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사진과 카메라 이야기/Optical Lens Design

<렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 X VII> 카메라 표준 렌즈 광학계의 구성 및 설계 / About Optical design of normal lenses (35mm full-frame)

 

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

 

카메라 광학 구성과 설계에 대하여 관심이 많은 편이다. 이를 통해 대단한 분석을 할 수 있는 것은 아니지만, 올드 렌즈의 광학 구성에 따른 일반적인 특징이나 소소한 광학 발전사를 일부 이해할 수 있고, 옛날이야기를 찾아서 읽는 재미 정도다. 렌즈의 광학 구성이란 카테고리를 만들고 연작으로 수다를 이어갔지만, 턱없이 짧은 지식과 흥미가 동하는 데로 무작위/무체계/무대포 즉, 3무(無)를 갖춘 수다 탓에 다시 봐도 정신 사납다. 이런 엉성하고 그리 보잘것없는 관심이라도 함께 공유할 수는 없을까 고심하다가 자주 언급되고 종종 올드 렌즈를 이해하는데 알아두면 도움이 되는 대표적인 광학식을 서로 비교하면 좀 더 재미있는 접근이 되지 않을까 싶었다.

알고 있는 바가 바닥나서 광학 설계에 대한 잡다한 수다는 이번이 마지막이지 싶다.(마지막이 기존의 수다를 재탕으로 우려 먹는 꼴이 아닐까 살짝 걱정된다) 지엽적이고 개별적으로 각각의 렌즈 광학 설계(otical design)을 다루기엔 '씹고 뜯고 맛볼 것'이 너무 부족하지 싶다. 이전 대표적인 광학식 관련 개별적인 수다에서 언급되었던 내용들을 일부 간추려서 비교하는 구성이므로 예전 수다에서 보다 자세한 내용을 확인할 수 있겠다. 사실, 그리 도움이 될 거란 확신도 없는 것이 문제이긴 하다.

 

▶ 초기 카메라 광학계(렌즈)의 역사

근대 광학을 이끈 3 축은 망원경과 현미경 그리고 사진기용 렌즈가 아닐까 생각한다. 망원경은 먼 거리의 물체를 크고 선명하게 확대하는데 주력했고, 현미경은 작은 물체를 크고 선명하게 보는 것이 주목적이었다면, 사진기용 렌즈는 사람의 시각에 보이는 것을 선명하게 촬상소자에 담는 것을 목적으로 했으니 사뭇 차이가 있어 보인다.

초기의 스틸 사진용 렌즈는 흔히 표준 렌즈(normal lens)로 불리는 사람의 시야와 거의 유사한 배율과 거리감으로 보이는 것을 그대로 사진으로 촬영하는 것이 목표였고 출발점이 되었음은 당연하다. 그리고 육안으로 관찰하는 망원경이나 현미경과 달리 카메라는 평면의 촬상면(필름 면)에 화상을 기록하는 과정이 필요하고 입체적인 3차원의 공간을 2차원 평면에 담는 것에서 발생하는 여러 제반 문제를 해결하는 것이 시급한 과제였지 싶다. 이를 실현하는 일련의 과정이 카메라 광학계(렌즈) 설계의 발전사라고 할 수 있겠다.

카메라 광학계(렌즈)라고 해서 망원경이나 현미경 등과 전혀 동떨어지게 진행된 것은 아닐테다. 원천 광학 기술에서 많은 부분을 공유/계승했고 역사적으로 유명 카메라 광학 제조사(칼 자이스, 라이츠)들의 시작 또한 망원경과 현미경, 안경 렌즈 등을 주로 제조하던 회사 또는 기술자로 출발이었으며 일부 지역이나 국가에서만 국한되어 이루어진 것 또한 아니다. 일반적인 광학 제품뿐만 아니라 군사 무기 기술에서도 광학은 매우 중요한 부분이었고 당시의 과학 기술 수준과 경제적인 영향력이 높았던 국가(독일, 영국, 프랑스, 미국 등) 및 동유럽의 수학자이자 광학자들도 꽤 유의미한 기여를 하였지 싶다.

초기 광학사에서 독일(특히 칼 자이스)의 발자취가 눈부신데 이는 뛰어난 광학 설계자 등의 등장한 것과 기초 광학기술과 정밀 기계 제조 기술 등이 결합한 결과겠지만, 한편으론 광학 소재 즉, 다양한 광학 구성이 가능하도록 질 좋은 그리고 다양한 굴절률의 새로운 소재 광학 유리의 개발이 큰 기여를 하지 않았을까 생각한다. 유능한 목수라도 한,두개의 연장만으로 모든 능력을 발휘할 수 없듯이, 뛰어나고 다양한 연장은 목수의 솜씨를 유감없이 발휘하는 밑거름이 되지 않았을까. 지금도 광학 유리의 굴절률에는 ‘아베수’ 단위를 사용하는데 19세기 후반 무렵, 독일의 물리학자 Ernst. 아베나 화학자 Otto. Scotte 등의 다양하고 새로운 광학 소재(유리) 개발이 (칼 자이스니 라이카 등의 일부 광학 제조사나 독보적인 광학 설계사의 명성에 가려져 있지만) 광학 설계 발전에 기여한 부분을 곱씹어 볼 필요가 있어 보인다. (아베와 스코트 모두 칼 자이스와 동업 또는 사업 관계에 있었다)

새롭고 다양한 광학 소재와 기초 광학 기술이 기반을 만들고 19세기 말과 20세기 초반에 혁신적인 독일의 광학 기술과 제품들이 등장하며, 현재에도 익숙한 칼 자이스, 자이스 이콘(독일의 주요한 카메라 및 광학 제조사가 칼 자이스 주도로 합병하여 설립), 라이카 등의 역사로 이어진 것이라 생각한다.

이런 기반 위에 폴 루돌프, Ludwig Bertele 등의 새로운 광학 설계 즉, 우리에게도 익숙한 명칭의 카메라 렌즈 광학식이 등장한다.

 

▶ 표준 렌즈 주요 광학식의 비교

19세기 말과 20세기 초에 등장해서 20세기와 현재까지 영향을 미치고 있는 표준 렌즈 주요 광학 설계에 대해 수다를 나눠보자. 여기서 한가지 유념할 점은 표준 렌즈의 주요 광학 설계란 점이다. 긴 초점거리를 갖는 렌즈는 장초점 렌즈 또는 망원(엄밀한 의미에서 장초점 렌즈와 망원 렌즈는 구분되어야 하는데 장초점 렌즈 중에서 렌즈 입사부의 전면에서 상이 맺히는 촬상면까지의 거리가 초점 거리보다 짧은 렌즈를 망원 렌즈-Telephotos lens-라고 한다) 그리고 이를 역설계한 레트로포커스-retrofocus- 타입 렌즈에 대해서는 직접적으로 다루지 않을 생각이다. 익히 잘 알려진 갈릴레안 망원경이나 케플러 망원경 그리고 무수히 많은 수학자, 천문가 등이 관여한 망원경/망원 렌즈의 발자취는 결코 간단하게 설명하긴 쉽지 않아 보인다. 그리고 비점 수차 제거 등을 위한 19세기 후반에 등장한 광학식( 또한 대부분의 렌즈에 끼친 영향이 매우 커서 함께 언급하는 것도 좋겠지만, 별도의 포스팅에서 다룬 적이 있고 이번 수다에서는 보다 간소하게 정리하기 위해 생략했다. 같은 이유로 광각 렌즈와 초광각 렌즈의 광학 설계에 대해서도 함께 다룰 여력이 없다.

 

  • 더블 가우스 유형 - 플라나 (비오타, 제논) / Planar (Biotar, Xenon)

 

대칭형 광학 설계로 수차 감쇄에 장점이 있고, 밝은/빠른 광학적 성능으로 설계하는데 유리하다. 코팅 기술로 초기의 중합 설계는 각각 독립된 구성요소로 제조할 수 있었고 다수의 구성요소를 사용하는 것에 대한 단점이 해소되었다. 다양한 변형 설계가 가능한 확장성과 제조 비용면에서도 장점이 있다. 필름 카메라 시대에 가장 활발히 연구된 광학식이며 60~70년대 SLR 카메라의 대부분(사실 거의 전부)의 표준 렌즈 광학식과 준망원 렌즈의 광학식으로 그리고 RF 카메라용의 표준 렌즈는 물론 35mm 또는 28mm 광각 렌즈의 설계식으로도 폭 넓게 활용되었다. (준 망원이라는 표현은 사실 적절한 표현은 아니지만, 일반적으로 종종 사용되므로 그냥 사용하였다. 60~85mm 내외의 표준 렌즈보다 살짝 초점거리가 긴 장초점 렌즈를 의미한다)

 

 

플라나는 대표적인 더블 가우스 타입 표준 렌즈 광학 설계인데, 더블(이중) 가우스 렌즈에 대해서 먼저 이야기하지 않을 수 없겠다. 더블(이중) 가우스 렌즈의 등장에 따른 배경은 생략하자. 칼 자이스의 폴 루돌프는 1896년 더블 가우스 유형의 내부 구성요소를 변형한 planar를 설계하였는데 당시 기술 수준에서 실제 광학 제품으로는 그리 큰 성과를 거두지는 못했지만 이후 많은 광학식에 영감을 주었고 이 영향을 받은 렌즈들을 더블 가우스 타입이라고 통칭하기도 한다. 이후 panchro(상단 그림의 4번째, Toylor & Hobson의 Cooke optics로 알려진 광학 제조사의 시네마 렌즈)는 변형된 설계를 통해 향상된 성능(최대 밝기 f/2)을 구현했다. panchro는 시네마용 렌즈였으므로 스틸 이미지 카메라에서는 Biotar가 자주 언급된다. 더블 가우스 타입의 플라나 유형의 완전한 대칭형 광학식은 최대 f/2.8 정도의 성능이 한계에 가까웠다. 따라서 panchro( 또는 Biotar)에는 비대칭성(비대칭형이 아니라 대칭형에 비대칭성을 조금 반영한 것)을 설계에 반영하여 f/2에 달하는 밝은/빠른 렌즈로 만들었다.

 

 

 

 

 

더블 가우스 유형의 표준 렌즈에는 수 많은 아류와 변종의 광학 설계가 존재하는데 변형이 이루어진 대표적인 원인 중 하나는 더 밝은/빠른 렌즈 설계를 위하여 비대칭성이 강조되었기 때문이 아닐까 싶다. 비대칭성이 증가할수록 대칭형에서 갖던 광학 수차의 감쇄 성능을 떨어지므로 화질 문제 (특히 최대 개방 상태에서의 주변부 화질 저하)에서 자유로울 수 없었고 수차 문제 해결을 위하여 (특히 코마수차가 문제 되었던 것 같다) 광학 설계의 변화와 개선 노력이 계속되었지 싶다. 그 결과 6매의 구성요소로 이루어진 f/1.8의 더블 가우스 타입의 표준 렌즈들이 만들어질 수 있었다.(흔히 지금도 점팔로 불리는 가성비 높은 표준 렌즈가 이에 해당한다) 이후 더 많은 구성요소가 추가되고 고 굴절률의 광학 소재를 사용하여 더 밝은/빠른 표준 렌즈가 상용 제품으로 속속 만들어졌지만, 향상된 사양에 따른 조리개 최대 개방에서의 화질 문제는 여전히 남았고 이를 추가되는 구성요소와 복잡한 광학 설계로 해결하여야 했으므로 광학계의 부피와 무게가 증가하고 제조 비용 상승으로 이어지기도 했다. 근래에는 이런 문제를 비구면(aspherical surface) 요소를 활용하여 수차 억제를 위한 복잡한 광학 설계의 부담을 들고 제조 편의와 비용의 균형을 맞추고 있는 듯하다.

그 외 종종 언급되는 더블 가우스 유형의 광학식으로는 크로츠슈나이더의 제논(Xenon), 보이그랜더의 울트론, 그리고 50~60년대 이후의 일본의 많은 광학 제조사들의 더블 가우스 유형의 표준 렌즈들이 다수 존재한다. 이들 유형을 모두 통칭해서 더블 가우스 유형의 표준 렌즈라고 할 수 있고, 최초 광학식인 플라나 광학식의 유형이라고 할 수도 있고, 때때로 대칭형을 기반으로 비대칭성을 가미한 Biotar 타입이라고 말하는 경우도 있고 그 이후의 변형된 유형의 영향을 지칭할 때는 제논 또는 울트론 타입 등등으로 보다 구체화하여 지칭하는 경우도 있다.

 

  • 쿠크 3중 (테사, 엘마) / Cooke triplet (Tessar, Elmar)

테사나 엘마 등 이름으로 더 친숙한 Triplet 렌즈는 앞서 잠시 언급한 영국의 시네마용 렌즈를 제조했던 Cooke optics의 유산이다. 19세기 말 카메라 렌즈의 당면 과제인 비점 수차 해결을 위한 독일 칼 자이스의 해법이 프로타(protar) 또는 anastigmat 광학식이었다면 영국 Cooke optics의 해법은 삼중 렌즈였던 것 같다. (넓은 의미에서 삼중 렌즈 또한 anastigmat 렌즈라고 할 수 있다)

 

 

 

 

 

비 대칭형의 광학 설계지만, 3장으로 이루어진 간단한 구성으로 코팅 기술이 도입되기 이전 실제 광학제품의 광학 성능은 매우 효과적이었으며(코팅 기술 등장 이전에는 거의 독보적인 광학 성능을 보여주었지 싶다) 이후 칼 자이스와 라이카 등 수많은 광학 제조사는 삼중 렌즈를 변형하여 수차 감쇄에 더 향상된 테사, 조나 라이카는 엘마, Hektor 등 많은 파생 광학식이 나왔으며 최근까지도 이를 기반으로 한 작고 효율적인 렌즈가 많이 활용된다.

쿠크 3중 렌즈(보통 줄여서 삼중 렌즈 -triplet)는 이후 등장하는 많은 광학식에 직접적인 영향을 미쳤는데, 익히 잘 알려진 테사, 엘마, 에르노스타, 조나 등이 이에 해당하고 별도로 언급하지 않은 Heliar, Hektor 등등 꽤 많다.

단점은 비대칭형의 삼중 요소 기반으로는 수차 감쇄에 한계가 있고, 간단한 구성으로 전면 요소의 집광이 약할 수밖에 없어서 밝은/빠른 렌즈를 만드는데 한계가 있었다. 따라서 초기의 3중 렌즈 기반의 렌즈는 최대 f/3.5 수준이었고 50년대 이후 희토류(란탄, 토륨 등)를 활용한 고굴절률의 광학 소재(유리)를 활용하여 f/2.8 수준으로 향상하는데 그쳐서 일반 시장에서 요구하는 밝은/빠른 대구경 표준 렌즈란 요구를 충족하기는 어려웠지 싶다.

3중 렌즈는 최근의 카메라 모듈 및 컴팩트 카메라에도 응용되는 등 폭넓게 활용되는데, 3중 렌즈를 기반으로 줌 렌즈 등의 설계 및 컴퓨터를 활용한 광학 설계(아래에서 보다 자세히 살펴보자) 등에서 얻어진 새로운 구성 등이 추가되어 3중 렌즈 기반이라 고집할 이유는 없어 보인다.

 

  • 조나 (에르노스타) / Sonnar (Ernostar)

35mm 스틸 카메라용 밝은/빠른 대구경 표준 렌즈의 시초와도 같은 에르노스타와 sonnar는 카메라 촬영 방식의 변화를 야기한 시초의 광학식으로서 여러 의미에서 자주 회자되지 싶다. (초기의 스틸 카메라는 자연광이나 실내에서 광량 보충을 위한 추가적인 조명 장치 없이는 가벼운 스냅이나 캔디드 촬영이 어려웠는데 에르노스타 그리고 조나의 등장으로 사진 촬영 스타일의 변화까지 나타났으므로 당시의 기준에서는 매우 획기적인 변화였지 싶다)

 

 

 

 

에르노스타나 조나의 f/2 그리고 개선된 f/1.5가 뭐 그리 대단하냐고 반문할 수 있겠지만, 삼중 요소 (triplet) 렌즈는 최대 조리개 f/3.5에 묶여 있었고, 더블 가우스 타입의 panchro나 Biotar는 f/2의 성능을 비슷한 시기에 구현하였지만, 코팅 기술이 없는 4군 6매의 구성은 광학계 내부 구면 사이의 난반사 문제로 실제 다양한 조건에서 사용되는 상용 제품으로는 제대로 된 광학 성능을 보여주기 어려웠다. 에르노스타와 조나는 삼중 렌즈를 기반으로 전면 요소의 강한 집광 구성과 3 중합 요소를 효과적으로 적용한 3군 6매, 3군 7매로 밝은/빠른 표준 렌즈의 대표 광학식이 되었다.

에르노스타와 조나의 단점은 비대칭성으로 인한 수차 감쇄에 약점이 있고 3중합의 제조 난도가 높아서 제조 비용에서 불리했지 싶다. 코팅 기술이 도입된 이후 더블 가우스 유형의 표준 렌즈들과 경쟁에서 앞서 언급한 조나의 단점과 표준 렌즈로 만들어질 경우 사출부 요소가 촬상면과 가까운 탓에 SLR 카메라의 미러박스 공간 확보가 불가능하여 SLR 카메라에 조나 광학식의 표준 렌즈를 장착할 경우 정상적인 사용에 제약이 발생하는 문제 등으로 SLR 표준 렌즈에서는 거의 찾아보기 어렵다. (코팅 기술을 조나 광학식에도 영향을 미쳐 최근 제작되는 조나 렌즈에는 제조 비용 절감 등을 위해 3 중합 방식을 거의 사용하지 않는다. 그리고 중합 기술은 흔히 '발삼 분리'로 불리는 내구성의 약점도 가지고 있다)

Sonnar 광학식의 표준 렌즈는 더블 가우스 또는 테사 타입의 동일한 초점 거리의 렌즈보다 대면부 전면에서 촬상면까지 거리가 상대적으로 짧아서 컴팩트한 크기로 제조된다. 이는 조나 광학식의 망원 특성에 기인한 부분인데, 앞서 망원 렌즈가 본래의 초점거리보다 짧은 전면에서 촬상면까지의 거리 렌즈라는 정의에서와 같이 광학식의 망원 특성으로 초점거리 대비 대면부 전면에서 촬상면까지 거리가 짧은 특징을 보인다.

 

  • 최근 표준 렌즈 광학식의 경향

필름 카메라 특히 SLR 카메라의 표준 렌즈 유산은 현재도 유효해서 다양한 더블 가우스 유형의 표준 렌즈들이 만들어지고 있으며 다수를 차지한다. 이외에도 RF 카메라의 표준 렌즈로 조나 렌즈가 만들어지기도 하며, 근래 디지털카메라 시대에 맞춰 새로운 광학 설계로 제조된 렌즈들도 보인다. 특히 디지털 미러리스 카메라용 표준 렌즈에서는 짧아진 플랜지 백 거리를 활용하여 이전 SLR 카메라용 표준 렌즈와는 사뭇 다른 새로운 광학 설계가 적용되는 점이 흥미롭다.

새롭게 설계된 표준 렌즈의 광학식은 아마도 줌 렌즈 등의 설계를 통해 습득한 광학 기술을 다시 표준 단렌즈에 적용한 것이 아닌가 싶다. 컴퓨터를 본격적으로 광학 설계에 이용하기 시작하면서 줌 렌즈의 다양한 광학 설계가 가능해졌고 이를 통한 사양 및 광학 성능 또한 비약적으로 발전하였다. 이제는 줌 렌즈 광학 설계를 통해 축적된 설계 노하우가 역으로 단렌즈에 피드백되어 적용되기도 하는데 이제 표준 단렌즈의 광학식도 새로운 변화의 기로에 서 있지 싶다. 기존의 더블 가우스 유형이나 조나 등등으로 정형화된 표준 렌즈의 광학 설계와 이미 판매할 만큼 판매하여 포화된 표준 렌즈 시장에 어떤 변화의 바람이 불어올 것인지 살짝 기대되면서 한편으론 새로운 광학 설계와 신제품이라는 허울 좋은 핑계로 사진 애호가의 허술한 주머니를 끝없이 노리는 광학 제조사들의 집념이 무섭다.

 

 

SONY FE 50mm f/1.8

 

 

SONY FE 55mm f/1.8 ZA
SONY Planar 50mm f/1.4 ZA

 

 

Zeiss OTUS 55mm f/1.4
Samyang XP 50mm f/1.2
Samyang FE 50mm F/1.4 AF

 


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