45 렌즈의 요술 1 렌즈의 종류 - 밝은 렌즈, 어두운 렌즈

45 렌즈의 요술 1 렌즈의 종류  - 밝은 렌즈, 어두운 렌즈

렌즈(lens)는 빛을 모으거나 분산시키는 도구로, 보통 유리로 만듭니다.
빛은 동일한 매질을 통과할 때에는 직진하나 다른 매질을 만나면 반사, 굴절하는 성질이 있습니다. 렌즈는 이런 빛의 성질을 이용하여 상을 확대, 혹은 축소 하여주는 것이지요. 렌즈의 주 재료인 유리는 빛의 대부분을 통과시키기 때문에 반사가 적고 대부분 굴절하게 되는데, 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 되는 것입니다.

흑요석과 같이 자연적으로 생긴 유리질 광석은 석기 시대부터 쓰였습니다. 인류가 유리를 만들기 시작한 것은 기원전 15세기 이집트에서부터였다고 합니다.
이런 과정에서 우연히 유리를 통과하는 빛의 굴절을 발견하게 되고, 그 발견을 이렇게 저렇게 실험하다 보니 렌즈가 만들어 지게 되었던 것 같습니다.

우리가 잘 아는 아르키메데스가 그리스를 침공하여 온 로마 군단의 배를 거대한 볼록렌즈로 태워서 물리쳤다는 이야기가 전해 내려 오는 것을 보면 렌즈의 역사는 꽤나 오래 된 것 같습니다.(-공주대 교수 박달원의 수학사중에서)
그 당시 얼마나 큰 볼록렌즈를 만들 수 있었는지, 또 어디에 어떻게 설치를 하였는지…. 짐작이 가지는 않습니다마는 전해오는 이야기 입니다.

렌즈나 곡면 거울과 같은 광학 도구를 이용하면, 한 점에서 출발한 빛을 다른 한 점으로 초점이 맺게 할 수 있습니다. 즉 피사체와 동일한 모양의 상을 다른 위치에 만들 수 있게 되는 것이지요. 이때 렌즈나 곡면 거울의 두께와 곡률 등을 조절하여 피사체보다 더 큰 상을 만들게 되면 우리는 실물보다 더 크게 물체를 볼 수 있게 되는 것입니다.

이런 원리를 이용한 사진 렌즈는 빛을 통과시켜 주는 양에 따라서 밝은 렌즈와 어두운 렌즈로 구별을 하고, 초점 거리에 따라서 광각렌즈(광각렌즈에서도 초 광각은 어안렌즈라고도 부름니다.), 표준렌즈 그리고 망원 렌즈로 구분을 하며, 초점 거리의 변동 가능성에 따라서 단렌즈 혹은 줌렌즈로 나뉘어지게 됩니다. 그리고 사용 용도에 따라서 매크로 렌즈, 혹은 집광 방식에 따라서 다시 여러 가지로 세분할 수가 있습니다.

그냥 렌즈면 렌즈지 왜 이렇게 여러가지로 복잡하게 많으냐고요?
렌즈에 따라서 얻을 수 있는 영상의 특징이 다르기 때문입니다.
이렇게 다른 특징들을 살려가며 개성있는 사진을 찍기 위해서, 사진으로 돈을 버는 프로들이나, 아니면 사진에 돈을 쓰는 아마츄어들이 주머니를 털어가며  여러가지 렌즈를 사게 되는 것입니다.
망치 하나로 지어 진 집 하고 여러 연장을 사용하여 지은 집 하고 어느 집이 더 아름답고 실용적으로 지어지겠습니까?
이제 그 특징들을 하나씩 알아 보기로 하지요.

1밝은 렌즈와 어두운 렌즈

제일 먼저 나누는 방식이 밝은 렌즈와 어두운 렌즈입니다.
“렌즈가 전구도 아닌데 무슨 밝기가 있나?” 면서 의아해 하시는 분들이 있습니다마는 이는 렌즈가 빛을 통과시켜 줄수 있는 능력에 의해 나누어지게 되는 것입니다.

렌즈 밝기 또는 렌즈 속도(lens speed)는 렌즈의 최소 f 값과 관련된 렌즈의 특성입니다. 렌즈의 밝기는 최소 f 값(최대 조리개)을 말하며, 렌즈의 최대 조리개가 클수록 (최소 f 값이 작을수록), 단위 시간당 더 많은 빛을 통과시킬 수 있으므로 렌즈가 밝다고 이야기 합니다. 렌즈가 밝을수록 빠른 셔터 스피드를 확보할 수 있기 때문에 영미권에서는 밝은 렌즈에 대해 '빠른 렌즈'(Fast Lens) 라는 표현을 사용하기도 합니다.

f:후에 나오는 수자는 1을 기준으로 하여 그 밝기를 나타내는데 여기서 1이라고 하는 기준은 보통 사람의 눈의 밝기를 말합니다. 그러므로 1보다 적은 수는 사람 눈 보다 더 어두움을 잘 볼 수 있다는 이야기가 되겠지요.
아주 밝은 렌즈로는 칼 짜이즈에서 만든  50mm f/0.70로  NASA를 위해 한정된 수만 생산되었다고 합니다.아마도 어두운 우주 공간에 필요한 렌즈인 모양입니다.  상당히 밝은 렌즈로 한정된 수만을 만들도록 생산단가가 무척 높을 것입니다.

f:값을 산정하는 데에도 수학공식이 있습니다.

f number = focal Length/Effective diameter of lens

focal Length란 렌즈의 초점 거리를 말하는 것으로 화각을 결정하게 됩니다. 앞으로 좀 더 자세한 설명이 나올 것입니다.

Effective diameter of lens란 렌즈의 유효직경의 크기입니다. 그러므로 쉽게 말하면  초점거리를 유효구경으로 나눈 값이 되며 보통 f:1.4, 2.0, 2.8, 4.0, 5.6….이런 식으로 표기 되며 한 단계가 올라 갈 수록 통과되는 빛의 양은 루트 2의 양(1.4)으로 줄어 들게 됩니다. 보통의 경우 f:2.8 보다 적은 숫자의 렌즈를 빠른 렌즈라고 말들을 합니다.

간단히 말하면 f값이 1.4배 커지면 렌즈의 밝기는 2배 어두워지는 것으로 생각하시면 되겠습니다.

위의 공식에서 보시었듯이 렌즈의 유효구경이 클 수록 밝은 렌즈가 되기에 렌즈를 크게 만들면 되지 않느냐고 쉽게 말하실 수도 있겠습니다마는 큰 렌즈를 만드는 일이 보통일이 아닙니다. 우선 렌즈를 만드는 유리부터가 불순물이 없고 온도에 다라 수축 팽창하는 일이 없어야 하며, 그리고 곡면수차를 조정하여야 하는 렌즈 연마 기술이 여간 힘든 것이 아니기 때문에 이런 렌즈는 무척 비싸지게 됩니다.

그러면 이랗게 만들기 힘들고, 그래서 비싼 렌즈에는 어떤 장점이 있을가요?

• Selective focusing 이 잘 됩니다. 피사게 심도가  얕아지는 것이지요.

• 어두운 곳이서도 빠른 셔터 스피드를 얻을 수가 있습니다.
  

1 렌즈의 외관

2 까맣게 철갑을 두른 렌즈도 속은 이렇게 여린 유리로 되어 있습니다.

3 렌즈들