망원경 원리

[블루]

망원경의 원리

망원경은 대물렌즈나 반사거울을 이용하여 물체로부터 나오는 빛을 모아 상을 만들고, 이 상을 아이피스(접안렌즈)로 확대해서 실제보다 크게 보이도록 하는 기구입니다.
대물렌즈가 크면 클수록 물체로부터 나오는 빛을 많이 받게 되므로 상의 밝기가 증가합니다.
밤하늘의 대상들은 그 거리가 무한대로 볼 수 있으므로 상은 항상 대물렌즈의 초점상에 맺히게 됩니다.
그러므로 대물렌즈에 의한 상의 크기가 크고 아이피스의 초점거리가 짧을수록 물체를 크게 확대시켜 볼 수 있습니다.
망원경의 기능은 크게 두 가지로 구분할 수 있는데, 하나는 많은 빛을 모아주는 것이고, 다른 하나는 작은 상을 크게 해주는 것입니다.
전자는 대물렌즈의 기능으로 집광력이라는 말로 표현되고, 후자는 접안렌즈의 기능으로 배율이라는 말로 표현됩니다.
접안렌즈(eyepiece)란 기본적으로 확대경의 역할을 하고 있는 광학 장치를 말합니다.
망원경의 렌즈(또는 반사경)들에 의해 빛이 모여 초점 면에 실상을 만들면 접안렌즈는 이 실상을 확대해서 보여 주는 것입니다.
위에서 말한 망원경은 굴절 망원경입니다
망원경에는 굴절 망원경만 있는 것이 아니고 반사반원경, 전파망원경이 있습니다
먼저 위에서 질문한 굴절망원경을 알아볼까요
(1) 굴절 망원경
굴절 망원경은 멀리서 온 빛을 대물렌즈로 굴절시켜서 빛을 한 곳에 모은 다음 접안렌즈로 확대시켜서 보는 망원경이라고 했지요.
장점은
시야 전체에서 고른 상을 얻을 수 있어요.
경통 속이 밀폐되어 공기 대류에 의한 상의 흔들림이 없지요.
반사 망원경에 비하여 분해능이 뛰어납니다.
단점은
빛이 대물렌즈를 통과하기 때문에 색수차가 있습니다.
색수차를 줄이기 위해 초점길이를 연장하기 때문에 비교적 상이 어둡습니다.
같은 규격의 반사 망원경에 비해 가격이 비쌉니다.
특징은
행성 관측에 특히 유리합니다.
다른 종류의 망원경에 비해 경통의 길이가 깁니다.
대형 망원경에는 부적합합니다.
초보자에게는 구경 60 ∼ 80mm의 굴절 망원경이 무난합니다.
굴절 망원경의 종류로는
1)갈릴레이식 굴절 망원경 :
접안렌즈를 대물렌즈 초점 앞에 놓게 되므로 정립 상이 되는 장점이 있지만, 접안렌즈에 오목렌즈를 쓰기 때문에 시야를 넓게 할 수 없는 단점이 있어 소형 오페라 글라스나 지상 망원경에만 이용되고 있습니다.

<갈릴레이식 망원경의 원리>
2) 케플러식 굴절 망원경 :
갈릴레이 식과 달리 접안렌즈에 볼록렌즈를 사용하고, 이 렌즈가 대물렌즈의 초점 뒤에 맺힌 도립실상을 확대해 보는 것이므로 거꾸로 보이는 단점이 있지만, 천체를 보는데는 별 지장이 없습니다.
접안렌즈에서 2매 이상의 렌즈를 조합하여 시야를 넓게 하고 상을 좋게 할 수 있는 장점이 있어 대부분의 천체망원경은 이 방식으로 만들어집니다.

<케플러식 망원경의 원리>

(2) 반사 망원경
반사 망원경은 오목거울(주경)에 빛을 반사시켜 빛을 한 점에 모으고 상을 맺게 한 후 접안렌즈로 그 상을 확대해서 망원경입니다.
장점은
색수차가 없습니다.
굴절 망원경에 비하여 큰 구경을 만들 수 있습니다.
자작이 쉽고 가격도 비교적 쌉니다.
단점은
구면 수차로 인해 주변부의 상이 좋지 않습니다.
경통 속의 대류에 의한 영향으로 상이 불안정합니다.
특징은
성운, 성단 관측에 유리합니다.
비교적 구경이 큰 대형 망원경에도 적합합니다.
종류로는
1)뉴턴식 반사 망원경 :
주경에서 반사되어 나온 빛을 사경에서 꺾어 경통의 옆면에서 보는 망원경입니다.
<뉴톤식 망원경의 원리>
2)카세그레인식 반사 망원경 :
주경에서 반사된 빛을 2차경에서 다시 반사하여 주경에 뚫린 구멍을 통해 주경 뒤쪽에서 보는 망원경입니다.
이 밖에도 쿠드식, 나스미식, 그레고리식 등이 있습니다.

< 카세그레인식 망원경의 원리>
(3) 전파 망원경
우주로부터 오는 전파를 관측하는 장치. 인공 위성으로부터 보내 오는 신호 전파를 관측하는 경우에도 쓰입니다.
접시 모양으로 만들어진 대형의 안테나로 전파를 수신하는데, 안테나의 지름이 클수록 성능이 좋습니다.
천체의 움직임을 관측하기 위해 안테나가 회전할 수 있게 되어 있는 것도 있습니다.

현미경의 종류 및 원리

1. 광학현미경(LM, Light Microscope) : 유리렌즈를 사용하며, 광원(빛)은 가시광선을 이용한다. 따라서 칼라로 관찰이 가능하다.

가. 광학현미경 (Biological Microscope)

 투과광을 이용하여 투명물체를 고배율로 확대하여 보는 기초적인 현미경.

나. 편광현미경(Polarized Microscope)

 여러 가지 물체가 혼합된 상태의 견본에서 각 물체마다 빛의 진동하는 방향이 다른점을 이용하여 어떤 각도에서 한 가지 물질만을 관찰한다거나 혹은 어떤 물질이 혼합되어 있는가를 알아내는데 사용된다.

[원리]

 일반광선은 여러 방향으로 진동하면서 직진하는데 이 빛이 편광판(Polarizer)에 닿으면 어느 한 방향으로 진동하는 빛만 편광판을 통과하게 된다. 이 통과된 빛이 관찰 시료를 통과하거나 반사될 때는 물체의 특성에 따라 굴절 또는 반사하는 각도가 다르게 되어 Analyzer를 회전시키면서 물체를 보면 어느 일정한 각도에서만 그 물체가 보이게 된다. 이때 이 각도를 읽으면 보이는 물체가 무엇인지를 알 수 있게 된다. 실제로는 시료를 올려놓는 Stage를 회전시키면서 보게 되며 Stage에 각도표시가 되어있다.

다. 형광현미경(Fluorescence Microscope)

 광학현미경에 사용하는 것보다 높은 광원을 부착하여 사용하며 어느 특수 파장만을 통과시키는 Exciter Filer를 통과한 단일 파장이 형광성 물질로 염색된 물체에 부딪치면 그 물체에서 어떤 영역의 파장만을 발산하게 되는데 이때 이 빛을 Barrier Filter를 통해서 보게 되면 일반현미경 보다 2~3배 선명도가 좋은 상을 얻게 된다. 물체에 따라 사용하는 형광물질이 다르며 또한 사용하는 Filter도 다르게 된다. Filter선정 시에는 Exciter와 Barrier의 파장특성이 맞는 것 끼리 작을 맞추어 사용해야 한다.

라. 금속현미경(Metallurgical Microscope)

 반사광(Reflected Light)을 이용하여 불투명한 물체를 확대하여 보는 현미경. 주로 금속조직 관찰에 이용함.

마. 위상차 현미경(Phase Contrast Microscope)

 염색이 안되었거나 색깔이 없는 것 또는 투명한 물체를 일반 현미경으로는 식별이 어려워 지금까지는 염색법, 암시야(Dark Field) 혹은 편광을 사용하였으나 불편한 점(하단참조)이 있어 이를 개선하기위해서 만들어진 현미경.

[위상차 현미경의 상이 형성되는 원리]

 환형에 초점이 맞추어진 빛이 투명한 물체에 부딪치면 부딪친 빛은 직접 대물렌즈를 통과하는 빛과 산란된 후 대물렌즈를 통과하는 두 가지 분류가 된다. 직접 대물렌즈를 투과한 빛은 제1차상이 맺히는 곳에서 환형으로 된 위상 변경막에 의해 1/4파장만큼 차이가 나는 빛으로 변경되고 산란된 빛은 위상차이 없이 통과되어 이 두 빛이 합쳐질 때 생기는 간섭현상에 의해 염색이 안된 물체 혹은 투명물체가 선명하게 보이게 된다.

바. 실체현미경((Stereoscopic Microscope)

 저배율 확대용 현미경으로서 실물을 확대하여 눈으로 보는 것과 똑같이 입체로 보이도록 설계된 현미경으로 주로 해부실험이나 전자부품 조립, 검사 등에서 많이 사용된다.

사. 미분간섭현미경(Differential Interference Contrast Microscope)

 위상차 및 편광현미경의 원리에서 한층 더 개발된 현미경으로 빛의 간섭을 이용하여 지금까지는 평면상으로만 보이던 물체를 높낮이가 있는 입체감이 보이도록 고안된 현미경이다. 반도체회로, 금속조직의 합금상태, 세균의 형태 등 실제로 높낮이를 보아야 할 필요가 있는 것에 대해 매우 효과적이다.

[상이 형성되는 원리]

 편광현미경에서 설명한 바와 같이 일반광선이 편광판을 지날 때 어느 일정한 방향으로 진동하는 빛만이 통과되며 이 빛이 다시 2중 굴절프리즘(Normaski Prism)을 통과할 때 프리즘의 특성으로 인하여 진동에 의한 한 방향의 빛과 굴절에 의한 다른 한 빛으로 분리된다. 이 두 빛이 물체에 부딪친 후 다시 반대 작용을 하는 특수 프리즘에 의하여 합쳐지면서 간섭현상이 생기는데 이때 물체의 높낮이 혹은 투명하기 때문에 식별이 곤란한 물체가 선명하게 나타나게 되며 Analyzer에서 편광된 빛의 방향을 맞추어 우리 눈에 보이게 된다.

아. 암시야현미경(dark-field microscope)

이것은 암시야를 이용하는데, 햇빛이 비스듬히 비추는 곳의 거미줄의 경우 창 밖의 밝은 배경을 바라볼 때(배경이 밝을 때)는 관찰이 어려우나, 우리가 시각을 달리하여 어두운 곳을 바라볼 때(어두운 배경을 선택할 때) 거미줄이 오히려 잘 관찰되는 현상과 같은 원리다. 이러한 원리를 이용하여 일반현미경으로는 관찰이 어려운 혈액속의 작은 지방입자 등의 관찰이 가능하여진다.

2. 전자현미경(EM, Electron Microscope) : 전자현미경에서는 광학현미경과는 달리 유리렌즈 대신에 자계렌즈(마그네틱 렌즈)를 이용하고, 광원은 가시광선 대신에 파장이 짧은 전자를 이용하였다. 따라서 전자현미경에서는 컬러상을 관찰할 수 없고 흑백상을 관찰하게 된다. 

3. 원자현미경(AFM, Atomic Force Microscope) :

오디오 기기 중에서 CDP가 나오기 전까지 음악재생의 대부분은 turn table(LP player)이 그 역할을 담당하였는데, LP player의 구동방식은 LP(레코드판)이 회전할 때 전축바늘이 레코드판의 소리골을 따라서 움직이면서 발생하는 바늘의 진동에 따라 소리를 잡아내는 원리를 이용하였으며, 전축바늘이 부착되어있는 몸통부분을 캔틸레버(Cantilever)라 한다.

이와 흡사하게 원자현미경은 표본의 표면을 캔틸레버라고 불리는 작은 막대가 주사를 하면, 이 때 캔틸레버 끝에 붙어있는 탐침이 시료 표면에 접근하여 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나(인력, van der Waals forces, 반데르발스 힘) 밀치는 힘(척력,repulsive force, Coulomb's forces, 쿨롱 힘)이 작용하게되고, 이 힘에 의해 캔틸레버가 아래 위로 휘어지게 되며, 이 휘는 것(정도)을 측정하여 영상을 만들어서 원자단위의 구조를 파악하게 하는 원리를 이용하였다.

따라서 전자현미경에서와 같이 우리 눈으로 표본을 직접 관찰하는 방식은 아니다. 또한 원자현미경의 활용은 비교적 시료 만들기가 무방한 단결정의 금속재료 등의 관찰에 이용되고 있으나, 생체시료는 시료를 만들기가 매우 어려워서 생물시료의 관찰에서는 전자현미경 만큼 다양하고 활발하게 이용되지는 못하고 있는 실정이라고 함니다.

도움되셨길~^^

[그린]

감사합니다~~~~~