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<카메라와 렌즈의 구조 VI> 고정조리개와 가변조리개 줌 렌즈의 구조 / Construction of camera - Fixed(constant) aperture & Variable aperture Zoom lens structure 본문

사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure

<카메라와 렌즈의 구조 VI> 고정조리개와 가변조리개 줌 렌즈의 구조 / Construction of camera - Fixed(constant) aperture & Variable aperture Zoom lens structure

잉여로운 삶을 사는 산들 산들 2016.11.27 00:26

고정 조리개와 가변 조리개(Fixde aperture & Variable aperture)에 대하여 충실하게 설명한 자료를 찾기가 어려워서 솔선수범?의 정신과 휴일을 맞은 잉여력으로 정리해 보았다. 일반적인 상식 수준에서 다루는 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 헛된 망상에 주의하자.


고정조리개와 가변조리개의 용어와 개념이 적용되는 것은 줌렌즈(Zoom lens)에 한정된다. 일반적으로 초점거리(화각)의 변화가 없는 일명 단(單)렌즈는 고정조리개라고 할 수 있지만 의미 없는 분류이지 싶다.

먼저 렌즈의 기본적인 표시 명칭에서 고정 조리개와 가변 조리개를 구분할 수 있겠다.



Canon EF 70-200 f/2.8L IS II USM


최대 개방 조리개 f/값으로 하나만 표기된 경우는 고정 조리개 또는 상수 조리개(Constant aperture)를 가지는 줌 렌즈를 지칭한다. 즉, 최근접 초점거리 70mm에서 최대개방 조리개 값은 f/2.8이며, 최대 망원인 초점거리 200mm에서도 최대 개방 조리개 값은 f/2.8로 고정 조리개임을 알 수 있다.



Canon EF 70-300 f/4-5.6L IS USM

최대 개방 조리개 f/값을 f/4-5.6으로 표시된 경우는 최단 초점거리-70mm-에서 최대 개방 조리개 값이 f/4가 되고 최장 초점거리-300mm-에서 최대 개방 조리개 값이 f/5.6이 되는 것을 의미한다. 따라서 이는 조리개 수치가 줌 조작으로 인한 초점거리 변동에 따라 최대개방 조리개 값이 변화하는 가변조리개라는 것을 알 수 있다.

줌렌즈의 구조를 나타낸 이미지를 통해 고정 조리개와 가변 조리개의 차이를 확인해 보자.


▷ 고정 조리개 (Fixde aperture)



Canon EF 70-200 f/2.8L IS II USM




고정 조리개의 이미지 렌즈는 Canon EF 70-200 f/2.8L IS II USM 렌즈이다. 보통 고정조리개 줌 렌즈는 이너 줌 & 이너 포커싱 시스템과 함께 설계된 경우가 많다. 이미지에서 확인할 수 있듯이 주밍으로 인하여 조리개 앞부분(입사부)의 렌즈군 이동으로 초점거리(배율)가 변경되고 조리개와 조리개 뒷부분(사출/출사부)의 요소군은 일정하게 고정된 위치에 변화가 없다. (렌즈 앞과 뒤 경통의 돌출 등 길이 변화가 없는 것은 이너 줌 방식이 적용되었기 때문이다)

이 부분이 개인적으로는 무척 흥미롭다. 각 초점 거리별로 조리개 개구 크기를 연동하지 않고도 고정 조리개 매커니즘의 비밀은 여기에 있지 않을까? 다시 봐도 정말 흥미롭다. 여기서 조리개와 조리개 후면이 고정되었음을 강조하기 위해서 Fixed를 사용하였더니 오해를 불러일으켰나보다. 고정 조리개의 고정은 초점거리의 변화에도 조리개 값이 변화하지 않는 의미의 fixed이다. 개인적으로는 상수 조리개(Constant aperture)가 더 적절해 보인다. 간략히 설명하니 오해의 소지가 있어서 아래 내용은 추가설명을 덧붙였다. 너무 내용이 길어지는 것은 달갑지 않지만 흥미로운 지점이 있으므로 계속 내달려보자.

일반적인 광학 설계 초점거리 변경에도 고정 조리개 값을 얻기 위해서는 ‘조리개 전면의 요소(입사부)’ 또는 요소군의 이동으로만 배율을 바뀌는 구조에서 가능하다. (포스팅 마지막 부분에 이 외에도 가능한 방법을 언급하였으나 현실적으로 볼 때 초점 거리별로 정밀하게 물리적인 조리개 개구의 크기를 연동하여 변화하도록 설계/제작하는 것은 매우 어렵고 복잡하고 정밀한 구동장치를 필요로 해서 일반 소비자용 제품의 상용화 기술로는 적합하지 않다) 위의 Canon EF 70-200 f/2.8L IS II USM 렌즈의 초점거리 변경 시 변화하는 내부 요소군의 이동방식에서 알 수 있듯이 조리개 앞부분(입사부)에 해당하는 구성요소의 이동만으로 초점 거리가 변경된다.

한 걸음 더 들어가 보자. 조리개 앞쪽의 요소 또는 요소군(입사부)의 이동만으로 초점거리 변경 즉, 배율이 바뀌고 조리개와 뒤쪽의 요소와 요소군(사출부)은 변화없이 고정되었다는 것은 어떤 의미를 가지며, 고정(상수) 조리개와 어떻게 연관되는 것일까?

여기서 전제로 인지하여야 할 부분이 있다. 아래 조리개 값과 초점거리, 입사동 직경의 연관 수식에서의 ‘입사동의 직경’은 물리적인 조리개의 구경(직경)을 의미하는 것이 아니라 조리개 앞부분(입사부)의 광학 요소를 통과한 상태에서의 ‘광학적 조리개의 직경’을 의미한다. 이런 연유로 단순히 조리개의 직경이 아니라 ‘입사동의 직경’이라는 용어를 사용하고 있다.

조리개 앞부분의 구성 요소군의 이동만으로 배율이 변하면 그 변화하는 배율만큼 입사동의 직경은 변하게 된다. (이 때 조리개의 물리적 직경은 그대로 유지된다) 조리개의 물리적 직경의 변화 없이 초점거리 변경에도 고정 조리개, 정확하게는 상수 조리개가 가능해지는 원리다. 따라서 이런 연유로 고정조리개 줌 렌즈는 모든 초점거리에 대해 같은 조리개 직경을 유지한 상태에서 같은 F/값을 유지한다.

고정 조리개 렌즈의 주밍시에 입사구를 통해 조리개를 보면 크기가 변하는 것처럼 보일 수 있다. 하지만 이는 앞에서 설명하였듯이 주밍으로 인해 조리개 전면에 위치한 배율이 변하여 조리개의 개구 크기가 변화하는 것처럼 보이는 것이다. 즉, 광각에서 망원으로 갈수록 조리개 구경이 커지는 것처럼 보이게 된다. 하지만 동일한 조건에서 접안부를 통해서 주밍시 조리개의 크기 변화를 확인하면 크기가 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다.

조리개 값(F/값) =렌즈의 초점거리 ÷ 입사동(조리개)의 직경

반드시 모든 고정조리개 줌 렌즈가 이너 줌 시스템이나 이너 포커싱 시스템과 결합하는 것은 아니지 싶다. 즉, 모든 고정 조리개 줌 렌즈에서 경통의 길이 변화가 없는 것은 아니지만 조리개 앞부분 요소의 이동만으로 초점거리 변경이 가능한 구조이므로 이에 덧붙여 이너 줌 방식으로 제조하기에 알맞을 뿐이다.


▷ 가변 조리개 (Variable aperture)


Canon EF 70-300 f/4-5.6 IS USM



<이미지 출처>  http://www.outdoorphotographer.com/photography-gear/lenses/get-the-most-out-of-variable-aperture-lenses/


가변 조리개 내부 구조를 나타내고 있는 렌즈는 Canon EF 70-300 f/4-5.6 IS USM 렌즈다. 초점거리 변경 조작 시에 렌즈의 F/값도 변경하므로 가변조리개가 된다. 주밍(Zooming)으로 초점거리가 변경되어도 물리적 조리개의 직경은 동일하게 유지되지만, 렌즈의 초점거리가 변동한 만큼 위의 수식에 따라 f/값은 변동한다.

조리개 앞부분(입사부)과 뒷부분(사출부) 구성요소의 위치를 이동시켜 초점거리를 변경하는 줌 렌즈는 가변 조리개의 특성을 가진다. 이동할 수 있는 구성요소가 제한적이지 않으므로 더욱 다양한 방법으로 (고정조리개 줌 렌즈에 비해) 보다 다양하고 요소간 배치의 제한 없이 설계할 수 있겠다.

조리개를 중심으로 앞부분 입사부와 뒷부분 사출부(출사부)의 구성요소의 이동을 통해 초점거리 이동 즉, 배율이 변경되는 구조로 전체 배율이 변경은 입사부와 출사부에 각각 일정 비율로 나뉘게 된다. 따라서 입사동의 직경은 입사부의 배율만 적용되고, 물리적으로 동일한 조리개 직경을 유지한 상태이므로 렌즈의 F/값은 가변한다.

위에서 살펴본 바와같이 고정 조리개와 가변 조리개는 줌 렌즈 내부의 구성요소의 구동 방식 즉, 주밍 시스템과 (때때로 포커싱 시스템도 관련될 수도 있다) 구조와 밀접하게 관련되어 있다. 고정 조리개 줌 렌즈는 Inner zoom 구조와 합이 잘 맞는 특성이 있다. 입사부 구성 요소군만을 이동시키는 구조의 고정조리개 렌즈는 설계상으로도 더 복잡하고, 여러 제약이 있을 수 있고, 이를 해결하기 위해 구성요소의 수가 늘어나는 경우가 많다. 그리고 이너 줌 방식까지 채택할 경우에는 외부의 길이 변화 없이 내부의 렌즈군의 이동만으로 주밍과 포커싱을 실현하는 것이라 광학적 설계의 어려움뿐만 아니라 이를 구동하기 위한 장치들로 복잡한 구조가 될 수밖에 없으므로 설계의 어려움과 제조상의 난도와 수율 문제로 고가(高價)가 되고 상대적으로 고가의 고급 렌즈군으로 분류된다.

장점만 있으면 좋겠지만, 단점으로 렌즈 경통의 최단 길이가 긴 편이라 휴대/보관 시에 불편하고 (물론 주밍으로 길이 변화가 크지 않으므로 최대 망원에서는 길이가 가변조리개 줌 렌즈보다 짧은 경우가 더 많다), 밝은 조리개 값 실현을 위한 큰 요소 구경과 많은 광학 요소가 필요하며, 이런 많은 광학 요소들과 이를 구동시키기 위한 장치 등으로 내부의 구조가 복잡하고 무겁다. 그리고 렌즈 내부의 여유 공간이 협소하여 손 떨림 방지/보정 기능 등 확장 기능을 추가하기 어렵다. 모든 기능을 구현한다면 두꺼운 경통과 엄청난 무게로 인한 사용상의 애로가 쉽게 예상된다.

위에서 예시한 렌즈를 비교하면 가변조리개 렌즈인 Canon EF 70-300 f/4-5.6L IS USM가 고정조리개 렌즈인 Canon EF 70-200 f/2.8L IS II USM 보다 더 경통이 두껍다. 이는 렌즈 내부에 이미지 스테빌라이저/Image stabiliizer일명 ‘손 떨 방’ 기능의 구조 유무로 인한 차이다.


수다 중 가장 하고싶었던 얘기를 시작해 보자.

과연 광학적 성능이나 화질에서 고정 조리개 줌 렌즈가 가변 조리개 줌 렌즈방식보다 더 뛰어나고 좋은 것일까?

렌즈의 설계방식이 더 복잡하고 제조상 난도가 높지만, 렌즈의 광학 요소 또는 요소군의 이동방식으로 귀결되는 문제, 즉 고정조리개이냐 가변조리개이냐의 구조문제가 광학적 성능과 직접 연관된다고 보기는 어렵다. 가격이 주는 착시효과인지 고가의 제품을 팔고 싶은 카메라 제조사의 고도의 상술의 개입이 있는 것은 아닌지. 단순 사양만을 비교하면 고정조리개 줌 렌즈가 더 밝고 고사양/고가의 제품임은 부정하기 어렵다. 하지만 이는 사양 비교가 아닌 화질로서의 광학적 성능(동일한 초점 거리와 조리개 값을 가질 때의 화질 그리고 결과물의 품질)과 무관하다. 언제나 판단과 선택은 각자의 몫일 수밖에 없다.

일반적인 번들 줌 렌즈나 가격 대비 성능에 중점을 두는 보급형 또는 좀 더 가격 경쟁력을 갖추기를 원하는 줌 렌즈에는 고비용의 고정조리개 줌렌즈보다 설계가 용이하고 제조상의 이점이 있는 방식의 가변 조리개 방식이 주로 채택된다. 가변조리개 구조의 줌 렌즈는 경통의 길이가 주밍에 따라 내부의 대물 렌즈군의 경통이 앞으로 돌출하는 구조형태를 가지게 된다. 경통이 초점거리(화각) 조정으로 돌출하는 형태가 여러 장점이 있지만, 경통 돌출 등으로 카메라와 렌즈의 무게중심이 달라지기도 하고 촬영 시에 밸런스 유지에 좋지 않은 편이며, 사용횟수가 증가하면 내부 경통을 일정 초점거리 상태로 유지하는 힘이 약해져서 때에 따라 중력의 작용으로 경통이 흘러내는 문제(일명 ‘코 흘림’ 현상)가 발생하기도 한다.

초점거리 변경 시에 경통이 돌출하고 조리개의 위치가 변경하여도 그 변화에 연동하여 조리개 직경의 크기를 변화시키면 고정 조리개와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 하지만 초점거리에 연동하여 조리개 직경이 변동되도록 하는 정밀한 조정이 필요하므로 기계장치의 수가 증가하고, 최단 초점거리(광각)에서도 최대 초점거리(망원)에서와 동일한 조리개 값을 유지하기 위하여 조리개 최대개방이 가능한 수치 이하로 제한하여야 하므로 이는 렌즈의 가능한 최대개방 조리개를 다 사용하지 않고 제한을 가하는 것과 결과적으로 같다. 따라서 현실적으로 효용도 없어 보인다. 하지만 놀라운 전자기기가 넘쳐나는 현실에서 그런 렌즈는 없다고 장담하기도 어렵다. 최단 초점거리에서의 최대개방으로 인한 화질저하를 방지하기 위해 일정 포기할 수도 있지 않을까? 간혹 일부 고정 조리개 줌 렌즈는 이런 구조가 아닐까 하는 생각이 들기도 한다.

추) 댓글로 지적해 주신바, 이너 줌과 이너 포커스 시스템을 구별하지 못하고 혼용해서 사용한 부분이 있어 해당 용어 부분을 수정하였고 초점거리 변경 시 구성요소의 이동에 대한 설명이 부족한 듯해서 추가하였다.



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2 Comments
  • 고정조리개 2016.11.27 01:36 신고 줌렌즈의 개방조리개값이 고정된 것과 문자 그대로 조리개의 위치가 고정된 것은 서로 아무 연관이 없는 이야기입니다. (http://www.canon.com/camera-museum/tech/report/2012/05/) 또한 이너줌과 이너포커스는 다른 개념입니다. 줌을 하면서 경통이 돌출되더라도 초점을 잡을 때는 아무 변화를 보여 주지 않는 렌즈가 더 많습니다.
  • Favicon of http://surplusperson.tistory.com BlogIcon 잉여로운 삶을 사는 산들 산들 2016.11.27 01:47 신고 관심을 보여주시니 감사합니다. 아직 퇴고를 못한 상황에서 방문해 주셨군요. 착각한 오류 부분과 부족한 부분 더 보충하고 있어요.
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