카메라 렌즈

섬네일|upright=1.3|광각, 망원, 특수 렌즈를 포함한 다양한 종류의 카메라 렌즈
카메라 렌즈(camera lens) 또는 사진 렌즈(寫眞 lens, )는 사진기 본체 및 메커니즘과 함께 사용되어 사진 필름 또는 이미지를 화학적으로 또는 전자적으로 저장할 수 있는 다른 매체에 물체의 이미지를 만들기 위한 광학 렌즈 또는 렌즈 조립체(복합 렌즈)이다.

스틸 카메라, 비디오 카메라, 망원경, 현미경 또는 기타 장치에 사용되는 렌즈 사이에는 원칙적으로 큰 차이가 없지만, 디자인 및 구성의 세부 사항은 다르다. 렌즈는 카메라에 영구적으로 고정될 수도 있고, 다른 초점거리, 조리개, 기타 속성을 가진 렌즈와 교환 가능할 수도 있다.

원칙적으로는 단순 볼록 렌즈로 충분하지만, 실제로는 발생하는 많은 광학 수차를 (가능한 한) 보정하기 위해 여러 개의 광학 렌즈 요소로 구성된 복합 렌즈가 필요하다. 어떤 렌즈 시스템에서도 일부 수차가 존재한다. 렌즈 설계자의 임무는 이러한 수차의 균형을 맞추고 사진 사용 및 대량 생산에 적합한 디자인을 만들어내는 것이다.

 작동 이론 
일반적인 직선 렌즈는 "개선된" 바늘구멍 "렌즈"로 생각할 수 있다. 그림에서 보듯이 바늘구멍 "렌즈"는 대부분의 광선을 차단하는 작은 조리개로, 이상적으로는 이미지 센서의 각 점에 대해 물체에서 하나의 광선을 선택한다. 바늘구멍 렌즈는 몇 가지 심각한 한계를 가지고 있다:

 큰 조리개를 가진 바늘구멍 카메라는 각 픽셀이 본질적으로 조리개 스톱의 그림자이므로 크기가 조리개 크기보다 작지 않아 흐릿하다(세 번째 이미지). 여기서 픽셀은 물체의 한 점에서 오는 빛에 노출되는 검출기 영역이다.
 바늘구멍을 작게 만들면 해상도가 향상되지만(한계까지), 포착되는 빛의 양이 줄어든다.
 특정 지점에서는 회절 한계 때문에 구멍을 줄여도 해상도가 향상되지 않는다. 이 한계를 넘어서면 구멍을 작게 만들수록 이미지가 더 어둡고 흐릿해진다.

실용적인 렌즈는 "바늘구멍 렌즈를 더 많은 빛을 받아들이고 더 작은 스팟 크기를 제공하도록 어떻게 수정할 수 있을까?"라는 질문에 대한 답으로 생각할 수 있다. 첫 번째 단계는 초점 거리가 필름 평면까지의 거리와 같은 단순 볼록 렌즈를 바늘구멍에 놓는 것이다(카메라가 먼 물체를 촬영한다고 가정할 경우). 이렇게 하면 얇은 볼록 렌즈가 렌즈 축까지의 거리에 비례하여 광선을 구부리고, 렌즈 중앙을 통과하는 광선은 직선으로 통과하기 때문에 바늘구멍을 크게 열 수 있다(네 번째 이미지). 기하학적 구조는 단순 바늘구멍 렌즈와 거의 동일하지만, 각 이미지 점은 단일 광선이 아닌 초점이 맞춰진 "연필" 광선에 의해 조명된다.

카메라 전면에서는 작은 구멍(조리개)이 보인다. 세상에서 본 조리개의 허상은 렌즈의 입사동공으로 알려져 있다. 이상적으로는 물체 위의 한 점에서 나와 입사동공으로 들어오는 모든 광선이 이미지 센서/필름의 동일한 지점에 초점을 맞출 것이다(물체 지점이 시야 내에 있는 경우). 카메라 내부에 있다면 렌즈가 프로젝터 역할을 하는 것을 볼 수 있을 것이다. 카메라 내부에서 본 조리개의 허상은 렌즈의 출사동공이다. 이 간단한 경우, 조리개, 입사동공, 출사동공은 모두 같은 위치에 있다. 왜냐하면 유일한 광학 요소가 조리개 평면에 있기 때문이다. 하지만 일반적으로 이 세 가지는 다른 위치에 있을 것이다. 실제 사진 렌즈는 더 많은 렌즈 요소를 포함한다. 추가 요소는 렌즈 설계자가 다양한 수차를 줄일 수 있도록 하지만, 작동 원리는 동일하게 유지된다: 연필 광선이 입사동공에서 수집되어 출사동공에서 이미지 평면으로 초점이 맞춰진다.

 구조 

섬네일|캐논 엘프의 줌렌즈 조립체
카메라 렌즈는 박스 브라우니의 메니스커스 렌즈처럼 하나에서부터, 더 복잡한 줌 렌즈의 경우 20개 이상에 이르는 여러 요소로 구성될 수 있다. 이 요소들은 자체적으로 접착된 렌즈 그룹으로 구성될 수 있다.

전면 요소는 전체 조립체의 성능에 결정적이다. 모든 현대 렌즈에서 표면은 마모, 플레어, 표면 반사를 줄이고 색 균형을 조정하기 위해 코팅되어 있다. 수차를 최소화하기 위해 곡률은 일반적으로 입사각과 굴절각이 같도록 설정된다. 단렌즈에서는 이것이 쉽지만, 줌 렌즈에서는 항상 타협이 필요하다.

렌즈는 일반적으로 렌즈 조립체에서 이미지 평면까지의 거리를 조정하거나 렌즈 조립체의 요소를 움직여서 초점을 맞춘다. 성능을 향상시키기 위해 일부 렌즈는 렌즈가 초점을 맞출 때 그룹 간의 거리를 조정하는 캠 시스템을 가지고 있다. 제조업체는 이것을 다양하게 부른다: 니콘은 CRC(근접 보정)라고 부르고; 캐논은 플로팅 시스템이라고 부르며; 핫셀블라드와 마미야는 FLE(플로팅 렌즈 요소)라고 부른다.

유리는 좋은 광학 특성과 긁힘 방지 기능 때문에 렌즈 요소를 구성하는 데 가장 일반적으로 사용되는 재료이다. 수정 유리, 형석, 아크릴 (플렉시글라스)과 같은 플라스틱, 심지어 저마늄과 운석 유리와 같은 다른 재료도 사용된다. 플라스틱은 유리로 제조하기 어렵거나 불가능한 강하게 비구면 렌즈 요소를 제조할 수 있게 하여 렌즈 제조 및 성능을 단순화하거나 향상시킨다. 플라스틱은 가장 저렴한 렌즈를 제외하고는 쉽게 긁히기 때문에 가장 바깥쪽 요소에는 사용되지 않는다. 성형 플라스틱 렌즈는 수년 동안 가장 저렴한 일회용 카메라에 사용되어 왔으며 좋지 않은 평판을 얻었다: 고품질 광학 장치 제조업체는 "광학 수지"와 같은 완곡한 표현을 사용하는 경향이 있다. 그러나 많은 현대의 고성능 (및 고가) 인기 제조업체의 렌즈는 성형 또는 하이브리드 비구면 요소를 포함하고 있으므로 플라스틱 요소를 가진 모든 렌즈가 낮은 사진 품질을 가진다는 것은 사실이 아니다.

1951 USAF 해상도 테스트 차트는 렌즈의 해상력을 측정하는 한 가지 방법이다. 재료, 코팅 및 제작 품질은 해상도에 영향을 미친다. 렌즈 해상도는 궁극적으로 회절에 의해 제한되며, 이 해상도에 도달하는 사진 렌즈는 거의 없다. 이러한 렌즈는 "회절 제한"이라고 불리며 일반적으로 매우 비싸다.

오늘날 대부분의 렌즈는 다층 코팅되어 렌즈 플레어 및 기타 원치 않는 효과를 최소화한다. 일부 렌즈는 색상을 오염시킬 수 있는 자외선을 차단하기 위해 UV 코팅이 되어 있다. 대부분의 현대적인 유리 요소 접착용 광학 접착제는 UV 빛을 차단하여 UV 필터의 필요성을 없앤다. 그러나 이것은 렌즈를 적절하게 관리하지 않으면 렌즈 곰팡이가 공격할 수 있는 길을 남긴다. UV 사진가는 접착제나 코팅이 없는 렌즈를 찾기 위해 많은 노력을 기울여야 한다.

렌즈는 대부분 빛의 양을 조절하기 위한 조리개 조절 메커니즘을 가지고 있는데, 보통 홍채 조리개이다. 초기 카메라 모델에서는 크기가 다른 구멍이 있는 회전판이나 슬라이더가 사용되었다. 이러한 워터하우스 스톱은 현대의 특수 렌즈에서도 여전히 찾아볼 수 있다. 빛이 통과할 시간을 조절하는 셔터는 렌즈 조립체 내(더 나은 품질의 이미지를 위해), 카메라 내, 심지어 드물게 렌즈 앞에 통합될 수 있다. 렌즈 내부에 리프 셔터가 있는 일부 카메라는 조리개를 생략하고 셔터가 이중 역할을 한다.

 조리개와 초점 거리 
섬네일|upright|동일한 렌즈에서 1스톱 간격으로 조절된 조리개.
섬네일|right|초점 거리가 사진 구성에 미치는 영향: 초점 거리를 변경하면서 카메라와 주요 피사체 사이의 거리를 조절하면 주요 피사체는 동일한 크기를 유지하는 반면 다른 거리에 있는 다른 피사체는 크기가 변한다.

광학 렌즈의 두 가지 기본적인 매개변수는 초점거리와 최대 조리개이다. 렌즈의 초점 거리는 이미지 평면에 투영된 이미지의 배율을 결정하고, 조리개는 그 이미지의 빛의 강도를 결정한다. 주어진 사진 시스템에서 초점 거리는 화각을 결정하며, 짧은 초점 거리는 긴 초점 거리 렌즈보다 더 넓은 시야를 제공한다. 더 작은 F값으로 식별되는 더 넓은 조리개는 동일한 노출에 대해 더 빠른 셔터 속도를 사용할 수 있도록 한다. 카메라 방정식, 또는 G#는 카메라 센서에 도달하는 방사휘도와 카메라 렌즈의 초점 평면에서 복사조도의 비율이다.

렌즈의 최대 사용 가능한 조리개는 렌즈의 초점거리를 유효 조리개(또는 입사동공)로 나눈 값인 초점 비율 또는 f-수로 지정되며, 무차원 수이다. f-수가 낮을수록 초점 평면의 광도가 높다. 다른 조건이 동일할 때, 더 큰 조리개(더 작은 f-수)는 더 작은 조리개보다 훨씬 얕은 피사계 심도를 제공한다. 실제 렌즈 조립체에는 빛 측정, 플레어 감소를 위한 보조 조리개를 처리하는 메커니즘, 그리고 노출 순간까지 조리개를 열어두어 SLR 카메라가 더 밝은 이미지와 얕은 피사계 심도로 초점을 맞출 수 있도록 하는 메커니즘이 포함될 수 있으며, 이는 이론적으로 더 나은 초점 정확도를 가능하게 한다.

초점 거리는 일반적으로 밀리미터(mm)로 지정되지만, 오래된 렌즈는 센티미터(cm) 또는 인치로 표시될 수 있다. 대각선 길이로 지정된 주어진 필름 또는 센서 크기에 대해 렌즈는 다음과 같이 분류될 수 있다:

 표준 렌즈: 대각선 화각이 약 50°이고 초점 거리가 이미지 대각선과 거의 같다. 
 광각 렌즈: 화각이 60°보다 넓고 초점 거리가 표준보다 짧다.
 장초점 렌즈: 필름 또는 센서의 대각선 측정값보다 초점 거리가 긴 렌즈. 화각은 더 좁다. 가장 일반적인 장초점 렌즈 유형은 망원 렌즈로, 특별한 광학 구성을 사용하여 렌즈를 초점 거리보다 짧게 만든다.

초점 거리가 다른 렌즈를 사용하면 피사체를 프레임에 담을 수 있는 거리가 달라져 원근이 달라지는 부작용이 있다. 광각, 표준 렌즈, 망원 렌즈로 손을 뻗은 사람을 촬영할 때 피사체와의 거리를 조절하여 정확히 같은 이미지 크기를 얻을 수 있지만, 원근은 달라질 것이다. 광각 렌즈에서는 손이 머리에 비해 과장되게 커 보일 것이다. 초점 거리가 길어질수록 뻗은 손에 대한 강조는 줄어든다. 그러나 같은 거리에서 사진을 찍고 같은 시야를 포함하도록 확대하고 크롭하면 사진은 동일한 원근을 가질 것이다. 적당한 장초점(망원) 렌즈는 더 긴 촬영 거리에 해당하는 원근이 더 보기 좋다고 여겨지기 때문에 인물 사진에 종종 권장된다.

사진 역사상 가장 넓은 조리개 렌즈 중 하나는 칼 자이스 플라나 50mm f/0.7이다. 이 렌즈 중 세 개는 영화 감독 스탠리 큐브릭이 1975년 영화 배리 린든의 장면을 촬영하기 위해 구입했으며, 촛불을 유일한 광원으로 사용했다.

 요소의 수 

렌즈의 복잡성(요소의 수와 비구면성의 정도)은 시야각, 최대 조리개, 예상 가격 등 다양한 변수에 따라 달라진다. 대구경의 극단적인 광각 렌즈는 광학 수차를 보정하기 위해 매우 복잡한 구조를 가져야 하는데, 이는 시야의 가장자리와 큰 렌즈의 가장자리가 이미지 형성T에 사용될 때 더 심해진다. 소구경의 장초점 렌즈는 비교 가능한 이미지 품질을 얻기 위해 매우 단순한 구조를 가질 수 있다: 이중렌즈(두 요소)로도 충분한 경우가 많다. 일부 구형 카메라에는 표준 초점 거리의 컨버터블 렌즈(독일어: )가 장착되었다. 전면 요소를 나사로 풀면 초점 거리가 두 배가 되고 시야각과 조리개가 절반이 되는 렌즈가 남았다. 더 단순한 반쪽 렌즈는 좁은 시야각과 작은 상대 조리개에 대해 충분한 품질을 가졌다. 이 경우 벨로우즈는 표준 길이의 두 배로 확장되어야 했다.

최대 조리개가 f/2.8을 넘지 않고 고정된 표준 초점 거리의 고품질 렌즈는 최소 3개(삼중 렌즈) 또는 4개(상표명 "테사"는 "4"를 의미하는 그리스어 tessera에서 유래)의 요소가 필요하다. 가장 넓은 범위의 줌 렌즈는 종종 15개 이상을 가진다. 다른 광학 매질(공기, 유리, 플라스틱) 사이의 많은 계면에서 빛이 반사되는 것은 초기 렌즈, 특히 줌 렌즈의 대비와 색 포화도를 심각하게 저하시켰다. 특히 렌즈가 광원에 의해 직접 조명되는 경우 더욱 그러했다. 광학 코팅의 도입과 수년에 걸친 코팅 기술의 발전은 주요 개선을 가져왔고, 현대의 고품질 줌 렌즈는 상당히 만족스러운 대비의 이미지를 제공한다. 하지만 많은 요소를 가진 줌 렌즈는 더 적은 요소로 만들어진 렌즈보다 빛을 덜 투과할 것이다(조리개, 초점 거리, 코팅과 같은 다른 모든 요소가 동일하다면).

 렌즈 마운트 

많은 일안 반사식 카메라와 일부 거리계 연동 카메라는 렌즈를 분리할 수 있다. 다른 몇몇 유형도 마찬가지인데, 특히 마미야 TLR 카메라와 SLR, 중형 카메라(RZ67, RB67, 645-1000s)가 있다. 브로니카, 핫셀블라드, 후지 등 중형 장비를 생산하는 다른 회사들도 렌즈 교환이 가능한 유사한 카메라 스타일을 가지고 있으며, 미러리스 렌즈 교환식 카메라도 있다. 렌즈는 렌즈와 카메라 본체 사이에 기계적 연결과 종종 전기 접점을 포함하는 렌즈 마운트를 사용하여 카메라에 부착된다.

렌즈 마운트 설계는 카메라와 렌즈 간의 호환성에 중요한 문제이다. 렌즈 마운트에 대한 보편적인 표준은 없으며, 각 주요 카메라 제조업체는 일반적으로 다른 제조업체와 호환되지 않는 자체 독점 설계를 사용한다. 라이카 M39 렌즈 마운트와 같은 일부 구형 수동 초점 렌즈 마운트 설계는 거리계 연동 카메라용, 초기 SLR용 M42 렌즈 마운트, 그리고 펜탁스 K 마운트는 여러 브랜드에서 발견되지만, 오늘날에는 흔하지 않다. 올림푸스/코닥 포 서드 시스템 마운트와 같은 일부 마운트 설계는 DSLR용으로 다른 제조업체에 라이센스되기도 했다. 대부분의 대형 카메라 또한 교환식 렌즈를 사용하며, 이는 일반적으로 렌즈 보드나 전면 스탠다드에 장착된다.

오늘날 시장에서 가장 일반적인 교환식 렌즈 마운트로는 캐논 EF, EF-S 및 EF-M 자동 초점 렌즈 마운트가 있다. 그 외에는 니콘 Z-마운트 (및 구형 F-마운트 수동 및 자동 초점 마운트), 올림푸스/코닥 포 서드 및 올림푸스/파나소닉 마이크로 포 서드 디지털 전용 마운트, 펜탁스 K 마운트 및 자동 초점 변형, 소니 알파 마운트 (미놀타 마운트에서 파생) 및 소니 E 디지털 전용 마운트가 있다.

 렌즈의 종류 
"근접" 또는 매크로 
근접촬영 또는 "근접" 사진(구성 용어인 클로즈업과 혼동하지 말 것)에 사용되는 매크로 렌즈는 초점면(즉, 필름 또는 디지털 센서)에 촬영되는 피사체 크기의 1/4(1:4)에서 동일한 크기(1:1)의 이미지를 생성하는 모든 렌즈를 말한다. 매크로 렌즈를 정의하는 공식적인 기준은 없으며, 일반적으로 단렌즈지만, 1:1 비율이 "진정한" 매크로로 간주된다. 실제 크기보다 크게 확대하는 것을 "마이크로" 사진(2:1, 3:1 등)이라고 한다. 이 구성은 일반적으로 매우 작은 피사체를 근접 촬영하는 데 사용된다. 매크로 렌즈는 모든 초점 거리를 가질 수 있으며, 실제 초점 길이는 배율, 필요한 비율, 피사체에 대한 접근성, 조명 고려 사항을 고려하여 실용적인 용도에 따라 결정된다. 근접 촬영용으로 광학적으로 보정된 특수 렌즈일 수도 있고, 초점면을 매우 근접 촬영용으로 "앞으로" 가져오도록 수정된(어댑터 또는 스페이서, 즉 "확장 튜브"로도 알려짐) 모든 렌즈일 수도 있다. 카메라와 피사체 거리 및 조리개에 따라 피사계 심도가 매우 좁아 초점이 맞는 영역의 선형 깊이가 제한될 수 있다. 렌즈는 일반적으로 피사계 심도를 높이기 위해 조리개를 조인다.

 줌 

일부 렌즈는 줌 렌즈라고 불리며, 일반적으로 배럴을 돌리거나 전동기를 활성화하는 버튼을 눌러 내부 요소를 움직이면 초점 거리가 변한다. 일반적으로 렌즈는 중간 광각에서 표준, 중간 망원까지 줌할 수 있으며, 또는 표준에서 극단적인 망원까지 줌할 수 있다. 줌 범위는 제조 제약에 의해 제한된다. 극단적인 광각에서 극단적인 망원까지 줌할 수 있는 대구경 렌즈의 이상은 달성할 수 없다. 줌 렌즈는 모든 유형의 소형 카메라에 널리 사용된다: 고정 또는 교환식 렌즈를 사용하는 스틸 및 시네 카메라. 부피와 가격은 더 큰 필름 크기에서의 사용을 제한한다. 전동 줌 렌즈는 초점, 조리개 및 기타 기능도 전동식일 수 있다.

 특수 목적 
섬네일|카메라 본체에 대해 최대 기울기 각도로 설정된 틸트/시프트 렌즈
 아포크로마트 (apo) 렌즈는 색수차에 대한 추가 보정을 제공한다.
 프로세스 렌즈는 기하학적 수차(쿠션 왜곡, 배럴 왜곡)에 대한 극단적인 보정을 제공하며 일반적으로 특정 거리와 작은 조리개에서 사용하도록 고안되었다.
 확대 렌즈는 카메라가 아닌 사진 확대기 (특수 프로젝터)와 함께 사용하도록 만들어졌다.
 항공 사진용 렌즈.
 시프트 렌즈는 렌즈를 필름 또는 센서 평면에 대해 올리거나 내려서 원근 왜곡을 수정하거나 과장할 수 있도록 한다.
 어안 렌즈: 180도 이상의 넓은 화각을 가진 극단적인 광각 렌즈로, 매우 눈에 띄는 (그리고 의도된) 왜곡이 있다.
 스테레오스코픽 렌즈: 적절한 뷰어로 볼 때 3차원 효과를 주는 사진 쌍을 생성한다.
 연초점 렌즈는 부드럽지만 초점이 흐리지 않은 이미지를 제공하며 인물 및 패션 사진가들 사이에서 인기 있는 결점 제거 효과가 있다.
 적외선 렌즈
 자외선 렌즈
 회전 렌즈는 카메라 본체에 부착된 채 회전하여 독특한 원근과 카메라 각도를 제공한다.
 시프트 렌즈 및 틸트/시프트 렌즈(총칭 원근 제어 렌즈)는 뷰 카메라 움직임을 모방하여 SLR 카메라에서 원근을 특별히 제어할 수 있도록 한다.
 텔레센트릭 렌즈 (또는 직교 렌즈)는 렌즈와의 거리에 관계없이 모든 물체가 동일한 크기로 보이도록 한다.

 역사 및 기술 개발 

 렌즈 디자인 
섬네일|접이식 라이카 거리계 연동 카메라 렌즈
주목할 만한 사진 광학 렌즈 디자인은 다음과 같다:
 앙제뉴 레트로포커스
 쿡 트리플렛
 더블-가우스
 괴르츠 다고르
 라이츠 엘마
 래피드 렉틸리니어
 자이스 조나
 자이스 플라나
 자이스 테사

 같이 보기 
 광학 표면의 김서림 방지 처리
 대형 카메라 렌즈
 렌즈 (광학)
 렌즈 후드
 렌즈 커버
 SLR 및 DSLR 카메라용 렌즈
 광학 트레인
 텔레컨버터
 텔레사이드 컨버터
 윌리엄 테일러 (발명가)

 각주 

 출처 
 
 

 외부 링크 

 Photo.net 렌즈 튜토리얼
 광학 유리