접안렌즈

3. 종류

접안렌즈는 렌즈 구성, 디자인, 특징에 따라 다양하게 분류된다. 시간에 따라 기술은 발전했고, 망원경, 현미경, 조준경 등 여러 장치에 사용되는 다양한 접안렌즈 디자인이 개발되었다.

초기 접안렌즈는 단일 렌즈 요소만 가지고 있어 이미지가 심하게 왜곡되었다. 이후 2개 또는 3개의 요소로 구성된 설계가 개발되어 이미지 품질이 향상되었고, 오늘날에는 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어를 활용하여 7개 또는 8개의 요소로 구성된 접안렌즈가 매우 크고 선명한 시야를 제공한다.

케플러는 볼록 렌즈를 사용하면 상은 도립상이 되지만, 2매를 사용하여 2번 상을 반전시켜 정립상으로 만들었다. 천체 망원경이나 현미경에서는 특히 정립상일 필요성이 낮기 때문에, 현재는 그대로 도립상으로 한다. 쌍안경이나 지상용 망원경처럼 정립상을 필요로 하는 경우에는 광로 내에 프리즘을 추가하여 상을 다시 반전시킨다.

초기 망원경의 접안렌즈는 단일 렌즈였지만, 수차를 보정할 수 없었기 때문에 광학 성능이 좋지 않았다. 그래서 여러 렌즈를 조합하여 각종 수차를 보정한 접안렌즈가 개발되었다. 여러 렌즈를 접착하여 1개의 접합 렌즈를 만들고, 또한 이 접합 렌즈를 조합하여 1개의 접안렌즈로 만든다. 이 렌즈의 조합 방법이 아이피스의 종류이며, 보통 제작자의 이름을 붙여 ~식이라고 불린다.

시판되는 접안렌즈에는 약자가 있으며, 알파벳은 아이피스 종류를, 뒤에 있는 숫자는 초점거리를 나타낸다. 예를 들어 MH10mm는 10mm 초점을 갖는 미텐츠베이-하위헌스 렌즈 아이피스를 의미한다.

• 하이겐스 또는 호이헨스(Huygens, 약호 H)

• 람스덴(Ramsden, 약호 R)

• 켈너(Kellner, 약호 K)

• 오르토스코픽(Orthoscopic, 약호 Or, OR, O)

• 아베(Abbe, 약호 A)
• -

• 플로슬(Plössl, 약호 PL)
• -

• 에르플레(Erfle, 약호 E 또는 Er)

• 쾨니히(König, 약호 Kö)

• 나글러(Nagler)

3. 1. 갈릴레이식 (Galilei)

이 아이피스는 갈릴레이가 아니라 1608년에 네덜란드에서 먼저 굴절 망원경을 사용하는데 썼다는 말도 있다. 갈릴레이식 아이피스는 여전히 아주 싼 망원경이나 쌍안경, 오페라 글라스에 사용되고 있다. 오목 렌즈에 의한 접안렌즈는 정립상을 얻을 수 있는 장점이 있지만, 시야가 좁고 배율을 높일 수 없다는 큰 제약이 있었다.

3. 2. 볼록 렌즈

요하네스 케플러가 1611년에 쓴 《Dioptrice》에서 더 넓은 시야각과 배율을 제공하는 방법으로 제안한 볼록 렌즈이다. 초점 뒤에 볼록 렌즈를 배치하여 확대된 도립상을 표현한다. 렌즈가 상의 초점 뒤에 배치됐기 때문에 마이크로미터헤드(조동나사)를 통해 초점을 조절할 수 있다.

요하네스 케플러는 1611년에 2매의 볼록 렌즈를 접안렌즈로 한 망원경을 고안했다. 볼록 렌즈를 사용하면 상은 도립상이 되지만, 케플러는 2매를 사용하여 2번 상을 반전시켜 정립상으로 만들었다.^[3]

3. 3. 하위헌스식(H)

크리스티안 하위헌스가 1660년대 후반에 발명한 최초의 복합 렌즈 아이피스이다.^[27] 한쪽이 볼록하고 다른 한쪽이 평평한 렌즈 두 개를 공기를 사이에 두고 같은 방향으로 나란히 배치한 아이피스다. 대물렌즈 쪽의 렌즈를 필드 렌즈, 안쪽의 렌즈를 접안렌즈라고 부른다. 하위헌스는 두 개의 렌즈를 서로 떼어 놓아 배치하여 수평 성분의 색수차를 없앨 수 있다는 것을 발견했다.

같은 아베수를 갖는 두 렌즈가 아주 멀리 떨어진 대상을 이완된 눈으로 하위헌스식 렌즈를 통해 보기 위해서는

$d=\backslash frac\{1\}\{2\}\; (f\_A\; +\; f\_B\; )$

만큼 렌즈가 떨어져야 한다. 여기서 $f\_A$와 $f\_B$는 각각의 렌즈의 초점거리이다.

이 아이피스는 초점거리가 아주 먼 망원경에서 잘 동작한다. 하위헌스 아이피스는 시야각이 약 50도이다. 구조가 간단하여 값이 싸고, 상도 밝게 보이지만, 눈동자 거리(eye relief)가 짧아(0.241f) 고배율에는 눈이 금방 피로해진다.^[28] 하위헌스 아이피스는 가격이 저렴하여 비싸지 않은 망원경이나 현미경에서 쉽게 찾을 수 있다.

1865년경 모리츠 미텐츠베이(Moritz Mittenzwey)가 하위헌스식 아이피스의 대물렌즈 쪽을 메니스커스 렌즈로 바꿔 수차를 줄였다. 이 렌즈를 미텐츠베이-하위헌스 렌즈(Huygens-Mittenzwey 혹은 Modified Huygens)라고 부르며, 약자는 대문자를 따서 HM 또는 MH로 쓴다. (독일어 위키피디아 문서)

렌즈 접착제의 내열성이 약했던 시절에 하위헌스식 아이피스는 태양 관측용 접안렌즈로 쓰기에 유용했다.

3. 4. 람스덴식(R)

제시 램즈덴이 1783년에 발표한 형식으로, 한쪽 면이 볼록하고 다른 한쪽 면이 평면인 동일한 두 개의 렌즈를 볼록면이 서로 마주 보도록 조합하여 만든 2군 2매의 접안렌즈이다.^[20] 색수차가 커서 망원경에는 적합하지 않다. 하지만 왜곡이 적고 초점 위치가 2개의 렌즈 바깥쪽에 있어 십자선이나 눈금을 추가로 부착할 수 있어, 파인더, 검사용 확대경, 현미경 등에 사용된다.^[20] 단독 제품으로는 거의 찾아볼 수 없다. 렌즈 접착제의 내열성이 좋지 않았던 시대에는 태양 관측용 접안렌즈로 권장되었다.

3. 5. 켈너식(K)

칼 켈너(Karl Kellner^de)가 1849년에 처음으로 디자인한 색지움 접안렌즈이다.^[20] 켈너식 아이피스는 람스덴식 아이피스에서 눈 쪽 렌즈를 이중 색지움 렌즈로 바꾸어 색수차를 줄였다. 3개의 렌즈로 구성되어 저렴하고, 하위헌스식이나 람스덴식에 비해 색수차가 적으며, 시야각도 40~50° 정도로 넓어 저배율에서 중배율에 적합하다. 눈의 거리는 하위헌스식보다는 좋지만 람스덴식보다는 짧다.^[5] 가장 큰 문제는 내부 반사였지만, 저반사코팅 기술이 발달하면서 저배율에서 중배율까지의 현미경, 쌍안경, 망원경에 널리 쓰인다.

3. 6. 오소스코픽(Or, OR, O)

오르토스코픽(Orthoscopic, 약호 Or, OR, O)은 "정돈된 상"이라는 의미이다. 켈너가 처음 이 단어를 켈너식 접안렌즈에 사용했지만, 이는 과장이었기 때문에 정착되지 않았다.^[20] 아베식 및 플뢰슬식은 왜곡이 작으므로, 이 호칭으로 판매되는 경우가 많다.^[22]

3. 6. 1. 아베식(A)

1880년에 에른스트 아베가 개발한 4개 렌즈 구성의 오소스코픽 아이피스이다.^[20] 3중으로 붙인 색지움 필드렌즈(볼록렌즈 2개와 오목렌즈 하나)와 한쪽 면이 볼록하고 다른 한쪽 면이 평평한 렌즈 하나로 이루어져 있다. 완벽에 가까운 상을 제공하고 눈동자 거리도 좋지만, 시야각이 40°~45°로 좁다.

멀티코팅과 플뢰슬 등장 이전에는 망원경 아이피스로 인기가 많았으나, 현재는 달, 행성 관측용으로 주로 쓰인다. 넓은 시야각과 긴 눈동자 거리 덕분에 십자선 부착 아이피스로 선호되었으나, 점차 쾨니히식으로 교체되고 있다. 왜곡과 지구본 효과(w:globe effect)가 적어 넓은 영역 패닝 장비에는 부적합하다.

3. 6. 2. 플뢰슬식(PL)

플뢰슬식은 일반적으로 2세트의 이중렌즈로 구성된 아이피스로 1860년 시몬 플뢰슬이 설계했다. 2개의 이중렌즈가 플뢰슬식의 정체성이기 때문에 '대칭 아이피스'(symmetrical eyepiece)라고도 불린다.^[29] 정교한 플뢰슬식 아이피스는 50°이상의 넓은 시야각을 갖는다. 딥스카이나 행성 관측을 비롯한 다양한 관측에서 광범위하게 사용할 수 있다. 플뢰슬식의 최대 단점으로는 아베식과 비교했을 때 짧은 아이릴리프인데, 초점 거리의 70~80%로 제한되어 있다. 짧은 아이릴리프는 10mm 안팎의 짧은 초점길이를 가졌을 때 치명적인데, 안경을 쓰고 있는 사람에게는 특히나 불편할 수 있다.

플뢰슬식 아이피스는 천문장비 회사들이 이것을 다시 디자인할 때인 1980년대까지 잘 알려져 있지 않은 형태였다.^[30] 오늘날에는 아마추어 천문 시장에서 가장 인기가 많은 아이피스다.^[31] 최소 4개의 광학부품을 넣은 디자인인 플뢰슬에 해당하는 범위는 더 넓어서 가끔 에르플레 같은 것도 플뢰슬식에 들어가기도 한다.

내부반사나 오목렌즈와 볼록렌즈를 잘 맞물리게 하는 것 같은 높은 수준의 재료와 실력을 요구하기 때문에 제조 비용이 만만치 않은 아이피스 중 하나이다. 그래서 플뢰슬식 아이피스는 각각이 다른 퀄리티를 가지고 있다. 간단한 저반사 코팅 처리한 값싼 아이피스와 잘 만든 아이피스는 금방 눈에 띌 정도로 차이가 크다.

3. 7. 단일 중심식

단일중심식(Monocentric) 아이피스는 플린트 유리로 만들어진 렌즈를 크라운 유리로 만든 삼중 색지움 렌즈 아이피스다. 광학 부품들이 두껍고, 곡률이 크고, 같은 중심을 공유한다는 점 때문에 'monocentric'이라는 이름이 붙었다. 후고 아돌프 슈타인하일(Hugo Adolf Steinheil^de)가 1883년 쯤에 만들었다.^[32] 이 디자인은 저반사 코팅이 나오기 전까지 유령 반사가 없으면서 밝고 대비가 강한 이미지를 줬다.^[33] 시야각은 25° 정도이다.^[34] 행성 관측에 적합한 디자인이다.^[35]

3. 8. 에르플러식(E, Er)

1917년부터 1918년에 걸쳐 하인리히 에르플러(Heinrich Erfle^de]])는 군용 쌍안경용 접안렌즈를 개발했다.^[36] 세계1차대전에서 군사용 쌍안경에 쓰기 위한 것이었다. 5개 렌즈로 구성되어 있으며, 가운데 볼록렌즈를 기준으로 양쪽에 볼록렌즈와 오목렌즈를 붙인 렌즈를 배치하는 형태이다.^[36] 플뢰슬(Plössl)과 같이 4개 렌즈로 구성된 접안렌즈를 확장하여 더 넓은 시야를 제공한다.

에르플러식 아이피스는 넓은 시야각(60° 정도)을 갖도록 설계되었지만, 유령상과 비점수차 때문에 높은 배율에서는 불안정하다. 20~30mm의 초점거리에서는 저배율용으로 적합하며, 40mm에서는 훌륭한 성능을 보인다. 큰 접안렌즈 덕분에 긴 초점거리에서도 눈동자 거리가 길어 보기 편하고, 광시야각 때문에 매우 유명하다.

3. 9. 쾨니히식(Kö)

쾨니히 아이피스는 오목-볼록 양의 이중렌즈와 평볼록 단렌즈를 가지고 있다. 이중렌즈와 단렌즈의 강하게 볼록한 면이 서로 마주보고 (거의) 접촉한다. 이중렌즈는 오목한 면이 광원을 향하고 단렌즈는 거의 평평한 (약간 볼록한) 면이 눈을 향한다. 1915년 독일의 광학 기술자 알베르트 쾨니히(1871−1946)에 의해 설계되었으며, 효과적으로 단순화된 아베 렌즈이다. 이 디자인은 1979년의 Nagler 이전에 어떤 디자인보다 초점 거리에 비례하여 가장 긴 아이릴리프를 가져, 상당히 높은 배율을 가능하게 한다. 약 55°의 시야는 플뢰슬보다 약간 우수하며, 더 나은 아이릴리프와 렌즈 요소를 하나 덜 필요로 한다는 추가적인 장점이 있다.

현대에는 특수 유리를 사용하거나 더 많은 렌즈 그룹을 추가하여 60°−70°의 시야를 가지도록 개선되었다. 가장 일반적인 개선 방식은 이중렌즈 앞에 단렌즈 양의 오목-볼록 렌즈를 추가하는 것으로, 오목 면이 광원을 향하고 볼록 면이 이중렌즈를 향한다.

3. 10. RKE

RKE는 켈너식의 배열을 뒤집어 더블렛 렌즈와 색지움 렌즈를 둔 아이피스다. 데이비드 랭크 박사가 에드몬드 사이언티픽(현 에드몬드 옵틱스)에서 설계하고, 1960년 후반에서 1970년에 시장에 출시되었다. 이 디자인은 켈너식보다 조금 더 넓은 시야를 제공하고 쾨니히식의 넓은 버전의 디자인과 비슷하게 생겼다.^[15][16]

RKE 접안렌즈는 색수차 보정된 시야 렌즈와 이중 볼록 아이 렌즈를 가지고 있으며, 켈너 접안렌즈를 역으로 개량한 것으로, 렌즈 배치는 쾨닉과 유사하다. 1960년대 후반과 1970년대 초반에 걸쳐 에드먼드 사이언티픽사를 위해 데이비드 랭크 박사가 설계했다. 기존 켈너 디자인보다 약간 더 넓은 시야를 제공하며, 쾨닉의 간격을 넓힌 버전과 유사한 디자인을 가지고 있다.

에드먼드 사이언티픽사에 따르면, ''RKE''는 "Rank Kellner Eyepiece" (랭크 켈너 접안렌즈)의 약자이다. 1979년 1월 16일 상표 등록 수정 시에는 이 접안렌즈가 파생된 세 가지 디자인인 "Rank-Kaspereit-Erfle"로 명시되었다. ''Edmund Astronomy News'' (1978년 3월)는 이 접안렌즈를 "Rank-Kaspereit-Erfle"(RKE)를 "재설계된... type II 켈너"라고 불렀다. 그러나 RKE 디자인은 켈너와 유사하지 않으며, 수정된 쾨닉에 더 가깝다. "K"가 드물게 사용되는 쾨닉 대신 더 흔한 켈너의 이름으로 오해된 것이 아닌가 하는 추측도 있다.

3. 11. 내글러식

텔레뷰 사의 앨버트 내글러^[37]가 1979년에 특허를 내고 1980년에 판매한 렌즈이다. 비점수차 및 다른 수차가 적으면서 초광시야각(82도)을 가지는 렌즈로, 천체망원경에 최적화되게 설계되었다. 2007년, 폴 델리치에(Paul Dellechiaie)가 데이비드 내글러의 지도 아래에서 초광각 시야각(100°에서 110°까지의 AFOV)을 제공하는 Ethos를 개발했다고 주장했다.^[38][39] 이것은 높은 굴절율을 가진 외부 유리와 여덟 개의 광학부속을 4~5개로 묶어 만든 것이었다. 이런 아이피스들은 다 비슷하게 생겼기 때문에 Nagler, Nagler type 2, Nagler type 4, Nagler type 5, Nagler type 6라고 부른다. 더 새롭게 만든 Delos는 Ethos의 디자인을 수정한 것으로 시야각은 72도 정도에 불과하지만, 20mm라는 눈동자 거리를 가지고 있다.

내글러식 아이피스 안의 부품 숫자는 복잡하게 보이게 하지만, 디자인 원칙은 무척 간단하다. 모든 내글러식 아이피스는 대물렌즈 쪽에 확대를 담당하는 두 광학부품을 합친 네거티브 렌즈(오목렌즈 같이 초점이 앞에 있는 렌즈)가 하나 있고, 여러 포지티브 렌즈(볼록렌즈 같이 초점이 뒤에 있는 렌즈)들이 그것을 보조한다. 포지티브 렌즈들은 첫번째 네거티브 렌즈에서 오는 분리를 생각하여 긴 초점 거리를 만들고, 포지티브 렌즈를 성형한다. 이렇게 해서 낮은 파워 렌즈의 많은 좋은 퀄리티의 장점을 취하는 것이다. 사실상 내글러식은 긴 초점거리 아이피스를 결합한 바로 렌즈(Barlow lens^영어)의 강화판이다. 이 디자인은 넓은 시야각이나 긴 눈동자 거리를 갖는 아이피스들에 배껴져 사용되었다.

내글러식의 주된 단점은 무게에 있다. '수류탄'이라는 별명을 가지고 있을 정도로 크기가 크고 무겁다. 긴 초점거리를 가진 버전은 500g이 넘어가서 중소형 망원경의 무게중심을 맞추기 까다롭게 할 정도이다. 다른 단점은 높은 가격으로, 큰 내글러식 아이피스의 가격은 작은 망원경의 가격에 견줄만 하다. 아마추어 천문학자들에게는 사치품으로 인식되고 있다.^[40]

4. 망원경 접안 렌즈의 규격

망원경 본체와 접안렌즈의 초점 거리 조합에 따라 배율이 달라진다. 배율은 대물렌즈 또는 주경의 초점 거리를 접안렌즈의 초점 거리로 나눈 값이다. 초점 거리가 짧은 접안렌즈를 사용하면 고배율을 얻을 수 있지만, 경통 내로 들어가는 빛의 양은 변하지 않으므로 상이 어두워진다. 또한 분해능은 망원경의 구경으로 결정되므로, 배율을 높여도 세밀한 부분이 보이는 것은 아니다. 따라서 구경이 작은 망원경에서는 구경을 cm로 나타낸 값의 15-20배 정도가 실용적인 한계로 여겨진다.

대다수의 접안렌즈는 각 회사 공통의 장착 사이즈로 되어 있으며, 삽입부 직경에 따라 여러 규격으로 나뉜다. 일반적으로 다음과 같은 표준 규격이 사용된다.^[25]

과거에는 24.5mm 규격(차이스 사이즈, 독일 사이즈, 일본 사이즈라고도 함)이 주류였으나, 현재는 31.7mm 규격(아메리칸 사이즈, 1.25인치 사이즈라고도 함^[25])와 50.8mm(2인치) 규격이 주로 사용된다.^[25] 그 외에 36.4mm 나사식이나 50.8mm 나사식, 제조사 고유의 사이즈도 있다.

4. 1. 겉보기 시야와 실시야

4. 2. 아이 릴리프

4. 3. 삽입부 직경

과거에는 24.5mm 규격이 주류였으나, 현재는 31.7mm와 50.8mm(2인치) 규격이 주로 사용된다.^[25]

5. 한국의 주요 제조사

한국에서는 아마추어 천문가나 일반인들이 사용하는 망원경을 직접 제조하여 판매하는 회사가 거의 없다. 따라서, 주로 외국의 유명 제조사 제품을 수입하여 사용하는 경우가 많다.

참조

_[1] 서적 Visual Astronomy of the Deep Sky Cambridge University Press
_[2] 간행물
_[3] 웹사이트 Eyepieces http://www.astro-tom[...]
_[4] 간행물 The good old Plossl eyepiece http://www.lcas-astr[...] Lake County Astronomical Society 2009-12-25
_[5] 보고서 "[no title cited]" 2009-07-29
_[6] 서적 Nebulae and How to Observe Them https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2007-03-14
_[7] 간행물
_[8] 서적 Jupiter and How to Observe It https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2007-12-16
_[9] web forum post TMB monocentric eyepiece http://www.brayebroo[...] 2023-10-02
_[10] 서적 Survey of Optical Instruments https://books.google[...] 2008-04-11
_[11] 잡지 Demystifying multicoatings http://www.jersey-ma[...] 2024-05-10
_[12] 서적 Astronomical Equipment for Amateurs https://books.google[...] Springer Science & Business Media 1999-01
_[13] 서적 Advanced Amateur Astronomy https://archive.org/[...] Cambridge University Press 1997
_[14] 특허 Ocular 1921-08-25
_[15] trademark RKE http://tdr.uspto.gov[...] 1979-07-17
_[16] 간행물 New eyepiece design developed by Edmund Edmund Scientific Corporation 1978-03
_[17] 웹사이트 Ethos: 100° & 110° apparent field eyepieces http://www.televue.c[...] Tele Vue Optics 2016-11-22
_[18] 웹사이트 Cloudynights review of Ethos http://www.cloudynig[...]
_[19] 보고서 Televue: A historical perspective http://www.company7.[...] Company Seven 2023-10-02
_[20] 문서 天文アマチュアのための望遠鏡光学・屈折編』pp.201-234「接眼鏡」
_[21] 문서 ハイゲンス・ミッテンゼーとは普通呼ばない。
_[22] 문서 しかし現実の製品のほとんどは結構歪曲が大きい。瞳距離の確保を優先するための設計と言われる。
_[23] 문서 実際にこの略号が使われているアイピースは1990年代に発売されていたツァイス社の製品だけではなかろうか。
_[24] 문서 しかし現実には安物も多いので、アッベほどネームバリューが高くない。
_[25] 문서 1.25インチをミリに換算するなら、31.75mmサイズ、あるいは四捨五入して31.8mmサイズではないか？と思われるかもしれないが、31.7mmサイズと呼ぶのが現在の望遠鏡業界での通例である。
_[26] 문서 光技術用語辞典 http://www.optronics[...]
_[27] 서적 Star Ware: An amateur astronomers' guide to choosing, buying, and using telescopes and accessories John Wiley & Sons 2011
_[28] 서적
_[29] 서적
_[30] 서적
_[31] 서적
_[32] 웹인용 http://www.brayebroo[...] 2023-10-02
_[33] 인용
_[34] 서적 https://books.google[...]
_[35] 서적 https://archive.org/[...]
_[36] 논문 Ocular https://patents.goog[...] 1921-08-13
_[37] 웹인용 About Al Nagler https://www.televue.[...] Tele Vue Optics 2024-02-21
_[38] 웹인용 Ethos: 100° & 110° apparent field eyepieces http://www.televue.c[...] Tele Vue Optics 2016-11-22
_[39] 웹인용 Cloudynights review of Ethos http://www.cloudynig[...]
_[40] 간행물 Televue: A historical perspective http://www.company7.[...] Company Seven 2000-01-01