Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
어느덧 여름이 깊어져 사진을 찍으러 나가기에는 너무 덥습니다. 더위를 핑계로 집에서 한가로이 나뒹굴며 여유를 찾은 요즘, 그동안 연작처럼 포스팅해 온 ‘카메라와 렌즈의 구조’에 대한 수다를 하나 더 남겨둡니다. 사실 저는 카메라나 렌즈, 사진술과는 전혀 관련 없는 삶을 살아왔습니다. 취미의 연장선에서 웹과 서적 등을 통해 수박 겉핥기식으로 공부하거나 실제 경험을 통해 얻은 사소한 지식을 토대로 한 수다일 뿐입니다. 막상 거창한 주제를 다루려면 머뭇거려지지만, 받은 만큼 돌려주는 것이 인지상정일 테니 인터넷의 공개된 정보 등을 통해 받은 고마움을 되돌려주고 싶었습니다. 은혜받은 고양이의 소소한 보답처럼 사소하고 엉뚱한... 그러나 좋은 의도가 항상 좋은 결과로 이어지지는 않듯이 별반 도움이 되지 않는 보답이 될 수도 있겠습니다. 수다쟁이의 잘못된 이해나 얕은 지식, 그리고 속 좁은 아집으로 은혜를 앙갚음으로 보답하는 우가 되지 않기를 바랍니다.
▶ 줌 렌즈란?
줌 렌즈는 초점 거리를 연속적으로 변경할 수 있는 렌즈를 의미합니다. 일반적으로 초점 거리 가변(zooming) 기능으로 초점(focus)이나 조리개 값은 변하지 않고 유지됩니다. 줌 렌즈는 다양한 초점 거리를 가지므로 렌즈 교환 없이 다양한 초점거리(화각)로 촬영이 가능합니다. 이는 렌즈가 카메라에 고정된 카메라에서 매우 유용하며, 렌즈 교환식 카메라에서도 줌 렌즈는 번거로운 렌즈 교환 없이 효과적인 촬영을 가능하게 합니다. 줌 렌즈는 오래전부터 고안되었지만, 가변 초점 거리 모두에 걸쳐 광학 수차를 제거하기 위해 여러 광학 요소를 사용해야 했습니다. 따라서 광학계가 여러 구성 요소로 이루어져 광학 구조가 복잡하고 외형이 커지고 무거웠으며, 수차 제거의 한계로 고정 초점거리 렌즈(단렌즈)에 비해 상대적으로 광학 성능이 낮았습니다. 이후 광학 신소재 기술과 정밀한 제작/연마 기술, 새로운 광학 설계 기술(광선 추적 및 컴퓨터를 이용한 설계)이 본격적으로 융합된 1970년 이후에야 상용화된 줌 렌즈가 시장에 등장했습니다.
▶ 가변 초점 렌즈와 줌(Zoom ) 렌즈 비교 (Parfocal lens vs Vari-focal lenses)
엄밀한 의미에서 ‘줌 렌즈’는 초점 거리를 변경하더라도 초점이 맞는 상태를 유지하는 렌즈(Parfocal lens)를 의미합니다. 이와 구분하여 초점 거리 변경 시 초점이 변경되어 다시 초점을 맞춰야 하는 렌즈를 ‘가변 초점 렌즈’(Vari-focal lens)라고 합니다. 현재 줌 렌즈라고 불리는 대부분의 스틸(사진) 카메라용 렌즈는 ‘가변 초점 렌즈’ 방식입니다. 가변 초점 렌즈는 광학 설계에 있어 순수한 의미의 ‘줌 렌즈’보다 제한이 적어 광학계의 자유로운 설계가 가능합니다. 최근에는 AF 속도가 향상되었고 이너 포커싱(Inner focusing) 설계와 초점 거리가 변경되는 동안 포커스 또한 연동하여 변화하는 구조로 인해 일반 사용자가 줌 렌즈와 가변 초점 렌즈를 사용할 때 차이를 체감하기 어려워 구분의 실익은 거의 없다고 볼 수 있습니다.
그러나 MF 모드에서 주밍 기법으로 이미지를 촬영하거나 줌인(Zoom-in) 및 줌 아웃(Zoom-out) 기법으로 영상을 촬영할 경우, 렌즈 내부 설계 차이로 인해 포커싱 정확도 문제를 다소 체감할 수 있습니다. 영상용 줌 렌즈의 경우, 초점 거리 변경에도 초점이 바뀌지 않는 Parfocal 설계가 더욱 적합하다고 생각됩니다. 줌 샷이 달리/트랙킹 샷에 비해 구도 및 심도 변화가 부족하여 전문적인 영상 작업에서 선호되지 않는다는 의견도 있지만, 보도에 중점을 둔 뉴스나 다큐멘터리, 그리고 시네마 기법 중 줌 아웃-달리 인 또는 줌 인 - 달리 아웃(히치콕 줌, 버티고 줌)과 같은 독특한 영상 기법 부분에서는 유용하게 활용될 수 있습니다.
<렌즈의 광학구성 Optical design 24> 파포컬 줌 렌즈 - 파포컬(초점유지)을 위한 광학 설계 [副題] "아
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 봄은 왔지만, 여전히 현실은 코로나 판
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파포컬 줌 렌즈와 가변 초점거리 렌즈의 효용에 대하여 / Are Parfocal (true) Zoom Lenses Useful for Real Shoo
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 파포컬 줌 렌즈의 정의 및 광학 구성/
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줌 렌즈의 제품 명칭에는 가변 가능한 초점 거리의 최단과 최대를 표시하는 경우가 일반적입니다. 예를 들어 Canon EF 24-70 f/2.8 II USM은 최단 초점 거리 24mm에서 최대 초점 거리 70mm까지 초점 거리를 연속적으로 변경할 수 있는 렌즈를 의미하며, 일반적으로 이 정도 가변 초점 거리를 갖는 렌즈를 ‘표준 줌 렌즈’라고 합니다. 줌 렌즈의 경우 최단 초점 거리에 대한 최장 초점 거리의 비율을 렌즈의 배율이라고 하며, n:1 또는 줌 배율 n 등으로 표시하기도 합니다. 이는 주로 콤팩트 카메라에 고정 렌즈의 성능을 보다 쉽게 나타내기 위해 줌 렌즈에 표시되는 방식입니다. (일반적으로 광학 줌 n배로 표시되며, 그 외 디지털 줌은 카메라의 이미지 센서의 일부분을 확대하는 기능으로 광학 줌과는 구별됩니다.) 앞서 예시한 Canon EF 24-70 f/2.8 II USM은 줌 배율로 표시하면 x 2.92 정도에 해당합니다.
▶ 줌 렌즈(가변 초점 렌즈)의 기본 원리와 다군 줌 렌즈
줌 렌즈의 기본적인 광학 구성은 2군 줌 렌즈, 3군 줌 렌즈, 4군 줌 렌즈, 다중 그룹 렌즈 등으로 분류할 수 있습니다.
3군 줌 렌즈 구성은 2군 줌 렌즈의 변형으로, 광학 설계상의 자유도를 높인 형태입니다. 3군 줌 렌즈의 원리를 간략히 설명하면 다음과 같습니다.
광학계에서 첫 번째 요소(L1)와 두 번째 요소(L2)의 거리가 가까워지고 세 번째 요소(L3)와의 거리가 멀어질수록 초점 거리가 짧아져 광각이 됩니다. 반대로 L1과 L2의 거리가 멀어지고 L2와 L3의 거리가 가까워질수록 초점 거리가 길어져 망원 효과가 나타납니다. 즉, L1과 L3 사이에 위치한 L2의 위치 변화에 따라 초점 거리가 연속적으로 변하며, 이는 L2의 위치와 직접적인 비례 관계입니다.
4군 줌 렌즈 구성은 각 군의 역할이 명확히 구분되어 전형적인 줌 렌즈 설계 및 작동 방식을 보여줍니다. 1군은 초점 조절(포커싱)을 담당하고, 2군은 배율 변화에 따른 가변 초점거리를 구현합니다. 3군은 (1군과 2군의 변화에 따라 발생하는 여러 광학적 한계와 문제에 대한) 보상을 담당하며, 4군은 마스터 군으로서 플랜지 백 거리에 맞춘 초점면 형성에 관여합니다.
줌 렌즈에서 요소군이 증가하면 광학적 설계의 자유도는 높아지지만, 실제 제품 개발을 위한 내부 구동 구조 설계의 난이도 또한 증가합니다. 최근에는 전산 소프트웨어를 활용한 광학 설계로 인해 각 군의 개별적인 역할을 넘어 다양한 기능을 수행하는 렌즈 설계가 가능해졌습니다. 예를 들어, 기존 4군 줌 렌즈에서 각 군은 특정 역할을 담당했지만, 현재는 각 군이 하나 이상의 역할을 수행하면서 작동 방식이 더욱 복잡해졌습니다. 이러한 변화로 이전에는 실현하기 어려웠던 고성능 줌 렌즈 개발이 가능해졌으며, 내부 렌즈 요소군의 구성과 더 복잡해진 각군의 비선형적이며 여러 그룹이 동시에 각각의 방식으로 유기적으로 작동하는 다군 줌 렌즈 방식으로 발전했습니다.
▶ 줌 렌즈/가변 초점 렌즈의 단점
줌 렌즈와 가변 초점 렌즈는 연속적인 초점 거리 변경이 가능하지만, 다수의 구성 요소 사용으로 무게가 무겁고 광학 성능 또한 고정 초점 거리 렌즈, 즉 단 렌즈에 미치지 못합니다. 최근 광학 소재 기술의 발전으로 다중 코팅 기술, 저분산 요소 및 비구면 요소 사용, 컴퓨터 소프트웨어를 이용한 정밀 설계 등을 통해 줌 렌즈의 광학 성능이 획기적으로 향상된 것은 사실입니다.
그러나 가변 가능한 초점 거리 전반에 걸쳐 광학 수차를 모두 제거하는 것은 매우 어렵습니다. 또한, 다수의 광학 요소 사용으로 내부 구조가 복잡해지고 구성 요소 간 유기적인 구동 메커니즘으로 제조상의 어려움이 증가하며, 렌즈의 부피와 무게가 증가하는 문제점도 있습니다. 특히 렌즈 하나의 가격을 비교했을 때 일반적인 단 렌즈에 비해 상대적으로 높다는 점도 고려해야 합니다.
▶ 이너(인터널) 포커스와 이너(인터널) 줌 / Internal focus & Internal Zoom
최근 광학 설계 기술의 발전은 다양한 유형의 광학 구조뿐만 아니라 줌 작동 방식에도 큰 변화를 가져왔습니다. 특히 줌 렌즈에서는 ‘이너 포커스’와 ‘이너 줌’이 이러한 변화를 보여주는 대표적인 예시입니다. (개인적으로는 ‘인터널 포커스’와 ‘인터널 줌’이 더 적절한 용어라고 생각하지만, 국내에서 일반적으로 사용되는 ‘이너’ 용어를 사용했습니다.)
이전 글에서 언급했듯이 이너 포커스 구조는 초점 조절이 렌즈 내부의 광학 구성 일부(일반적으로 조리개 바로 앞쪽의 광학 요소군)의 이동으로 이루어지기 때문에 렌즈 경통의 길이에 변화가 없다는 장점이 있습니다. 또한, 초점에 따른 이동 요소가 일부에 불과하여 전체 광학 요소를 움직여야 하는 렌즈에 비해 빠르고 쾌적한 AF에 적합합니다.
<카메라와 렌즈의 구조 I> 렌즈의 초점(포커스) 구동 방식에 대하여 / Construction of camera - How the camera lens moves a focus. (What happens when you focu
수동 필카나 이종교배를 통해 수동(MF) 렌즈를 사용하다 보면 부드러운 수동 포커싱 조작이 인상적이다. 하지만 근래의 AF렌즈 특히 줌렌즈를 수동 포커싱하는 경우에는 수동 조작감이 올드 수동 렌즈보다 못하고..
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고성능 렌즈에 자연스럽게 연동되는 것으로 여겨지는 이너 줌은 이너 포커스 시스템과 발상 자체는 유사하나, 실효성 측면에서는 의문이 제기됩니다. 즉, 이너 줌은 장점과 함께 단점 또한 내포하고 있습니다.
DSLR 또는 미러리스 카메라용 교환형 렌즈의 이너 줌 광학 설계는 앞서 살펴본 줌 렌즈/가변 초점 렌즈의 기본 원리와 크게 다르지 않습니다. 다만, 주밍으로 초점 거리가 변경되어도 외부 경통의 길이는 항상 일정하게 유지된다는 차이점이 있습니다. 즉, 경통이 앞으로 튀어나오는 현상이 발생하지 않습니다. 경통의 길이가 항상 일정하게 유지되는 이너 줌은 렌즈의 길이가 길게 설계될 수밖에 없는 한계를 내포하고 있습니다. 반면, 경통의 길이가 변화하는 줌/가변 초점 렌즈는 짧은 초점 거리(광각)에서는 최단 길이로, 긴 초점 거리(망원)에서는 최장 길이로 렌즈 전체의 길이가 변합니다. 따라서 긴 초점 거리에서는 경통이 앞으로 튀어나와 길어지지만, 광각 상태에서는 최단 길이로 유지되어 휴대, 보관 및 촬영에 유리한 측면이 있습니다. 즉, 이너 줌은 경통의 최장 길이 가까운 길이에 고정된 형태라고 볼 수 있습니다. (이너 줌의 기본 경통은 내부 광학계의 설계상의 한계로 일정 길이를 유지할 수밖에 없지만, 일반 줌 렌즈의 최대 망원에서 경통 길이와 비교하면 상대적으로 짧은 장점을 지닙니다.)
Olympus M.Zuiko Digital ED 40-150 f/2.8 PRO는 이너 줌 방식을 채택한 렌즈이며, 아래에 언급된 Canon EF 24-70 f/2.8 II USM은 줌 조작에 따라 경통의 길이가 변하는 렌즈입니다.
고정형 렌즈를 채택하는 일부 콤팩트 카메라의 광학 줌은 이너 줌 설계를 적용하며, 이는 DSLR 또는 미러리스 카메라의 교환형 렌즈에 적용되는 이너 줌 광학 설계와는 다릅니다. 콤팩트 카메라의 이너 줌 설계는 카메라 내부에 잠망경과 같은 원리를 이용하여 초점 거리 변경에 따른 광학계의 전후 길이 변화를 다르게 설계합니다. 즉, 광학계의 주밍 시 전후 운동을 수직 또는 수평 운동 형태로 전환하고 프리즘 반사 등을 통해 동일한 형태를 유지하도록 합니다. 따라서 실제 이너 줌 콤팩트 카메라의 광학계는 카메라 내부에서 광학계의 길이가 변하더라도 외부 렌즈 경통의 돌출이 발생하지 않습니다.
줌 렌즈의 선택이나 사용 시 ‘이너 줌’ 방식 유무에 대한 민감한 평가가 종종 나타나지만, 광학적 성능 측면에서 ‘이너 줌’만의 뚜렷한 장점을 찾기 어렵습니다. 경통 길이 변화에 대한 ‘이너 줌’의 선택은 편의 기능에 불과하며, 줌 렌즈의 경통 길이 변화가 치명적인 단점으로 작용한다고 보기는 어렵습니다. 광학적 성능, 설계 효율성, 가성비 등을 고려했을 때 ‘이너 줌’ 구조를 스틸 카메라에 고집할 필요는 없습니다.
이너줌 렌즈의 효용성을 보여주는 사례로, 메트 박스 등을 결합하여 사용하는 시네마 렌즈는 주밍 시 길이 변화가 없는 것이 유리합니다. 또한, 무빙 촬영이 빈번한 영상 촬영 시 흔들림을 감소하기 위해 짐벌이나 글라이드 캠과 같은 스테빌라이저를 사용하는 경우, 이너줌 렌즈는 주밍으로 인한 무게 중심 변화가 적어 스테빌라이저의 무게 중심 재조정 필요성을 줄여 작업 효율성을 높일 수 있습니다.
최근에는 후드를 경통 바깥쪽에 설치하고 주밍 시 돌출되는 경통을 후드 안쪽에서 이루어지게 하여 외부에서 이너줌처럼 보이게 하는 렌즈 구조가 적용되고 있습니다. 이는 시네마 렌즈에서 포커싱, 주밍 등의 기능 수행 시 후드를 포함한 전체 길이를 일정하게 유지하기 위해 사용되는 방식과 유사합니다. 특히 초점 거리가 길어질수록 렌즈 전면 요소가 뒤로 이동하는 가변 초점거리 렌즈에서 이러한 구조는 매우 유용합니다. 일례로 캐논 EF 24-70mm f/2.8 L (일명 ‘구계륵’)이나 토키나 28-70mm f/2.8 등이 이러한 구조를 가지고 있습니다.
