천문학에서 사용하는 카메라 : II. 천문학용 카메라의 종류

안녕하세요.

https://steemit.com/kr/@sunwatcher/i

지난 글에서 천문학에서 사용되는 디지털 카메라의 효용에 대해서 말씀드렸습니다. 이번에는 현재 관측을 위해서 사용되고 있는 카메라의 종류와 특성에 대해서 설명하고자 합니다.

광학적 카메라에서 빛을 검출하는 원리는 '광전효과'입니다. 광전효과란 금속같은 물질에 빛에너지가 도달할 때 물질에서 전자가 방출되는 현상입니다. 빛의 세기가 커지면 그만큼 방출되는 전자의 수도 늘게 되고, 이 튀어나온 전자들이 변화시키는 전압을 측정하여 입사하는 빛의 양을 계산할 수 있습니다. 이 광전효과를 규명한 사람이 아인슈타인이고 그는 이 공로로 유일한 노벨물리학상을 받게 됩니다.

I. CCD 카메라
CCD (charge coupled device) 는 오랜기간동안 천문학 분야에서 사용된 카메라 입니다. 기본원리인 광전효과를 이용, 셔터가 열리는 동안 각 픽셀이 빛을 전자로 바꾸고, 셔터를 닫은 후 이 전자들을 옆 픽셀로 이동시켜 단일한 변환기를 통해 빛의 양을 디지털 숫자화 합니다. CCD 카메라는 신호 대비 노이즈가 적고 감도가 우수하여 오랜시간 동안 천문학 연구에 광범위하게 사용되었습니다. 야간 관측의 경우에는 한 시간 정도의 장노출이 빈번하기 때문입니다.

아래 그림은 CCD 카메라가 노출 후 전자를 옆 픽셀로 이동시키며 읽어들이는 방법을 보여주고 있습니다. 비유하자면 이렇습니다.

http://www.vision-doctor.com/en/camera-technology-basics/ccd-sensors/full-frame-transfer-ccd.html

비가 오는날, 오와 열을 맞춘 군대가 각자 양동이를 하나씩 들고 있습니다. 9시부터 10시까지 양동이에 빗물을 담습니다. 10시가 되자 모든 군인은 양동이의 뚜껑을 닫고 그 중 1열의 군인들은 바로 오른쪽 사람에게 양동이를 전달합니다. 그중 맨 오른쪽에 있는 1번은 또 옆에 있는 저울에 양동이를 놓고 물의 양을 측정한 후 그 값을 기록관에게 부릅니다. 1열의 모든 양동이가 1번에게 전달되고 물의 양이 다 측정되면 2열에 있던 양동이가 1열에게 전달됩니다. 동시에 3열에 있던 양동이도 2열에 전달되고 결국 모든 양동이들이 한 열 아래로 전달됩니다. 그리고 1열로 전달된 양동이들은 다시 오른쪽으로 전달되면서 물의 양을 순차적으로 측정합니다.

어찌 이 많은 사람들이 양동이를 열심히 옮기는 데 저울은 하나밖에 없습니다. 그리고 양동이를 옮기는 중에는 뚜껑이 닫혀 있으니 이 동안엔 빗물을 받을 수 없습니다. 즉 CCD 카메라가 전체 픽셀을 순차적으로 읽어들이는 동안은 노출이 일어나지 않습니다.

http://www.sdss.org/instruments/camera/
위 사진은 Sloan Digital Sky Survey라는 프로젝트에 사용되었던 CCD 칩의 배열을 보여주고 있습니다. 5개의 필터를 사용하여 각 필터당 6개의 칩을 이어붙였습니다. 각 칩의 크기가 50 mm 정도인데 이것을 30개를 붙인 셈입니다. 이것을 이용하여 몇년동안 전체 하늘의 4분의 1을 모두 촬영하는 대규모 프로젝트였습니다.

II. CMOS
CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) 카메라는 각 광전소자에 전자값을 읽어들이는 장치가 하나씩 놓여 있습니다. 따라서 좀 더 효율적으로 영상을 읽어들일 수 있습니다. 여러분이 사용하시는 대부분의 디지털 카메라가 이 방식을 채택하고 있습니다.

또 비유하겠습니다. 이번에는 오와 열을 맞춘 군대의 군인이 하나씩 양동이와 저울을 가지고 있습니다. 정해진 시간동안 빗물을 받은 후 각 사람은 각자 저울로 빗물을 측정하고 그 값을 그자리에서 부르면 기록관이 순서대로 받아적을 수 있습니다. 기록관은 전체가 순차대로 빗물값을 부르게 할 수도 있고, 아니면 특정 분대가 가지고 있는 양동이의 값만 선택적으로 부를 수 있습니다. 값을 보고한 군인은 보고가 끝나는 즉시 양동이를 비우고 바로 양동이 뚜껑을 열어 다음 빗물을 받습니다.

CMOS는 CCD 카메라에 비해 노이즈가 많아 천문학에서는 많이 사용되지 않았습니다. 하지만 최근 기술의 발전으로 CCD 에 필적하는 성능을 보이고 있어서 점점 CCD카메라를 대체하고 있습니다.

CMOS 카메라는 순차적으로 픽셀값을 계속 읽어들이기 때문에 각 픽셀의 노출 시작 시간이 다릅니다. 따라서 사진의 위와 아래에서 서로 다른 시각의 빛을 받아들이는 롤링셔터 현상이 발생합니다.

http://peterfarley-cinematography.blogspot.com/2013/04/sensors-and-rolling-shutter.html

III. 전파 수신기
광학적 기기가 아니기 때문에 카메라라고 할 수는 없습니다만, 전파 수신기도 빛을 측정하는 장비의 하나입니다. 다만, 전파 수신기는 빛의 입자성보다 파동성에 입각하여 시간에 따른 파형의 변화를 전기 신호로 기록하여 빛의 특성을 살피는 기기입니다. 라디오의 안테나에서 전파 신호를 받아 증폭기를 통해 정보를 수신하는 것과 같은 원리입니다.

http://abyss.uoregon.edu/~js/glossary/radio_telescope.html

지금까지 천문학에서 사용되는 카메라의 종류에 대해 살펴보았습니다. 다음에는 천문학용 필터에 대한 이야기를 하도록 하겠습니다.