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사진과 카메라 이야기/Optical Lens Design

<렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 X III> 비점 수차와 비점 수차 보정 렌즈 / Astigmatism & anastigmat lens


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



▶ 비점 수차 / Astigmatism


비점 수차는 자세히 뜯어보면 그 개념은 그리 어렵지 않으나 간명하게 정의하자면 조금 난감하다. 이해하기 쉽게 간단히 언급해보자. 광학계를 통과한 상이 광학요소 굴절로 인하여 주변부가 흐려지는 것 (점이 흐릿해져서 원으로 표시되는 '비점-非點')을 말하는데, 흔히 우리 눈의 경우 상하나 좌우 등 방향에 따라 굴절률이 다른 경우 비점 수차가 발생하고 이를 '난시'라고 부른다. 비점 수차 발생 원인에 대한 보다 상세한 설명은 인용으로 대신하자.


광학계수차의 일종. 광학계에서 광축 밖의 물점의 상은 자오적 평면 내와 구결적() 평면 내에서는 굴절 혹은 반사 작용이 다르기 때문에 각각 다른 위치에서 상점()을 만든다. 이 현상을 비점 수차라 한다. 그림은 점광원 P에서 나온 광선이 비점 수차만 있는 렌즈의 세밀한 바퀴테를 통과한 뒤에 어떤 모양이 되는지를 표시한 것으로, 그림에서도 알 수 있듯이 이것은 일반적으로 타원이 되지만, 구결적 상점 S와 자오적 상점 M에서는 직선이 되고, 이 중간 Q에서는 원이 된다.


<출처> 네이버 지식백과 비점 수차 (화학대사전)


▶ 비점 수차 보정 렌즈 / Anastigmat lens


19세기말과 20세기 초반, 사진용 광학 렌즈의 설계에서 수차 문제(단일색 수차 및 색수차) 해결하기 위한 노력이 집중적으로 이루어졌는데, 당시의 성과는 현재의 광학 기기에도 응용되고 있다. 구면 수차와 코마 수차 해결을 위해 무수차 렌즈(aplanatic lens- 망원성의 대물렌즈에 주로 적용)가 만들어졌다. 비점수차 문제 해결을 위한 대표적인 광학 설계로 Carl Zeiss의 Protar(Anastigmat, 처음 명칭은 Anastigmat이었으나 이후 비점 수차 보정렌즈의 일반 명사화되어 1900년에 Protar라는 이름을 붙였다고 한다) 가 있다. 1890년 폴 루돌프에 의해 설계된 광학식은 최초의 비점 수차 보정 렌즈로 현대적인 광학 설계의 시초로 평가한다. 저굴절률의 크라운 유리와 고굴절률의 프린트 유리로 조합되었으며, 조리개를 중심으로 대칭으로 설계되어 색수차 보정에도 효과가 있었다. Anastigmat lens는 보통 비점 수차 보정 렌즈라고 불려지지만 구면 수차, 코마 수차, 상면만곡 보정에 효과가 있다.

이후, 프로타의 비점 수차 보정 설계는 다른 광학 설계에도 많은 영향을 주었는데 달 고어- Dagor (Doppel-Anastigmat GOeRz)- 렌즈 등이 대표적이다. 그리고 프로타의 설계자인 '폴 루돌프'도 프로타의 광학 설계를 기반으로 더 한층 향상된 광학 설계를 선보였고, 현재까지 익히 유명한 칼 자이스의 대표적인 광학설계인 '우나-Unar', '테사-Tessar', '더블 프로타-Dubble protar' 등의 설계를 연이어 선보였다.


19세기 말과 20세기 초반 광학 설계의 발전은 단순히 일부 광학 제조사나 천재적인 광학 설계자의 등장에 의해 일순간에 이루어 진 것은 아니다. 사전에 수학자들의 계산에 의해 각 수차 문제 해결이 가능함이 증명되었고, 독일 예나의 칼 자이스를 중심으로 새로운 광학 소재 (바륨 등을 혼합하여 만든 새롭고 다양한 광학 특성의 유리 등)의 개발이 선행되었다. 최초 또는 대표적인 광학 설계만을 이 글에서 언급하게 되는데, 언급 된 광학 설계 이외에도 비슷한 시기에 존재하는 다른 광학 설계자의 광학 설계 또한 상호 영향을 주고 받으며 발전하였다고 보는 것이 타당하지 않을까 싶다.



▶ 테사 / Tessar


가장 성공적인 광학식 중 하나로 꼽히는 칼 자이스의 'Tessar' 광학 설계는 1890년 '폴 루돌프'에 의해 자신의 전작인 '프로타 - protar' 설계를 기반으로 1899년 'Unar' 설계를 거쳐 1902년 발표되었다. 테사의 광학 설계를 분류할 때 쿠크 삼중 렌즈(Cooke Triplet lens)의 영향을 받았다는 주장과 Protar의 계승 발전형이라는 두 주장이 대립하기도 하는데, 개인적인 생각으로는 이 구분은 무의미해 보인다. 당시의 광학 설계는 상호 밀접하게 연관되어 있고 서로의 장점과 구성 요소의 일부 설계를 공유하며 발전하였다고 생각한다. 따라서 프로타와 쿠크 삼중 광학식 모두 테사의 설계에 관련되어 있다고 보는 것이 타당하지 않을까 생각한다.

테사는 기존 프로타의 사출부 중합 요소와 함께 입사부의 구성 요소의 간격을 통한 설계(Cooke Triplet의 영향)까지 결합하여 단일색 수차와 색 수차 보정에 더욱 뛰어난 광학 성능을 보였다. 테사의 성공은 당시의 기술 수준에서 뛰어난 광학 성능이 첫째 요소였고, 칼 자이스가 해당 광학 설계를 일부 다른 제조사에도 사용하도록 허용하였던 점도 크다. ('Tessar' 브랜드의 사용은 허용하지 않았지만, 일부 광학 제조사에 해당 광학식을 적용하여 각자의 명칭/브랜드로 제품을 만드는 것을 허용하였다) 일부에서는 설계 일부를 변경하여 칼 자이스의 특허를 회피하여 제품을 출시하기도 하였고 특허가 만료된 이후에도 거의 대부분의 제조사에 테사 광학식의 렌즈를 한번씩은 만들었을 정도라고 한다.



Tessar 렌즈의 성공은 3군 4매로 이루어진 간략한 설계로 코팅 기술이 발명되기 이전의 상황에서 투과율과 반사율 문제에 있어 유리하였으며 프로타와 쿠크 삼중 광학식의 장점을 계승하여 수차 문제 해결과 뛰어난 색수차 보정 성능의 결과라 할 수 있다. 20세기 전기의 테사는 고평가 받을 수 밖에 없었고 사진기용 고급 렌즈에는 테사 설계가 적용된 렌즈가 상당 수 존재하며 Kodak의 Anastigmats, Kodak Ektar 등이 대표적이다.


단점이라면 설계상의 한계로 밝은 조리개 값에서의 부족한 점을 들 수 있다. 초기의 테사 광학 설계는 최대 개방 조리개 값이 f/3.5에 그쳤다. 이후, 희토류를 사용하여 굴절률 등이 향상된 광학 소재를 사용하여 f/2.8까지 성능이 향상되었지만, 이후 등장하는 Ernostar, Sonnar나 더블가우스 타입 Biotar, Xenon 등의  밝은 프라임 렌즈와 경쟁에서 불리하였고, 휴대하며 간편하게 촬영하기를 바라는 촬영 타입(캔디드 촬영) 등의 기대에 부응하기 어려웠다.


개인적으로는 테사 광학 설계의 렌즈를 그리 선호하지 않는 편이다. 테사 렌즈에 대한 불만이 있는 것은 아니지만, 사용 결과의 감상에 있어 단순한 개인적인 취향이 가장 큰 이유이고, '광학 성능에서 뛰어나고 우수하다(해상력과 색수차 보정)'고 평해지는 광학성능 또한 당시의 기준(다양한 설계 기술이나 코팅 기술 등의 부존재로 다양성이나 기술적 수준에 한계가 있었던)에 의한 평가로 현재의 기준에서는 이를 상회하는 좋은 광학 설계의 렌즈들이 넘쳐나기 때문이다. 현재의 기준에서 선택의 폭은 넓다. 테사 광학 설계의 역사적인 의미까지 깍아내릴 의도는 없지만, 역사성을 떼놓고 현재의 기준에서 실용의 가치로 평가하자면 부족함이 느껴진다.


테사의 광학식은 많은 제조사에 의해 다양한 제품으로 만들어졌지만, 코팅 기술이 본격적으로 활용되기 시작하는 세계 2차세계대전 이후에는 보다 밝고 향상된 광학 성능을 보여주는 더블 가우스 타입 광학 설계식에 밀려 기본적인 테사 렌즈는 비교적 간단하고 가성비를 중시하거나 컴팩트 카메라의 고정형 렌즈로 주로 활용되었다.



▶ 프로 테사 / Pro-Tessar


칼 자이스와 자이스 이콘은 1960년대 후반까지 무수한 종류의 렌즈와 카메라를 제조하였는데, 자이스 이콘에서는 테사 또한 여러 제품의 광학 설계에 꾸준히 적용하였고 새로운 설계에 응용하기도 하였다.  전면 구성요소의 변형 설계를 통해 당시의 유행을 반영한, 조금 실험적인 형태의 Pro-Tessar가 등장하기도 하였는데, 최고의 자리에서 밀려난 테사의 새로운 도전처럼 보인다. 1957년부터 1975년까지 만들어지 콘타 플렉스 (contaflex) III, IV, super, super B 등에 교환 장착형으로 출시되었는데, 실험적인 형태라고 기술한 이유는 흔히 '후옥'으로 칭해지는 조리개 이후 사출부와 전면의 일부 즉, 보조 렌즈(Supplementary lens)를 제외한 입사부의 구성요소를 분리/교환 장착하는 방식으로 다양한 초점거리의 렌즈를 사용하는 방식이었다.


이미지 출처 - https://spiral-m42.blogspot.kr/2016/08/carl-zeiss-pro-tessar-35mm-f32-85mm-f32.html



Contaflex는 렌즈 셔터(leaf or Central shutter) 방식이 채택된 자이스 이콘의 SLR 카메라로 contaflex I, II에는 고정형 렌즈가 contaflex III, IV 등에는 렌즈 전면부 일부만 교환 장착이 가능한 렌즈였다. (교환 장착할 수 있는 렌즈가 매우 제한적이었다) 교환용 렌즈 방식을 취하고 있으나 익히 알고있는 일반적인 방식과는 차이를 보인다. 렌즈 전면부의 일부만을 교환하여 초점거리, 화각이 다른 렌즈로 교환하는 방식이며 렌즈 광학계의 보조요소가 카메라 본체에 1차적으로 고정되어 있고 2차적으로 렌즈 전면부가 마운트 장착되는 즉, 하나의 렌즈가 제2 주점 또는 일부 구성요소군을 기점으로 2단으로 분리되는 구조이며 전면부의 교환부분 렌즈만으로는 정상적인 렌즈의 일부분에 불과(조리개도 없다)하므로 독립적인 사용이 불가능하다. 1950년대 후반부터 60년대에 광학계 일부만을 교환하여 다양한 초점거리의 렌즈를 사용하는 방식의 SLR 또는 RF 카메라가 잠시 유행하기도 하였는데, 다양한 초점거리의 렌즈를 사용하는 렌즈 교환형 카메라라는 취지에서는 효용이 있으나, 다른 카메라와의 호환, 추후 해당 렌즈의 활용 측면에서는 단점을 가지고 있었고 이후 '줌 렌즈'의 등장으로 입지가 좁아졌으며 한 때의 유행에 그쳤다. 비슷한 유형의 카메라로 코닥 레티나 IIC, IIIC 등이 유명하다.


▷ 참고 - 레티나 C형 마운트 - Kodak Retina C Type mount (Retina IIC/c, IIIC/c)   http://surplusperson.tistory.com/194



Contaflex IV



자이스 이콘의 몰락과 함께 칼 자이스 또한 침체기로 들어섰던 탓에 Tessar 브랜드의 새로운 렌즈는 한동안 출시하지 않았다. 칼 자이스의 테사 시리즈는 2010년대 이후가 되어서야 디지털 카메라 교환용 렌즈에 Tessar 브랜드를 사용한 새로운 줌 렌즈 제품(Vario-Tessar)을 소니용으로 출시한 정도가 새로운 뉴스 정도인 듯하다.



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