천체망원경의 성능은 여러 요소에 따라 결정됩니다. 기본적인 망원경의 렌즈와 거울의 원리를 이해하면 성능을 고려한 적절한 망원경을 선택하고 사용할 수 있으며, 이는 관측의 수준, 품질, 결과에 큰 영향을 미칩니다. 천체망원경의 성능에 대해 알아보기 전, 원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.
천체망원경의 렌즈와 거울
천체망원경은 기본적으로 렌즈나 거울, 혹은 둘 다 사용하여 빛을 모으고 초점을 맞춰 확대해주는데, 렌즈와 거울의 기본적인 원리를 이해하면 망원경의 원리를 알기 쉽습니다.
렌즈의 투과율, 거울의 반사율
렌즈에 입사된 모든 빛이 렌즈를 통과하는 것은 아닙니다. 재질의 특성으로 인해 반사되는 빛도 있습니다. 투과율이 높은 렌즈가 좋은 렌즈라고 할 수 있으며, 렌즈 표면에 전기가 잘 통하지 않는 물질을 코팅하여 이 투과율을 높일 수 있습니다. 거울도 렌즈와 마찬가지로 들어오는 빛이 모두 반사되는 것이 아닙니다. 거울의 반사율을 높이기 위해 유리 표면에 전기가 잘 통하는 물질로 코팅을 입힙니다. 보통 부식 정도가 낮고 반사율이 비교적 높은 알루미늄을 코팅합니다.
렌즈와 거울의 특성
집광력
집광능력 혹은 집광력은 빛을 모으는 능력을 말합니다. 따라서 볼록렌즈나 오목거울로 입사된 빛을 한 초점에 얼마나 모을 수 있는지를 나타내는 지수입니다.
집광력은 렌즈의 투과율과 거울(주경과 부경)의 반사율에 의해 차이가 발생합니다. 굴절망원경의 경우 렌즈에 무반사 코팅을 하면 투과율을 98%이상으로 높일 수 있습니다. 반면, 반사망원경의 경우 알루미늄 코팅을 한 거울을 주경과 부경에 사용한다고 해도 손실되고 난 후 입사된 빛은 약 70% 정도 입니다. 그뿐만 아니라 부경 지지대 등에 의한 손실 등을 고려하면 최종적으로 접안렌즈로 들어오는 빛의 양은 약 65% 정도 입니다. 따라서 비교하자면, 구경 80mm 굴절망원경과 구경 100mm 반사망원경의 집광능력이 비슷하다고 말합니다.
분해능
분해능은 두 물체를 분해해 볼 수 있는 최소 각거리를 뜻합니다. 만약 사람의 눈으로부터 멀리 떨어진 두 물체가 가까이 있다면 사람은 그 두 물체를 구분하지 못할 것입니다. 각거리, 즉 분해각이 작으면 분해능이 높습니다. 그만큼 가까운 각거리를 분해해서 볼 수 있다는 것을 뜻하는 것입니다.
사람 눈의 분해능은 대략 1/60도(=1분)이며, 렌즈의 분해능은 대략 15초*/D**(cm)입니다.
*초 = 1/3600도
**D = cm 단위 렌즈 지름
망원경의 분해능은 렌즈나 거울의 지름에 반비례합니다. 따라서 지름이 클수록 작은 분해각을 작습니다. 즉 분해능이 높습니다. 또한, 망원경의 분해능은 연마 정도에도 관련이 있다. 렌즈나 거울의 연마 정도가 좋지 않으면 초점이 제대로 맺히지 않아 분해능을 떨어뜨립니다. 반사망원경의 경우, 부경과 부경 지지대 역시 빛을 차단하여 (빛 손실) 분해능을 떨어뜨리기도 합니다.
수차
렌즈나 거울을 얼마나 정밀하게 만드느냐에 따라 빛이 한 점에서 초점을 맺지 못하거나 초점면이 곡면이 될 수도 있으며, 상이 찌그러져 보이기도 합니다. 이를 렌즈나 거울의 수차라 한다. 수차의 종류로는 여러 가지가 있다.
색수차
색수차란 무지갯빛으로 번져 보이는 현상을 말합니다. 파장이 짧은 파란색 빛은 파장이 긴 빨간색 빛보다 조금 가까이 초점을 맺게 됩니다. 렌즈를 통과하는 빛은 파장이 다른 색상으로 굴절되고, 결과적으로 빛의 경로가 서로 다르게 되어 색상이 분리되는 현상입니다. 색수차를 줄이기 위해 굴절률이 다른 렌즈를 2개 이상 겹쳐 사용하는 방법이 있습니다. 반면, 거울에서는 색수차가 발생하지 않습니다.
구면수차
구면으로 만들어진 거울의 중심부로 입사된 빛과 거울의 가장자리로 입사된 빛이 맺는 초점의 위치가 서로 다른 것을 구면수차라 합니다. 렌즈의 경우에도 나타난다. 렌즈나 거울을 비구면(e.g. 포물면 등)으로 연마하는 방법 등으로 구명수차를 제거할 수 있습니다.
코마수차
코마수차 또는 혜성형 수차라고 하는 현상은 렌즈 축에 빛이 경사져 입사해 한 점에서 초점을 맺지 못하고 혜성처럼 보이는 것을 말합니다. 렌즈나 거울 표면의 곡률에 따라 발생하는데, 입사하는 빛이 축으로부터 경사가 심할수록 강하게 나타납니다.
비점수차
비점수차는 사람 눈의 난시를 생각하면 쉽습니다. 렌즈나 거울에 입사되는 빛이 여러 방향에서 초점이 맺혀 발생합니다. 주요 원인은 렌즈나 거울에 힘이 가해져 찌그러진 경우입니다. 렌즈나 거울을 고정시키는 나사에 무리한 힘을 주거나 중력에 의해서도 찌그러지기도 합니다.
왜곡수차
왜곡수차란 이미지의 외곽 부분이 비뚤어지거나 또는 완전히 왜곡되는 것을 의미합니다. 주로 렌즈나 거울의 표면 형태나 굴절률이 균일하지 않을 때 발생합니다. 예를 들어, 렌즈나 거울의 표면이 곡률이나 방향이 일정하지 않거나, 렌즈 축과 직각으로 위치하지 않을 때 발생할 수 있습니다. 이러한 상황에서 렌즈에 통과하는 빛이 일정한 형태로 모이지 않고 왜곡되어 이미지의 왜곡을 발생시킵니다. 사진촬영 시 필요에 따라 일부러 왜곡수차를 발생시키는 경우도 있습니다.
결론
렌즈와 거울의 원리와 특성을 이해하는 것은 천체망원경의 성능을 고려하여 천체관측을하는 데 매우 중요합니다. 특히 망원경의 성능을 최적화하고 이미지의 품질을 향상시키기 위해서는 렌즈와 거울의 곡률, 굴절률, 표면 상태 등을 정확하게 제어해야 합니다. 또한, 렌즈와 거울을 사용하는 과정에서 발생할 수 있는 다양한 현상들에 대해 이해하는 것도 중요합니다. 색수차, 비점수차, 왜곡수차, 상면만곡 등의 광학 현상들은 이미지의 해상도와 품질을 저하시킬 수 있으므로, 이를 최소화하고 관리하는 것이 필요합니다.
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