렌즈

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
이동: 둘러보기, 검색
렌즈의 종류
1 - Symmetrical double convex lens. 2 - Asymmetrical double-convex lens. 3 - Plano- convex lens. 4 - Positive meniscus lens.
5 - Symmetrical biconcave lens. 6 - Asymmetrical biconcave lens. 7 - Plano-concave lens. 8 - Negative meniscus lens.

렌즈(lens, 문화어: 렌스)는 을 모으거나 분산시키는 도구로, 보통 유리로 만든다. 전자기파를 위해서 만든 비슷한 도구도 렌즈로 불리는데, 예를 들어 마이크로파 렌즈는 파라핀으로 만든다.

렌즈의 원리와 종류[편집]

렌즈는 의 직진과 굴절의 성질을 이용하여 상을 확대, 축소한다. 빛은 동일한 매질을 통과할 때에는 직진하나 다른 매질을 만나면 반사, 굴절한다. 렌즈와 연관지어 설명하면 공기 중을 통과하는 빛은 직진하다 렌즈를 만나면 반사, 굴절하게 된다. 렌즈의 주 재료인 유리는 빛의 대부분을 통과시키기 때문에 반사가 적고 대부분 굴절하게 된다. 빛은 렌즈의 두꺼운 쪽으로 굴절하기 때문에 렌즈의 가운데 부분의 두께가 가장자리보다 두꺼운 볼록렌즈의 경우 가운데 쪽으로 빛이 모이게 되고 렌즈의 가장자리 부분의 두께가 가운데보다 두꺼운 오목렌즈의 경우에는 빛이 가장자리로 굴절되므로 빛이 퍼져 나가게 된다.

"렌즈에 의한 상의 크기나 종류, 상이 맺히는 위치를 알기 위해서는 렌즈에 관한 공식을 사용하면 되는데 이때 다음의 사항을 따라야 한다.

  1. 모든 빛은 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하는 것으로 그린다.
  2. 모든 물체의 거리(s)는 렌즈의 왼쪽에서 측정할 때 양의 값, 렌즈의 오른쪽에서 측정할 때 음의 값으로 한다.
  3. 모든 상의 거리(s')는 렌즈의 오른쪽에 있을 때 양의 값, 렌즈의 왼쪽에서 측정될 때 음의 값을 가진다.
  4. 볼록렌즈의 초점거리(f,f')는 양의 값, 오목렌즈의 초점거리(f,f')는 음의 값으로 정한다.
  5. 물체와 상이 광축의 위로 생기면 양의 값, 광축의 아래로 생기면 음의 값으로 정한다.
  6. 렌즈의 면이 볼록할 경우 반지름을 양의 값, 오목할 경우 반지름을 음의 값으로 정한다."

[1]

볼록 렌즈[편집]

볼록렌즈의 초점거리를 f라 하고 렌즈 각 면의 곡률반경을 R_1, R_2라 하고 렌즈로 사용하는 물질의 굴절률을 n이라 하면 f, R_1,R_2, n 에 관한 관계식은 다음을 만족한다.

(n-1)(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2})=\frac{1}{f}

물체가 렌즈를 통해 어떻게 보이는지 알기 위해 물체의 어느 한 지점에서 나오는 빛이 렌즈를 통과했을 때 어느 지점에 상이 맺히는지 알아보면 된다. 얇은 렌즈의 경우 렌즈 안에서 빛이 굴절되는 것은 무시할 수 있다. 따라서 간단한 식으로 상의 위치를 결정할 수 있고 상이 맺히는 위치를 광선추적으로도 쉽게 찾을 수 있다. 물체의 모든 지점에서 모든 방향으로 빛이 반사되지만 렌즈에 의해 생기는 상을 알아보기 위해선 물체(화살표)의 가장 끝점에서 나오는 세 가지의 빛에 대해서만 광선추적 하여 맺히는 상의 위치와 종류를 결정한다.

(1) 물체에서 나온 빛이 렌즈의 광축에 평행하게 입사하면 렌즈의 초점(f')을 지나도록 굴절된다.

(2) 렌즈의 초점(f)을 지나는 빛은 렌즈의 광축에 평행하게 굴절된다.

(3) 렌즈의 중심을 지나는 빛은 렌즈 면에 수직하게 입사하므로 굴절되지 않는다. 따라서 그냥 직진한다.


볼록렌즈의 경우 물체의 위치(s)에 따라 생기는 상의 종류와 크기가 달라진다.

볼록렌즈와 빛의 나아감

s>2f : 축소된 크기의 도립 실상

s=2f : 동일한 크기의 도립 실상

f<s<2f : 확대된 크기의 도립 실상

s=f : 상이 생기지 않는다.

s<f : 확대된 크기의 정립 허상

(도립 : 거꾸로 서있는, 광축 아래로 생기는 상을 의미한다

정립 : 똑바로 서있는, 광축 위로 생기는 상을 의미한다

실상 : 렌즈에 의해 굴절된 빛이 실제로 만나서 상이 생기는 경우

허상 : 렌즈에 의해 굴절된 빛은 실제로는 만나지 않지만 굴절된 빛의 연장선들이 어느 한점에 만나 상이 생기는 경우)

실제로 상이 생기는 위치는 렌즈의 공식을 이용하면 된다.

\frac{1}{s}+\frac{1}{s'}=\frac{1}{f}

여기서 s는 물체와 렌즈사이의 거리, s'은 렌즈와 상 사이의 거리를 의미한다.

오목 렌즈[편집]

오목렌즈도 기본적인 공식이나 원리는 볼록렌즈와 같다. 빛은 렌즈가 두꺼운 쪽으로 굴절되기 때문에 오목렌즈는 볼록렌즈와 달리 물체에서 나오는 빛을 모으지 않고 분산시키는 효과가 발생한다. 얇은 오목렌즈에서 맺히는 상을 찾기위한 광선추적 방법은 다음과 같다.

오목렌즈와 빛의 나아감

(1) 물체에서 나온 빛이 렌즈의 광축에 평행하게 입사하면 렌즈의 초점(f)를 지나는 것처럼 굴절된다.

(2) 렌즈의 초점(f')을 지나도록 입사한 빛은 렌즈의 광축에 평행하게 굴절된다.

(3) 렌즈의 중심을 지나는 빛은 렌즈 면에 수직하게 입사하므로 굴절되지 않는다. 따라서 그냥 직진한다.

오목렌즈는 물체의 위치에 관계없이 항상 축소된 정립 허상이 생긴다.

오목렌즈의 초점거리나, 상이 생기는 위치를 구하기 위해선 볼록렌즈에서 사용한 렌즈의 공식을 그대로 사용하면 된다. 이때 주의할 것은 R_1, R_2, f, s, s'의 양과 음의 값을 나타내는 부호이다.

렌즈의 작동원리[편집]

전형적은 직교렌즈(rectilinear lens)는 바늘구멍 렌즈의 성능을 향상시킨 것이다. 이상적으로는 바늘구멍렌즈는 작은 구멍을 이용하여 거의 모든 빛을 차단하고, 한 점에서 한 선의 빛만 뽑아 센서에 보낸다. 그러나 바늘구멍렌즈는 심각한 한계가 있다.

1)바늘구멍 사진기의 구멍이 크면 상이 흐려진다. 2)구멍을 작게 하면 해상도가 좋아지지만 빛의 양이 줄어든다. 3)회절로 인해 구멍을 일정 크기보다 더 줄이면 어두워질 뿐만 아니라 흐려진다.

렌즈란 “어떻게 하면 빛을 더 많이 받아들이면서도 뚜렷한 상을 얻을 수 있을까? “ 하는 질문에 대한 답이다. 첫 번째 답은 바늘구멍에 초점거리가 촬상면까지의 거리와 동일한 렌즈를 설치하는 것이다. 이렇게 하면 구멍을 상당히 크게 해도 무방하다.

광학렌즈에 있어 가장 기본적인 두 가지 요소는 초점거리(focal length) 와 최대구경(maximum aperture)이다. 초점거리는 촬상면에 투영된 상의 배율을 결정하며 구경은 상의 밝기를 결정한다. 동일한 카메라를 사용할 경우, 초점거리가 짧을수록 화각(field of view)이 넓어진다. 구경이 크면 동일한 노출에도 셔터속도를 빠르게 할 수 있다. 즉, 렌즈의 원리는 입사동공으로 들어온 빛의 다발이 출구동공을 통해 촬상면에 한 점으로 초점을 맺게 하는 것이다.

스넬의 법칙[편집]

렌즈 공식의 바탕에는 굴절이라고 하는 기본적 물리 현상이 있다. 굴절하면 생각나는 것이 스넬의 법칙이다.

스넬의 법칙을 써 보면,

sini/sinr 식 (1)

빛이 굴절률 인 매질에서 인 매질로 입사각 를 가지고 입사할 때, 출사광은 를 가지게 되는데 이들 사이의 관계가 식 (1)이 된다. 왜 이렇게 되느냐에 대한 질문을 할 수 있는데 가장 근본적인 해답은 결국 측정해 보면 항상 그렇다는 것일 것이다. 물론 전자기학에 대해 좀 더 친숙한 사람이라면 전기장과 자기장의 경계 조건을 만족해야 하기 때문에 경계면에서 위상의 일치를 위해 스넬의 법칙이 유도된다고 할 수도 있다. 그러나 역시나 전자기학 또한 실험적 측정에 근거를 두기 때문에 근본적인 왜에 대한 것은 알 수가 없다. 그냥 빛이 그렇게 동작한다는 것을 우리가 측정을 통해 귀납적으로 추출하기 때문이다. 물리학 법칙이 꼭 존재해야할 이유는 없지만 이러한 법칙들이 보통은 실험 결과를 예측하는데 유용하기 때문에 당분간 우리는 이러한 스넬의 법칙과 같은 공식을 외워두면 편리한 면이 많다. 실제로 물체 크기가 파장 보다 작아지면 이러한 스넬의 법칙은 무의미하다. 우리가 공부하는 영역은 기하광학 영역으로 파장이 물체의 크기에 비해 매우 작은 영역에서 유용한 이론에 속한다.


광학 렌즈 종류 및 설명[편집]

  • 성능 관련용어

1. Telecentric 광학계 (Telecentric optical system) 주광선이 렌즈 광축에 대하여 평행인 구조의 광학계. 물체로부터 렌즈에 입사하는 빛이 광축밖에 있어서도 광축과 평행인 구조의 광학계를 물체측 Telecentric 광학계라 하고, 렌즈로부터 상으로 향하는 빛이 광축밖에 있어서도 광축과 평행인 구조의 광학계를 상측 Telecentric 광학계라 한다. 또한, 물체측 Telecentric 광학계와 상측 Telecentric 광학계의 구조를 모두 갖는 광학계를 양측 Telecentric 광학계라 한다.

- Telecentric 렌즈 조리개가 렌즈의 집점위치에 있는 렌즈를 Telecentric 광학계라 한다. 조리개가 렌즈의 집점위치에 있기 때문에, 주광선이 렌즈 광축에 대하여 물체측, 상측, 또는 양측에 평행할 수 있다. 특히 물체측이 Telecentric 렌즈인 경우, 이 각도가 한없이 0'도에 가깝기 때문에 Work (피사체)가 상하 이동하여도, 치수의 변동과 위치변동이 없어 계측오차는 발생하지 않는다. 예를 들어 Work가 피사체 심도로부터 벗어나 Focus가 안맞는 경우에도 이 기능은 유지된다. 따라서 두께가 다른 입체형상물을 동일시야, 동일배율에서 측정하는 경우, 그리고 Focus 방향의 Work와의 위치가 rough한 경우 등, 악조건 하에서의 고정도한 화상처리계측이 필요한 경우에 위력을 발휘한다. Telecentric렌즈는 이상의 성능으로 고정도의 화상처리계측과 Alignment에 필요불가결한 광학계이다.

1) Normal한 렌즈 주광선이 렌즈광축에 대하여 각도를 가지고 있으므로, Work가 상항 이동하면 상의 크기가 변화한다.

2) 양측 Telecentric 렌즈 물체측, 상측 모두 주광선이 렌즈 광축에 평행. 조리개를 가변하는 것으로, 깊은 피사계심도를 얻을수 있어, 물체측 Telecentric보다 상이 안정적이다. 화상 처리계측에 최적인 광학계. 단, 대형화와 가격이 비싸다.

3) 물체측 Telecentric 렌즈 물체측만 주광선이 렌즈광축에 평행. 기본적으로는 Work가 상하 이동하여도 상의 크기는 변하지 않는다. 동축낙사조명을 사용할 때의 필요조건, 도한 소형화에도 대응.

4) 상측 Telecentric 렌즈 상측만 주광선이 렌즈광축에 평행 카메라측의 Flange back (Mount 면에서 촬상소자까지의 거리)에 개별차가 있어도 촬상배율의 변화를 흡수한다. 색 변화 보정용에 본래는 Video camera용 렌즈는 전부 이 타입이 바람직하다.

2. 분해능 (Resolving power) 렌즈의 성능으로, 극히 미세하게 떨어져 있는 2점 (흑,백)을 구분할수 있는 최소 pitch. 분해능은 거리로 표현한다. 예를 들어, 분해능 1um은 1um떨어져 있는 2점을 구분할수 있다는 의미이다.

3. 해상력 (Resolution power) 렌즈의 성능으로, 극히 미세하게 떨어져 있는 2점 (흑,백)을 구분할수 있는 최소 pitch의 역수. 해상력은 선/mm 도는 LPM(Line per mm)으로 표현한다. 예를 들어, 100선/mm 또는 100LPM은 1/100mm의 흑백일대일이 분리가능하다는 것을 의미한다. 흑백일대일로 1/100mm이므로, 백선의 폭은 1/200mm(=5um)이다. 흑선의 폭도 동일하다. 주의: 해상력 100선/mm의 경우, 1/100mm 떨어진 2개의 선을 구분할 수 있어, 분해능 10um과 같은 의미가 된다. 즉, 분해능과 해상력은 역수의 관계이다.

4. 해상도 TV 화면의 높이 (세로의 길이)에 포함되어져 있는 구분할 수 있는 흑, 백 선의 총수. 예를 들어, 해상도 200TV 줄은, TV 화면에서 100줄의 백선과 100줄의 흑선을 구분 할 수 있다는 의미이다. 주의: 해상력은 흑백pair로 1줄, 해상도는 흑백pair를 2TV줄로 한다.

5. Distortion (Distortion aberration) 축외직선이 곡선으로 결상되어지는 현상을 가져오는 렌즈의 왜곡. Distortion 에는 2종류가 있어, 축외직선이 중심방향으로 들어가는 경우를 Pin-cushion type distortion, 바깥측으로 부풀어지는 경우를 Barrel type distortion이라 한다.

6. TV Distortion TV monitor 상에서의 화상의 왜곡. 수치가 0에 가까울수록 성능이 좋다고 할 수 있다.

7. Color aberration 광학계에서 물체의 상을 결합시킬때, 빛의 파장에 의해 상의 위치 및 배율이 틀려지는 착오. 파장의 청색단에서는 굴절율이 크게 되고, 렌즈의 성능은 파장과 같이 변화하는 관계가 있다. 렌즈에서는 다른 파장에 대해서는, 다른 집점거리를 나타낸다. 하나의 색으로부터 다른 색으로의 광축상의 차를 Axial color aberration이라 하고, 화면 사이즈에서의 차이를 magnification color abrerration이라 한다.

  • 거리 및 밝기 관련용어

1. Working distance 렌즈의 물체측 경통등의 선단으로부터, 치사체까지의 거리.

2. 집점거리 광학계의 주점으로부터 집점까지의 거리. 렌즈에 대해서는, 이것을 유효집점거리라 하는 경우도 있다. 또한, 렌즈 최후부의 정점으로부터 그 렌즈의 후측 집점까지의 거리를 Back focus라 하고, 렌즈 최전부의 정점으로부터 그 렌즈의 앞측 접점까지의 거리를 Front focus라 한다

3. Flange back 카메라 마운트의 취부면으로부터 상까지의 거리

4. 피사계심도 렌즈의 focus가 맞아있는 위치에서, 피사체가 수직으로 상하이동하여도 선명하게 보이는 범위

5. 집점심도 렌즈의 focus가 맞아있는 위치에서, 촬상면(CCD 소자면 등)이 상하이동하여도 선명하게 보이는 범위

6. Numerical aperture(NA) 광학계의 밝기와 해상력에 관한 광학성능을 나타내는 양의 하나. 광학계와 광학소자에 입사, 또는 사출하는 광선묶음의 최대추가(원뿔각도)(물점, 또는 상점으로부터의 입사동경, 또는 사출동경에 대해 만들어지는 각도의 반각의 sine값으로 표현한다.

NA=n * sin a

  • n은 물체공간(또는 상공간)의 모체의 굴절율
  • a는 물체공간(또는 상공간)의 모체에서의 최대추각의 반경

7. F number 렌즈의 밝기를 나타내는 단위. 렌즈의 집점거리를 렌즈의 물체측으로부터 봤을 때의 경(입사동경)으로 나눈 값이 된다. 기본적으로 수치가 작을수록 밝은 렌즈라고 할수 있다.

9. 유효 F number 유한계의 광학계(물점 및 상점이 모두 렌즈로부터 유한거리에 있는 광학계)에 있어, 실사용시의 렌즈의 밝기를 나타내는 단위. 실사용시, 결상배율에 의해 F No.는 같아도 밝기는 변화한다. 유효 F No. = (1+m) F No.

  • m은 결상배율
  • 배율 및 카메라, TV monitor 관련용어

1. 광학배율 렌즈의 배율

2. 전자배율 TV monitor상의 배율

3. 시야(Field of view = FOV) 광학기기에서 볼수 있는 물체공간의 범위. CCD format 치수를 광학배율로 나눈 값이 된다.

4. CCD(Charge-coupled device) 촬상소자

5. Aspect 비 TV 화면의 가로와 세로의 비. 통상, 긴 시간동안 봐도 피로를 덜느끼는 4:3의 비율이 사용되고 있다. X선 등과 같은 의료용에서는 1:1비율이 사용되는 경우도 있다.

6. Overscan, Underscan TV monitor의 브라운관에서, 카메라의 촬상면의 유효시야 중, 약 10%정도 Blanking직후의 ringing와 주변왜곡을 보이지 않게 한 경우를 Overscan이라 하고, 유효시야 전부를 보이게 한 경우를 Underscan이라 한다. 통상의 TV monitor는 Overscan으로 조절되어져 있다.

7. SN비 카메라의 출력신호와 출력신호내에 포함되는 노이즈의 비율

8. Smear 카메라의 촬상면에 강한 spot광이 들어간 경우, 화면상에 밝은 띠가 발생하는 현상

9. Flicker 형광등과 같은 조명아래에서 촬영했을 때에 화면이 명암으로 아물거리는 현상

10. Blooming 카메라의 촬상부에 강한 광이 들어간 경우, 그 주변이 하얗게 번지는 현상

11. Gain 영상신호의 전압 level. TV monitor의 밝기는, Gain이 높으면 밝아지고, 낮으면 어두어 진다.

12. 동기(Synchronization) 카메라가 촬상하기 위해 Timing을 맞추는 것 동동기에는 수평방향과 수직방향이 있어, 카메라와 TV monitor의 수평동기가 안맞으면 화면이 옆으로 흐르고, 수직 동기가 안맞으면 상하로 흐른다.

  • 조명 관련용어

1. 조도 어떠한 물체의 표면이 광원으로부터 받는 빛의 양(물체가 비춰지는 밝기)을 나타내는 것으로, 단위면적당 입사하는 광속으로 주어져, 단위로는 lx를 사용한다.

조도(lx)= 광속(lm) / 면적(m2)

2. 휘도 조도는 단위면적당 입사하는 광속으로 주어지는 것에 반해, 휘도는 역으로 보고 있는 곳에 향하여 어느 정도의 빛이 나오고 있는지를 표현하는 것으로, 단위는 candela per square meter 이다. (cd/m2)

3. 색온도 광이 가지고 있는 색을 물리적, 객관적인 수치로 표현한 것. 단위는 절대온도 K(Kelvin)을 사용하고, 그 값이 낮으면 낮을수록 광색은 적색을 가지고, 반대로 높으면 높을수록 청색에 가까운 광색이 된다.

4. 편광필터 어떠한 방향으로부터의 광을 차단할 수 있는 필터로, 수면과 금속, glass등의 반사광을 저하시키는 필터

5. ND 필터 회색 필터로 알려져 있고, 색의 재현에 영향을 주지않고, 광량만을 떨어뜨리는 필터

6. 적외흡수/반사필터 적외흡수 필터는, 가시광선을 투과하여 적외선을 흡수하는 필터로, 열선흡수 필터 또는 방열필터로도 불려진다. 적외반사 필터는, 광학적 다층막에 의해 가시광을 투과하여 적외선을 반사하는 필터

7. 굴절 광이 다른 성질의 경계면에 입사하면, 경계를 투과하여 다른 성질의 층으로 진행하는 경우, 광의 진행 방향이 변화하는 현상

8. Halogen lamp 봉입 Gas에 미량의 Halogen gas를 첨가한 백열전구. Halogen cycle에 의해 전구벽이 검게 안되고, 광출력과 색온도의 감쇄가 통상의 백열전구에 비교해 적고, 안정적이다.

9. Metal halide lamp 각종 금속 Halogen 화물(Metal halide)과 수은의 발광을 이용한 고연색성, 고휘도의 lamp

10. 광 fiber 광이 통과하는 Core와 그것을 둘러싸는 Clad로 불러지는 2개의 광학적인 영역으로부터 구성되어져 있다. 재질은 크게 플라스틱, 다성분 glass, 석영이 있다.

11. Numerical aperture(NA) 광 Fiber 단면으로부터, 광 Fiber를 전송하는 광선을 받는 수광특성을 나타내고, 광 Fiber를 구성하는 core와 clad의 굴절율로 결정된다.

12. 수광각도 광 fiber가 수광할수 있는 각도

렌즈의 이용[편집]

현미경[편집]

현미경은 가까이 있는 작은 물체를 확대해서 보는 기구이다. 물체와 맞닿아 있는 렌즈를 대물렌즈, 눈에 맞닿는 렌즈를 접안렌즈라고 한다. 얼만큼 작은 물체를 볼 수 있는지가 현미경의 성능이 되는데 이것을 결정하는 것은 현미경의 배율이다. 배율(m)은 물체의 크기에 대한 상의 크기를 의미한다.

m=\frac{y'}{y}

(y : 물체의 크기, y' : 상의 크기)

현미경은 두개의 렌즈가 하나의 시스템을 이루기 때문에 위의 식을 이용하는 것이 아니라 조금 더 복잡해진다. 현미경의 성능을 결정하는 배율은 두 렌즈의 초점거리가 중요하게 작용한다.

망원경[편집]

망원경은 멀리 있는 물체를 보기 위한 기구이다. 대물렌즈와 대안렌즈가 있는데 망원경의 배율(m)은 두 렌즈의 직경으로 결정할 수 있다.


m=\frac{D}{d}

(D : 대물렌즈의 직경, d : 대안렌즈의 직경)

렌즈의 역사[편집]

초기의 카메라 렌즈(The earliest photographic camera lenses)[편집]

카메라 렌즈의 역사는 월라스톤(Wollaston)의 메니스커스(Meniscus) 렌즈로부터 시작된다. 1804년 영국의 윌리엄 월라스톤(William Hyde Wollaston)은 1매짜리 메니스커스 렌즈(Meniscus lens, 요철렌즈)를 발명하였다. 처음에는 안경에 사용되었다. (자신이 원시라면 안경알을 시험해 보시길) 이 렌즈는 상당히 넓은 범위(f/16에서 약 50° 정도)에서 어느 정도 뚜렷한 상을 맺는 최초의 렌즈였다. 월라스톤은 1812년 이 렌즈를 예술가용 카메라 옵스큐라(camera obscura)에 장착시켰다.

메니스커스 요철렌즈는 오목한 면을 앞쪽으로 하고 그 앞에 조리개를 설치함으로써, 최초의 사진용 렌즈로 불리우게 되었다. 프랑스의 니세포르 니엡스(Joseph Nicéphore Niépce)가 최초의 사진 기법인 "heliography"을 시험한 몇몇 카메라 옵스큐라에 이 렌즈를 부착했기 때문이다. (카메라의 역사 참조) 메니스커스 렌즈는 1550년 지오바니 바티스타 델라 포스타(Giambattista della Porta)가 카메라 옵스큐라에 부착한 간단한 양면볼록렌즈(biconvex lens)의 한계였던 상면만곡(field curvature)을 해결하였다. 참고로, 니엡스는 1828년까지 메니스커스 렌즈를 사용하지 않았다. 즉, 1827년 경 역청(bitumen)을 사용한 최초의 사진을 촬영할 때는 양면볼록 렌즈를 사용했다. 메니스커스 렌즈는 코닥의 베스트셀러였던 브라우니(Brownie)와 같이 간단한 박스형 사진기에는 지금도 사용되고 있다.


WollastonMeniscus1.jpg 월라스톤의 메니스커스 (Meniscus, 요철)렌즈

니엡스와 루이스 다게르(Louis-Jacques-Mandé Daguerre, 프랑스)는 동일한 업자(샤를 세발리에, Charles Chevalier, 프랑스)로부터 렌즈를 공급받았다. 다게르의 다게레오타입(daguerreotype) 사진도 메니스커스(Meniscus) 렌즈를 장착한 카메라 옵스큐라(camera obscura)를 사용하여 실험하였다. 하지만, 유리는 빨강 스펙트럼에서 파랑 스펙트럼으로 갈수록 굴절률(refractive index)이 커지고, 그 결과 파란색은 앞쪽에 초점이 맺히고, 빨강색은 상 주변에 무지개 장식 같은 얼룩을 만들게 된다. 이는 색 수차(chromatic aberration)에 의한 영향이다. 메니스커스 렌즈에는 이와 같은 색 수차를 보정할 방법이 없어 초점을 맞추기 힘들었다. 다게레오타입은 파란색에 감광하는데, 사람의 눈은 주로 노란색으로 초점을 맞추기 때문이다.

세발리에(Chevalier)는 1829년 돌랜드(Dollond)의 아크로매트 이중렌즈(Achromat Doublet, 색지움렌즈, 원래는 망원경용)를 사용하도록 제안했다. 이 렌즈는 원래 메니스커스 렌즈보다 선명도가 떨어졌지만, 굴절률이 낮고 분광(dispersion)이 낮은 크라운(crown (소다석회, soda-lime)) 렌즈와 굴절률이 높고 분광(dispersion)도 높은 플린트(flint (납, lead)) 렌즈를 결합함으로써, 개별 색수차를 상쇄시키고 파란색과 노란색을 한군데에서 초점이 맞도록 한 렌즈이다.

현대식 아크로매트(색지움) 렌즈(약 1900년 이후)는 파란색과 빨간색-특히 486 / 656 나노미터-을 한 점에 모으도록 설계하는 것이 일반적이다. 참고로 존 돌랜드(John Dollond, 영국)가 1754년에 이 사실을 발견하여,1758년에 영국 왕립 학회(British Royal Society)로부터 코플리 메달(Copley Medal)을 수상하였지만,(1966년 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 색수차를 해결할 수 없다고 결론을 내렸음) 아크로매트(Achromat) 렌즈를 개발한 사람은 1729년 체스터 홀(Chester Moor Hall)이었다.


Achromat12.jpg 아크로매트 이중(Achromat Doublet, 색지움) 렌즈

아크로매트 이중(Achromat Doublet, 색지움) 렌즈는 1839년 8월 19일 프랑스 정부가 발행한 공식 다게레오타입 설명서에 지정된 렌즈였다. 세발리에는 1839년 말부터 아크로매트 렌즈에 메니스커스 렌즈를 추가하여, 상면만곡(field curvature)과 색수차(hromatic aberration)를 조절함으로써, 19세기 야외용 표준 렌즈인 아크로매트 풍경(Achromat Landscape)렌즈를 개발하였다.


AchromatLandscape1.jpg 세발리에의 아크로매트 풍경(Achromat Landscape)렌즈

벳시바르 인물 렌즈(Petzval portrait lens)[편집]

아크로매트 풍경렌즈(Achromat Landscape)는 완벽과는 거리가 멀었다. 무엇보다 실용적인 최대구경이 f/16 으로, 야외 다게레오타입 촬영에 20-30분 소요될 정도로 느렸다. 그래서 1840년 프랑스 국가산업진흥회(Society for the Encouragement of National Industry)에서는 밝은 렌즈를 국제공모하였다. 조셉 벳시바르(Joseph Petzval, 현재 헝가리)은 광학에는 전혀 경험이 없는 수학교수였지만, 오스트리아-헝가리 연합군의 "인간 컴퓨터(human computer)"의 도움을 받아 다게레오타입 인물촬영(daguerreotype portrait)에 적합할 정도로 빠른 렌즈에 도전하였다.

그는 1840년 벳시바르 인물렌즈(Petzval Portrait) 개발에 성공하였다. 전면은 접합식 아크로매트(색지움) 렌즈, 후면은 간격을 떨어뜨린 아크로매트 렌즈로 구성된 4매 렌즈로, 최초의 대구경(f/3.6) 인물용 렌즈였다. 그늘진 야외에서 다게레오타입 노출시 1-2분 정도 걸렸다. 1851년 개발된 콜로디온(colloidion ) 습판식에 사용할 경우 실내에서도 1-2분 정도로 가능하였다. 하지만 벳시바르 인물렌즈는 다른 렌즈보다 훨씬 우수했음에도 국수주의로 인하여 상을 타지 못했다.


Petzval portrait.jpg 벳시바르 인물렌즈(Petzval Portrait)


초점거리 150mm인 벳시바르 렌즈는 1841년에 원뿔형 금속제 보이그랜더(Voigtländer, 현재 오스트리아) 카메라에 탑재되어 원형 다게레오타입을 촬영하였다. 보이그랜더-벳시바르는 예술가용 카메라 옵스큐라를 변형한 것이 아닌, 사진 촬영 전용으로 설계된 최초의 카메라와 렌즈였다. 이 벳시바르 인물렌즈(Petzval Portrait)는, 그후 거의 100년간 가장 뛰어난 인물사진용 렌즈로 사용되었다. 현대의 관점에서 볼 때 이 렌즈에는 심각한 상면만곡(field curvature)오차와 비점수차(astigmatism)가 있었다. 중심부(약 20°, 매우 중요할 경우 10°)는 선명하였지만, 바깥쪽은 급격하게 초점이 어긋나서 피사체 주위로 "유쾌한" 할로 현상(halo effect)이 나타났다. 벳시바르 인물렌즈는 현재에도 상면 만곡이 문제시 되지 않는, 좁은 각도의 투영렌즈로 인기가 높다.



1841년 다게레오타입 보이그랜더(Voigtländer) 카메라 : source

이 렌즈는 여러 렌즈 회사들이 불법적으로 복사했고, 벳시바르은 피터 보이그랜더(Peter Voigtländer)와 로열티 문제로 추악한 분쟁에 빠져들어 결국 비참하게 숨을 거두었다. 이 인물렌즈가 최초의 수학적 계산에 의한 렌즈였고, 1856년부터는 Hugo Adolph Steinhei(현대독일)에서 근무한 Ludwig von Seidel(현대 독일)에 의해 물리적 계산식이 잘 정립되었음에도, 그 후로도 약 반세기 동안 사진렌즈는 시행착오법을 통해 개발되었다. 렌즈 발전에는 퇴행적인 손해였다.

광학수차의 극복(Overcoming optical aberrations)[편집]

아크로매트 풍경렌즈(Achromat Landscape)는 또한 직선이 곡선으로 나타나는 기하학적 왜곡이 아주 심했다. 사진이 개발된 초기에는 촬영시간이 오래 걸려 음직이지 않는 건물이 아주 중요한 사진 주제였기 때문에 이는 매우 심각한 문제였다. 게다가 그 당시는 그림엽서가 19세기 중반에 개발되었을 정도로, 가보기 힘든 곳의 사진(특히 입체사진)은 안락한 집에서 세계를 구경할 수 있다는 점에서 아주 인기가 좋았다. 왜곡은 화각이 커질 수록 급격히 나빠졌다. 따라서 아크로매트 풍경렌즈는 광각 렌즈로는 사용할 수 없었다. 최초의 성공적인 광각렌즈(최대 92°, 실용적으로는 80°)는 1892년 해리슨 슈나이처 글로브 렌즈(Harrison & Schnitzer Globe, 미국) 이었으나, 최대구경이 f/16(실용적으로는 f/30)에 불과했다. 찰스 해리슨(Charles Harrison)과 조셉 슈나이처(Joseph Schnitzer)가 개발한 글로브 렌즈는 4매의 대칭 요소로 구성되었다. 이름이 의미하는 것처럼, 제일 바깥쪽 면을 확장하면 완전한 구가 된다.


Schnitzer Globe.jpg 해리슨 슈나이처 글로브 렌즈(Harrison & Schnitzer Globe)


1850년, 대칭(Symmetry)을 사용하면 깨끗한 상을 방해하는 일곱가지 렌즈 수차(5가지 모노크롬 "자이델(Seidel)수차" (구면수차(spherical), 코마(coma), 비점수차(astigmatism), 상면만곡(field curvature), 직선왜곡(rectilinear distortion))와 2가지 색수차(축방향(axial) 및 횡방향(transverse))중에서 3개의 수차(직선왜곡, 코마, 횡방향 색수차)가 자동적으로 보정된다는 사실이 발견되었다.

아울러 제조상의 결함으로 인하여 중심이탈(decentration) 수차도 발생한다. 즉, 렌즈가 사양에 따라 제작되지 않았거나, 위치가 어긋나면 기대한 품질을 얻을 수 없다. 구조가 복잡해질수록 연마불량 혹은 위치 불량에 한층 민감해진다.

영상의 품질을 떨어뜨리지만 수차 혹은 오류가 아닌 광학 현상도 있다. 예를 들어, 중심에서 멀어질수록 cos4θ만큼 상이 어두워지는 자연 비네팅(natural vignetting) 현상이나, 광각렌즈 사진에서 볼 수 있는 가장자리 확대현상, 혹은 건물이 사다리꼴로 나타나는 현상 등은 3차원 피사체를 2차원으로 투영하는 과정에서 나타나는 기하학적 효과일 뿐, 물리적 오류가 아니다.

글로브 렌즈의 대칭식은 달메이어(Dallmeyer) Rapid-Rectilinear 렌즈와 슈타인하일(Steinheil) Aplanat 렌즈에 직접적인 영향을 주었다. 우연히도 존 달메이어(John Dallmeyer)의 Rapid-Rectilinear 와 아돌프 슈타인하일(Adolph Steinheil)의 Aplanat는 거의 동일한 4매 대칭식으로, 1866년에 거의 동시에 도착했다. 이들 렌즈는 구면수차(spherical) 및 상면만곡(field curvature) 을 제외한 대부분의 광학수차를 제거한 f/8 렌즈였다. 굴절률(refractive index) 차이를 최대로 하되, 각 아크로매트에서 분광(dispersion)을 동일하게 유지한 것이 돌파구였다. Rapid-Rectilinear 과 Aplanat 은 그 당시 모든 필름 포맷에 대해 초점거리와 화각에 확장가능했으므로 이후 약 50년간 표준적인 중구경 범용렌즈로 사용되었다.


DoubleGauss.jpg 달메이어(Dallmeyer) Rapid-Rectilinear 렌즈와 슈타인하일(Steinheil) Aplanat 렌즈

아크로매트 풍경 렌즈(Landscape), 벳시바르 인물렌즈(Portrait), 해리슨 슈나이처 글로브 렌즈(Harrison & Schnitzer Globe) 및 Rapid-Rectilinear/Aplanat 등 4개의 렌즈는 19세기 사진사들이 반드시 갖추어야했던 렌즈였다.

조리개(Aperture stops)[편집]

조리개가 영상 품질을 높일 수 있다는 사실은 1500년대에 알려졌다. 조리개구경이 너무 작아 회절이 심하게 발생하지 않는 이상, 조리개를 쓰면 여러가지 횡방향 수차(코마(coma), 비점수차(astigmatism), 직선왜곡(rectilinear distortion) 및 횡방향 색수차(lateral chromatic)를 일으키는 주변부 빛을 차단하기 때문이다. 현재에도 대부분의 렌즈는, 횡방향 수차와 회절이 타협하는 중간정도의 구경에서 최상의 품질을 생성한다.

따라서 심지어 메니스커스(Meniscus)렌즈조차 영구적인 조리개가 있었다. 하지만 초기의 렌즈에 있는 조리개는 조정기능이 없었다. 작동되는 구경자체가 작은데다, 다게레오타입은 민감도가 낮아서 몇 분씩 노출해야했기 때문이다. 사진사들은 입사광을 줄임으로써 노출시간이 늘어나는 것을 용납할 수 없었다. 1951년 콜로디온 습판식(wet colloidion process)이 개발되면서 노출시간이 획기적으로 짧아졌고, 이에 따라 조리개조절 기능이 필요하게 되었다.

가장 오래된 조리개는 1858년의 존 워터하우스(John Waterhouse)의 이름을 딴 워터하우스 스톱(Waterhouse stop)이었다. 동판에 정해진 크기의 구멍이 뚫어진 형태로, 렌즈 옆에 있는 홈에 삽입하는 방식이었다.



Dallmeyer Soft Focus Series B 렌즈와 워터하우스 스톱(좌측은 삽입된 모습)

1880년 경, 사진사들은 구경 크기가 심도에 영향을 미친다는 것을 깨달았다. 이에 따라 조리개 조절기능이 훨씬 중요해졌고, 조절가능한 조리개가 표준 렌즈 기능이 되었다. 1880년대 아이리스 조리개(iris diaphragm)가 최초로 등장했고, 1900년대에는 표준 조리개가 되었다. 아이리스 조리개는 그 이전 19세기 초부터 예술가용 카메라 옵스큐라(camera obscura)에 널리 사용되었고, 니엡스(Niépce)도 실험용 카메라에서 한번 이상 사용하였다. 그러나 현대식 렌즈에 사용되고 있는 조리개는 1858년 찰스 해리슨(Charles Harrison)과 조셉 슈나이처(Joseph Schnitzer)에 의해 개발되었다. 해리슨과 슈나이처의 조리개는 열고 닫는 속도가 빨랐고, 이는 자동 조리개 카메라용 렌즈에 필수가 되었다.

현대 렌즈 조리개의 f값은 f/1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, 45, 64, 90 등으로 표시되는데,1949년에 표준화되었다. 그 이전에는 이러한 영국식 시스템과 독일식 ( f/1.1, 1.6, 2.2, 3.2, 4.5, 6.3, 9, 12.5, 18, 25, 36, 50, 71, 100 등)이 경쟁했었다. 또한 통일 시스템(Uniform System, 미국, 영국에서 발명됨)은 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 등(여기에서 미국1 = f/4, 미국2 = f/5.6, 미국4 = f/8 등)으로 표기했는데 20세기초 이스트만 코닥에서 선호하였다.

망원렌즈(The telephoto lens)[편집]

1매의 요소로 구성된 렌즈는 렌즈의 길이와 초점거리가 같다. 예를 들어 초점거리 500mm 렌즈는 렌즈부터 촬상면까지의 거리가 500mm이다. 망원렌즈는 전면에 확대 렌즈(군), 후면에 축소렌즈(군)를 조합하여 명목상의 초점거리보다 짧게 만든 렌즈이다. 즉, 전면부에서는 상을 과대굴절시키고, 후면에서 초점면을 회복함으로써 백포커스 길이(back-focus length, 렌즈 후면 정점으로부터 초점면까지의 거리)를 매우 단축시킨 것이다. 원래는 일반렌즈의 뒤에 부착할 수 있는 오목렌즈가 악세서리로 판매되었다. 1833년 피터 발로우(Peter Barlow)가 개발한 오목 색지움 확대렌즈(negative achromat magnifier)인 발로우 렌즈(Barlow lens)는 현재도 아마추어 망원경의 접안렌즈 배율을 높이는 목적으로 사용되고 있다. 현대의 망원컨버터(teleconverter)가 발로우 렌즈이다.

1891년 토마스 달메이어(Thomas Dallmeyer)와 아돌프 미테(Adolph Miethe)는 전면에 아크로매트 이중(achromat doublet, 색지움)렌즈, 후면에 아크로매트 삼중(achromat triplet)렌즈로 구성된 망원렌즈를 거의 동시에 동일한 수식과 함께 특허를 내려고 시도하였다. 누가 먼저인지 알아내지 못했고, 결국 둘다 최초의 망원렌즈 특허를 받지 못했다.


Telephoto1.jpg 달메이어(Dallmeyer)와 미테(Miethe)의 망원렌즈

초기의 망원렌즈는 전면부와 후면부가 균형잡히지 않았고, 후면부가 영상뿐만 아니라 수차까지 확대하였다. 또한 전.후면부 간격을 조정함으로써 유효초점거리를 조정할 수 있도록 하였으나, 이는 수차문제를 악화 시켰을 뿐이었다. 광학적으로 보정되고 시스템으로 확립된 최초의 망원렌즈는 1905년 f/8 Busch Bis-Telar(독일) 이었다.


BuschBisTelar-text.jpg Busch Bis-Telar

현대식 비점수차보정렌즈(The "modern" anastigmat lens)[편집]

사진렌즈는 1890년, 자이스(Zeiss, 독일)가 프로타르(Protar)를 개발하면서 한단계 도약하게 된다. 폴 루돌프(Paul Rudolph)의 프로타르 렌즈는 최초의 성공적인 비점수차보정렌즈로, 당시 기준으로 비점수차를 포함하여 다른 모든 수차를 높은 수준으로 보정하였다. 이 렌즈는 f/4.5 인물용부터 f/18 초광각까지 모두 적용할 수 있었다. 프로타르(Protar) 렌즈는 처음엔 Anastigmat(비점수차제거렌즈)라고 불렸으나, 이런 특성의 렌즈가 많아져 일반적인 용어가 되자, 1900년에 프로타르라는 기발한 이름으로 변경되었다.


ZeissProtar1.jpg 자이스 프로타르(Protar)

프로타르 렌즈는 최초의 "현대식" 렌즈라고 할 수 있다. 산화바륨(barium oxide) 기반의 크라운 유리(optical crown glass, 저굴절, 저분산 특성의 유리)를 사용하면서 비대칭 공식(asymmetric formula)을 적용했기 때문이다. 이 유리는 1884년, 칼 자이스(Carl Zeiss)의 Jena Glass Works에서 일하던 물리학자 에른스트 아베(Ernst Abbe)와 화학자 오토 쇼트(Otto Schott)가 개발하였다. 이 쇼트 유리는 소다석회 크라운 유리(soda-lime crown glass) 보다 분산은 낮고 굴절률은 높았다. 프로타르의 전면부는 예전 유리를 사용했으나, 후면부 아크로매트(색지움)렌즈는 고굴절 유리를 사용했다. 약 1930년대 이후에 생산된 거의 모든 고품질 사진렌즈는 비점수차가 보정되는 렌즈이다.

현재의 최첨단 카메라 렌즈는 비점수차보정렌즈(anastigmatic)보다 대충 두배 정도 더 엄밀한 삼중색지움렌즈(apochromatic, APO) 이다. 하지만 그러한 렌즈들은 원래의 일곱가지 수차보다 훨씬 더높은 수준의 수차를 보정해야 한다. 이를 위해서는 20세기 중반에 발명된 고굴절/저분산 희토류(산화 란탄(lanthanum oxide)) 렌즈, 형석(불화 칼슘(calcium fluoride)) 렌즈 등이 필요하다. 최초의 소비자 카메라용 삼중색지움렌즈는 1964년 개발된 35mm SLR인 라이카플렉스(Leicaflex) 시리즈용 "Leitz APO-Telyt-R 180mm f/3.4(1975)" 이었다. 1980년대 이후 개발된 거의 모든 전문가용 망원렌즈는 삼중색지움렌즈이다. 참고로, 과학용/군용/산업용으로는 삼중색지움렌즈보다 더 뛰어난 렌즈도 있다.

쿠크 삼중렌즈(The Cooke Triplet)[편집]

20세기 카메라 렌즈의 전형은 Taylor, Taylor & Hobson의 쿠크 삼중렌즈(Cooke Triplet)이다. 데니스 테일러(Dennis Taylor, TTH와는 관련없음)가 개발한 쿠크 삼중렌즈는 믿을 수 없으리만치 간단한 비대칭 3매 비점수차보정렌즈(anastigmat)로, 새로운 쇼트(Schott) 유리의 이점을 최대한 이용하고자 렌즈 설계를 재점검하는 과정에서 탄생했다. 모든 요소가 너무 강하여 정렬불량에 매우 민감함으로써 당시로서는 상당한 제조 기준을 통과해야 했다. 쿠크 삼중렌즈는 20세기의 "경제적인 렌즈"의 표준이 되었다. 예를 들어, 최고로 많이 팔린 거리계연동 카메라로 추정되는 1937년 미국의 아거스(Argus) C3에 장착된 Argus Cintar 50mm f/3.5 렌즈가 쿠크 삼중렌즈였다.


CookeTriplet1.jpg Taylor, Taylor & Hobson의 쿠크 삼중렌즈(Cooke Triplet)

이 렌즈는 중형 롤필름 카메라의 밀착 사진이나, 35mm "미니어처" 포맷 카메라의 부분 확대에 적당하며, 대형 인화는 곤란하다. 그러나, 20세기 전반의 필름은 해상도가 높지 않아 별로 문제 될 것이 없었다.

테사르 렌즈(The Tessar)[편집]

폴 루돌프(Paul Rudolph)는 자신이 개발한 프로타르(Protar) 렌즈의 성능이 불만족스러워 테사르 렌즈를 개발했다. (형태는 쿠크 삼중렌즈와 비슷) 테사르는 원래 f/6.3 이었지만, 1930년에 f/2.8(최고 성능은 f/3.5까지)로 개선되었다.

테사르는 고품질/중구경/평균원근감을 갖는 20세기 표준렌즈였다. 최초의 자동노출 카메라인 코닥(Kodak) Super Six-20 (1938)에 장착된 "Kodak Anastigmat Special 100mm f/3.5"가 테사르 렌즈였다. 또한 올림푸스의 오리지날 half frame 카메라인 Olympus Pen (1959)에 장착된 "D. Zuiko 2.8 cm f/3.5", 최신 롤라이(Rollei) 35(1974)에 장착된 "슈나이더(Schneider) S-Xenar 40mm f/3.5", 주류 카메라회사의 마지막 수동초점 35mm SLR인 Nikon FM3A (2001)에 장착된 "AF Nikkor D 45mm f/2.8P Special Edition" 등도 Tessar 렌즈였다. Zeiss Stiftung의 마지막 카메라인 Zeiss Ikon S 312에 "Zeiss Tessar 40mm f/2.8 (1972)"이 채택된 것은 썩 어울리는 일이었다.


ZeissTessar-text s.jpg 자이스 테사르(Zeiss Tessar)

라이츠(Leitz) 최초의 카메라인 Leica A (1925)에 장착된 "라이츠 엘마(Leitz Elmar) 50mm f/3.5"가 테사르(Tessar)라는 건 잘못 알려진 사실이다. 그 당시 라이카에선 18x24mm 무비카메라용 50mm f/3.5 Kino Tessar 를 개발했었고, 이것이 새로운 24x36mm 포맷에는 불충분했기 때문에 풀프레임을 지원하는 렌즈를 새로 개발해야했다. 50mm 테사르 렌즈가 24x36mm 포맷을 지원하게 된 것은 라이카의 성공에 자극을 받아 자이스 이콘(Zeiss Ikon)에서 콘택스(Contax)를 설계한 이후의 일이다. 엘마(Elmar)는 테사르(Tessar)와는 다른 계산식인 쿠크 삼중렌즈(Cooke Triplet)에 기반한 렌즈였다.

에르노스타와 조나(The Ernostar and the Sonnar)[편집]

비점수차제거에 의하여 사진 품질이 향상되자, 그 다음으로 어두운 곳에서 촬영하거나 셔터 속도를 올릴 수 있도록 구경을 키우는데로 관심이 쏠리게되었다. 자연광 스냅사진(candid available light photography)에 적합한 최초의 광각렌즈는 1923년 에르네만 에르노스타(Ernemann Ernostar, 독일)이었다. 루드비히 베르텔레(Ludwig Bertele)의 공식은 원래 10cm f/2 렌즈였으나, 1924년에는 10.5 cm/85mm f/1.8 까지 향상 시켰다. 에르노스타 렌즈도 쿠크 삼중렌즈의 변종으로, 렌즈 앞에 볼록렌즈요소 혹은 그룹이 추가된 형태였다.


Ernostarf181.jpg Ernemann Ernostar 10.5 cm f/1.8

이 렌즈가 에르네만의 에르마녹스(Ermanox,1923) 카메라에 장착되어, 에리히 잘로몬(Erich Salomon)의 손에 들어가면서 현대적인 포토저널리즘(photojournalism)을 열었다. 프랑스 수상이었던 Aristide Briand 는 "국제회의에는 단 세 가지만 있으면 된다. 외국어 비서, 책상 그리고 잘로몬이다."라는 유명한 이야기를 남겼다. 참고로 미국 사진기자들은 1950년대까지도 플래시를 사용했다.

베르텔레는 1926년 에네르만이 자이스에 합병된 뒤, 좀더 유명한 조나(Sonnar)렌즈라는 이름으로 에론스타를 계속 발전시켰다. 그는 1932년 f/1.5까지 도달하여, 35mm 거리계연동 카메라인 Contax I (1932)용 Zeiss Sonnar 50mm f/1.5 를 개발하였다.


ZeissSonnar1.jpg Zeiss Sonnar 50mm f/1.5

조나(Sonnar)렌즈는 망원렌즈 설계로 유명했고 지금까지도 그렇다. 조나는 전면 확대부(front positive element)의 강력함으로 인해 약간 망원성이다. 예를 들어 Contax II(1936) 용 Zeiss Olympia Sonnar 180mm f/2.8은 전설에 가까운 명작이다.

비대칭 더블가우스 렌즈(The asymmetric double Gauss)[편집]

1817년, 칼 프레드릭 가우스(Carl Friedrich Gauss)는 프라운호퍼(Fraunhofer) 망원경 대물렌즈에 메니스커스(meniscus, 요철) 렌즈를 추가하여 개선하였다. 1988년 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.

Development of the Double Gauss lens.jpg

반사방지 코팅(Antireflection coating)[편집]

표면 반사는 19세기 렌즈 설계시 주요한 한계 요소였다. 모든 유리-공기 접촉면 마다 4-8%의 반사가 발생하여 빛 투과가 줄어들고, 반사된 빛의 산란으로 플래어가 발생함으로써, 6번 혹은 8번이상 손실이 발생하면 렌즈의 실용성이 떨어졌다. 따라서 일정한 수 이내의 요소로만 수차를 해결해야만 했었다.

일부 렌즈는 빛 손실을 표시하기 위해 f-stop 대신 T-stop (transmission stop)을 표시하기도 했다. T-stop은 "진짜" 혹은 실질적인 구경을 나타내며 영화용 렌즈에서는 흔했다. 영화 촬영기사들은 영화촬영시 어떠한 렌즈를 사용해도, T-stop을 참고로 일관성있는 노출을 유지할 수 있었다. 이것은 사진용 카메라에서는 별로 중요하지 않았고, Bell & Howell의 Foton 라는 35mm 거리계연동 카메라용 렌즈에만 T-stop이 표시되었다. Bell & Howell은 영화촬영장비 제조회사였다. Foton 의 표준렌즈는 Taylor, Taylor & Hobson 사의 Cooke Amotal Anastigmat 2 inch f/2 (T/2.2) (1948; 카메라는 미국제, 렌즈는 영국제, 더블가우스) 였다. f/2 와 T/2.2 사이의 1/4 스톱 차이는 16% 손실이었다.

데니스 테일러는 1896년, 세월이 흘러 변색된 렌즈가 직관과는 달리 더 밝아지는 경우가 있음을 알게 되었다. 조사결과 그것은 산화된 층이 상쇄간섭(destructive interference)을 일으켜 표면반사가 억제된 것이었다. 표면반사를 억제하기 위하여 아주 얇은 두께(약 130-140 nm)의 불화마그네슘 또는 불화 칼슘을 진공 침전(vacuum deposition) 방법으로 코팅한 렌즈를 발명한 것은 1935년 자이스의 알렉산더 스마쿨라(Alexander Smakula)였으며, 1939년 최초로 시판되었다. 반사코팅방지 코팅은 반사를 1/3로 줄여주었다.

1941년 코닥의 35mm 거리계연동 카메라 Ektra 는 최초의 소비자 카메라용 완벽한 반사방지 렌즈 라인인 Kodak Ektar 35mm f/3.3, 50mm f/3.5, 50mm f/1.9, 90mm f/3.5, 135mm f/3.8 and 153mm f/4.5 를 발표하였다. 2차세계대전으로 인해 모든 소비자용 카메라 생산이 중단되어, 1940년대 말까지는 대량의 코팅렌즈는 등장할 수 없었다. 그러나 1950년대 초부터는 코팅렌즈가 고품질 카메라의 표준이 되었다.

반사방지 코팅이 등장하자 조나(Sonnar)렌즈에 비해 더블가우스(Double Gauss)가 더 인기를 얻게 되었다. 반사방지 코팅기술이 없었던 이차세계대전 이전에는 조나가 더 널리 사용되었다. 조나의 경우 3군. 즉 6개의 공기-유리면이 있어, 8개의 면이 있는 더블가우스에 비해 플래어의 영향을 덜 받았기 때문이다. 아울러 조나의 망원렌즈 효과로 렌즈의 길이가 잛아, 소형화를 추구하던 라이카와 콘택스 35mm 거리계연동카메라에 더 적합한 측면도 있다.

최대구경이 점점 커짐에따라, 더블가우스(Double Gauss)의 고대칭성이 수차보정에 유리했다. 특히 SLR의 경우, 거리계연동(rangefinder)와는 달리 시차오차가 없어, 보다 가까운 곳까지(1미터 수준에서 50cm 수준으로) 초점을 잡을 수 있게 됨으로써 특히 중요하게 되었다. 더블가우스는 반사방지 코팅과 새로이 등장한 고굴절 희토류 유리 덕분으로 1950년대 표준렌즈 설계에 널리 사용되었다.

다음 단계는 당연히 한개의 파장만 반사를 억제 하는 것이 아니라, 10여개 이상의 화학물질 층을 이용해 가시광선 영역 전체에 대한 반사를 억제하는 것이었다. 아사히 광학(Asahi Optical)의 SMC Takumar lenses (1971)는 소비자용 카메라(M42 마운트 펜탁스 SLR)를 위한 최초의 멀티코팅렌즈 였다. 멀티코팅이 없었다면 현대의 15매, 20매짜리 고보정 줌렌즈는 아예 불가능했을 것이다. 오늘날 출시되고 있는 멀티코팅 렌즈의 투과 효율은 약 99.7% 이상이다.

반사방지 코팅 여부에 관계없이 플래어를 막기위해서는 렌즈 후드가 계속 필요하다.


역초점 광각렌즈(The retrofocus wide angle lens)[편집]

일반적인 광각렌즈(초점거리가 촬상면 대각선 길이보다 짧고 화각이 넓은 렌즈)는 필름 가까이 설치되어야 한다. 그러나 SLR은 거울이 움직일 수 있는 공간이 필요하여 렌즈가 훨씬 앞쪽에 설치되어야 한다. 예를 들어 35mm 거리연동계 카메라의 경우 렌즈와 촬상면의 간격이 10mm 면 충분하지만, 35mm SLR은 40mm가 필요하다. 이로 인해 복잡한 역초점 설계방식의 렌즈 개발이 촉진되었다. 이를 위해서는 렌즈 맨 앞에 아주 큰 오목렌즈를 설치해야한다.

1950년 앙제닉스(Angénieux, 프랑스)의 Retrofocus Type R1 35mm f/2.5가 최초의 35mm SLR(Exaktas)용 역초점(retrofocus) 광각렌즈이다. 전면 오목렌즈를 제외한다면, 피에르 앙제닉스(Pierre Angénieux) 사의 R1 렌즈는 5매짜리 테사르(Tessar) 렌즈이다. 참고로, "역초점(retrofocus)"은 독점권이 해제되기 전까지 앙제닉스 사의 상표였다. 원래의 일반적 용어는 "역(inverted)" 또는 "역망원(reversed telephoto)"이었다. 망원렌즈는 전면에 볼록렌즈, 후면에 오목렌즈가 있는 반면, 역초점렌즈는 전면에 오목렌즈, 후면에 볼록렌즈가 있기 때문이다. 최초의 역초점(retrofocus) 렌즈는 Taylor, Taylor & Hobson 35mm f/2 (1931) 이었다. 이 렌즈는 RGB를 각각 별도의 음화로 촬영했던 Technicolor 무비카메라를 위하여, beamsplitter 프리즘을 넣을 수 있도록 back-focus 공간을 확보하는 목적이었다. 기타 앙제닉스 역초점 렌즈로는 "28mm f/3.5 Type R11(1953)" 과 "24mm f/3.5 Type R51(1957)" 등이 있었다.


Angenieux35f25Retrofocus-t.jpg 앙제닉스(Angénieux)의 Retrofocus Type R1 35mm f/2.5

역초점(Retrofocus)렌즈는 전면의 대형 오목렌즈로 인해 비대칭성이 크고, 이에 따라 전통적인 방법으로는 왜곡을 보정하기 힘들다. 장점이라면 일반 광각렌즈의 사선방향으로 cos4θ 만큼 빛이 감쇄되는 비네팅현상도 사라진다는 것이다.

역초점 설계는 일반 렌즈 설계에도 영향을 미쳤다. 예를 들어, 루드비히 베르텔레(Ludwig Bertele)가 설계한 Contax IIA (1950) 35mm RF 용 Zeiss Biogon 21mm f/4.5(1954) 렌즈와, 그 개정버전인 Zeiss Hologon 15mm f/8(1969), 최종버전인 Zeiss Ikon Hologon Ultrawide 는 대략 대칭에 가까웠으나, 반쪽씩 뜯어보면 역초점렌즈라고 할 수 있었다. Biogon과 Hologon 렌즈는 대형 오목렌즈를 사용하여 자연 비네팅 현상을 억제하였던 것이다. 110도의 화각을 가진 Hologon은 구석에서 3¼ 만큼 빛이 감쇄되었을텐데, 이는 그 당시 필름의 노출 제한폭을 초과한 것이다. Hologon에는 이를 보정하기 위해 방사선방향으로 2 스톱만큼 어두워지는 필터를 표준 악세서리로 제공했다. Hologon의 렌즈 뒷면과 필름간의 거리는 4.5mm에 불과했다.


Biogon-text.jpg Zeiss Biogon 21mm f/4.5

요즘 나오는 디지털 SLR용 표준 원근감렌즈(normal perspective lense)는 역초점인 경우가 많다. 이미지 센서가 35mm보다 작기 때문에 동일한 화각을 유지하려면 초점 거리가 짧아야 하기 때문이다.

어안렌즈(The "fisheye" lens)[편집]

어안렌즈(fisheye lens)는 직선왜곡(rectilinear distortion)을 거의 보정하지 않는 특별한 종류의 초광각 역초점 렌즈이다. 대부분의 어안렌즈는 화각이 180°인 원형영상을 촬영한다. 어안(fisheye)이란 물고기가 하늘을 보면 이렇게 보인다는 가정에서 만들어진 단어이다.

최초의 어안렌즈는 1923년의 Beck Hill Sky이다. 로빈힐(Robin Hill)의 원래 의도는 구름분포의 과학적 연구를 위하여 하늘을 반구 형태로 촬영하기 위한 목적이었다. 불룩 튀어나온 오목 메니스커스 렌즈를 사용하여 180° 화각을 60° 로 압축한 후, 그 빛이 조리개를 통과하여 적당한 광각렌즈로 들어가도록 하였다. 이 스카이(Sky) 렌즈는 21mm f/8 으로, 지름 63mm의 상을 생성했다. 영국 기상청(British Meteorological Office)에서는 이러한 렌즈를 500미터 간격으로 2개 설치하여 입체영상을 촬영했다.


Fisheye-text.jpg Beck Hill Sky

참고로 빛 감쇄(light falloff)로 인하여 180도 직교사진은 촬영할 수 없다. 120° (35mm 카메라에서는 초점거리 12mm)가 역초점 설계의 실질적 한계이며, 역초점이 아닌 경우에는 90° (초점거리 21mm)가 한계이다.

접사(마크로) 렌즈(The macro lens)[편집]

엄격하게 말하자면, 접사사진(macrophotography)은 영상의 크기가 실물과 동등한 사진(1:1)으로부터 영상이 실물보다 10-20 배 큰 사진 (20:1, 그 이상은 현미경사진)을 촬영하는 기술적 사진을 말한다. 원래 "마크로" 렌즈는 가까운 거리에서 촬영하도록 최적화된 일반적 공식의 렌즈로서, 근접 하여 초점을 잡고 멀리 있는 물체는 초점이 잡히지 않도록 긴 확장 튜브나 주름상자 악세서리에 장착하여 촬영하였다.

그러나 1955년 35mm SLR인 Exakta 용으로 개발된 Kilfitt Makro-Kilar 4 cm f/3.5(서독) 렌즈가 마크로 렌즈의 의미를 바꾸어버렸다. 이 렌즈는 연속 근접 초점이 가능한 최초의 렌즈이다. 하인즈 킬피트(Heinz Kilfitt)에서 개발한 Makro-Kilar 렌즈 버전 D는 무한대로부터 5cm 에서 1:1 까지 초점을 잡을 수 있었고 버전 E는 10cm 에서 1:2(실물 크기의 반)까지 초점을 잡을 수 있었다. Makro-Kilar 렌즈는 매우 긴 삼열 나선(extra long draw triple helical)에 장착된 테사르 렌즈이다. SLR 카메라는 아주 가까운 거리에서도 뷰파인더 시차오차가 없기 때문에 마크로 렌즈와 아주 잘 어울린다.



Kilfitt Makro-Kilar 4 cm f/3.5

접사렌즈 설계가 그렇게 어려운 것은 아니다. 영상의 크기가 피사체와 비슷하면 대칭성이 증대되기 때문이다. 1904년 Goerz Apo-Artar 사진제판(photoengraving) 처리 렌즈는 아주 엄밀한 품질관리가 필요했으나, 삼중색지움렌즈(apochromatic)였다. 이 렌즈는 무한대에서 접사까지 날카로운 영상을 얻을 수 있었는데, (Makro-Kilar 이전엔 힘들었음) 일반적으로 1:10에 가까워지면 연속적으로 초점을 맞추기 힘들었다. 대부분의 SLR은 높은 배율에 최적화된 중구경 마크로 렌즈를 포함시키고 있다. 그러나, 이들은 작동가능 거리가 좀 더 긴 대신, Makro-Kilar 보다 초점거리가 긴 경향이 있다.

"마크로 줌" 렌즈는 1970년대 나타나기 시작했다. 그러나, 전통주의자들은 이 렌즈들이 기술적 정의와 거리가 멀다는 이유로 접사렌즈로 인정하지 않는다. 대부분 1:4 이상 확대되지 않는데다, 상대적으로 품질이 떨어지기 때문이다.

렌즈의 재질 및 연마방법[편집]

광학 재료[편집]

(1) 광학유리의 조건

  1. 무색투명
  2. 광학적 균질성과 등방성
  3. 기포, 맥리 기타 불순물 혼입이 없어야 한다.
  4. 기계적인 가공성
  5. 광학 상수 일정

(2) 광학유리의 분류

  1. Crown Glass
  2. Flint Glass
  3. Lantan Glass
  4. 특수유리(용융수정, Zerodur, 방해석)

(3) 렌즈(반사경) 재료의 종류

판(板) 유리
청 유리라고도 하며 큰 건물의 출입문이나, 진열장 등에 쓰이는 두꺼운 보통의 유리이다. 유리를 옆에서 보면 청색을 띠고 있다.
② 주물(鑄物) 유리
우리나라에서는 시창유리라고도 하며, 주로 보일러의 내부를 들여다보는 시창등에 쓰인다. 청 유리에 비해 주물 유리는 상당히 부드러워서 모래연마, 광내기는 좋은 장점이 있으나 제일 중요한 정형 작업에 어려움이 따른다. 따라서 주물유리를 강화처리 하는데 이것은 단단하여 정형작업의 어려움이 없다. 그러나 주물유리는 눈에는 잘 안 띄지만 나무의 결과 같은 맥리가 많이 있고 뒤틀림이나 기포 등, 유리의 질이 균등하지 않아 광학재료로 적당치 않다.
③ 파이렉스(Pyrex) 유리
열 팽창계수 , 미국 코닝(Corning)사의 제품이 유명하다. 열에 의한 반사경 면의 변화가 적어서 정형할 때 아주 좋다. 화학적인 성질도 안정되어 있고, 맥리나 뒤틀림도 없어 렌즈의 재료로 적당하나 구하기가 힘들고 가격이 비싼 것이 흠이다.
④ 듀란(E. 6, Schott Duran, Ohara) 유리
열 팽창계수 , 독일 숏트, 일본 오하라 사가 유명하다. 저온에서의 변화가 적어 날씨가 추운 지방에서 많이 쓰이며 300mm 이상의 반사경에는 최소한 이 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
⑤ 제로 듀어(Zero-Duor) 유리
열 팽창계수 , 독일 숏트사의 제품이 유명하다. 최저 팽창유리로서 매우 단단하여 모래연마에 시간이 걸리나 광내기와 정형에는 매우 좋고, 온도에 따른 변화가 거의 없으므로 정형 작업 시 냉각할 필요가 없어 매우 이상적인 재료이다.

① 화학적 성질

렌즈 제조 중에 일어나는 백화, 청화, 잠상(潛傷) 등의 표면 열화는 Glass의 화학적 내구성이 부족한 경우에 Glass성분과 물, 또는 세제성분이 화학반응을 일으키기 때문에 발생한다.


㉠백화(白化)

Glass성분 일부가 물방울을 중심으로 용해되어 나와 Glass표면 자체를 침식시켜 대기중의 Gas 성분과 반응해서, 표면이 건조하면 반응생성물이 백색의 반점 내지 젖빛 상태의 물질로 남게된다.

㉡청화(靑化)

Glass가 물에 접촉하면 화학반응을 일으켜 Silica함유량이 높은 층을 만들어 간섭색을 나타낸다.

㉢잠상 (潛傷)

Glass표면에 생긴 상처가 세정(洗淨)공정에서 용액 중에 포함되어 있는 무기물질에 의해 표면이 침식을 받아 육안으로 보일 정도로 성장하는 경우를 말한다.

㉣열적성질

유리의 열적성질에 대해서는 팽창(α), 굴복점(Ts), 전이점(Tg) 등의 측정에 의해 행하여지고 있다.

1)전이점(轉移點:)

열팽창 곡선의 고온 쪽과 저온 쪽의 직서부분을 연장시킨 교점에 대응하는 온도를 나타내며, 서냉(徐冷) 온도의 표준이 되고 있다.

2)굴복점(굴복점:)

팽창이 정지되는 온도를 나타낸다.

3)평균 선팽창 계수(α)

100。C로부터 300。C까지의 평균 선팽창 계수를 나타낸다.


연마 방법[편집]

☞커브제너레이션

굴절률을 측정하여 재료가 올바른지 여부를 확인하고 난 뒤 재료는 curve generator에 의해 최종 완성품과 유사한 형상으로 가공된다. 이 기계는 가공물을 물고 회전하는 주축과 다이아몬드휠을 고속으로 회전시켜주는 회전축으로 이루어져 있다. 가공하고자 하는 작업물의 곡률반경은 주축과 다이아몬드휠 회전축간의 각도로서 조정된다. 가공된 작업물은 간이형 구면계를 사용하여 작업용 원기와 비교 측정하므로써 그 정확도를 측정한다. 원주상의 점 A, B, C, D 에서 O까지의 거리는 OA = OB = OC = OD =R 이 된다. 즉, 원 ABCD 는 O를 중심으로 해서 반경 R인 구 위에 반경 r의 원이며, 이 원의 중심 O'는 직선 OX가 원 ABCD를 통과한 점이라고 말할 수 있다.

따라서 창성 구면의 곡률반경을 R, 컵 포일의 직경을 D라고 하면

sinχ= (볼록렌즈 : +) (오목렌즈 : -)
  • χ : 저석축 경사각
  • R : 창성하기 위한 렌즈의 곡률반경
  • D : 저석의 유효경
  • R0 : 저석 선단의 곡률반경

☞렌즈 붙이기

커브 제너레이션이 끝난 작업물은 1차 연마 및 2차 연마를 위하여 피치를 사용하여 연마통 툴에 붙여주게 된다. 이 공정은 다시 렌즈에 피치 덩어리를 원기둥 형태로 만들어서 붙여주는 공정(충진), 이 렌즈를 기준이 되는 툴에 물의 표면장력을 이용하여 붙여주는 공정(흡부), 렌즈를 접착시킬 툴에 고주파로 열을 가하여 피치를 약간 녹여 렌즈를 접착시키는 공정(프레스)등으로 세분될 수 있다.

흡부 공정에서 물의 표면장력을 이용하여 렌즈를 붙여주는 툴(현장에서는 이를 흡부사라고 한다.)은 뒤 공정에서 연마될 면을 형성시켜주게 되므로 그 곡률반경을 측정하기 위해서는 커브 제너레이션에서 사용한 것과 동일한 간이형 구면계를 사용한다.

◦종류

  • ⅰ) 야니 (단자치구)
  • ⅱ)은단형 및 유입 붙임

◦ 부착 tool 부착법

☞일차연마

일차연마는 smoothing에 해당하는 공정을 나타낸 말로 SiC(산화규소)로 된 연마제를 사용하여 커브제너레이션에 의해 가공된 면을 보다 곱고, 좀더 완성품의 치수에 가까운 렌즈면으로 가공해주는 역할을 하게 된다. 이때 공작물의 면이 원하는 구면이 되었는지를 확인하기 위해서는 간이형 구면계에 의한 원기와의 비교 측정이 이용된다.

☞이차연마

Polishing에 해당하는 공정으로 CeO2(산화세륨)를 사용하여 렌즈의 가공면을 투명하게 해주는 역할을 한다. 유리의 가공량이 매우 작기 때문에 일차연마에서 가공이 잘못된 것을 이 단계에서 수정한다는 것은 매우 어려우므로, 불량이 발생한 경우에는 앞의 일차연마 공정으로 되돌아가서 다시 작업을 해야 한다. 면의 형상을 원기를 써서 그 간섭무늬를 관찰하므로써 보다 정밀하게 파악할 수 있으며, 가공 중에 생긴 흠집. 즉, 이차연마 후에 남아있는 일차연마의 흔적들이 문제가 된다.

☞표면검사

이차 연마가 끝난 렌즈는 틀에서 떼어내기 전에 이차연마 중에 생긴 흠집이나 이차연마 후에도 남아있는 일차연마의 흔적들에 대해서 검사를 실시한다. 또한 면의 형상이나 곡률반경에 대해서는 원기를 사용하여 검사한다. 만일 이 단계에서 불량이 발견되면 일차연마부터 다시 가공하거나 렌즈의 두께가 다시 가공하기 어려울 정도로 얇아진 경우는 폐기해 버리게 된다.

☞렌즈 떼기

검사결과 양품으로 판정 받은 렌즈는 냉동조 내에 넣어져 온도를 낮추어서 유리와 피치의 열팽창률이 다른 점을 이용하여 접착되어 있던 틀로부터 분리시키게 된다. 이때 잘 떨어지지 않는 렌즈는 고무망치로 약하게 치거나 대나무 조각으로 밀어서 떼어낸다. 떼어낸 피치는 모아서 다시 사용한다.

☞세척

떼어낸 렌즈는 초음파 세척을 해주게 된다. 초음파 세척기는 여러 개의 약품 조로 이루어져 있다. 각 조에는 각기 다른 약품이 들어있어 여러 종류의 오염을 제거할 수 있도록 되어 있다. 유리의 종류에 따라서는 재질이 약해서 초음파 세척에 의해 잔금이 생기는 것이 있으므로 이때에는 초음파의 강도를 낮추는 등의 조치를 취한다.

☞보호막 칠하기

연마된 면은 공기중의 먼지나 연마제, 취급상의 부주의 등에 의하여 흠집이 생기기 쉽고 피치용액으로 된 보호막을 칠해주게 된다. 이러한 보호막은 뒤에 렌즈를 접착시키기 위하여 열을 가하게 될 때에도 변색을 막아주는 효과가 있다. 두 번째 면에 대한 렌즈 붙이기에서 세척까지의 공정은 첫 번째 면을 연마할 때와 동일하다.

☞검사

두 번째 면까지의 연마가 끝난 후에 하는 검사는 앞서 흠집검사 이외에 렌즈의 두께 등이 추가로 검사된다. 또한 툴에 부착되어 있을 때에는 좋은 표면 형상을 나타내던 렌즈도 툴에서 떼어내고 나면 형상이 변하는 수가 있으므로 다시 한번 뉴톤링 검사를 행한다. 평면검사에 관한 이론은 뒤에 쓰기로 한다.

☞센터링

연마된 렌즈는 연마 과정에서 편심이 발생하여 광학적 중심축과 기계적 중심축이 일치하지 않게 된다. 따라서 이 두 가지 중심축을 일치시켜 주고, 렌즈의 외경을 원하는 치수로 만들어주기 위하여 렌즈의 주변부를 다이아몬드휠을 이용하여 갈아내 주는 작업이 센터링이다. 이러한 센터링의 방법으로는 Bell chuck을 이용한 방식이 가장 널리 사용되는데, 이 방법으로 얻을 수 있는 정확도는 양쪽면의 형상에 달려있다. 즉 양쪽면의 곡률 차이가 크면 클수록 보다 높은 정밀도의 센터링이 가능하다.

☞편심검사

센터링이 끝난 렌즈는 다시 초음파를 이용하여 세척을 하게 되며, 세척이 끝난 렌즈는 투과식 또는 반사식 편심 현미경을 이용하여 편심량을 측정하게 된다.

최근에는 CCD 카메라를 이용한 모니터가 부착된 형태의 것도 나오고 있어 작업이 한결 편리해지고 있다.

☞코팅

다시 한번 초음파에 의한 세척을 행해준 다음 코팅을 해주게 된다. 카메라용의 렌즈인 경우에는 대부분 렌즈 표면에서의 반사로 인하여 광량이 줄어드는 것을 방지하기 위한 무반사 코팅을 실시 해주게 된다. 이러한 무반사 코팅은 코팅해 주는 막의 수에 따라 단층 코팅인 경우에는 막의 안정성과 견고성, 막을 형성하는 물질의 굴절률 등의 문제로 MgF2가 주로 사용되며, 이는 다시 그 표면색에 따라서 마젠타, 앰버 등으로 세분된다. 다층 코팅의 경우에는 또한 특별한 효과를 얻거나 특별히 투과도를 높이기 위하여 사용된다. 이러한 코팅된 렌즈의 투과도 또는 반사도를 측정하기 위해서는 분광광도계가 사용된다.

☞접합

종전에는 천연물인 카나디안 발삼나무의 진을 접착제로 사용하여 왔으나 근래에는 에폭시 수지 계열의 인공 접착제를 이용하여 렌즈를 접합시키고 있다. 접착제를 발라 두 렌즈를 붙인 후 접착제가 굳기 전에 편심 현미경을 이용하여 두 렌즈의 광축이 일치하는지를 관찰하면서 두 렌즈의 상대적 위치를 움직여서 광축을 일치시켜 주게 된다. 그런 다음 자외선으로 접착제의 면을 쪼여서 경화시켜 주게 된다.

렌즈 붙이기

1차 연마 및 2차 연마를 위하여 피치를 사용하여 연마 툴에 붙여주어야 한다. 이 공정은 다시 렌즈에 피치 덩어리를 원기둥 형태로 만들어서 붙여주는 공정(충진), 이 렌즈를 기준이 되는 툴에 물의 표면장력을 이용하여 붙여주는 공정(흡부), 렌즈를 접착시킬 툴에 고주파로 열을 가하여 피치를 약간 녹여 렌즈를 접착시키는 공정(프레스)등으로 세분될 수 있다. 이중 우리가 한 것은 피치에 고주파로 열을 가하여 녹인 후 렌즈를 고정시키는 방법으로 하였다.

렌즈 접착 순서

① 고체의 피치를 고주파 가열기를 이용하여 완전히 녹인다. ② 피치를 부을 평면 연마 툴의 가장자리에 종이 테이프 등으로 일정한 높이로 맞추어 붙인다. ③ 접착시킬 렌즈를 연마할 면에 바셀린을 바른 후 연마반에 올려놓는다. ④ 피치가 잘 붙게 하기 위하여 테이프를 붙인 연마 툴을 가열한 후 피치를 붙는다. (피치가 뜨겁기 때문에 조심하여야 한다.) ⑤ 빠른 시간에 바셀린을 이용하여 렌즈를 붙인 연마반을 피치를 부은 연마 툴 위에 살짝 올려놓는다. (연마반의 무게 때문에 렌즈가 피치 속으로 적당히 들어가 여러 개의 렌즈가 모두 같은 높이로 된다.) ⑥ 피치가 어느 정도 굳으면 연마반을 옆으로 밀어 떼어버린다. ⑦ 피치가 적당히 굳으면 연마 툴 가장자리의 테이프를 뜯어버리고 가장자리를 칼을 이용해 다듬어 연마 시 떨어져서 연마제와 섞이는 일이 없도록 한다. ⑧ 피치가 완전히 굳을 때까지 놓아둔다.

일차연마

일차연마는 smoothing에 해당하는 공정을 나타낸 말로 SiC(산화규소)로 된 연마제를 사용하여 커브제너레이션에 의해 가공된 면을 보다 곱고, 좀더 완성품의 치수에 가까운 렌즈면으로 가공해주는 역할을 한다.

우리조는 1차 연마를 #800과 #1200인 연마제를 이용하여 하였다.

렌즈를 붙인 연마 툴을 연마반 위에 올려놓고 전원을 켠 뒤 연마제가 적당량이 적당한 곳에 뿌려 지도록 잘 조절한다. 빠른 시간에 연마하기 위하여 위에 무거운 추를 올려놓아도 된다.

#800으로 연마를 마친 후 깨끗하게 씻은 후 다른 연마제에서 연마를 하여야 한다.

이차연마

Polishing에 해당하는 공정으로 CeO2(산화세륨)를 사용하여 렌즈의 가공면을 투명하게 해주는 역할을 한다. 유리의 가공량이 매우 작기 때문에 일차연마에서 가공이 잘못된 것을 이 단계에서 수정한다는 것은 매우 어려우므로, 불량이 발생한 경우에는 앞의 일차연마 공정으로 되돌아가서 다시 작업을 해야 한다. 면의 형상을 원기를 써서 그 간섭무늬를 관찰하므로써 보다 정밀하게 파악할 수 있으며, 가공 중에 생긴 흠집. 즉, 이차연마 후에 남아있는 일차연마의 흔적들이 문제가 된다.

연마 순서

① 일차연마가 끝난 연마 툴을 깨끗이 씻은 후 Polishing을 할 수 있는 연마대의 연마반 위에 올려놓는다. ② 위의 사진 12와 같은 제어 Box에서 PUMP ON 버튼을 누른 후 연마제의 양과 위치를 적당히 조절한다. ③ MAIN ON 버튼을 누른다.

표면검사

이차 연마가 끝난 렌즈는 틀에서 떼어내기 전에 이차연마 중에 생긴 흠집이나 이차연마 후에도 남아있는 일차연마의 흔적들에 대해서 검사를 실시한다. 또한 면의 형상이나 곡률반경에 대해서는 원기를 사용하여 검사한다. 만일 이 단계에서 불량이 발견되면 일차연마부터 다시 가공하거나 렌즈의 두께가 다시 가공하기 어려울 정도로 얇아진 경우는 폐기해 버리게 된다.

렌즈 떼기

검사결과 양품으로 판정 받은 렌즈는 냉동조 내에 넣어져 온도를 낮추어서 유리와 피치의 열팽창률이 다른 점을 이용하여 접착되어 있던 틀로부터 분리시키게 된다. 이때 잘 떨어지지 않는 렌즈는 고무망치로 약하게 치거나 대나무 조각으로 밀어서 떼어낸다. 그러나 우리 과 실험실에는 냉동조가 없으므로 나무 망치를 이용하여 살살 쳐서 조심스럽게 떼어낸다.

세척

떼어낸 렌즈는 초음파 세척을 해주게 된다. 초음파 세척기는 여러 개의 약품 조로 이루어져 있다. 각 조에는 각기 다른 약품이 들어있어 여러 종류의 오염을 제거할 수 있도록 되어 있다. 유리의 종류에 따라서는 재질이 약해서 초음파 세척에 의해 잔금이 생기는 것이 있으므로 이때에는 초음파의 강도를 낮추는 등의 조치를 취한다. 그러나 실험실에 초음파 세척기가 없으므로 피치가 지용성인 것을 이용하여 휘발성 액체를 이용하여 마지막으로 렌즈에 붙어있는 피치 조각을 제거하였다.

보호막 칠하기

연마된 면은 공기중의 먼지나 연마제, 취급상의 부주의 등에 의하여 흠집이 생기기 쉽고 피치용액으로 된 보호막을 칠해주게 된다. 이러한 보호막은 뒤에 렌즈를 접착시키기 위하여 열을 가하게 될 때에도 변색을 막아주는 효과가 있다. 두 번째 면에 대한 렌즈 붙이기에서 세척까지의 공정은 첫 번째 면을 연마할 때와 동일하다.

검사

두 번째 면까지의 연마가 끝난 후에 하는 검사는 앞서 흠집검사 이외에 렌즈의 두께 등이 추가로 검사된다. 또한 툴에 부착되어 있을 때에는 좋은 표면 형상을 나타내던 렌즈도 툴에서 떼어내고 나면 형상이 변하는 수가 있으므로 다시 한번 뉴톤링 검사를 행한다.

카메라 렌즈 제조사[편집]

칼자이스(Carl Zeiss)[편집]

1846년 독일 예나에서 정밀 역학 및 광학을 연구하는 공방으로 출발한 칼자이스는 현재 광학 및 전자 광학산업에서 손꼽히는 회사이다. 기업 본사는 독일 오버코헨에 위치하고 있으며 카메라 렌즈뿐만 아니라 의료장비, 반도체 계측장비, 광학 및 전자 현미경, 플라네타리움, 3차원 측정기, 안경렌즈 등 많은 분야에 관련되어 있다. 설립 초기에 체계적인 생산을 통한 현대적인 생산 방식을 구축하여 당시로써는 매우 고품질 현미경 렌즈를 생산하여 주목받게되었고 1860년대 사진기가 본격적으로 보급되면서 현대적인 카메라 제조를 위한 기반을 다지기 시작하였다. 제 1차 세계 대전으로 인해 인지도를 쌓고 급속도로 카메라 생산의 세계 최대 업체가 되었다. 칼자이스는 현존하는 광학기기 제조사중 가장 오래된 회사이며 1936년 세계 최초의 35mm 단일 렌즈 리플렉스 카메라인 키네 엑샤타(Kine Exakta)를 생산했으며, 35mm 카메라의 보급과 개발에 가장 큰 기여를 했다. 콘탁스I,II, 콘탁스 IIa 등과 같은 RF 카메라(거리계연동카메라)뿐만 아니라, Zeiss Ikon이라는 이름의 하위 브랜드를 통해 저가형인 Contina, 35mm SLR Contaflx, 중형 카메라인 Nettar, TLR인 Ikoflex 등 그 시대에 맞춰 출시할 수 있는 모든 형태의 카메라를 제작했다. 그러나 1950년대 이후 일본기업의 카메라 시장진출로 인해 경쟁력에 밀려 시장의 외면을 받기 시작했고 1969년 Contarex SE를 마지막으로 카메라 자체 생산을 하지 않게 되었지만 일본의 기업과 라이센스 계약을 맺어 콘탁스 카메라가 계속 출시되었다. 이후 2005년 다시 Zeiss Ikon SW를 통해 광학기기 시장에 다시 진출하여 미러리스렌즈 및 DSLR렌즈, 시네마 렌즈 등의 광학 제품을 생산하고 있다.

라이카(Leica Camera AG)[편집]

독일의 광학 기기회사이며 카메라 제조사이다. 1913년 세계 최초로 35mm 필름을 사용하는 카메라인 Ur-Leica를 제작함으로써 현대의 35mm 카메라의 기준을 제시했고 1930년 렌즈 교환식 카메라를 개발, 1932년부터 거리계연동카메라인 Leica II를 시판했으며 인물사진에 적절한 Thambar 90mm F2.2를 공급하여 현대사진 전성기의 기초를 확립했다. 제 2차 세계대전이후 새로운 렌즈 마운트인 Leica M bayonet Mount를 제시하였고 그 이후 레인지 파인더의 설계가 확립되었다. 1970년대부터 일본제 SLR카메라가 세계시장의 점유율을 늘려가면서 SLR과 RF시장에서 모두 실패하여 1977년부터 예전의 클래식한 디자인과 단순한 작동을 원칙으로 현재까지 35mm 판형의 거리계연동카메라를 제조하고 있다. 현재 파나소닉과의 제휴를 통해 렌즈를 디자인하고 있으며, 디지털 레인지 파인더 카메라를 생산하는 유일한 회사이다. 2014년 첫 미러리스 렌즈 교환식 카메라인 라이카 T타입을 공개했다.

니콘(Nikon)[편집]

광학, 영상에 특화된 기업으로 사진기, 현미경, 반도체 장비 등이 주요 제품인 니콘(Nikon)은 자사 카메라용 렌즈인 니코르(NIKKOR)를 제조하고 있다. 1933년 항공사진용 렌즈 Aero-NIKKOR를 시작으로 하여 현재까지 민간, 산업용 모두 지속적으로 발전해왔다. DSLR용 렌즈로 어안, 초광각에서 초망원.줌렌즈.마이크로렌즈PC-E렌즈 등의 광학기술이 집약된 고성능의 렌즈들을 개발해나가고 있으며, 2011년 기존 Nikon F 마운트와 다양한 미러리스 카메라를 개발하여 '1 NIKKOR' 렌즈까지 확충했다. 렌즈 교환식 카메라 외에도 렌즈 일체형의 콤팩트 카메라 시리즈에도 탑재되어 넓은 층의 사용자들을 보유하고 있다. 현재 80여 종의 렌즈가 출시되고 있다. 2014년 최근 배경 흐림과 빛망울을 부드럽게 해주는 원형 조리개를 도입하고 초점이 맞는 부위와 맞지 않는 부위를 나누는 기술을 렌즈에 도입하여 AF-S 58mm F1.4G를 만들었다.

카메라 렌즈 시장의 전망[편집]

2014년 현재 고사양 카메라 기능을 담고있는 스마트폰이 확대되면서 렌즈일체형인 콤팩트카메라가 주춤하고 있지만 렌즈교환식(DSLR.미러리스)카메라는 상대적으로 하락폭이 적고 오히려 일본에서는 성장세를 이어가고 있다. 점점 카메라가 누구나 사는 제품이 아니라, 목적이 뚜렷한 소비자들이 찾는 기기가 되어가고 있어 전문적인 DSLR이나 미러리스 카메라가 더 인기가 있다. 이에 따라 카메라 제조업체들은 렌즈교환식 카메라, DSLR급 사양의 하이엔드 콤팩트카메라 등의 고가 카메라 제품에 더욱 주목하고 있다.

같이 보기[편집]

주석[편집]

  1. Jenkins, Fundamentals of Optics

참고문헌[편집]

  • Jenkins, Fundamentals of Optics, 4th edition, 1981