카메라 렌즈
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1. 개요
카메라 렌즈는 초점 거리, 초점 거리 가변 여부, 특수 목적에 따라 분류되며, 렌즈의 분류에 따라 다양한 기능을 수행한다. 렌즈는 핀홀 카메라의 한계를 극복하기 위해 고안되었으며, 초점 거리와 최대 조리개는 렌즈의 기본적인 매개변수이다. 렌즈는 여러 개의 렌즈 요소로 구성되며, 렌즈의 성능을 향상시키기 위해 다양한 코팅 기술과 특수 렌즈 기술이 적용된다. 렌즈는 카메라와 렌즈 간의 호환성을 위해 다양한 렌즈 마운트를 사용하며, 칼 자이스, 라이카, 니콘 등 여러 제조사에서 생산된다.
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| 카메라 렌즈 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 광학 렌즈 또는 렌즈 어셈블리 |
| 용도 | 카메라로 이미지를 만드는 데 사용 |
| 상세 정보 | |
| 구성 요소 | 렌즈 요소 조리개 초점 메커니즘 |
| 변수 | 초점 거리 조리개 초점 범위 |
| 관련 항목 | 카메라 사진 렌즈 설계 렌즈 수차 |
2. 렌즈의 분류
사진 렌즈는 초점 거리와 초점 거리의 변동 가능성, 집광 방식 등에 따라 여러 가지로 분류할 수 있다. 일반적으로 사용되는 장초점 렌즈, 표준 렌즈, 광각 렌즈 등은 초점 거리에 따라 분류되며, 줌 렌즈와 단초점 렌즈는 초점 거리 변동 유무에 따라 분류된다.
반사 렌즈와 같이 유리 렌즈 대신 거울을 사용하는 렌즈도 있다. 사진 왜곡 조정, 해상력, 최소 초점 거리에 따라 매크로 렌즈, 소프트 렌즈, 어안 렌즈, TS(Tilt-Shift) 렌즈 등 다양한 세부 분류도 존재한다.
광학 렌즈의 두 가지 기본 매개변수는 초점 거리와 최대 조리개이다. 렌즈의 초점 거리는 이미지 평면에 투사되는 이미지의 배율을 결정하고, 조리개는 해당 이미지의 광도를 결정한다. 주어진 사진 시스템에서 초점 거리는 화각을 결정하며, 짧은 초점 거리는 긴 초점 거리 렌즈보다 더 넓은 시야를 제공한다. 더 넓은 조리개(더 작은 f-수)는 동일한 노출에 대해 더 빠른 셔터 속도를 사용할 수 있게 해준다.
렌즈의 최대 사용 가능 조리개는 렌즈의 초점 거리를 유효 조리개(또는 입사 동공)로 나눈 값인 f-number 또는 초점비로 지정되며, 이는 무차원 숫자이다. f-수가 낮을수록 초점면의 광도가 높아진다. 더 큰 조리개(더 작은 f-수)는 다른 조건이 동일할 때 더 작은 조리개보다 훨씬 얕은 피사계 심도를 제공한다.
초점 거리는 일반적으로 밀리미터(mm)로 지정되지만, 구형 렌즈는 센티미터(cm) 또는 인치로 표시될 수 있다.
2. 1. 초점 거리에 따른 분류
사진 렌즈는 초점 거리에 따라 여러 종류로 나뉜다. 일반적으로 사용되는 장초점 렌즈, 표준 렌즈, 광각 렌즈는 초점 거리에 따라 분류된 것이다.
일반적으로 카메라 화면의 대각선 길이와 거의 비슷한 초점 거리를 가진 렌즈가 표준 렌즈로 불린다. 예를 들어 35mm 포맷 카메라에서 초점 거리는 약 50mm이며, 화각은 약 47°이다. 표준 렌즈보다 초점 거리가 짧은 렌즈를 광각 렌즈, 긴 렌즈를 장초점 렌즈라고 한다.[44]
광각 렌즈는 화각이 크기 때문에 넓은 범위의 물체가 화면에 들어온다. 가까운 거리에서 넓은 범위를 촬영할 수 있지만, 표준 렌즈로 촬영한 화면과 비교하면 원근감이 과장되거나 카메라 위치에 따라 비뚤어져 보일 수 있다.[44]
장초점 렌즈는 화각이 작고 원근감 효과도 작으며 거리감도 없어진다. 하지만 원거리의 물체를 비교적 크게 촬영할 수 있다. 장초점 렌즈는 원통 길이가 길어져 휴대나 조작이 불편하므로, 망원 렌즈 형식을 써서 짧게 만든다. 이는 렌즈의 앞부분에는 볼록 렌즈(수렴 렌즈), 뒷부분에는 오목 렌즈(발산 렌즈)를 배치하여, 앞부분에서 약간 지나치게 수렴된 광속을 뒷부분의 발산계에서 수렴 정도를 늦춰 짧은 원통으로 긴 초점 거리를 얻는 방식이다.[44]
주어진 필름 또는 센서 크기에 대해 렌즈는 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 표준 렌즈: 대각선의 화각 약 50°이며 초점 거리는 이미지 대각선과 거의 같다.
- 광각 렌즈: 60°보다 넓은 화각과 표준보다 짧은 초점 거리.
- 망원 렌즈: 필름 또는 센서의 대각선 측정값보다 긴 초점 거리를 가진 모든 렌즈.[10] 화각이 더 좁다. 가장 일반적인 유형의 망원 렌즈는 망원 렌즈이며, 렌즈가 초점 거리보다 짧도록 특수한 광학 구성을 사용하는 디자인이다.
다른 초점 거리를 가진 렌즈를 사용하면 피사체를 프레이밍할 수 있는 거리가 달라져 다른 원근법이 발생한다. 광각, 표준, 망원 렌즈를 사용하여 손을 뻗은 사람의 사진을 찍을 때, 피사체와의 거리를 변경하여 동일한 이미지 크기를 유지할 수 있지만, 원근법은 다르게 나타난다. 광각 렌즈를 사용하면 손이 머리에 비해 과장되게 크게 나타나며, 초점 거리가 증가할수록 뻗은 손에 대한 강조는 줄어든다.
사진 역사상 가장 밝은 조리개 렌즈는 1966년 달의 뒷면을 촬영하기 위해 설계 및 제작된 칼 자이스 플라나 50mm f/0.7이다.[11] 이 렌즈 중 3개는 영화 제작자 스탠리 큐브릭이 1975년 영화 ''배리 린든''의 장면을 촬영하기 위해 구입했으며, 촛불을 유일한 광원으로 사용했다.[12][13][14]
초점 거리가 고정된 렌즈는 초점 거리를 연속적으로 변경할 수 있는 줌 렌즈와 대비되는 개념이다. 줌 렌즈에 비해 렌즈 구성 매수가 적어 역광에 강하고, 소형 경량이며, 색수차, 이미지 왜곡, 일그러짐을 보정하기 쉽고, F값을 작게 하기 쉬워 폭넓은 조리개 선택을 통해 풍부한 표현이 가능하다는 특징이 있다. 또한, 조리개를 열어 빠른 셔터 속도로 촬영할 수도 있다.
- 표준 렌즈: 화각이 인간의 육안이 보통 사물을 볼 때의 화각에 가깝다고 알려져 있지만, 라이카 판(디지털 일안 반사식 카메라에서는 35mm 풀 사이즈)에서 일반적으로 표준 렌즈로 여겨지는 (라이카 판 환산) 50 mm의 대각선 화각 46°는 "눈에 들어오는 범위"보다 상당히 좁고 망원 쪽에 가깝다. 이는 라이카가 50 mm를 표준으로 했기 때문이라는 역사적인 이유가 크다. 교환식 렌즈에서는 주력 라인업이기 때문에, 특히 고정 초점에서는 F값이 작고 밝은 렌즈가 많다.
- 광각 렌즈: 표준 렌즈보다 초점 거리가 짧고 넓은 화각을 가진 렌즈. 초점 거리가 표준 렌즈에 가깝고 온화한 표현이 되는 것을 "준표준 렌즈", 특히 초점 거리가 짧고 광각인 것을[21] "초광각 렌즈"라고 부르기도 하지만 명확한 정의는 없다. 광학적인 이유로, 피사계 심도가 깊다. 넓은 화각 때문에 원근감이 강하게 표현된다.
- 망원 렌즈: 표준 렌즈보다 초점 거리가 길고 좁은 화각을 가진 렌즈. 초점 거리가 표준 렌즈에 가깝고 온화한 표현이 되는 것을 "중망원 렌즈", 특히 초점 거리가 길고 협각인 것을[22] 초망원 렌즈라고 부르는 경우도 많지만 명확한 정의는 없다. 광학적인 이유로, 피사계 심도가 얕다. 좁은 화각으로 인해 원근감이 희박해진다 (압축 효과).
화각(초점 거리)을 일정 범위 내에서 연속적으로 변화시킬 수 있는 렌즈를 줌 렌즈라고 한다. 과거에는 화각 변화에 따라 초점 이동이 없는 것을 줌 렌즈, 초점 이동이 발생하는 것을 포함하여 바리포컬 렌즈(가변 초점 렌즈)로 분류했지만, 최근에는 특별히 분류하지 않는 경우가 많다.
줌 렌즈는 F값이 크고 어두운 렌즈가 많으며, 렌즈 구성 매수가 많아 크고 무거워지기 쉽고, 색수차나 이미지 왜곡, 굴곡 보정이 어렵다는 단점이 있었다. 하지만 광학 설계 기술 진보에 따라 단점은 축소되는 경향이 있다.
초점 거리 50mm를 줌 영역 중심 부근에 가진 줌 렌즈를 표준 줌이라고 부르며, 그보다 긴 것을 망원 줌, 짧은 것을 광각 줌이라고 부른다. 극단적으로 긴 것을 초망원, 짧은 것을 초광각이라고 부르기도 한다. 줌 배율이 10배를 넘는 것은 특히 고배율 줌이라고 불리는 경우가 있다.
2. 2. 초점 거리 가변 여부에 따른 분류
사진 렌즈는 초점 거리의 변경 가능 여부에 따라 줌 렌즈와 단초점 렌즈로 나뉜다.- '''줌 렌즈''': 내부 부품을 움직여 초점 거리를 연속적으로 바꿀 수 있는 렌즈이다. 렌즈 배럴을 돌리거나 전동 모터 버튼을 눌러 조작한다.[18] 광각에서 표준, 망원까지, 또는 표준에서 망원까지 등 다양한 줌 범위를 가진다. 줌 범위는 제조상의 제약으로 제한되지만, 소형 카메라에 널리 쓰인다. 전동 줌 렌즈는 초점, 조리개 등도 전동으로 조작할 수 있다. 줌 렌즈의 종류는 다음과 같다.
- '''광학 보정식 줌 렌즈''': 광학 설계 단계에서 초점 이동을 최소화하여 줌 작동 시 초점 이동을 줄인다.
- '''기계 보정식 줌 렌즈''': 정밀 캠을 사용하여 렌즈군을 비선형적으로 이동시켜 줌 작동 시 초점 이동을 보정한다.
- '''전자 보정식 줌 렌즈''': 카메라 본체의 오토 포커스 기능을 이용하여 줌 작동 시 초점 이동을 전자적으로 보정한다.
- '''단초점 렌즈''': 초점 거리가 고정된 렌즈이다. 줌 렌즈에 비해 구조가 간단하여 역광에 강하고, 소형 경량이며, 색수차나 왜곡 보정이 쉽다. 또한, F값을 작게 만들기 쉬워 다양한 표현이 가능하다.[24] 사진 학교 등에서는 줌 렌즈보다 단초점 렌즈부터 시작하는 것을 권장하기도 한다.
과거에는 줌 렌즈가 단초점 렌즈보다 화질이 떨어진다는 인식이 있었으나, 기술 발전으로 격차가 줄어들어 프로 사진작가들도 줌 렌즈를 사용한다.[24]
줌 렌즈는 초점 거리에 따라 표준 줌, 망원 줌, 광각 줌 등으로 나뉘며, 10배 이상 줌 배율을 가진 렌즈는 고배율 줌이라고 불린다. 디지털 줌은 이미지를 확대하고 잘라내는 방식이므로, 광학 줌과 달리 화질 저하가 발생할 수 있다.[25]
2. 3. 특수 목적 렌즈
사진 렌즈는 초점 거리와 초점 거리의 변동 가능성, 집광 방식 등에 따라 여러 종류로 나뉜다. 일반적인 장초점 렌즈, 표준 렌즈, 광각 렌즈 등은 초점 거리에 따라 분류되며, 줌 렌즈와 단초점 렌즈는 초점 거리 변동 유무에 따라 분류된다.[18]반사 렌즈처럼 유리 렌즈 대신 거울을 사용하는 렌즈도 있다. 또한, 사진 왜곡 조정, 해상력, 최소 초점 거리에 따라 매크로 렌즈, 소프트 렌즈, 어안 렌즈, TS(Tilt-Shift) 렌즈 등 다양한 세부 분류가 존재한다.
- '''어안 렌즈''': 보통 왜곡 수차는 최대한 보정하지만, 왜곡 수차를 제어한 상태로 남겨 이미지가 왜곡되어 특수한 효과를 내는 초광각 렌즈이다.
- '''PC 렌즈''': PC는 Perspective Control(원근 제어)의 약자로, 시프트 렌즈라고도 한다. 렌즈계의 평행 이동이 가능한 시프트 기구를 내장하고 있다. 예를 들어 높은 건물 전체를 촬영할 때 일반 렌즈를 사용하면 위로 갈수록 좁아지는 형태로 찍히지만, PC 렌즈를 사용하면 카메라를 수평으로 유지한 채 렌즈계만 위로 평행 이동시켜 수직 방향이 평행인 이미지를 얻을 수 있다. 시프트 기구와 틸트 기구를 모두 가진 렌즈는 제조사에 따라 TS-E, PC-E 렌즈 등으로 불리며, 샤인플루그 법칙에 의해 팬 포커스(pan focus) 효과나 부자연스럽게 초점이 맞는 범위를 좁히는 효과를 낼 수 있다.
- '''팬케이크 렌즈''': 렌즈 전체 길이가 팬케이크처럼 얇고 가벼운 렌즈이다. 바디에 장착해도 부피가 크지 않아 가방에 수납하기 쉽고, 스냅 사진용으로 사용된다. 주로 테서형 광학계를 사용하지만, 더블 가우스형을 채용한 제품도 있다.
포커스 링 끝에 촬영 배율이 적혀 있다
- '''매크로 렌즈''': 일반 렌즈보다 높은 촬영 배율로 접사 촬영을 할 수 있도록 설계된 렌즈이다. 통상적인 매크로 렌즈는 최대 촬영 배율이 1/2배[26] 또는 등배[27]인 경우가 많다. "망원 매크로" 렌즈는 동물 등에 접근하지 않고 크게 촬영할 수 있도록 피사체와의 거리를 길게 할 수 있다. 문헌 복사, 생물/공예품 세부 부품 촬영 등에 사용되지만, 접사뿐만 아니라 무한대부터 초점이 맞아 통상적인 촬영에도 대응 가능하다. 피사계 심도가 얕아 인물 사진 등에도 사용된다. 매크로 사진 전용 특수 렌즈는 1~20배 정도의 촬영에 특화되어 있으며, 현미경 대물 렌즈와 비슷한 형태이다. 니콘(Nikon)은 설계 배율이 등배 이하인 제품을 "마이크로 렌즈", 등배를 초과하는 제품을 "매크로 렌즈"로 구분한다.[28]
- '''소프트 렌즈''': 소프트 포커스 렌즈라고도 한다. 하이라이트 부분에서 빛이 번지는 듯한 묘사가 가능하다. 의도적으로 구면 수차를 발생시켜 부드러운 묘사를 만들며, 소프트 효과를 끄고 일반 촬영도 가능한 렌즈도 있다.
- '''아포크로매트(apo) 렌즈'''는 색수차에 대한 수정이 추가되었다.
- '''프로세스 렌즈'''는 기하학적 수차(핀쿠션 왜곡, 배럴 왜곡)에 대한 극심한 보정을 가지며, 특정 거리와 작은 조리개에서 사용하도록 설계되었다.
- '''확대기 렌즈'''는 카메라가 아닌 사진 확대기(특수 프로젝터)와 함께 사용하도록 만들어졌다.
- '''항공 사진용 렌즈'''.
- '''시프트 렌즈'''를 사용하면 원근 왜곡을 수정하거나 과장하기 위해 렌즈를 필름 또는 센서 평면에 대해 올리거나 내릴 수 있다.
- '''입체 렌즈'''는 적절한 뷰어로 볼 때 3차원 효과를 제공하는 사진 쌍을 생성한다.
- '''적외선 렌즈'''
- '''자외선 렌즈'''
- '''스위블 렌즈'''는 독특한 원근감과 카메라 앵글을 제공하기 위해 카메라 본체에 부착된 상태에서 회전한다.
- '''시프트 렌즈 및 틸트/시프트 렌즈'''(총칭하여 원근 제어 렌즈)는 뷰 카메라 움직임을 모방하여 SLR 카메라에서 원근에 대한 특수 제어를 허용한다.
- '''원심 렌즈(또는 정사 렌즈)'''는 렌즈와의 거리에 관계없이 모든 객체를 동일한 크기로 보이게 한다.
3. 렌즈의 작동 원리
전형적인 직선 렌즈는 "개선된" "렌즈"로 생각할 수 있다. 핀홀 카메라는 작은 구멍을 통해 빛을 받아들여 이미지를 형성하는데, 이 구멍은 빛의 대부분을 차단하고 이미지 센서의 각 지점에 대해 물체에서 오는 하나의 광선만을 선택한다. 그러나 핀홀 렌즈는 다음과 같은 몇 가지 제한 사항이 있다.
- 큰 조리개를 가진 핀홀 카메라는 이미지가 흐릿하다. 각 픽셀은 조리개 멈춤의 그림자이므로, 그 크기는 조리개의 크기보다 작을 수 없다.
- 핀홀을 작게 만들면 해상도는 향상되지만, 캡처되는 빛의 양이 줄어든다.
- 회절 한계 때문에 구멍을 줄여도 해상도가 향상되지 않는 지점이 있다. 이 한계를 넘어서면 구멍을 작게 만들수록 이미지가 더 어두워지고 흐릿해진다.
실제 렌즈는 이러한 핀홀 렌즈의 한계를 극복하기 위해 고안되었다. 핀홀에 초점 거리가 필름 평면까지의 거리와 같은 단순한 볼록 렌즈를 놓으면 핀홀을 상당히 크게 열 수 있다.[1] 얇은 볼록 렌즈는 렌즈 축까지의 거리에 비례하여 광선을 구부리고, 렌즈 중앙을 통과하는 광선은 그대로 직진한다. 따라서 단순한 핀홀 렌즈와 거의 동일한 기하학적 구조를 가지면서도, 각 이미지 지점은 초점이 맞춰진 "연필" 모양의 광선에 의해 조명된다.
카메라 전면에서 보이는 작은 구멍(조리개)의 가상 이미지는 렌즈의 입사동이라고 한다. 이상적인 경우, 물체의 한 지점에서 입사동으로 들어가는 모든 광선은 이미지 센서/필름의 동일한 지점에 초점을 맞춘다. 카메라 내부에 있다면 렌즈가 프로젝터 역할을 하는 것을 볼 수 있으며, 이때 카메라 내부에서 본 조리개의 가상 이미지는 렌즈의 출사동이다. 이 단순한 경우에는 조리개, 입사동, 출사동이 모두 같은 위치에 있지만, 실제 사진 렌즈에는 더 많은 렌즈 요소가 포함되어 있어 일반적으로 이 세 가지는 다른 위치에 있다. 추가적인 렌즈 요소는 렌즈 설계자가 다양한 수차를 줄일 수 있도록 하지만, 작동 원리는 동일하게 유지된다. 즉, 연필 모양의 광선이 입사동에서 수집되어 출사동에서 이미지 평면으로 초점이 맞춰진다.
4. 렌즈의 구조
카메라 렌즈는 박스 브라우니의 반달 렌즈처럼 하나의 렌즈 요소로 구성될 수도 있고, 줌 렌즈와 같이 20개 이상의 렌즈 요소로 구성될 수도 있다. 이러한 렌즈 요소들은 시멘트로 접착된 렌즈 그룹을 이루기도 한다.[2]
전면 렌즈는 전체 렌즈 성능에 매우 중요한 역할을 한다. 현대의 모든 렌즈는 마모, 렌즈 플레어, 반사 방지 코팅을 줄이고 색 균형을 맞추기 위해 표면이 코팅되어 있다. 수차를 최소화하기 위해 렌즈의 곡률은 입사각과 굴절각이 동일하도록 설계된다. 단렌즈에서는 이것이 비교적 쉽지만, 줌 렌즈에서는 불가피하게 타협이 필요하다.[2]
렌즈는 렌즈 어셈블리에서 이미지 평면까지의 거리를 조절하거나, 렌즈 어셈블리 내의 요소를 이동시켜 초점을 맞춘다. 일부 렌즈는 성능 향상을 위해 렌즈 초점이 맞춰짐에 따라 그룹 간의 거리를 조절하는 캠 시스템을 사용하기도 한다. 제조사마다 이를 부르는 명칭은 다른데, 니콘은 CRC(근거리 보정), 캐논은 플로팅 시스템, 핫셀블라드와 마미야는 FLE(플로팅 렌즈 요소)라고 부른다.[2]
렌즈 요소를 만드는 데 가장 일반적으로 사용되는 재료는 유리인데, 이는 유리가 광학적 특성이 우수하고 긁힘에 강하기 때문이다. 석영 유리, 플루오라이트와 같은 다른 재료도 사용된다.[3][4][5][6] 아크릴 유리(플렉시글라스)와 같은 플라스틱, 심지어 게르마늄과 운석 유리도 사용된다. 플라스틱은 유리로 만들기 어렵거나 불가능한 강한 비구면 렌즈 요소를 만들 수 있게 해주어, 렌즈 제조 및 성능을 단순화하거나 향상시킨다. 그러나 플라스틱은 쉽게 긁히기 때문에 가장 저렴한 렌즈를 제외하고는 모든 렌즈의 가장 바깥쪽 요소에는 사용되지 않는다. 과거에는 성형 플라스틱 렌즈가 저렴한 일회용 카메라에 주로 사용되어 좋지 않은 평판을 얻기도 했지만, 현대의 고성능 렌즈에는 성형 또는 하이브리드 비구면 요소가 포함되는 경우가 많으므로, 플라스틱 요소가 있는 모든 렌즈가 사진 품질이 낮다고 단정할 수는 없다.[2]
1951년 USAF 해상도 테스트 차트는 렌즈의 해상력을 측정하는 방법 중 하나이다. 재료, 코팅, 제작 품질은 모두 해상도에 영향을 미친다. 렌즈 해상도는 궁극적으로 회절에 의해 제한되는데, 이 한계에 도달하는 사진 렌즈는 매우 드물며, "회절 제한" 렌즈라고 불리며 대개 매우 비싸다.[7]
오늘날 대부분의 렌즈는 광학 코팅으로 다층 코팅되어 렌즈 플레어와 같은 원치 않는 효과를 최소화한다. 일부 렌즈는 색상을 손상시킬 수 있는 자외선을 차단하기 위해 UV 코팅을 사용하기도 한다. 대부분의 현대 광학 시멘트는 유리 요소를 접착하기 위해 자외선을 차단하므로 UV 필터가 필요하지 않다. 그러나 이는 렌즈가 제대로 관리되지 않으면 렌즈 곰팡이가 생길 수 있는 원인이 되기도 한다. 따라서 UV 사진작가들은 시멘트나 코팅이 없는 렌즈를 찾기 위해 노력해야 한다.[2]
대부분의 렌즈는 통과하는 빛의 양을 조절하기 위해 조리개 조절 메커니즘(일반적으로 아이리스 조리개)을 갖추고 있다. 초기 카메라 모델에서는 크기가 다른 구멍이 있는 회전판이나 슬라이더(워터하우스 스톱)가 사용되기도 했다. 빛이 통과하는 시간을 조절하는 셔터는 렌즈 어셈블리 내에 통합되거나(더 나은 품질의 이미지를 위해), 카메라 내에, 또는 드물게 렌즈 앞에 위치할 수 있다. 렌즈에 리프 셔터가 있는 일부 카메라는 조리개를 생략하고 셔터가 조리개 역할까지 겸하기도 한다.[2]
5. 렌즈 제조사
칼자이스는 1846년 독일 예나에서 정역학 및 광학 연구 공방으로 출발하여 현재 광학 및 전자 광학산업에서 손꼽히는 회사이다. 독일 오버코헨에 본사를 두고 있으며, 카메라 렌즈뿐만 아니라 의료장비, 반도체 계측장비, 광학 및 전자 현미경, 플라네타리움, 3차원 측정기, 안경 렌즈 등 다양한 분야에 진출해 있다. 현존하는 광학기기 제조사 중 가장 오래된 회사로, 1936년 세계 최초의 35mm 단일 렌즈 리플렉스 카메라인 키네 엑샤타(Kine Exakta)를 생산했다.[18] 1969년 Contarex SE를 마지막으로 카메라 자체 생산을 중단했지만, 일본 기업과의 라이선스 계약을 통해 콘탁스 카메라가 계속 출시되었다. 2005년 Zeiss Ikon SW를 통해 광학기기 시장에 다시 진출하여 미러리스 렌즈, DSLR 렌즈, 시네마 렌즈 등 광학 제품을 생산하고 있다.
라이카는 독일의 광학 기기회사이자 카메라 제조사이다. 1913년 세계 최초로 35mm 필름을 사용하는 카메라인 Ur-Leica를 제작하여 현대 35mm 카메라의 기준을 제시했고, 1930년 렌즈 교환식 카메라를 개발했다. 1970년대부터 일본제 SLR 카메라가 세계 시장 점유율을 늘려가면서 SLR과 RF 시장에서 모두 실패하여, 1977년부터 현재까지 35mm 판형의 거리계연동카메라를 제조하고 있다.[20] 파나소닉과 제휴하여 렌즈를 디자인하고 있으며, 디지털 레인지 파인더 카메라를 생산하는 유일한 회사이다.
6. 렌즈 마운트
많은 일안 반사식 카메라와 일부 거리 측정 연동식 카메라는 탈착식 렌즈를 가지고 있으며, 미러리스 렌즈 교환식 카메라도 이에 해당한다. 렌즈는 '''렌즈 마운트'''를 사용하여 카메라에 부착되는데, 이는 렌즈와 카메라 바디 사이의 기계적 연결과 더불어 종종 전기적 접점을 포함한다.
렌즈 마운트 디자인은 카메라와 렌즈 간의 호환성을 결정하는 중요한 문제이다. 렌즈 마운트에 대한 보편적인 표준은 없으며, 각 주요 카메라 제조업체는 일반적으로 다른 제조업체와 호환되지 않는 자체 고유의 디자인을 사용한다.[16] M42 렌즈 마운트나 펜탁스 K 마운트처럼 여러 브랜드에서 사용되는 구형 수동 초점 렌즈 마운트 디자인도 있지만, 오늘날에는 흔하지 않다. 포서즈 시스템 마운트와 같이 다른 제조업체에 라이선스되는 마운트 디자인도 존재한다.[17]
오늘날 시장에서 가장 흔한 교환식 렌즈 마운트에는 캐논 EF, EF-S 및 EF-M 자동 초점 렌즈 마운트가 있다. 이 외에도 니콘 F 수동 및 자동 초점 마운트, 올림푸스/코닥 포서즈 및 올림푸스/파나소닉 마이크로 포서즈 디지털 전용 마운트, 펜탁스 K 마운트 및 자동 초점 변형, 소니 알파 마운트(미놀타 AF 마운트에서 파생됨) 및 소니 E 디지털 전용 마운트가 있다.
사진 렌즈는 렌즈 교환식 카메라에서 독립된 모듈로, 나사 마운트나 바요넷 마운트 등의 방식으로 장착된다.[20]
7. 렌즈 관련 기술
이 절에서는 1945년 이후 새롭게 사용되기 시작한 렌즈 관련 기술에 대해 설명한다.
- '''비구면 렌즈''': 일반적인 렌즈는 표면의 곡률이 일정한 구면 렌즈를 사용하지만, 구면 렌즈는 평행 광선을 완벽하게 한 점에 수렴시키지 못하는 단점이 있다. 이를 해소하기 위해 곡률을 연속적으로 변화시켜 렌즈 형태를 비구면 상태로 만든 것이 비구면 렌즈이다. 비구면 렌즈를 사용하면 대구경 렌즈의 구면 수차 보정, 광각 렌즈의 왜곡 수차 보정, 줌 렌즈의 소형화가 가능해진다.
- '''형석 렌즈''': 광학 유리는 파장에 따라 굴절률이 달라지는 성질(분산)이 있어 색수차의 원인이 된다. 형석(플루오라이트, 불화칼슘)은 광학 유리의 경향을 벗어나 이상 분산이 작아(이상 부분 분산), 이를 소재로 한 형석 렌즈를 광학계에 조합함으로써 광학 유리 렌즈만 사용하는 것보다 색수차를 더 정밀하게 보정할 수 있다. 또한 밀도가 작아 렌즈 경량화에도 기여한다. 그러나 형석 렌즈는 취급이 어렵고 비용이 많이 들어 일부 고급 제품에만 채용되었으며, 대신 형석과 비슷한 특성을 가진 유리 재료인 ED(Extra-low Dispersion) 렌즈 또는 UD(Ultra Low Dispersion) 렌즈가 개발되어 고급 제품부터 저가 제품까지 널리 채용되었다.
- '''고분산 렌즈''': 저분산 렌즈와 반대로 청색의 굴절률이 다른 색보다 높은, 분산이 큰 렌즈를 사용하여 기존 보정이 어려웠던 청색 보정을 할 수 있다. 캐논에서는 BR(Blue Spectrum Refractive) 렌즈, 니콘에서는 SR(Short-wavelength Refractive) 렌즈라고 부른다.
- '''고굴절률 렌즈''': 굴절률이 높은 소재의 렌즈를 사용하면 렌즈 매수를 줄여 화질 개선 및 렌즈 경량화에 유리하다. 토륨을 첨가한 고굴절 유리는 고굴절률과 저분산 특성을 가지며, 1950년대~1970년대까지 일부 렌즈에 사용되었다. 국내에서는 아사히 광학의 렌즈를 중심으로 사용되었지만, 수년 내에 황색이나 갈색으로 변색되는 점, 미약하지만 감마선이 방출되는 점 등이 기피되어 사용되지 않게 되었다. 산화 납을 첨가한 납 유리는 고굴절률과 고분산 특성을 가지며 널리 사용되었지만, 2000년 이후 납에 의한 환경 오염을 방지한다는 RoHS 대응을 위해 점차 사용되지 않게 되었다. 현재는 산화 스트론튬이나 산화 바륨을 첨가한 유리가 사용되지만 광학 성능은 토륨 유리나 납 유리에 미치지 못한다.
- '''회절 렌즈''': 빛의 회절 현상을 이용한 소자로, 동심원상으로 미세한 홈이 새겨져 있다. 회절 렌즈는 굴절 렌즈와 반대 방향의 색수차를 발생시키므로, 수차를 상쇄할 수 있다. 하지만 화각이 커지면 촬영에 회절 소자의 영향이 나타나기 때문에, 채용은 망원 렌즈에 한정되어 있다. 캐논에서는 다층 구조로 만든 "적층형 회절 광학 소자(DO 렌즈, Diffractive Optics)"를 일안 반사식 카메라용 렌즈에, 니콘에서는 "위상 프레넬(PF, Phase Fresnel) 렌즈"를 일안 반사식 카메라용 렌즈 외에, 콤팩트 디지털 카메라용 텔레컨버터 렌즈에 사용하고 있다.
- '''초음파 모터''': 초음파 진동으로 구동되어 조용하고 빠르게 자동 초점 기능을 가능하게 하는 모터. 카메라 렌즈로는 캐논이 세계 최초로 탑재했다. 처음에는 고급 렌즈군에만 한정되었지만 현재는 캐논 렌즈의 대부분에 채용되었으며, 니콘, 콘탁스, 미놀타, 펜탁스, 올림푸스, 시그마의 일부 렌즈에도 채용되고 있다. 또한 보급형 등 일부 예외는 있지만 풀타임 매뉴얼 포커스(후술)가 가능하다.
- 캐논: 초음파 모터 채용의 선구자이며, 고급 렌즈(링 USM)에서 보급형 렌즈(마이크로 USM)에 이르기까지 많은 제품에 채용. 약칭 USM (Ultrasonic Motor).
- 니콘: 이전에는 주로 고급 렌즈군에 채용되었지만, 최근 발매된 렌즈는 고급 ~ 보급 모델까지 거의 모두 초음파 모터 탑재. 약칭 SWM (Silent Wave Motor). D3000/5000 시리즈에서는 바디 모터 타입의 렌즈를 작동시키는 커플링을 폐지했기 때문에 렌즈 내 모터 탑재 렌즈 외에는 AF를 구동할 수 없다. 2016년부터 일부 렌즈에서 정숙성 중시로 펄스 스테핑 모터가 도입되었다.
- 코니카 미놀타(구 미놀타)/소니(α): 일부 렌즈에 탑재. 약칭 SSM (Super Sonic Motor).
- 콘탁스: 콘탁스 645용 렌즈 및 N 시리즈용 렌즈에 탑재.
- 시그마: 캐논, 니콘, 시그마, 펜탁스, 소니 제 카메라 및 포서즈 시스템 규격의 카메라용 고급 렌즈군 및 니콘 디지털 일안 반사식 카메라 전용 일부 보급 렌즈만. 약칭 HSM (Hyper Sonic Motor).
- 펜탁스: 디지털 일안 반사식 카메라 전용 고성능 렌즈군 "DA 스타 렌즈" 모두를 포함, 일부 렌즈에 탑재. 약칭 SDM (Supersonic Direct-drive Motor).
- 올림푸스: "SUPER HIGH GRADE 시리즈"의 일부와 "HIGH GRADE 시리즈"의 일부에 탑재. 약칭 SWD (Supersonic Wave Drive).
- 파나소닉/라이카: 포서즈 시스템 대응 렌즈 "라이카 D 바리오 엘마 14-150mm"로 탑재. 약칭 XS (Extra Silent).
- 탐론: 캐논, 니콘, 소니 각 카메라용으로 탑재. 약칭 USD (Ultrasonic Silent Drive), PZD (Piezo Drive).
- '''풀타임 매뉴얼 포커스''': 자동 초점 작동 상태에서 렌즈의 초점 전환 스위치를 변경하지 않고 수동 초점으로 초점 미세 조절이 가능한 기구. 초음파 모터 탑재 렌즈의 전유물이었으나, 미놀타(현 코니카 미놀타)는 바디, 펜탁스는 렌즈의 구조를 변경하여 초음파 모터를 탑재하지 않은 렌즈 사용 시에도 풀타임 수동 초점을 실현하고 있다. 제조사에 따라 명칭이 다르며, 캐논에서는 "풀타임 수동 초점"[32], 니콘에서는 "M/A 모드", 코니카 미놀타 · 소니에서는 "DMF (Direct Manual Focus) 모드"[33], 펜탁스에서는 "QSFS (Quick Shift Focus System)"[34], 올림푸스에서는 "풀타임 수동 초점"[35], "S-AF+MF/ C-AF+MF"[36] 등과 같이 제조사별로 명칭이 다르므로 주의가 필요하다.
- '''후면/중간 초점 방식''': 큰 렌즈의 초점 조절에서 렌즈 전체를 움직이면 초점 링 조작이 무거워져 촬영자의 부담이 된다. 이를 해결하기 위해 렌즈의 후면부 또는 중간 부분만 움직여 초점을 맞추도록 설계하여 가볍게 조작할 수 있게 되었다. 그 외에도 "렌즈 전체 길이가 항상 일정하게 유지된다", "렌즈 시스템 전체의 소형화가 가능하며, 특히 줌 렌즈의 경우 더욱 고배율화가 가능하다", "렌즈 전면부가 움직이지 않아 렌즈 필터 조작 (특히 편광 필터나 크로스 필터 사용 시)에 영향을 주지 않는다" 등의 장점이 있다. 자동 초점 이전부터 존재하던 기술이지만, 자동 초점 렌즈에서는 초점 조절 속도 향상에 크게 기여하여 더욱 널리 사용되게 되었다.
- '''플로팅''': 초점 조절에 따라 변동하는 수차를 보정하기 위해 초점 조절에 사용되는 렌즈군을 여러 그룹으로 나누어 각각 다른 움직임을 주는 방식. 캐논(Canon)이나 소니(Sony)는 단순히 플로팅(Floating)이라고 부르지만, 니콘(Nikon)은 전체 렌즈가 이동하는 방식의 렌즈 일부를 부동시키는 것을 근거리 보정 방식(CC: Close-Range Correction), 그 외의 것을 멀티 포커스 방식(Multi-FS)이라고 불러 구분하고 있다.[37][38][39]
- '''렌즈 코팅''': 빛이 렌즈를 통과할 때 렌즈 표면에서 반사되어 광량 손실이나 렌즈 내부 반사로 인한 플레어 및 고스트가 발생한다. 이를 억제하기 위해 코팅에 대한 연구 개발이 이루어졌지만, 초기에는 '''단층막 코팅'''('''모노 코팅''')이었다. 이후 광학 성능에 대한 요구가 높아지고 증착 기술이 향상됨에 따라 1952년에 치요다 광학 정공(후의 미놀타. 현 코니카 미놀타)에 의해 세계 최초의 2층 코팅인 "아크로매틱 코팅"이 개발되었으며, 그 반사색에서 "녹색의 록코르"라고도 불렸다. 이후에는 컬러 밸런스를 유지하는 데에도 유리한 '''다층막 코팅'''이 주류가 되었다. 아사히 광학 공업(현 리코 이미징)이 미국 OCLI(Optical Coating Laboratory Incorporated)의 기술 제공으로 개발, 1970년에 발표한, 당시에는 경이적이라고 할 수 있었던 최다 7층막, 투과율 99.8%를 실현한 "슈퍼 멀티 코팅"(SMC)을 시초로, 현재는 '''다층막 코팅'''('''멀티 코팅''')이 주류이다. 그 외 대표적인 것으로 캐논의 "슈퍼 스펙트라 코팅"(SSC)이나 "SWC (Subwavelength Structure Coating)[40]", 니콘의 "슈퍼 통합 코팅", "나노 크리스탈 코트", 펜탁스의 "에어로 브라이트 코팅", 칼 자이스의 "T* 코팅", 롤라이의 "HFT 코팅" 등이 있다. 또한, 광학 성능 향상 외에, 발수·발유 효과나 흠집에 대한 내성 등 유지 보수성 향상을 노린 코팅도 함께 사용되는 경우도 있다. 대표적인 것으로 펜탁스의 "SP (Super Protect) 코팅"이 있다.
- '''손떨림 보정'''(手ぶれ補正機構): 렌즈 내의 자이로 기구 등으로 손떨림을 보정하는 기구.
- '''디지털 대응 렌즈''': 일반적인 사진용 필름에 비해, 디지털 카메라의 이미지 센서는 비스듬히 들어오는 빛을 포착하는 성능이 낮다고 알려져 있다. 이 때문에, 특히 광각 렌즈 등에서 필름 카메라용으로 설계된 렌즈에서는 주변부가 어두워지는 (주변 광량 저하) 경우가 많다. 또한, 비스듬히 입사하는 빛이 디지털 카메라 특유의 화질 저하의 원인이 된다고 한다. 이 때문에 디지털 카메라 대응을 표방하는 설계의 새로운 렌즈에서는, 가능한 한 이미지 센서에 대한 입사각이 수직에 가까워지도록 설계(이러한 렌즈를 텔레센트릭 렌즈라고 부른다)가 이루어진다. 또한, 이미지 센서의 표면이나 로우 패스 필터 등이 빛을 전부 반사하기 때문에, 렌즈와 이미지 센서 사이에서 발생하는 빛의 반사가 사진에 악영향을 미치는 경우가 있다. 이것을 개선하기 위해 렌즈의 코팅이나 광학계를 재검토하여, 보다 디지털 카메라에 적합한 설계를 한 렌즈를 '''디지털 대응 렌즈'''라고 부르기도 한다[41]。 소형 이미지 센서를 가진 기종은, 기존의 필름 카메라보다 작은 이미지 서클로 대응할 수 있으므로, 이미지 서클을 작게 설계한 렌즈도 만들어지고 있다. 이러한 렌즈는 '''APS-C 사이즈용 렌즈''', '''디지털 전용 렌즈'''라고 불린다[42]。 필름 사진이 주였던 시대에는 많은 소비자들이 소형 인화 사진으로 감상했지만, 디지털 시대가 되어 디스플레이 상에서의 픽셀 등배 관람이 용이하게 되었고, 일반 소비자들의 사진 렌즈에 대한 평가 기준도 등배 관람을 전제로 하는 엄격한 것으로 되었다. 이 때문에, 디지털 대응 렌즈에서는 정밀도 향상과 각 수차의 저감이 더욱 지향되게 되었다[43]。
8. 렌즈 디자인
사진 렌즈는 여러 장의 렌즈를 조합하여 수차를 줄이고, 선명하고 밝은 이미지를 얻을 수 있도록 설계된다.[18] 렌즈 교환식 카메라에서는 렌즈가 독립된 모듈로 렌즈 마운트에 장착된다.[20]
사진 렌즈에는 대부분 조리개와 초점 조절 기구가 내장되어 있으며, 렌즈의 스펙에는 F값과 초점 거리(mm) 등이 표시된다. F값이 작을수록 밝은 렌즈이며, 초점 거리에 따라 초광각, 광각, 표준, 망원, 초망원 렌즈 등으로 분류된다. 초점 거리가 고정된 단초점 렌즈와 가변하는 줌 렌즈가 있다.
카메라의 역사 초기에는 렌즈 한 장만 사용하기도 했지만, 이후 여러 장의 렌즈를 조합하여 수차가 적고 선명하며 구경이 큰 렌즈를 만드는 시도가 오랫동안 이어져 왔다.
일반적인 렌즈는 구면 렌즈를 사용하지만, 구면 수차를 보정하기 위해 비구면 렌즈를 사용하기도 한다.
광학 유리는 파장에 따라 굴절률이 달라지는 분산 성질이 있어 색수차의 원인이 된다. 형석 렌즈는 이상 분산이 작아 색수차 보정에 유리하지만, 취급이 어렵고 비싸기 때문에 ED 렌즈나 UD 렌즈가 널리 사용된다.
고분산 렌즈는 청색의 굴절률이 높아 청색 보정에 사용되며, 캐논에서는 BR 렌즈, 니콘에서는 SR 렌즈라고 부른다.
토륨을 첨가한 고굴절 유리는 1950~1970년대에 사용되었지만, 변색 및 감마선 방출 문제로 사용되지 않게 되었다. 납 유리는 RoHS 대응으로 사용이 줄었고, 현재는 산화 스트론튬이나 산화 바륨을 첨가한 유리가 사용된다.
회절 렌즈는 빛의 회절 현상을 이용하여 색수차를 보정하며, 캐논은 DO 렌즈, 니콘은 프레넬 렌즈를 사용한다.
초음파 모터는 조용하고 빠른 자동 초점 기능을 제공한다. 캐논, 니콘, 시그마 등 여러 제조사에서 채용하고 있다.
렌즈 표면 반사를 줄이기 위해 코팅 기술이 발전해왔다. 초기에는 단층막 코팅이었지만, 현재는 다층막 코팅이 주류이다.
디지털 카메라의 이미지 센서는 비스듬한 빛을 포착하는 성능이 낮아, 텔레센트릭 렌즈 설계가 이루어지고 있다. 또한, 렌즈와 이미지 센서 사이의 빛 반사를 줄이기 위한 코팅 및 광학계 개선도 이루어지고 있다.[41] 이미지 서클을 작게 설계한 APS-C 사이즈용 렌즈, 디지털 전용 렌즈도 있다.[42]
디지털 시대에는 렌즈 평가 기준이 엄격해져 정밀도 향상과 수차 저감이 더욱 중요해졌다.[43]
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