망원경은 17세기 초 갈릴레이가 처음으로 천체 관측에 이용한 이후 지금까지 수 많은 종류가 새롭게 개발, 개조 되었다. 그러나, 지난 400 여 년간 개발되고 이용되어 온 망원경들은 근본적으로는 기본적인 몇 가지의 형태를 개조, 응용한 것에 불과하다. 그 많은 망원경들은 가장 중요한 부분인 렌즈, 혹은 미러부분인 광학계에 따라 굴절식과 반사식, 그리고 그 혼합형인 반사-굴절식으로 크게 나눌 수 있다. 물론 망원경을 나누는 기준은 여러 가지가 있지만 앞에서 서술한 3가지로 나눠서 생각해 보도록 하자.
망원경이 이토록 많은 종류로 나뉘게 된 이유는 기존의 망원경이 가지고 있는 단점을 해소하기 위해서였다. 특히 굴절 망원경의 경우에는 유리의 소자를 다르게 하고 렌즈의 배열을 새로 바꿔서 성능을 더욱 개선시키기도 하였다. 하지만 지금껏 만들어진 많은 망원경들이 아직도 쓰이는 이유는 종류에 따라 보이는 특성이 많이 다르고, 소형 망원경을 제작할 경우 제작 단가를 낮추기 위해서이다.
1) 굴절망원경
최초로 개발된 망원경 형식으로 볼록렌즈(돋보기)를 이용하여 빛을 모으는 방식이다. 17세기초에 갈릴레오가 인류 최초로 망원경을 이용해서 천체를 관측하였는데 그가 만들었던 망원경을 갈릴레오식 굴절망원경이라 부른다. 갈릴레오식 망원경은 현재 사용되는 케플러가 만든 케플러식 망원경과 다르게 아이피스(접안렌즈)를 오목렌즈로 사용했다. 그래서 상이 상하좌우가 제대로 보이는 정립상으로 보이기는 하나 보이는 시야가 매우 좁은 단점이 있었다. 좁은 시야는 천체를 관측할 때 매우 불편함을 주었다. 그래서 갈릴레오식 굴절망원경은 소형 쌍안경, 오페라글라스나 저급 망원경 이외에는 사용되고 있지 않다.
현재 사용되고 있는 굴절망원경은 케플러의 3법칙을 발견한 위대한 천문학자 케플러에 의해 고안된 케플러식 굴절망원경이다. 이 방식은 아이피스에 볼록렌즈를 사용했다. 이로 인해 관측할 때 보이는 상이 상하좌우가 바뀌어서(도립상) 보이기는 하나 천체관측용으로 사용할 경우 익숙해지면 별 문제가 되지 않는다. 또한 시야가 갈릴레오식보다 훨씬 넓어졌다.
요즈음 사용되는 케플러식 망원경의 경우에는 렌즈에 여러가지 코팅을 입혀서 렌즈의 표면에서 일어나는 난반사를 줄여 망원경에 들어오는 빛을 거의 완벽하게 투과시키고 있다. (코팅이 되어있지 않은 안경을 쓸 경우 반사되는 상이 보이는데 이것이 안경의 표면에서 일어나는 난반사이다.) 또한 대물 렌즈를 2장 내지 3장으로 만들어서 사용하고 있는데 굴절망원경이라면 필연적으로 생기는 색수차를 제거하기 위해(색수차란 렌즈를 프리즘으로 모식을 해서 생각하면 쉬운데 렌즈의 모습을 아주 작게 미분을 하면 삼각형의 프리즘이 된다. 그로 인해 빛이 분해가 되는데 이로 인해 별을 보면 색깔이 나타나게 된다. 이를 쉽게 알려면 돋보기로 밝은 빛을 보면 된다.) 한 장으로 구성되어 있던 렌즈를 2~3장으로 분해를 하였다. 이렇게 색수차를 없엔 렌즈(색지움 렌즈라고도 한다.)를 아크로매틱렌즈라고 부르는데 아무리 아크로매틱 렌즈라고 해도 완벽하게 색수차를 없에지는 못한다. 그래서 다시 특수 유리인 ED, SD, Fluorite 렌즈를 사용한 굴절 망원경을 아포크로매틱이라고 한다. 특히 Fluorite, SD 아포크로매틱 망원경은 색수차를 거의 없에서 천체망원경의 질을 한단계 상승시킨 역할을 하였다. 하지만 이런 아포크로매틱 망원경은 보통 망원경보다 2~3배 이상 비싸다. 구경이 커지면 이런 효과가 더욱 커지게 되어 5배에서 10배 이상 비싸지게 된다.
a) 굴절망원경의 장점
ㄱ) 경통이 막혀있으므로 공기의 흐름으로 인한 상의 불안정이 없다.
ㄴ) 콘트라스트(성상의 명암)가 매우 뚜렷하다. 이는 행성, 은하, 성운의 관측에 있어 매우 중요하다.
ㄷ) 같은 구경의 굴절, 반사, 반사굴절 망원경이 있다면 가장 뛰어난 상을 제공하는 것은 굴절식(아포크로매틱) 망원경이다.
b) 굴절망원경의 단점
ㄱ) 같은 구경의 경우 다른 종류의 망원경에 비해 대단히 비싸다. 특히 아포크로매틱 망원경의 경우 이런 현상이 더욱 심해서 100mm 이상의 아포크로매틱 굴절 망원경은 200만원 이상을 호가한다.
ㄴ) 저급 굴절 망원경의 경우에는 색수차가 두드러진다.
ㄷ) 렌즈가 전면부에 위치하기 때문에 렌즈에 상처가 날 가능성이 높고 이슬이 쉽게 내린다.
ㄹ) 높은 고도의 천체를 관측할때는 관측자세가 불편해 진다. 때문에 직각 프리즘등의 부수도구를 사용해야 한다.
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[그림 1] 케플러식 굴절망원경
현재 가장 일반화된 굴절망원경의 형태로 볼록 렌즈와 아이피스(볼록렌즈)로 구성되어 있다. |
2) 반사망원경
초기에 만들어진 굴절망원경은 빛이 렌즈를 통과할 때 생기는 색수차로 인해 좋은 관측을 하기가 힘들었다. 색수차의 단점을 극복하기 위해 17세기 중반에 뉴튼이 오목거울을 이용한 반사망원경을 고안하였는데 이를 뉴턴식 반사망원경이라고 한다. 이 망원경은 굴절망원경에 비해 만들기도 쉽고 가격이 저렴해 현재 많이 사용되고 있다. 한편, 프랑스의 카세그레인은 오목거울 중앙에 구멍을 뚫어 굴절망원경과 같이 경통 뒤에서 별을 관측할 수 있는 또 다른 형태의 반사망원경인 카세그레인식 반사망원경을 고안하였다.
반사망원경의 가장 큰 특징은 거울이 뒤에 있고 접안부가 윗쪽에 있다는 것이다. 또한 거울에서 모은 빛을 경통 밖으로 빼기위해 사경을 사용한다. (밑의 광도표 참조) 이 사경은 평평한 거울로 이루어져있다.
현대의 반사망원경과 과거의 반사망원경의 가장 큰 차이점은 거울 표면의 코팅에 있다. 과거에는 거울대신 금속을 이용했는데, 현대의 반사망원경은 거울을 이용하고 거울의 표면에 알루미늄이나 은코팅을 해서 반사율을 거의 99% 대로 상승시켰다. (물론 고급 망원경의 얘기이다.) 코팅기술이 발달하면서 반사율을 극대화 시켜서 별빛을 더 많이 모을 수 있는 효과를 가져다 주었다.
반사망원경은 굴절망원경이 색수차를 가지고 있듯이 수차를 가지고 있는데 대표적인 것이 구면 수차와 코마 수차이다. 구면수차란 오목거울이 빛을 모을때 정확하게 한점에서 모이지 않아서 생기는 현상인데 이로 인해서 성상의 주변부의 별들이 많이 찌그러져서 보이게 된다. 다음으로 코마수차란 마찬가지로 거울의 연마에 다른 문제로 인해 일어나는 현상인데 별들이 마치 코마(혜성의 머리부분)처럼 찌그러져서 보인다 해서 붙여진 이름이다.(코마수차는 저급 굴절망원경에서도 일어난다.)
a) 반사망원경의 장점
ㄱ) 가격이 저렴하다. 이유는 굴절식과 다르게 한 쪽면만을 가공하면 되므로 제조비가 절감되고 빛이 거울을 통과하지 않고 반사가 되므로 거울의 소자를 굴절망원경처럼 고급을 사용하지 않아도 된다. 그러므로 구경이 큰 망원경들은 모두 다 기본적으로 반사 거울을 사용하고 있다.(구경비 가격이 저렴하다.)
ㄴ) 단초점 망원경(빠른 F수)을 제작하기 쉽다.(F수란 뒤쪽에 자세히 나와있다.) 그러므로 성운, 성단, 천체사진에 매우 적합하다.
b) 반사망원경의 단점
ㄱ) 구면수차, 코마수차가 있다. 이 두 수차는 전형적인 반사망원경의 경우 아무리 거울을 정밀하게 제작을 해도 어느정도 남아있게 된다.
ㄴ) 사경으로 인해 컨트라스트가 저하되어 성상이 불안정하고 고배율관측에 불리하다.
ㄷ) 미러 코팅의 질이 영구적이지 못해서 오랜 기간이 지나면 다시 코팅을 해 줘야 한다.
ㄹ) 경통이 개방되어 있으므로 온도차등으로 인한 대류가 발생하여 이것역시 상을 불안정하게 만드는 요인이 된다.
ㅁ) 이동용 반사 망원경의 경우엔 광축을 자주 맞추어 주어야 한다.
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[그림 2] 뉴턴-카세그레인식 반사망원경
뉴턴형식과 카세그레인형식을 혼합한 망원경 으로 필요에 따라 두 방식을 번갈아 사용할 수 있다.
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3) 반사식과 굴절식의 혼합형 망원경
20세기에 접어들면서 렌즈와 미러를 혼합한 새로운 형태의 망원경이 등장했는데 그 중 현재 가장 널리 쓰이고 있는 것이 슈미트-카세그레인식과 막스토프-카세그레인식 망원경이다. 반사망원경의 앞쪽에 보정렌즈를 달아서 각종 수차를 제거해주는 방식이다. 그 외에 천체 사진용으로 전문가들이 널리 사용하는 슈미트 카메라와 리치 크레티앙, 카다다이옵트릭 등의 망원경들이 있다.
흔히 우리가 말하는 반사굴절 망원경은 잘못된 말이며 이런 형식의 망원경은 모두 반사경이 빛을 모으고 렌즈는 그 빛을 보정해주는 역할만을 한다. 그러므로 반사망원경의 변종 된 형태라고 보는 것이 좋다.
현대의 망원경은 모두 반사망원경을 기반으로 변형이 되었는데 이렇게 많은 변형이 일어난 이유는 반사망원경의 수차 때문이다. 이 수차를 제거하는 방법으로 크게 두 가지가 있는데 반사경으로 들어가는 빛을 사전에 보정을 해주는 방식과 반사경에서 모은 빛을 나중에 보정해 주는 방식이 있다. 전자는 슈미트카메라, 슈미트 카세그레인, 막스토프 카메라, 막스토프 카세그레인 등의 망원경이 사용하는 방식이며 후자는 리치크레티앙, 카다다이옵트릭 등이 있다.
a) 반사-굴절식 망원경의 장점
ㄱ) 같은 구경인 동일 초점거리의 굴절이나 반사망원경에 비해 1/3 크기로 제작할 수 있어 휴대가 간편한 장점을 갖고 있다.
ㄴ) 경통이 밀폐되어있어 반사망원경과 같은 공기의 대류 현상이 없어 비교적 상이 안정적이다. (물론 리치크레티앙식이나 카다다이옵트릭 식의 망원경은 경통이 개방되어 있기 때문에 해당사항이 아니다.)
ㄷ) 구경비 가격이 비교적 저렴하다.
ㄹ) 수차보정이 잘 되어있는 제대로 만들어진 반사-굴절망원경의 경우 대단히 뛰어난 상을 보여준다.
b) 반사-굴절식 망원경의 단점
ㄱ) 보급형 반사굴절식 망원경의 경우 수차 보정이 제대로 되지 않아 반사망원경보다도 못한 성능을 내게 된다.
ㄴ) 광축을 맞추기가 까다롭다.
ㄷ) 초점을 맞출 때 접안부의 아이피스를 이동하는 방식이 있는 반면 슈미트 카세그레인 방식은 미러 이동식 방식이 많은데 이런 형식은 미러가 뒤틀리거나 미끌어지는 경우가 많아서 초점면이 자주 틀려지는 경향이 있다.
[그림 3] 슈미트-카세그레인식 망원경
현재 막스토프-카세그레인과 함께 가장 일반화 된 반사-굴절식 망원경이다.
[그림 4] 이해를 쉽게 하기 위해... 각종 망원경에서 광선이 지나가는 그림
http://www.starryland.com 펌
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