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거리 측정기를 사용하는 카메라에 대한 내용은 RF 카메라 문서 참고하십시오.1. 개요
Rangefinder두 물체 사이의 떨어진 거리를 측정하는데 사용되는 도구. '거리계'나 '측거기'라고도 한다.
2. 역사
세계 최초의 거리 측정기는 영국의 발명가 제임스 와트가 1769년에 발명해서 1771년에 운하 측량에 활용했다. 이를 발명했던 와트는 당시 거리 측정기를 마이크로미터(Micrometer)라는 이름으로 불렀다. 비슷한 시기에 와트 뿐만 아니라 다른 발명가들이 만든 거리 측정기들도 등장했다.1778년에는 독일의 물리학자 게오르크 프리드리히 브랜더(Georg Friedrich Brander)가 세계 최초의 영상합치식 거리 측정기인 일치식 거리 측정기를 개발했다. 1899년에는 독일의 물리학자 칼 풀프리히가 칼자이스에서 근무하면서 양안 합치식 거리 측정기를 개발했다.
제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 당시에는 소형 목측식 거리 측정기 스코프 이외에도 군함과 요새 용으로 대형 영상합치식 거리 측정기가 널리 쓰이기 시작했다.
3. 분야
3.1. 민간
골프를 칠때 골프공의 예상되는 궤적과 샷 사이의 거리를 계산하는데 쓰이며, 바람과 경사면을 알아낼때도 거리 측정기가 쓰일 수 있다.일부 목측식 카메라에도 후술할 목측식 방식의 거리 측정기가 사용된다. 영상 합치식 방식과 같은 거리 측정기가 주로 사용되는 RF 카메라와는 다르다.
3.2. 군사
총기와 화포의 사격에 거의 필수적으로 사용된다. 특히 단거리 교전보다는 중장거리 저격 및 화력 지원에는 필수적이다.총기에 주로 부착되는 광학식 망원조준경 스코프에는 십자선 이외에도 거리를 가늠할 수 있는 눈금이 그려진 경우가 많기 때문에 목표물까지의 거리를 예측할 수 있다.
19세기 부터는 더 정밀한 관측을 위해 경통 양쪽 끝의 렌즈가 모은 영상을 한 곳으로 모아서 보는 양안 합치식 거리측정기도 개발되었다. 저격소총에 사용되는 광학식 조준경을 비롯한 목측식 거리 측정기는 제2차 세계 대전 이전부터 사용된 오래된 방식이다.
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| 위처급 구축함의 영상 합치식 거리측정기 |
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| 야마토급 전함의 영상 합치식 거리측정기 |
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| 차라급 중순양함의 비상용 주포 탑재 거리 측정기 |
대전기 함선에서 함교 최상부에 레이더 세트와 덤으로 양쪽으로 튀어나온 것이 있는데, 이것이 주 영상 합치식 거리측정기다. 구축함이나 호위함 등의 소형함에서는 위쪽 사진처럼 함교 옥상에 노출된 경우가 흔하지만 순양함, 전함 등의 대형함은 아예 함교 꼭대기에 장갑판으로 보호받는 측거의실/사격 관제실이 존재하였다.[1] 참고로 적탄 피격등의 이유로 주 측정기를 쓸 수 없는 경우를 대비해서 보조 거리측정기도 있는데, 이는 제일 높은 위치에 자리잡은 함포 포탑[2] 뒷쪽에 달려있다.
레이저 거리 측정기가 개발된 냉전기부터는 군사용 무기들에 레이저 방식의 거리 측정기가 많이 사용되고 있는 추세다. 기술의 발전으로 이전보다 소형화도 쉬워졌기 때문에 보병용 소총 스코프와 쌍안경에도 이런 레이저 거리 측정 기능이 사격통제장치, 야간투시경과 함께 내장되는 경우가 있다.
4. 방식
4.1. 목측식
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사람의 눈(目)으로 직접 관측하는 거리 측정기. 원근법을 응용해 적의 크기를 바탕으로 도트 사이트나 스코프(망원조준경)같은 조준기의 레티클[3]을 통해 사람의 눈으로 거리를 어림잡고 조준경 눈금에 따라 거리를 조준에 반영하는 방식이다. 부정확하고 단편적인 정보를 부실하게 반영하는 방식이라 정확도가 떨어진다는 단점이 있지만, 근거리 저격에서는 명중률에 큰 문제가 없는데다가 다른 방식보다 사용하기 직관적이고 기기의 크기도 크지 않기 때문에 소총부터 화포까지 많은 발사 무기에서 쓰였다.
다만 저격소총같은 개인화기를 넘어서 크기도 커지고 탄종이 많아지는 포병용 화포나 전차들의 전차포의 경우 탄종마다 탄도 특성이 다르기 때문에 조준 사격을 할때 탄종별로 스코프를 교체하거나 스코프에 눈금을 조밀하게 넣은 제품을 써야 했고, 이에 따라 조준 속도도 느리고 사용과 조준경 제조 과정이 번거로워지는 문제가 있었다. 전차를 비롯한 차량들에서는 제2차 세계 대전과 냉전 초기 이후로 후술할 영상 합치식 거리 측정기같은 방식이 도입되면서 잘 쓰이지 않게 되었고, 있더라도 비상용으로 남겨둔 정도로 남았다. 그러나 소련의 T-54와 T-62 초기형처럼 광학기기와 관련된 가격이나 기술적인 문제 때문에 한동안 계속 목측식 방식의 거리 측정기와 구형 조준경을 썼던 경우도 있었다.
4.2. 영상 합치식
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| 아트미랄 그라프 슈페함의 거리 측정기 |
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| 일치식 거리 측정기 | 양안식 거리 측정기 |
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| 일치식 거리 측정기의 개념도 |
이러한 거리 측정기술이 고안되기 이전에는 해군에서 함선 간 거리를 측정하기 위해 일정한 간격으로 레티클 눈금이 그어진 조준기를 한 사람이 사용하여 상대 선박의 마스트 상단까지의 높이와 그에 해당하는 각도를 재서 수평거리를 구했지만 이는 상당히 부정확했다. 이러한 정확도 문제를 해결하고자 선체 양 끝에 위치한 두명의 관측자가 각자 목표물까지의 수직거리와 각도를 구해 삼각측량을 시도하는 방법도 나왔지만, 의사소통 과정에서 오류가 일어날 수 있고 당시 기술로는 동시에 양 끝에서 측정한 정보를 실시간으로 공유하기 어려웠던 것과 같은 문제가 생겼다.
결국 이 문제는 영국인 교수 Archibald Barr와 William Stroud에 의해 일치식 거리측정기가 개발되면서 해결되었다. [4] 바와 스트라우드가 고안한 광학식 거리 측정기는 본질적으로 수평으로 장착된 한 쌍의 잠망경으로, 양쪽 렌즈에서 온 각각의 이미지가 한개의 접안렌즈의 절반을 기준으로 하나는 상단에, 나머지 하단에 표기되는 형태로 출력되었고 이때 작업자는 거리 측정기의 한쪽 끝에 있는 거울을 기울여 마스트와 같은 표적의 수직 특징을 정렬하고, 이때의 기울기를 통해 두 거울 사이의 거리를 기준으로 삼아 삼각형을 계산할 수 있었다.
일치식 거리 측정기는 처음 나왔을때는 거울을 사용하여 영상을 얻었지만, 이후 부품의 열팽창으로 인해 오차가 커지는 현상이 발견되자 경통의 재료를 열팽창계수가 낮은 것으로 변경하고 양쪽 끝단의 거울들을 펜타프리즘(오각프리즘)으로 교체했다.
오각 프리즘의 도입으로 이전보다 빛의 경로차와 간섭이 줄어든 대신에, 항상 90도로 빛을 반사하는 그 특성상 각도 조정을 위해 부품을 직접 돌리는게 불가능해졌다. 그리하여 진짜로 광학기기를 돌리는 대신에 이에 준하는 조정 효과를 내도록, 다이얼을 사용하여 톱니바퀴와 연결된 소형 프리즘을 돌리는 기계식 보정 웨지(compensator wedge)를 도입하였다. 보정 웨지는 통과하는 빛을 일정량만큼 구부리는 동일한 구조의 소형 펜타프리즘으로, 한쪽의 두꺼운 끝이 다른 쪽의 얇은 쪽 끝과 정렬되면 무시할 수 있는 정도의 작은 선을 제외하고 편차가 서로 상쇄된다.[5] 보정 웨지는 반대 방향으로 회전하는 메커니즘으로 설계되어 삼각 측량 평면의 편차를 취소하는 동시에 평면의 편차로 인해 삼각형이 변경될 수 있다. 일반적으로 중립점(무한대 범위)은 한쪽 극단에 설정되고 거리계가 측정할 수 있는 가장 짧은 범위는 다른 극단에 설정되었다. 이러한 보정 웨지는 정밀한 각도 변화까지 반영할 수 있어서 거울을 직접 기울이는 이전 방식보다 훨씬 더 높은 정확도를 달성하게 했다.[6]
한편, 양안합치식 방식은 독일의 광학기기 제조사인 자이스 사에서 개발했다. 양안합치식 거리측정기도 기본 원리는 일치식과 동일하나, 하나의 접안렌즈만 있어서 한 눈으로만 관측하는 일치식과 달리, 거리 측정기의 각 끝에 한 쌍의 접안렌즈가 있어서 양쪽 눈을 통해 동시에 관측하도록 설계되었다. 이러한 특징 때문에 양안합치식에서는 접안렌즈의 상이 입체적으로 나타난다. 양안합치식 거리측정기에는 처음부터 기계식 보정기 웨지가 장비되어 관측자는 광학적으로 이미지에 배치된 포인터가 목표물의 상단에 올 때까지 보상기 웨지를 돌려서 포인터 화살표를 조정하는 과정을 거쳐 거리를 파악했다.
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대략적인 측정 방식은 이러하다. 먼저 망원경 본체의 길이 L이 주어진 상황에서 왼쪽의 고정된 렌즈에서의 시선이 목표물과 수직인 상황에서 (구해야 하는) 거리를 D라고 놓는다. 이때 조정 가능한 오른쪽 렌즈의 다이얼을 돌리면 우측이 이루는 각도(세타)가 조정되고[7] 이에 따라서 왼쪽과 오른쪽 렌즈의 시선과 망원경 경통 길이로 직각삼각형이 완성될때 망원경 측면에 거리가 나온다. 이때 관측자는 접안렌즈로 보이는 두 영상이 하나로 완전히 합쳐질때까지, 즉 삼각형이 완성될때까지 조정하며, 영상이 성공적으로 합쳐진 상태가 되었을때 우측 렌즈 부근의 게이지에 표기된 각도로 얻은 탄젠트 값을 L에 곱하면 거리 D가 나온다.
양쪽 렌즈에서 받아들이는 두개의 영상을 합치고 보정하여 거리를 측정하는 방식이라서 하나의 스코프를 사용하는 목측식 방식보다 정확도가 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나 양 끝에 영상 렌즈가 있는 긴 파이프 형태의 경통을 사용하기 때문에 기본적으로 부피가 목측식 스코프보다는 클 수 밖에 없는 단점이 있고, 정확한 장거리 관측과 거리 측정을 위해서는 두 렌즈 사이의 경통 길이가 길어져야 하기 때문에 크기와 부피 관련해서 한계가 있었다. 수 km 단위를 관측하는 전함의 거리 측정기는 경통의 렌즈 사이 거리가 최소한 사람 몇명 단위로 길다. 그리고 정지한 목표물에 대해서는 정확하게 거리측정을 하지만, 움직이는 목표에 대해서는 거리를 측정하기 어렵다는 단점이 있다.
일치식과 양안합치식 중 무엇이 더 우위에 있냐는 논쟁들도 있었지만, 1941년에 미국에서 미국제 바슈롬 M1 양안식 거리측정기와 영국제 바앤스트라우드 FQ 25와 UB7 일치식 거리측정기를 비교하는 실험을 한 결과 접안렌즈 개수에 의한 유의미한 성능차이는 없다고 결론을 내린 바 있고, 사용 상황의 편의에 따라 한 방식을 선택하여 쓰면 된다고 했다.출처
이런 영상 합치식 거리 측정기는 사람이 직접 접안렌즈를 통해서 상을 관측하는 방식으로도 쓰이지만, 사격통제장치 시스템과 연동될 경우 사격통제장치가 거리 측정기에서 받은 영상으로 목표물까지 떨어진 거리를 보다 정확하게 계산해주기도 한다.
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| M47 패튼의 포탑에 달린 거리 측정기 |
구조상 어느정도 큰 탑재 공간을 요구하기 때문에 보병용으로 만든 소형 기기가 아닌 이상 전차와 장갑차같이 어느정도 실내 공간을 확보할 수 있는 차량들에만 탑재할 수 있었고, 실내가 작은 소형 대전차 차량이나 외부에서 사용하는 보병 화기, 야포에는 당연히 설치하는게 어려웠다. 더구나 휴대용으로 만든 소형 버전은 렌즈 사이 거리를 많이 확보할 수 없어서 정확히 측정 가능한 거리가 제한되기에 장거리 측정용으로는 부적합하다. 그리고 사용 방식도 목측식 조준경을 보는 만큼 직관적이지는 않았기 때문에 빠른 조준과 사격이 필요한 근접 대치전 등에서는 쓰기 적합하지 않을 수 있었다. 이런 점 때문에 레이저 거리 측정기가 나올때까지 목측식 조준경 스코프로 관측하고 조준을 위해 스포팅 라이플을 쓰는 경우도 적지 않았다. 이후 더 정밀하고 직관적인 방식인 레이저 거리 측정기가 나오면서 영상 합치식 거리 측정기는 대부분 퇴출되었다.
일부 RF 카메라에도 적용되는 방식의 거리 측정기다.
4.3. 레이저 거리 측정기
5. 매체
애니메이션 걸즈 앤 판처의 11화에서 아키야마 유카리가 스테레오식 거리 측정기를 사용한다. 극장판에서도 유카리가 대학 선발팀의 움직임을 관측할때 사용했다.
6. 관련 문서
[1] 위 사진에 등장한 야마토급 전함의 경우, ![파일:Bridge.gif]()
이 주포 사격 지휘소, 그 아래쪽의 날개가 달린 곳이 측거의실(측적소)이다. 참고로 이 '날개'가 바로 주포용 거리측정기다.[2] 혹은 일부 여유가 있는 군함들은 모든 포탑마다 달기도 했다.[3] 조준경에 표시된 다양한 크기의 박스들로, 적과 비슷한 크기나 높이의 박스를 이용해 거리를 측정하는 식이였다.[4] 둘은 이후 거리 측정기같은 광학기기를 제조하는 업체 Barr and Stroud를 글래스고에 설립하였다.[5] 반대로 두꺼운 끝과 얇은 끝을 일렬로 늘어놓으면 보강되면서 전체 편차가 단일 웨지의 2배가 된다.[6] 각도를 1도 미만으로 약간 변경하는 과정에서 보정 웨지가 180° 돌아갈때 기존의 거울은 목표한 각도의 절반만큼만 기울어야 했다.[7] 전술했듯 단순 거울을 사용한 초기에는 진짜로 우측 렌즈부를 돌렸지만 오각 프리즘이 도입된 이후로는 돌리는게 불가능해져 대신 이와 비슷한 효과를 내는 기계식 보정 웨지를 도입했다.