아무래도 천체망원경보다는 카메라에서 쉽게 눈에 띄는 수차가 비넷팅(vignetting)이다. 이 수차는 똑같은 밝기의 물체를 찍어도 시야의 중심부보다 주변부에서 더 어둡게 나오는 현상이다.

카메라의 크기는 정해져있는데 비하여 시야를 넓히려다보니, 아무래도 비넷팅은 망원렌즈보다는 광각렌즈에서 그 정도가 심하다. 135의 표준렌즈중 하나인 펜탁스 SMC 50mm F1.4의 경우 F4 혹은 F5.6에서 비넷팅이 거의 보이지 않는데 비하여, 저가형 광각렌즈에서는 F8이나 되어야 비넷팅이 신경쓰이지 않을 정도로 심한 비넷팅을 보인다.

광각렌즈에서의 비넷팅 : Vivitar 24mm F2.8 렌즈로, F4 혹은 F5.6으로 기억한다. 상단 모서리가 어둡게 나온 것이 쉽게 눈에 띈다.

 

물론 천체사진을 일반 카메라로 찍는 경우도 있으므로, 비넷팅은 알아둘 필요가 있다. 또한 망원경의 구조가 워낙 단순하므로, 자신의 천체망원경이 비넷팅을 피해 설계되었는지 알아볼 필요도 있다. 특히 지나치게 심한 배플처리나 (baffle : 망원경에서 시야 주변부의 잡광을 줄이기 위하여 설치한 차단막) 혹은 반사망원경에서는 경통이 주경의 구경에 비하여 너무 작거나 사경이 너무 작은 경우 이로 인하여 비넷팅이 발생할 수 있다. 


잘못된 광로설계로 인한 천체망원경에서의 비넷팅


위 그림은 비넷팅의 예시를 삼아 굴절망원경의 단면도를 그려 보았다. 흔히 비넷팅이 나타날 수 있는 요소는 경통 벽에 있는 배플과 초점조절나사통 등이 있고, 위 그림처럼 경통이 좁아지는 부분의 벽면에서도 보일 수 있다. 하지만 어지간히 대충 만든 경우가 아니면 망원경에서 비넷팅이 크게 문제되지는 않는다. 사실 나는 초점조절나사통에서 비넷팅이 발생하여 통을 짧게 잘라버린 적이 있다.

굴절-반사식이나 카세그레인식 반사의 경우 배플이 초점조절나사통에 숨어있는 경우가 많이 있다. 또한 뉴턴식은 배플을 설치하기 힘든 구조라 대개는 배플이 없지만, 경통 벽면에 나 있는 초점조절나사통이 안쪽으로 튀어나와 시야를 일부 가리는 경우가 꽤나 많이 있다. 게다가 사경을 너무 작게 만들면 비넷팅이 발생할 수 있다.

뉴턴식 반사에서 일어날 수 있는 여러가지 원인으로 인한 비넷팅


비넷팅은 Tangent 함수만 사용해서 계산할 줄 알면 망원경의 치수를 잘 재서 비넷팅이 여부를 어렵지 않게 알 수 있다. 다만 별을 볼 때의 초점 상태로 경통을 고정하고 나서 여기저기 치수를 재고, 또 경통을 열어서 경통 내부에서의 치수를 잘 재는 것이 약간 번거로운 과정일 뿐이다. 또한 자신의 망원경이 시야 몇 도까지 비넷팅이 없는지를 파악해 두면 저배율 접안렌즈를 선택할 때 이를 고려하여 결정할 수 있다.

비넷팅은 어렵지 않게 발생 여부를 알 수 있으므로, 자기 스스로 경통을 열 수 있는 사람이면 날씨가 흐린 날 경통을 열어서 비넷팅 여부를 확인해 보는 것도 일종의 장비관리라고 할 수 있겠다.
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자이델의 다섯가지 수차 중 마지막으로 설명할 수차는 상면만곡이다. 렌즈나 거울이 빛을 모아 초점을 만드는 것은 시야의 중심에서는 어렵지 않으나, 시야의 주변부로 갈수록 어려운데 여기에는 앞서 설명한 코마수차비점수차의 역할과 함께 이 상면만곡이 개입을 하게 된다. 상면만곡은 다음과 같이 정의할 수 있다.

"렌즈나 거울에 의하여 상이 형성되는 면이 평면이 아닌 곡면인 현상"

렌즈나 거울에 의하여 상이 형성되는 면이 평면이 되기는 매우 어렵다. 하지만 필름이나 CCD (CMOS)등은 평면이므로, 찍은 사진에서 시야의 주변부로 갈수록 초점이 맞지 않는 현상이 나타날 수밖에 없다.

이를 아래 그림으로 이해해 보자.

상면만곡 : 초점이 맺는 면이 평면이 아닌 현상

 
제아무리 다른 수차가 완벽하게 보정된 광학계라고 하더라도 (물론 그런 광학계는 아예 존재하지 않지만), 그 완벽한 상이 맺는 상면이 곡면인 경우 평면의 필름이나 CCD로 찍으면 상면만곡 수차를 피해갈 수 없다.

하지만 완벽하게 수차가 보정된 광학계란 존재하지 않는 관계로, 상면만곡의 효과는 그것이 상면만곡 때문인지 혹은 주변부에서 나타나는 다른 코마수차비점수차로 인한 효과인지 실제로는 구분이 불가능하다. 이 세 가지 수차는 광학계 주변에서 상을 망가뜨리는 주요 요인이다.

하지만 상면만곡은 상면을 평탄하게 펴주는 보정렌즈를 사용하여 보정할 수 있는데, 이를 'Field Flattner'라고 부른다. 또한 상면이 평탄하게 펴진 망원경 혹은 광학계를 'Petzval (펫츠발)' 광학계라고 부른다. 물론, 이 펫츠발 광학계라고 완벽할 리는 없다. 얻는 것이 있으면 잃는 것도 있는 법, 주변부 상을 보정하기 위해 Field Flattner를 추가한 광학계는 대개 그 대가로 중심상이 약간 나빠진다. 



대개의 카메라용 렌즈는 6~8장 혹은 그 이상의 렌즈를 사용하여 설계되어 있으며, 사진용이므로 당연히 펫츠발 설계가 되어 있다. 반면 천체망원경의 경우는 그 용도가 다르다.
 
사람이 망원경으로 천체를 관측할 경우, 사람의 눈은 어느 정도 자체적으로 초점을 변경할 수 있어서 약간의 상면만곡은 큰 문제가 되지 않는다. 따라서 사진을 찍을 목적이 아니라면 중심상을 대가로 치르고 주변상을 얻기 위해 펫츠발 설계가 된 망원경을 고를 필요가 없다.

하지만 사진을 찍을 목적인 경우, 펫츠발 설계는 매우 중요하다. 행성의 고배율 확대촬영이 아닌 대부분의 경우, 펫츠발 설계가 된 망원경은 그렇지 않은 경우에 비하여 천체사진에서 월등하다고 볼 수 있다.


아마추어용 천체망원경은 보통 사진용 경통을 따로 파는 경우가 드물다. 대부분의 경통은 굴절, 반사 구분없이 접안렌즈를 끼우고 눈으로 보는 용도로 팔고 있다. 하지만 여기서 시야를 넓게 하기 위한 '리듀서'나 혹은 뉴턴식 경통의 경우 코마수차를 보정하기 위한 코마콜렉터를 추가악세사리로 취급하여 파는 경우가 있는데, 대부분 이런 추가 광학계에 상면을 어느정도 펴 주는 Field Flattener의 기능을 포함하고 있다. 눈으로 즐길 아마추어가 리듀서나 코마콜렉터가 필요한 경우는 거의 없기 때문이다.
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왜곡수차는, 자이델의 다섯가지 수차 중 가장 이해하기 쉬운 수차이다. 따라서 설명또한 간단하다.
왜곡은 카메라로 찍은 상이 원래의 모양 그대로 나오지 않는 것을 의미한다. 직선이 곡선이 된다던가, 같은 크기의 물체를 찍었는데 중심부의 물체와 주변부의 물체의 크기가 다르게 나온다던가 하는 것들이다.

왜곡수차는 때로는 사진에서 강조하고자 하는 부분을 나타내기 위하여 의도적으로 이용되기도 한다.
예를들면, 여성 모델의 얼굴이 의도적으로 크게 나오도록 유도하여 귀여워보이게 한다던가 하는 경우이다.
보통 잘빠진 모델은 8등신처럼 나오도록 밑에서 위로 찍지만,
왜곡이 강조된 어안렌즈등을 이용하여 고의적으로 얼굴을 크게 하는 경우 사진을 보는 사람이 그 모델의 다리가 짧아서 사진으 그렇게 나온거라고는 생각하지 않기 때문이다.

레이싱모델 구지성을 어안렌즈로 찍은 사진. 인터넷에 하도 많이 돌아다니는 사진이라, 안타깝게도 누가 찍은건진 모르겠다.



천체사진에서는, 시야가 100도 이상 되는 어안렌즈등을 이용하여 하늘의 대부분을 사진에 담기 위해 사용되기도 한다. 어안렌즈는 넒은 시야를 확보하기 위하여 왜곡을 의도적으로 가한 렌즈이다. 광각렌즈는 왜곡을 보정해야 하는 반면, 어안렌즈는 왜곡을 오히려 가해야 한다는게 차이점이다.

Vivitar 24mm F2.8 렌즈로 찍은 서울세계불꽃축제. 강을 보면 수평이 잘 맞았음에도 불구하고, 왜곡으로 인하여 63빌딩이 심하게 기울어져 있다. 좋은 광각렌즈는 이보다는 왜곡이 덜할 것이다.



반면 시야가 좁더라도 왜곡은 나타나는데, 고배율로 달을 확대하여 찍더라도 이런 사진들을 모자이크하여 달의 커다란 사진을 만들어보고자 하면 실제로는 왜곡때문에 모자이크에 큰 어려움을 겪게 된다.

이런 고배율로 찍은 사진도 왜곡으로 인하여 모자이크로 이어붙이는 작업을 하는데에는 어려움이 있다.


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  비점수차는 자이델의 5수차 중 가장 이해하기 난해한 수차이다. 이 글을 쓰는 나도 비점수차를 일으키는 원인에 대해서 어떠하다고는 알고는 있으나 '정말 그런가?'에 대해서는 아직 잘 모른다. 그만큼 말로만으로는 이해하기가 어렵고, 광학을 배운 사람이 수식적으로 풀어봐야 이해하기 수월하다. 하지만 그런 수식을 다루기 어려운 사람들은 어찌 되었건 말과 그림으로 이해해야 하는데, 쉽지 않은 일이다. 

  비점수차는 렌즈에 입사하는 두 수직방향의 빛이 서로 굴절률이 달라서 (= 초점이 달라서) 발생하는 수차로 알려져 있다. 이를 그림으로 나타내면 아래 그림과 같다.

  위 그림에서 렌즈에 노란색 평면으로 입사하는 빛과 붉은 색 평면으로 입사하는 빛이 서로 다른 굴절을 하게 될 경우 초점이 달라지게 된다. 당연히 렌즈에서는 렌즈의 주변부와 중심부의 굴절률이 다르게 되는데 (같을 경우 빛이 모이지 않는 평면 유리가 되므로), 이로 인하여 나타나는 수차라는 얘기다.

  비점수차는 주로 주변상에서 쉽게 관찰되지만, 중심상에서도 나타나는 경우가 있다. 이 경우 초점을 맞추다 보면 수차가 보이게 되는데, 초점이 안 맞았을 때 한 쪽 방향으로 별상이 길게 늘어져 있다가 초점을 맞추려고 하면 초점이 맞는 대신 원래 늘어져 있던 방향에 수직으로 다시 별상이 늘어져 버리는 경우이다.


Vivitar 24mm F2.8 렌즈의 주변부 비점수차






  비점수차는 대체로 주변상에서 코마수차와 함께 복합적인 형태로 관찰된다. 따라서, 만일 주변상에서 코마수차가 'I' 방향으로 생기고 비점수차가 '--' 방향으로 생길 경우 두 수차의 영향이 비슷하면 수차의 모양은 'ㅗ'와 같은 모양을 띄게 된다.
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  천체망원경에서 가장 많은 문제를 일으키는 수차가 구면수차, 코마수차, 비점수차이다. 이 중 구면수차는앞선 글에서 설명하였고, 비구면을 사용하여 제거가 가능하다.

  반사망원경에서 구면수차의 제거는 포물면을 쓰면 깔끔하게 해결된다. 포물면은 평행광을 초점에서 한 점으로 모아주고, 별빛은 평행광이므로 포물면은 이상적인 듯 하다. 역으로, 포물면의 초점에서 발산된 빛은 포물면에 반사되면 평행광이 되어 일직선으로 평행하게 뻗어나간다. 그래서 자동차의 전조등의 반사면은 포물면으로 만든다.

  하지만 포물면이 평행광을 한 점으로 모아주는 것은 포물면에 똑바로 들어오는 빛 뿐이다. 이는 망원경에서 보면 시야의 중심에 해당한다. 망원경으로 하늘을 보았을 때 시야의 주변부에 보이는 별빛은 비록 평행광이긴 하지만 망원경에 비스듬하게 입사된 빛이다. 포물면은 이 빛들은 한 점에 제대로 모으지 못하는데, 포물면에서 기울여져 반사된 빛이 상면에 반사되는 모양이 찌그러져 있기 때문이다. 이 때 그 모양이 마치 혜성 머리처럼 한 쪽은 뾰족하고 다른 쪽은 넓게 늘어진다 하여, 혜성의 머리에서 이름을 본따 '코마수차'라고 부른다.


  위 그림에서 포물면에 제대로 입사하는 별빛 (파란색 평행광)은 시야의 중심에서 한 점에 제대로 모인다. 하지만 시야에서 벗어나는 곳에 보이는 별 (노란색)은 비록 평행광이긴 하지만 포물면에 비스듬하게 입사하여, 시야에서는 찌그러져 보이게 된다. 시야에서 많이 벗어나는 곳에서는 그 정도가 더 심하다 (빨간색).  

사진 촬영 : 정용석


  위 사진은 실제 망원경으로 천체를 찍었을 때의 모습이다. 노란 색 박스으로 강조해놓은 부분을 보면, 별들이 사진의 중심부를 향하여 일그러져 있는 것을 볼 수 있다. 코마수차는 실제로 이러한 모습으로 보인다.

  천체망원경에서, 특히 연구용 대형 반사망원경에서 코마수차는 시야를 제한하는 역할을 하였다. 넓은 시야에 대하여 별의 등급과 좌표를 얻는 일이 코마수차때문에 어렵게 되자, 사람들은 연구용 망원경을 카세그레인이 아닌 슈미트 카메라나 또는 리치-크레티앙 방식을 사용하기 시작한다. 현재는 포물면을 주경으로 사용한 반사망원경은 아마추어용으로 만든 소형 반사망원경만 만들고 있다.  
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  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.

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  수차, 이 좀처럼 머릿속에 이미지가 떠오르지 않는 단어를 망원경에 대해 알려달라는 사람들에게 설명하기가 여간 난감한게 아니다. 나부터도 수차라고 하면 0.2초 생각하고 말을 꺼내는데, 처음 듣는 사람들은 이 '수차'단어의 존재만으로 내가 하는 말들을 외계어로 인식하기 딱 좋다. 

  수차란 망원경으로 별을 봤을 때 별이 점으로 보이지 않게 만드는 온갖 요인을 말한다. 별은 워낙 멀리 있어서 아무리 배율을 높여도 점을 보이므로 (태양계 친구들, 성운, 성단, 은하 제외), 이상적인 망원경은 적절한 시야 이내에서 모든 별들이 점으로 보여야 한다. 그런데 이 수차라는 놈때문에, 이런 망원경이 존재할 수가 없게 된다 (그러니까 이상적인 망원경이란 얘기다 -_-).


  처음 발견된 수차는 색수차이다. 굴절망원경에서 골치아픈 놈이 이 색수차란 놈은 이전 포스팅에서 언급했으니 링크를 걸어 본다.
2011/02/02 - [별을 보는 이야기/망원경 이야기] - 천체망원경 이야기 - 3 : 굴절망원경의 색수차와 아크로메틱

  이 색수차 말고도 다른 여러가지 수차들이 있는데, 흔히 자이델의 5수차라 불리는 구면수차, 코마수차, 비점수차, 왜곡, 상면만곡 등이 있고, 비넷이란 놈이 또 있다. 색수차를 피하기 위해 반사망원경을 쓴다고 해도 이 놈들은 피해갈 수가 없다. 반사망원경에 여러 종류가 있는 것도 다 이 놈들 때문이다. 가장 문제가 큰 것은 구면수차, 코마수차, 비점수차인데, 이 놈들에 관련된 이야기를 차차 해 볼까 한다.  
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