초점비(F수) (Focal Ratio (F-number))

한 줄 정의: 망원경의 초점거리를 구경으로 나눈 값(F=초점거리/구경)으로, 이 값이 작을수록 밝고 넓은 시야의 상을, 클수록 배율이 높고 좁은 시야의 상을 얻는다.

쉽게 풀면

망원경의 초점거리를 구경으로 나눈 값으로, 작을수록 상이 밝고 시야가 넓으며, 클수록 배율이 높아집니다.

왜 중요한가

초점비는 초점거리를 구경으로 나눈 값으로, 같은 구경에서 상의 크기와 밝기, 시야 넓이와 노출 시간을 함께 정합니다. 초점비가 짧으면 넓은 하늘을 빠르게 담을 수 있어 측광 탐사 망원경은 짧은 초점비로 설계하고, 행성처럼 작고 밝은 대상은 긴 초점비가 유리합니다. 바로우나 감속 렌즈로 유효 초점비를 바꾸는 것이 실제 관측의 일상입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

광시야 촬영을 목적으로 하는 탐사 망원경은 대개 초점비가 낮은 광학계를 채택하여 넓은 하늘 영역을 한 번에 담아낸다.

넓은 하늘을 한꺼번에 찍으려는 탐사용 망원경은 초점비를 낮게 설계해, 밝고 넓은 시야를 확보하는 쪽을 우선시한다는 설명이다.

동일 구경의 망원경에서 초점비를 서로 다르게 설정한 촬영 결과를 비교한 연구는 초점비가 낮을수록 노출 시간이 짧아도 유사한 신호 대 잡음비를 얻을 수 있음을 보여주었다.

구경이 같아도 초점비를 낮추면 더 짧은 노출 시간으로도 비슷한 품질의 사진을 얻을 수 있다는 것을 비교 촬영으로 확인한 것이다.

조금 더 깊게 보면

초점비가 짧다고 별 같은 점광원이 더 밝게 찍히는 것은 아니며, 빠르다는 표현은 퍼진 천체의 표면 밝기에만 해당합니다. 짧은 초점비 광학계는 수차와 광축 정렬에 훨씬 민감해 보정 렌즈와 정밀 초점이 필수입니다. 카메라 화소 크기와 초점비의 조합이 표본화 정도를 정하므로, 좋은 시상에서 화소가 너무 크면 분해능을 낭비하게 됩니다. 초점비가 짧다고 해서 점광원인 별 자체가 더 밝게 찍히는 것은 아니며, 노출 시간이 짧아도 되는 이른바 빠른 광학계라는 표현은 성운이나 은하처럼 퍼진 천체의 표면 밝기에 대해서만 성립하는 이야기입니다. 초점비가 짧은 광학계일수록 수차와 광축 정렬의 미세한 오차에 훨씬 민감해지므로 별도의 보정 렌즈와 정밀한 초점 맞춤이 요구되며, 카메라의 화소 크기와 초점비의 조합이 실제 이미지의 표본화 정도를 결정하므로 대기 시상이 좋은 날에 화소가 지나치게 크면 얻을 수 있는 분해능을 오히려 낭비하게 됩니다.

주의할 점

초점비가 같더라도 구경과 초점거리의 절대값에 따라 실제 상의 배율과 세부 분해능은 달라질 수 있다.