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렌즈 수차 (Lens Aberrations)

최근의 렌즈 설계는 다양한 방법으로 정밀하게 계산되어 제작되지만 만족해야할 여러가지 조건들은 서로 상충하기 때문에 어떠한 렌즈도 완벽하게 수차(aberration)를 제거하게 설계될 수는 없다. 따라서 렌즈 설계자는 렌즈의 사용 목적이나 용도에 따라서 가능한한 최적의 설계를 할 수 있을 뿐이다. 렌즈의 설계시 고려하는 수차는 일곱가지가 있는데 사진을 찍는 사람으로서는 렌즈의 수차를 향상시킬 수는 없지만 알아두면 유용하게 쓰이게 될 것이다.


구면 수차(Spherical aberration)

렌즈의 가장자리를 통과하는 빛은 중심부를 통과하는 빛보다 렌즈에 더 가깝게 초점이 맺혀 이미지의 상이 부드럽게 되며 계조가 떨어진다. 인물의 초상이나 연초점 렌즈는 구면 수차를 적극적으로 이용해서 이미지의 선명도를 자연스럽게 줄이는데 사용되지만 대부분의 렌즈에서는 제거하려고 한다. 구면 수차는 조리개를 줄이면 상당부분 극복할 수 있는데 반대로 초점 이동(focus shift) 현상이 발생한다. 구면 수차를 가지고 있는 렌즈는 촬영시 사용하는 조리개 값에서 다시 초점을 맞춰야 하는 현상이 발생한다.

구면 수차


색수차(Chromatic Aberration)

색수차는 두가지 종류가 있는데 두가지 경우 모두 빛이 렌즈를 통과할 때 파장(색깔)에 따라서 굴절률(refraction)이 달라지기 때문에 발생한다. 따라서 색수차가 보정되지 않은 렌즈의 경우에는 서로 다른 파장의 빛을 동일한 지점에 초점을 맞출 수 없기 때문에 빛의 종류에 따라서 이미지의 크기가 달라지는 현상이 발생한다. 컬러 사진의 경우에는 색깔이 분해되어서 줄무늬가 나타나며 흑백 사진에서는 선명도가 떨어지게 된다. 렌즈의 종류에 따라서 두개 혹은 세개 정도의 파장을 교정한 렌즈를 achromat 혹은 apochromat이라고 부르며 최근의 생산되는 렌즈는 색수차 문제가 대부분 교정되므로 이런 말을 아예 사용하지 않는 경우도 있다. 색수차가 렌즈의 축방향으로 나타나는 종방향 색수차(longitudinal chromatic aberration)은 조리개를 줄이면 감소하는 경향이 있으나 횡방향 색수차(lateral, off-axis chromatic aberration)은 증가한다.

A. 종방향 색수차, B. 횡방향 색수차

흑백 사진에서의 색수차는 단일색 필터를 이용하면 이미지의 선명도를 개선시킬 수 있다. 필터는 가시광선의 특정 파장만 통과시키기 때문이며 주로 사용하는 필터의 색은 빨강(#25), 초록(#58), 파랑색(#47) 등이다. 일반적으로 초록색의 필터가 흑백 필름에서의 색상 정보의 왜곡이 작으므로 많이 사용된다. 또한 UV 필터는 눈에는 보이는 않지만 컬러, 흑백 필름에 영향을 미치는 자외선 영역을 차단시킴으로서 이미지의 선명도를 향상시킬수 있다.


코마(Coma)

렌즈의 중심축으로부터 떨어진 위치에서의 점의 초점이 맞지 않는 수차를 말하는데 그 모양이 혜성(comet)과 비슷해서 코마라고 부른다. 이 수차는 렌즈의 가장자리에서 초점이 흐려지는 점이 색수차와 비슷하며 조리개를 조이면 상당히 줄일 수 있으며 최근에 생산되는 렌즈는 대부분 충분히 교정이 된다.

코마


면 곡률(Curvature of field)

평면의 피사체를 평면의 이미지를 기록하지 못하는 렌즈를 면 곡률을 가지고 있다고 한다. 일반적인 풍경 사진이나 인물 초상 사진에서는 그 영향이 미비할 수 있으나 피사체가 완전한 평면을 이루고 있는 건축 사진이나, 복사 촬영 등에서는 면곡률 문제점이 두드러진다. 이러한 경우에는 면 곡률을 보정한 렌즈가 주로 사용되는데 모든 색에 대해서도 정확한 초점을 맞출 수 있으며 조리개를 조여서 사용하면 문제점을 줄일 수 있다.

면 곡률


비점(非點) 수차(Astigmatism)

렌즈의 중심축에서 떨어진 피사체의 점은 초점 거리에서 짧은 선으로 나타나며 또 다른 초점 거리에서는 그 선에 수직인 짧은 선으로 나타나며 그 사이에는 타원형으로 나타나는 것을 비점 수차라고 한다. 모든 초점 거리에서 비점 수차를 교정하는 것은 매우 어려운 문제가 되기 때문에 렌즈 설계자는 적당한 타협점을 찾는 것으로 만족하게 된다. 비점 수차 때문에 필름의 가장자리 부근에서 수직과 수평선의 정확한 초점을 맞추는 것이 불가능하게 되며 렌즈의 조리개를 조이면 어느정도 극복할 수 있다.

비점 수차


왜곡(Distortion)

단일 렌즈를 사용할 경우 렌즈와 조리개의 상대적인 위치에 따라서 이미지의 왜곡이 발생한다. 조리개 뒤에 렌즈가 있을 경우 통(barrel) 왜곡이 발생하며 조리개 앞에 렌즈가 있을 경우 바늘겨레(pincushion) 왜곡이 발생한다. 조리개를 조여서 사용해도 별로 개선되지 않는 왜곡이며 조리개 앞부분의 렌즈에서 발생한 바늘겨레 왜곡을 조리개 뒷부분의 통 왜곡을 상쇄하도록 설계하여서 극복할 수 있다.

왜곡

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