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사진과 카메라 이야기/Optical Lens Design

<렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 X IX> 망원 렌즈와 장초점 렌즈에 대하여 - 망원 광학 설계의 특징 / Telephoto lens & Long-focus lens

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

 

 

망원경(Telescope)의 광학 구조 

 

이전, 뷰파인더 구조에서 다룬 적이 있으므로 이전 수다 중 일부를 인용하자. 자기 복제?가 조금 찜찜하지만, 동일한 내용을 다시 정리하는 것은 별 의미가 없지 싶다. 

 

갈릴레오(Galilean) 망원경

 

최초의 망원경으로 한 장의 볼록렌즈와 한 장의 오목렌즈로 광학요소로 이루어진다. 망원경을 통과해서 보는 상은 정립상으로 보인다. 시야율이 좁으며 배율 확대가 제한적이다. 

 

 

 

- 케플러(Keplerian/Kepler type) 망원경

 

천문학자 요한 케플러에 의해 설계된 망원경으로 두장의 볼록렌즈로 구성되며, 배율 조절/증대에 편하다. 단점은 상이 도립상으로 보이는 것인데 이 문제는 접안렌즈(Eye-piece)의 광학구조에서 또한 번 상을 도립하여 해결할 수 있다. 갈리레안 망원경과 비교하면 비교적 이해하기에 간편하다.

 

 

 

- 뉴턴식 반사 망원경

 

일반 광학식(갈리레안/캐플리안 광학계) 망원경이 색수차(가시광선의 파장에 따라 광학요소 통화 시 굴절률 차이에 의해 한 점에 모두 모이지 않는 현상) 문제를 해결하였다. (뷰파인더와 관련성이 적으므로 간략히 소개하는 것으로 하자)

 

반사 망원경(Reflecting telescope)에 대해 내용을 조금 보충하자. 반사 망원경의 종류에는 그레고리식(Gregorian) 과 뉴턴식(Newtonian), 카세그리안(Cassegrian) 방식이 있으며 거울에 빛이 반사하는 원리를 이용한다. 반사 망원경의 원리를 이용한 사진 촬영용 렌즈도 만들어지는데, 뉴턴식을 보완하여 등장한 카세그리안 (리치 크레티앙 Ritchey-Chretien) 방식이 주로 활용된다.

 

Cassegrian telescope

 

 

 

카메라용 망원 렌즈(Telephoto lens)

 

망원 렌즈는 '렌즈의 제 1면에서 상쪽 초평면까지의 거리에 비해 초점 거리가 긴 사진 렌즈' 즉, 렌즈의 입사구부터 촬상면(이미지 센스)까지의 거리가 초점거리 보다 짧은 렌즈를 일컫는다. 일반적인 장초점(long-focus lens, 초점거리가 긴) 렌즈와 구별하여 사용하는 것이 정확한 용례인데, 최근에는 휴대 및 사용 상의 편리함 등으로 대부분의 장초점 렌즈가 망원 렌즈로 만들어지므로 이를 구분하지 않고 혼용하지 싶다. 예를 들어 초점거리가 500mm인 경우 실제 렌즈의 길이가 50cm보다 짧게 제작할 수 있으므로 휴대와 사용 등 여러 면에 편리하다. 

 

실제 초점거리 보다 실물 렌즈가 짧게 제작(광학 주점이 실제 광학 요소보다 더 앞쪽에 형성)되는 원리는 전면의 집광(볼록, Positive) 렌즈 군과 이를 다시 환원/확산시키는 오목(negative) 렌즈 군의 구성이기 때문에 가능하다. 이는 망원경에서도 동일하다. 따라서 이런 망원 렌즈 광학 설계의 경우에 렌즈의 중심인 제2 주점은 광학계 전면 외부에 존재하게 된다.

 

<출처> Wikipedia

 

 

광학계/렌즈 전면의 강력한 집광/볼록 요소를 가질 수록 렌즈의 전체(경통?) 길이는 초점거리 대비 더 짧게 제작할 수 있다. (위 이미지에서 초점거리는 f', 이전 조나-sonnar- 광학식의 설명에서 언급하였 듯이 조나 광학식의 경우 전면 구성 요소의 강한 집광 구조로 인해 동일한 표준 렌즈에 해당하는 초점거리 렌즈 중에서 유독 렌즈의 전체 길이가 콤팩트 한 외형을 가진다. 따라서 장초점 렌즈 중에서 전면의 집광력에 따라 동일한 초점거리의 렌즈라 하여도 실제 렌즈의 길이는 차이를 보이는 경우가 많다) 즉, 전면 요소의 집광 능력의 높을수록 경통의 길이가 짧은 망원 렌즈가 만들어지다. 집광력의 정도는 전면 요소의 굴절률과 관련되고 구면의 고곡률이나 고굴절률의 광학 소재를 사용한 렌즈가 콤팩트한 외형을 보일 것이다. (일반적으로 광학 수차를 제거하기 위하여 여러 장의 구성요소의 집합으로 볼록 요소 군이 설계/제작된다) 그렇다고 고망원성의 광학 구성이 좋은 점만 있는 것은 아니다. 고곡률/고굴절률로 인해 구면 수차 억제가 어려울 수 있고, 단일 광학 수차 외에도 빛의 파장별 분산에 의한 색 수차 등이 문제 될 개연성이 높다. 

 

일반적으로 '장초점 렌즈(long focus lens)'는 촬상 소자면의 대각선 길이보다 긴 초점 거리를 갖는 렌즈라고 정의하기도 하는데, 이런 기준은 다양한 판형의 카메라에서 제각각의 기준으로 적용되어 혼란을 가중하는 감이 있어 보인다. 즉, 35mm 필름 판형 - (135 필름 규격, 최근에는 35mm 풀 프레임 등으로 불리는)의 경우 대각선은 약 45mm(43.3mm) 정도이고 위의 정의를 그대로 적용한다면 흔히 표준 렌즈로 불리는 50mm 조차 장초점 렌즈라고 불리게 될 것이다. 그 외 APS-C (판형의 대각선 길이는 28.4mm) 또는 마이크로 포서드 규격 등에서는 30mm 초점 거리 정도의 렌즈(마이크로 포서드의 경우 25mm) 조차 장초점 렌즈로 불러야 하지 않을까. 중/대형 포맷 등까지 포함하면 장초점 렌즈라고 불리는 기준은 너무 제각각이라 별 실익이 없고 일반적으로 사용하는 용어의 의미와 너무 동 떨어진 강학상?의 용어가 되지 싶다. 

 

<출처> Wikiwand '500mm 장초점 렌즈' - 비 망원형

 

 

"장초점 렌즈와 망원렌즈의 구분 실익이 있을까?" 

 

앞서 잠시 언급했듯이 사용상의 편의로 대부분의 장초점 렌즈는 망원렌즈로 만들어지고 있어서 실 사용자 입장에서는 이를 구분할 실익이 크지 않다. 하지만, 동일한 초점거리에서 각 렌즈(단 초점렌즈 및 줌 초점 렌즈 등)의 실제 외형상 길이가 다른 것에 대한 설명 정도는 되지 않을까 싶다.

 

Nikon 500mm f/5.6

 

 

"85mm 초점거리의 렌즈는 망원 렌즈일까? 초점거리가 어느 이상이어야 망원 렌즈라고 할 수 있는 걸까?"

 

전면의 집광을 위한 볼록 요소가 있지만, 실제 85mm 초점거리 렌즈의 전면에서 촬상면까지의 거리는 일반적으로 85mm를 초과하므로 엄밀한 의미로 망원 렌즈라고 하기에는 부족하다. 종종 준망원이라고 칭하는 경우 등이 이런 애매한 면을 반영한 표현이라고 해야 할 듯하다. 준 망원은 일반적으로 널리 통용되는 용어이지만 정확한 의미보다는 편의상 부르는 명칭이라고 해야 할 듯싶다. 어느 정도의 초점거리 렌즈가 망원 렌즈에 해당하는 지를 일률적으로 정의하는 것은 각 렌즈의 광학 설계에 따라 달라서 곤란하지만, 개인적인 경험으로 추정컨데 (기존 렌즈의 광학 설계와 사용된 광학 유리의 굴절률, 구면 수차 억제를 위한 일반적인 활용 범위에서의 구면 곡률 등을 감안하면) 100mm 초점거리 렌즈 정도가 엄밀하게 정의하는 망원 렌즈의 경계 정도에 해당하지 싶다. 135 또는 150mm 초점거리 렌즈부터는 확연하게 망원 렌즈라고 불릴 사양을 보여주는 것 같다. (올드 렌즈에서는 구면 곡률, 고굴절 가공의 어려움과 광학 소재의 굴절률에서의 제한 등으로 상대적으로 망원성이 약한 경우도 있다)

 

눈으로 직접 보면 이해하기 편할 듯해서 예제 이미지를 하나 만들었다. Sony FE 1.8/85mm 렌즈는 경통 길이가 꽤 짧은 편이지만 실측하면 렌즈 전면 요소에서 촬상면까지 약 90mm 정도에 해당하므로 85mm 초점거리 보다 길어서 '엄밀한 의미의 망원 렌즈'라고 부르기에는 조금 부족하다. 

 

Sony FE 1.8/85mm

 

 

이왕 시작한 수다이니 '망원비 (Telephoto ratio)'에 대해서도 잠시 정리하자.

망원 렌즈의 전체 길이와 초점 거리의 비()로 렌즈 앞면에서 초점 면까지의 길이를 초점 거리로 나눈 수치. 이 수치가 1보다 작은 렌즈가 광학적인 망원 렌즈이다.

 

망원 렌즈를 포함한 장초점 렌즈는 멀리 떨어진 위치의 사물을 확대하여 크게 촬영하므로 촬영되는 시야 범위(FOV)가 좁을 수밖에 없고, 확대 배율로 인해 실제의 거리/원근감 보다 줄어든 느낌으로 묘사된다. 이를 배경 압축 효과라고 부른다. 이 또한 이전 수다에서 다루었던 내용이므로 자세한 내용은 링크로 대신하자. 그 외 촬상소자의 크기에 따란 촬영되는 이미지의 시야 범위 등의 문제 또한 여러 번에 걸쳐 다루었으므로 생략한다.

 

2018/02/08 - [사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure] - <카메라와 렌즈의 구조 38> 카메라 광학계(렌즈)의 초점거리와 배율 / Focal length and magnification

 

<카메라와 렌즈의 구조 38> 카메라 광학계(렌즈)의 초점거리와 배율 / Focal length and magnification

Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. '배율'(magnification)은 정의하거나 설명하기에 조금 고..

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망원 렌즈의 활용과 관련해서 소소한 촬영 팁이라도 정리를 할까 생각을 했는데, 이는 개별적으로 다루는 것보다는 렌즈의 초점거리 별로 구분/비교하며 팁을 정리하는 것이 좋을 듯해서 다음으로 미룬다. 무엇보다 광학 설계에 대한 카테고리의 수다이므로 카테고리 분류에도 잘 맞지 않을 듯하다. 사실, 카메라나 사진에 관심이 많을 뿐이고 사진 촬영에서의 세부적인 기술에 대해서는 한없이 작아지는 편이라 촬영의 기법이나 팁을 언급하기에 마음이 편치 않아서 자꾸 미루게 된다. 다음을 기약하며...

 


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