Step 3. 천체 사진 촬영의 첫 관문 초점 맞추기

1.  초점과 관련된 다양한 요소들과 광축조정

 천체 사진을 촬영하기 위해서는 망원경의 종류와 관계없이 초점을 맞추는데 고려해야 할 공통적인 요소들이 몇 가지 있다.

 첫째는 온도이다. 미세한 변동도 없이 일관성 있게 정확한 초점 상태를 유지하기 위해서는 망원경 경통의 온도가 주변의 온도와 평형을 이루어야 한다. 특히 반사경 망원경에서는 주위 대기 온도와 망원경의 온도차이는 반사경의 특성에 굴절망원경 보다 더 크게 영향을 미친다. 따라서 초점을 맞추기 전에 먼저 온도 평형이 이루어져야 하고 관측 도중에도 주기적으로 초점 상태를 확인해야 한다. 특히 이런 문제는 두꺼운 반사경을 사용하는 망원경과 슈미트 카세그레인식, 막스토프식과 같이 외부와 공기가 차단되어 밀봉된 경통 속에 반사경이 있는 망원경의 경우 더 크게 나타난다. 이런 망원경의 경우 냉각 효과를 높이기 위해서 경통에 냉각팬을 추가로 설치하는 경우도 있다.
 그림 1-1은 시중에서 팬매되는 냉각팬을 부착한 뉴턴식 반사망원경과 SCT 망원경를 보여주는데 주경 뒷편에 부착하는 뉴턴식 망원경과 달리 SCT의 경우 경통의 뒷부분에 구멍을 뚫고 냉각팬을 부착해야하기 때문에 개인이 혼자하기에는 어려움이 있다. 이렇게 부착하는 냉각팬을 사용하기 않는 PC의 전원장치 냉각팬이나 CPU 냉각팬을 이용할 수 있으며 추가로 전원 배터리를 가지고 다녀야한다.

그림 1-1 반사망원경에 부착한 냉각팬과 PC용 냉각팬
 

 초점은 망원경의 재질(철, 알루미늄)에 따른 물리적인 특성 때문에 발생하는 온도변화에 의해서도 달라질 수도 있고 이런 문제는 슈미트-카세그레인식 망원경의 경우에는 더 크게 나타난다. 온도 문제를 해결하기 위해서 온도의 영향을 덜 받는 재질로 경통을 제작하면 좋을 것 같지만 그런 경우에는 냉각이 잘되지 않아 주변 온도에 맞게 경통이 냉각되는데 시간이 많이 걸리는 단점이 발생한다. 최근에는 가볍고 온도변화에 민감하지 않아서 초점변화에 다소 안정적인 카본 재질로 경통을 제작하는 경우가 많아지고 있다.

둘째는 광축의 정렬이다. 천체 사진 촬영에는 망원경, 접안부, 카메라 사이의 광축이 일치해야 하며 특히 반사망원경의 경우는 주기적인 광축 점검이 필수적이다. 광축이 제대로 정렬되어있지 않으면 정확한 초점조정을 할 수 없는 것은 당연하다. 따라서 천체사진 촬영 후 사진을 자세히 보고 광축정렬 여부를 판단할 수 있어야한다. 광학계에 의한 수차와는 다른 형태로 별상이 왜곡도어 나타나면 광축이 어긋나 있음을 고려해볼 필요가 있다. 그러나 광축정렬은 초보자에게도 어려운 과정이 되기 때문에 이를 좀 더 쉽게할 수 있는 보조도구가 여러 가지가 있는데 여기서는 가장 많이 사용되는 체사이어에 대해서 설명을 하기로 한다.

그림 1-2 망원경 광축조정용 체사이어(좌)가 굴절먕원경(가운데), 반사망원경(우)에 결합된 모습

 그림 1-2에 제시된 사진과 같이 아이피스 형태의 원통에 한쪽에는 십자선을 다른 한쪽에는 작은 구명과 빛 반사판을 만들어 놓은 간단한 구조로 되어 있는데 이를 경통의 접안부에 결합하고 작은 구멍을 통하여 체사이어의 십자선 중앙에 광축을 일치시키는 원리로 광축을 정렬하는 도구이다.

 체사이어는 반사망원경과 굴절망원경에 모두 사용할 수 있지만 반사망원경에 더 많이 사용된다.

그림 1-3 굴절망원경 광축조정용과정(위)과 반사망원경의 광축조정과정(아래)

   그림 1-3의 위쪽 사진은 굴절망원경에 체사이어 아이피스를 연결하고 광축을 조전하는 과정을 나타낸 것으로 체사이어 이미지가 굴절망원경의 회절상의 중심에 어긋난 것을 대물렌즈의 조정나사를 이용하여 대물렌즈의 각도를 조정하여 체사이어 상이 중심과 일치하도록 조정하는 방식이다. 아래는 반사망원경의 경우를 그림으로 나타낸 것으로 반사망원경의 사졍에 투영된 주경의 이미지와 체사이어의 이미지를 중심에 일치시키는 방식으로 광축을 조정하는 단계를 보여준다.

광축정렬은 별 또는 인공별을 대상으로 많은 시간과 노력이 필요하지만 광축을 정렬하고 나서 얻는 사진의 이미지를 보면 고생의 가치를 깨닫게 되는 초점정렬과 관련된 중요한 과정이다.

그림 1-4  체사이어에 의해서 반사망원경의 광축조정이 완료된 상태

   그림 1-4는 뉴턴식 반사망원경의 광축을 체사이어를 이용하여 정렬을 완료한 상태를 보여준다. 사경의 모습이 타원의 모습을 보이는데 이것은 사경이 비스듬하게 기울어져있기 때문에 나타나는 현상이므로 광축정렬에서는 신경쓰지 않아도 되고 어둡게 보이는 사경의 외곽부가 주경을 배경으로 준심에 위치하고 그안에 투영된 체사이어 이미지 또한 중심에 일치하도록 사경조절나사와 주경 조절나사를 움직여 조정하면 된다.

 셋째는 대기의 상태이다. 대기의 안정도는 초점을 맞추는 데에 영향을 줄 뿐만 아니라 어떤 천체를 관측해야 할지도 결정하는 요인으로 작용한다. 특히 행성의 경우는 대기의 안정도가 좋지 않으면 사진 촬영자체가 불가능하다. 불안정한 대기 상태의 경우 초점을 맞추기 어려울 뿐만 아니라 이 상태로 촬영한 천체 사진은 초점이 맞지 않아 부풀어 보이는 결과를 초래한다. 따라서 정확한 초점정렬을 위한 작업은 대기의 안정도가 양호한 날을 잡아서 실시해야한다.

 마지막으로 촬영된 사진에서 보이는 불량한 초점의 요소로는 사진을 촬영하는 동안 동시에 진행되는 가이드 방법이다. 정확한 초점 정렬이 된 망원경으로도 촬영대상 천체에 대한 추적이 정확하지 않으면 사진에서 보여지는 별상은 왜곡될 수 밖에 없다. 따라서 천체사진 촬영에서 깔끔한 초점정렬이 된 이미지를 얻기 위해서는 정밀한 가이드가 필수적인 요소이다.
특히 굴절망원경과 다르게 반사경의 움직임이 발생할 수 있는 슈미트-카세그레인, 막스토프, 뉴토니안과 같은 광학계의 망원경에서 비축가이드 방식이 아닌 피기백 방식의 가이드 망원경을 이용한 방식 또는  독립적인 가이드 방식을 택한다면 가이드에 대한 세심한 배려가 필요하다. 그 이유는 독립적인 가이드 망원경을 사용하여 가이드 할 때에는 비축 가이드를 사용할 때와는 달리 긴 노출 시간 동안 발생하는 반사경의 움직임을 보정할 수가 없기 때문에 가이드별의 초점과 주경에 보여지는 초점의 상태가 달라지는 문제가 발생할 수가 있다. 따라서 반사망원경의 경우에는 비축가이드를 사용하여 가이드별의 상태와 촬영 대상 천체의 초점 상태를 동시에 확인하는 것이 효과적이다.

  
                    그림 1-5  비축가이더(Off axis guider)와 DSLR카메라가 연결된 촬영 시스템(좌)과 비축가이더가 내장된 CCD 카메라 SBIG STL 11000M

  비축가이더는 따로 구입해서 그림 1-5와 같이 부착할 수 있으나 촬영장비인 카메라와 초점거리를 맞추는 작업이 쉽지 않은 편이다. 접안부에 가이터의 두께 만큼 초점거리의 변화가 생기게 되는데 이는 촬영카메라의 초점과 가이드 카메라의 초점이 모두 일치해야 하기 때문에 복잡한 작업이 필요로하는 경우가 많다. 이러한 것을 카메라제조사에서 해결한 것이 비축가이더가 내장된 CCD카메라이다. 카메라 내부에 작은 비축가이드 시스템을 만들어 넣은 것으로 가이더의 초점거리와 촬영용 카메라의 초점거리로 고생할 필요가 없다.

망원경에 따른 초점 조정

슈미트-카세그레인, 막스토프식

  이들 형식 형식의 망원경은 초점을 맞추는 동안 주경의 흔들림으로 초점 정렬에 어려움을 격을 수 있다. 이 방식의 망원경은 굴절이나 뉴토니안에서와 같이 접안부나 카메라를 움직여 초점을 맞추는 대신 접안부는 고정되었고 주경을 움직여 초점을 맞추는 방식을 택하고 있다. 마치 굴절망원경에서 경통 앞쪽에 고정된 대물렌즈를 초점을 맞추기 위해서 움직이려고 한다고 가정하면 이해가 빠르다.

 슈미트-카세그레인 방식을 사용하는데 있어서 결정적인 단점은 주경과 부경 사이의 공간 때문에 발생한다. 이 방식의 망원경은 처음 제작 당시 주간에 육상 지형이나 조류 등의 관찰을 목적으로 만들어졌기 때문에 높은 정밀도나 안정성이 필요하지 않았다.

 초점을 맞추기 위해서는 주경은 주경 중심부에 뚫린 구멍에 설치된 축을 중심으로 경통방향과 나란히 위아래로 움직이고 구멍의 크기는 축보다 약간 크고 축과 구멍사이의 크기 차이로 발생하는 공간은 윤활유로 채워 보정하게 된다. 이 공간 크기의 차이는 초점을 맞추거나 망원경을 움직일 때 주경의 미세한 움직임이 발생하는 원인이 된다. 이 문제는 초점을 맞추려고 할 때 쉽게 느낄 수가 있다. 초점 조정을 위해서 초점 노브를 돌릴 때마다 관측 대상의 상이 흔들리듯이 움직이는 것을 느끼게 되는데 이는 초점을 정확하게 맞추는데 많은 어려움이 필요하다는 것을 의미한다.

                                                                     그림 1-6 SCT의 포커서

 최근에는 정교한 슈미트-카세그레인식 망원경이 제작되기도 하지만 아직도 이 방식의 많은 망원경에서 이러한 주경의 흔들림이 나타난다.

 초점을 맞추기 위해 주경이 부경 쪽으로 움직이게 되면 경통자체의 무게 균형이 흐트러지면서 이로 인한 미세한 움직임도 발생하게 된다. 슈미트-카세그레인 방식은 곡면의 초점면을 갖는데 곡면의 초점면을 편평하게 보정해주는 플레트너를 사용하지 않고 사진촬영을 할 경우 이미지의 왜곡 현상이 발생할 수 잇는데 이런 경우 상의 중심부분 보다는 외곽에서 1/3 정도에 해당하는 부분에 초점을 맞추는 것이 상의 왜곡을 줄일 수 있는 방법이다.

뉴튼식

 뉴튼식 또는 뉴토니안 방식의 망원경은 가격대비 최고의 광학계를 가진 망원경으로 천체 사진가에게 가장 좋은 선택이 될 수 있다. 사진관측시 나타나는 반사경의 미세한 흔들림이나 휨 현상은 비축 가이드를 활용하면 해결할 수 있으나 주기적인 광축 점검을 통한 광축정렬은 필수적이다.

 긴 시간의 노출이 필요한 딮스카이 천체 사진을 촬영하기 위해서는 사진 관측 초기 단계에서는 피기백 가이드망원경 또는 독립적인 가이드 망원경을 사용하지만 주망원경과 가이드망원경사이의 불일치 현상인 반사경의 움직임이나 휨 현상으로 결국에는 비축가이드(off-axis) 방식을 사용하게 된다. 비축가이드 방식은 뉴토니안 망원경을 위한 가이드방식이라고 할 정도이다.

                                                            그림 1-7 비축가이더와 비축가이더의 광로

 사진 관측을 위해서 만들어진 많은 뉴튼식 망원경은 빠른 초점비를 갖는데 f/6이하의 초점비에서는 대부분 코마수차가 발행하는데 이는 코마 보정 렌즈를 사용하여 보정할 수 있다.

굴절식

 굴절망원경은 반사망원경에 비해서 광학적인 문제는 상당히 적은 편이다. 그러나 각종 수차를 해결한 고급 망원경의 경우 가격이 반사망원경에 비해서 훨씬 비싸다는 것이 단점이다. 초점 정렬에는 망원경 자체의 문제보다는 정밀하지 못한 접안부에서 문제가 발생하는 경우가 많다. 굴절망원경의 경우에는 독립적인 가이드망원경을 사용하는 가이드방식이 많이 쓰이지만 좀더 정밀한 사진을 위해서 비축가이드 방식을 사용하는 전문가들도 있다.

그림 1-8 비축가이드방식과 독립적인 가이드 망원경을 사용하는 방식의 망원경 설정

렌즈

카메라 렌즈는 주간 풍경을 촬영할 목적으로 디자인되었다. 따라서 야간에 어두운 천체를 촬영하기 위해서는 숙달 과정이 필요하다.

 천체 사진에서는 구면수차, 색수차, 코마수차, 비점수차, 상면만곡, 비네팅과 같은 여러 가지 수차와 오류가 나타날 수가 있다. 대부분의 카메라렌즈는 조리개를 넓게 개방했을 때의 별상은 매우 거칠게 나타난다. 그러나 희미한 천체를 찍기 위해서는 조리개를 최대한 열고 노출시간을 짧게 해야 유리하지만 렌즈의 수차 발생으로 인해서 이러한 설정이 불가능한 경우가 많다. 대부분의 렌즈는 셔터 속도를 1~2 단계 줄이는 것이 더 좋은 상을 보여준다.

 형석(플로라이트)유리 또는 ED유리를 사용하는 고급형 렌즈는 최대로 개방된 조리개에서도 좋은 이미지를 보여주지만 가격이 비싼 것이 단점이다. 그러나 디지털 센서의 높은 해상력(분해능)은 고급렌즈에서도 수차가 존재함을 보여준다.

 어떤 렌즈를 사용하든지 조리개를 최대로 열고 노출시간을 최대에서 단계적으로 줄여가면서 또는 다시 늘려가면서 연속적으로 테스트 촬영을 해보는 것이 필요하다. 그리고 촬영된 결과를 분석하여 최상의 이미지가 만들어진 노출 시간을 찾아내야 한다.

 초점과 관련된 테스트로는 카메라 렌즈에 표시된 무한대의 표시가 실제로 먼 곳, 즉 무한대에 해당하는 곳에 초점이 정확하게 맞도록 되어있는지를 확인하는 것이다. 많은 카메라가 렌즈의 초점거리 표시부분에 표시된 무한대 초점 표시가 실제 무한대의 거리에서 초점이 맞지 않아 흐린 경우가 많다.

  천체사진가가 사용하던 이미 검증된 중고 렌즈를 구입하는 것은 신품 구입에 따른 비용절약과 오차가 있는 렌즈를 모르고 구입하는 실수를 줄이는 방법에 해당한다.  주간 촬영에서는 나타나지 않는 수차들을 알아내기 위해서 렌즈의 테스트는 필수적이다. 일반적으로 줌렌즈는 고정렌즈만큼 천체사진 촬영에서 사용되지 않는데 그 이유는 상이 어둡고 빠른 노출시간을 얻을 수 없기 때문이다.

카메라에 부착되어 제공되는 자동 초점렌즈는 천체사진 촬영에서 거의 사용하지 않는다. 주간 촬영을 위해서 개발된 광학계로 야간 천체 촬영에서는 여러 가지 구조적인 문제가 발생하기 때문에 야간에 긴 노출이 필요한 천체 촬영에는 부적절하게 작용할 수 있다.

필터

 천체 사진을 촬영하다 보면 필터 사용의 욕구가 발생한다.  광역 파장대의 필터는 인공적인 광해와 자연 발생적인 광해를 제거시키고 좁은 파장 영역대의 필터는 특정한 성운의 빛을 걸러내어 배경 하늘과 대상 천체 사이의 콘트라스트를 증가시킨다.  자외선차단 필터는 저가형 카메라 렌즈와 아포크로메틱 렌즈를 사용하지 않는 굴절 망원경에서 발생하는 색수차를 제거하는 역할을 한다.

 필터는 종류도 많고 선택의 폭도 넓다. 어떤 필터는 사진 촬영보다 안시관측에 더 적합하기도 하고 또 다른 필터들은 사진관측시에만 기능을 발휘하기도 한다.  컬러천체사진을 촬영하기 위해서는 Hutech의 IDAS LPS 필터와 같은 광해 필터는 좋은 이미지를 제공하는데 많이 사용된다. 또한 Hα 필터는 강한 Ha선을 방출하는 대상에서 Hα선을 차단하는 역할을 한다.

  그림 1-9  다양한 필터                                      그림 1-10 Hα 필터를 사용하여 촬영한 달 사진

 필터를 사용할 경우 필터를 통과한 빛의 색과 필터의 두께가 초점 상태에 영향을 미친다. 따라서 필터를 장착한 상태에서 초점을 맞추는 연습을 많이 해야 한다.

  필터 색 - 아로크로메틱 렌즈가 아닐 경우 파장에 따른 각각의 빛이 한곳에 초점이 맞지 않는 경우에 발생하는 색수차 현상과 같이 특정한 파장의 빛이 필터를 통과하면서 초점에 영향을 미친다. 반사경을 사용하는 반사망원경의 경우에는 색수차와는 상관이 없다. 또 Hα와 같은 필터의 경우는 눈에 보이지 않는 감지하기 어려운 파장의 빛을 통과시키기 때문에 필터 사용에는 많은 숙달과정을 통해서 정확한 초점을 맞출 수 있도록 해야 한다.

 필터의 두께- 필터가 관측대상과 디지털센서 사이에 놓인 경우 즉 광학계의 광원뿔(light cone) 안쪽에 위치한 경우 필터에 의해서 초점이 영향을 받게 되므로 보정이 필요하다. 광학계 안쪽에 설치된 필터의 두께, 사용된 유리의 굴절지수, 빛의 파장 등이 초점에 영향을 주게 된다. 필터의 두께에 의한 초점의 변위 값은 다음과 같이 구할 수 있다.

                                              변위 값 = 필터의 두께 x ((If-1)/If)      If는 굴절지수

굴절지수는 파장에 따라 다양하지만 매우 빠른 광학 시스템을 제외하고는 대개의 경우 그 차이를 무시한다. 대부분 유리의 경우 If는 약 1.5의 값을 사용한다. 필터의 두께가 약 0.1mm라면 일반적으로 변위 값은 0.1 x ((1.5-1)/1.5) = 0.033mm이다.

대부분의 유리 필터는 1~3mm의 두께를 갖는데 이로 인한 변위 값은 약 0.33~1mm정도이다. 포커스의 깊이가 0.013의 값을 갖는 f/8의 망원경의 경우 이정도의 값은 상당히 큰 것으로 f수가 작은 빠른 광학계의 망원경의 경우는 더 큰 영향을 받는다. 노출 테스트를 통하여 실제 이미지가 알려진 별에 초점을 맞추어 촬영하여 필터의 특성을 분석하여 노출을 결정하게 되면 필터 두께의 문제는 저절로 해결된다.

  필터를 장착하고 초점을 결정하는 가장 확실한 방법은 별 궤적을 이용한 초점 맞추기를 순차적으로 실시하는 것이다. 칼끝 방법이나 Ronchi screen 방법도 사용될 수 있으나 야간에 필터를 통해서 대상을 볼 수 없는 Hα 필터와 같은 종류의 필터를 사용할 경우에는 부적절하다.

 반사망원경과 아포크로매틱 굴절망원경은 필터의 굴절지수와 두께가 같은 투명유리필터를 사용하여 초점을 맞춘 후 실제 필터로 대치하면 쉽게 초점을 맞출 수가 있다. 어두운 천체를 대상으로 하는  필터는 대부분 간섭 필터로 빛이 비스듬하지 않고 필터에 직각으로 평행하게 진행하는 경우에만 사용이 가능하다. 따라서 광각 렌즈와 같이 사용할 경우 필터의 기능이 제대로 나타나지 않을 수도 있다.

사진 촬영을 위한 초점 맞추기

 천체 사진 촬영을 통해서 좋은 이미지를 얻기 위해서 꼭 필요한 것은 카메라의 초점을 정확히 맞추는 것이다. 이것은 사진 촬영과정에서 가장 어려운 것 중 하나로 밝은 낮과 달리 어두운 야간에 빛의 양이 부족한 희미한 천체를 대상으로 초점을 맞추기란 쉽지가 않다. 똑같은 천체라도 초점의 여부에 따라 이미지는 엄청난 차이가 난다. 밝은 주간의 렌즈 안에 들어온 사물이나 풍경의 거리가 각각 다르기 때문에 초점이 조금 잘못되더라도 이미지 상의 큰 차이는 느끼지 못할 경우가 많다. 초점이 좀 틀려도 주변의 다른 사물이나 풍경에 초점이 맞아 있는 경우가 많기 때문에 전체적인 이미지는 시각적으로 보는 것과 큰 차이를 느끼지 못하게 되는 것이다.

 그러나 야간 천체사진 촬영의 경우 모든 대상이 동일한 거리인 무한대의 거리에 있는 것이기 때문에  카메라의 초점거리가 무한대로 설정되어야한다. 결과적으로 사진을 찍고자하는 대상의 초점이 잘못됐다면 주변의 모든 대상들이 모두 초점이 맞지 않는 현상이 나타나 사진 전체가 초점이 맞지 않는 결과를 초래한다.

  천체사진을 촬영하는데 나타나는 많은 문제 중의 하나는 대부분의 망원경에 의해서 형성된 초점면은 평면이 아니라 곡면이라는 것이다. 중심부가 초점이 맞더라도 중심에서 벗어난 외곽부분의 별들은 초점이 맞지 않는 결과가 된다. 이를 보정하기 위해서 광학적 보정렌즈인 플래트너를 사용하면 망원경의 광학 시스템은 보정이 되지만 프래트너와 카메라의 센서 사이에는 여전히 문제가 남아있게 된다.

 필름시절에는 슈미트카메라의 경우에는 초점면의 곡면과 같은 면으로 만들어진 홀더에 필름을 끼워서 이 문제를 해결하였다. 플래트너를 사용하지 않는 망원경에서는 초점을 중심에 맞추는 것이 아니라 중심과 가장자리의 1/3 지점에 맞추어 곡면에 의한 상의 왜곡을 최소화하는 방법을 사용한다. 또 다른 초점의 문제는 망원경의 물리적인 특성 때문에 나타나는 각종 수차에 의한 것이다.

 그림 1-11 플래트너

 초점을 맞추는 과정은 방법과 정확도에 따라 다양하지만 공통적으로 이미지를 선명하게 만들기 위한 것으로 특히 고해상도의 디지털 카메라와 고배율 광학계의 망원경으로 사진을 찍고자 할 때는 초점 맞추기는 가장 어려운 과정에 해당한다. 이 과정은 많은 반복과 숙달을 통해서 얻어진 경험을 필요로 한다.

“초점이 맞지 않는 천체사진은 밤을 새고 난 뒤의 새벽이슬이 경통과 눈가에 동시에 맺히게 한다.”

육안에 의한 초점 맞추기

 카메라의 뷰파인더를 통해서 초점을 맞추는 것이 가장 쉽게 접근하는 방식이지만 일관성 있는 정확도를 요구할 경우에는 부적절하다. 이 방법은 매우 희미하거나 반대로 매우 밝은 대상일 경우 초점을 맞추는데 어려움이 크다. 망원경의 접안렌즈를 통해서 대상을 보며 초점을 맞추는 것은 어렵지 않을 수도 있지만 카메라를 결합하고 초점을 맞춘다는 것은 쉽지 않은 작업이다.

 카메라의 경우 조리개를 최대로 연 f/2.8에서 촬영을 할 경우 낮에는 상이 너무 밝게 되지만 f/8 정도의 망원경에 직초점으로 연결한 경우에는 너무 어둡게 나타난다.

 초점을 맞추기 위해서 밝은 별을 선택하면 눈에 보이는 간유리에 맺힌 초점상은 퍼지고 분산되는 형태로 보이기 때문에 초점을 맞추는데 어려움이 발생한다. 맨 눈으로 뷰파인터를 통해서 초점을 맞추려고 하면 너무 밝은 별을 피하는 것이 좋다. 또한 초점을 맞추고자하는 대상이 너무 어둡거나 사진을 찍으려고 하는 영역에 초점을 맞추기에 적당한 정도의 밝은 별이 없을 경우에는 가장 가까운 곳에 있는 적당한 별을 찾아 경통을 움직여 초점을 맞춘 후 다시 사진을 찍으려는 대상이 있는 위치로 경통을 되돌리는 방법을 사용하면 된다. 그러나 이 방법은 초점을 맞추고 경통을 움직이는 동안 주경의 움직임이 발생할 수 있는 슈미트 카세그레인 방식의 망원경 사용자라면 문제가 발생할 수 있으니 주의해야 한다.

 초점을 맞추기 시작하면 접안부를 앞뒤로 움직이며 좋은 초점의 상태를 찾고 어느 정도 초점이 뚜렷해지면 눈의 피로를 풀고 정확한 상을 보기위해서 파인더 내에서 시야를 한 바퀴 돌려 본 다음 다시 초점을 맞추는 대상을 보고 미세 조정을 실시한다.

 초점을 맞출 때 안경은 착용하지 않는 것이 좋다. 안경 유리의 굴절율의 변화 또는 안경의 움직임에 따른 초점면과의 거리변화가 생길 수 있다. 그러나 육안으로 초점을 맞추는 방법은 정밀한 천체 사진 촬영을 위해서는 추천할 만한 방법이 아니며 초점을 맞추기 위한 부수장비를 사용하여 정확도를 높일 필요가 있다.

초점확대기/직각파인더

  맨눈으로 초점을 맞추는데 좋은 방법은 초점확대기를 사용하는 방법이다. 배율이 15배에서 25배까지의 범위로 다양하며 정확한 초점을 맞추는데 사용해볼 만 하다. 필름 카메라에서는 파인더를 제거하고 초점면에 직접 연결하여 사용할 수 있었으나 DSLR카메라는 파인더 프리즘을 제거할 수 없기 때문에 카메라의 파인더 위에 초점 확대기를 부착 시켜야만 한다.

그림 1-12 직각 파인더(angle finder)

 또한 대부분의 고급형 카메라 제조사는 뷰파인더에 부착 가능한 직각 파인더를 제공한다. 이는 카메라를 보는 각도를 직각으로 하여 사진 촬영 시 불편한 자세를 보정해준다. 그러나 이들 장치를 사용했을 경우의 문제는 시상을 무척 어둡게 한다는 것이다. 대부분의 어두운 딮 스카이 천체는 이를 통해서 볼 수가 없다. 눈의 위치 또한 파인더 사용에 있어서 주의해야 할 요소이다. 정확하게 초점이 맞는 상태에서의 눈의 위치 즉, 초점 중심(sweet spot)에서 약간이라도 벗어나면 이에 따라 초점이 달라지기 때문에 초점을 맞추기가 쉽지 않다.

 직각파인더는 작은 바로우 렌즈를 사용하여 약간의 배율을 높일 수 있는 장치가 되어 있다. 이것은 배율은 높일 수 있지만 초점 확대기와 마찬가지로 시야를 좁고 더 흐리게 한다. 이 장치를 사용할 경우는 이중성, 삼중성과 같이 아주 밝지 않은 별들 즉, 큰곰자리의 앨코르, 미자르 또는 오리운성운의 트라페지움(4중성)과 같은 별들의 초점을 맞추는 데에는 큰 도움이 된다. 결과적으로 직각 파인더는 좀더 안정적인 자세로 초점을 맞출 수가 있지만 시야가 흐려지는 가장 큰 약점을 극복해야 한다.

하트만 마스크

 하드만 마스크는 불투명한 재질에 같은 크기의 구멍을 몇 개 뚫은 간단한 구조로 만들어진다. 초점이 맞지 않는 경우 각각의 구멍이 따로 떨어져 보이지만 초점이 맞으면 이들 구멍이 하나로 겹쳐져 보인다.

 이러한 초점 보조 장치는 여러 개의 구멍을 뚫은 하트만 마스크와 두개의 구멍을 뚫은 스체니어 디스크 2종류가 있다. 1691년 크리스토퍼 스체니어에 의해서 처음 만들어졌지만 요즘에는 일반적으로 하트만 마스크라고 한다. 마스크의 단점은 초점을 맞추는데 사용되는 다른 부가적인 장비와 같이 사용할 경우 망원경의 경통 입구가 마스크로 가려져 초점면이 어두워서 배율을 높이는데 문제가 발생할수 있기 때문에 다른 초점 보조 장비와 함께 사용하지 못하는 경우도 발생한다.

 뷰파인더 확대기를 사용할 경우 구멍이 큰 하트만 마스크를 사용하면 빛이 좀더 많이 들어오게 됨으로 도움이 될 수 있다. 그리고 초점을 맞춘 후 마스크를 제거한 후 천체 사진을 촬영해야 한다. 초점에 신경을 쓰다보면 마스크를 설치한 채로 사진을 찍는 실수를 종종하게 되는 경우도 있다.

그림 1-13  바흐티노프(Bahtinov)와 하트만(Hartmann) 마스크

  하트만 마스크는 두꺼운 하드 보드지를 망원경의 구경에 맞게 오린 다음 구멍만 뚫어 쉽게 제작할 수 있다. 또한 원형의 구멍 대신에 삼각형모양의 구멍을 서로 반대 방향으로 뚫어서 사용할 수도 있다. 이 경우 초점이 맞았을 경우 별상이 6갈래의 빛줄기가 만들어지게 되어 더 뚜렷하게 초점상태를 확인할 수 있다. 구멍은 가능한 한 크게 뚫어야 시상이 어두워지는 것을 조금이라도 해결할 수 있지만 너무 크면 초점상도 크게 보이기 때문에 초점을 맞추는데 어려움이 발생한다. 하트만 마스크를 사용하는데 발생하는 또 다른 문제점은 초점에 접근할수록 마스크 구멍의 이미지가 겹쳐지게 되는데 이들이 정확하게 겹쳐진 상태를 확인하는데 어려움이 있다는 것이다.

그림 1-14  하트만 마스크(왼쪽)와 바흐티노프 마스크(오른쪽) 초점정렬 이미지
 

별궤적 이용법

  이 방법은 1931년 E.S.King에 의해서 소개된 방법이다. 연속적인 노출을 통하여 초점의 변화를 모니터 하면서 초점이 정확하게 맞았는지를 알 수 있는 방법이다. 지구의 자전에 의해서 별이 움직인 궤적을 이용하기 때문에 추적 기능이 필요하지 않고 삼각대만으로 촬영을 하거나 추적기능이 없는 적도의나 경위대식 장치대를 사용할 경우에 활용할 수 있는 방법이다.

  노출 시간 동안 만들어진 별의 궤적은 카메라의 초점조절 링 또는 망원경 접안부의 초점 조절 나사의 눈금의 조정에 따라 형태가 다르게 나타난다. 초점을 조정하는 짧은 사이에 카메라 렌즈 또는 망원경의 대물렌즈 앞을 검은 종이로 가림으로서 별의궤적이 나타나지 않고 끊어지게 만들면 각각 다른 초점 설정에 따른 별의 궤적을 구분하여 볼 수가 있다. 초점이 정확할수록 별상의 크기가 작아지므로 별의 궤적의 폭도 좁아지게 된다.

그림 1-15 별궤적을 이용한 초점 조정

  렌즈의 초점거리에 해당하는 적당한 궤적 이미지를 만들기 위해서는 충분한 노출 시간이 필요하고 궤적의 처음 또는 끝을 구분하기 위해서는 다른 초점 조정 구간보다 노출시간을 더 길게 하여 궤적의 길이가 길게 나타나게 하여 구분의 기준으로 삼을 수 있도록 한다.

  주경인 반사경의 움직임을 통해서 초점을 맞추는 망원경은 반사경의 흐름에 의한 문제가 발생할 수 있다.

 이 방법으로 초점을 맞추는 과정에서는 초점 조절 나사를 한 방향으로만 돌리면서 초점을 맞추어야 한다. 온도에 따라 이 방법을 반복해서 초점을 조절해 보면 온도에 따른 초점의 변화를 알 수 있는 표를 만들 수 있고 이에 따라 온도별 정확한 초점을 찾는데 도움이 된다. 랙엔 피니언 접안부를 갖는 망원경은 접안부 다이얼 게이지를 사용하여 초점의 위치를 게이지의 눈금으로 기록하면 초점을 맞추는데 효과적이다.

 하트만 마스크를 사용한 별 궤적 방법

 이 방법은 하트만 마스크를 부착한 채로 별 궤적 방법을 적용하는 것이다. 마스크를 통과한 이미지가 겹쳐서 나타나지 않도록 마스크의 구멍이 남북 방향으로 위치하도록 한다. 즉, 별이 흐르는 방향에 대해서 직각 방향으로 구멍이 위치하도록 한다.

 초점 테스트를 위해서 미세한 눈금 을 만들어 카메라의 초점 조절 링이나 망원경의 초점 조절 나사에 부착하여 움직임을 기록하면 초점이 맞추어진 위치를 파악하는데 편리하다. 카메라의 경우 배율이 높은 초점확대기를 통해서 초점의 상태를 파악하고 노출시간에 따른 별의 궤적에 해당하는 눈금을 기록한다.

  초점 조절나사는 별 궤적 방식과 마찬가지로 조금씩 같은 방향으로 회전시킨다. 너무 밝은 별을 대상으로 초점을 맞추는 것은 기술적으로 어려움이 크기 때문에 별자리에서 밝기가 다른 몇 개의 별을 골라서 시도해 보면 어두운 계열의 별이 더 좋은 결과를 나타낸다는 것을 알 수 있다.

그림 1-16  하트만 마스크를 장착한 별 궤적 방법에 의한 초점 조정

초점이 맞지 않으면 하트만 마스크에 의해서 별의 궤적이 두 갈래로 나타나는데 초점이 부정확할수록 폭이 넓고 초점이 정확하게 맞는 1번은 특히 좁고 밝기가 선명해짐을 알 수 있다. 즉 1번과 같이 폭이 좁고 밝기가 선명한 초점의 상태를 조절나사에 부착한 눈금 스케일에 표시하여 이용하면 정확한 초점에 해당하는 조절나사의 회전 위치를 찾아낼 수 있다.

자동 초점

 대부분의 DSLR 카메라는 자동초점렌즈와 이를 지원하는 장치가 카메라 몸체가 내장된 형태로 만들어져 있고 별에 초점을 맞출 수 있는 광학계를 가지고 있다. 이러한 카메라 몸체와 렌즈의 결합은 1등급의 밝은 별 또는 행성, 콘트라스트가 충분한 천체를 대상으로 사용이 가능하지만 사진 촬영 전에 먼저 테스트를 해보아야 한다.

  자동초점 조절장치 기능이 있는 카메라는 망원경의 f수가 작은 밝은 광학계의 망원경에서는 사용이 가능하다. 그러나 초점이 맺히는 센서가 작기 때문에 별을 초점 감지부에 정확하게 위치시키기가 어렵고 카메라내부에 초점이 도달하는 간유리에 초점이 잘 맺힌다고 하더라도 카메라 파인더로 보는 어두운 화면에서 어두운 천체를 대상으로 초점을 맞추기란 쉽지가 않다.

 따라서 밤하늘의 달이나 행성과 같은 밝은 천체들을 제외하고는 자동초점 기능을 사용할 수 가 없다. 행성의 촬영에서 조차도 자동 초점 기능으로 초점을 맞추는 것은 사진을 찍으려는 목적으로는 추천할 만한 방법이 아니다,

동일 초점거리 접안렌즈(Parfocalized eyepieces)

그림 1-17 캐논 카메라와 같은 초점면까지의 거리를 갖는 렌즈를 삽입한 망원경

 카메라렌즈에서부터 초점면까지의 거리와 같은 초점거리를 갖는 아이피스로서 이 아이피스를 사용하여 초점을 맞추는 것은 카메라로 초점을 맞추는 것과 같은 결과를 보여준다. 동일초점거리 아이피스를 사용하여 초점을 맞추면 카메라를 부착하고 초점을 맞춘 것과 같은 결과를 나타내기 때문에 초점을 맞춘 후 아이피스를 빼고 카메라로 대치시키면 초점이 맞게 된다. 접안렌즈를 빼고 카메라를 끼울 때 카메라를 접안렌즈를 연결했을 때와 같이 정확하게 망원경과 연결해야만 교체에 따른 오차가 발생하지 않는다. 이 방법을 이용할 때 주의해야 할 것은  눈의 위치(sweet spot)를 정확하게 하는 것이다.   눈의 위치가 조금만 달라도 초점이 달라지고 이미지에 초점이 맞지 않는 결과를 초래한다. 이 방법을 좀더 정밀하게 사용하려면 가능한 한 초점거리가 짧은 동일 초점거리 접안렌즈를 사용하여 배율을 높이는 것이 좋다.

칼날끝 초점

이 초점 정렬 방식은 칼날을 카메라의 필름이 위치하는 곳에 정확하게 위치시킨 다음 눈은 칼날 뒤에 가깝게 대고 밝은 별을 선택하여 별의 상을 보면서 초점을 맞추는 것이다. 칼날이 초점에 위치하고 눈이 초점 뒤에 위치한다면 초점 뒤로 광원뿔(light cone)이 확장되기 때문에 별빛이 둥근 원반 형태로 보인다. 칼날은 망원경의 초점이 움직이는 방향에 직각이 되도록 놓이고 즉 경통에 직각 방향이고 칼날이 광원뿔을 가리도록 망원경의 초점을 조절한다.

그림 1-18 칼끝 초점 정렬과 관련된 상의 모습

만일 초점이 정확하게 맞는다면 별의 원반형태의 이미지는 한번에 순간적으로 사라지게 된다. 초점이 맞지 않았을 경우에는 칼날의 그림자가 원반형태 별 속으로 움직여가는 것이 보이게 된다. 초점이 맞지 않은 상태에서 별을 본다면 별의 원반상은 초점이 어긋날수록 더 커지게 된다. 이렇게 초점이 맞지 않은 상태에서 light cone 사이로 칼날을 넣으면 원반상에 칼날의 그림자가 나타나고 원반상이 완전히 가려져 어두워질 때 까지 칼끝이 원반을 가로질러 움직이는 것을 볼 수가 있다. 이 경우 칼날이 초점보다 앞쪽에 있으면 칼날을 넣는 쪽부터 가려지고 초점면보다 뒤에 있으면 칼날이 들어가는 반대쪽부터 칼날 그림자가 가려지면서 움직이는 것으로 관측된다. 이를 참조로 카메라의 초점이 짧게 도는 길게 맺혔는지를 알 수 있다. 디지털 카메라에서 칼날 초점 조절 방식은 칼날을 필름 카메라의 필름면에  해당하는 센서면에 위치시켜야 하는데 초점면에 칼날을 넣기 위해서는 카메라의 뒷부분이 열리는 필름 카메라와는 달리 디지털카메라는 뒷부분을 열거나 분해하기가 불가능하므로 이 방법을 직접 사용할 수는 없다. 또한 달, 태양, 행성, 성운등과 같이 대상의 넓이가 넓은 천체는 초점 상이 너무 커서 이 방법을 이용한 정확한 초점 맞추기는 어려운 편이다. 이 경우에는 주위의 적당한 별을 이용해서 초점을 맞춘 후 다시 관측대상으로 경통을 이동시키는 방법을 사용하면 된다.

초점관련 소프트웨어

  Image plus와 DSLR Focus와 같은 소프트웨어는 초점을 맞추는 기능을 포함하고 있다.  카메라 또는 카메라가 연결된 망원경으로 초점을 맞추려면 컴퓨터나 노트북이 필요하다. 시야에 들어온 별을 선택하면 컴퓨터는 짧은 노출 시간을 통해서 얻어진 이미지를 연속적으로 전송하여 보여주며 이미지를 보면서 망원경의 초점을 맞추면 된다. 별상의 크기가 가장 작아졌을 때가 가장 초점의 상태가 좋은 것이다. 프로그램에 따라서는 별의 지름의 크기, 반측값(FWHM, Full Width of Half Maxium), 또는 초점이 맺힌 별의 최대 밝기를 수치화해서 보여준다. 이런 소프트웨어를 사용하여 초점을 맞추는 방법은 효과적이고 정확할 수 있으나 컴퓨터가 필요하다는 단점이 있다.

그림 1-19 디지털 카메라 관측용 소프트웨어 DSLR Focus의 실행 화면