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사진과 카메라 이야기/Optical Lens Design

<렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 X II> 쿠크 삼중 렌즈 / Cooke Triplet Lens

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


쿠크 삼중 (Cooke Triplet) 렌즈는 초기의 광학기기(사진 및 영상용 카메라) 발전에 큰 영향을 끼친 대표적인 광학 설계식 중 하나이다. 쿠크 삼중 렌즈의 설계는 렌즈의 주변부에서 발생하는 왜곡과 각종 수차 문제를 해결한 설계식으로 이후 사진과 영상용 뿐만 아니라 쌍안경 등의 광학 설계에도 많은 영향을 주었다. 쿠크 삼중 렌즈의 주요 구성은 3매 3군인데 크라운 유리의 2매 구성요소에 플린트 유리의 1매가 사이에 들어간 형태다. (크라운 유리와 플린트 유리는 각각 굴절률과 아베수가 다르고 각 구성요소의 구면 곡률과 요소 간의 간격을 통해 왜곡과 단일 색수차, 색수차 문제를 보정할 수 있었다. 일반적으로 아베수가 55 이상인 경우 크라운 유리로 분류하고 아베수 50 이하인 경우에는 플린트 유리로 구분한다)


Cooke Triplet Lens



1893년 Dennis Taylor에 의해 설계된 쿠크 삼중 렌즈의 광학식의 가장 주된 목표는 광학 수차 그 중에서도 '비점 수차'의 보정이었다. 19세기 말과 20세기 초, 사진과 영상용 광학 렌즈의 발전에 최대 걸림돌은 비점 수차 문제를 해결하는 것이 당면 과제였다. (비점 수차 -astigmatism-와 비점 수차 보정 렌즈 -anastigmat lens-에 대해서는 Cooke triplet 보다 앞서 출시된 Carl Zeiss 'Protar'에서 다루어 보자. - 아래 링크 참조) 이후 많은 광학식에 직접적인 영향을 주었고 최근 카메라에서도 똑딱이 등으로 지칭되는 로우앤드 카메라 등의 광학계에 활용되고 있으며, 일상에서 쉽게 접할 수 있는 대표적인 것으로는 휴대용 전자기기(스마트 폰 등) 카메라 모듈 광학부가 있다. 카메라 모듈에서는 비구면 요소를 활용하고 있고 구성 요소의 매수도 초기의 쿠크 삼중 렌즈 방식과는 다르지만, 광학적 형태의 기본 베이스는 쿠크 삼중 렌즈 광학 설계를 기반으로 응용하고 적용하고 있다. 따라서 쿠크 삼중 렌즈가 올드 렌즈의 구닥다리의 낡은 광학 설계로 가치를 깎아내릴 이유는 없다.


▷ 참고 - <렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 X III> 비점 수차와 비점 수차 보정 렌즈 (칼 자이스 프로타와 테사) / Astigmatism & anastigmat lens (Carl zeiss Protar & Tessar)     http://surplusperson.tistory.com/313


카메라 모듈의 광학부



쿠크 삼중 렌즈 자체로 광학 주변부의 수차 문제를 해결한 당시로는 훌륭하고 혁신적인 광학 설계의 방식이었지만, 쿠크 삼중 렌즈는 이후 여러 뛰어난 광학식의 기반을 제공한 것에 더 의미를 부여할 수 있다. 쿠크 삼중 렌즈를 기반으로 응용, 발전된 광학식에는 카메라 렌즈에서 익히 유명한 칼 자이스의 Tessar와 Sonnar, 라이카의 Elmar, Hektor 보이그랜더의 Heliar 등이 있다. 그 외 그리 친숙한 이름은 아니지만 칼 자이스의 Unar, 조나의 전신이라고 할 수 있는 Ernostar 등이 있고 그리고 Meyer Primoplan 등도 있다.


위에서 나열한 쿠크 삼중 렌즈의 설계를 기반으로 해서 발전한 광학식의 경우, 오롯이 쿠크 삼중 렌즈만의 영향을 받았음을 의미하지는 않는다. 테사 렌즈의 기본적인 3군의 배치 형태는 쿠크 삼중 렌즈의 영향이고 일부는 자이스 Protar의 영향을 받았다고 할 수 있다. 프로타의 2중합 요소는 수차 보정을 위한 것으로 테사 렌즈의 각종 수차 보정 성능이 더 향상된 설계로 발전하였다고 생각한다. (Protar와 Tessar 모두 폴 루돌프에 의해 설계되었고 프로타가 테사에 앞서 설계되었다)



20세기의 카메라 렌즈에서 광학 설계 발전사는 쿠크 삼중 렌즈 또는 더블 가우스 타입의 설계를 기반으로 다른 광학계와 설계식에서 시도되었던 구성요소의 배치 방식, 중합, 요소 간의 간격 등등 여러 다양한 요소의 다양한 조합하는 과정에서 설계자가 의도한 최적의 광학식을 찾아가는 방식이었다고 할 수 있다. 예를 들어 Planar와 더불어 가장 우수한 광학 성능으로 대표적인 올드 렌즈 광학식으로 불리는 Zeiss Sonnar의 광학식만 하더라고 기본적인 베이스는 단일색 수차와 색수차 보정에 뛰어난 쿠크 삼중 광학식을 기반으로 Ernostar에 적용되어 집광 효과와 망원성으로 밝은 렌즈로서의 효용을 입증한 전면의 가우스 방식의 2요소를 배치하고, protar - tessar 등에서 적용되어 배율과 수차 보정에 효과적이었던 사출부의 접합 2요소(sonnar 5cm f/1.5에서는 3요소의 중합)를 조합하고 있다. 그리고 코팅이 없었던 시절의 각 구성요소 구면과 공기와의 접촉면에서의 투과율과 반사율 문제 해결을 위해 입사부 2군에 해당하는 구성요소들을 3중합으로 설계하여 올드 조나의 특징적인 광학식이 완성되었다고 생각한다. 


쿠크 삼중 렌즈의 영향을 받은 많은 렌즈 중에서 대표적인 렌즈는 보이그랜더의 Heliar를 들 수 있다.


▷ 참고 - <렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 VII> 보이그랜더 헬리어 / Voigtlander Heliar    http://surplusperson.tistory.com/224



이왕 벌린 일이니 다음 포스팅에서는 쿠크 삼중 렌즈를 기반으로 한 렌즈들의 광학식에 대해 Tessar & Elmar, Ernostar & Sonnar 등등 하나씩 다루며 더욱 자세히 뜯고 맛보고 싶다.




Leica Hektor 12.5cm f/2.5

Leica Hektor 50mm f/2.5

Voigtländer Heliar


Triplet / Ernostar / Sonnar


Meyer Primoplan 58mm f/1.9



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