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사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure

<카메라와 렌즈의 구조 X II> 일안 리플렉스 SLR 카메라의 광학식 뷰파인더 구조 / Construction of camera - Viewfinder of Single-Lens Reflex camera

Notice - 일반적인 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.

출처: http://surplusperson.tistory.com/266 [산들산들]

 

Notice - 일반적인 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.

 

 

SLR 카메라의 뷰파인더 (포커싱) 시스템은 잘 알려져 있고 관련해서 자세히 설명된 자료도 많다. 카메라 구조에 대한 연작 포스팅 중에 언급하지 않고 그냥 지나치기에는 찜찜하고, 포스팅을 하자니 차별성 없는 일반적인 범주에서 벗어나지 못할 듯해서 조금 난감하다. 되도록 간략하게 그 원리와 구조에 대해서 다루어 보자.

 

 

▶ SLR 카메라의 뷰파인더 구조

 

SLR (Single-Lens Reflex) 카메라의 뷰파인더는 펜타프리즘과 리플렉스(반사) 미러로 대표된다. SLR 카메라의 뷰파인더는 실제 필름면에 노광이 이루어지는 렌즈를 통해 들어온 상을 직접 확인하여 촬영하는 시스템으로 가장 대표적인 광학식 뷰파인더이다. 반사 거울을 통해 거울상이 된 이미지는 펜타프리즘을 통과하며 실제의 상과 동일하게 뷰파인더를 통해 확인할 수 있다.

 

Pentax spotmatic mirror box

 

 

SLR 카메라의 Mirror box는 반사 미러와 포커스 확인용 스크린, 루프 펜타프리즘과 아이피스 렌즈 등이 결합되어 하나의 박스(box)로 설계/제조되고 커플러로 다른 작동 부위와 연결하는 구조가 일반적이다. 이는 뷰파인더 및 반사 미러 작동의 정확도를 확보할 수 있고 제조와 수리 등에도 다른 작동 부위와 명확하게 구분되므로 매우 효율적이다. 최근의 디지털카메라에서는 미러박스와 셔터 박스가 결합된 형태도 자주 볼 수 있다.

 

SLR 뷰파인더의 접안 렌즈는 한 장 또는 여러 장의 요소(element)로 구성되는 경우가 일반적이며, 눈과 맞닿는(접안) 뷰파인더의 전면에는 하나 또는 여러 개의 광학요소를 구성된 접안렌즈(Eyepeice 렌즈(Eye lens)로 펜타프리즘의 통해 들어오는 전체상을 볼 수 있도록 구성된다. 접안렌즈의 배율 또는 펜타프리즘과 접안렌즈의 간격에 따라 뷰파인더로 보는 상의 시야율이 결정되는 구조를 보인다.

 

출처> 구글링, Eyepiece에 misprint가 눈에 띈다

 

 

SLR 카메라 뷰파인더의 핵심 요소는 펜타프리즘과 반사 미러라 할 수 있다. 보통 펜타프리즘이라 부르는 SLR 카메라용 프리즘은 일반적인 오각 프리즘과 조금 다른 형태, 정확하게는 "루프 펜타프리즘(Roof pentaprism)"이라고 불린다.

 

프리즘에 입사된 빛의 입사각이 임계각(critical angle), 전반사를 일으킬 수 있는 최소각, 보다 작기 때문에, 내부 전반사(內部全反射, total internal reflection)를 일으키지 않는다. 따라서 두 면을 거울 표면처럼 코팅하여 빛을 반사시킬 수 있도록 하며, 그 반대편의 두 투과면은 난반사(혹은 원치 않는 반사)를 줄이기 위해서 주로 반사방지 코팅을 한다. 프리즘의 다섯 번째 면은 광학적으로 사용되지 않지만, 두 반사면의 반사를 방해하지 않도록 적당한 각도로 절단한다.

 

루프 펜타프리즘은 이러한 프리즘의 일종인데 보통 일안 반사식 카메라의 뷰파인더용으로 사용된다. 뷰파인더 용으로 사용될 경우 카메라 내부에서 화상은 거울에 의해 반사되어 프리즘에 입사 되는데 거울로 인해 좌우가 바뀐채 입사된다. 따라서 프리즘에서 화상의 좌우를 다시 바꿔줘야 한다. 이를 위해서 오각프리즘의 반사면 하나를 직각으로 맞닿는 두 반사면으로 이뤄진 (루프)로 교체한 것이 루프 펜타프리즘이다.

 

출처> 오각프리즘 위키백과

Roof - Pentaprism

 

 

 

루프 펜타프리즘은 SLR 카메라의 뷰파인더 시스템의 가장 특징적이며 필수적인 요소로 꼽히는데 이 탓에 SLR 카메라는 흔히 '군함부'라 불리는 상부가 뾰족하게 산처럼 돌출된 외형을 가진다. 하지만 아주 일부 카메라에서는 펜타프리즘을 거울이나 다른 방식의 프리즘으로 대체하는 실험적인 변화를 꾀하기도 했다.

 

▷ 펜타프리즘이 사용되지 않은 SLR 뷰파인더

 

Olympus Pen F(FT/FV) 카메라는 35mm 필름 평판 일안 리플렉스 (SLR) 카메라로 특이하게 하프 프레임 카메라이다. 1963년 출시부터 최초의 하프 프레임 SLR 카메라로 아주 작은 크기와 혁신적인 구조로 많은 주목을 받았다. 펜타 프리즘의 일반적인 SLR 카메라와 달리 '포로 프리즘'(porro prism) 방식을 적용하여 카메라 내부에 장착하였고, 미러 또한 가로로 누운 형태로 장착되었다. 이러한 구조적 특징 탓에 렌즈 마운트는 카메라의 한쪽으로 치우쳐 있는 외형을 가진다. 셔터 방식 또한 '회전 티타늄 셔터'(Focal Plane rotary titanium Shutter)를 채택하여 셔터 속도 1/500 sec까지 플래시 동기화가 가능하였다.

 

Olympus Pen FT



출처: http://surplusperson.tistory.com/198 [산들산들]

Olympus Pen F(FT/FV) 카메라는 35mm 필름 평판 일안 리플렉스 (SLR) 카메라로 특이하게 하프 프레임 카메라이다. 1963년 출시부터 최초의 하프 프레임 SLR 카메라로 아주 작은 크기와 혁신적인 구조로 많은 주목을 받았다. 펜타 프리즘의 일반적인 SLR 카메라와 달리 '포로 프리즘'(porro prism) 방식을 적용하여 카메라 내부에 장착하였고, 미러 또한 가로로 누운 형태로 장착되었다. 이러한 구조적 특징 탓에 렌즈 마운트는 카메라의 한쪽으로 치우쳐 있는 외형을 가진다. 셔터 방식 또한 '회전 티타늄 셔터'(Focal Plane rotary titanium Shutter)를 채택하여 셔터속도 1/500 sec까지 플레시 동기화가 가능하였다.

 

Olympus Pen FT



출처: http://surplusperson.tistory.com/198 [산들산들]

Olympus Pen F(FT/FV) 카메라는 35mm 필름 평판 일안 리플렉스 (SLR) 카메라로 특이하게 하프 프레임 카메라이다. 1963년 출시부터 최초의 하프 프레임 SLR 카메라로 아주 작은 크기와 혁신적인 구조로 주목을 받았다. 펜타 프리즘의 일반적인 SLR 카메라와 달리 '포로 프리즘' (porro prism) 방식을 적용하여 카메라 내부에 장착하였고, 미러 또한 가로로 누운 형태로 장착되었다.(포로 프리즘은 쌍안경의 광학계에 자주 활용되는 대표적 방식의 핵심적인 요소 중 하나이다) 이러한 구조적 특징 탓에 렌즈 마운트는 카메라의 한쪽으로 치우쳐 있는 외형을 가진다. 셔터 방식 또한 '회전 티타늄 셔터'(Focal Plane rotary titanium Shutter)를 채택하여 셔터속도 1/500 sec까지 플래시 동기화가 가능하였다.

 

 

 

Olympus pen -FT

 

▷ 참고 - Olympus pen F        http://surplusperson.tistory.com/198

올림푸스 펜 F 마운트 / PEN F mount (Olympus Pen F/FT/FV)

출처: http://surplusperson.tistory.com/198 [산들산들]
올림푸스 펜 F 마운트 / PEN F mount (Olympus Pen F/FT/FV)

출처: http://surplusperson.tistory.com/198 [산들산들]
올림푸스 펜 F 마운트 / PEN F mount (Olympus Pen F/FT/FV)

출처: http://surplusperson.tistory.com/198 [산들산들]

 

 

 

▶ SLR 카메라의 포커싱 방법 (스프릿 스크린과 위상차 검출)

 

렌즈를 통과한 상을 반사 미러와 펜타프리즘을 통해 작은 뷰파인더로 확인하며 렌즈의 포커스 링을 돌려서 포커싱을 하는 수동 포커싱(MF)과 카메라의 AF 시스템에 의해 자동으로 포커싱이 이루어지는 Auto focusing으로 나뉜다. SLR 카메라의 포커싱 시스템은 MF 방식과 AF 방식이 각기 기술적으로 차이를 간략히 언급하면, MF 방식은 뷰파인더에 상을 확인하며 피사체의 상이 또렷하게 보이도록 카메라 렌즈의 포커싱 링을 조작하여야 한다. 이때 뷰파인더가 작고, 특히 광각렌즈일수록 주 피사체가 작게 표현되어 정확한 포커싱이 어려운데 이를 보완하기 위한 포커싱 확인용 스크린이 장착되어 포커싱의 편의를 도모하는 방식을 취한다.

 

 스크린은 크게 Mat방식 Macro방식, 그리고 가장 잘 알려진 Split 방식이 있다. Mat 방식은 중앙부 및 전체적으로 상이 뚜렷할 때 초점이 맞은 것이며, Macro 방식은 두개의 크기가 다른 동심원이 뷰 파인더 중심에 있고 큰 원의 상보다 내부의 작은 원 상이 뚜렷하게 보일 때 초점이 맞은 상태이다. '스프릿 스크린' Sprit screen 방식은 초점이동을 통해 뷰파인더 중심부의 사선으로 나누어진 상이 하나로 일치하도록 맞추고 이때가 정초점이 되는 방식으로 시인성이 가장 좋다.(초점 맞추는 중앙부의 시인성을 높이기 위하여 중앙부 중심 일정 크기의 원형 범위로 상을 모자이크처럼 보이게 한다) 위 방식을 중첩 사용하여 초점 확인이 더 용이하도록 개선한 카메라들이 많다.

 

 

 본격적인 수동 초점에 들어가기 앞서 SLR 필름 카메라의 수동 초점 맞추기는 원리 즉, 기존 필름카메라에 적용되었던 뷰파인더 내부의 스크린 방식에 대해 알아보자. 스크린은 크게 Mat방식 Macro방식, 그리고 가장 잘 알려진 Split 방식이 있다. Mat 방식은 중앙부 및 전체적으로 상이 뚜렷할 때 초점이 맞은 것이며, Macro 방식은 두 개의 크기가 다른 동심원이 뷰파이더 중심에 있고 큰 원의 상보다 내부의 작은 원 상이 뚜렷하게 보일 때 초점이 맞은 상태이다. Sprit 방식은 초점이동을 통해 뷰파인더 중심부의 사선으로 나누어진 상이 하나로 일치하도록 맞추고 이 때가 정초점이 되는 방식으로 시인성이 가장 좋다.(초점 맞추는 중앙부의 시인성을 높히기 위하여 중앙부 중심 일정 크기의 원형 범위로 상을 모자이크처럼 보이게 한다) 위 방식을 중첩 사용하여 초점 확인이 더 용이하도록 개선한 카메라들이 많다. 라이카나 기타 RF 카메라의 경우, 이중상 합치의 포커싱 방식을 취하고 있다. 이는 삼각측정법에 의한 거리측정을 기반으로한 포커싱 방식인데 정확도가 매우 우수한 방식으로 SLR 포커싱 방식과 대비를 이룬다. 이에 대한 자세한 내용을 검색을 통해 보충하는 것이 좋겠다.

 

Split image rangefinder



출처: http://surplusperson.tistory.com/70 [산들산들]

 본격적인 수동 초점에 들어가기 앞서 SLR 필름 카메라의 수동 초점 맞추기는 원리 즉, 기존 필름카메라에 적용되었던 뷰파인더 내부의 스크린 방식에 대해 알아보자. 스크린은 크게 Mat방식 Macro방식, 그리고 가장 잘 알려진 Split 방식이 있다. Mat 방식은 중앙부 및 전체적으로 상이 뚜렷할 때 초점이 맞은 것이며, Macro 방식은 두개의 크기가 다른 동심원이 뷰파이더 중심에 있고 큰 원의 상보다 내부의 작은 원 상이 뚜렷하게 보일 때 초점이 맞은 상태이다. Sprit 방식은 초점이동을 통해 뷰파인더 중심부의 사선으로 나누어진 상이 하나로 일치하도록 맞추고 이 때가 정초점이 되는 방식으로 시인성이 가장 좋다.(초점 맞추는 중앙부의 시인성을 높히기 위하여 중앙부 중심 일정 크기의 원형 범위로 상을 모자이크처럼 보이게 한다) 위 방식을 중첩 사용하여 초점 확인이 더 용이하도록 개선한 카메라들이 많다. 라이카나 기타 RF 카메라의 경우, 이중상 합치의 포커싱 방식을 취하고 있다. 이는 삼각측정법에 의한 거리측정을 기반으로한 포커싱 방식인데 정확도가 매우 우수한 방식으로 SLR 포커싱 방식과 대비를 이룬다. 이에 대한 자세한 내용을 검색을 통해 보충하는 것이 좋겠다.

 

Split image rangefinder



출처: http://surplusperson.tistory.com/70 [산들산들]

SLR 카메라의 AF 포커싱 방식은 '위상차 검출' AF 방식으로 최신의 카메라에도 콘트라스트 검출법과 함깨 대표적인 AF 측거방법 중 하나이다. 필름 카메라의 위상차 검출 AF 방식은 MF의 스플릿 스크린의 방식과 거의 동일한 원리를 적용하고 있다. 초점이 맞지 않았을 때는 상이 어긋나 있다가 초점이 맞았을 때 상이 일치하고 초점 검출을 판단하는 것을 전자식기기에 의하는 방식이다. 스프릿 스크린 역할을 하는 광학계와 센서로 구성되며, 통상적인 AF SLR에는 반투과식 메인 미러 뒤에 서브 미러가 있어 그 부분으로 들어온 빛이 미러박스 아래로 꺾이며, 이렇게 꺾여 들어온 빛으로 AF센서는 초점을 측거한다.다.

 


▶ SLR 카메라 뷰파인더의 사양 비교 / 시야율과 배율(frame coverage & magnification)

 

카메라 뷰파인더의 성능을 가늠할 수 있는 사양으로는 '시야율'과 '배율'이 주로 사용된다. SLR 카메라의 뷰파인더 시야율, 배율에 대해서 언급할 내용이 꽤 많으므로 이는 별도의 포스팅으로 대신하자.

 

▷ 참고 - <카메라와 렌즈의 구조 X X II> SLR 뷰파인더 시야율과 배율 / Viewfinder frame coverage & magnification - SLR camera      http://surplusperson.tistory.com/344

카메라 뷰파인더의 성능을 가늠할 수 있는 사양으로는 '배율'과 '시야율'이 주로 사용된다. 레인지파인더 카메라의 뷰파인더 배율과 시야율에 대해서 언급할 내용이 꽤 많으므로 이는 별도의 포스팅으로 대신하자.

출처: http://surplusperson.tistory.com/275 [산들산들]

 

 

▶ SLR 카메라 뷰파인더의 장점과 단점

 

쓰다 보니 간략하게 정리가 잘 되지 않는다. 장단점에 대해서는 익히 경험으로 체득하고 있는 부분이므로 간략하게 기술해 보자.

 

장점으로는 실제 촬상면(필름 또는 디지털 이미지 센서)에 노광 되는 상과 동일한 상을 직접 뷰파인더를 통해 확인 가능하므로 실제 촬영되는 상의 심도나 구도, 노출의 정도를 정확하게 확인할 수 있다. 렌즈를 교환 장착 시 렌즈의 초점거리에 따라 뷰파인더의 화각도 별도의 조작이나 연동 없이 자동으로 전환되는 효과를 가진다. 최근에는 디지털 이미지 센서를 활용한 라이브 뷰로 이와 유사한 효과를 얻을 수 있으나 디스플레이 장치의 한계(해상력, 명암비, 다이내믹 레인지, 채도와 색재현력 문제)와 실제 화상을 디지털 화상으로 전환으로 발생하는 시간적 차이 등에서 아직 SLR 광학 뷰파인더 시스템이 훨씬 비교 우위에 있다.

 

단점으로는 촬영을 위해 미러가 업 다운되는 동안 시야를 가리는 블랙아웃이 발생하며, 긴 초점거리(망원) 렌즈를 장착한 경우나 뷰파인더의 배율 등에 따라 파인더로 보는 시야각이 좁아질 수 있다. 촬영 시 미러 충격으로 인한 흔들림이 발생할 수 있으므로 RF 카메라나, 콤팩트 카메라 등에 비교할 때 손에 들고 촬영하거나 저속 셔터 스피드를 활용한 촬영에서 흔들림이 발생할 가능성이 높다. 그리고 미러 공간 확보를 위해 긴 플랜지 백 거리가 필요하므로 특히 광각렌즈에서 복잡하고 제작비용이 높은 레트로 포커스(역 초점 광각 설계) 타입을 적용하여야 하는 문제가 있다.

 

 

최초의 SLR 카메라가 무엇인가에 대한 부분은 여러 주장이 있고 이에 대한 중요성이나 관심도 그리 크지 않은 부분이다. 그 이유는 SLR 카메라는 펜타프리즘, 리플렉스 미러와 더불어 퀵-리턴 시스템 등 새로운 기술들이 결합하며 순차적으로 현재의 SLR 카메라가 완성되었기 때문이라 생각한다. 초기의 SLR 카메라 역사에 카메라 자체의 기계적 완성도와 인기를 감안하면 한 획을 그은 대표적인 SLR 카메라는 Zeiss-ikon의 Contax S와 Pentax Spotmatic이 아닐까 생각한다.

 

 

 

 

 

 

▶ SLR과 DSLR 카메라 뷰파인더의 진화

 

 

촬영 시 뷰파인더에서 눈을 떼지 않고 촬영에 필요한 정보(측광 정보와 조리개 값 등)를 확인하기 위해서 뷰파인더 내부에 각종 촬영과 관련된 정보 표시를 위한 방식은 SLR 카메라 DSLR 카메라에서 꾸준히 발전해오고 있다. 각 제조사들마다 각자 방식을 취하고 있는데 대략적인 변화와 기술에 대해 언급해보자. 단순히 촬영하고자 하는 피사체의 구도와 포커싱 확인만 가능하던 SLR 뷰파인더는 이후 측광 장치가 카메라 내부로 들어오면서 뷰파인더 측면에서 측광의 적정여부를 표시하는 지침이 등장하였다. 이는 아날로그 방식의 바늘에서 시인성을 높이기 위하여 다이오드 등의 발광체를 사용하는 방식으로 발전하였다. 이후 보다 많은 정보(촬영 모드 표시, 조리개 값, 셔터 스피드, 측광 정보 등)를 표시하기 위하여 뷰파인더 측면 또한 하단에 가늘고 긴 액정 표시 장치를 활용하기도 하였다.

 

Minolta XE

 

 

 

보다 많은 기능으로 무장한 DSLR 카메라에서는 표시할 정보의 수가 대폭 증가하였고, 스폿측광이나 멀티 측광의 측거점을 표시하거나, 초점 영역의 표시 등 화면 전체에 보다 자유롭게 정보를 표시하기 위한 새로운 기술이 속속 등장하고 있다. 대표적인 예로 포커싱 스크린 전면에 투과형 액정(Transmissive LCD)을 설치하는 방식을 들 수 있다. 광학 뷰파인더와 새로운 전자표시 장치(LED 등등)와 결합하는 보다 향상된 하이브리드 뷰 파인더로 발전할 것으로 예상된다.

 

canon 7D viewfinder

 

 

 

광학식 파인더(OVF)와 전자식 뷰파인더(EVF)가 효율적으로 결합한다면 각자 뷰파인더의 장점을 활용한 하이브리드 뷰파인더 방식, 예를 들어 광학 뷰파인더 화면에서 일부 특정한 영역을 확대하여 화면 일부에 표시하는 기능 등 기존 광학 뷰파인더에서는 실현하기 어려운 기능 등도 예상해 볼 수 있다.

 

아래 이미지는 특허출원으로 공개된 캐논의 하이브리드 뷰파인더 구조를 나타낸다. 조금 보충해서 설명하자면 Canon 7D에 적용된 뷰파인더가 Transmissive LCD를 활용한 '투과식' 하이브리드 뷰파인더 기술에 해당한다면, 아래 특허는 '투영식' 하이브리드 뷰파인더라로 뷰파인더로 실질 보이는 방식은 유사하지만 이를 구현하는 기술 방식에서는 확연한 차이가 있어 보인다.

 

 

 

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