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광학기계와 렌즈

光學機械－lens

일상생활에서 접하고 있는 것에 망원경(望遠鏡)·카메라·영사기(映寫機)·현미경(顯微鏡) 등, 다시 말해서 시각(視覺)의 연장이나 눈에 비치는 것을 기록해 두는 광학기계가 있다. 이것들은 모두가 렌즈·프리즘(prism)·거울 따위를 여러 가지로 맞추어 만들어져 있다. 따라서 광학기계의 구조를 이해하기 위해서는 우선 렌즈의 기초적 성질을 알아 두는 것이 편리하다.

렌즈의 성질

lens－性質

렌즈는 유리나 플라스틱 등 광선을 굴절시키는 성질을 지닌 재료로써 만들어져 있으며, 보통 2개의 구면(球面)을 가지고 있다. 이 구면에 여러 가지 곡률(曲率)을 지니도록 하면 광선은 그에 따라 여러 가지 특징있는 굴절을 하게 된다.

〔그림〕－1과 같이 평행광선이 왼쪽에서 구면에 들어오는 경우를 생각해 보자.

a와 같이 굴절률(屈折率)이 높은 물질이 철면(凸面)을 이루고 있는 경우에는 광선은 주축(主軸) 위의 1점을 향하여 집중된다. b와 같이 굴절률이 높은 물질이 요면(凹面)을 이루고 있는 경우에는 광선은 발산되어 나가지만 그것을 제자리로 더듬어 가면 역시 1점으로 집중된다. 이와 같은 성질은 두개의 구면이 잇달아 연결된 렌즈의 경우에도 마찬가지로 적용된다.

렌즈를 평행광선에 대한 작용에 따라서 크게 나눈다면 1점으로 수렴(收斂)시키는 볼록(凸)렌즈, 발산시키는 오목(凹)렌즈, 수렴도 발산도 시키지 않는 중성(中性)렌즈 등으로 나눌 수 있다. 블록렌즈의 수렴광(收斂光)이 집중되는 점, 오목렌즈의 발산광(發散光)의 연장이 집중되는 점을 각각 렌즈의 초점(焦點)이라 하고 렌즈의 중심으로부터 초점까지의 거리를 초점거리(焦點距離)라고 한다. 이 양(量)은 렌즈의 가장 기본적인 것이 된다.

또한 볼록렌즈는 어느 점에서 발사된 광선이 렌즈를 투과하게 되면 1점으로 집중되는 성질이 있다. 이 성질로 말미암아 렌즈를 사용함으로써 물체의 상(像)을 만들게 할 수 있다. 볼록렌즈·오목렌즈에 의한 상의 형상은 〔그림〕－1의 c·d·e와 같이 2개의 초점을 통과할 수 있는 광선에 따라 그 길을 좇아 서로 만나는 점을 구하면 된다. 그 밖의 길을 통과하는 광선도 초점에 집중됨은 물론이기 때문이다.

같은 볼록렌즈에서도 물체와 렌즈의 거리가 초점거리보다 길거나 짧으냐에 따라서 상이 나타는 위치와 배율(상과 물체의 크기의 비율)이나, 정립(正立)이냐 도립(倒立)이냐의 구별이 생기게 된다(〔그림〕－1의 c·d).

또

〔그림〕－1의 d에서는 광선은 발산하되 실상(實像)을 만들지 않지만 오른쪽에서 보게 되면 마치 Q′M′에 상이 있는 것처럼 보이다. 이것을 허상(虛像)이라고 한다. 이와 같이 초점거리와 렌즈의 요철(凹凸)의 구별만 판별할 수 있다면 작도(作圖)로 상의 형상을 알 수 있다.

앞서 말한 광선에 대한 렌즈의 작용은 축에 가까운 광선에 대하여 성립되는 것이며 보통의 경우에는 약간의 격차를 나타낸다. 이 격차를 렌즈의 수차(收差)라고 한다. 수차에는 다음과 같은 종류가 있다.

우선 렌즈의 주축(主軸)에 대한 평행광선은 언제나 1점에 집중되는 것이 아니고 어느 정도 크기의 흐릿한 상을 나타낸다. 이러한 수차를 구면수차(球面收差)라고 하며, 렌즈를 통과하는 광선을 렌즈의 중심 부근에만 집중시키면 흐릿한 상이 뚜렷이 나타나게 되는데 이 때 초점의 위치를 알 수 있다(〔그림〕－4).

주축(主軸)에 대하여 렌즈를 어떤 각도로 경사시키면 흐릿한 상은 방사상으로 퍼진다. 이것이 코마수차(coma 收差)인 것이다(〔그림〕－5). 한층 더 경사시키면 광선의 방향과 주축을 포함한 평면상 및 거기에 직각으로 광선의 방향을 포함한 면상과는 각각 다른 점에 광선이 집중된다(〔그림〕－6). 이 간격을 비점수차(非點收差)라고 부른다. 비점수차가 있을 때에는 그 언저리의 상은 방사방향에 핀트를 맞추면 동심원방향(同心圓方向)은 흐려지며, 동심원방향에 핀트를 맞추면 방사방향이 흐리게 된다. 즉 이 상면(像面)은 평면이 아니고 활 모양으로 굽어져 있다. 이것을 일반적으로 상면만곡(像面彎曲)이라고 한다.

이들의 여러 수차에 의곡(歪曲, 그림〕－7)을 더한 5개의 수차가 가장 기본적인 수차이다. 그 밖에 빛의 파장(波長)의 차이에 따라서 초점거리가 달라지는 색수차(色收差)가 있다. 장난감 망원경이나 현미경을 들여다볼 때 화상(畵像)에 무지개가 보이는 것은 색수차 때문이다(〔그림〕－8).

이런 수차는 광학기계에 쓰이는 렌즈로서는 바람직한 것이 못 된다. 수차를 바로잡기 위해서는 굴절률이나 분산이 다른 유리와 곡률반경(曲率半徑)이 다른 렌즈 몇 가지를 곁들인 렌즈를 사용한다.

이 외에 렌즈는 빛을 집중시키는 목적으로도 사용된다. 이른바 콘덴서 렌즈(condenser lens)가 그것이다. 카메라의 파인더에 쓰이는 프레넬 렌즈(fresnel lens)는 플라스틱 판(板)의 표면에 렌즈의 곡면(曲面)과 같은 톱니모양을 붙여서 곡률(曲率)이 큰 콘덴서 렌즈의 역할을 하도록 되어 있다. 콘덴서 렌즈의 평면경(平面鏡)이나 프리즘은 광선의 방향을 바꾸는 수단으로 사용된다. 광선은 입사각(入射角)과 반사각(反射角)이 똑같이 되도록 반사되어 방향(方向)을 바꾼다.

프리즘

prism

반사경에 의한 영상(映像)은 반사광의 연장방향(延長方向)으로 마치 물체가 있는 것처럼 보이는 허상이다. 거울에 비치는 영상 같은 크기의 뒤집은 상이며, 거울에 대하여 물체와 대칭적인 위치에 생긴다.

일반적으로 홀수의 반사에서 보게 되는 상은 뒤집은 꼴이다. 리플렉스 카메라(reflex camera)의 팬타 프리즘(panta prism)에는 반사가 3회에 걸쳐 뒤집어 비친 핀트면의 상을 곁으로 되돌리는 작용이 있다.

특수한 렌즈

特殊－lens

유리섬유를 높은 굴절률을 지닌 유리로 덮어 씌워 이중으로 만든 유리섬유는 똑바로 두거나 굽혀도 광선을 전달하는 성질을 가지고 있다. 이러한 섬유를 양쪽 끝에서 차례대로 배열하여 포개면 역시 화상을 전달하는 성질을 지닌다. 그리하여 위(胃) 속을 직접 촬영할 수 있는 위 카메라(胃 camera) 따위에 사용하게 되었다.

렌즈의 결합

확대경

擴大鏡    조그마한 물체를 볼 때는 눈을 되도록 그   물체에 가까이 하여 보면 크게 보이지만 어느 한도 이상을 접근시키면 눈의 초점을 조절하는 범위를 넘게 되어 전혀 보이지 않거나 혹은 보는 데 고통을 느끼게 된다. 정상적 시력을 가지고 있는 사람이 고통을 느끼지 않고서 가장 가까이 볼 수 있는 한도의 거리를 명시거리(明視距離) 라고 부른다. 보통 ＝25㎝로 셈한다.

  확대경은 25㎝ 이내의 거리에 있는 물체를 보기 위한 광학기계로서 적당한 볼록렌즈의 초점 또는 그것과 비슷한 안쪽에 물체를 두었을 때의 시각(視覺) θ와 렌즈의 작용으로 무한정 원거리에 생기는 허상(虛像)을 볼 수 있는 시각 Q′와의 비(比)이며, 이것은 으로 구할 수 있다. 는 렌즈의 초점거리다.

  확대경에는 볼록 단(單)렌즈 외에 수차를 작게 하기 위하여 2개의 분리형(分離形), 3개의 접합형(接合形) 등이 사용된다.

현미경

顯微鏡    현미경은 아주 작은 것을 보기 위한 광학기계로 원래 2개의 렌즈의 결합으로 구성되어 있다. 대물렌즈(對物 lens)는 초점거리가 극히 짧은 렌즈이며 물체가 확대된 실상을 만들고, 접안렌즈(接眼 lens)는 그것을 보는 확대경이다. 대물렌즈와 접안렌즈는 1개의 원통의 양단에 장치되며, 그 원통의 길이는 기계통 길이(機械筒長)라고 불린다. 현미경의 배율(倍率)은 대물렌즈의 배율과 접안렌즈의 배율을 곱하여 셈할 수 있으며, 그 배율의 수치는 렌즈에 새겨져 있다.

  현미경의 능력은 그 배율과 식별할 수 있는 최소의 간격, 즉  해상한계(解像限界) 로 결정된다. 이 크기는 빛의 회절(回折)에 의해 결정되며,

  

에서 구할 수 있다. 은 물체의 어느 공간에 대한 절대굴절률(絶對屈折率)의 파장, λ는 사용광선(使用光線)의 파장, α는 대물렌즈에 입사하는 광선과 렌즈의 광축(光軸)의 최대각이다. 는 개구수(開口數)라고 일컬으며, 대물렌즈의 원통에 배율과 함께 새겨져 있다.

  현미경은 확대율이 크기 때문에 상이 어두워서 특별한 조명장치가 필요하다. 생물 표본 따위의 투과성(透過性)이 있는 물체에 대해서는 재물대(載物臺) 밑에 집광렌즈(集光 lens)를 두어 투과조명을 하게 마련이지만 쇠붙이 등의 불투명한 표본인 경우에는 대물렌즈를 집광렌즈에 대응하여 반사조명을 하게 된다. 조명법에 따라서는 해상한계가 변화하여 앞서 말한 보다 커져 최대 에 달한다.

  현미경에는 이상 말한 바 생물현미경, 금속현미경 외에도 여러 종류가 있으며, 특히 위상차현미경(位相差顯微鏡)은 중요하다.

  이것에 의하면 굴절률이나 두께의 변화가 있는 무색의 투명 표본을 농담(濃淡)의 분포에 대한 상(像)으로서 관찰할 수 있는 만큼 염색 등의 번거로운 처리가 더 필요하게 되었다.

  이 장치에는 집광렌즈의 물체측(物體側) 초점에 도넛 모양의 조리개를 두어 대물렌즈의 상측(像側) 초점에 생기는 조리개의 상에 1／4파장의 광로차(光路差)가 나타는 위상판(位相板)이 놓여 있다. 표본을 그냥 지나온 빛은 이 위상판을 통과하여 표본에서 굴절 혹은 회절(回折)된 빛은 위상판의 외부를 지나므로 양자 사이에 생긴 의 위상차에 의하여 농담의 상을 얻게 된다(〔그림〕－11).

 

망원경

望遠鏡    현미경과는 반대로 아주 멀리 있는 물체를 확대해서 보는 광학기계로, 초점거리가 매우 긴 대물렌즈와 접안렌즈의 결합이다. 대물렌즈는 먼 곳에 있는 물체의 실상(實像)을 그 초점의 아주 가까운 곳에 만들고, 접안렌즈는 그에 대한 확대경으로서 작동한다. 배율()은 물체를 보는 시각 θ와 접안경을 통해 보는 허상(虛像)의 시각 θ′와의 비(比)로써 나타내는데 다음의 식에서 구할 수 있다(〔그림〕－10).

   

 는 각각 대물렌즈와 접안렌즈의 초점거리를 나타낸다. 또 상의 명도 및 분해능(分解能)은 대물렌즈의 지름이 클수록 커지게 되므로 특히 천체용으로 구경(口徑)이 큰 망원경이 사용된다. 지름 의 대물렌즈를 가진 망원경으로 분별할 수 있는 최소의 각도(분해능) ε(엡실론)은,

  

로 표시할 수 있다. 여기서 λ는 파장을 나타낸다.

  대물렌즈에 볼록렌즈를 사용하는 굴절 망원경과 요면경(凹面鏡)을 사용하는 반사망원경의 구별이 있는데, 전자는 주로 쌍안경·측량기(測量機) 등 소형의 지상용 망원경으로 사용된다.

  접안렌즈에 오목렌즈를 사용한 것은 갈릴레이망원경이라고 불리며 정립상(正立像)을 얻게 되지만, 시야가 좁아 오페라글라스(opera glass)로 쓰인다. 볼록렌즈를 사용한 것은 케플러형(Kepler 型)이라 하는데 도립상(倒立像)을 얻는다. 천체용으로서는 그대로 사용할 수 있지만 지상용으로는 정립(正立)프리즘이나 정립렌즈를 사용한다. 특수한 망원경으로는 천체망원경·슈미트망원경·전파망원경 등이 있으며 천체연구 등에 쓰이고 있다.

카메라

카메라는 감광재료(感光材料) 위에 물체의 상을 만들게 하여 그것을 기록하는 장치이다. 그렇게 하려면 보통 렌즈가 필요하다. 이 밖에도 렌즈의 초점을 조절하는 장치, 렌즈 이외로부터의 광선을 차단하기 위한 상자, 명도에 따라서 렌즈의 구경(口徑)을 조절하는 조리개, 및 적당한 시간만 광선의 투과를 허용하는 셔터(shutter) 등이 필요하다. 또 부품으로서 파인더(finder)·거리계·노출계·필름송달장치 등이 있다.

카메라는 이와 같은 부분으로 구성되어 있으나 그 형식에는 역사적 변천과 목적에 따라서 여러 종류가 있다.

카메라에 사용되고 있는 렌즈

camera－使用－lens

사진렌즈는 되도록 수차(收差)가 잘 보정(補正)되어 있어서 선명한 화상을 맺는 것도 필요하지만 또한 화각(畵角)·초점거리·명도 등의 점에서도 카메라의 종류나 용도에 따라 조화가 잘 이루어져야만 한다.

고급 렌즈는 각종 광학 유리로 만들어진 각각 다른 형상의 렌즈 몇 개를 결합시켜서 구경을 크게 하고, 거기다가 수차도 충분히 보정되어 있다. 렌즈의 형식은 특별한 용도의 것을 제외하고는 트리플리트(triplet：3－렌즈식)를 바탕으로 하는 형식과 가우스(Gaauss) 형식을 바탕으로 하는 것으로 나뉜다.

보통 카메라에서 화면의 대각선 길이와 거의 비슷한 초점거리를 가진 렌즈가 표준렌즈(標準 lens)로 되어 있다. 예를 들면 35㎜판(判)에서 초점거리는 약 50㎜이며, 그 때의 화각(畵角)은 약 47°이다.

표준보다 짧은 초점거리의 렌즈를 광각렌즈(廣角lens), 긴 렌즈를 장초점렌즈(長焦點 lens)라고 한다.

광각렌즈를 써서 촬영하면 화각이 크기 때문에 넓은 범위의물체가 화면에 들어온다. 가까운 거리에서 넓은 범위를 촬영할 수 있는 것은 편리하다. 그러나 표준렌즈로 촬영한 화면과 비교하면 원근감(遠近感：perspective)이 과장된 것이 되기도 하고, 또 카메라의 위치에 따라서 비뚤어져 나타나기도 한다.

장초점렌즈는 이와 반대로 화각이 작고 원근감이 효과도 작을 뿐더러 거리감(距離感)마저 없어진다. 그러나 원거리의 물체는 비교적 크게 촬영할 수 있다.

장초점렌즈는 원통의 길이가 길어지기 때문에 휴대하거나 조작하는 데에 불편하므로 망원렌즈 형식을 써서 짧게 한다. 이것은 렌즈의 전군(前群)선 볼록렌즈(수렴렌즈), 후군(後群)선 오목렌즈(발산렌즈)를 배치한 것으로, 전군에서 약간 지나치게 수렴시킨 광속(光束)을 후군의 발산계(發散系)에서 수렴의 정도를 늦춰 주어 그 결과 짧은 원통으로 긴 초점거리를 얻을 수 있다.

이 배치를 반대로 한 역망원(逆望遠)렌즈 형식을 사용하면 짧은 초점거리에도 불구하고 렌즈의 후단에서 화면까지의 거리(back­focus)가 길어진다. 단안 리플렉스 카메라의 광각렌즈에는 이 형식이 채용되고 있다(〔그림〕－10).

고급 카메라는 렌즈를 교환하여 피사체(被寫體)에 알맞는 초점거리의 렌즈를 선택할 수 있다.

렌즈의 명도

lens－明度    렌즈의 명도는 렌즈의 초점거리()와 구경(D)에 따라서 변화하며, ??F넘버로 불리는 수치로 표시된다. F넘버는 의 제곱에 반비례한다. 즉 같은 명도에 있서는 렌즈의 구경은 초점거리에 비례하여 커진다.

  렌즈에는 홍채(虹彩) 조리개 기구가 부속되어 있어서, 조리개로 빛의 투과율(透過率)을 바꿀 수 있다. 그 수치는 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6…과 같은 수열로 눈금이 새겨져 있다. 이 눈금의 간격은 명도의 변화에 대하여 2배에 해당한다. 소형 카메라의 눈금은 똑같은 간격으로 배열되어 있기 때문에 편리하다. 

셔터

shutter    셔터는 빛에 의해 필름면이 조사(照射)되는 시간을 조절하는 개폐(開閉)장치이다. 필름면의 직전에서 개폐하는 포컬플레인 셔터(focal­plane shutter)와 렌즈의 내부나 또는 렌즈 부근에서 개폐하는 렌즈 셔터(lens shutter)가 일반적이다.

  렌즈 셔터는 몇 개의 극히 얇은 강판(鋼板)으로 만든 날개 모양의 섹터(sector)가 창문 주위에 배치된 것이다. 마치 홍채 조리개를 빨리 여닫는 것과 마찬가지로 링(ring)을 회전시키면 섹터는 동시에 선회하여 이 셔터는 개폐된다. 우선 세트라 불리는 조작에 의해 스프링에 장력(張力)을 주고, 릴리스 버튼(release button)을 누르면 섹터는 스프링의 장력으로 일제히 열리며 그 상태가 잠시 지속된다.

  이 시간을 조절하기 위해 톱니바퀴 장치가 있어서 조절할 수 있다. 고정된 시간이 되면 스프링의 장력으로 섹터는 닫히게 된다.

  포컬플레인 셔터는 2개의 포막(布膜)이 간격을 두고 필름면을 통과함으로써 노광(露光)을 행한다. 노광 시간의 조절은 포막 간격의 폭을 바꾸어 조절한다. 2개의 막은 선막(先幕) 또는 후막(後幕)으로 불린다. 셔터를 고정시키면 2개의 막은 다 같이 원통에 말리게 된다.

  그 다음 릴리스 버튼(release button)을 누르면 선막이 롤러에 말려 가면서 노광이 시작되고 잇따라 후막이 말려 가면서 노광이 끝난다.

   필름의 1점에서 볼 때 선막의 맨끝이 통과된 순간부터 후막의 맨앞이 도달하는 순간까지의 시간이 노출시간이 된다(〔그림〕－15).

  셔터의 시간은 다이얼로써 선택하며 그 표준으로서,

  

초의 2배 등간격(等間隔)이 채용되고 있다.

  셔터 시간과 조리개의 값은 서로 노출 정도와 관련돼 있고, 똑같은 노광을 줄 수 있는 결합은 여러 가지로 짝지을 수 있다. 그러므로 노출치(EV)라고 하는 하나의 수치를 두개의 수치를 결합시키는 대신으로 사용할 수 있다. 조리개 1, 셔터 1초일 때의 노출치를 1로 정하고, 조리개 1.4인 셔터 1초나 또는 조리개 1인 셔터 1/2초를 1이라는 숫자로 표시할 수 있다.

 

파인더

finder

파인더는 피사체(被寫體)에 촬영되는 범위와 위치의 관계를 미리 알아 두기 위해 중요하다. 파인더를 들여다보면 촬영되는 범위를 표시하는 윤곽이 뚜렷이 보인다. 일반적으로 피사체의 거리가 짧아져 초점을 맞추기 위한 렌즈를 차츰 이동시켜 나가면 화각(畵角)은 점점 작아지고 촬영되는 범위는 좁아진다. 따라서 이 점을 감안하여 윤곽은 약간 자그맣게 만들어져 있는 것이 보통이다.

또 파인더의 축과 렌즈의 축이 수㎝ 떨어져 있기 때문에 시차(視差)가 생긴다. 이 영향은 먼 곳에 있는 피사체를 촬영할 경우에는 무시할 수 있지만 접근된 경우에는 무시할 수 없다.

정확하게 촬영을 하려면 시차에 상당한 양만큼 카메라를 이동시켜서 셔터를 누르면 된다. 시차를 자동적으로 보정하도록 되어 있는 카메라도 있다.

단안 리플렉스 카메라에서는 촬영 렌즈를 통해서 화상을 보는 것이므로 사진 찍히는 범위는 촬영 렌즈를 통해 보이는 화상과 똑같다. 그뿐 아니라 시차에 대한 염려도 전혀 없다.

파인더는 또한 초점을 맞추기 위한 장치를 아울러 겸하고 있는 것이 많다. 그 한가지는 이중상합치식(二重像合致式) 거리계이다.

이것은 파인더의 중앙부에 일정한 거리를 옆으로 벗어난 위치에서 본 피사체의 상을 포개도록 하여, 렌즈의 초점맞추기 조작과 연동시킴으로써 보는 각도를 바꿔 이중으로 보이는 상을 일치시켜 가면서 초점을 맞춘다(〔그림〕－16).

또 단안 리플렉스 카메라에서는 매트(mat) 면에 생기는 상의 흐린 정도를 보고 판단하게 되며, 스플릿 이미지 프리즘(split image prism)을 사용하여 상하상합치식(上下像合致式)으로 하기도 하고, 밝기와 흐림도 뚜렷이 알 수 있도록 작은 다각추(多角錐)를 결합시킨 마이크로 프리즘(micro prism) 등이 쓰이고 있다.

노출

露出

노출을 결정하기 위해 노출계를 곁들인 카메라가 많다. 노출계에는 빛을 받으면 기전력(起電力)을 발생하는 셀렌 셀(selenium cell)을 사용한 것과 빛을 받으면 전기저항이 변화하는 황화(黃化)카드뮴과 수은전지(水銀電池) 등을 병용한 것이 쓰여지고 있다. 어느 것이나 광량(光量)에 의하여 전류의 값이 결정되기 때문에 미터를 접촉시켜서 생기는 편각(偏角)에서 셔터나 조리개의 수치를 결정한다.

연동노출계(連動露出計)는 셔터나 조리개의 다이얼을 회전하면 그 작용이 미터에 미치게 되어 있다.

오로지 인위적으로 연동하는 것 외에 자동적으로 연동할 수 있는 이른바 EE카메라도 많아졌다. 이 기구(機構)의 원리는 미터의 편차(偏差)를 기계적으로 고정하고 톱니 모양의 캠(cam)의 높이를 정한 다음 그 높이에 따라서 셔터나 조리개, 다이얼을 제어하도록 만들어져 있다(〔그림〕－17).

또한 단안 리플렉스 카메라에서 셀을 파인더부(部)에 붙여 촬영렌즈를 통과해 온 빛의 양을 측정하여 노광(露光)을 결정하는 TTL(through the lens) 방식이 흔히 쓰인다. 이것을 사용하면 특히 접사(接寫)의 경우 노출의 보정을 할 필요가 없다. 이 경우 피사체 전체의 광량(光量)을 측정하는 평균치 측광방식(測光方式)과는 달리 특히 중심이 되는 부분의 광량만을 측정하는 방법의 것이 있어 편리하다.

EE카메라 중에는 셀의 광전류(光電流)의 크기에 따라 전자회로(電子回路)를 써서 셔터 스피드를 제어하는 전자셔터(電子 shutter)도 만들어졌다. 즉 셔터를 열면 동시에 광전류를 콘덴서에 충전시켜 일정한 전압(電壓)이 되었을 때 트랜지스터 회로가 작동하여 셔터를 닫는 기구(機構)이다.

카메라의 부품

camera－部品

촬영에 직접 관계가 있는 부품은 필터(filter)·후드(hood) 및 플래시 전구(電球)이다.

후드는 태양이나 공중으로부터 광선이 렌즈를 통해 카메라의 내면에서 반사되어 흐려지지 않도록 한다. 필터는 색온도를 조절하는 색온도변환필터(色溫度變換 filter)와 흑백으로 콘트라스트(contrast)를 강조하거나 흑백의 컨디션을 바꾸기도 하는 필터가 있다.

어두운 장소에서 촬영을 하려면 보통 플래스 전구(電球)를 사용한다. 카메라에는 플래시의 동조발광장치(同調發光裝置)가 붙어 있어 셔터의 작동과 연동할 수 있도록 되어 있다. 셔터의 종류에 따라서 일정한 플래시를 사용해야만 한다.

플래스 전구는 1회마다 바꿔 끼우게 되는데 몇 번이고 되풀이해서 쓸 수 있는 것에 스트로보(stro)가 있다. 이것은 섬광방전관(閃光放電管)을 높은 전압에 의해 순간적으로 점멸(點滅)시키는 것이다.

영화

영화의 시스템

映畵－system

긴 필름에 움직이는 피사체의 일정 시간마다의 상을 순서대로 촬영하여 이것을 스크린 위에 영사하면 육안의 잔상작용(殘像作用)에 의하여 잇따라 영사되는 상이 겹쳐서 느껴지며, 피사체의 운동이 연속적 동작으로 관찰된다. 이것이 영화이다.

따라서 영화의 촬영이나 영사할 때에 필름을 어느 시간 간격을 두고 1화면(畵面)씩 보내어 노출 시간만을 정지(靜止)시켜 놓지 않으면 안 된다. 그 때문에 일정 시간마다 간헐적으로 필름을 보내는 간헐운동기구(間歇運動機構)가 필요하게 된다.

이 기구는 촬영기나 영사기의 심장부이며 대표적인 방식으로서 긁어내리기 간헐기구·몰티즈 크로스 간헐기구·삼각(三角)캠 간헐기구 등이 있다.

이들 간헐운동기구는 부채꽃 회전셔터와 동기적(同期的)으로 사용되어 필름이 움직이는 순간에는 셔터가 닫혀 있으므로 촬영 또는 영사할 때에 상이 흘러 나아가지 않는 부채꼴 셔터의 개구각(開口角)는 노출시간을 결정할 때 중요하다.

촬영기

撮影機

촬영기는 영화의 방식에 따라서 여러 가지 형식의 것이 사용되며 기본적인 구성은 〔그림〕－19와 같다. 촬영렌즈로 애퍼처(aperture：화면의 테두리)에 있는 필름에 촬영한다.

이 때 필름은 릴(reel) R1에서 스프로킷(sprocket) S1으로 일정한 속도로 공급되어 애퍼처 면(面)에는 간헐기구와 셔터로 노출이 이루어진 후 다시 스프로킷 S2를 지나서 릴에 감긴다.

노출시간은 1초 동안의 화면수와 셔터의 개구각(開口角)의 크기에 따라 다르며 보통 표준 화면수를 중심으로 하여 2∼3종의 화면수를 선택할 수 있다. 또 개구각을 바꿀 수 있는 것도 있다.

촬영화면을 결정하는 파인더는 촬영렌즈와 별도로 설정하는 경우와 단안 리플렉스 카메라식으로 촬영렌즈의 빛을 반투경(半透鏡) 또는 셔터가 닫혀 있는 시간에만 거울이나 프리즘으로 끌어내는 것 등이 있다. 후자는 소형 영화에 많이 쓰이며 조준(照準)과 초점 맞춤이 다 될 수 있다.

촬영렌즈는 2개 이상 수개의 렌즈를 터릿(turret)으로 만들어 교환해서 사용하는 경우, 그리고 줌(zoom) 렌즈를 사용하는 경우가 있다. 터릿이란 회전 원판에 수개의 렌즈를 장치한 기구(機構)이다. 소형 영화에는 줌 렌즈가 사용되고 있다.

영사기

映寫機

영사기도 여러 가지 형식이 있으며 기본적인 구성은

〔그림〕－20과 같다. 릴 R1에서 스프로킷 S1을 지나서 애퍼처에 송달이 된 필름은 광원과 집광기(集光器)에 의해 조명되고 영사렌즈로 영사된다. 이 때 필름의 공급을 위하여 앞서 말한 간헐기구와 셔터가 사용된다. 영사 후의 필름은 스프로킷 S2를 지나서 릴 R2에 감기게 된다.

광원 E는 35밀리 이상의 영사기에는 카본 아크 램프가 사용되고, 집광기로서는 회전 타원면경(楕圓面鏡)을 사용하여 제1초점에 광원, 제2초점에 필름면(面)을 두는 방법도 쓰이고 있다. 최근에는 발열(發熱)이 비교적 적고, 색깔 온도가 높은 크세논 아크(xenon arc)가 보급되고 있다.

16㎜ 이하인 소형 영화에는 텅스텐 램프에 집광렌즈와 반사경을 쓰는 경우가 많다. 이들 조명광은 발열이 많기 때문에 사고 등으로 필름이 정지되었을 때 직각 필름을 향한 빛이 차단되어 발화를 방지하도록 되어 있다.

스크린

screen

영사하는 데는 또한 스크린이 필요하다. 스크린은 백색의 확산반사(擴散反射) 성질의 휘장으로 커다란 투영상(投影像)을 쉽게 볼 수 있도록 여러 모로 연구되어 있다. 예를 들면 표면에 작은 구멍이나 요철(凹凸)을 장치하여 뒷면에 있는 스피커 소리를 통하게 하고, 동시에 필름의 거친 입자(粒子)가 눈에 띄지 않도록 화질(畵質)을 향상시키며 또한 빛의 확산성을 좋게 해서 스크린에 투영된 상을 넓은 각도에서 볼 수 있도록 되어 있다.

소형 영화에서는 정반사성(正反射性)이 강한 금속 미분(微粉)을 뿌린 스크린을 많이 쓴다. 이것은 화면에 비치는 빛의 확산성이 작기 때문에 영상을 관찰할 수 있는 범위는 스크린의 법선(法線) 언저리에 국한되어 화면이 좁지만 영상은 밝고 불완전한 암실에서도 영사할 수 있으므로 백주(白晝) 스크린이라고도 부른다.

음향

音響

영화의 또 하나의 요소는 음향이다. 소리는 필름의 구석에 녹음용 사운드 트랙(sound track)을 만들어서 여기에 녹음한다.

16밀리 이상 영화에서는 주로 광학녹음방식을, 8밀리 및 16밀리의 일부에서는 자기녹음방식(磁氣錄音方式)을 흔히 사용한다.

자기녹음에서는 필름의 일부에 자기녹음용 트랙을 만들어, 여기에 녹음하여 영사기에 딸린 자기헤드(磁氣 head)에 의해 재생한다.

입체음향을 사용할 경우에는 2개 이상의 사운드 트랙을 마련하여 제각기 재생 시스템을 써서 입체음향을 재생한다.

영화 필름의 크기

映畵 film－

영화는 사용하는 필름의 치수에 따라 여러 종류로 분류된다.

필름의 재질(材質)은 초기에는 셀룰로이드가 쓰였으나 가연성으로 위험하기 때문에 오늘날에는 불연성인 셀룰로스트리아세테이트를 쓰고 있다. 또 최근에는 폴리에스테르가 쓰이기 시작했는데, 이것은 얇고 투명하여 온도나 변형에 강하기 때문에 주목되고 있다.

8밀리영화

8milli 映畵

8밀리카메라는 가정용 영화로서 널리 보급되어 있다. 여기에는 16㎜ 필름의 절반을 사용하는 더블 에이트(double eight) 방식과 8㎜전용 필름에 의한 슈퍼 에이트(super eight) 방식 양자가 쓰여지고 있다.

더블 에이트 방식은 16㎜ 필름의 릴(reel)에 감긴 필름을 한쪽만 촬영하고, 한쪽이 끝나면 릴을 뒤집어서 나머지 한쪽을 촬영한다. 이렇게 해서 양쪽에 촬영된 필름은 중앙에서 2개로 재단되어 함께 연결시켜 8밀리 영사기용 필름으로 만들어진다.

슈퍼 에이트 방식은 처음부터 8㎜ 나비의 필름에 특별한 구멍(perforation)을 뚫는다. 더블 에이트와 비교할 때 화면이 크기 때문에 화질이 양호하게 된다. 또 사운드 트랙용의 스페이스도 마련돼 있어서 녹음하는 데도 손쉽게 할 수 있다. 슈퍼 에이트는 매거진(magazine)에 넣어서 판매되며, 미국 코닥사(Kodak 社)의 슈퍼 에이트 매거진과 일본 후지 필름사의 싱글 에이트 매거진이 있다.

촬영렌즈

撮影 lens

8밀리 카메라는 초점거리 12.5∼13㎜ 렌즈가 표준렌즈이며 또 6.5∼9㎜는 광각(廣角), 19㎜ 이상은 망원렌즈로서 사용된다. 이들 렌즈는 D마운트라고 부르는 표준형 나사장치로 카메라에 붙어 있기 때문에 마음대로 교환하여 사용할 수 있지만 최근에는 줌렌즈(zoom lens)를 사용하고 있다.

줌 렌즈는 조합한 렌즈 중의 일부분을 이동시켜서 렌즈의 초점거리를 연속적으로 바꾸는 렌즈이다. 이 초점거리의 변화를 조작하는 것을 주밍(zooming)이라고 한다(〔그림〕－25).

주밍에 의하여서도 상이 생기는 위치가 변화하지 않도록 렌즈의 맞춤을 여러 가지로 바꿔 보기도 하고, 특별한 캠(cam)으로 렌즈 전체를 이동시키는 방법 등이 고안되어 있기 때문에 초점을 맞추려면 단 한번으로 충분하다. 그와 동시에 F넘버도 주밍에 의해 변하지 않도록 되어 있다.

8밀리용으로서는 표준∼망원역(望遠域)을 커버하는 줌비는 4∼6 정도의 것이 가장 많이 쓰여지고 있으나 광각∼망원역을 커버하는 줌 비 20의 것도 나와 있다. 줌 비(zoom 比)란 최장 초점거리와 최단의 초점거리의 비를 가리킨다.

줌 렌즈를 사용한 8밀리 카메라 파인더는 줌 렌즈의 도중에서 반투경(半透鏡) 또는 프리즘으로 빛을 꺼내 애퍼처에 상당하는 테두리를 가진 보조 광학계(光學系)에 의하여 초점을 맞추고 아울러 파인더의 기능을 가지도록 하고 있다. 이 때문에 렌즈의 조리개와는 관계없이 밝고 초점 심도(深度)가 얕은 상을 얻게 된다.

조리개 기구

－機構

조리개에는 EE기구가 곁들여 있는 것이 보통이다. 여기에는 여러 가지 방식이 있는데 그 중에서도 렌즈 1개를 조절하는 방식이 가장 간단하며 흔히 쓰인다. 이것은 적당한 장소에 장치한 노출계로부터 들어오는 광전류(光電流)를 전류계로 받아서 그 지침 대신에 특별한 모양의 나팔을 가진 조리개 판을 회전시켜 렌즈에 장치한 조리개와 조합시켜 EE기구를 구성하고 있다.

이 경우 셔터 속도가 일정하기 때문에 기구는 스틸 카메라(still camera：정지사진을 찍는 보통 카메라)에 비하여 훨씬 간단해서 좋다(〔그림〕－20).

촬영하면서 조리개를 서서히 조절하거나 렌즈 앞에 있는 2개의 편광(偏光) 필터를 직교(直交)하도록 회전시키면 화면이 차차 어두워지는 효과를 얻게 되며 이것을 페이드아웃(fade­out)이라고 부른다.

이것과 반대로 조절을 완전히 끝낸 조리개를 열거나 직교된 편광 필터를 평행으로 되돌리면 어두운 곳에서 차차 화면이 떠오르는 페이드인(fade­in)이란 효과를 얻게 된다. 이러한 효과는 물론 EE기구를 떼어내고 얻을 수 있으며, 필름의 일부를 되감아서 이중으로 촬영할 수 있는 기구를 가진 카메라에서 사용되는 경우가 많다.필름의 화면수는 더블 에이트 방식으로는 1초간에 16화면, 슈퍼 에이트 방식으로는 1초간 18화면이 표준으로 되어 있다. 보통의 8밀리 카메라는 표준 화면수 외에 2∼3종의 화면수를 얻게 되며, 또 1화면 노출도 가능하다.

8밀리영사기

8milli 映寫機

더블 에이트 방식과 슈퍼 에이트 방식의 2종이 있으며 최근에는 양자의 필름을 공용할 수 있는 것이 많다.

8밀리영사기의 광원(光源)에는 내부에 반사경을 장치한 램프가 사용되며, 100V로 사용하는 외에 8V 또는 22V의 저전압(低電壓)을 쓰는 것이 많이 사용되고 있다. 영사기의 조명계(照明系)는 집광렌즈를 써서 〔그림〕－23과 같이 영사렌즈의 위치에 필라멘트의 상이 생기도록 조정되는 것이 보통이다. 광원의 위치를 조절할 때는 필름 대신에 화면의 중앙에 작은 구멍을 뚫은 격판(隔板)을 놓고, 또 렌즈 바로 앞에는 젖빛 유리를 두어 필라멘트가 렌즈 개구의 중앙이 되도록 전등의 위치를 이동시키면 된다.

필름 송달과 간헐기구는 카메라의 경우와 비슷한 방법이 취해진다. 스피드는 표준 화면수 외에 저속·고속·1화면 영사 및 역회전의 기구가 곁들여 있기도 하다. 렌즈는 최근에 줌 렌즈가 많이 쓰여지고, 가정의 비교적 좁은 방에서도 영사하는 데 편리하게 되었다.

와이드 스크린 영화

wide screen 映畵

보통 영화에서는 화면의 세로·가로의 비율은 3：4(橫縱比 1.33이라 부르기도 함)이지만 1950년대의 전반에는 이 비율을 크게 잡아 입체감(立體感)을 강하게 하자는 경향이 나타나서 이른바 와이드 스크린 영화가 출현하였다.

가장 대표적인 것은 시네마스코프(Cinema scope)이다. 촬영할 때 렌즈 앞에 실린드리컬 렌즈(cylindrical lens)를 병용한 이른바 애너머픽 렌즈(anamorphic lens)라고 일컫는 의상(歪像)렌즈를 사용한다.

보통 영화 필름에 가로 방향으로 압축한 상을 찍고 영사할 때에도 역시 애너머픽 렌즈를 써서 자연의 상으로 복원하는 방식인데 횡종비는 2.5가 된다.

이 방법은 19세기 말엽에 발생되었으며, 20세기 폭스사(社)에 의해 실용화되었고 오늘날에는 가장 널리 보급되어 있다.

그 후 파라마운트사(社)가 35㎜ 필름을 가로 방향으로 뉘어서 25.3×37.4㎜와 같이 화면의 나비를 넓게 잡는 방법을 개발하여 비스타비전(Vista Vision)이란 이름을 붙이게 되었다.

이렇게 촬영된 필름은 보통 영사기로는 영사할 수 없기 때문에 촬영된 네거 상을 90° 회전시켜 축소해서 인화하고 필름을 세로 송달하는 보통 영사기에 광각(廣角)렌즈를 붙여서 영사한다. 영사 화면의 횡종비는 1.65∼1.85이며, 시네마스코프와 보통 영화의 중간이다.

이 방법은 촬영할 때 화면이 크기 때문에 화상이 매우 선명한 것으로 알려져 있으며, 시네마스코프와 더불어서 널리 사용이 되고 있다. 시네마스코프·비스타비전은 다 같이 입체음향 재생이 병용되고 있다.

이들 와이드 스크린 영화에 대하여 보다 넓은 화면을 얻고자 하는 방식이 시네라마(Cinerama)이다. 이 방법은 1939년 뉴욕 만국박람회에서 비로소 공개되었는데, 1950년 본격적인 시네라마 영화인 <이것이 시네라마다>가 제작되어 시네라마의 유행이시작되었다.

시네라마는 똑같은 초점거리의 렌즈를 장치하고, 동시에 3대의 35밀리 촬영기를 사용하여 가로 방향으로 약 146°의 화각(畵角)을 커버한 다음 이것을 역시 3대의 영사기로 동시에 영사하는 방식이다.

〔그림〕－22는 시네라마 영화관의 일례인데 반지름 약 7.5m인 원통형 스크린에 영사되고 있다. 실제의 시네라마에서는 여기에 7채널의 사운드 트랙을 지닌 입체음향장치를 병용하여 매우 커다란 임장감(臨場感)을 얻고 있다. 시네라마의 3카메라 방식에서는 장치가 번거로울 뿐더러 화면의 접속 면에서 화상이 어긋나는 결점이 있다.