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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디카의 고조할아버지, 다게르

유명한 과학자들의 일화를 보면 우연한 계기를 통해 과학사적으로 중대한 발견을 한 사례가 종종 있다. 뉴턴이 나무에서 떨어지는 사과를 보고 만유인력의 법칙을 깨달은 이야기나, 아르키메데스가 목욕탕에 들어갔다가 넘치는 물을 보고 부력의 원리를 알아낸 이야기는 이미 너무나 유명하다. 이런 것을 두고 ‘세렌디피티(serendipity)’ 또는 ‘세렌디피티적 사고’라고 한다.

1830년대 어느 날 저녁, 중대한 발명을 이끌어 낸 우연한 사건이 찾아왔다. 한 발명가가 여느 때처럼 실험을 하다가 망친 은판을 화학약품 보관소에 넣어두었다. 며칠 후에 그 판을 꺼내보니 무언가 선명한 영상이 나타나 있었다. 그는 연구 끝에 함께 들어있던 수은의 증기 때문이라는 사실을 알아냈다. 이것은 세기의 대발명 ‘사진’이 탄생하게 된 계기가 됐다.

이 발명가 이름은 루이 자끄 망테 다게르(Louis Jacques Mandé Daguerre), 오늘날 ‘사진의 아버지’로 불리는 인물이다. 그가 아니었다면 아직도 사진 한 장을 찍기 위해 8시간 동안 카메라 앞에서 꼼짝 않고 있어야 했을지 모른다.



그림 1 ‘사진의 아버지’로 불리는 루이 다게르. 사진 출처 : 위키피디아

다게르는 1787년 11월 18일 프랑스 코르메유 장 파리지에서 태어났다. 그는 원래 극장의 무대배경을 그리는 화가로 ‘카메라 옵스큐라’를 사용해 자연풍경을 그렸다. 카메라 옵스큐라는 16세기 이전에 만들어진 것으로 알려져 있다. 이 장치는 밀폐된 상자의 한쪽 면에 구멍을 뚫으면 바깥 경치가 다른 쪽 면 위에 거꾸로 비치는 원리를 이용해 만들어졌다. 당시 화가들은 옵스큐라를 사용해 경치나 사물을 그리곤 했다.

다게르는 이 작업을 하면서 카메라 옵스큐라 초점판에 비친 아름다운 풍경을 그대로 남기고 싶어했다. 1827년경부터 본격적인 사진 연구에 착수했지만 쉽지 않은 작업이었다. 그러던 중 우연히 파리의 한 렌즈 가게에서 사진을 연구하던 니에프스를 알게 됐다. 프랑스의 공학자였던 조세프 니에프스는 이미 1년 전, 자신의 집 앞 정원에서 사진을 찍을 정도로 다게르보다 사진 연구에 앞서 있었다.

니에프스가 찍은 사진은 태양으로 그리는 그림이라는 뜻에서 ‘헬리오그래피(Heliograpy)라 불렸다. 하지만 그가 찍은 사진은 질이 좋지 않았고 사진 한 장을 얻기 위해 장장 8시간을 기다려야 했다. 빛에 노출시키는 시간이 길었기 때문에 인물사진을 찍기에는 무리가 있었다.

1829년 다게르는 니에프스에게 공동연구를 제안하고 10년의 계약을 맺었지만 6년 만에 니에프스는 사망한다. 하지만 다게르는 혼자 연구를 계속 진행했다. 별다른 진전을 보이지 않던 연구는 위에서 언급한 우연한 계기를 통해 해답을 찾게 됐다. 요오드화은판에 수은 증기를 쐬면 이미지가 드러나는 감광법을 발견한 것이다.

그는 니에프스가 발명한 헬리오그래피를 발전시켜 1837년 ‘다게레오타입(daguerreotype)’이라는 독자적인 사진현상 방법을 발명했다. 은판을 수은 증기에 쐬어 이미지가 드러나게 한 뒤 그 원판을 소금물에 담가서 이미지를 정착시키는 방법이었다. 이 방법은 니에프스의 사진보다 선명한 영상을 얻으면서도 촬영시간을 훨씬 단축할 수 있었다. 기존 8시간이었던 노출시간을 20분가량으로 줄인 획기적인 방법이었던 것이다.


그림 2 다게레오타입으로 찍은 사진들. 1837년(좌), 1838년 파리 거리에서 10분 이상 노출을 통해 얻은 사진(우). 사진 출처 : 위키피디아

이 기술은 1839년 8월 19일 프랑스 과학아카데미에 공개돼 공식적인 최초의 사진술로 인정받았다. 프랑스 정부는 이 기술을 즉시 사들여 전 인류가 사용할 수 있도록 허용했다.

다게레오타입에도 단점은 있었다. 렌즈가 어둡고 집광력(빛을 모으는 능력)이 약했기 때문에 노출시간이 많이 걸렸다. 게다가 촬영과 현상을 거쳐 단 한 장의 사진밖에 얻을 수 없었다. 하지만 사진술은 꾸준히 개발돼 1880년대 들어서며 롤 필름을 이용해 자유롭게 사진을 확대, 축소하거나 대량복제하는 것이 가능해졌다.

프랑스 과학아카데미는 다게레오타입을 최초의 사진술이라고 인정했지만 역사적으로 보면 이견(異見)도 분분하다. 니에프스가 최초라는 의견도 있으며 영국에서는 자국의 수학·물리학자였던 톨벗을 사진술의 개척자로 내세운다. 니에프스의 공로를 덮어버린 다게르의 인간성에 대한 논란도 있다.

하지만 이런 논의를 차치하고서라도 다게르는 잠상이 현상에 의해 나타난다는 현대 사진술의 기초 원리를 확립한 인물이다. 또한 은판을 최종적으로 소금물에 담가 이미지를 정착시킨 방법은 현재의 정착 방법(광선에 의해 상이 파괴되는 것을 보호한다는)의 시초가 됐다.

오늘날은 디지털카메라의 등장으로 인해 이전의 복잡한 과정이 대폭 줄어들었다. 누구나 촬영을 할 수 있고 자신이 찍은 영상을 그 자리에서 바로 확인할 수 있으며 저장과 가공 역시 간편해졌다. 이같이 현대 카메라의 혜택은 19세기 사진술의 발견 덕택에 풍요로워 졌다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트
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여름은 추억의 계절이다. 일 년에 단 한번 뿐인 휴가를 맞아 산이나 바다로 여행을 갈 기회도 많고, 색다른 장소에서 보내는 시간은 두고두고 추억으로 남는다. 특히 여름은 별의 계절이다. 여행을 떠나기 쉬운 기후인 만큼, 평소 도심에서 보기 힘들었던 별을 손쉽게 만나볼 수 있기 때문이다.

호주머니에 든 작은 카메라로 휴가 때 바라본 빛나는 별을 영원히 간직할 수는 없을까? 방법은 있다. 제대로 된 천체사진을 찍으려면 고가의 장비와 많은 지식이 필요하지만, 여행지에서 별을 촬영하는 방법 정도는 조금만 노력하면 쉽게 배울 수 있다.

천체사진이 특별한 이유는 어두운 밤에 촬영한다는 점이다. 특히 카메라의 자동촬영 기능을 사용할 수 없는 점이 문제인데, 평상시처럼 디지털카메라로 하늘을 겨누고 셔터를 눌러봐야 별은 찍히지 않는다. 너무도 캄캄해 카메라가 어느 곳을 찍어야 할지 스스로 판단하지 못하기 때문이다. 더구나 사진이란 필름이나 디지털센서를 빛에 반응시켜 얻은 이미지이다. 어두운 곳에서 사진을 촬영한다는 건 흐릿한 물감으로 그림을 그리는 것과 같아서 또렷한 영상을 얻기 어렵다.

따라서 별 사진을 찍을 때는 일단 수동기능을 사용해 ‘오랫동안’ 찍어야 한다. 찰칵하는 소리를 내며 순식간에 사진을 찍는 일반적인 상황을 생각해서는 안 되며, 카메라를 고정시켜 두고 적어도 몇 초 이상은 사진을 찍어야 한다. 특수한 장비가 있다면 몇 시간씩 사진을 찍기도 한다. 따라서 삼각대가 반드시 필요하다.

<도심에서 다리를 배경으로 달과 밝은 행성을 찍은 사진. 카메라와 삼각대만 있으면 손쉽게
찍을 수 있다.>


요즘에는 소형 디지털카메라도 대부분 수동기능이 들어 있다. 설정 중에서 ‘셔터 스피드’를 찾아보자. 이 기능을 사용하여 셔터 스피드를 최대치인 30초 정도로 설정한다. 하늘의 밝기와 렌즈의 성능, 카메라의 기타 설정에 따라 밝기가 달라지지만 일단 30초로 사진을 찍어보자. 사진이 너무 밝게 나온다면 25초, 20초나 10초 정도로 바꾸어가며 사진을 찍으면 된다.

만약 30초 까지 사진을 찍었는데도 어둡게 나온다면 어떻게 해야 할까? 미약한 빛을 ‘최대한’ 증폭해 사진을 찍는 방법을 알아야 한다. 디지털카메라의 촬영 메뉴를 찾아보면 ISO 세팅이 있다. 카메라에 따라 ASA 라고 적어 놓은 것도 있다.

이 기능은 카메라가 빛에 반응하는 정도(감도)를 맞추는 것으로, 셔터스피드와 마찬가지로 처음에는 감도를 가장 높여 본다. 일반적으로 소형 카메라의 경우 감도 설정은 400에서 1600, 요즘 나오는 최신형은 3400까지 설정이 가능하다. 감도가 높아질수록 화질은 거칠어지지만, 일단은 사진이 찍히는 것이 중요하니 최댓값으로 설정한다. 그리고 너무 밝다 싶을 때 조금씩 줄이면 된다.

<노출 20초 정도로 촬영한 사진. 배경사진과 함께 많은 별들을 찍을 수 있다.>


카메라 감도와 셔터스피드를 설정했다면 기본 설정은 끝났다. 또 고급형 디지털 카메라는 DSLR 카메라처럼 조리개도 세팅이 가능하다. 조리개는 렌즈가 빛을 받아들이는 정도를 설정하는 것으로, F라는 기호로 표시되며 보통 F 2.8 등과 같이 적는다. 숫자가 작을수록 밝은 사진을 찍을 수 있지만, 최댓값은 카메라에 달린 렌즈마다 각각 다르다. 조리개 역시 허용하는 최댓값으로 열어 두자.

여기까지 마쳤으면 카메라를 최종적으로 점검해본다. 감도는 400에서 1600 사이, 조리개는 2.0에서 3.5 정도, 셔터스피드는 15초에서 30초 정도로 설정되어 있을 것이다.

이제 알고 있는 별자리나 흐릿한 은하수가 지나가는 곳 등을 겨눠 사진을 찍어보자. 주변에 인공조명이 없는 한적한 바닷가나 산 속이 별 사진을 촬영하기에 제격이다. 주위가 너무 밝으면 별이 화면에서 사라져 버리니 주의하도록 하자.

만약 사진이 너무 밝게 찍힌다면 최대치로 설정한 값 중 ISO, 셔터속도, 조리개 순서로 설정된 값을 조금씩 줄여보며 사진을 몇 장 찍어보자. 장소에 따라 적당한 밝기(노출)를 곧 찾아낼 수 있을 것이다.

꼭 한 가지 생각해야 하는 것이 있는데, 지구는 가만히 있지 않고 자전을 한다는 점이다. 하루 24시간 동안 360도를 회전하게 되니, 1시간에 15도 정도 움직인다. 따라서 어떤 별을 찍든 몇 십초 이상 촬영하면 별의 모습이 반짝반짝 빛나는 하늘의 ‘점’이 아니라. 쭉 늘어난 선 모습으로 사진이 찍힌다.

<별사진이 점으로 찍히는 시간. 사진 찍는 사람이 서 있는 지구상의 위도, 카메라에 설치한
렌즈의 초점거리에 따라 셔터속도가 각각 달라진다.실제로는 이 보다 조금 더 긴 시간동안
사진을 찍어도 큰 문제는 없다.>


일반적인 디지털 카메라로는 30초 정도 촬영할 경우 대개 큰 문제가 없지만, 꼭 그런 것은 아니다. 별의 모습이 ‘선’으로 찍힐 경우 셔터속도를 적당히 빠르게 해 보자.

카메라에서 셔터속도를 조절할 때, B(벌브)를 선택할 수 있다면 10분 이상의 노출을 주어서 별이 흐른 궤적을 살린 사진도 촬영할 수도 있으니 시도해 보자. 벌브는 필요한 만큼 긴 시간동안 사진을 찍을 수 있는 메뉴로, 카메라 셔터를 누르고 있는 동안은 계속해서 사진이 찍히게 된다.

<산 속에서 새벽 동이 터올 무렵 약 3분간 촬영한 사진.짙푸른
하늘의 색이 별의 궤적과 어울려 보인다.>


별 사진은 다른 사진처럼 순간에 찍을 수는 없지만 몇 분의 시간을 기다리는 묘미가 색다르다. 휴가철 산이나 바다에서 추억과 함께 그곳의 별을 담아오는 것은 어떨까? 올해 여름에는 밤하늘을 담아와 자신의 블로그나 사진첩을 장식해보자.


글 : 조상호 천체사진가


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