 배율이 큰 줌 렌즈 설계자는 종종 더 높은 이미지 선명도를 위해 하나 이상의 수차를 거래한다. 예를 들어, 광각에서 망원까지 초점 거리 범위를 10배 이상의 초점비로 포괄하는 렌즈에서는 고정 초점 거리 렌즈 또는 비율이 낮은 줌 렌즈에서 허용되는 것보다 더 큰 정도의 통 및 핀쿠션 왜곡을 허용한다. 현대 설계 방법이 이 문제를 지속적으로 줄여 왔지만, 이러한 대형 비율 렌즈에서는 1% 이상의 통 왜곡이 일반적이다. 또 다른 대가는 렌즈의 극단적인 망원 설정에서 렌즈가 더 가까운 물체에 초점을 맞추는 동안 유효 초점 거리가 크게 변한다는 것이다. 렌즈가 무한대에서 중간 근접 촬영으로 초점을 맞출 때 나타나는 초점 거리가 절반 이상으로 줄어들 수 있다. 더 작은 정도로는, 이 효과는 배율 변화를 위해 전체 렌즈 대신 내부 렌즈 요소를 이동하는 고정 초점 거리 렌즈에서도 나타난다.

5. 가변 초점 렌즈 (Varifocal lens)

대부분의 "줌" 렌즈는, 특히 렌즈 교환이 불가능한 카메라에 사용되는 경우, 실제로는 ''가변 초점 렌즈''이다. 가변 초점 렌즈는 초점 거리를 변경한 후 다시 초점을 맞춰야 한다. 그러나 자동 초점 기능과 디지털 기술의 발전으로, 가변 초점 렌즈도 줌 렌즈처럼 편리하게 사용할 수 있게 되었다.

참조

_[1] 웹사이트 Parfrocal Lenses http://www.rogercava[...] 2003-05-29
_[2] 웹사이트 Tamron 18-270mm f/3.5-6.3 Di II VC LD Lens Review http://www.the-digit[...] 2013-03-20
_[3] 웹사이트 Panavision debuts the 300x Digital Zoom lens – LetsGoDigital http://www.letsgodig[...] 2018-05-01
_[4] 웹사이트 Broadcast camera lenses at the Olympics can cost as much as a Lamborghini https://www.popsci.c[...] 2018-02-16
_[5] 서적 Business and Corporate Aviation Management : On Demand Air Travel: On Demand Air Travel https://books.google[...] McGraw Hill Professional 2003-06-12
_[6] 뉴스 Funding Opportunities in Chile (Anuncio de Oportunidades) http://www.eso.org/p[...] 2014-05-02
_[7] 서적 A History of the Photographic Lens https://archive.org/[...] Academic Press 1989
_[8] 뉴스 Zoom Lens for Stills https://timesmachine[...] 1959-03-15

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