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사진과 카메라 이야기/Optical Lens Design

<렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 X VIII> 초점호흡(포커스 브리딩) 억제를 위한 광학 설계와 플로팅 포커스 시스템 / Focus breathing & floating elements design

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

 

 

일전 초점 호흡/포커스 브리딩(focus breathing)에 대해서 설명했었는데, 좀 더 보충해서 설명했어야 할 내용이 빠졌다. 초점 호흡에 대한 설명은 이전 수다의 링크로 대신하자.

▷ 2018/01/19 - [사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure] - <카메라와 렌즈의 구조 36> 초점 호흡 (포커스 브리딩)에 대하여 / About focus breathing

초점 호흡은 스틸 이미지 촬영 보다는 녹화된 영상 결과물에서 포커싱에 따라 초점 거리가 변하고 이에 따른 미세한 배율 변화와 포커싱 이동에 따른 촬영 범위(화각)가 변한다. 아주 미세하지만 의도하지 않은 줌인 또는 줌 아웃한 것과 같은 효과가 단 렌즈에서 발생하므로 이를 최대한 억제한 광학 설계에 대해서도 관심이 갈 수밖에 없다. 포커스 브리딩을 억제에는 대표적으로 플로팅 초점 방식(Floating focusing system)이 들 수 있는데(유일한 방식은 아니겠지만, 이외 방법은 잘 떠오르지 않는다) 이는 이너 포커싱의 한 방식이기도 하다. (이너 포커싱 방식 또한 이전 수다의 링크로 자세한 내용은 대신하자)

▷ 2016/09/30 - [사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure] - <카메라와 렌즈의 구조 I> 렌즈의 포커싱 구동 방식 / Construction of camera - Focusing system

 

 

 

Sigma 35mm f/1.4 DG HSM

 

 

 

매크로 렌즈의 경우 (매크로 렌즈의 초점 거리에 따라 조금씩 차이는 있지만) 피사체와 매우 근접해서 촬영해야하는 경우가 많은데 포커싱에 따른 렌즈의 경통 돌출 등으로 인한 피사체와 렌즈 입사부까지의 거리 변화가 없고 배율 변화도 억제되어서 포커싱에 따른 구도와 촬영 이미지의 크기를 유지하는데 유리하다. 그리고 최근 매크로 렌즈들은 최단 촬영에서 무한대까지 넓은 촬영(포커싱) 범위를 가지도록 설계되고 이에 따라 더 높은 수준의 수차 감쇄가 필요하므로 이 점에서 또한 플로팅 포커스 시스템/설계의 이점이 있다.

Sigma 70mm f.2.8 MACRO

 

이너 포커스 시스템은 줌 렌즈 등에 주로 채택/활용되지만, 일부 단렌즈(매크로 또는 시네마 타입의 영상용 단렌즈)에도 적용되며 최근에는 최대 개방 조리개의 성능을 대폭 향상하느라 비대해지고 무거운 광학계를 가진 역 초점/레트로-포커스 타입의 광각 단렌즈에도 활용되는 등 그 적용 범위가 광범위해지고 있지 싶다. (단-單- 렌즈에 적용되는 이너 포커스는 대부분 플로팅 포커스 시스템이 아닐까 싶다) 이는 광학 성능을 끌어올리기 위해 무거워진 광학계는 기존의 전체 요소를 이동시켜 초점을 맞추는 방식으로 구동하기에 부하가 많이 걸려서 빠르고 쾌적한 AF 성능을 발휘하기 곤란한 점을 개선하기 위해 플로팅 포커스 방식을 취하고 있는 것이지 싶다.

플로팅 포커스 시스템은 floating elements design, floating system, floating focusing mechanism 등등으로 불리고 광학 설계에서 제조사나 렌즈마다 소소한 차이(2군 또는 3군 등으로 나뉘어 플로팅 되는 방식 등)를 보이지만, 기본적인 원리는 차이가 없는 것 같다.

플로팅 포커스 시스템은 기존 광학 설계의 렌즈에 비해 뚜렷한 장점(경통의 물리적 길이 변화가 없고, 넓은 포커싱 범위에서의 효과적인 광학 수차 감쇄 성능, 빠른 AF 포커싱에 유리하며, 포커스 브리딩 효과의 억제)이 있지만, 기존 광학 설계 방식과는 확연히 다른 새로운 광학 설계를 적용하여야 하고, 기존 프라임 렌즈에 비해 많은 구성 요소가 사용되어서 작고 가벼운 렌즈를 만드는 데는 적절하지 않으며, 제조 비용 또한 높아서 가성비에서 그리 좋지 않다. (렌즈 외부의 길이가 길다는 기존 단렌즈의 무한대에 비해 상대적으로 길다는 점도 단점이라고 할 수도 있겠지만, 그리 큰 차이는 아닌 듯하다)

언뜻 생각하면 플로팅 초점 방식 때문에 렌즈가 무거워진 것인지, 무거운 렌즈의 성능 향상을 위해서 플로팅 시스템이 적용된 것인지 헤깔린다. 아마도 후자의 이유가 더 맞지 싶다.

포커스 브리딩 억제를 위한 렌즈 선택에서도 고민에 빠질 수밖에 없다. 가성비와 작고 가벼운 렌즈라는 측면에서 기존 광학 설계의 렌즈들이 분명한 장점이 있는 반면에 포커스 브리딩은 억제되지 못하고, 이를 억제하기 위해 플로팅 포커스 시스템을 채택한 렌즈는 광학 성능에서 더 이점이 있겠지만, 아무래도 고가이며 무겁고, 조금은 긴 형태의 렌즈일 수밖에 없지 싶다. 선택은 각자의 주머니 사정과 성능 사이에서 고민해야 할 듯하다.

 

최근 플로팅 포커스 시스템(플로팅 엘리먼트 디자인)을 단렌즈에 활용하고 있는 광학 제조사는 Zeiss다.(타 제조사에서는 줌 렌즈나 매크로 렌즈, 일부 광각렌즈 등에만 제한적으로 적용하였다) 자이스의 스틸 카메라용 교환렌즈 브랜드인 Otus, Milvus 등 단렌즈에 'floating elements design'을 적용하고 있고, (개인적인 예상으로는) 머지않아 타 광학 제조사의 고급 렌즈군에서 플로팅 포커싱 시스템의 렌즈는 매력적이고 새로 출시하는 고급형 신형 단렌즈에서 적극 활용되지 않을까 생각한다. 먼저, 지금보다 더 향상된 최대 조리개 개방이나 수차 감쇄 등 고성능 구현을 위해 광학계 구성요소의 크기와 구성요소 수가 증가하여 렌즈 자체가 비대해지고 커질 수밖에 없을 것이고, 따라서 빠른 AF 등을 위해서 플로팅 시스템을 선택하는 것은 불가피해 보인다. 그리고 플로팅 시스템 도입으로 인한 장점으로 경통 길이가 변화하지 않으므로 최근 자주 언급되는 방진 방적 설계에 더 유리한 면이 있다. 개인적으로는 동글동글한 렌즈 외형이 결코 마음에 들지 않지만, 최근 플로팅 포커싱 시스템을 활용하지 않은 렌즈에서도 자이스 otus 류의 디자인을 적용한 렌즈들이 늘어나는 것을 보면 소비자의 평이 그리 나쁜 것은 아닌 듯하다.( Otus나 Milvus류의 비슷한 외형을 가지고 있다는 이유만으로 플로팅 포커스 시스템이 적용되었다고 생각하면 혼란에 빠질 수 있겠다)

 

 

 

 

 

 

댓글로 남겨주신 질문에 대해 답변한 내용을 첨부해야겠다. 역시 혼자하는 망상은 허점이 많고, 질문에 답을 찾으며 더 많은 생각을 하게 되는 것 같다. (댓글로 작성한 답변을 그대로 붙여 넣기 하였다)

 

"먼저, 주밍/초점 거리의 가변은 배율의 문제이며, 포커싱과는 분리하여 설계할 수 있습니다.(단, 몇가지 한계가 있는데 이는 말미에서 다시 언급하겠습니다) 렌즈의 포커스 작동 방식에 대해서는 이전 수다를 참고하시는 것이 좋겠습니다. 따라서, 배율(초점거리) 변화 없이 포커스 요소군 만의 이동/작동으로 포커싱이 가능한 구조라면 초점거리의 변화 없이 포커싱이 가능할 것입니다. 이는 포커싱 시에 초점거리가 변해서 화각에 영향으 주는 일명 '포커스 브리딩(focus breathing)'으로 일컫습니다. 이를 억제하는 방식 또한 앞에서 언급한 광학계의 구성 요소 중 배율 요소와 포커싱 요소를 독립적으로 설계하여 포커스 브리딩을 억제하는 설계가 가능합니다. (이 또한 포커스 브리딩에 대한 이전 수다가 있습니다. 참고하세요!) 

"카메라의 초점을 조절할 때, 초점거리(배율)에 영향을 주는가? 안주는가? 이는 현실적인 렌즈/광학계 제조의 방식과 기술의 한계로 (앞에서 언급한 방식을 적용하여 최대한 억제할 수 있지만,) 완전히 제거하기는 어렵지 싶습니다. 

이는 현재 광학계 요소를 유리나 합성 수지(플라스틱)을 사용하고, 이 소재들의 굴절률을 가변/선택적으로 조절할 수 없기 때문에 포커스를 이동하기 위해서는(즉, 촬상면에 맺히는 광선이 한점에 모이도록 조절) 포커스 요소가 앞뒤로 이동할 수 밖에 없고 이 때 미세하게 나마 초점 거리 또한 영향을 받게 되지 싶습니다. 생물체의 눈은 수정체의 두께를 조절하여 굴절률의 변화를 가져와 초점거리의 변화 없이도 포커싱이 가능합니다. 카메라 렌즈 광학계의 이런 문제는 앞으로 유기체 광학 요소 등이 만들어진다면 광학기기에서도 초점거리 변화 없이도 포커싱이 가능한 즉, 사람 눈과 같은 방식의 렌즈도 가능할 것입니다. (유기체 광학 요소의 굴절률을 어떻게 조절/제어할 지는 또 어려운 문제겠지요;;)

다시 정리하면, 광학 유리로 만들어지는 현재의 광학계 설계/제작 방식에서 광학 설계의 발전으로 포커스 브리딩(포커싱으로 인한 초점거리 변화)을 억제하는 설계는 가능하지만, 소재의 한계 등으로 현재까지 상용화된 렌즈 중 초점 조절 시 초점 거리 변화에서 완전히 자유로운 렌즈는 없다고 생각합니다. 참고로 포커스 블리딩 억제하는 광학 설계를 '플로팅 포커스 시스템' 등으로 불리기도 합니다.(플로팅 포커스 자체가 포커스 블리딩 제거만을 위한 설계는 아닙니다만, 그 외에도 여러 장점이 있습니다)"

 


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