1. 서론

  천체망원경에서 집광력이 가장 중요하기에, 접안렌즈의 투과율은 망원경의 성능을 얼마나 제대로 발휘해 주는지에 대한 매우 중요한 요소입니다. 이미 기존에 어떤 접안렌즈가 투과율이 좋고 나쁜지에 대한 경험적인 정보는 있지만, 이를 실험으로 확인해보고 싶었습니다.

  마침 학교에 간단한 광학실험실이 있어서, 시간나면 해보고 싶었던 접안렌즈 투과율 실험을 해 보았습니다. 보통 렌즈의 투과율은 재질에 따라 다르며, 여기서 코팅에 따라 또 달라집니다. 이 실험은 650nm 파장의 단색 레이저를 이용하였으므로, 우리 눈이 가장 민감한 녹색광의 투과율과 다르다는 점을 유념하셔야 합니다. 다만 발광성운의 주요 파장인 656.3nm의 H-alpha와 매우 가깝다는 점에서 중요한 의미가 있을 수 있습니다.

 

2. 방법

2-1 검출기

  검출기는 약 1제곱cm 정도 크기의 정사각형 모양으로, 소자가 무엇인지는 모릅니다. 하지만 단색의 레이저를 쓰며, 레이저가 접안렌즈를 통하였을 때와 통하지 않았을 때, 그리고 레이저 마저 껐을 때의 값을 통하여 투과율을 계산하므로, 검출기의 소자를 몰라도 문제가 없다고 보고 진행하였습니다

2-2 레이저 출력의 안정성

  레이저 출력이 안정적인지에 대해서 알아볼 방법이 없습니다. 하지만 아래 표에서 레이저와 검출기의 위치를 고정했을 때 접안렌즈를 통과하지 않은 경우의 값들이 매우 일정함에 따라, 레이저 출력이 검출기가 주는 값의 소수점 셋째자리까지는 안정적인 것으로 볼 수 있습니다.

2-3 실험 방법

  학교 광학실험실에 있는 650nm의 레이저가 접안렌즈를 통과할 때와 접안렌즈 없었을 때의 광검출기에서의 값을 비교하여 투과율을 구했습니다. 실험은 형광등을 하나 켜놓고 했기에, 매 번 레이저 없을 때의 검출기 값, 레이저를 접안렌즈 없이 쏘았을 때의 값, 레이저를 접안렌즈를 통하여 쏘았을 때의 값을 각각 측정하였습니다. 당연히 접안렌즈의 방향은, 우리가 관측할 때 눈의 방향에 검출기가 오도록 하였습니다.

2-4 9mm 접안렌즈들

  9mm 접안렌즈들은 접안렌즈에 의해 확대된 레이저의 빛 다발의 크기가 광검출기 안에 간신히 들어오는 정도로, 광 검출기에 미처 포함되지 못한 빛들이 있을 수 있습니다. 따라서 아래 표에 '최소값'이라고 표시된 접안렌즈들은 적어도 이보다는 투과율이 높을 것으로 생각해야 합니다.

 

3. 결과 

4. 해석

  위 표에는 플뢰슬 나글러 Type 6, 스카이워쳐 울트라와이드앵글 (올리본 울트라 와이드 앵글) 세 가지 접안렌즈가 있습니다. 이 중 플뢰슬이 투과율이 가장 높고 울트라와이드앵글이 투과율이 가장 낮음을 알 수 있습니다.

4-1 플뢰슬끼리의 비교

  같은 플뢰슬 타입의 접안렌즈 중에서는 GS 플뢰슬이 650nm 파장에서 투과율이 가장 높습니다. 징후아 (맥스비젼) 플뢰슬이 셀레스트론 플뢰슬보다 투과율이 높다는 것은, 셀레스트론의 물건들이 대개 스카이워쳐 OEM이라고 보았을 때 징후아 플뢰슬이 스카이워쳐 플뢰슬보다 투과율이 높은 것으로 보입니다. 따라서 실험결과만으로 보자면, 중국 혹은 대만의 플뢰슬 접안렌즈의 650nm에서의 투과율은 GS > 징후아 (맥스비젼) > 셀레스트론 (스카이워쳐) 순으로 볼 수 있습니다.

  플뢰슬 타입 접안렌즈는 매우 고전적인 디자인이므로 광학적인 문제로 볼 수 없으며, 가격대로 볼 때 단정짓기는 어렵지만 렌즈의 재질 문제로 보기에는 어려운 점이 있습니다. 따라서 반사 방지 코팅의 문제를 가장 의심해볼 수 있습니다.

4-2 나글러 Type 6

  이 접안렌즈는 이 실험에서 사용된 접안렌즈들 중 가장 많은 매수의 렌즈를 쓰고 있으므로, 당연히 가장 낮은 투과율을 보여야 정상입니다. 이 접안렌즈는 배율이 어느 정도 있어서, 렌즈에 의해 확대된 레이저 빛 다발이 검출기 안에 들어오도록 하는데 간신히 성공했습니다. 따라서 96.9%라는 투과율은 최저치로, 실제 투과율은 이보다 높을 가능성이 상당히 있습니다. 비슷한 예가 GS plossle끼리 혹은 Celestron Plossle끼리는 0.5% 이내의 투과율 차이밖에 보이지 않는 반면 스카이워쳐 울트라와이드 앵글의 경우15mm와 9mm가 무려 3%의 차이를 보이는 것을 주목해야 합니다. 만일 더 저배율의 나글러였다면 98%에 가까운 투과율을 보였을지도 모릅니다.

  또한 고작 4장의 렌즈를 쓰는 셀레스트론 (스카이워쳐) 플뢰슬 타입에 비하여 나글러 type 6 9mm는 훨씬 많은 렌즈매수 (7장) 를 쓰고 있음에도 더 높은 투과율을 보이고 있습니다. 이는 이 접안렌즈의 코팅이 스카이워쳐보다 월등히 뛰어나며, 아마도 GS나 징후아 (맥스비젼)의 코팅과 적어도 비슷하거나 더 뛰어나다는 근거로 볼 수 있습니다.

4-3 울트라와이드앵글 접안렌즈

  울트라와이드앵글의 경우, 극심한 고스트 현상이 관측자들로부터 여러차례 보고된 바가 있으므로, 여러 관측자들로부터 알려진 기존의 주관적인 관측경험들과 실험 결과가 잘 일치합니다. 실제로 이 접안렌즈는 투과율이 상당히 떨어지는 것으로 판단할 수 있어 보입니다.

4-4 난반사 방지 처리와의 관계 및 가정

  이 실험에서는 빛 투과율을 실험하였기에, 내부 난반사 방지 처리와는 상관이 없이 렌즈 매수와 코팅이 투과율을 나타냄을 고려해야 합니다. 내부 난반사가 심할 경우, 투과율이 실제로 나빠도 다소 투과율이 높도록 왜곡할 수 있기 때문입니다. 하지만 레이저를 이용한 실험이기에, 내부 난반사 방지 처리가 이 실험에 큰 영향이 없다고 가정하였습니다.

4-5 단초점 접안렌즈

  레이저라고 해도 약간의 면적이 있어서, 배율이 높은 단초점 접안렌즈의 경우 이 레이저의 빛을 지나치게 확대해 버렸습니다. 때문에 또 다른 텔레뷰의 나글러 type 6 3.5mm와 특히 코팅기술로 유명한 XO 5mm의 투과율을 조사할 수 없었습니다.

 

5. 결론

  650nm 파장에서의 접안렌즈의 투과율을 조사한 결과입니다.

  (1) 플뢰슬 방식 중에서는 GS 플뢰슬이 투과율이 가장 뛰어나며, 셀레스트론의 것이 가장 떨어집니다.

  (2) 나글러 type 6 9mm는 투과율의 최소값으로 여겨지는 값을 기준으로 해도, 많은 7장의 렌즈를 쓰고 있음에도 불구하고 렌즈 매수가 4장 뿐인 셀레스트론 (스카이워쳐) 플뢰슬 접안렌즈들에 비하여 투과율이 크게 쳐지지 않습니다.

  (3) 스카이워쳐 울드라와이드앵글 접안렌즈는 심각하게 투과율이 떨어집니다. 적어도 발광성운 관측용으로는 적합하지 않으며, 제조사에는 코팅의 보완이 필요한지 여부를 검토하길 권합니다.

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  반사식에서 가장 단순한 형태가 뉴턴식이다. 현재 가격대비 성능에서 최강자를 지키고 있는  돕소니언 방식의 거의 대부분이 뉴턴식이다. 하지만 이 뉴턴식 망원경을 알고 보는 것과 모르고 보는 것은 차이가 있다. 

  반사망원경의 주경을 구성하는 오목면을 만들기에 가장 단순한 형태는 구면이다. 하지만 구면으로 만들 경우 구면수차라는 아주 골치아픈 문제를 마주치게 되기 때문에 대부분의 아마추어용 반사망원경은 주경을 포물면으로 만든다 (참고 : 천체망원경 이야기 - 5 : 수차 이야기 [구면수차]).

  포물면은 평행광선의 빛을 정확하게 바라보았을 때 그 빛을 한 점으로 모아준다. 그렇기에 이 포물면이 일상 생활에서 흔히 쓰이는 것을 볼 수 있다. 랜턴, 자동차 전조등의 전등 안쪽 반사면은 포물면으로 되어있다. 별빛은 너무 멀리서 오기 때문에 평행광선이고, 포물면으로 별빛을 정확하게 조준하면 별빛이 한 점에 모인다. 천체망원경에서 시야 중심에서 상이 가장 완벽한 것은 포물면으로 주경을 구성한 반사망원경이다. 단, 빛을 입자로만 생각한다면 말이다 (빛은 파동의 성질도 가지고 있다). 

  뉴턴식은 이 포물면의 주경이 모으는 빛을 부경 (사경)을 달아 옆에서 볼 수 있게 고안한 것이다. 따라서 뉴턴식의 경우에는 주경에 의해 모인 빛이 있는 그대로 방향만 바뀌어 관측자에게 향한다고 보면 되겠다. 뉴턴식은 보통 초점비 4-7 사이에서 제작하는데, 이 초점비는 경통의 용도에 따라서 다르게 제작할 수도 있고 또 제작했을 때 경통의 부피 등도 고려한다고 생각하는게 맞을 것 같다. 적도의 위에 올릴 경통의 경우 초점비가 크면 지나치게 부피와 무게가 커져서 그만큼 비싼 적도의를 요구하게 되므로 가급적 초점비를 작게 만드는게 좋겠고, 돕소니언의 경우에는 사람의 평균적인 키에 가급적 맞추는 것으로 보인다. 돕소니언에서 동일구경의 경우 초점비가 커지면 접안부의 높이가 올라가서 키가 작은 사람이 관측하기 어렵고, 지나치게 작으면 또 허리를 굽혀야 하므로 불편함이 있다.

 

뉴턴식 망원경의 단면도

뉴턴식 경통으로 만든 돕소니언


 
 

  카세그레인식은 망원경의 옆에서가 아닌 뒤에서 관측할 수 있도록 고안한 것이다. 평면거울 대신 볼록거울을 사용해서 주경의 뒤쪽으로 빛을 빼 주는데, 이 때 볼록거울에 의하여 주경이 모은 배율보다 배율이 약간 늘어난다. 현재는 아마추어 용으로도 연구용으로도 카세그레인을 제작하는 경우가 드물다. 연구용으로는 리치-크레티앙이라는 방식을 이용하고 있고, 아마추어용으로는 뉴턴식을 더 선호하는 편이다. 다만 전파망원경에서는 카세그레인식을 주로 이용하고 있다.

카세그레인식 망원경의 단면도


  현재 쓰이는 광학용 카세그레인 망원경은 흔치 않음에도 카세그레인이라는 단어는 생각보다 쉽게 접해볼 수 있는데, 넓은 의미에서는 리치-크레티앙 등의 망원경도 카세그레인이라고 부르는 경우가 많이 있기 때문이다. 하지만 좁은 의미의 카세그레인식 망원경은 주경을 포물면으로, 부경을 쌍곡면으로 연마한 위의 단면도와 같은 형태의 망원경이다. 다만 망원경을 겉으로 보았을 때 카세그레인과 비슷한 구성 (오목거울 주경 + 볼록거울 부경)을 가지고 있으면 그냥 편하게 카세그레인이라고 부르는 경우가 가끔 있다. 

  또한 '카세그레인 초점'이라는 말을 또 들어볼 수 있는데, 이것은 광학계가 카세그레인이냐 여부와는 전혀 상관없이 초점이 주경의 뒤쪽에 자리하면 카세그레인 초점이라고 부른다. 1m 전후의 구경을 가지는 적도의식 가대의 소형 연구용 망원경의 경우에는 카세그레인 초점에 CCD나 분광기를 달아 직접 관측을 하는 경우가 많다. 하지만 경위대식 가대를 이용하는 큰 망원경에 무거운 기기를 설치해야 하는 경우 카세그레인 초점에 달지 않고 한 번 더 옆으로 빼서 나스미스식 초점에 설치하는 경우도 있다. 

카세그레인 초점과 나스미스 초점의 차이



  뉴턴식이건 카세그레인식이건, 부경을 공중에 매달아 두기 위해 부경을 잡아주는 지지대를 설치해야 한다. 이것을 보통 '스파이더'라고 부르는데, 왜 이렇게 부르는지는 나도 잘 모르겠다. 어쨌든 이 스파이더와 부경이 주경 앞을 가리기 때문에 나타나는 몇 가지 문제가 있는데, 하나는 광량을 잡아먹는 것이고, 다른 하나는 회절을 일으켜 상을 악화 시킨다는 것이다. 광량을 잡아먹는 것은 큰 문제가 되지 않으나, 회절은 심각한 문제를 일으킨다. 그래서 반사망원경으로 밝은 별을 보면 아래 사진처럼 보이게 된다.

반사망원경으로 본 밝은 별

  위 사진에서 X 모양으로 길게 늘어선 것이 스파이더에 의한 회절이다. 또한 밝은 별 주변에 뿌옇게 별무리가 진 것을 볼 수 있는데, 이것은 부경에 의한 회절이다. 일반적으로 반사망원경으로 별을 보면 스파이더에 의한 회절이 가장 먼저 눈에 띄고 또 거슬린다. 하지만 부경에 의한 회절 역시 만만치 않게 상을 악화시킨다는 것을 상기해야 한다. 앞서 위에서 빛을 입자로만 생각한다면 포물면으로 주경을 연마한 뉴턴이나 카세그레인 망원경이 중심상이 가장 좋다고 언급하였는데, 빛을 입자로만 생각하면 반사망원경에서는 직진과 반사만 일어나기 때문이다. 하지만 빛은 파동의 성질도 가지고 있으므로 회절을 일으키고, 이로 인한 상의 악화는 상당히 크다.  

  스파이더와 부경에 의한 회절에도 불구하고 뉴턴식이나 카세그레인식의 중심상은 봐줄만한 편이다. 하지만 주변상으로 가면 얘기가 달라지는데, 중심에서 멀어져서 시야 주변으로 갈수록 별상이 길게 늘어지는 현상을 볼 수 있다. 이것은 주경을 포물면으로 연마하면 필수적으로 나타나는 현상으로, 코마수차라고 한다 (천체망원경 이야기 - 6 : 수차 이야기 [코마수차]). 이 코마수차는 시야가 넓어도 시야 가장자리 부분을 못 쓰게 만들기 때문에, 쓸만한 시야를 제한하는 역할을 한다. 연구용 망원경들이 카세그레인 대신 리치-크레티앙 방식을 쓰는 이유도 이 코마수차 때문이다. 리치-크레티앙 방식은 주경을 포물면이 아닌 쌍곡면으로 연마하기 때문에, 코마수차를 상당히 줄일 수 있다.

  이 코마수차로 인하여, 포물면을 주경으로 쓴 뉴턴식이나 카세그레인식의 경우 시야에서 조금만 벗어나도 상이 바깥 방향으로 꽤 번지는 것을 볼 수 있다. 이 때문에 대부분이 뉴턴식인 돕소니언의 경우 손으로 추적하면서 행성등을 관측하기에 어려움이 있다. 고배율의 행성 관측에서 돕소니언으로 세밀하게 추적하기가 어려운데다, 손을 경통에 직접 대기 때문에 손떨림 등이 경통에 그대로 전달되기 때문이다.

반사망원경에서 초점이 맞지 않았을 때의 모습


  위 사진은 덤 ... 인터넷에서 구한 것인데, 망원경의 초점을 이렇게 흐려놓으면 빛이 주경에 닿기 전에 어떻게 가려졌는지를 볼 수 있다. 반사망원경에서는 부경에 의해 가운데 부분이 가려지고 또 스파이더에 의해 X 모양으로 약간 가려지므로 초점이 안 맞는 상태에서는 위 사진처럼 보이게 된다. 만일 밝은 별을 시야 중심에 놓고 초점을 흐렸는데 위 사진처럼 보이지 않고 가운데 검은 부분이 한 쪽으로 치우쳐 있다면, 그것은 주경이 기울어져 있던가 혹은 부경의 중심이 맞지 않은 것이므로 이러한 상태에서 망원경의 광축을 점검할 수 있다. 또한 이 상태에서의 밝은 부분의 일렁거림으로 씨잉을 가늠해볼 수 있고, 이 일렁거림은 망원경이 냉각이 다 되지 않았을 때에는 또 다른 패턴으로 일렁거리기 때문에 냉각이 잘 되었는지 여부도 확인해볼 수 있다. 

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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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  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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이 망원경은 좋은가요?
  망원경에 대해 아무것도 모르는 사람이 급히 망원경을 골랐을 때에 나오는 질문이다. 나는 이런 질문을 하는 사람이 천체망원경을 사면, 십중팔구 머지않아 도로 되팔고 다른 망원경을 사거나 혹은 이 취미를 접을 것이라고 예상한다.

  사람은 기회비용이 발생할 때 갈등하게 된다. 천체망원경을 구입할 때에도 마찬가지이다. 돈이 많다면, 세상에 존재하는 모든 망원경을 다 모아서 수집해도 되고, 직접 사람을 고용해서 최강의 광학계를 설계해서 망원경을 직접 만들어도 된다. 돈이 넘쳐난다면 말이다. 물론, 그런다고 '밝게 잘 보이고, 상이 선명하고, 상이 예리하고, 시야가 넓고, 분해능이 좋고, 이동성까지 좋은' 망원경은 만들 수 없겠지만, 그래도 돈이 많이 투입될수록 성능은 좋아질 수밖에 없다. 
  그렇지만 돈이 2배로 투입된다고 무조건 성능이 2배가 되지는 않는다. 성능을 수치화하긴 어렵지만 굳이 애써 예를 들어보면 돈이 2배일 때 성능이 2배이면, 돈이 4배가 되면 성능은 3배, 돈이 8배가 되면 성능은 3.5배 뭐 이런 식이라고 생각하는게 무조건 2배로 늘어난다고 보는 것보다 더 맞을거다.

  그렇다면 적절한 선에서 자금을 들여서 망원경을 고를 때 우리는 어떤 것을 선택해야 할까? 망원경을 처음 사는 사람들은 이렇게 질문한다. "이 망원경은 얼마나 보이나요?", "이 망원경은 잘 보이나요?" 정말 간단한 질문들이지만, 정말 대답하기 어렵다. 똑같은 대답을 해도 나중에 와서 어떤 사람은 "님 말이 맞더이다" 혹은 어떤 사람은 "알지도 못하는 놈이 추천해줘서 망했다"라고 말하기도 한다.

  아니 그런데 입장을 바꿔서 생각을 해 보자. "페라리가 좋은 차인가요?" 아마도, 대부분의 사람들은 좋은 차라고 생각할 것이다. 적어도 코란도를 타는 사람보다 좋은 차를 탄다고 생각을 하겠지. 그런데 만일 이 질문 앞에 (오프로드를 달리고 싶은데)라는 조건을 덧붙였어야 했는데 질문자가 이를 생략했다면 어떨까. 

 

저렴한 가격에 큰 구경을 사용할 수 있는 돕소니언 방식 : 200mm 구경에 100만원 안쪽이다.

거의 무결점에 가까운 상을 보여주지만 비싸고 구경은 작은 고급굴절. 200mm 구경이면 수천만원을 호가한다.



망원경 구입에도 기회비용이 발생한다. 실패하지 않는 방법은?
  망원경을 사는 것은 돈을 지불하는 일이므로 당연히 기회비용이 발생한다. 또한, 망원경 경통 뿐 아니라 가대나 접안렌즈 등의 악세사리를 장만하면 경우에 따라서 망원경보다 더 많은 비용이 필요할지도 모른다. 적어도 수십만원을 들여서 산 망원경이 썩 마음에 들지 않는다면, 누구나 기분이 좋지는 않을 것이다. 당연히 망원경을 사기 전에는 시장조사와 제품조사가 필요하고, 먼저 사용해본 사람들의 의견을 들어봐야 한다. 심지어 10만원짜리 하드디스크 하나 사는 데에도 수많은 댓글들을 보면서 어떤 하드가 안정적인지 고민하는 시대인데, 망원경 하나 사는데 그만한 고민 정도는 해야지 않겠나. 

  문제는 더 좋은 망원경일수록 더 비싸다는 것이다. 쓸 수 있는 돈은 한정적이고, 망원경은 비싸기만 하다. 결정은 어렵다. 망원경 조사라고 해본 사람이면 망원경을 쓰는 기존의 유저들의 의견이라고 들어보면 자기들끼리 의견만 분분하지 어디하나 명확하게 해결해 주는 사람이 없을 것이다. 그 사람들도 자신의 취미를 하는 것이니 자기 자신의 의견이 당연히 자기 취향을 따라가는 것이다. 

  망원경을 사면 무엇을 볼 수 있을까? 달, 목성, 토성, 금성, 화성 ... 밝은 성운 너댓개, 우리의 개념충만한 안드로메다, 또 뭐 ...? 그래, 이거 몇 개 보고 눈구경 하자고 망원경을 사려 했다는 말인가? 그러면 망원경 있는 사람한테 빌붙어서 일단 보고 결정하는건 어떤가. 의외로 별보는 사람들은 같은 취미 가지는 사람이 늘어나는걸 대환영한다. 특히 우리나라는 이쪽이 숫적으로 소수에 해당하는 취미이고 별보는 사람끼리 한다리만 건너면 다 아는 사이일 정도로 좁은 바닥이기 때문에, 여기 한두명 골수 별쟁이가 추가되는데 반대할 사람이 없다. 당연히, 망원경 사기 전에 남의 망원경으로 조금 눈동냥 하겠다는데 반대하는 사람은 드물다.


망원경을 사기 전에 제대로 알고 사자
  망원경을 사게 되면, 망원경값보다 망원경을 쓰는데 드는 돈이 훨씬 많이 들어간다. 망원경을 들고 별이 잘 보이는 곳으로 별을 보러 가보자. 차를 몰고 간다면, 왕복 기름값 + 저녁값 + 아침+ 야식비용을 생각해볼 수 있을 것이다. 그리고 이튿날 피로회복을 위하여 소진하는 시간을 생각해 볼 수 있다. 문제는, 한국에서 날씨가 좋은 날이 20~30% 정도 밖에 되지 않는다는 것이고, 달이 어두운 그믐 근처에만 어두운 성운,성단,은하를 볼 수 있으며, 그 와중에 경조사나 기타 이유로 관측을 나가지 못하는 날이 있다는 것이다. 그럼에도 불구하고 한 번 관측을 나가는데 10만원 이상이 깨지는 것을 생각하면, 망원경 100만원짜리 사서 1년 적당히 써도 망원경값 만큼은 망원경을 쓰는데 쓰게 된다.

  차를 산다고 생각해 보자. 차를 타고 주로 뭘 할건지에 따라 차종이 달라질 것이다. 도로에서 스피드를 즐기고 싶다면 스포츠카를 사게 될 것이고, 아이가 있는 집은 안전하고 조용한 세단을 선호할 것이다. 식구가 많은 집은 승합차를, 업무상으로 차를 타고 움직이려 할 경우 연비를 먼저 고려할 것이다. 아마 별을 보는 사람이라면 험한 길이나 눈길도 지나갈 수 있고 많은 짐을 운반할 수 있도록 4륜구동 SUV를 선택할 것이다. 
  
  망원경도 마찬가지이다. 멀리 시골에서 어두운 성운,성단,은하를 보려는 사람은 돕소니언을, 예리한 상을 좋아하는 사람은 고급 굴절망원경을, 차가 없어서 망원경을 들고 다녀야 하는 사람은 소구경 굴절을 사야 할 것이다. 용도, 취향, 여건, 예산, 여가의 많고 적음에 따라서 선택은 달라진다.

  사전조사를 충분히 하지 않고 장비를 덜컥 사는 경우를 수 없이 많이 보았다. 비슷한 경우를 사진 동호회에서도 많이 본다. 이런 사람들은 대부분 머지않아 장비를 교체하게 되고, 자신이 샀던 망원경의 제 성능을 제대로 보지도 못하고 다른 주인에게 값싸게 장비를 넘기게 된다. 물론 학생들 입장에서는 비싼 장비를 사다가 거의 신동품으로 반값 정도로 중고로 넘겨주니 고마운 사람이 되겠지만, 자신이 현재 가지는 취미에서 즐길 줄을 모르고 밑도끝도 없이 장비에만 돈을 쏟아붓는 것은 얼마나 안타까운 일인가. 




  별은 하루 안 본다고 없어지거나 하지 않는다. 다만 구름이나 광공해에 잠시 가려질 수는 있겠다. 나는 이렇게 생각한다. 인간의 시간에서는 사실상 변화가 없는 우주를 보겠다면서 지나치게 급하게 장비를 구입하고 빨리 호기심을 해결하려 할 필요가 굳이 없다고 말이다. 오늘 뜬 별은 내일도 뜨고 모레에도 뜨고, 우리 생애에 별이 뜨지 않는 날은 없을 테니까.


추가. 이 포스팅은 추천을 좀 부탁드립니다. 추천 구걸 같은거 하고 싶지 않은데, 간단히 검색해보니 망원경 정보와는 상관 없거나 올바른 정보를 주지 않는 페이지들이 '천체망원경 추천'이라는 태그로 도배되어 있더라구요. 밑에 손가락모양의 'View on' 버튼을 누르면 추천됩니다.


댓글로 질문하시면 답변도 드립니다. 


Posted by 당근day
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  색수차, 이 얼핏 듣기에 어렵고 초보에게 의미전달이 어려울 것 같은 단어를 써야 한다는게 늘 망설여지는 일이지만, 굴절망원경에서 색수차를 빼면 아무것도 설명할게 없다. 굴절망원경의 다양한 렌즈조합이나 소재등에 따른 망원경의 성능이 바로 이 색수차가 주된 요인이기 때문이다.

  색수차는 별이나 행성, 달 등의 천체를 망원경으로 보았을 때 붉은 색과 푸른 색으로 색이 번져 보이는 현상을 말한다. 색수차가 일어나는 원인은 프리즘의 원리 같아서, 빛이 물질을 통과할 때 빛의 색(파장)에 따라 굴절이 되는 정도가 다르기 때문이다. 굴절망원경의 렌즈를 통과할 때, 마치 프리즘을 통과하듯 색이 제각각 다르게 굴절된다고 보면 되겠다.

프리즘

색수차가 있는 대물렌즈




  최초로 만들어진 망원경은 굴절망원경이었다. 갈릴레오 갈릴레이는 스스로 제작한 작은 굴절망원경으로 많은 발견을 하였고, 이후 반사망원경이 망원경의 주역으로 자리잡기까지 굴절망원경도 많은 개선을 통하여 색수차 문제를 해결하였다. 

망원경을 길게 만들어라! 
  굴절망원경의 색수차를 줄이기 위하여 가장 먼저 시도한 방법은, 망원경을 길게 만드는 것이었다. 망원경의 대물렌즈의 지름 (구경)에 비하여 렌즈와 초점사이의 거리 (초점거리)를 길게 하면 색 번짐 현상이 줄어든다는 것을 이용한 방법이었다. 그러나 이 방법은 망원경이 길어질수록 망원경을 다루기 힘든 크기가 된다는 단점이 있었다. 또한 더 어두운 천체를 자세히 보기 위해서 구경이 더 큰 망원경이 필요했는데, 그러면 망원경의 길이 또한 덩달아 늘어나서, 이 방법으로 망원경의 성능을 개선시키는데에는 한계가 있었다.

이런 망원경을 움직여서 시직경 30초짜리 목성을 100배로 본다고 생각해 보자... 가능할까?



  이러한 굴절망원경의 단점에 힘입어 반사망원경이 등장하게 되기도 하지만, 굴절망원경도 색수차를 획기적으로 줄이는 개선이 이루어지게 된다. 그것은 렌즈를 두 장을 쓰는 것이었다. 원래는 굴절망원경의 대물렌즈는 한 장의 볼록렌즈로 만들어졌는데, 이 한 장의 볼록렌즈를 통과하면서 푸른색과 붉은색의 빛이 서로 제각각의 초점을 만드는 색수차 문제를 해결하기 위하여 그 뒤에 렌즈 한 장을 덧붙이는 것이었다. 이 렌즈의 역할은 붉은 색과 푸른 색의 초점을 하나로 모아주는 것이었다. 이렇게 되면 색 분산은 녹색이나 보라색등에서 여전히 남아있지만 색수차는 거의 반 이하로 줄게 된다. 이를 아크로메틱이라고 하며, 현재 시판되는 100만원 이하의 보급형 굴절망원경들은 모두 이러한 방식이다.

아크로메틱 렌즈 : 왼쪽의 볼록렌즈가 만든 색 분산을 오른쪽의 렌즈가 바로잡아준다

  사실 우리가 볼 수 있는 빨주노초파남보 무지개의 색에서 제일 끝에서 끝의 색이라면 빨강과 보라일 것이다. 그런데 빨강과 보라의 초점을 같게 만들지 않고 빨강과 파랑을 같게 만드는 것은, 보라색 빛이 빛의 양도 적고 우리 눈에도 민감하지 않아서이다. 다만 망원경의 목적에 따라 빨강과 녹색 혹은 파랑과 녹색 의 초점을 같게 만들기도 한다.  

  그런데 여기서 우리가 눈치채야 할 것은, 렌즈 하나를 추가하면 색 하나의 색번짐을 줄인다는 것이다. 당연히 렌즈가 많으면 많을수록 색수차는 줄일 수 있다. 물론, 다른 다양한 단점들을 무시한다면 말이다. 이 다양한 단점들 중 가장 중요한 것은, 렌즈가 많아지면 많아질수록 렌즈에서 소실되는 빛의 양이 증가한다는 것이다. 태양계의 구성원을 제외한 대부분의 천체는 너무 어두워서, 아주 적은 양의 빛이라도 아쉬운 것이 현실이다. 또한 큰 구경의 렌즈를 늘림으로서 가격이 비싸지게 된다. 따라서 색수차를 줄이겠다고 렌즈를 수없이 많이 쓰는 방법은 천체망원경에는 좋은 방법이 아니다 (반면 이런 제약조건에서 자유로운 카메라의 렌즈는 보통 거의 10장 가까이 되는 렌즈를 쓴다).  

  두 장의 렌즈로도 색수차를 과거보다 꽤 줄일 수 있게 되었지만, 이보다 색수차를 더 줄이기 위하여 세 장의 렌즈를 쓰는 경우도 많이 있다. 혹은 색 분산이 훨씬 적은 소재를 사용하기도 한다. 어떠한 방법을 쓰던간에, 색수차를 아크로메틱(2장의 렌즈를 사용한 굴절망원경)보다도 현저하게 줄인 굴절망원경을 아포크로메틱이라고 한다. 아포크로메틱의 정의는 다소 애매모호하지만, 색수차를 현저하게 줄인 경우 보통 아포크로메틱이라고 부르고 있다. 가격은 작은 망원경은 100만원대 초반부터 구경이나 설계, 연마 정밀도, 기계적인 부분의 마무리등에 따라 수천만원 이상까지도 한다.  

아포크로메틱 렌즈

  대부분의 아포크로메틱에는 색 분산이 훨씬 적은 소재가 들어가는데, ED, SD, FL등의 소재를 사용하였다고 하는 경우이다. 이러한 렌즈소재들은 보통의 유리보다 무르기 때문에 가공하기가 어렵고 소재 자체가 비쌀 뿐 아니라, 형석 (FL : Fluorite)의 경우 보석의 일종이라 품귀현상도 있어서 최근에는 이 소재를 사용하는 모델이 점점 줄고 있다. 


  천체망원경의 성능의 척도는 기본적으로 집광력 (구경에 비례)과 분해능 (구경에 비례)이 있다. 그러나 여기에는 다른 조건에 따라 망원경의 성능에 영향을 주는 경우가 생긴다. 첫째로는, 광학계 설계를 어떻게 했느냐에 따라 나타나는 설계적인 결함이 있을 수가 있고, 이는 완전히 제거할 수가 없다. 이를 눈에 거슬리지 않을 정도로 잘 제거한 망원경은 매우 비싸다. 둘째로는 설계가 완벽하다고 해도 얼마나 설계대로 잘 만들었느냐 (연마정밀도)에 따라서, 그러니까 렌즈나 거울의 면을 얼마나 매끈하고 정밀하게 연마했느냐에 따라서 또 성능이 좌우된다. 마지막으로는 만든 광학계를 얼마나 정밀하게 설치하느냐, 즉 기계적인 부분에 의해서 결정된다.

  이 글에서 간단하게 설명한 색수차는 비록 굴절망원경에서 매우 큰 영향을 미치는 요소일지라도, 위의 여러가지 조건 중 일부일 뿐이다.

Posted by 당근day
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  이 블로그가 일종의 내가 알고 있는 (혹은 알았던) 정보검색의 기능을 하려면 망원경에 대해서 써놓은게 있어야 할 것 같다. 물론 다른 검색에서도 망원경에 대해서 충분한 정보를 얻을 수 있겠지만, 내가 알고 있는 범위 내에서라도 잘못된 정보를 걸러내고, 무엇이 사실이고 무엇이 소문이고 어떤 것이 확인된 것인지를 구분해 놓으려고 한다. 그것을 위해서는 망원경의 기본적인 정보에 대한 얘기를 먼저 써야 할 것 같다. 
  나는 광학 전문가가 아니다. 하지만 아마추어의 용도로 쓰이는 천체망원경은 가장 단순한 광학만으로도 그 특성을 바르게 이해할 수 있다. 취미로 할 수 있고, 돈내고 배우지 않아도 이해할 수 있는 수준의 내용이기 때문에 아마추어이다. 앞으로 이어질 여러 개의 포스팅을 통하여, 아마추어의 범위를 벗어나지 않는 선에서 필요한, 망원경에 대한 모든 것들을 써볼까 한다.

 
1. 천체망원경의 역사

망원경은 누가 처음 만들었는가 ?
  많이 알려진 사실이지만, 망원경을 처음 만든 것은 갈릴레오 갈릴레이가 아니다. 망원경을 처음 만든 것은 네덜란드의 한스 리퍼셰이로 알려져 있다. 한스 리퍼셰이는 망원경으로 천체를 보지는 않았고, 그래서 갈릴레오 갈릴레이가 천체를 처음으로 관측한 사람으로 한동안 기억되었다. 하지만 나중에, 영국에서 갈릴레오 갈릴레이보다 먼저 달의 표면을 스케치한 사실이 알려졌다. 하지만 여전히 갈릴레오 갈릴레이는 처음으로 망원경으로 천체를 본 사람으로 기억되고 있다.

  갈릴레오 갈릴레이는 우선 달을 보았고, 기존에 알려졌던 것과 달리 달의 표면이 매끄럽지 못하다는 사실을 알았다. 또 목성을 보았더니 목성의 주변에 일렬로 늘어선 4개의 점이 있었는데, 지속적인 관찰로 이것들이 목성의 위성이라는 결론을 내렸다. 또한 금성을 보고 금성이 마치 달처럼 위상의 변화가 있다는 것을 보았고, 태양을 보고 태양의 흑점을 발견하였다. 그는 이러한 관찰을 정리하여 책으로 냈고, 많은 사람들의 인정을 받았다. 
  갈릴레오가 썼던 망원경은 현재는 거의 쓰이지 않는 방식으로, '갈릴레오식 굴절망원경'이라고 부른다. 별을 향하는 대물렌즈는 볼록렌즈를 그리고 눈을 대는 접안렌즈는 오목렌즈를 썼는데, 굳이 구하려면 오페라글라스라고 만들어진 작은 쌍안경만이 쓰이고 있다. 케플러식에 비해서 짧게 만들 수 있는 장점이 있기 때문에 극장에서 타인에게 불편을 덜 주면서 사용할 수 있다. 다른 모든 요소는 단점으로 작용하는데, 특히 케플러식보다 시야가 좁은 것이 주된 원인이다. 단면도는 아래 그림과 같다.

갈릴레오식 굴절망원경의 단면도



굴절망원경의 발전 
  갈릴레오 갈릴레이와 거의 동시대에, 요하네스 케플러라는 학자가 있었다. '케플러의 법칙'으로 더 우리에게 유명한 그는, 천체망원경에 있어서도 '케플러식 굴절망원경'으로 역시 유명하다. 현재의 굴절망원경은 모두 '케플러식 굴절망원경'으로 분류된다.  케플러는 대물렌즈의 초점을 접안렌즈와 대물렌즈의 사이에 놓았다. 이는 우리가 천체를 보았을 때, 상하와 좌우가 모두 실제에 비해서 거꾸로 보이는 단점을 가져왔다. 그러나 천체를 보는데 있어서 이는 전혀 단점이 아님을 우리는 쉽게 알 수 있다. 하늘은 우리가 지상을 볼 때와 달리 위아래 구분이 없이 보이기 때문이다. 이와 함께 망원경 경통의 길이가 갈릴레오식보다 늘어나는 작은 단점도 있지만, 더 넓어진 시야와 렌즈 설계에서의 다양한 편리함 등으로 현재의 천체망원경에서는 케플러식만 사용된다. 단면도는 아래와 같다.

케플러식 굴절망원경. 갈릴레이식은 접안렌즈가 초점보다 대물렌즈에 가까이 있는데 비해서, 케플러식은 더 멀리 있다는 것이 중요한 차이점이다.




굴절망원경의 가장 큰 문제는 색 번짐 현상
  빛은 다른 매질을 만나서 통과하게 되면 굴절된다. 빛이 공기에서 물로 들어갈 때, 또 물에서 공기로 나올 때 모두 굴절되기 때문에 하나의 젓가락이라도 물 속에 있는 부분이 휘어져 보이는 것과 같다. 그런데 빛을 파장별로 나누면, 매질을 통과할 때 굴절되는 정도가 달라진다. 그래서 빛이 렌즈를 통과하면 정도의 차이가 있어도 반드시 빛의 파장에 따라서 굴절되는 각도가 다르게 된다. 가시광에서 빛의 파장은 색으로 구분할 수 있으므로, 우리가 굴절망원경으로 흰 색의 별을 보아도 별의 주변으로 무지개처럼 색이 번지게 되는데, 이것을 '색수차'라고 한다. 요즘 만들어지는 굴절망원경은 이러한 것을 주의깊게 보지 않으면 알아채기 힘들지만, 색수차가 아예 없는 굴절망원경은 이 세상에 단 하나도 존재하지 않는다. 다만 얼마나 줄일 수 있느냐의 문제이다. 

색수차 : 빛은 어떤 매질을 통과할 때, 파장이 짧은 빛이 더 많이 굴절된다. (그림은 상당히 과장되어 있다.)


달을 찍었을 때 나타난 색수차. 달의 가장자리는 푸르게 번졌고, 크레이터는 붉게 번졌다.




  이 색수차를 줄이는 방법은 두 가지가 있는데, 그 중 하나는 렌즈의 구경에 비해서 경통을 길게 하는 것이다. 이 방법은 색수차 뿐 아니라 다른 광학적인 문제들도 같이 해결하고 또 렌즈의 곡률을 작게 만드므로 손쉬운 해결책이었다. 문제는, 망원경의 구경이 커야 더 많은 것을 볼 수 있는데 망원경의 구경이 크면 클수록 망원경의 길이를 감당할 수가 없게 된 것이었다. 그래서 다른 방법을 고안하게 되는데, '렌즈를 여러장 사용하는 방법'이 바로 그것이다. 이런 방법을 쓴 렌즈는 색수차를 줄인다는 의미에서 '아크로메틱(achromatic)' 렌즈라고 부른다. 현재 구할 수 있는 거의 대부분의 보급형 굴절망원경들과 쌍안경에는 이 방법이 쓰였다. 또한 색수차를 거의 일으키지 않는 소재를 포함하거나 더 많은 색수차 보정렌즈를 사용한 '아포크로메틱(apochromatic)' 렌즈는 가격이 매우 비싼 망원경에서 주로 쓰이고 있다.

  그러나 불행하게도, 두 장의 렌즈를 쓴다고 색수차가 완전히 없어지진 않았다. 특히나 연구용 망원경의 경우, 망원경이 커지면 커질수록 렌즈를 붙들어주고 지탱하는 렌즈셀을 제작하기 힘들다. 굴절망원경에서 대물렌즈는 별을 볼 때 관측자보다 높은 위치에 놓이기 때문에, 공중에 떠 있는 형태가 되는 것이다. 망원경이 커지면 렌즈는 무거워져야 하고, 이것을 공중에 붙들어두는 것은 갈수록 힘들어졌다. 때문에 연구용 망원경들은 점차 반사망원경으로 자연히 옮겨간다.  


반사망원경의 발전
  케플러식 굴절망원경이 유명한 케플러에 의해 만들어졌다고 하면, 최초의 반사망원경은 뉴턴에 의해서 만들어졌다. 그러나 최초로 반사망원경을 고안한 사람은 뉴턴이 아니었다. 그레고리안식 반사망원경으로 불리는 최초로 고안된 방식의 망원경은, 고안된 당시에 실제로 만들어졌는지 여부를 아직 모르지만 아마 만들어지지 않은 것 같다. 
 

반사망원경의 종류에 따른 차이, 그림 : 한국천문연구원

 
  위 그림에서 보듯이, 모든 반사망원경은 그림의 왼쪽에 있는 주경으로 빛을 모으고 오른편의 부경으로 다시 방향을 맞춰서 초점을 만든다. 초점에 맺힌 상을 접안렌즈로 확대해서 보는 것은 케플러식 굴절망원경과 똑같다. 뉴턴식은 다른 망원경들과 달리 유일하게 빛을 옆으로 빼 주는 반사망원경이다.

  반사망원경의 장점은 한 개의 면만 잘 연마하면 된다는 것과 (굴절망원경은 렌즈 1장 당 2개의 면을 연마해야 하고, 여러 장의 렌즈를 쓴다), 주경이 아래에 잘 고정되어 놓일 수 있다는 것이다 (굴절망원경은 대물렌즈가 관측자보다 위에 있다.) 보통 접안렌즈를 끼우고 볼 때 렌즈나 거울의 연마정밀도를 관측하는 파장의 1/4 이하로, 연구용 망원경은 1/10 이하로 한다. 우리가 보는 파장이 보통 가시광선이 550nm이므로, 연마한 면에서 튀어나온 굴곡의 높이가 연구용의 경우 55nm 이하가 되어야 한다는 얘기다. 이런 면을 주경 + 부경 2개만 잘 연마하면 되는 반사망원경과, 적어도 4개 이상의 면을 연마해야 하는 굴절망원경은 제작의 난이도에서 천지차이이다. 게다가 반사망원경은 무거운 거울을 한쪽에 안정적으로 고정시킬 수 있어서 연구용 대형 망원경에 적합하다.


굴절반사망원경은 굴절+반사 ?? 
  정답은 '아니오'이다. 천체망원경은 크게 굴절망원경과 반사망원경으로 나뉜다. 그러나, 반사망원경중 일부는 렌즈를 사용하여 굴절반사망원경이라고 세분화 시키기도 한다. 혹자들은 설명하기 복잡하니 굴절반사망원경 = 굴절장점+반사장점이라고 말하기도 한다. 그러나 엄밀히 말하면 이것은 오답이고, 말하기에 따라서 굴절단점+반사단점을 모두 가지고 있기도 하다.  

  굴절망원경은 렌즈를 이용해 빛을 모으는 망원경이다. 반사망원경은, 거울을 이용해 빛을 모으는 망원경이다. 굴절반사망원경은 거울을 이용해 빛을 모으며, 여기서 렌즈는 단지 거울의 단점을 약간 보완해 주는 역할을 할 뿐이다. 굴절반사식 망원경에서 렌즈를 빼면 상이 나빠지지만, 그렇다고 빛이 모이지 않는건 아니다. 

  굴절반사망원경에 대해서 설명하려면, 광학계의 '수차'에 대해서 언급하지 않을 수 없다. 여기서는 그림과 간단한 설명만 올려두고, 굴절, 반사, 굴절반사식의 원리와 종류에 따른 장단점, 그리고 그 원인에 대해서는 각각의 망원경 종류에 대한 포스팅을 따로 만들어서 설명해야 할 것 같다. 

슈미트-카세그레인식 굴절반사 망원경 : 왼쪽부터 보정렌즈, 부경, 주경이 있다.

막스토프-카세그레인식 : 왼쪽부터 보정렌즈+부경, 주경이다.

 
  두 개의 대표적인 굴절-반사식 망원경은 위 두 가지 종류를 꼽을 수 있다. 슈미트-카세그레인식 굴절반사 망원경 (위쪽 그림)은 주경으로 빛을 모으고, 부경으로 빛을 다시 뒤로 반사시켜서 경통 뒤에서 사람이 관측을 한다. 이는 카세그레인식 반사망원경과 동일하다. 다만 카세그레인식에 비해서, 부경보다 앞에 보정렌즈가 하나 추가된다는 것이 차이점이다. 어쨌거나 보정렌즈를 다는 것은 빛을 모으는 주경의 단점을 보완하기 위해 만드는 것인데, 보정렌즈가 들어가기 시작하면 워낙 다양한 종류의 망원경들이 등장하고 그 변형도 다양하므로 따로 각각의 포스팅을 통해 설명해야 할 것 같다.  

Posted by 당근day
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별을 좀 보고 주위 사람들에게 별보는 놈으로 알려지면, 망원경을 사고 싶다는 사람들을 종종 보게 된다.

어떤 사람은 꽤나 계획적으로 준비를 한 사람도 있고

어떤 사람은 아무 준비없이 막연한 별에 대한 동경으로 시작하려는 사람도 있다.

하지만, 여전히 망원경을 추천해 주는 일은 어렵다. 


어제 후배 하나가 아는 사람이 망원경을 사고 싶다고 해서,

포스트 잇에 다음과 같이 썼다.

1. 예산
2. 어디서 볼 건가요
3. 무엇을 볼 건가요
4. 얼마나 자주 볼 건가요
5. 차량소유 여부 및 차종

사실 모 천문 동호회의 주소를 써 주고 거기 가서 질문하라고 하려다가,

몇가지 떠오르는 것도 있고 사람마다 취향이 있는데 또 여러 사람이 개인 취향별로 다른 추천을 하면 질문자는 헷갈리기만 하는 경우도 있어서

그냥 위 내용을 적어서 보냈다.



그리고 오늘, 예산을 20만원 정도로 생각한다는 답을 받았는데,

사실 20만원으로 장난감 같은 망원경을 살 수는 있고 그걸로 목성도 토성도 달도 처음보는 사람은 신기하게 보일만큼 보이겠지만,

30~40만원짜리 하나와 75만원짜리 하나를 추천해 주었다. 

싼 것은 중국제 제품에 중국 브랜드, 75만원 짜리는 중국제+일제 구성에 일본 브랜드의 것이다.

브랜드 이름보다도, 비싼 만큼 비싼 값은 한다. 처음에는 성능에 큰 차이를 보이지 않는 것 같지만, 쓰면 쓸 수록 잔손질이 많이 가고 사용자의 애정에 따라서 수명이 많이 달라지는 것이 망원경이다. 

중국제의 경우 몇몇 예외적인 경우를 제외하고, 기계적인 부분에서 겉으로 보기엔 멀쩡하거나 오히려 화려하지만 쓰는 사람을 속을 계속 썩이는 경우를 많이 봤기 때문에,

광학적인 성능에서 차이가 두드러지지 않는다고 하더라도 선뜻 추천하기가 망설여진다.


다카하시 MT160 (사진에서 경통만)


나는 2001년에 별을 보기 시작했고, 내 망원경을 2006년 5월에 샀다. 망원경을 살 때 이미, 메시에 110개 천체들을 거의 대부분 다 찾아본 뒤였다. 남은 것들은 날씨가 나쁜 여름에 봐야 하고 고도까지 낮은 3~4개 정도였다.

이만큼 별을 보면, 망원경을 보면 그것이 내 물건인지 아닌지 한 눈에 들어온다.

사실 처음에는 중고로 나온 160mm 일제 반사경통 (MT160)을 노렸는데, 알바한 곳에서 돈을 한두달 늦게 주는 바람에 그 이름난 경통을 놓치고 말았다. 이미 단종된 물건이니, 그 경통은 내 물건이 될 팔자가 아니었던 모양이다.




하여튼, 망원경을 추천하는 일은 힘들다.

망원경을 살 때 지불하는 돈 보다, 그 망원경을 쓰기 위해서 지불하는 돈과 시간과 노력이 훨씬 더 크기 때문이다.

내가 별을 보러 다니는걸 보던 누군가 이렇게 말한 기억이 난다. "난 돈 주고 별보라고 시켜도 못할거야" 라고 말이다. 작은 여가 시간 중에서, 날씨 때문에 80%는 허탕, 요일때문에 허탕, 중요한 약속 때문에 허탕, 피로도 때문에 허탕, 허탕, 허탕, 허탕, ...

그러다 보니 대략 10년 별을 봤지만 아주 잘 보인 날들은 모두 생생히 기억한다.



망원경을 살 사람이 엄한 업체 말고 믿을만한 업체에 가서 상담하길 바라는 마음으로 몇 가지 주의점도 써 주긴 했는데,

망원경을 사서 조립, 쿨링, 조작, 정리 등등이 귀찮거나 어려워서 방구석에서 썩는 일이 많지 않았으면 하는 생각이 든다.

조만간 망원경에 대해서 길고 긴 시리즈로 포스팅을 해 볼 예정이다. 아마추어 망원경의 모든 것!



하지만, 망원경을 사고 싶다거나 별을 보고 싶다거나 하는 사람들의 질문은 얼마든지 또 대답해줄 용의가 있다.

그런데 그러고 보니, 내 망원경도 1년에 몇 번 쓰지 않고 있긴 하네...
Posted by 당근day
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1. MEADE LX200R : 제조사에서는 리치-크레티앙 변형이라고 설명. 모 사설천문대에 설치된거 보고 놀람. 이거 옆에 TOA 130, TOA150이 있었으나 굴절따위 눈에 안 들어 왔음.

2. TMB203 : 3매 아포크로메틱, 렌즈 3장 중 1장 ED. 나는 Serial number 1짜리로 봤음.

3. TEC 140 : 3매 아포크로메틱, 렌즈 3장 중 1장 ED. 이름값 한다.

4. TMB 152 : 3매 아포크로메틱, 렌즈 3장 중 1장 ED. 솔직히 3위와 차이를 잘 모르겠다.

5. FS128 : 2매 아포크로메틱, 렌즈 2장 중 1장 Fluorite. 나에게 처음으로 엔케미니마를 보여준 놈.

6. OMC 140 : 영국오리온사의 막스토프-카세그레인. 미국오리온사와 같은 회사 아님. 위에 FS128과 같은 날 같은 장소에서 보고 놀람.

7. XQ-12 한정판 : 한국에 처음 들여온 초기 2대만 성상 좋은. 둘 다 모두 엄청나게 훌륭한 광학적 성능을 보여줬고 보통의 씨잉에서 400배 이상의 무시무시한 성능을 보여줌. 그러나 이후 들어온 다른 물건에서 다시 보았을 때에는 행성 보면 안 되겠다는 같다는 느낌을 받았음.

8. 스카이워쳐 ED120 : 중국제의 반란

9. XQ-10 : 역시 초기물량만 성상이 좋은 것 같다.

10. 스카이워쳐 ED80 : 현재 쓰고있다. 광량부족이 아쉽다.

11. Sky90 : ED80보다 상은 좀 떨어지지만 광량이 더 풍부해서 더 나을 때도 있다,

12. 징후아 127mm 아크로메틱 : 뭐, 그냥 넣어봤다.

아 물론 이 모든걸 모두 같은 날 같은 장소에서 같은 장비로 본건 아님. 

Posted by 당근day
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