위성 카메라는 단렌즈하나까, 줌렌즈하나까? 대박이네

육지, 물, 구름을 찍어 지구로 보내는 인공위성에는 광학카메라가 들어 있습니다. 빛을 받아 상을 연결하도록 한 후의 디지털 신호로 변환합시다. 디지털 카메라랑 다를게 없을 것 같은데요? 한국의 아리랑 위성 3A호를 봅시다. 현재 국내 위성 중 최고의 해상도를 자랑합니다. 지구와 528㎞ 떨어진 고도에서 55㎝급 해상도를 자랑하는 것입니다. 이렇게 멀리 떨어진 곳에서 마치 눈앞에 자동차가 있는 것처럼 찍는답니다. 지구를 쭉 내려와서 촬영했다 그 'sound' 다시 올라갈까요? 아니면 줌으로 초점거리와 화각을 조절할까요? 항상 그랬던 것처럼 위성 카메라 작동법을 익혀 봅니다.

초점이 고정된 렌즈를 켠 렌즈라고 합니다. 포토그래퍼가 부지런히 움직이면서 원경이 과도한 근경을 촬영해야 합니다. 줌 렌즈는 줌링으로 초점거리와 화각을 조절합니다. 가만히 서서 먼 곳의 피사체도 화각을 그어 찍을 수 있습니다. 인공위성 카메라가 이 중 어느 렌즈냐고 물으면 단렌즈에 가깝습니다. 조금 어려운 스토리에서는 단 1초점 거리 광학계(Optical system with fixed focal length)라고 합니다. 다만, 렌즈는 다시 화각이 넓은 광각 렌즈와 화각은 좁지만 멀리 볼 수 있는 망원 렌즈로 과인별 됩니다. 아주 멀리 있는 대상을 다소 갖는다는 점에서 위성 카메라는 망원 렌즈와 비슷합니다. 즉 위성 카메라는 줌 기능이 없는 대형 단렌즈이며, 망원 렌즈에 가깝습니다.

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그런데 , 지금의 위성 카메라를 단렌즈가 아니고, 단일 초점거리 "광학계"라고 불렀습니다. 광학계는, 빛을 모아 반사 노화는, 굴절시켜 광학적상(image)을 만드는 장치를 일으킵니다. 물론 카메라도 광학계를 가지고 있습니다. 다만, 렌즈에서도, 광각 렌즈에서도, 망원 렌즈에서도, 몇개의 렌즈를 어떤 형태로 깎아, 어떻게 배치하느냐에 따라서 배율이나 화각등을 바꿀 수 있습니다. 인공위성 광학계에서는, 일반의 디지털카메라 렌즈의 역할을 주로 거울, 즉 반사경이 실시합니다.실은 화질이 좋은 디지털카메라의 대명사인 DSLR(디지털 일안반사식 카메라, digital single-lens reflex camera)에도 반사경이 들어가 있습니다. 대물 렌즈를 통해 들어온 빛을 거울에 반사시켜 펜타프리즘이라는 구조물에 다시 반사되어 뷰파인더로 보냅니다. 렌즈 외에도 1개의 평면 반사경이 있는 거예요. 그런데 인공위성 카메라는 빛을 가장 먼저 받는 대물 렌즈 역할을 하는 부분까지 전체 거울입니다. 어떻게 반사경만 수백, 수만 킬로미터의 고도에서 줌 기능도 없이 지구를 촬영할 수 있을까요.

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촬영을 한다는 의미에서 카메라라고 불리는데 위성 카메라는 망원경에 가깝습니다. 카메라는 이 200여년 동안 어느 정도 자신 더 자유롭게 사진을 출력, 복제, 현상할 수 있는지에 초점을 맞추고 왔습니다. 반면 망원경은 어떻게 하면 더 멀리 있는 어두운 대상을 선명하게 볼 수 있을까에 집중돼 왔습니다. 빛이 렌즈를 허용하고 굴절되면 밝기가 밝아져 배율이 올라간다는 사실을 발견한 뒤 천체와 우주, 때로는 적의 움직임을 관찰하는 데도 사용되고 있습니다. 지구에서 우주를 보든 우주에서 지구를 보든 멀리 볼 수 있는 비결을 찾은 것은 망원경이었습니다.그런 의미에서는, 위성 카메라는 망원경에 카메라의 촬영 기술을 결합했다고 보는 편이 더 정확할 것입니다. 우주 풍경을 촬영하는 허블우주망원경이 카메라 역할을 하면서도 망원경으로 불리는 것도 같은 맥락이다. 망원경의 정의를 보면 더 확실해지네요. 렌즈 또는 반사경을 복수 조립해 멀리 있는 물체를 확대해서 선명하게 보는 광학기기이다. 여기서다시반사경이등장을합니다.

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렌즈와 반사경의 역할은 대등한 것처럼 다릅니다. 둘 다 눈의 수정체처럼 빛을 모으는 역할을 합니다. 하지만 렌즈는 빛을 굴절해 합격시켜 모으고 반사경(거울)은 말로만 빛을 반사시켜 반대 방향으로 보내며 빛을 모아요. 망원경에 적용이 되면 각각 굴절 망원경, 반사 망원경이라고 부릅니다. 초기 망원경은 전부 굴절 망원경이었어요. 볼록 렌즈와 요철 렌즈를 결합하여 갈릴레오는 달의 표면도, 목성의 위성도 관찰했습니다. 다음의 케플러는 볼록 렌즈 2개를 사용하고 시야가 훨씬 넓고 높은 경쟁률을 얻을 수 있도록 만들면서 성능을 한 단계 높였습니다. 하지만 굴절 방법에는 한계가 있었습니다. 대물렌즈는 무게 때문에 크게 만들기 어려울 뿐만 아니라 대물렌즈에 들어오는 서로 다른 색의 빛이 확실하게 한 점에 모이지 못하고 색이 위 주변에서 조금씩 퍼지는 현상이 일어났습니다. 빛의 굴절의 색 수차를 만드는 것입니다.이를 보완한 것이 반사망원경이다. 볼록렌즈와 움푹 파인 거울을 같이 사용했는데요. 빛이 들어오는 방향을 머릿속에 잘 그려야 해요. 대물렌즈에 해당하는 주반사경이 경통 뒤쪽에 있습니다... 이고쯔로 들어온 빛을 반사하고 그보다 전에 있는 작은 평면 반사경에서 빛을 90번 깨고 옆으로 빼내고 볼록 렌즈의 상을 맺기로 했습니다. 빛이 순차 들어오는 굴절 방식과 달리 반대로 진행되는 거죠. 대물렌즈의 빛의 굴절도 없기 때문에 색수차이도 해결됩니다. 다음의 반사경은 거듭 진화하는데 카세그레인(Cassegrain)형 반사 망원경은 볼록 거울에서 열린 2차 반사경을 추가하여 각종 수차와 함께 경통의 길이를 줄일 수 있게 되었습니다.뿐만 아니라 현대의 우주망원경은 반사경을 더 추가하여 렌즈 없이도 광학적으로 가장 완벽한 방식을 실현하기에 이릅니다. 시야각을 기존의 반사망원경에 비해 매우 넓게 펼쳐 넓은 영역을 정밀하게 관측할 수 있는 수준까지 나쁘지 않았습니다. 이것을 코슈(Korsch)형 반사망원경이라고 합니다. 정찰 위성 KH-11키 홀, 제임스 웹 우주 망원경 등 초대형 망원경에 사용되기 시작했습니다.

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다시 정리해 볼게요. 제1위성 카메라는 단 하나 초점의 망원 렌즈에 가깝다. 하지만 렌즈가 아니라 반사경을 주로 사용합니다. 3그 때문에 굴절이 아니라 반사식 광학 계열이다. 4번."이런 반사 거울을 여러개 만들어 사용하는 광학계는 중심에 초대형 망원경에 임금 나오고 왔다.우리 위성 카메라도 마찬가지다. 반사경을 사용한 단초점 디지털카메라군요. 광학 촬영을 주로 하는 아리랑 위성과 2020년부터 발사되는 500kg급 차세대 중형 위성에 곧바로 이 광학계를 탑재하 슴니다.

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반사경은 인공위성이어서 장점이 아주 많아요. 구리 첫 구경 렌즈보다 거울이 훨씬 가벼워요. 같은 성능을 내면서도 가볍게 하면 할수록 부드러운 페이로드가 됩니다. 그게 임무의 핵심인 카메라라고 해서 예외는 아닙니다. 천체망원경만큼 멀리서 선명하게 찍히면서도 가벼운 카메라가 필요했습니다. 그것을 위해서는 부속의 무게를 줄일 필요가 있습니다. 또 임무 내내 지구를 도는 인공위성을 개발하는 연구원들은 움직이는 부속품을 쓰는 것을 매우 싫어한다. 동네 위험... 성이 커지기 때문이죠. 기계적 작동도 최소화해야 한다.우리가 쓰는 카메라라면 렌즈로도 충분하다. 가벼운 디지털 카메라가 있어도 여전히 DSLR의 묵직한 손맛을 즐기는 마니아들이 많아요. 볼록렌즈와 오목렌즈를 겹겹이 조합해 좋아하는 화각과 초점거리를 만들 수 있는 렌즈에 대한 애기정 때문입니다. 하지만 위성에 유리 렌즈를 끼게 되면 어떻게 되는 것일까요? 모든 망원경과 위성 카메라는 주경이 커질수록 집광력이 나빠지는데요. 세계 최대의 굴절 망원경으로 유명한 여 키스(Yerkes)망원경의 구경은 1미터에 이른다.그러나 1개 이상이 대물 렌즈를 가공하는 것은 정말 거의 불가능하다. 하지만 상대적으로 반사경은 더 큰 구경을 쉽게 만들 수 있습니다. 자국 위성의 구경도 60㎝~하나 m정도가 됩니다. 지상 망원경용 큰 반사경은 약 하나 0m까지 제작할 수도 있습니다. 더 크게 제작할 수도 있지만 제작된 반사경을 육로를 통해 운반하는 열망으로 도로 폭에 제한돼 크게 만들지 않는다는 것.

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거울은 같은 구경이라면 렌즈보다 더 얇고 가볍게 만들 수 있습니다. 게다가 반사경은 무게뿐만 아니라 카메라 몸통, 즉 경통 길이도 줄어들 수 있는데요. 굴절 방식은 초점거리만큼 경통 길이를 제작해야 한다. 하나 m구경의 여 키스 망원경 경통의 길이는 하나 9m 나쁘지 않게 됩니다. 반면 반사 방식은 반대 방향으로 빛을 꺾을 수 있기 때문에 빛의 경로를 여러 번 접을 수 있습니다. 이를 잘 활용하면 획기적으로 경통의 길이를 줄일 수 있습니다. 비용도 무게도 부피도 줄일 수 있다면 인공위성 카메라가 채택하지 않을 이유가 없잖아요.줌 방식이 아닌, 단초점을 사용하는 이유도 같습니다. 줌링은 여러 겹으로 공간을 확보해야 하기 때문에 몸집이 커질 수밖에 없습니다. 우리가 사용하는 렌즈만 봐도 달콤한 렌즈의 부피가 더 작습니다. 기계 작동을 줄인다는 점에서도 단초점이 더 유리하다. 촛점거리가 고정된 채로 촬영하는 것 뿐이므로, 줌링은 필요 없습니다.

하지만 반사경을 깎아 위치시켜 빛의 경로를 꺾는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 거울도 무거워서 속을 파낼 정도입니다. 경량화 구조라고 하는데요. 안은 비어 있지만 높은 강도를 유지할 수 있도록 벌집 모양으로 격자 구조를 만듭니다. 철골교와 대동소이하다고 생각하면 됩니다.

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반사경은 모두 비구면입니다. 구면을 포물면, 자신의 쌍곡면과 함께 만들면 더 선명한 상을 얻을 수 있기 때문입니다. 가격이 조금 자신 있는 안경을 보면, 비구라면 안경 렌즈인 경우가 많네요. 거울에 부닥친 빛을 정확히 설계된 곳에 반사시키기 위해서는, 이 면을 수십, 자신의 미토(nm하나 0의 마이덱스 9승미터)수준으로 매우 정밀하게 줄여야 한다. 허블 우주 망원경도 이 비구 면을 만들 때 실수를 해서 수리한 1개로 유명합니다.​ 현재 항우연에서 제작하고 있는 차세대 중형 위성 하나호와 2호는 이 거울이 총 5개가 들어 있습니다. 약 하나 0m의 경통 속에서 빛이 총 5번이 접히는 것입니다. 그러므로, 반사경의 배치는 제작만큼 어렵게 1개입니다. 빛의 경로를 설계하고 정렬하는 것이 핵심기술이라고 해도 좋다. 이것을 광학 정렬이라고 합니다. 한번 고정시키면 당싱로 5년 하나 0년을 써야 한다. 그 위치가 정확하지 않거나, 자신의 진동 때문에 비틀어진 광학계는 자신의 성능을 발휘할 수 없습니다.우리가 사용하는 카메라 렌즈는 광축만 맞으면 다른 렌즈로 성능을 보상하기 쉽게 할 수 있기 때문에 큰 사고는 없습니다. 한편 반사 거울은 매우 민감해서 수십 마이크로 미터(μm, 하나 0의 마이덱스 6승미터)수준으로 정밀 위치시켜야 한다. 한국 개발 진 은"위성의 가장 큰 쥬교은이 머리칼만(하나 00um)안 되게 되도 성능이 많이 나 빠진다."라고 스토리한다. 이런 기술이 있어야 광학위성을 제작할 수 있는 것과 마찬가지입니다.고정된 것은 반사경뿐만이 아닙니다. 초점검 출기면의 CCD도 단단히 고정해 두고, 초점을 맞춥니다. "1개 반 카메라가 렌즈의 위치를 바꾸면서 초점을 맞추는 것과는 다릅니다. 여기서 사업인 차이는 1개 반 카메라의 CCD가 평면 검출기라면 위성 카메라는 선형 검출기를 임금 인상 있습니다. 이렇게 할 수 있는 이유는 위성이 항상 지구를 돌고 있기 때문입니다. 마치 복사기처럼 스캔하면서 찍는 거죠. 따라서 로 영상을 보면 사진이 길쭉하다. 셔터만 누르면 모두를 한번 찍는 1개 반. 카메라는 전혀 다른 방식이군요. 그래서 셔터 속도, 감도 등의 정보도 전부 위성이 이동하는 속도에 맞게 세팅해 둡니다. 이미 제작 단계에서 위성의 속도에 맞춰 모든 것이 판정되는 것입니다.반사경, 단초점, 선형검출기 등 인공위성 카메라만의 이런 독특한 기술은 모두 프레임의 모든 영역을 선명하게 포착하기 위한 기술입니다. DSLR을 손에 넣는 것보다 좀 어려웠다고요? 사진은 또 결과적으로 스토리를 하는 겁니다. 눈이 멀다 정도로 뚜렷한 아리랑 위성 3A호가 촬영한 위성 사진을 전하고 드리겠습니다.

기획/제작:항공우주Editor오요한자문/감수:위성탑재체개발부 류동옥 박사

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