줌렌즈

줌렌즈(Zoom lens)는 초점거리(화각)를 변경할 수 있는 카메라 렌즈 요소 시스템으로, 고정 초점 거리(FFL) 렌즈(단렌즈)와는 다르다.

니코르 28–200mm 줌 렌즈, 왼쪽은 200mm로 확장된 모습, 오른쪽은 28mm 초점 거리로 축소된 모습

진정한 줌 렌즈 또는 광학 줌 렌즈는 파포컬 렌즈의 일종으로, 초점 거리가 변해도 초점을 유지하는 렌즈이다.^[1] 대부분의 소비자용 줌 렌즈는 완벽한 초점을 유지하지 못하지만, 여전히 거의 파포컬에 가깝다. 광학 줌을 가지고 있다고 광고되는 대부분의 카메라폰은 실제로 몇 개의 서로 다른 고정 초점 거리 카메라를 사용하며, 디지털 줌과 결합하여 하이브리드 시스템을 만든다.

TV 카메라 및 캐논 DIGI SUPER 86 II 줌 렌즈 (86배 확대)

가변 초점 거리의 편리함은 복잡성과 이미지 품질, 무게, 크기, 조리개, 자동 초점 성능, 비용 등에서 약간의 절충을 감수해야 한다. 예를 들어, 모든 줌 렌즈는 최대 조리개에서 최소한 약간, 상당하지는 않더라도 이미지 해상도 손실을 겪으며, 특히 초점 거리 범위의 극단에서 더욱 그렇다. 이 효과는 큰 형식이나 고해상도로 표시될 때 이미지의 모서리에서 분명하게 나타난다. 줌 렌즈가 제공하는 초점 거리 범위가 클수록 이러한 절충은 더욱 과장될 수밖에 없다.^[2]

특징

노출 도중 초점 거리를 변경하여 줌 렌즈로 촬영한 사진

줌 렌즈는 종종 가장 긴 초점 거리와 가장 짧은 초점 거리의 비율로 설명된다. 예를 들어, 초점 거리가 100mm에서 400mm에 이르는 줌 렌즈는 4:1 또는 "4배" 줌으로 설명될 수 있다. 슈퍼줌 또는 하이퍼줌이라는 용어는 초점 거리 배율이 매우 큰 사진용 줌 렌즈를 설명하는 데 사용되며, 일반적으로 SLR 카메라 렌즈에서는 5배 이상 최대 19배, 아마추어 디지털 카메라에서는 22배까지 이른다. 이 비율은 전문가용 텔레비전 카메라 렌즈에서는 300배까지 높아질 수 있다.^[3] 2009년년 기준^[update] 현재 약 3배 이상의 사진용 줌 렌즈는 일반적으로 단렌즈와 동등한 이미징 품질을 제공하지 못한다. 일정한 밝은 조리개 줌 (일반적으로 f/2.8 또는 f/2.0)은 이 줌 범위로 제한되는 경향이 있다. 낮은 해상도로 움직이는 이미지를 녹화할 때 품질 저하는 덜 감지되기 때문에 전문가용 비디오 및 TV 렌즈는 높은 줌 비율을 가질 수 있다. 높은 줌 비율의 TV 렌즈는 수십 개의 광학 요소로 복잡하게 구성되어 있으며, 종종 25 kg (55 lb) 이상 나간다.^[4] 디지털 사진술은 또한 카메라 내 프로세서와 후반 작업 소프트웨어 모두에서 광학적 결함을 보정하는 알고리즘을 수용할 수 있다.

일부 사진용 줌 렌즈는 표준 렌즈보다 초점 거리가 긴 장초점 렌즈이고, 일부는 광각 렌즈 (표준보다 넓은)이며, 다른 렌즈들은 광각에서 장초점까지 범위를 포괄한다. 후자의 줌 렌즈 그룹, 때로는 "표준" 줌으로 불리는 렌즈들은 많은 현대 카메라에서 인기 있는 단일 렌즈 선택으로 고정 초점 거리 렌즈를 대체했다. 이 렌즈들의 표시는 보통 "Wide"를 의미하는 W와 "Telephoto"를 의미하는 T를 표시한다. 망원(Telephoto)으로 지정되는 이유는 음의 발산 렌즈가 제공하는 더 긴 초점 거리가 전체 렌즈 어셈블리보다 길기 때문이다 (음의 발산 렌즈가 "망원 그룹" 역할을 함).^[5]

초대형 망원경 건물에 대한 특이한 트레일드-줌 뷰^[6]

일부 디지털 카메라는 더 긴 초점 거리 줌 렌즈(더 좁은 화각)의 효과를 모방하기 위해 촬영된 이미지를 자르고 확대하는 것을 허용한다. 이것은 일반적으로 디지털 줌으로 알려져 있으며 광학 줌보다 낮은 광분해능의 이미지를 생성한다. 정확히 동일한 효과는 컴퓨터에서 디지털 화상 처리 소프트웨어를 사용하여 디지털 이미지를 자르고 잘라낸 영역을 확대함으로써 얻을 수 있다. 많은 디지털 카메라는 광학 줌을 먼저 사용한 다음 디지털 줌을 사용하여 둘 다 결합한다.

줌 렌즈와 슈퍼줌 렌즈는 일반적으로 스틸, 비디오, 영화 사진기, 프로젝터, 일부 쌍안경, 현미경, 망원경, 망원 조준경 및 기타 광학기구와 함께 사용된다. 또한 줌 렌즈의 아포컬 부분은 가변 배율의 광학망원경으로 사용하여 조절 가능한 빔 확장기를 만들 수 있다. 이는 예를 들어 레이저 빔의 크기를 변경하여 빔의 복사조도를 변경하는 데 사용될 수 있다.

역사

초기 형태의 줌 렌즈는 광학망원경에 사용되어 이미지의 배율을 연속적으로 변경할 수 있었으며, 이는 1834년 왕립학회 회보에 처음 보고되었다. 망원 렌즈에 대한 초기 특허 또한 렌즈의 전체 초점 거리를 변경하기 위해 조정할 수 있는 움직이는 렌즈 요소를 포함했다. 이러한 종류의 렌즈는 현재 바리포컬 렌즈라고 불리는데, 초점 거리가 변경될 때 초점면의 위치도 이동하여 각 변경 후 렌즈를 다시 초점 맞춰야 하기 때문이다.

렌즈 어셈블리의 유효 초점 거리가 변경되는 동안 거의 선명한 초점을 유지하는 최초의 진정한 줌 렌즈는 1902년 클라일 C. 앨런(미국 특허 696,788 )이 특허를 받았다.^[7]:155 영화에서 줌 렌즈의 초기 사용은 1927년 클라라 보우가 주연한 영화 "It"의 오프닝 장면에서 볼 수 있다. 최초의 산업 생산은 1932년 출시된 35mm 영화 카메라용 벨 앤 하웰 쿡 "바로" 40–120mm 렌즈였다.^[7]:156 가장 인상적인 초기 TV 줌 렌즈는 1953년에 영국 랭크 테일러 홉슨에서 제작한 VAROTAL III였다.

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  보이그랜더 주마 렌즈 (킬핏), 36–82mm f/2.8
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  후지논 XF100-400mm 줌 렌즈 단면도
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  캐논 카메라 (35~70 f/2.8~3.5 줌 렌즈). 줌 렌즈의 장점은 유연성이지만 단점은 광학 품질이다. 단렌즈는 상대적으로 이미지 품질이 더 뛰어나다.

1959년에 출시된 킬핏 36–82mm/2.8 주마 렌즈는 35mm 스틸 사진용으로 정규 생산된 최초의 바리포컬 렌즈였다.^[8] 최초의 현대 영화 줌 렌즈인 팬-시노어(Pan-Cinor)는 1950년경 SOM-베르티오에서 일하던 프랑스 엔지니어 로제르 퀴빌리에가 설계했다. 이 렌즈는 광학 보정 줌 시스템을 갖추고 있었다. 1956년, 피에르 앙제니외는 1958년에 출시된 16mm용 17-68mm 렌즈에서 줌 조작 중 정밀한 초점을 가능하게 하는 기계적 보정 시스템을 도입했다. 같은 해 앙제니외 4배 줌의 35mm 버전 프로토타입인 35-140mm가 촬영감독 로제르 펠루에 의해 줄리 라 루스(Julie La Rousse) 제작에 처음 사용되었다. 앙제니외는 16mm 필름 카메라용 12-120mm와 35mm 필름 카메라용 25-250mm를 포함한 10대 1 줌 렌즈 설계로 1964년 영화 아카데미 기술상을 받았다.

상대적으로 부피가 크기 때문에 1986년에야 충분히 컴팩트한 크기로 설계된 줌 렌즈가 소비자용 컴팩트 (포인트 앤 슛) 카메라, 즉 펜탁스 줌 70에 처음으로 적용되었다.

그 이후 광학 렌즈 설계의 발전, 특히 광학 레이 트레이싱을 위한 컴퓨터 사용으로 줌 렌즈의 설계 및 제작이 훨씬 쉬워졌으며, 현재는 전문가 및 아마추어 사진술에 널리 사용되고 있다.^[7]:167

설계

간단한 줌 렌즈 시스템. 아포컬 시스템의 세 렌즈는 L₁, L₂, L₃ (왼쪽부터)이다. L₁과 L₂는 좌우로 움직여 시스템의 전체 초점 거리를 변경할 수 있다 (아래 이미지 참조).

줌 렌즈에는 여러 가지 가능한 설계가 있으며, 가장 복잡한 것은 30개 이상의 개별 렌즈 요소와 여러 개의 움직이는 부품을 가지고 있다. 그러나 대부분은 동일한 기본 설계를 따른다. 일반적으로 고정되어 있거나 렌즈 본체를 따라 축 방향으로 미끄러지는 여러 개의 개별 렌즈로 구성된다. 줌 렌즈의 배율이 변경되는 동안 초점면의 움직임을 보정하여 초점 이미지를 선명하게 유지해야 한다. 이 보정은 기계적 수단(렌즈의 배율이 변경되는 동안 전체 렌즈 어셈블리를 이동) 또는 광학적으로(렌즈가 줌 되는 동안 초점면의 위치가 가능한 한 적게 변하도록 배열) 수행될 수 있다.

줌 렌즈의 간단한 구성은 어셈블리를 두 부분으로 나눈다: 표준 고정 초점 거리 사진 렌즈와 유사한 초점 렌즈, 그리고 그 앞에 배치되는 아포컬 줌 시스템. 아포컬 줌 시스템은 빛을 초점 맞추지는 않지만, 그 안을 통과하는 빛의 빔 크기를 변경하여 렌즈 시스템의 전체 배율을 변경하는 고정 및 가동 렌즈 요소 배열이다.

아포컬 줌 시스템에서 렌즈의 움직임

이 간단한 광학 보정 줌 렌즈에서 아포컬 시스템은 동일한 초점 거리의 두 개의 양의 (수렴) 렌즈(렌즈 L₁ 및 L₃)와 그 사이에 음의 (발산) 렌즈(L₂)로 구성되며, 음의 렌즈의 절대 초점 거리는 양의 렌즈 초점 거리의 절반보다 작다. 렌즈 L₃은 고정되어 있지만, 렌즈 L₁과 L₂는 특정한 비선형 관계를 따라 축 방향으로 움직일 수 있다. 이 움직임은 일반적으로 렌즈 하우징 내부의 복잡한 기어 및 캠 배열에 의해 수행되지만, 일부 현대 줌 렌즈는 컴퓨터 제어 서보 기구를 사용하여 이 위치 조정을 수행한다.

음의 렌즈 L₂가 렌즈의 앞에서 뒤로 움직이는 동안, 렌즈 L₁은 포물선 아크를 따라 앞으로 그리고 뒤로 움직인다. 이렇게 함으로써 시스템의 전체 각 배율이 달라져 전체 줌 렌즈의 유효 초점 거리가 변한다. 표시된 세 지점 각각에서 세 렌즈 시스템은 아포컬 (빛을 발산하거나 수렴하지 않음)이므로 렌즈의 초점면 위치를 변경하지 않는다. 이 지점들 사이에서 시스템은 정확히 아포컬은 아니지만, 초점면 위치의 변화는 이미지의 선명도에 큰 변화를 주지 않을 정도로 작을 수 있다 (잘 설계된 렌즈에서 약 ±0.01mm).

줌 렌즈 설계의 중요한 문제점은 렌즈의 전체 작동 범위에서 색수차와 특히 필드 곡률과 같은 광학 수차를 보정하는 것이다. 이는 하나의 초점 거리만 보정하면 되는 고정 렌즈보다 줌 렌즈에서 훨씬 더 어렵다. 이 문제는 줌 렌즈의 보급이 늦어진 주요 원인이었으며, 초기 설계는 현대 고정 렌즈보다 상당히 열등했으며 좁은 범위의 f-넘버에서만 사용할 수 있었다. 현대 광학 설계 기술은 광범위하게 가변적인 초점 거리와 조리개에서 우수한 수차 보정을 갖춘 줌 렌즈를 구성할 수 있게 했다.

영화 촬영 및 비디오 애플리케이션에 사용되는 렌즈는 초점 거리가 변경되는 동안 초점을 유지해야 하지만, 스틸 사진 및 프로젝션 렌즈로 사용되는 줌 렌즈에는 그러한 요구 사항이 없다. 초점 변화 없이 동일한 이미지 품질을 유지하는 렌즈를 만드는 것이 더 어렵기 때문에, 후자의 애플리케이션에서는 초점 거리가 변경된 후 재초점을 필요로 하는 렌즈(따라서 엄밀히 말하면 줌 렌즈가 아닌 바리포컬 렌즈이다)를 자주 사용한다. 대부분의 현대 스틸 카메라는 자동 초점 기능을 갖추고 있으므로 이는 문제가 되지 않는다.

큰 줌 비율을 가진 줌 렌즈 설계자들은 종종 더 높은 이미지 선명도를 위해 하나 이상의 수차를 희생한다. 예를 들어, 광각에서 망원까지 10배 이상의 초점 비율을 갖는 렌즈에서는 고정 초점 거리 렌즈나 낮은 비율의 줌 렌즈에서 허용될 수 있는 것보다 더 큰 정도의 배럴 및 핀쿠션 왜곡이 허용된다. 현대 설계 방법이 이 문제를 지속적으로 줄이고 있음에도 불구하고, 이러한 대구경 렌즈에서는 1% 이상의 배럴 왜곡이 흔하다. 또 다른 대가는 렌즈의 최대 망원 설정에서 렌즈가 더 가까운 피사체에 초점을 맞출 때 유효 초점 거리가 크게 변한다는 것이다. 렌즈가 무한대에서 중간 근접 촬영으로 초점을 맞출 때 겉보기 초점 거리가 절반 이상으로 줄어들 수 있다. 정도는 덜하지만, 이러한 효과는 렌즈 전체가 아닌 내부 렌즈 요소를 움직여 배율을 변경하는 고정 초점 거리 렌즈에서도 나타난다.

바리포컬 렌즈

특히 고정 렌즈 카메라의 경우 "줌" 렌즈라고 불리는 많은 렌즈는 실제로는 바리포컬 렌즈이다. 이는 렌즈 설계자에게 진정한 파포컬 줌보다 광학 설계 트레이드오프(초점 거리 범위, 최대 조리개, 크기, 무게, 비용)에서 더 많은 유연성을 제공하며, 자동 초점 기능과 카메라 프로세서가 배율 변경("줌") 시 초점면 위치 변화를 보정하기 위해 렌즈를 움직일 수 있기 때문에 실용적이다. 이는 진정한 파포컬 줌과 본질적으로 동일한 작동을 가능하게 한다.

같이 보기

• 줌 (영화 제작)
• 팬 틸트 줌 카메라 (PTZ)
• 프로페셔널 비디오 카메라
• 주마 렌즈
• 슈퍼줌

초점 거리별

• 광각 렌즈
• 표준 렌즈
• 망원 렌즈