줌렌즈란?

[광학 기술 백서 #16]줌렌즈란?

 

줌 렌즈가 어떻게 초점 거리를 변화시키며 광각 렌즈부터 망원 렌즈까지 변화할 수 있는지 그 원리에 대해 간단히 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

 

출처: http://www.professional-lenses.com/de/lenses/technologie/

위 그림은 Schneider사의 “Variogon 1.8 / 6 - 180 mm”라는 모델명의 Zoom 렌즈 단면도입니다. 그림으로 보시면 알겠지만 Zoom 렌즈는 일반 렌즈보다 많은 30여 개의 단일 렌즈를 조합하여 만듭니다. 그렇기 때문에 일반 렌즈에 비해 빛의 투과량이 적고, 광효율도 나빠져 초창기에는 특수한 경우를 제외하고는 많이 사용되지 않았습니다. 그러나 광학 기술이 발전함에 따라, 좋은 성능의 렌즈와 Coating 기술이 개발되고, Zoom 렌즈도 발전을 거듭하게 되어 오늘날에는 상용으로 출시되는 많은 디지털 카메라들이 Zoom 렌즈를 기본사양으로 탑재하게 되었습니다.
그러면 Zoom 렌즈에 이렇게 많은 렌즈들이 들어가는 이유가 무엇일까요?
그것은 바로 렌즈의 초점거리를 변화시키기 위해 일반 렌즈와 약간 다른 방법을 사용하였기 때문입니다.

 

위의 도식도에서 볼 수 있듯이 하나의 렌즈군에 의해 한 개의 상이 맺혀지는 일반 렌즈와 달리 Zoom 렌즈는 세 개의 렌즈군에 의해 총 3개의 상이 맺혀지게 됩니다. 그리고 중앙의 렌즈군이 좌우로 움직이며 2번째 상의 크기를 임의로 조절하게 되고 이를 통해 초점거리가 바뀌는 효과를 얻는 것입니다.
하지만 실제로 이런 방법을 통해 Zoom 렌즈를 제작하게 된다면, 상이 맺히는 초점 거리 또한 일정하지 않아 초점거리를 바꿀 때마다 다시 초점을 잡아줘야 하는 불편이 있습니다.
이를 해결하기 위해 여러 가지 방법이 사용되게 되는데요. 여기에서는 가장 많이 사용되는 기계적 보상법(Mechanical Compensation)에 대해 설명하도록 하겠습니다.

 

기계적 보상법이란 렌즈간의 유기적인 움직임을 통해 최종적으로 상이 맺히는 Film (Image Sensor)의 거리를 일정하게 유지시키는 방법을 의미합니다.
이 기술을 좀더 자세히 설명하기 위해 위의 그림을 참고하도록 하겠습니다.
위의 첫 번째 그림을 보면 첫 번째 렌즈군(Ⅰ)과 두 번째 렌즈군(Ⅱ), 그리고 첫 번째 초점(1)에 붉은색 곡선이 그려져 있는 것을 볼 수 있습니다. 이 곡선은 렌즈 또는 초점의 움직임을 나타낸 것입니다. 만약 두 번째 렌즈군(Ⅱ)이 녹색 화살표(①)와 같이 오른쪽으로 이동하여 위치한다면(녹색 점선) 붉은 색 곡선에서 움직인 정도에 따라 첫 번째 렌즈군(Ⅰ)도 녹색 화살표를 따라 왼쪽으로 이동하고, 동시에 초점(1)도 녹색 화살표를 따라 왼쪽으로 이동하게 됩니다. 이렇게 되면 결과적으로 초점과 두 번째 렌즈군 사이의 거리가 멀어지게 되어 “2”위치에 맺히는 상의 크기가 줄어듭니다. 반대로 두 번째 렌즈군(Ⅱ)이 파란색 화살표(②)와 같이 움직이면, 첫 번째 렌즈군(Ⅰ)과 초점도 그림에 나타난 파란색 화살표를 따라 이동하게 되고 이때에는 초점(1)과 두 번째 렌즈군(Ⅱ) 사이의 거리가 짧아져 “2”위치에 맺히는 상의 크기가 커지게 됩니다. 이와 같이 첫 번째 렌즈군과 두 번째 렌즈군의 위치를 조절하여 상의 크기를 바꿀 수 있지만, 마지막에 Film에 맺히는 상의 거리에는 변화가 없어 초점을 다시 맞추는(Film의 위치를 바꾸는) 번거로움을 피할 수 있습니다.
아래쪽의 그림은 변형된 방법으로 두 번째 렌즈군을 a와 b, 두 가지로 나누어 이 두 개의 렌즈군을 조절하여 첫 번째 렌즈군의 위치 변화 없이 위의 설명과 같은 효과를 나타내도록 고안한 방법입니다.

 

 

이 그림은 Schneider사의 “Variogon 2.8/10-40mm” 렌즈의 단면도입니다. 이와 같이 실제 Zoom 렌즈에서도 세 개의 렌즈군(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)으로 나뉘어져 있는 것을 확인하실 수 있을 것입니다.

 

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필진 소개

 

박강환, Benjamin Park (앤비젼 제품 기획팀/광학 담당) 광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist