카메라 렌즈(Camera lens)의 모든 것 - 마지막

사진/카메라 2011.11.07 20:09 Posted by 드론의 미래가 궁금한 푸른하늘이

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보조렌즈(The supplementary lens)


보조렌즈는 메인 렌즈 앞에 덧붙여서 렌즈의 유효 초점거리를 바꾸어주는 악세서리 렌즈이다. 볼록렌즈로만 구성된 경우, 초점거리를 줄이게 되어, 메인렌즈의 초점을 무한대로 둘 때 그 초점거리가 보조렌즈의 초점거리로 설정된다. 이와 같은 소위 접사(close-up) 렌즈는 보정되지 않은 1매짜리 메니스커스(Meniscus)를 사용하는 경우가 많으며, 초점을 잡을 수 있는 범위가 한정된 렌즈를 접사가 가능하도록 바꿀 수 있는 저렴한 방법이다.

무한초점(afocal) 보조렌즈는 좀더 복잡하다. 갈릴레오식 망원경 악세서리(Galilean telescope accessory)라고도 하는데, 렌즈앞에 설치하여 렌즈의 유효 초점거리를 바꿔주지만 촛점면은 변하지 않는다. 망원보조렌즈와 광각보조렌즈, 두가지가 있다. 망원형은 전면에 확대군, 후면은 축소군을 배치하여 영상의 크기를 키우는 보조렌즈이며, 광각형은 이와 반대로 전면에 축소군, 후면에 확대군을 배치하여 영상의 크기를 축소한다. 두가지 모두 렌즈 군간의 간격을 전후면군의 초점거리 차이만큼 떨어뜨림으로써 초점면을 유지한다.

무한초점 보조렌즈는 주렌즈 공식에 통합되지 않아 영상의 품질을 떨어뜨리므로, 중요한 분야에 적용하는 것은 적절하지 않다. 그러나 1950년대부터 아마추어 영화나 비디오, 카메라용으로 개발되어왔다. 줌렌즈가 나오기 전에는 저렴한 비용으로 렌즈교환 시스템을 구현할 수 있는 대안이었다. 줌렌즈 시대에 들어와서는 낮은 비용으로 줌 적용 범위를 확장할 수 있는 방안으로 사용되고 있다.

Franke and Heidecke의 롤라이플렉스(Rolleiflex) 120 롤필름 이안반사식 카메라와 같은 고정 초점식렌즈를 위해 개발된 무한초점 보조렌즈 중에는, 예를 들어 자이스(Zeiss) Tele-Mutar 1.5× 와 Wide-Angle-Mutar 0.7× (1963) 와 같이 품질이 뛰어나고 가격도 비싼 것도 있었지만, 영상 품질 면에서는 진짜 교환식렌즈에 미치지 못했다. 부피가 큰 이 Mutar 보조렌즈를 사용하면 롤라이플렉스 3.5E/C의 Heidosmat 75mm f/2.8 렌즈나 자이스 플래나(Zeiss Planar) 75mm f/3.5 렌즈를 115mm 혹은 52m 로 바꿀 수 있었다. 무한초점 보조렌즈는 현재 디지털 똑딱이(point-and-shoot) 카메라에도 사용되고 있다.  
Zeiss Tele-Mutar and Wide-Angle-Mutar        Schneider Retina-Xenon C system

1954년 생산된 접이식 렌즈식 35mm 거리계연동 카메라인 코닥 레티나(Retina) IIIc and IIc 의 경우, 보조렌즈를 교환가능 렌즈 "콤포넌트"이란 아이디어로 극단적으로 확대하였다. 이 시스템은 표준렌즈인 슈나이더(Schneider) Retina-Xenon C 50mm f/2 렌즈(더블 가우스식) 의 전면군을 슈나이더 Retina-Longar-Xenon 80mm f/4 망원렌즈 또는 슈나이더 Retina-Curtar-Xenon 35mm f/5.6 광각 렌즈로 교체할 수 있도록 하였다. 이러한 콤포넌트 방식은 재사용가능한 후면군이 매우 제한적이며, 렌즈가 극히 크고 거리가 제한되며 완전 교환가능렌즈보다 복잡하지만, 렌즈교환이 제한되었던 주 요인은 Retina의 interlens Synchro-Compur 리프셔터이었다.

줌렌즈의 등장(The zoom lens arrives)


줌렌즈는 망원렌즈의 자연적 결과로 탄생했다. 망원렌즈는 전면 확대부와 후면 축소부의 거리를 변화시키면 확대비율이 변하는 렌즈였기 때문이다. 그러나, 이 경우 초점 및 수차 최적화가 흐뜨러지고 실타래형 왜곡(pincushion distortion)을 유발하였다. 진정한 줌렌즈가 되려면 초점면을 적당한 위치로 물려둘 수 있는 보정 렌즈군(compensating cell)이 필요한데, 실용적이 되기까지 수십년이 필요하였다. 1929년에서 1932년에 등장한 전문 영화용 카메라를 위한 초기 줌렌즈는 "Traveling," "Vario" 및 "Varo" 렌즈로 불리기도 했다.

일반카메라용 최초의 줌렌즈는 1959년에 개발된 보이그랜더(Voigtländer) Bessamatic 시리즈 35mm 리프셔터 SLR용 Voigtländer Zoomar 36-82mm f/2.8 렌즈(미국/독일)이었다. 이 렌즈는 미국 Zoomar가 설계하고 독일 Kilfitt 에서 제조하였다. Zoomar 36-82 는 초점거리에 비해 매우 크고 무거웠다. 

Voigtländer-Zoomar 36-82mm f/2.8 

초기 줌렌즈의 승자는 Frank Back (미국/독일)으로, 16mm 영화 카메라용 Zoomar 17-53mm f/2.9 (1946)을 필두로 이후의 줌렌즈 개발 및 대중화 전쟁을 일으킨 장본인이었다. 초기 줌렌즈의 영상품질은 아주 좋지 않았다. Zoomar 렌즈가 "아주 썩었다(pretty rotten)"라고 말해지곤 했을 정도였다. 

일본 광학산업의 번성(The rise of the Japanese optical industry)


일본의 사진렌즈 생산은 1931년 Konishiroku(코니카, Konica)의 소형 건판카메라인 Tropical Lily용 Konishiroku  Hexar 10.5 cm f/4.5 렌즈로 거슬러 올라간다. 그러나, 일본은 빠르게 발전하여 1950년대에는 매우 고품질의 렌즈를 생산하게 되었다. LIFE 지의 사진기자인 David Douglas Duncan이 니코르(Nikkor) 렌즈를 "발견"한 이야기는 아주 유명한 사건이다.

1954년 일본 카메라산업협회(JCIA,  Japan Camera Industry Association)에서는 일본의 전후 경제부흥의 일환으로 수출을 장려하기 위해 고품질 사진 산업 개발을 주도하기 시작하였다. 이를 위하여 일본 기계디자인센터(JMDC, Japan Machine Design Center)와 일본 카메라검사협회(JCII, Japan Camera Inspection Institute)는 수출허가서 발급 전 검사프로그램을 시행함으로써, 독창성없는 복제품과 조잡한 사진기기의 수출을 금지하였다.

1950년대 말이되자 일본은 독일을 심각하게 위협하게 되었다. 예를 들면, 니콘 F 35mm SLR (1959) 용 Nippon Kogaku Nikkor-P Auto 10.5 cm f/2.5 렌즈는 뛰어난 선예도와 보케를 가진 사상 최고의 인물사진용 렌즈로 명성을 얻었다. 이 렌즈는 Nikon S 시리즈 거리계연동 카메라용 Nikkor-P 10.5 cm f/2.5 (1954)로 개정되고, 1971년 광학적으로 개선된 후 2006년까지 시판되었다.

Nippon Kogaku Nikkor-P Auto 10.5cm f/2.5

1963년에는 35mm SLR인 Topcon RE Super/Super D과 함께 Tokyo Kogaku RE Auto-Topcor 5.8 cm f/1.4 렌즈가 출시되었다. 이 Topcor 렌즈는 사상 최고의  표준렌즈라는 명성을 얻었다. 니코르(Nikkor)와 탑코르(Topcor)
는 일본 광학산업이 독일을 앞질렀다는 확실한 징표였다. 특히 탑콘(Topcon)은 R-Topcor 300 F2.8 (1958) 렌즈와 R-Topcor 135 F2 (1960) 등의 매우 빠른 렌즈를 생산한 것으로 유명했다. 이중 300mm 렌즈는 1976년까지도 계속 생산되었다. 독일은 100여년 간 광학분야의 지도자였으나 2차세계대전이후 보수적으로 변하였고, 목표나 혁신 혹은 시장상황에 대한 대응 등의 동력을 잃어버렸다. 1962년에는 일본의 카메라 생산이 독일을 추월하였다.

초기 일본 렌즈의 설계는 그저 그런 정도였다. 헥사(Hexar)는 테사르(Tessar) 계열이었고, 니코르(Nikkor)는 조나(Sonnar)계열, 탑코르(Topcor)는 더블가우스(Double Gauss) 계열이었다. 1960년대에 들어 이 한계가 극복되었다. Nikon F 용 Nippon Kogaku Auto-Nikkor 8.5–25 cm f/4-4.5 (1959) 는 최초의 35mm 카메라용 망원 줌렌즈 였다. (두번째는 Zoomar를 본딴 zoomNikon F) 35mm 거리계연동 카메라인 Canon 7 용 초대형 구경의 Canon 50mm f/0.95 (1961)은 사진사의 필수 렌즈가 된 최초의 일본 렌즈였고, 처음에는 Nikkorex Zoom 35mm SLR에 장착되었다가 나중에 Nikon F용으로 발매된 Nippon Kogaku Zoom-Nikkor Auto 43-86mm f/3.5 (1963)는 평범한 영상품질에도 불구하고 최초의 대중적인 줌렌즈였다. 

 Nippon Kogaku Zoom-Nikkor Auto 43-86mm f/3.5

이 시점에서 독일 렌즈는 역사속으로 사라졌다. 1960년대의 영업부진 후, 1970년대에 들어서는 킬피트(Kilfitt), 라이츠(Leitz), 마이어(Meyer), 슈나이더(Schneider), 슈타인하일(Steinheil), 보이글랜더(Voigtländer), 자이스(Zeiss) 등 유명 독일 렌즈 브랜드들은 파산, 합병되거나, 동아시아로 생산을 맡기거나 부티크 브랜드로 바뀌었다. 이 시점에서 렌즈 설계 종류에 따라 이름을 붙이는 관습도 사라졌다. 일본인들이 이를 싫어하여, 이후 생산된 렌즈에는 브랜드 명과 코드 만을 사용하였다.

JDMC/JCII 테스트 프로그램은 그 목적을 달성하여 1989년 종료되고, 금색 "PASSED" 스티커도 역사속으로 사라졌다. JCIA/JCII 는 2002년 카메라영상제품협회(CIPA, Camera & Imaging Products Association)로 재탄생하였다.

반사굴절식 렌즈(The catadioptric "mirror" lens)


반사굴절식 카메라렌즈(Catadioptric photographic lense, 간단히 CAT)는 로렌트 카세그레인(Laurent Cassegrain)의 카세그레인 망원경(Cassegrain telescope,1672)을 비롯한 여러가지 역사적인 발명, 예를 들어 반사굴절식 만진 거울(Catadioptric Mangin mirror, 1874), 슈미트 카메라(Schmidt camera, 1931), 막스토프 망원경(Maksutov telescope,1941) 등을 조합한 렌즈이다. 카세그레인 시스템은 광경로를 접을 뿐 아니라, 볼록거울 2차경이 망원렌즈로 작용하여 일반 렌즈보다 초점거리가 훨씬 길면서도, 초점을 1차경 뒤쪽(필름면)에 맺을 수 있다. 반사굴절식 시스템은 구면반사경이 구면수차제거용 렌즈와 결합되어 있어, 일반적인 반사경 관련 광학오류를 수정함으로써, 카메라와 같이 대구경의 수차없는 장비용으로 적합하다.

최초의 범용 굴절반사식 카메라 렌즈는 드미트리 막스토프의 1944년 작 MTO (Maksutov Tele-Optic) 500mm f/8 이다. 이 렌즈는 막스토프-카세그레인 방식으로 1941년 제작된 막스토프 망원경에서 차용한 것이다. 그 이후 슈미트(Schmidt) 방식이나 고체-반사굴절식(solid catadioptric) 등 여러가지 방식의 설계가 뒤따랐다. 1979년 탐론(Tamron)에서는 뒷면을 은도금한 거울을 사용하여 소형 경량의 반사굴절식 렌즈 개발에 성공하였다. 이 만진(Mangin) 거울 방식은 빛이 거울 유리 자체를 통과하면서 수차가 보정하는 방식으로 부피를 줄일 수 있다.

반사굴절식 카메라 렌즈의 전성기는 비점수차제거형 굴절식 망원렌즈(apochromatic refractive telephoto lense)가 등장하기 이전인 1960년대 및 70년대였다. 초점거리 500mm 짜리 CAT가 흔했으며, 일부는 1979년의 Minolta RF Rokkor-X 250mm f/5.6 (만진 거울방식으로 크기는 거의 50mm f/1.4 수준) 와 같이 250mm 이하인 것도 있었다. 현재도 1000 mm 이상의 렌즈는 CAT 방식이 가장 적당하다.

Minolta RF Rokkor-X 250mm f/5.6

전용 반사식 카메라 렌즈는 1980년대에 여러가지 이유로 인기를 잃었다. 그러나, 주반사경이 14인치에서 20인치 혹은 그 이상되는 상용 막스토프-카세그레인, 슈미트-카세그레인 천문 망원경은 여전히 판매되며, 카메라 어댑터를 부착하면 4000mm f/11 to f/8 정도에 상당한다.

줌렌즈의 전성기(The zoom lens comes of age)


초기 줌렌즈의 품질은 대부분 그저 그런 정도 혹은 별로 좋지 않았다. 따라서 텔리비전이나 아마추어 영화카메라등 저해상도 기기에는 문제가 없었지만, 사진용으로는 불충분했다. 예를 들어, Nippon Kogaku에서는 최초의 대중적 줌렌즈인 Takashi Higuchi의 Zoom-Nikkor Auto 43-86mm f/3.5 에 대해 일반적인 영상품질 기준에 미치지 못한다고 사죄하듯 공지하였다. 그러나 그 이후에도 개선을 위한 노력은 계속되었다.

1974년 Ponder & Best (Opcon/Kino)에서 발매된 Vivitar Series 1 70-210mm f/3.5 Macro Focusing Zoom 렌즈는 35mm 줌렌즈를 위한 최초의 전문가급 품질의 근접초점 "마크로"렌즈로 널리 환영을 받았다. Ellis Betensky의 Opcon Associates 에서는 최신 디지털 컴퓨터의 계산을 통해 Series 1의 15매/10군/4그룹 공식을 완성하였다. 1960년대의 지리한 수작업 계산에서 벗어나자, 초기의 광학기술자들은 꿈도 꾸기 힘들었던 다양하고 고품질의 설계가 가능해졌다. 현대식 컴퓨터 설계기반 줌렌즈는 너무나 복잡하여 그 이전 인간이 수작업으로 설계했던 어떤 렌즈와도 거의 닮은 점이 없다.

Vivitar Series 1 70-210mm f/3.5

Series 1의 광학 줌 동작은 Zoomar와 같은 거의 모든 초기 줌 렌즈와 달랐다. Zoomar는 "광학적으로 보정된(optically compensated)" 줌이었다. 줌용 그룹과 초점면 보정 그룹은 상호 고정되어 있어, 고정되어 있는 그룹 사이를 함께 이동하였다. 반면 Series 1은 "기계적으로 보정된(mechanically compensated)" 줌이었다. 즉 줌용 그룹은 초점면 보정 그룹과 캠(cam)으로 연결되어 이동속도가 달랐다. 이처럼 광학적 설계의 자유도가 높아짐에 따라 기계적으로 보다 더 복잡해 진 것이다.

Series 1은 외부 조정방식에서도 Zoomar에 비해 기계적으로 좀더 복잡했다. 초기 줌렌즈는 대부분 초점 조절용 링과 줌거리 조절용 링이 분리된 "투터치" 줌이었다. 반면 Series 1은 링이 하나로서 돌리면 초점 조절, 밀고 당기면 줌이 되는 "원터치" 줌이었다. 잠시동안(1980-1985) 원터치 줌은 사용편이성으로 인해 널리 사용되었다. 그러나, 1985년 Minolta Maxxum 7000 (일본에서는 Alpha 7000, 유럽에서는 7000 AF)를 시작으로 렌즈교환식 자동초점 카메라가 등장하면서, 초점조절과 줌조절이 분리되어야 했고, 그 즉시 투터치 줌이 대세로 복귀했다.

1977년에는 Fuji Fujinon-Z 43-75mm f/3.5-4.5 가 렌즈교환식 카메라인 Fujica AZ-1 35mm SLR에서 단초점 렌즈대신 주 렌즈로 판매될 정도로 줌렌즈가 진화하였다. 1980년이 되면서 35-70mm 정도의 빠르게 프레임을 잡을 수 있는 "슈퍼노멀" 줌이 50mm 렌즈를 거의 대체하기에 이르렀다. 그러나, 미국에서는 70-210mm 망원줌렌즈가 세컨드 렌즈로 인기가 높았음에도 그다지 발판을 마련하지 못하였다. 1990년대에 가장 인기가 높은 카메라였던, 최초의 줌렌즈 장착형 35mm 똑딱이(point-and-shoot) 카메라는 Asahi Optical Pentax의 IQZoom (1987) 으로서, Pentax Zoom 35-70mm f/3.5-6.7 Tele-Macro 렌즈가 탑재되었다.

Fuji Fujinon-Z 43-75mm f/3.5-4.5

두번째 기념비적 줌렌즈는 1981년의 Sigma 21-35mm f/3.5-4 이었다. 이 렌즈는 최초의 35mm SLR용 초광각 줌렌즈였다. 이 이전에는 초광각 직교렌즈(rectilinear super-wide angle lense), 역초점(retrofocus) 렌즈 및 줌렌즈의 복잡성을 모두 결합하는 것은 불가능하다고 생각되었다. 시그마 사의 11매/7군/3그룹 전가동 렌즈는 컴퓨터기반 설계 및 멀티코팅의 승리였다.

Sigma 21-35mm f/3.5-4

Sigma 줌렌즈의 광학적 복잡성과 함께 세개의 그룹이 각기 다른 속도로 움직이는 기계적인 복잡성은 최첨단 제작 기술이 필요하였다. 초광각 줌렌즈는 대부분의 현대 디지털 SLR의 경우, 이미지 센서가 대부분 35mm 보다 작기 때문에 훨씬 복잡하다. 동등한 화각을 유지하기 위해서는 초점거리가 훨씬 짧아야하지만, 기존의 35mm SLR 마운트를 계속 활용하기 위해서는 백포커스(back-focus) 거리가 동일해야 하기 때문이다. 일본의 렌즈교환식 줌렌즈 생산은 1982년을 기점으로 단초점렌즈 생산을 추월하였고 오늘날에는 어디에나 줌렌즈가 있다고 해도 과언이 아닌 시대가 되었다.

줌렌즈에 의한 단초점렌즈의 진화(The zoom influenced prime lens)


줌렌즈의 매우 복잡한 내부 운동은 단초점 렌즈 설계에도 영향을 미쳤다. 전통적으로 고정식 카메라의 단초점렌즈를 가까운 곳에 초점을 맞추기 위해서는 렌즈 전체를 피사체 가까이 이동시켜야 했다.(주름식 카메라의 경우, 렌즈를 앞쪽으로 전진) 그러나, 수차 보정을 위한 구성렌즈간의 간격은 피사체 거리별로 다른 것이 일반적이다.

따라서, 이시대의 일부 단초점렌즈는 "부유 렌즈(loating elements)" - 가까운 곳에 초점을 맞출 때 줌렌즈 방식으로 일부 렌즈군을 이동시킴 -를 채택하였다. 예를 들어, 역초점 광각렌즈는 가까운 거리에서 구면수차와 비점수차가 커지는 경향이 있는데, 이를 처리하기 위하여 Nikon 35mm SLR를 위해 1967년 개발된 Nippon Kogaku Nikkor-N Auto 24mm f/2.8 렌즈는, 후면에 있는 3개의 렌즈가 전체 렌즈와는 별개로 이동하도록 하여, 30cm 정도의 근접 초점시 대구경상태에서도 좋은 품질을 유지할 수 있었다.

Nippon Kogaku Nikkor-N Auto 24mm f/2.8

1977년에 출시된 Kiyoshi Hayashi's Nippon Kogaku Nikkor 200mm f/2 ED IF 와 같은 단초점렌즈의 경우 "내부 초점조절(internal focusing)"을 사용하기 시작했다. 전체 렌즈를 이동시키지 않고, 내부에 있는 일부 렌즈만 이동시킴으로서 초점을 맞추는 동안에 무게 중심이 이동되지 않도록 하였다.

Nippon Kogaku Nikkor 200mm f/2 ED IF

내부초점은 원래 전문 기자, 스포츠, 야생 사진 전문가 등을 위한 무거운 대구경 망원렌즈에 인기가 높았다. 조작이 쉬웠기 때문이다. 내부초점 방식은 특히 자동초점시대에 중요성을 인정받았다. 전원소비도 줄어들고 초점조절용 모터의 부담도 줄기 때문이다.

참고로 부유 렌즈(floating elements)와 "내부 초점조절(internal focusing)"은 줌효과를 만들게 되어, 최근접 거리에 대한 실질 초점길이가 표시된 초점거리보다 1/3정도 짧아질 수 있다.

보케(Bokeh)


보케(Bokeh)란 영상에서 초점이 맞지 않은 흐릿한 부분에 대한 주관적인 품질이다. 전통적으로 시간이 많이 소요되는 수작업 계산으로 렌즈를 설계할 때는 초점이 맞는 부분에 대한 수차보정에만 신경을 쓰고 그렇지 않은 부분은 거의 고려하지 않았다. 따라서 정해진 심도를 벗어나면 수차가 중첩되어 렌즈의 유형에 따라 다른 영상이 만들어진다. 초점이 맞지 않는 부분의 영상의 차이는 전체적인 영상의 품질에 대한 느낌에 영향을 미칠 수 있다. 

다른 모든 심미적인 판단과 마찬가지로, 보케에 대한 정확한 정의도, 객관적인 테스트 방법도 없다. 그러나, Rapid-Rectilinear/Aplanat 렌즈와 더블가우스(Double Gauss)와 같은 대칭 렌즈의 경우 보케가 기분을 좋게한다고 여겨지고, 역초점 광각(retrofocus wide angle)렌즈나 망원렌즈와 같은 비대칭 렌즈의 경우 거칠다고 평가된다. 2차 거울의 광경로 차단으로 인하여 생기는 반사식 렌즈의 "도넛" 형 보케는 평가가 양극단으로 나뉜다.

1970년대에 강력한 컴퓨터가 증가하면서 일본의 광학회사에서는 초점이 맞지 않는 부분에 대해서도 연구하기 시작하였다. 이러한 연구의 초기 결과가 Minolta 35mm SLR 을 위한 1978년의 Minolta Varisoft Rokkor-X 85mm f/2.8 렌즈였다. 이 렌즈는 초점이 맞는 부분의 수차에는 영향을 주지 않은 상태로, 부유 렌즈군(floating elements) 을 사용하여 렌즈의 구면수차를 고의로 덜 보정하여 하이라이트 부분을 부드러운 물방울 모양으로 만들어주는 렌즈이다. 이 Varisoft 렌즈 및 이후의 여러가지 연초점 인물렌즈(soft focus portrait lense)들은 벳시바르 인물렌즈가 우연히 얻었던 품질을 재현하려고 시도한 것이다. 참고로 Varisoft는 부유 렌즈군을 제외하면 테사르(Tessar) 렌즈이다.

Minolta Varisoft Rokkor-X 85mm f/2.8

보케는 매우 고품질 렌즈의 경우 일반적인 렌즈설계요소이다. 그러나, 보케는 매년 수백만대씩 팔리고 있는 센서가 작은 디지털 똑딱이 카메라와는 거의 아무런 관련이 없다. 이런 카메라들은 초점거리가 짧고 구경이 작아 심도가 매우 깊어서 아웃포커스되는 영역이 거의 없기 때문이다.

품질 수준의 향상(Improving standards of quality)


옛날 렌즈가 더 좋았다는 전통주의자들의 불평에도 불구하고, 렌즈는 점점 향상되어 왔다. 평균적으로 현재의 렌즈는 과거의 렌즈보다 더 선명하다.

이를 증명할 가장 쉬운 방법은 지난 200년간 표준적인 인쇄물 크기는 동일한데도 카메라의 필름(센서)의 크기는 지속적으로 줄었다는 사실이다. 동일한 인쇄 품질을 유지하기 위해서는 과거에 비해 확대비율이 더 높음을 의미하고, 이는 현재의 렌즈가 옛날 렌즈보다 해상도가 높은 것이 자명하다는 것이다. 예를 들어, 인간의 눈은 약 30cm 정도의 거리에서 1mm 당 5개의 줄을 구분할 수 있다. 따라서 24x36mm 필름으로 촬영하여 8x10 인치(약 20x25 cm)로 확대하기 위해서는 약 8배 확대하므로, 렌즈 해상도가 최소한 1밀리미터당 40선 이상이 되어야 한다. APS 사이즈(약 16x24mm)의 디지털 SLR 센서용 렌즈의 경우, 8x10 인치에 선명한 상을 만들기 위해서는 적어도 1밀리미터당 52개의 선을 구분할 수 있어야 한다.

렌즈가 어떻게 성능이 향상되었는지 이해할 수 있는 또 다른 방법은 렌즈설계를 위한 해석 수준을 아는 것이다. 19세기에는 수학적으로 3차 수차에 해당하는 자이델 수차(Seidel aberrations)와 기본적인 비점수차(anastigmatic) 보정을 처리하였다. 20세기 중반까지는 고품질 렌즈 생산을 위하여 5차 수차까지 계산해야 했으며, 현재의 렌즈는 7차 수차 해법이 필요하다.

참고로 이미 40-50년 전부터 최고의 사진렌즈는 아주 높은 품질(위에서 언급한 해상도의 최소 2배)을 갖고 있으므로, 20x30인치(약 50x75cm) 크기로 동일한 피사체를 직접 대조해 보지 않는한, 오늘날의 렌즈가 더 우월하다고 단정적으로 이야기하기는 곤란하다.

저가형 비구면렌즈(The inexpensive asphere)


일반적으로 렌즈는 표면이 구면이다. 그러나 구면렌즈는 중심축에서 벗어날 수록 들어오는 광선을 초점보다 앞쪽에 맺게 하며(구면수차, spherical aberration), 특히 광각렌즈나 대구경렌즈의 경우 심하게 나타난다. 이러한 현상은 포물선 등의 비구면(asphere) 렌즈요소를 사용하면 막을 수 있다. 이 사실은 1637년 René Descartes 에 의해 이미 이론적으로 증명되었지만, 비구면 표면의 가공은 극히 힘들었고 비용이 많이 들었다.

저가의 대량생산형 몰딩방식의 유리 구면 렌즈요소를 사용한 최초의 카메라렌즈는 1982년 Kodak Disc 4000, 6000, 8000 등에 사용된 12.5mm f/2.8 렌즈였다. 이 렌즈는 밀리미터당 250선을 구분할 수 있다고 하였다. 이 렌즈는 4매인데, 3중렌즈 후면에 field-flattener 를 덧댄 형태이다. Kodak Disc 카메라는 매우 복잡하게 제작되었다. 아울러 리튬 밧데리, 마이크로칩, 자동 노출, 필름자동감기 등의 기능이 탑재되어 있었다. 가격은 $68 에서 $143 선이었다. 다만, 이 카메라의 필름은 250 lpm을 기록할 수 없었다.

Kodak (Disc) aspheric 12.5mm f/2.8

코닥은 1957년부터 뷰파인더에 대량생산형 플라스틱 비구면렌즈를 사용하기 시작했으며, 1978년에 $87.50 짜리 Ektramax (USA) Pocket Instamatic 110 카트리지 필름 카메라에는, 주조방식 플라스틱 비구면렌즈가 포함된 Kodak Ektar 25mm f/1.9 렌즈가 장착되어 있었다. 플라스틱은 장착용 테두리를 포함한 복잡한 형태도 쉽게 주조할 수 있다. 그러나 굴절률, 온도항상성, 기계적 강도 및 재료의 다양성 등 여러가지 면에서 유리가 플라스틱보다 우월하다.

Kodak Ektar 25mm f/1.9

이와 같은 고정밀의 주조방식 플라스틱/유리 비구면 렌즈를 저비용으로 자유롭게 사용할 수 있게 되자, 20세기 후반부터 렌즈 설계에 엄청난 영향을 미치게 되고, 이에 따라 수많은 종류의 렌즈가 생산되었다.

줌렌즈의 승리(The zoom lens triumphant)


하나의 렌즈로 모든 것 - 적어도 가능하면 많은 것을 하고 싶다는 바램도 지난 25년간의 렌즈 설계에 많은 영향을 미쳤다. 1985년의 Kino Precision Kiron 28-210mm f/4-5.6 렌즈는 최초의 카메라용 초점거리 비율이 매우 큰 "슈퍼줌" 렌즈이었다. 14매/11군의 Kiron 렌즈는 표준 광각에서 망원까지 확장할 수 있는 최초의 35mm SLR 줌렌즈로서, 크기/무게/가격 등을 적정선내에 들면서도(129×75 mm, 840 g, 72mm filter, US$359) 28, 35, 50, 85, 105, 135, 200 mm 단렌즈를 대체할 수 있었다. 

Kiron 28-210mm f/4-5.6 (on a Nikon FM2N)

초기의 35mm SLR 줌렌즈의 초점거리 비율은 3:1을 넘는 경우가 거의 없었다. 영상 품질 문제 때문이었다. 그러나, 광학적으로 복잡해지고 제작 허용도가 엄밀해짐에도 불구하고 줌렌즈는 더 다양해졌다. 영상 품질에 약간의 타협이 필요했지만, 1990년대 후반에는 35mm SLR을 위한 아마추어용 편리한 슈퍼줌(때로 비율이 10:1을 넘으며, 4-5 그룹이 독립적으로 움직임)이 널리 사용되었다. 현재의 아마추어 디지털 SLR에서도 표준렌즈로 남아 있다. 탐론(Tamron) AF18-270mm f/3.5-6.3 Di II VC LD Aspherical (IF) MACRO 의 경우엔 2008년에 15배 비율을 달성하였다. 또한 슈퍼줌은 디지털 똑딱이(point-and-shoot) 카메라와 함께 수백만개가 판매되고 있다.

모든 것을 해결할 수 있는 렌즈에 대한 갈망은 새로운 현상이 아니다. 현재 대형 필름 사진사들이 계속 사용하고 있는 "전환(Convertible)" 렌즈는 서로 분리해서도 사용할 수 있고 결합해서도 사용할 수 있어 3개의 렌즈 역할을 하는데, 이는 적어도 1894년 Zeiss Convertible Protar로 역사가 거슬러 올라간다.

1985년의 토키나(Tokina) SZ-X 70-210mm f/4-5.6 SD 줌렌즈는 또다른 종류의 편리함을 가져왔다. 이 렌즈는 최초의 극소형줌(ultra-compact zoom (85×66 mm, 445 g, 52mm filter))으로서 이전의 70-210mm 줌에 비해 크기가 절반에 불과하다. 예를 들어 3세대 Vivitar Series 1 70-210mm f/2.8-4 (1984) 렌즈는 139×70 mm, 860 g, 62mm filter 이었다. 토키나(Tokina)는 Kiron 28-210mm 와 같이 12매/8군/3그룹 으로 소형 최대구경을 가졌지만, 저분산유리와 새로운 양방향 비선형 줌 액션(bidirectional nonlinear zooming action)을 추가하여 크기와 무게를 최소화하였다.

Tokina SZ-X 70-210mm f/4-5.6 SD 

소구경 35mm 포맷 렌즈는 1980년대 스냅샷 품질(snapshot quality) 및 고민감 ISO 400 칼라필름과 내장 플래시 장착 카메라가 등장하면서 실용화되었다. 1990년대에는 소구경 줌렌즈를 장착한 똑딱이 카메라가 가장 흔한 카메라가 되었다. 컴팩트한 변동구경 줌렌즈(일부는 슈퍼줌렌즈)는 현재의 디지털 똑딱이 카메라에도 표준렌즈로 남아 있다. 이때쯤 줌렌즈의 영상 품질은 표준렌즈의 품질과 비슷해졌다.

참고로 현재의 슈퍼줌(superzoom) 렌즈중에는 "parfocal(초점면이 동일한)"이 아닌, 즉, 진짜 줌렌즈가 아닌 것이 많다. 이들은 "varifocal(초점거리에 따라 초점위치가 이동)"로 설계와 제작이 쉽다. 하지만 이러한 렌즈는 자동초점 카메라에 설치되어 초점 이동이 일어나더라도 자동으로 초점조절이 되므로 일반 사용자들은 알기 힘들다.

자동초점 렌즈(The autofocus lens)


자동초점은 주로 전기-기계적인 문제이고 광학문제는 아니기 때문에 렌즈 설계에는 그다지 영향을 주지 않았다. 다만 AF로 인한 변화라면 기계적 적응이다. 즉, "내부 초점조절(internal focusing)"의 대중화, "투터치" 줌 의 재등장, AF 모터나 구동축, 그리고 렌즈 내부에 기어 및 전기제어 칩 내장 등의 변화이다.

그러나, 기록을 위하여, 사진 카메라용 최초의 자동초점렌즈는 Konica C35 AF 똑딱이 카메라(1977)에 탑재된 Konishiroku Konica Hexanon 38mm f/2.8 이었다. 최초의 SLR 카메라용 자동초점렌즈는 즉석필름 SLR인 Polaroid SX-70 Sonar (1978)에 탑재된 116mm f/8이었다. 최초의 렌즈교환식 자동초점 SLR 렌즈는 Ricoh AF Rikenon 50mm f/2 (1980, 펜탁스 K 마운트)로서 렌즈 위쪽 상자에 수동식 전자 거리계 자동초점시스템(passive electronic rangefinder AF system)이 붙어 있었다. 최초의 전용 자동초점 렌즈 마운트는 5개의 접점을 가진 K-F 마운트로서, TTL 콘트라스트 감지 AF 시스템(contrast detection AF system)이 달린 Asahi Optical Pentax ME F (1981)에 최초로 적용되었으며, 이 카메라에 부착된 렌즈는 SMC Pentax AF 35mm-70mm f/2.8 줌렌즈였다. 

최초의 내장형 TTL 자동초점 SLR 렌즈는 Opcon/Komine/Honeywell Vivitar Series 1 200mm f/3.5 로서, 이 렌즈 아래쪽 박스에 TTL 수동 페이즈 감지 AF 시스템(passive phase detection AF system)이 달려 있었다. 최초의 완벽한 자동초점렌즈 라인은 Minolta Maxxum 7000 (1985, Japan) 35mm SLR 및 TTL 수동 페이즈 감지 AF 시스템과 함꼐 소개된 12개의 미놀타 AF A 마운트 렌즈(24mm f/2.8, 28mm f/2.8, 50mm f/1.4, 50mm f/1.7, 50mm f/2.8 Macro, 135mm f/2.8, 300mm f/2.8 APO, 28-85mm f/3.5-4.5, 28-135mm f/4-4.5, 35-70mm f/4, 35-105mm f/3.5-4.5 and 70-210mm f/4)이었다. 

진동방지 렌즈(The image stabilized lens)


아무리 고급 광학렌즈를 사용할지라도 결함있는 사진이 만들어질 수 있다. 노출 오류는 1970년대 전기식 자동노출로 해결되었고, 초점 오류는 1980년대 자동초점 시스템으로 해결되었다. 

1994년 35mm 똑딱이인 니콘 Zoom-Touch 105 VR 에 설치된 38-105mm f/4-7.8 렌즈가 최초의 진동방지장치가 내장된 최초의 소비자용 렌즈이었다. 이 렌즈의 진동방지 시스템은 카메라의 흔들림을 감지하여 반대작용을 함으로써, 삼각대가 없이는 불가능한 정도의 느린 속도에서도 선명한 사진을 찍을 수 있었다. 진동방지가 광학이 아닌 전기-기계적 발전이었지만, 1990년대의 가장 새로운 기능이었다.

1995년 Canon EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM 은 최초의 진동방지방치가 내장된 렌즈교환식 렌즈였다. 진동방지는 처음에는 매우 고가여서 대부분 전문 사진사만 사용하였으나, 2006년에 아마추어 디지털 SLR 시장에도 파고들었다. 그러나, Konica Minolta Maxxum 7D 디지털 SLR은 2004년에 바디기반 진동방지장치를 채택했으며, 이로 인해 현재 렌즈기반이 좋은지 바디기반이 좋은지 기술적, 마케팅적으로 전쟁이 벌어지고 있다.

회절광학렌즈(The diffractive optic lens)


컴퓨터 설계, 비구면렌즈, 멀티코팅, 고굴절저분산유리 등의 도움으로, 모노크롬 수차는 거의 마음대로 조절할 수 있게 되어, 물리적 법칙에 따른 절대적 회절한계(diffraction limit)까지 접근할 수 있게 되었다. 그러나 많은 분야에서 색수차(chromatic aberration)는 처리하기가 힘들었다.

2001년에 출시된 Canon EF 400mm f/4 DO IS USM 렌즈는 소비자용 카메라(캐논 EOS 35mm SLR)용 최초의 회절광학렌즈였다. 일반적으로 사진카메라는 굴절식 렌즈(가끔 반사 거울)를 영상 형성용 광학시스템으로 사용한다. 400 DO 렌즈는 동심원형 회절격자(concentric circular diffraction gratings)를 포함하는 다중레이어 회절요소(multilayer diffractive element)가 있는데, (굴절과 비교해) 반대방향의 색분산 특성을 이용하여 보다 낮는 분산 유리와 적은 수의 비구면과 작은 부피로 색수차 및 구면수차를 보정한다.

Canon EF 400mm f/4 DO IS USM

2010년 현재 일반 소비자용 카메라를 위한 고가의 전문가급 수준의 회절광학렌즈는 단 2가지만 있지만, 이 기술의 유용성이 알려지면 가격이 내려가고 좀더 다양한 렌즈가 나올 것으로 예상된다.

디지털시대의 렌즈(Lenses in the digital era)


얼핏 생각해 보면 디지털 사진은 렌즈에 영향을 미치지 않을 것 같다. 디지털은 영상을 기록하고 저장하는 부분일 뿐 영상을 만드는 것과 관계 없기 때문이다. 그러나, 디지털 영상처리기법은 영상을 향상시킬 수 있는 새로운 기회를 제공하고 있다.

2004년 Kodak (Sigma) DSC Pro SLR/c 디지털 SLR은 110개 렌즈에 대한 광학성능 프로파일을 탑재하여 영상을 기록하는 과정중에 실시간으로 이들 렌즈에 대한 횡방향 색수차(lateral chromatic aberration)를 수정하였다. 또한 2004년 DO Labs DoX Optics Pro라는 컴퓨터 소프트웨어 모듈이 출시되었는데, 특정한 카메라와 렌즈 정보를 탑재하여 왜곡, 비네팅, 흐려짐(blur), 횡방향 색수차 등을 후처리에서 수정할 수 있다.

필름 시절에 영상 품질이 허용범위에 들지 못했던 렌즈들이 디지털 시대에는 허용되는 일이 발생하고 있다. 카메라에서 이들 렌즈의 결함을 자동적으로 처리하기 때문이다. 예를 들어 2008년 마이크로포서드(Micro Four Thirds) 디지털 포맷에서는 자동 소프트웨어 영상처리가 표준기능이다. 2009년 Panasonic의 14-140mm f/4-5.8 G VARIO ASPH. MEGA O.I.S. 렌즈와 2010년 올림푸스(Olympus)의 M. Zuiko Digital 14-150mm f/4-5.6 ED 렌즈의 경우 광각설정에서 술통형 왜곡(barrel distortion)이 매우 심하지만, 각각 Panasonic LUMIX DMC-GH1 카메라와 Olympus Pen E-P2 카메라에서 자동적으로 이를 감소시키고 있다. 파나소닉(Panasonic) 14-140mm 렌즈는 색수차도 보정한다. (올림푸스는 아직 색수차를 보정하지 못하고 있다.)

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카메라의 개요 와 카메라의 역사 그리고 거리계연동카메라와 일안반사식카메라 12 그리고 이안반사식 카메라도 참고 하세요.

민, 푸른하늘 
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