천체망원경 이야기 - 5 : 수차 이야기 [구면수차]

  반사망원경은 크게 오목거울과 평면경으로 이루어진 뉴턴식, 그리고 오목거울과 볼록거울로 이루어진 카세그레인식으로 분류할 수 있다. 볼록거울의 역할에 대해서는 나중에 설명하기로 하고, 기본적으로 볼록거울과 평면경이 하는 역할은 같다.  

  이 반사망원경의 주경이 오목거울이니, 오목하게 만들기 위하여 어떤 면으로 만들것이냐가 문제이다. 인간이 생각해내 가장 쉬운 오목면은 구면의 안쪽면이다. 원은 가장 기본적인 곡면이므로 이 면을 이용하여 반사망원경을 만들 생각을 하는 것도 당연한 일이다. 이 때 나타나는 문제점이 바로 구면수차이다.

 

  위 그림들 중 왼쪽 그림을 보면, 구면에서 별상이 점으로 나올 수 있으려면 별빛이 구의 중심에서 와야 한다. 그러나 실제로는 오른쪽 그림처럼 별빛은 아주 멀리 무한대 거리에서 오기 때문에, 구경의 중심부근을 통과한 빛 (파란색 선)은 구면경으로부터 더 먼 곳에 모이고, 구경의 가장자리 부근을 통과한 빛 (빨간색 선)은 구면경으로부터 더 가까운 곳에 모인다. 따라서 구면에서 발생하는 이러한 문제로부터 구면수차는 다음과 같이 정의할 수 있다. 

 

  "구면수차란 광학계가 평행광을 한 점에 모으지 못하고 근축광과 원축광 사이에 초점이 서로 다르게 나타나는 현상을 말한다" 

  얼핏 어려운 말이지만, 위 그림을 참고삼아 "망원경이 별빛을 한 점에 모으지 못하고 반사경의 중심부근에서 반사된 빛과 가장자리에서 반사된 빛이 서로 다른 곳에 초점을 만드는 현상"으로 풀어 이해하면 된다. 

  또한 그림을 자세히 보면 눈치챌 수 있는 현상은, 구경을 초점거리에 비해 작게 만들면 구면수차 현상을 줄일 수 있다. 이와같은 현상은 거의 모든 수차에서 나타나는 공통적인 성질인데, 구경에 비해 초점거리를 늘리면 (=초점비를 늘리면) 중심상의 수차가 감소한다. 다만 주변상의 경우 중심에서 멀어질수록 수차가 증가하는 비율이 그만큼 늘게 되기 때문에 쓸만한 시야가 한정되게 되고, 결과적으로 시야가 좁아지게 된다. 

  구면수차의 문제로 요즘 반사망원경에는 구면경을 쓰지 않는다. 대부분의 반사망원경은 포물면을 쓰거나 쌍곡면을 쓰며, 포물면을 쓰면 구면수차가 제로가 되지만 코마수차가 나타나게 된다 (구면경에는 코마수차가 없다). 쌍곡면을 쓰면 구면수차, 코마수차 모두 나타나지만 둘 다 어느정도 감내할 수준이 된다. 유일하게 구면경을 구경할 수 있는 경우는 소형 반사망원경에서 초점비를 매우 길게 한 뉴턴식이 드물게 보이기도 한다.  
  구면수차는 반사망원경에서만 나타나는 현상이 아니다. 굴절망원경에서도 구면수차는 나타나는데, 렌즈의 경우 렌즈면을 비구면으로 만들면 해결된다고 알려져 있다. 일반적으로 반사경이 하나의 면에 의해 초점이 결정되는데 비해, 굴절망원경은 렌즈 1매당 2개의 굴절면이 있고 또 색수차 문제로 인하여 적어도 2장의 렌즈를 사용하므로, 실제로 굴절망원경에서 구면수차가 심하게 문제를 일으키지는 않는다.