Stories about photography and cameras/Optical Lens Design
<렌즈의 광학구성(Optical Design)과 구조 I> 표준 렌즈, 비대칭 더블 가우스/플라나 & 비요타(Planar & Biotar)
산들산들.2016. 4. 24. 14:00
Notice- 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
렌즈에 대한 포스팅은 쉽지 않다. 특히 올드 렌즈라면 관련 자료를 찾기가 생각보다 어렵다. 간략한 스펙이나 주관적인 사용기 등을 취합하거나 감상을 적는 일은 그리 어렵지 않으나, 렌즈의 광학적 구조, 제조 및 설계와 관련된 기술적 배경, 시장 상황 등 정보를 구하거나 확인하기가 만만치 않고 또한 이를 오류 없이 정리하는 것 또한 쉽지 않기 때문이다. 종종 올드 MF 렌즈로 사진을 찍다 보면, 이 렌즈에 얽힌 이야기 하나하나가 궁금해지고, 궁금증 해결을 위해 이리저리 찾아서 발견한 이야기들을 한 번씩 정리하고 싶은 충동을 느끼곤 했다. (무엇보다 렌즈의 내부 구성, 광학적 구성이 너무 궁금했다.) 그래서 막상 정리를 시작해보면 생각보다 일이 커졌음을 느끼고 자신 역량의 부족과 경박을 탓해보지만 후회는 언제나 한발 늦는 법이다. 이번에도 '왜 이걸 시작한 걸까'라는 후회를 곱씹으며 그간 온/오프를 뒤지며 찾은 자료와 감상, 개인적인 의견을 뒤섞어서 수다를 시작해 보자.
표준 렌즈(Normal lens)의 정의
사각(寫角)이 50° 내외의 것을 표준렌즈의 기준으로 한다. 육안으로 한 점을 보았을 때 전체나 색채를 식별할 수 있는 것은 50°의 시각 내이고, 그 외측을 식별하기 위해서는 안구(眼球)를 움직여야만 한다. 이 전체의 형태를 식별할 수 있는 50°의 시각에 맞추어 표준의 기준이 생겨났다. 따라서 표준렌즈로 촬영한 사진은 원근감(遠近感)이 비교적 자연스럽게 묘사되는 것이 특징이며, 일반 카메라에는 표준렌즈가 붙어 있다.카메라에 채택된 실제 표준렌즈는 기구적인 제약 때문에 기준에서 벗어나는 경우도 있으나, 일반적으로 하프사이즈는 28∼32mm, 35mm판은 45∼50mm, 6×6판은 75∼80mm의 초점거리 렌즈가 많다. 다만, 일안리플렉스카메라는 반사망원렌즈가 있기 때문에 이 기준보다 초점거리가 약간 길어서, 예를 들면 35mm 일안리플렉스카메라에서는 50∼58mm로 되어 있다.
출처) 두산백과
35mm (135) 필름 RF 카메라에서는 렌즈의 초점거리(광학적 중심이 되는 제2 주점에서 촬상면까지의 거리) 45~50mm, SLR에서는 50~58mm에 이르는 렌즈를 지칭한다. 당시 35mm 필름 규격의 RF 카메라 표준 렌즈 설계는 광학적 성능이 뛰어났던 Sonnar와 Tessar 광학식이 주를 이루었다. 그러나 SLR 카메라는 미러 공간 확보를 위해 플랜지 백 거리(Flange back distance)가 RF 카메라의 플랜지 백 거리(28.80mm)보다 16.66mm 더 늘어나게 되었고, 1932년에 등장하여 칼 자이스의 대표적인 표준 렌즈였던 조나 광학식은 미러 박스 공간 확보가 필요한 SLR 카메라의 표준 렌즈용 광학 설계식으로는 적합하지 않았다. (Sonnar는 SLR 교환용 렌즈에서는 85mm와 135mm 등에 적용) 따라서 초기 SLR 카메라의 표준 렌즈 설계에는 자이즈의 Tessar와 더블 가우스 광학 타입이 우선 고려되었고, Tessar의 경우 당시 광학 기술상의 한계로 F2.8 이상의 렌즈를 만드는데 어려움이 있었다. 이런 요인으로 인해 고성능의 SLR 표준 렌즈는 더블 가우스 타입의 플라나(비요타) 파생/확장형과 보이그랜더 울트론의 파생/확장형이 고려되었다.
표준 렌즈의 구조(비대칭 더블 가우스 렌즈)
1817년, 칼 프레드릭 가우스(Carl Friedrich Gauss)는 프라운호퍼(Fraunhofer) 망원경 대물렌즈에 메니스커스(meniscus, 요철) 렌즈를 추가하여 개선하였다. 1888년 Alvan Clark는 이 렌즈를 앞뒤로 대는 형태로 좀더 개선하였다. 그는 가우스를 기려 이 렌즈를 더블가우스 렌즈(double Gauss)라고 명명하였다. 현재의 설계는 1895년으로 거슬러 올라간다. 칼 자이스 예나의 폴 루돌프(Paul Rudolph)는 접합 이중렌즈(cemented doublets)를 중심렌즈로 사용하여 색수차를 보정하였다. [플라나(Planar) 렌즈]
이후 넓은 구경의 고성능 렌즈를 위해 렌즈를 추가하는 방식으로 개발이 이루어졌다. 1920년대 Taylor Hobson에서 성과를 거두었는데, f/2.0 Opic 과 이후의 Speed Panchro는 많은 회사들에 라이선스 되었다. 이 디자인은 현재 사용되는 많은 렌즈의 기반이 된 바, 특히 35mm 및 기타 소형 카메라에 사용되는 대구경 표준렌즈의 기반이 되었다. 넓은 화각에 대해 f/1.4까지 좋은 결과물을 제공할 뿐 아니라, 때로는 f/1.0 까지 만들어졌다. 이 디자인은 현재 Canon EF 50mm f/1.8 와 Nikon 50 mm f/1.8D AF Nikkor 와 같이 저비용 고품질의 빠른 렌즈에 사용되고 있다. 아울러 렌즈 요소를 추가하여 더 빠른 렌즈의 기반으로 사용되기도 하는데, 예를 들어 캐논과 니콘에서 일곱번째 요소를 추가해 50 mm f/1.4 를, 비구면 일곱번째 요소를 추가해 Canon's 50 mm f/1.2 를 제작했다. 또한 이 설계는 프로젝터와 같이 간단하고도 빠른 표준렌즈(~53° 대각선)가 필요한 다른 응용에도 나타난다.
출처> Wikipeda
19세기 말에 설계된 개발 초장기의 플라나는 광학 유리 표면의 반사와 낮은 투과율의 영향으로 성능이 기대에 미치지 못해 상용화되지 못했고 외면받았다. 이를 크게 개선시킨 대표적 두 가지 기술적 전환점은 '비대칭 설계'의 도입과 "T"'코팅이다. 대칭형의 플라나 구조에 전면과 후면의 비대칭성을 적용 설계함으로써 렌즈의 밝기를 개선시켰고, 이에 영향을 받은 많은 후속 더블 가우스 타입 렌즈들은 핸드 핼드 촬영이 가능해서 간편하게 촬영할 수 있는 소형 카메라의 고성능 표준 렌즈로 성장했다.
사실 35mm 필름 포맷에서의 Biotar는 "더블 가우스 타입의 최초의 밝은 렌즈"(밝은 렌즈의 의미 또한 상대적이고 모호하므로 실내에서 별도의 조명과 삼각대 등의 고정 장치 없이 손에 든 채 캔디드 촬영이 가능한 정도의 수준으로 정의하자)로서 의미를 가지지만, 시대를 앞선 독창적이고 독보적인 기술/광학 설계를 의미하는 것은 아니다. 이 보다 앞선 시기에 Sonnar의 전신이라고 할 수 있는 '에르노스타-Ernostar-'가 있었고 거의 비슷한 시기에 더블 가우스 타입의 설계로 시네마용 또는 중/대형 포맷용으로 만들어진 영국의 Lee opic의 Panchro나 슈나이더 크로이츠나흐의 제논(Zenon)도 더블 가우스 타입의 밝은 렌즈로 동시대 또는 한 발 앞서 출시되어 판매되었다. 따라서 '더블 가우스 비오타 타입'은 '더블 가우스 제논 타입'이라는 명칭도 함께 사용된다.
이는 전화기 발명과 특허권 취득의 경우에서 벨이 모든 영광을 차지했던 것처럼 (특허 출원에서 간발의 차이로 앞선 '벨'이 최초의 전화기 발명자와 특허권자라는 영예와 이익을 모두 독차지한 사건) 최초에만 큰 의미를 부여한 탓에 동시대에 상호 영향을 주고받으며 함께 발전한 다른 렌즈(제논 등)에 조금 가혹한 역사일 수도 있다.
더블 가우스 타입의 렌즈들은 각각의 제조사들에서 다양하게 만들어져서 칼 자이스의 경우, 플라나 또는 비오타로 불렸고, 보이그랜더에서는 울트론, 녹턴, 슈나이더 크로이츠나흐에서는 제논, 라이카에서는 주마, 주미타, 주미크론 등으로 불렸다. 각자 다른 제조사에서 다른 설계/개발 과정에 의해 탄생한 설계식의 렌즈들이지만 시야를 조금 넓히면 모두 더블 가우스 타입의 '배다른 형제' 정도로 서로 관련이 있고, 광학계의 성능을 업그레이드하는 과정에서 상호 영향을 주고받으며 발전했지 싶다. 이들을 개발 과정이 각자의 광학 설계에 의해 독자적이었다고 해도, 더블 가우스 타입의 폭넓은 파생/확장형임에는 의심의 여지가 없다. 따라서 35mm 필름 포맷 최초의 밝은 렌즈가 칼 자이스의 비요타라는 것에 불과하고 모든 더블 가우스의 밝은/빠른 표준 렌즈의 출발점으로 생각하는 것은 너무 과한 평가다. 단지 상호 영향을 주고받는 과정에서 많은 영향을 준 앞선 광학식 정도로 이해해도 충분하지 않을까 생각한다.
더블 가우스 타입의 f/1.8 렌즈의 등장은 당시로서는 밝은 렌즈의 시대를 여는 일대 혁신이라 할 수 있는데, 이전의 광학 설계에서는 코마(coma) 수차와 플레어 문제로 밝은 렌즈를 만드는 데 한계로 작용하고 있었다.
초창기 렌즈개발에서 광학유리의 낮은 투과율은 기술적 난제였다. 플라나는 6매의 광학유리로 구성(테사의 경우 4매)되어 있어고 광학유리의 투과율과 각 유리 구면에서의 난반사로 인하여 설계상의 광학적 성능이 구현되지 못했다. 그러나 1935년 자이즈 예나에서 'T' 코팅 기술이 개발된 이후, 광학유리의 투과율이 비약적으로 향상되었고 렌즈의 전반적인 광학 성능 개선이 크게 이루어졌다. 코팅으로 인한 투과율 향상으로 플라나뿐만 아니라 모든 렌즈의 설계/제조에 있어 렌즈 사용 매수의 제한에서 어느 정도 벗어나게 되었으며, 이는 렌즈의 광학적 성능을 대폭 개선시키는 기술적 토대가 되었다. 비대칭 더블 가우스(비요타/플라나) 설계를 기반으로 기술적 개선(새로운 구성요소의 추가 등)이 이루어졌고, 다양한 표준 밝은 렌즈들이 출시되었다.(F1.2~1.8, 화각 50~58mm 이내의 상당수의 SLR 카메라 교환용 렌즈가 이 렌즈 구조를 기반으로 하였고, 이후 비구면 렌즈 등을 추가하여 더 밝고 수차를 감소시킨 고사양의 단렌즈로 발전하였다.)
Optical design of the early Nikon Auto Nikkor-H 1:2 f=5cm (1964)
Nippon kogaku Nikkor-s Auto 1.4/50mm
더블 가우스 타입의 렌즈는 당시 카메라 시장의 흐름과 관련하여 몇몇 장점으로 제품 시장에서 우위를 보이게 되는데, 가장 두드러진 장점은 SLR 카메라와 같이 미러 공간 확보를 위해 긴 플랜지 백 거리가 필요한 카메라에 적합한 설계로 만드는 것이 가능했고, 구성요소의 조합을 통한 설계에 있어 좀 더 다양한 시도와 폭넓은 초점거리(30mm 광각에서 초망원까지 다양한 초점거리의 렌즈로 설계가 가능하였다)로 만들 수 있었으며, 중합 요소의 수를 줄여 제조 등이 상대적으로 용이하였고, 제조 비용에서도 경쟁력이 있었다.
한 가지 첨언하자면 자이스의 플라나(비요타)만큼이나 많은 파생/확장형의 표준렌즈(SLR 카메라)에 영향을 준 보이그랜더의 'Ultron' 렌즈의 광학식에 대해서도 언급하여야겠지만, 이는 추후 다른 포스팅에서 다룰 기회가 있으리라 생각한다.
귀찮음을 극복하고 별도의 포스팅으로 정리하였다. 렌즈 광학 구성을 이해하는데 조금이라도 도움이 되었으면 한다. 그리고 비교적 광학적 계통에 대한 정리가 잘된 자료를 웹서핑 중 발견하여 첨부한다.
