슈미트-카세그레인식 망원경
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1. 개요
슈미트-카세그레인식 망원경은 버나드 슈미트가 개발한 슈미트 카메라를 기반으로 개발된 망원경이다. 1940년 제임스 길버트 베이커가 카세그레인 반사 망원경 설계를 처음 제안했으며, 1946년 로저 헤이워드가 특허를 등록했다. 슈미트 보정판, 구면 주경, 볼록 부경을 사용하여 구면 수차를 보정하며, 경통의 길이를 줄여 휴대성을 높였다. 이 방식은 굴절 망원경의 긴 초점 거리를 반사 망원경의 낮은 구경당 비용으로 제작할 수 있어 일반 소비자용 망원경에 널리 사용된다.
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뉴턴식 망원경은 아이작 뉴턴이 발명한 반사 망원경으로, 포물면 주반사경과 평면 부반사경을 사용하여 빛을 모아 상을 만들며 색수차가 없고 대구경 제작에 유리하지만 코마 수차와 회절 현상 등의 단점이 있어 천문 관측, 교육, 연구에 널리 쓰이고 돕소니안 망원경 등으로 변형된다.
| 슈미트-카세그레인식 망원경 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 반사 굴절 망원경 |
| 광학적 특징 | |
| 구경 | 정보 없음 |
| 구경2 | 정보 없음 |
| 구경3 | 정보 없음 |
| 분해능 | 정보 없음 |
| 집광부 | 정보 없음 |
| 초점 거리 | 정보 없음 |
| 구조적 특징 | |
| 가대 | 정보 없음 |
| 돔 | 정보 없음 |
| 기타 | |
| 관리 기관 | 정보 없음 |
| 위치 | 정보 없음 |
| 좌표 | 정보 없음 |
| 고도 | 정보 없음 |
| 기후 | 정보 없음 |
| 파장 | 정보 없음 |
| 건축 | 정보 없음 |
| 첫 관측 | 정보 없음 |
| 웹사이트 | 정보 없음 |
2. 개발 및 디자인
슈미트-카세그레인식 망원경은 1940년 미국의 천문학자 제임스 길버트 베이커가 베른하르트 슈미트의 슈미트 카메라를 개량하여 카세그레인 반사 망원경 설계를 제안하면서 시작되었다.[1][2] 윌슨 산 천문대는 제2차 세계 대전 중 군사용 광학 설계 연구의 일환으로 최초의 망원경을 제작했다.[3]
이 설계를 사용한 최초의 대형 망원경은 1962년 세인트앤드루스 대학교에 설치된 제임스 그레고리 망원경이다. 2021년 현재, 이 망원경은 가장 큰 슈미트-카세그레인 망원경으로 인정받고 있으며, 넓은 시야각을 통해 보름달을 최대 60배까지 관측 가능하다.[4]
슈미트-카세그레인식 망원경 설계는 여러 변형이 있지만, 크게 콤팩트형과 비콤팩트형 두 가지로 나뉜다. 콤팩트형은 빠른 주경과 작고 강한 곡률의 부경을 결합하여 경통 길이를 짧게 만든다. 보통 f/2 초점비의 주경과 f/2 초점비의 부경을 가지며, 두 거울 간 간격은 시스템 초점비를 약 f/10으로 만든다.[5] 반면 비콤팩트형은 보정판을 주경의 곡률 중심 근처에 배치하여 수차 보정이 우수하고 시야가 평탄하지만 경통 길이는 더 길다.
2. 1. 기본 구조
슈미트-카세그레인식 망원경은 버나드 슈미트가 개발한 슈미트 카메라식 망원경에 기초를 두고 개발되었다. 초기 슈미트-카세그레인 망원경은 물리학자이자 건축, 예술에 조예가 깊었던 로저 헤이워드[8]가 1946년에 특허 등록을 하였는데, 이 초기 슈미트-카세그레인 망원경은 슈미트 카메라 방식과 마찬가지로 경통 앞쪽에 있는 슈미트 보정판을 통과해 들어온 빛을 구면 거울을 이용하여 모으는 방식을 채택한 것이었다. 또한 구면 거울을 통해 모은 빛이 보정판에 부착한 볼록 거울을 이용하여 주경 뒤쪽에서 초점을 형성하도록 한 것은 카스그랭방식을 채택한 것이었다. 이와 같이 광원에서 온 빛이 보정판-주경-볼록 부경을 통과해 초점을 형성하는 것이 기본 디자인이라 할 수 있겠다. 이렇게 초점에 모인 빛은 초점면의 차이가 약간 발생하기 때문에, 근래에는 필드 플래트너와 같은 광학계를 추가로 부착하여 초점면을 보정해 주기도 한다.
미국의 천문학자이자 렌즈 설계자인 제임스 길버트 베이커는 1940년에 베른하르트 슈미트의 슈미트 카메라를 위한 카세그레인 반사 망원경 설계를 처음 제안했다.[1][2] 윌슨 산 천문대의 광학 연구소는 제2차 세계 대전 동안 군사용 광학 설계 연구의 일환으로 최초의 망원경을 제작했다.[3] 이 설계는 슈미트 카메라와 마찬가지로 구면 주경과 슈미트 보정판을 사용하여 구면 수차를 보정한다. 이 카세그레인 반사 망원경 구성에서 볼록 거울인 부경은 시야 평탄 렌즈 역할을 하며, 주경에 뚫린 구멍을 통해 이미지를 전달하여 주경 뒤에 위치한 최종 초점면에 맺히게 한다. 일부 설계에서는 초점면 근처에 추가 광학 요소(예: 시야 평탄 장치)를 포함한다. 이 설계를 사용한 최초의 대형 망원경은 1962년 세인트앤드루스 대학교에 설치된 제임스 그레고리 망원경이었다.
2021년 현재, 제임스 그레고리 망원경은 또한 가장 큰 슈미트-카세그레인 망원경으로 인정받고 있다.[4] 이 망원경은 시야각이 넓어 보름달의 최대 60배까지 볼 수 있다는 특징이 있다.[4]
2. 2. 초기 설계
슈미트-카스그랭식 망원경은 버나드 슈미트가 개발한 슈미트 카메라식 망원경에 기초를 두고 개발되었다. 초기 슈미트-카스그랭 망원경은 물리학자이자 건축, 예술에 조예가 깊었던 로저 헤이워드[8]가 1946년에 특허 등록을 하였다. 이 초기 슈미트-카스그랭 망원경은 슈미트 카메라 방식과 마찬가지로 경통 앞쪽에 있는 슈미트 보정판을 통과해 들어온 빛을 구면 거울을 이용하여 모으는 방식을 채택한 것이었다. 또한 구면 거울을 통해 모은 빛이 보정판에 부착한 볼록 거울을 이용하여 주경 뒤쪽에서 초점을 형성하도록 한 것은 카스그랭방식을 채택한 것이었다. 이와 같이 광원에서 온 빛이 보정판-주경-볼록 부경을 통과해 초점을 형성하는 것이 기본 디자인이라 할 수 있겠다. 이렇게 초점에 모인 빛은 초점면의 차이가 약간 발생하기 때문에, 근래에는 필드 플래트너와 같은 광학계를 추가로 부착하여 초점면을 보정해 주기도 한다.미국의 천문학자이자 렌즈 설계자인 제임스 길버트 베이커는 1940년에 베른하르트 슈미트의 슈미트 카메라를 위한 카세그레인 반사 망원경 설계를 처음 제안했다.[1][2] 윌슨 산 천문대의 광학 연구소는 제2차 세계 대전 동안 군사용 광학 설계 연구의 일환으로 최초의 망원경을 제작했다.[3] 이 설계는 슈미트 카메라와 마찬가지로 구면 주경과 슈미트 보정판을 사용하여 구면 수차를 보정한다. 이 카세그레인 반사 망원경 구성에서 볼록 거울인 부경은 시야 평탄 렌즈 역할을 하며, 주경에 뚫린 구멍을 통해 이미지를 전달하여 주경 뒤에 위치한 최종 초점면에 맺히게 한다. 일부 설계에서는 초점면 근처에 추가 광학 요소(예: 시야 평탄 장치)를 포함한다.
J.G. 베이커는 1940년에 "슈미트 카메라와 동등한 성능을 가진 시야가 평탄한 카메라군"이라는 논문을 미국 철학 협회 기요 제82권 제3호와 하버드 대학교 천문대 별쇄집 제199호에 발표하였다.[7] 1944년 3월에 E.H. 린프풋이 더욱 상세한 연구를 발표했다.[7]
2. 3. 발전 과정
슈미트-카스그랭식 망원경은 버나드 슈미트가 개발한 슈미트 카메라식 망원경에 기초를 두고 개발되었다. 초기 슈미트-카스그랭 망원경은 물리학자이자 건축, 예술에 조예가 깊었던 로저 헤이워드[8]가 1946년에 특허 등록을 하였다.미국의 천문학자이자 렌즈 설계자인 제임스 길버트 베이커는 1940년에 베른하르트 슈미트의 슈미트 카메라를 위한 카세그레인 반사 망원경 설계를 처음 제안했다.[1][2] 윌슨 산 천문대의 광학 연구소는 제2차 세계 대전 동안 군사용 광학 설계 연구의 일환으로 최초의 망원경을 제작했다.[3] 이 설계를 사용한 최초의 대형 망원경은 1962년 세인트앤드루스 대학교에 설치된 제임스 그레고리 망원경이었다. 2021년 현재, 제임스 그레고리 망원경은 가장 큰 슈미트-카세그레인 망원경으로 인정받고 있으며, 시야각이 넓어 보름달의 최대 60배까지 볼 수 있다는 특징이 있다.[4]
1940년에 J.G. 베이커가 "슈미트 카메라와 동등한 성능을 가진 시야가 평탄한 카메라군"이라는 논문을 미국 철학 협회 기요 제82권 제3호와 하버드 대학교 천문대 별쇄집 제199호에 발표한 것이 최초이다.[7] 1944년 3월에 E.H. 린프풋이 더욱 상세한 연구를 발표했다.[7] 1973년에 오스트레일리아, 사이딩 스프링 천문대의 S. C. B. 가스코안이 비구면판의 3차 수차 이론을 슈미트-카세그레인식 망원경에 응용하여 발명했다.[7]
최초로 양산에 성공한 곳은 미국의 셀레스트론[7]이며, 유효 구경 20cm, 28cm, 35cm를 생산했다. 바움 앤 로미[7]는 10cm와 20cm를, 미드는 20cm와 25cm를 생산했다. 이 외에 일본의 일본특수광학[7]과 다카하시 제작소, 이탈리아의 마리오 스파다[7] 등이 제조한 적이 있다.
3. 응용 분야
슈미트-카세그레인식 망원경은 망원경 제조사들이 선호하는 방식이다. 같은 구경의 망원경을 만들 때, 슈미트-카세그레인 방식에서 사용되는 구면 거울을 만드는 비용이 반사식에 사용되는 초점거리가 긴 포물면 거울을 만드는 비용보다 적게 들기 때문이다. 따라서 슈미트-카세그레인 방식의 망원경은 일반 반사 망원경보다 제조 비용이 적게 들어가며, 같은 구경에서 경통의 길이가 훨씬 짧아 시장성에서도 유리하다. 또한 초점비가 커서 슈미트 카메라에 비해 시야는 좁지만, 심원 천체 및 행성 관측에 더 유리하다.
슈미트-카세그레인식 설계는 제조하기 쉬운 구면 광학 표면을 결합하여 굴절 망원경의 긴 초점 거리를 반사 망원경의 더 낮은 구경당 비용으로 제작할 수 있어 일반 소비자용 망원경 제조업체에서 매우 인기가 높다. 콤팩트한 설계로 휴대성이 뛰어나 시장 경쟁력을 높인다. 높은 f-비는 슈미트 카메라와 같은 광시야 망원경은 아니지만, 더 좁은 시야의 심원 천체 및 행성 관측에 적합하다.
이 설계를 사용한 소비자용 버전은 일반적으로 기존의 아이피스가 아닌 주경의 위치를 조정하여 초점을 맞춘다. 이는 거울의 작은 위치 변화가 망원경의 초점 거리에 의해 확대된다는 것을 의미한다. 거울이 영구적으로 고정되지 않기 때문에, 약간 움직여서 이미지가 이동할 수 있는데, 이를 "미러 플롭"이라고 한다. 일부 슈미트-카세그레인식 망원경에는 초점이 맞춰지면 주경을 제자리에 고정하기 위한 미러 잠금 장치가 장착되어 있다.[6]
4. 응용된 형태들
슈미트-카스그레인 망원경은 경통 길이에 따라 크게 두 가지 형태로 나뉜다. 경통이 짧은 형태(콤팩트형)는 빠른 초점비의 주경과 작고 강한 곡률을 가진 부경을 결합하여 튜브 길이를 매우 짧게 만든다. 반면, 경통이 긴 형태(비콤팩트형)는 보정판이 주경의 곡률 중심에 위치하거나 그 근처에 위치한다.
이 외에도 마루야마 슈미트-카세그레인식은 주경과 부경 모두 보정판의 중심을 중심으로 하는 구면경이며, 코마 수차, 비점 수차, 왜곡 수차가 모두 없는 것이 특징이다. 그러나 보정판의 오목한 부분의 최대값이 슈미트식 망원경의 약 5배가 되기 때문에 밝게 만들기 어렵고, 색수차가 커지는 단점이 있다.[7]
베이커 평면상 슈미트-카세그레인식, 린후트식, 콤팩트 슈미트-카세그레인식 등도 있다.[7]
4. 1. 경통이 짧은 형태 (콤팩트형)
슈미트-카스그레인 망원경은 경통 길이에 따라 크게 두 가지 형태로 나뉜다. 경통이 짧은 형태는 보정판이 주경의 초점 근처에 위치하며, 경통이 긴 형태는 보정판이 주경의 곡률 중심 근처에 위치한다.경통이 짧은 형태는 빠른 초점비의 주경과 작고 곡률이 큰 부경을 사용하여 빛을 모아, 시야 곡률을 희생하는 대신 경통 길이를 매우 짧게 만든다. 대표적으로 미국의 셀레스트론[7]과 미드사에서 제작하는 망원경이 있다. 이들은 주경의 초점비를 f/2, 부경의 초점비를 f/2 정도로 하여, 전체 시스템의 초점비를 약 f/10으로 만든다.[5]
이 방식은 오목 거울 뒤에 접안부가 있어, 굴절 망원경처럼 보는 대상과 들여다보는 방향이 일치한다. 또한 내부에서 빛이 굴절되어 경통을 짧게 할 수 있고, 오목 거울을 사용하므로 대구경 망원경을 만들기 쉽다. 초점 조절은 오목 거울 뒤의 손잡이를 돌려 오목 거울을 앞뒤로 움직여서 한다. 이때 오목 거울이 움직이면서 광축이 약간 어긋나 시야도 약간 움직이며, 경통 자세에 따라서도 미세하게 광축이 변한다.
최초로 양산에 성공한 곳은 미국의 셀레스트론[7]이며, 유효 구경 20cm, 28cm, 35cm를 생산했다. 그 외 바움 앤 로미[7]는 10cm와 20cm를, 미드는 20cm와 25cm를 생산했다. 이 외에 일본의 일본특수광학[7]과 다카하시 제작소, 이탈리아의 마리오 스파다[7] 등이 제조한 적이 있다.
4. 2. 경통이 긴 형태 (비콤팩트형)
경통이 긴 형태는 주경의 곡률 중심에 보정판이 위치한다. 대표적인 형태로는 '단중심 슈미트-카스그레인' 방식이 있는데, 모든 거울면과 초점면이 주경의 곡률 중심에 일치하도록 설계되었다. 광학적으로 상면 만곡이 잘 보정되어 초점면이 평면에 가깝지만, 제작 비용이 높다는 단점이 있다.[5]비콤팩트형 설계는 콤팩트형 설계보다 수차 보정이 뛰어나고 시야가 평평하지만, 경통 길이가 더 길다.
4. 2. 1. 단중심 슈미트-카세그레인
단중심 슈미트-카세그레인 방식은 모든 거울면과 초점면이 주경의 곡률 중심에 일치하도록 설계된 형태이다. 광학적으로 상면 만곡이 잘 보정되어 초점면이 평면에 가깝지만, 제작 비용이 높다는 단점이 있다.[5]5. 아마추어 천문학에서의 활용
슈미트-카세그레인식 망원경은 같은 구경의 망원경을 만들 때, 구면 거울을 사용하는 것이 반사 망원경에 사용되는 초점거리가 긴 포물면 거울보다 제작 비용이 저렴하다. 또한, 같은 구경에서 경통 길이가 짧아 시장성이 좋고, 초점비가 커서 심원 천체 및 행성 관측에 유리하다는 장점이 있다. 이러한 이유로 일반 소비자용 망원경 제조사들이 선호하는 방식이다.[6]
콤팩트한 설계 덕분에 주어진 구경에 비해 휴대성이 뛰어나다.
5. 1. 초점 조절
이 설계를 사용한 소비자용 버전은 일반적으로 기존의 아이피스가 아닌 주경의 위치를 조정하여 초점을 맞춘다. 이는 거울의 작은 위치 변화가 망원경의 초점 거리에 의해 확대된다는 것을 의미한다. 거울이 영구적으로 고정되지 않기 때문에, 약간 움직여서 이미지가 이동할 수 있다. 이것을 "미러 플롭"이라고 한다. 일부 슈미트-카세그레인식 망원경에는 초점이 맞춰지면 주경을 제자리에 고정하기 위한 미러 잠금 장치가 장착되어 있다.[6]6. 주목할 만한 망원경
미드 인스트루먼츠(Meade Instruments)의 20인치 모델은 일반 소비자에게 판매되는 가장 큰 슈미트-카세그레인식 망원경이며, 주문 제작 방식의 다른 회사 제품도 있다. 센트럴 플로리다 대학교 로빈슨 천문대에는 26인치 슈미트-카세그레인식 망원경이 있다. 1962년 세인트앤드루스 대학교에 설치된 제임스 그레고리 망원경은 2021년 현재 가장 큰 슈미트-카세그레인식 망원경으로, 보름달의 최대 60배까지 볼 수 있는 넓은 시야각을 가지고 있다.[4]
참조
[1]
간행물
Colloquium on Schmidt optics
[2]
서적
The General History of Astronomy
Cambridge University Press
[3]
문서
The Mount Wilson Optical Shop During the Second World War
http://adsabs.harvar[...]
American Astronomical Society
[4]
웹사이트
A short history of Scotland’s largest telescope
https://medium.com/a[...]
2018-04-05
[5]
웹사이트
V. Sacek, Telescope-Optics.net page 10.2.2.4.2
https://telescope-op[...]
[6]
간행물
Magnet Loader for Schmidt-Cassegrain Mirror Flop Reduction
https://adsabs.harva[...]
Society for Astronomical Sciences
2006-05-23
[7]
서적
『天文アマチュアのための望遠鏡光学・反射編』
[8]
특허
US Patent 2,403,660, Schmidt-Cassegrain camera
http://www.freepaten[...]
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