망원경

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배경

망원경은 멀리 있는 물체의 이미지를 형성하는 데 사용되는 장치입니다. 가장 친숙한 종류의 망원경은 일련의 렌즈나 곡면 거울을 사용하여 가시광선의 초점을 맞추는 광학 망원경입니다. 렌즈를 사용하는 광학 망원경은 굴절 망원경 또는 굴절기로 알려져 있습니다. 거울을 사용하는 것은 반사 망원경 또는 반사경으로 알려져 있습니다. 광학 망원경 외에도 천문학자들은 전파, X선 및 기타 형태의 전자기 복사에 초점을 맞추는 망원경도 사용합니다. 망원경은 판지 튜브로 만든 수제 망원경에서부터 수 마일에 걸쳐 뻗어 있는 집 크기의 전파 망원경 배열에 이르기까지 크기와 정교함이 다양합니다.

가장 오래된 것으로 알려진 망원경은 1608년 네덜란드의 안경 제작자 Hans Lippershey가 멀리 떨어진 두 개의 서로 다른 안경 렌즈를 통해 우연히 물체를 본 후 만든 굴절 장치였습니다. 그는 자신의 발명품을 키커, "looker"는 네덜란드어로 군용으로 사용되었습니다. 1609년에 이탈리아 과학자 갈릴레오 갈릴레이는 자신의 망원경을 제작했으며 이를 사용하여 천체 관측을 한 최초의 사람이었습니다. 이 초기 망원경은 속이 빈 리드 안에 두 개의 유리 렌즈로 구성되어 있었습니다. 튜브이며 다소 작았습니다. 갈릴레오의 가장 큰 악기는 길이가 약 120cm, 지름이 2인치(5cm)였습니다. 독일의 요하네스 케플러(Johannes Kepler)와 네덜란드의 크리스티안 호이겐스(Christian Huygens)와 같은 천문학자들은 1600년대에 걸쳐 더 크고 강력한 망원경을 만들었습니다. 곧 이 망원경은 손으로 쉽게 제어할 수 없을 정도로 커져 영구 마운트가 필요했습니다. 일부는 길이가 60미터가 넘었습니다.

거대한 망원경을 만드는 능력은 유리 제작자가 망원경에 적합한 렌즈를 제조하는 능력을 능가했습니다. 특히 색수차(렌즈가 빛의 각 색상을 다른 지점에 초점을 맞추는 경향이 있어 이미지가 흐려지는 경향)로 인한 문제는 초대형 망원경에서 심각해졌습니다. 당시 과학자들은 렌즈에서 이 문제를 피할 방법이 없었기 때문에 대신 곡면 거울을 사용하여 망원경을 설계했습니다.

1663년 스코틀랜드 수학자 제임스 그레고리(James Gregory)는 최초의 반사 망원경을 설계했습니다. 반사경의 대체 디자인은 1668년 영국 과학자 Isaac Newton과 1672년 프랑스 과학자 N. Cassegrain에 의해 발명되었습니다. 세 가지 디자인 모두 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 1600년대에는 오늘날 거울을 만드는 것과 같이 얇은 반사 필름으로 유리를 코팅하는 좋은 방법이 없었으므로 이러한 초기 반사기는 광택이 나는 금속으로 만든 거울을 사용했습니다. Newton은 구리, 주석 및 비소의 혼합물을 사용하여 받은 빛의 16%만 반사할 수 있는 거울을 생성했습니다. 오늘날의 거울은 거울에 닿는 빛을 거의 100% 반사합니다.

망원경의 주 렌즈를 두 가지 다른 종류의 유리로 만든 두 개의 적절한 모양의 렌즈로 교체하여 색수차를 최소화할 수 있다는 것은 1730년대 초에 알려졌지만 유리 제조 과학이 발전한 것은 1800년대 초반이 되어서였습니다. 이 기술을 실용적으로 만들기에 충분합니다. 19세기 말경에는 최대 직경 1미터의 렌즈가 있는 굴절 망원경이 제작되었으며 이는 여전히 작동 중인 가장 큰 굴절 망원경입니다.

반사경은 매우 크고 매우 정확한 거울을 구성하는 기술이 개발된 20세기에 다시 굴절기를 지배했습니다. 세계에서 가장 큰 광학 망원경은 모두 반사경이며 지름이 최대 6m입니다.

원자재

망원경은 광학 시스템(렌즈 및/또는 거울)과 광학 시스템을 제자리에 고정하고 조작하고 초점을 맞출 수 있도록 하는 하드웨어 구성 요소로 구성됩니다. 렌즈는 일반 유리보다 훨씬 더 순수하고 균일한 특수 유리인 광학 유리로 만들어야 합니다. 광학 유리를 만드는 데 사용되는 가장 중요한 원료는 이산화규소로 불순물이 1/10(0.1%) 이상 포함되어서는 안 됩니다.

광학 안경은 일반적으로 크라운 안경과 부싯돌 안경으로 나뉩니다. 크라운 유리에는 다양한 양의 산화붕소, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화바륨 및 산화아연이 포함되어 있습니다. 부싯돌 유리에는 산화납이 포함되어 있습니다. 망원경 렌즈의 반사 방지 코팅은 일반적으로 불화마그네슘으로 구성됩니다.

망원경 거울은 빛이 통과하지 않기 때문에 렌즈를 만드는 데 사용되는 것보다 약간 덜 순수한 유리로 만들 수 있습니다. 종종 Pyrex와 같은 강한 내열성 유리가 사용됩니다. 파이렉스는 이산화규소, 산화붕소, 산화알루미늄으로 구성된 유리의 브랜드명입니다. 망원경 거울의 반사 코팅은 일반적으로 알루미늄으로 만들어지며 반사 코팅 상단의 보호 코팅은 일반적으로 이산화규소로 구성됩니다.

광학 시스템과 직접 관련된 하드웨어 구성요소는 일반적으로 강철 또는 강철 및 아연 으로 제조됩니다. 합금. 덜 중요한 부품은 일반적으로 ABS라고 하는 알루미늄 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 플라스틱과 같은 가볍고 저렴한 재료로 만들 수 있습니다.

제조
프로세스

하드웨어 구성 요소 만들기

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1 금속 하드웨어 부품은 선반 및 드릴 프레스와 같은 표준 금속 가공 기계를 사용하여 제조됩니다.

2 ABS 플라스틱으로 만든 구성요소(보통 망원경의 외부 본체)는 사출 성형이라는 기술을 사용하여 생산됩니다. 이 과정에서 플라스틱은 용융되어 최종 제품 모양의 금형에 압력이 가해집니다. 플라스틱은 다시 고체로 냉각되고 금형을 열어 구성 요소를 제거할 수 있습니다.

광학 유리 만들기

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3 유리제조자는 제조하고자 하는 유리와 동일한 종류의 폐유리에 적절한 원료를 혼합한다. 파유리로 알려진 이 폐유리는 플럭스 역할을 합니다. 즉, 원료가 없을 때보다 더 낮은 온도에서 원료가 함께 반응하도록 합니다.

4 이 혼합물을 액체로 녹을 때까지 유리로에서 가열한다. 용융 유리를 형성하는 데 필요한 온도는 만드는 유리 유형에 따라 다르지만 일반적으로 약 1400°C(2550°F)입니다.

5 용융 유리의 온도를 약 1550°C(2820°F)로 올려서 기포가 표면으로 나오도록 합니다. 그런 다음 약 1000°C(1830°F)에 도달할 때까지 지속적으로 교반하면서 냉각되도록 하며, 이 지점에서 매우 두꺼운 유체입니다. 이 점성이 있는 용융 유리는 필요한 렌즈와 거의 같은 모양의 주형에 부어집니다.

6 유리가 약 570°F(300°C)로 냉각된 후 초기 냉각 기간 동안 형성되고 유리를 약화시키는 내부 응력을 제거하기 위해 약 550°C(1020°F)로 재가열해야 합니다. . 그런 다음 실온으로 천천히 냉각됩니다. 이 과정을 어닐링이라고 합니다. 렌즈 모양의 최종 유리 덩어리를 블랭크(blank)라고 합니다.

렌즈 만들기

블랭크는 망원경 제조업체에서 절단, 연삭 및 연마의 세 단계로 처리됩니다. 거울은 반사 코팅이 적용될 때까지 렌즈와 똑같은 방식으로 형성됩니다.

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7 먼저 둥근 다이아몬드 날이 있는 고속 회전 원통형 커터, 곡선 생성기로 알려진 원하는 곡선에 근접할 때까지 렌즈 표면을 면도합니다. 절단된 렌즈를 구면계로 검사하여 곡률을 확인하고 필요한 경우 다시 절단합니다. 절단에 필요한 시간은 절단되는 유리의 종류와 모양을 만드는 렌즈의 종류에 따라 크게 다릅니다. 렌즈에는 몇 번의 절단이 필요할 수 있으며 각 절단에는 몇 분에서 30분 이상이 소요될 수 있습니다.

8 여러 개의 절단 블랭크가 마치 하나의 큰 구형 곡선의 일부인 것처럼 표면이 정렬되는 방식으로 곡선 블록에 배치됩니다. 이것은 연삭기가 모두 같은 방식으로 연삭할 수 있도록 하기 위해 필요합니다. 도구로 알려진 주철 연삭 표면이 그 위에 눌러집니다. 연삭하는 동안 렌즈 블록이 회전하는 동안 도구가 그 위에서 무작위로 자유롭게 이동할 수 있습니다. 공구와 블록 사이에는 물, 연삭을 위한 연마제(일반적으로 탄화규소), 과열로 인한 렌즈 손상을 방지하기 위한 냉각제, 연마제가 침전되는 것을 방지하기 위한 계면활성제가 포함된 슬러리가 흐릅니다. 블록이 회전하는 속도, 렌즈에 가해지는 힘, 슬러리의 정확한 함량 및 기타 변수는 원하는 정확한 유형의 렌즈를 생산하기 위해 숙련된 안경사에 의해 제어됩니다. 각 렌즈는 구면계로 다시 한 번 검사되고 필요한 경우 다시 연마됩니다. 전체 분쇄 공정은 1시간에서 8시간이 소요될 수 있습니다. 연마된 렌즈는 세척되어 연마실로 이동됩니다.

9 연마기는 연삭기와 유사하지만, 도구는 콜타르나 우드타르에서 추출한 두껍고 부드러운 수지성 물질인 피치로 만들어집니다. 피치 도구는 곡선 접시의 둘레에 테이프를 놓고 밀랍과 보석 루즈와 같은 다른 재료와 함께 뜨거운 액체 피치를 부어서 만들었습니다. 다시 고체로 냉각합니다. 피치 도구는 모양을 변경하기 전에 약 50개의 렌즈를 연마할 수 있습니다. 연마는 연마와 동일한 방식으로 진행되지만 연마제 대신 슬러리는 매우 미세한 분홍색 분말 형태의 연마 물질, 일반적으로 이산화세륨을 포함합니다. 연마된 렌즈는 광학적으로 검사되고 필요한 경우 다시 연마됩니다. 연마 절차는 30분에서 4~5시간 정도 걸릴 수 있습니다. 렌즈를 세척하고 코팅할 준비가 되었습니다.

코팅 적용

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10 렌즈를 거울로 만들기 위해 매우 얇고 부드러운 알루미늄 코팅이 적용됩니다. 알루미늄은 진공에서 가열되어 증기를 형성합니다. 양전하를 띤 알루미늄 이온이 렌즈 표면에 끌리도록 음의 정전기 전하가 렌즈 표면에 가해집니다. 거울의 깨지기 쉬운 표면을 보호하기 위해 이산화규소 코팅을 적용하거나 렌즈 표면에 불화마그네슘의 반사 방지 코팅을 적용하기 위해 유사한 절차를 따릅니다. 완성된 렌즈나 거울을 검사하고 제조일자와 일련 번호를 표시한 다음 필요할 때까지 보관합니다.

망원경 조립 및 배송

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11 특정 모델의 망원경을 만드는 데 필요한 하드웨어 구성 요소, 렌즈 및 거울은 조립 라인 프로세스에서 손으로 조립됩니다. 완성된 망원경은 운송 중 손상으로부터 보호하기 위해 꼭 맞는 발포 폴리스티렌 폼으로 포장되어 있습니다. 망원경은 판지 상자에 포장되어 소매점이나 소비자에게 배송됩니다.

품질 관리

광학 망원경의 품질 관리에서 가장 중요한 측면은 렌즈와 거울의 정확도입니다. 절단 및 연삭 단계에서 렌즈의 물리적 치수는 매우 신중하게 측정됩니다. 렌즈의 두께와 직경은 멍키 렌치처럼 생긴 버니어 캘리퍼스로 측정됩니다. 캘리퍼스의 고정된 외부 죠는 렌즈의 한 면에 대고 있고 내부의 슬라이딩 죠는 렌즈의 다른 면과 만날 때까지 부드럽게 움직입니다. 고전적인 버니어 캘리퍼스에서 렌즈의 치수는 내부 턱과 함께 움직이는 눈금을 사용하여 매우 정확하게 판독되며 외부 턱에 부착된 고정 눈금과 비교됩니다. 이 유형의 캘리퍼스는 슬라이드 룰과 매우 유사합니다. 측정된 치수가 디지털 디스플레이에 자동으로 표시되는 이 기기의 전자 버전도 있습니다.

렌즈의 곡률은 구면계로 측정합니다. 구면계는 밑면에서 세 개의 작은 핀이 돌출되어 있는 회중시계와 유사한 장치입니다. 바깥쪽 핀 2개는 제자리에 고정되어 있고 안쪽 핀은 자유롭게 움직이고 나갈 수 있습니다. 구면계를 렌즈 표면에 부드럽게 놓습니다. 곡선 유형에 따라 중간 핀이 다른 두 핀보다 높거나 다른 두 핀보다 낮습니다. 내부 핀의 움직임은 구면계 표면의 보정된 다이얼에 있는 바늘을 움직입니다. 이 값은 원하는 곡률에 대해 구해야 하는 표준 값과 비교됩니다.

허용 오차는 제조되는 렌즈 유형에 따라 다르지만 일반적으로 허용되는 편차는 ±0.0008인치(20마이크로미터)입니다. 일반적으로 평면 거울이 될 예정인 평면 렌즈의 경우 허용 오차는 일반적으로 ±0.00004인치(1.0마이크로미터) 정도로 훨씬 작습니다.

연마 단계에서 이러한 도구는 렌즈가 제대로 작동하는지 확인할 만큼 정확하지 않습니다. 빛이 렌즈에 의해 영향을 받는 방식을 측정하는 광학 테스트를 사용해야 합니다. 한 가지 일반적인 테스트는 자동 시준 테스트로 알려져 있습니다. 렌즈는 어두운 방에 놓고 저강도 핀포인트 광원으로 조명됩니다. 회절 격자(인치당 수천 개의 미세한 평행 홈을 포함하는 표면)는 렌즈가 빛을 집중시켜야 하는 지점에 배치됩니다. 격자는 초점 앞뒤에 어둡고 밝은 선의 간섭 패턴이 형성되도록 합니다. 따라서 실제 초점을 정확하게 찾아 원하는 렌즈 유형에 대한 이론적인 초점과 비교할 수 있습니다.

평면 렌즈를 테스트하기 위해 평면으로 알려진 렌즈를 테스트할 렌즈 위에 뒤집어 놓고 검은색 펠트 조각 위에 놓습니다. 두 렌즈 사이의 미세한 틈으로 인해 부드러운 압력이 가해지면 간섭 패턴이 나타납니다. 밝은 선과 어두운 선은 뉴턴의 고리로 알려져 있습니다. 테스트 중인 렌즈가 평평한 경우 선이 직선이고 규칙적이어야 합니다. 렌즈가 평평하지 않으면 선이 휘게 됩니다.

미래

우수한 렌즈와 거울을 생산하는 데 사용되는 기술은 수년 동안 잘 이해되어 왔으며 이 분야의 주요 혁신은 거의 없습니다. 활발한 연구 분야 중 하나는 코팅 기술입니다. 거울을 더 잘 보호하고 렌즈의 반사를 통한 빛의 손실을 더 잘 방지하기 위해 새로운 코팅 물질이 개발될 수 있습니다.

더 극적인 발전 영역은 망원경과 함께 제공되는 전자 액세서리입니다. 아마추어 천문학자들은 곧 컴퓨터 안내 시스템이 내장된 망원경을 구할 수 있게 될 것입니다. 이 망원경은 망원경이 선택한 천체를 자동으로 가리키고 밤마다 추적할 수 있게 해줍니다. 그들은 또한 망원경에 비디오 카메라를 부착하고 월식과 행성과 달의 움직임과 같은 천문학적 현상을 촬영할 수 있습니다.