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반사-굴절 망원경

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목차

1. 개요

반사-굴절 망원경은 렌즈와 거울을 결합하여 영상을 형성하는 광학 망원경의 한 종류이다. 이러한 설계는 렌즈만 사용하거나 거울만 사용하는 방식보다 더 넓은 시야와 오차 보정을 가능하게 한다. 초기에는 프레넬 렌즈와 망갱 미러와 같은 반사-굴절 시스템이 개발되었으며, 망원경은 전구경 보정판, 슈미트 카메라, 메니스커스 보정판, 호턴 보정판 등 다양한 형태로 발전했다. 반사-굴절 기술은 카메라 렌즈에도 적용되어 콤팩트한 망원 렌즈를 제작하는 데 사용되며, 한국에서도 천문 관측 장비 개발을 위해 반사-굴절 광학 기술을 활용하고 있다.

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반사-굴절 망원경
개요
반사굴절 렌즈 작동 방식 다이어그램
반사굴절 렌즈 작동 방식
유형광학 시스템
하위 유형망원경
현미경
카메라 렌즈
설명
특징굴절 및 반사 광학 요소의 조합
용도
사용 분야천체 사진
감시
특수 목적 현미경
디자인
일반적인 디자인슈미트-카세그레인
막스토프-카세그레인
코크-바커
아르군-카세그레인
루머스

2. 초기 반사-굴절 시스템

1820년대에 오귀스탱-장 프레넬은 프레넬 렌즈의 여러 반사-굴절 등대 반사경 버전을 개발했다.[1] 1859년 레옹 푸코는 고배율로 물체를 이미징하는 렌즈의 수차를 상쇄하기 위해 반사-굴절 현미경을 개발했다.[2] 1876년 프랑스 엔지니어 A. 망갱은 유리 뒷면에 은색 표면이 있는 오목 유리 반사경인 망갱 거울을 발명했다. 반사경의 두 표면은 구면 거울의 수차를 보정하기 위해 서로 다른 반경을 가진다. 빛이 유리를 두 번 통과하여 전체 시스템이 삼중 렌즈처럼 작동하게 된다.[3] 망갱 거울은 거의 진정한 평행 빔을 생성하는 탐조등에 사용되었다. 많은 반사-굴절 망원경은 뒷면에 반사 코팅이 있는 음렌즈를 사용하는데, 이를 "망갱 거울"이라고 부르지만, 이는 원래 망갱과 같은 단일 요소 대물렌즈가 아니며, 일부는 망갱의 발명보다 앞선다.[4]

3. 반사-굴절 망원경

반사-굴절 망원경은 특수한 형태의 거울과 렌즈를 결합하여 영상을 형성하는 광학 망원경이다. 렌즈나 거울만 사용하는 방식보다 더 큰 오차 보정 능력을 제공하며, 넓은 시야를 확보할 수 있다. 모든 표면이 구면으로 제작 가능하고, 접힌 광학 경로를 통해 망원경의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 다양한 유형의 반사-굴절 망원경이 개발되었으며, "보정판"을 사용하여 반사 또는 굴절 요소에서 발생하는 수차를 보정한다.

초기의 반사-굴절 망원경은 다이얼라이트 망원경으로, 1814년 W. F. 해밀턴이 특허를 받은 해밀턴 망원경과 19세기 말 루드비히 슈프만이 설계한 슈프만 중간 망원경이 있다.

3. 1. 전구경 보정판

구면 주경 앞에 하나 이상의 전구경 렌즈(보정판)를 배치하는 망원경 설계는 모든 표면이 "구면 대칭"이라는 장점을 활용한다. 이러한 설계는 반사 망원경과 같은 거울 기반 광학 시스템을 수정하여 코마 또는 비점수차가 비교적 없는 이미지 평면을 갖도록 하여 천체 사진기로 사용할 수 있도록 발명되었다. 이들은 구면 거울이 빛을 동일 지점으로 반사하는 능력과 시스템 전면의 대형 렌즈(보정기)를 결합하여 작동하며, 이 렌즈는 입사광을 약간 굴절시켜 구면 거울이 무한대에 있는 물체를 이미지화할 수 있게 해준다. 이러한 설계 중 일부는 소형 장초점 거리의 카타디옵트릭 카세그레인 반사경을 만드는 데 적용되었다.

3. 1. 1. 슈미트 보정판

베른하르트 슈미트가 1931년에 발명한 슈미트 카메라는 최초로 전 구경 보정판을 사용한 망원경이다. 슈미트 카메라는 넓은 시야를 가진 사진 망원경으로, 보정판은 주 반사경의 곡률 중심에 위치하며, 튜브 조립체 내부의 주 초점에 상을 맺는데, 이곳에 곡면 필름판 또는 검출기가 장착된다. 비교적 얇고 가벼운 보정판 덕분에 최대 1.3m 직경의 대형 슈미트 카메라 제작이 가능해졌다. 보정판의 복잡한 모양은 여러 과정을 거쳐 만들어진다. 평평한 광학 유리 조각에서 시작하여 한쪽에 진공을 가해 전체 조각을 구부린 다음, 다른 면을 갈고 연마하여 주 반사경에 의해 발생하는 구면 수차를 보정하는 데 필요한 정확한 모양을 얻는다. 이 설계는 많은 슈미트 변형에 적용되었다.

3. 1. 2. 메니스커스 보정판

1940년대 초, 유럽에서 여러 광학 설계자들이 슈미트 보정판을 대체하여 제작이 더 쉬운 전구경 구면 메니스커스 렌즈(메니스커스 보정 쉘)를 사용하는 광시야 망원경을 고안했다. 여기에는 알베르트 바우어스(1940년), 드미트리 드미트리예비치 막수토프(1941년), K. 페닝, 데니스 가보르(1941년)가 포함된다.[7][8] 전시 상황으로 인해 이들은 서로의 설계를 알지 못하고 독자적으로 개발을 진행했다. 알베르트 바우어스는 1940년 8월에 메니스커스 망원경 시제품을 제작하고 1941년 2월에 특허를 받았다. 이 망원경은 구면 동심 메니스커스를 사용했으며, 단색 천체 사진기에만 적합했다. 이후 색수차 보정을 위해 접착된 이중 렌즈를 추가했다. 드미트리 막수토프는 1941년 10월에 막수토프 망원경 시제품을 제작하고 11월에 특허를 받았다.[9] 그의 설계는 약한 음의 메니스커스 형태의 보정기를 주 반사경에 더 가깝게 배치하여 구면 수차와 색수차를 보정했다.

메니스커스 망원경(막수토프-카세그레인)의 광선 경로

  • 막수토프-카세그레인 망원경은 메니스커스 보정기를 사용하는 가장 흔한 설계로, 막수토프 망원경의 변형이다. 보정기에 은으로 코팅된 "스팟"을 갖추고 있어 좁은 시야각을 가진 긴 초점 거리의 소형 망원경을 만든다. 이 설계는 드미트리 막수토프의 1941년 노트에 처음 등장했으며, 로렌스 브레이머(''Questar, 1954'')와 존 그레고리(''1955년 특허[10])''에 의해 상업용으로 개발되었다. 보정기와 은으로 코팅된 2차 반사경의 조합은 유지 보수가 적고 견고하다는 장점을 가진다.

3. 1. 3. 호턴 보정판

호턴 망원경은 주 거울의 구면 수차를 보정하기 위해 전체 전면 조리개에 넓은 복합 양-음 렌즈를 사용하는 디자인이다. 원하는 경우, 호턴 보정기의 색수차가 최소화되기 때문에 두 보정 요소를 동일한 유형의 유리로 만들 수 있다.

보정기는 슈미트-카세그레인 망원경의 전면 보정기보다 더 두껍지만, 막수토프 메니스커스 보정기보다는 훨씬 얇다. 모든 렌즈 표면과 거울 표면은 구형이므로 아마추어 제작이 훨씬 쉬워진다.

3. 2. 부분 조리개 보정판

부분 조리개 보정기 설계에서 보정 요소는 일반적으로 훨씬 더 큰 대물렌즈의 초점에 위치한다. 이러한 요소는 렌즈와 거울 모두 될 수 있지만, 여러 표면이 관여하기 때문에 이러한 시스템에서 좋은 수차 보정을 달성하는 것은 매우 복잡할 수 있다.[4] 부분 조리개 보정기 굴절 반사 망원경의 예로는 아르구노프-카세그레인 망원경, 클렙초프-카세그레인 망원경, 수차를 보정하도록 설계된 렌즈 요소와 때로는 거울로 구성된 광학 그룹을 "부경"으로 사용하는 부분 조리개 보정기 막수토프 망원경, 그리고 초점 근처에 장착된 작은 보정 렌즈와 결합된 구면 주경을 사용하는 존스-버드 뉴턴 망원경이 있다.[11]

아르구노프-카세그레인 망원경의 광선 경로

4. 사진용 반사-굴절 렌즈

후면 코팅된 "망원경 미러"를 사용하는 반사-굴절 렌즈의 예시 (미놀타 RF Rokkor-X 250mm f/5.6)


반사-굴절 시스템은 ''반사-굴절 렌즈''(CAT), ''반사 렌즈'', ''미러 렌즈'' 등으로 알려진 카메라 렌즈에도 사용된다. 이러한 렌즈는 카세그레인 디자인을 기반으로 하며, 광학 경로를 접고 볼록한 부경의 망원 효과를 통해 초점 거리를 늘려(최대 4~5배) 광학 조립체의 길이를 줄인다.[12] 이를 통해 250mm에서 1000mm 이상의 초점 거리를 가진 렌즈를 만들 수 있는데, 이는 장초점 또는 망원 렌즈보다 훨씬 짧고 콤팩트하다. 또한, 긴 굴절 렌즈의 주요 문제인 색수차와 반사 망원경의 주요 문제인 축외 수차는 반사-굴절 시스템에 의해 거의 완전히 제거되어 카메라의 큰 초점면에 적합한 이미지를 생성한다.

초점이 맞춰진 빛 뒤에서 반사-굴절 렌즈가 생성하는 '아이리스 블러' 또는 보케의 예시


그러나 반사-굴절 렌즈는 몇 가지 단점이 있다. 중앙에 장애물이 있어 빛 투과를 제어하기 위해 조절 가능한 조리개를 사용할 수 없다.[13] 즉, 렌즈의 F-수치 값은 광학 시스템의 전체 설계 초점비(주 미러의 직경을 초점 거리로 나눈 값)로 고정된다. 렌즈를 조일 수 없다는 것은 반사-굴절 렌즈가 얕은 피사계 심도를 갖게 된다는 것을 의미한다. 노출은 일반적으로 렌즈 앞이나 뒤에 ND 필터를 배치하여 조정한다. 변조 전달 함수는 낮은 공간 주파수에서 낮은 콘트라스트를 보인다. 마지막으로, 가장 두드러진 특징은 초점이 맞지 않는 이미지 영역의 고리 모양이며, 이는 입사 동공의 모양으로 인해 도넛 모양의 '아이리스 블러' 또는 보케를 생성한다.

20세기 후반에 여러 회사에서 반사-굴절 렌즈를 만들었다. 니콘(미러-Nikkor 및 나중에 반사-Nikkor라는 이름으로)과 캐논은 500mm 1:8 및 1000mm 1:11과 같은 여러 디자인을 모두 제공했다. 탐론, 삼양, 비비타, 그리고 옵테카와 같은 소규모 회사들도 여러 버전을 제공했으며, 이들 브랜드 중 후자 3개는 현대 시스템 카메라에 사용하기 위해 다수의 반사-굴절 렌즈를 여전히 적극적으로 생산하고 있다. 소니(구 미놀타)는 알파 카메라 제품군에 500mm 반사-굴절 렌즈를 제공했다. 소니 렌즈는 소니 생산 이전에 동일한 미놀타 렌즈를 제외하고 주요 브랜드에서 제조한 유일한 자동 초점 기능의 반사 렌즈라는 특징을 가지고 있었다.

참조

[1] 서적 The Encyclopædia Britannica, 1911 https://books.google[...]
[2] 서적 The life and science of Léon Foucault: the man who proved the earth rotates https://books.google[...]
[3] 서적 Optical design fundamentals for infrared systems https://books.google[...]
[4] 웹사이트 Notes on AMATEUR TELESCOPE OPTICS, CATADIOPTRIC TELESCOPES, 10.2.1 http://www.telescope[...]
[5] 웹사이트 "Miscellaneous Musings" http://www.quadibloc[...]
[6] 웹사이트 11.5. Schmidt–Cassegrain telescope (SCT) http://www.telescope[...] Vladimir Sacek 2009-07-05
[7] 서적 Lens design fundamentals https://books.google[...]
[8] 서적 Handbook of Optical Systems, Survey of Optical Instruments https://books.google[...]
[9] 웹사이트 Dmitri Maksutov: The Man and His Telescopes By Eduard Trigubov and Yuri Petrunin https://web.archive.[...] 2009-08-24
[10] 간행물 patent PDF http://www.dtic.mil/[...] National Technical Information Service U. S
[11] 웹사이트 10.1.2. Sub-aperture corrector examples: Single-mirror systems - Jones-Bird http://www.telescope[...]
[12] 서적 Astronomy hacks https://books.google[...]
[13] 서적 The manual of photography https://books.google[...]
[14] 문서 『新・ニコンの世界第9版』p.261
[15] 백과사전 굴절반사망원경 글로벌 세계 대백과


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