카메라 렌즈가 여러 개인 이유

오늘날은 전 국민이 사진작가 시대라고 해도 과언이 아니다. 휴대전화에 달려있는 조그마한 카메라부터 렌즈를 갈아 끼우는 전문가용 DSLR(Digital Single-Lens reflex camera, 디지털 일안 반사식 카메라)까지, 거의 누구나 한 개 이상의 카메라를 가지고 있다. 사진을 찍는 사람들이 늘어나면서 좀 더 좋은 사진을 원하는 수요도 늘어 교환렌즈를 사용하는 DSLR 판매도 급증하고 있다. 자연스럽게 렌즈에 대한 관심도 커질 수밖에 없다.

하지만 카메라 렌즈를 고르는 일이 여간 난해한 문제가 아니다. 시중에는 DSLR 카메라 종류의 몇 배, 아니 몇십 배에 달하는 교환렌즈 종류가 즐비하고 가격까지 천차만별이다. 이쯤 되면 카메라용 렌즈는 왜 이렇게 종류가 많은 것인지, 렌즈의 가격은 어떻게 정해지고 어떤 차이를 가지고 있는지 궁금하지 않을 수 없다. 다양한 이유가 있겠지만 이 글에선 DSLR 교환렌즈의 요소(element, 렌즈 통 안에 들어있는 개별렌즈)들에 대해 알아보고자 한다.

우선 카메라 렌즈의 역할을 생각해보자. 카메라 렌즈는 우리의 눈을 모방해 발명됐다. 이는 상의 형성을 위해 받아들이는 광선의 양을 조절하는 기능이 비슷하기 때문이다. 어떤 물체 앞에 필름이나 디지털센서를 놓았다고 해서 상이 맺히지는 않는다. 피사체에서 반사되는 광선이 여러 방향으로 퍼지는 특성을 가지고 있기 때문이다.

즉, 광선은 어떤 뚜렷한 상을 형성하는 것이 아니라 필름이나 디지털센서 면 전체에 균일한 노출을 주는 결과 밖에 만들어내지 못한다. 따라서 뚜렷한 상을 형성하기 위해서는 여러 방향으로부터 들어오는 광선을 선택적으로 모으고 방향성을 갖게 만들어야 한다. 이러한 역할을 하는 것이 바로 카메라 렌즈다. 즉 카메라 렌즈는 빛을 모아 카메라 뒤편에 있는 필름, 또는 디지털 센서에 상을 투영하는 장치인 것이다. 필름 카메라용이건 디지털 카메라용이건 광학적인 원리는 같다.

[그림 1] DSLR 카메라에 사용하는 다양한 교환렌즈들은 여러 개의 렌즈로 이루어져 있다. 사진 출처 : 동아일보

카메라 렌즈는 기본적으로 볼록렌즈계(系)지만 안경렌즈와 달리 단 한 개의 요소로 이루어지는 경우가 거의 없다. 대부분의 카메라 렌즈는 몇 개의 볼록렌즈와 오목렌즈가 합해져 만들어지는데, 이러한 것을 복합렌즈라고 부른다.

이렇게 카메라 렌즈 안에 여러 개의 렌즈가 들어가는 이유는 주변 렌즈의 수차나 초점상의 결함들을 수정하기 위해서다. 과거 필름카메라로 찍은 사진을 인쇄해 보면 상에 프리즘처럼 다른 빛깔이 나타나거나 상이 일그러져 나오는 경우가 있었다. 이런 상의 뒤틀림 현상을 수차라고 한다.

특히 요소의 모양과 수량은 수차를 줄이기 위해 설계되는 것이 기본이다. 수차는 빛이 파장이 다른 많은 단색광으로 이루어져 있고 렌즈가 구면이라는 점 때문에 일어나는 현상으로, 찍는 사람의 능력과 무관하게 사진 품질에 영향을 미치는 광학적 특성이다. 주변부에서 입사된 빛과 중심부를 통해 입사된 빛이 한 곳에 모이지 않는 현상을 ‘구면수차’라 하고, 색깔마다 굴절률이 다르기 때문에 각기 다른 곳에 초점이 맺히게 되는 현상을 ‘색수차’라 한다. 이 외에도 비점수차, 코마수차, 상면만곡, 왜곡수차 등이 사진의 품질을 저하시킨다.

렌즈의 수차를 해결하기 위해 고안된 것이 다양한 오목렌즈와 볼록렌즈를 조합하는 방식이다. 이 방식의 시초는 독일의 수학자 가우스(Johann Carl Friedrich Gauss)가 1841년 설계한 가우스형 망원경이다. 이로부터 발전돼 조리개를 사이에 두고 대칭으로 요철 렌즈를 배치하는 설계 방식을 차용한 렌즈를 가우스타입 렌즈라 한다. 가우스타입은 1930년대부터 본격적으로 실용화 돼 조나타입(sonnar)과 함께 대구경렌즈로 발전했는데, 대칭형 구성을 띄고 있어 구면수차, 색수차, 상면만곡 등이 수차보정이 양호했다. 시중에 나와 있는 밝고 좋은 품질의 표준렌즈는 대부분 이 구성을 기본으로 설계됐다.


[그림 2] 가우스 타입 렌즈(칼 자이스 플래너).


이렇듯 카메라 렌즈 속에 많은 요소를 가지고 있는 이유는 단일 렌즈 하나로는 색수차나 구면 수차, 그밖에 사진의 질에 영향을 미치는 문제들을 제거할 수 없고 손 떨림 보정 등의 특수기능을 구현할 수 없기 때문이다.

최초의 플래너 렌즈 이후 여러 카메라 렌즈 제조사들은 렌즈군의 곡률, 유리의 재질들을 조금씩 변형했으며, 후면 렌즈군을 조작해 자연적인 수차들을 다른 방법으로 억제하는 등 경쟁적으로 연구를 진행했다. 그 결과 지금처럼 다양한 카메라 렌즈가 탄생하게 된 것이다.

렌즈의 수차는 엄청난 수학적 정밀성을 바탕으로 해결된다. 때문에 단지 요소의 수가 많다고 해서 더 나은 결과물을 장담하는 것은 아니다. 또한 고가의 렌즈를 사용한다고 좋은 사진을 얻는 것은 아니다. 각각의 요소가 수차 제어를 위한 것인지, 손 떨림 방지 등의 기능성을 위한 것인지 구별해 자신에게 맞는 렌즈를 고르는 것이 좋겠다.

글 : 김상현 과학칼럼니스트
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나쁜 건 모두 안경 탓? 안경에 대한 오해와 진실!

어린이대통령, 뽀로로 군과 국민 MC 유재석씨의 대국민 발표가 있겠습니다.
“에흠흠…, 이런 일로 뵙게 될 줄은 몰랐는데요. 모두 오해시라니깐요! 저희 좀 살려주세요~!”

▲사건의 발단
빰빠라~, 빰빰빰빠!
“과학향기 뉴스 테스크에서 알려드립니다. 2012년부터 전국의 모든 안경이 없어질 전망입니다. 그동안 안경은 눈을 튀어나오게 하고 시력을 더 나쁘게 하는 걸로 악명이 높았습니다. 게다가 안경만 쓰면 미남이 추남이 되고 미녀가 추녀가 되는 기이한 현상도 있었습니다. 따라서 정부에서 안경을 쓴 사람에게 라식과 라섹 수술의 비용을 보조하고 안경을 모두 없애기로…”

뽀로로 : 뭐라구? 안 돼! 저건 안경에 대한 오해일 뿐이라구! 오해 때문에 안경이 없어지다니, 말도 안 돼! 얼른 재석이 형에게 연락해야겠어!

유재석 : 뭐? 안경이 없어지면 우린 끝이야! 당장 안경에 대한 오해를 풀어야 해!


▲사건의 전개
“국민 여러분, 안경을 쓰면 못생겨진다고요? 저희를 보세요. 안경도 얼굴 크기나 모양, 색에 따라 자신에게 어울리는 걸 쓰면 오히려 더 잘생겨 보이게 해줘요. 이 밖에도 안경에 대해 오해하시는 게 많은 것 같은데요. 저희가 오늘 다 풀어드리겠습니다!



안경을 써서 시력이 더 나빠졌다? X
막 태어난 갓난아기들은 눈의 길이, 즉 각막과 망막상의 거리가 약 18mm로 짧아 가까운 곳을 잘 보지 못하는 원시상태다. 이후 몸이 성장하면서 안구도 자라 약 14세 무렵이면 성인 크기가 된다. 이 때 생활습관이나 유전적 요인으로 안구가 정상치보다 길게 자라면 상이 망막 앞쪽에 맺히면서 먼 곳이 잘 보이지 않는 근시가 된다. 즉 시력은 성장기에 안구가 비정상적으로 길게 자라 나빠진 것이지 안경 때문이 아니다. 다만 자신의 시력과 맞지 않는 안경을 쓰면 안경 때문에 시력이 나빠질 수 있다.


텔레비전을 오래 봐서 눈이 나빠졌다? △
학자들은 근시를 일으키는 데에 유전이 89%, 환경이 11%정도 영향을 끼친다고 본다. 때문에 부모가 근시일 경우 아이도 근시인 경우가 많다. 2010년 영국 킹스대학교의 크리스 해먼드 박사는 근시를 일으키는 유전자를 찾아내기도 했다. 텔레비전이나 컴퓨터 등 한 곳을 오래 바라보거나 어두운 곳에서 책을 보는 습관은 근시를 더 악화시킬 수 있다. 하지만 오직 그 이유만으로 심각한 근시가 되는 경우는 없다.


안경을 썼다 벗었다 하지 마라? X
시력은 안경을 쓰는 것과 관계없이 유전적 요인과 생활습관에 따라 더 나빠지거나 유지된다. 따라서 안경을 썼다 벗었다 한다고 해서 시력이 더 나빠지지는 않는다. 하지만 근시의 경우 책을 읽는 등 가까운 것을 볼 때는 안경을 벗고 보는 것이 좋다. 가까운 곳을 볼 때는 모양체근이 수축해 수정체를 두껍게 한다. 그 결과 빛이 큰 각도로 꺾인다. 반면 근시를 교정하는 오목렌즈는 빛을 퍼뜨려 빛을 적게 꺾이게 한다. 이 때문에 안경을 쓴 상태에서 가까운 곳을 보면 모양체근이 더 힘을 주어 수축해야 하기 때문에 눈이 더 쉽게 피로해진다.


안경을 쓰면 눈이 튀어나온다? X
안경을 써서 눈이 튀어나온다고 생각하는 이유는 주로 안구가 비정상적으로 길어지기 시작하는 시점에 안경을 쓰기 때문이다. 이렇게 안구가 정상치보다 길어지게 되면 자연히 눈이 튀어나온다. 즉 안경을 써서 눈이 튀어나온 게 아니라 튀어나올 만큼 안구가 길어져서 안경을 쓰게 되는 것이다.


어렸을 때는 안경을 쓰지 않는 게 좋다? X
8살 이후부터는 생활에 불편하지 않다면 안경을 쓰지 않아도 된다. 다만 칠판의 글씨가 잘 보이지 않으면 공부에 흥미를 잃을 수 있기 때문에 안경을 쓰는 것이 좋다. 하지만 8살 이전에 시력이 나쁜 경우에는 2~3살이라도 꼭 안경을 써야 한다. 사람의 시력은 보통 8세까지 천천히 발달한다. 이 때 아기가 눈이 나쁜 것을 모르고 안경을 쓰지 않으면 시력 발달에 문제가 생겨 약시가 될 수 있다. 약시는 시신경이 제대로 발달하지 못해 사물이 선명하게 보이지 않는 것을 말한다. 이 경우에는 나중에 안경이나 수술로 시력을 교정해도 사물을 명확하게 볼 수 없다.


tip. 안경, 이제 똑똑하게 맞추자!

근시가 심한 경우를 두고 마이너스(-) 시력이라는 표현을 쓴다. 하지만 시력에 마이너스(-)는 없다. 마이너스 렌즈만이 있을 뿐이다. 마이너스 렌즈는 근시를 교정할 때 쓰는 오목렌즈를 말한다. 오목렌즈는 들어오는 빛을 눈 안에서 적게 꺾이게 해서 시력을 교정하기 때문에 마이너스 렌즈라고 부른다. 반면 볼록렌즈는 플러스 렌즈라고 한다. 두 렌즈 모두 절대값이 클수록 시력이 나쁘다는 것을 의미한다.

렌즈를 압축한다는 것도 잘못된 말이다. 눈이 나쁠수록 렌즈의 두께는 두꺼워진다. 굴절률을 높이기 위해서다. 이 때 안경점에서는 소위 ‘압축 렌즈’를 쓰길 권한다. 압축렌즈라는 표현 때문에 보통 렌즈에 힘을 가해 렌즈를 압축한다고 생각하기 쉽지만 사실 보통 렌즈에 비해 굴절률이 더 높은 재질로 만든 렌즈를 말한다.


“어떻습니까? 여러분! 안경에 대한 진실을 이제 아셨죠? 안경이 절대 눈을 더 나쁘게 하거나 못생기게 만들지 않는다고요! 오히려 요즘은 패션 아이템으로도 활약하고 있답니다. 안경테의 색이나 모양에 따라서 다른 분위기를 낼 수도 있고 단점을 감추고 장점을 부각시킬 수도 있지요. 이래도 정녕 안경을 없앨 셈이세요?”


▲사건의 결론
빰빠라~, 빰빰빰빠!
“과학향기 뉴스 테스크에서 알려드립니다. 어제 유재석 씨와 뽀로로 군의 대국민 발표에 이어 소위 안경빨(?)로 살아온 국민들의 서명운동이 이어지고 있습니다. 말씀드리는 순간, 속보가 들어왔습니다. 정부가 안경 디자인 뿐 아니라 소재 개발에 대한 연구비를 늘리겠다고 발표했습니다. 보이는 것을 넘어 마음을 읽는 안경, 감정표현을 대신해주는 안경 등 재미있는 안경도 개발할 예정이라고 합니다. 잘 보이게 해주는 도구를 넘어 패션 아이템으로 자리 잡은 안경의 또 다른 변신이 기대됩니다. 지금까지 이화영 기자였습니다”

글 : 이화영 과학칼럼니스트
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