回折スパイク

回折スパイクは明るい光源から放射される線で、写真や視覚においてスターバースト効果^[1]またはサンスター^{[2]と呼ばれる}現象を引き起こします。これらは、反射望遠鏡の副鏡の支持羽根の周り、または非円形のカメラ開口部の縁、および目のまつげやまぶたの周りで 光が回折することによって生じるアーティファクトです。

見た目は似ていますが、これは、明るい光源が電荷結合素子 (CCD)画像センサーによって捕捉されたときに現れる「垂直スミア」または「ブルーミング」とは異なる効果です。

反射望遠鏡のさまざまな支柱配置における回折スパイクの比較 - 内側の円は副鏡を表す

反射望遠鏡の設計の大半では、副鏡は望遠鏡の中心軸に配置されるため、望遠鏡筒内の支柱で支える必要があります。これらの支柱がどれだけ細いものであっても、対象の星から入射する光を回折し、これが支柱のフーリエ変換である回折スパイクとして現れます。スパイクは、星を撮影するために使用できたはずの光の損失を表しています。^{[3] [4]}

回折スパイクは写真の一部を不明瞭にすることがあり、専門的な状況では望ましくないが、アマチュア天文学者の中には、明るい星に回折スパイクが与える視覚効果（「ベツレヘムの星」のような外観）を好み、同じ効果を発揮するように屈折望遠鏡を改造したり、^[5] CCDを使用する際の焦点合わせを補助したりする人もいる。^[6]

反射望遠鏡の設計には、副鏡を軸外に配置することで回折スパイクを回避するものが少数ある。ハーシェリアン望遠鏡やシーフシュピーグラー望遠鏡などの初期の軸外設計には、非点収差や長焦点比などの重大な制限があり、研究には役に立たない。ルートヴィヒ・シュプマンによるブラキメディアル設計は、鏡とレンズを組み合わせて使用​​し、狭い範囲で色収差を完璧に補正することができ、シュプマンのブラキメディアルに基づく設計は現在、二重星の研究に使用されている。

光学的に完璧な画像を提供する、 軸外しで遮るもののない全反射型アナスチグマットも少数存在します。

屈折望遠鏡とその写真画像では、レンズがスパイダーベーンでサポートされていないため、同じ問題は発生しません。

可動羽根付きの虹彩絞りは、フィルムやセンサーが受け取る光を制限するために、ほとんどの現代のカメラレンズで使用されています。メーカーは美しいボケ味を出すために絞りを円形にしようとしますが、高いf 値(小さな絞り)に絞ると、その形状は羽根と同じ数の辺を持つ多角形に近づきます。回折により、開口部を通過する光波はほぼ直線のエッジに対して垂直に広がり、各エッジは 180° 離れた 2 つのスパイクを生成します。^{[7]羽根は円の周りに均一に分布しているため、偶数の羽根を持つ絞りでは、反対側の羽根からの回折スパイクが重なります。その結果、} n 枚の羽根を持つ絞りでは、nが偶数の場合はn 個の  スパイク  が生成され  、nが奇数の場合は 2 n 個の  スパイクが生成されます  。^[8]

異なる形状とブレード数の開口部における回折スパイクの比較

• 
  5枚の刃で10本のスパイク
• 
  6枚の刃で6本のスパイク
• 
  7枚のブレードで14本のスパイク
• 
  8枚の刃で8本のスパイク
• 
  9枚のブレードで18本のスパイク
• 
  10枚の刃で10本のスパイク
• 
  4枚の刃で4本のスパイク

分割鏡を備えた望遠鏡からの画像も、鏡の端からの回折による回折スパイクを示す。前と同様に、2つのスパイクは各端の方向に垂直であり、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で撮影された写真では6つのスパイク（さらに副鏡を支えるスパイダーによる2つのより弱いスパイク）が生成される。 [ ^9]

• 
  回折スパイクを持つ最初のJWST深磁場
• 
  回折スパイクのある星団Westerlund 1の JWST 画像
• 
  回折スパイクのある渦巻銀河NGC 7469の JWST 画像
• 
  JWST 主鏡セグメントとスパイダーのエッジは、対応する回折スパイクで色分けされています。

適切に洗浄されていないレンズやカバーガラス、または指紋の付いたレンズやカバーガラスには、支持羽根と同様に光を回折する平行線が現れることがあります。^[10]これらは、一方向に目立つ汚れを形成するため、非円形の開口部によるスパイクとは区別でき、また、斜めの角度によってCCDのブルームとは区別できます。

通常の視覚では、まつげによる回折、また目を細めている場合はまぶたの縁による回折によって、多くの回折スパイクが発生します。風が吹いている場合は、まつげの動きによってスパイクが動き回り、きらめきます。まばたきをすると、まつげが別の位置に戻り、回折スパイクが飛び回ることがあります。これは、内視現象として分類されます。

通常の人間の視覚における回折スパイクは、縫合線と呼ばれる眼水晶体内の繊維によっても引き起こされることがある。^[11]

クロススクリーン フィルター(スター フィルターとも呼ばれる) は、フィルターに埋め込まれた非常に微細な回折格子を使用して、または場合によってはフィルター内のプリズムを使用して、星のパターンを作成します。星の数はフィルターの構造によって異なり、各星の点の数も異なります。

同様の効果は、垂直と水平のワイヤーが付いた窓の網戸を通して明るい光を撮影することによっても得られます。十字のバーの角度は、カメラに対する網戸の向きによって異なります。^[7]

アマチュア天体写真撮影では、バティノフマスクを使用して小型天体望遠鏡の焦点を正確に合わせることができます。孤立した明るい星などの明るい点からの光が主鏡またはレンズの異なる象限に到達すると、まず 3 つの異なる方向にあるグリルを通過します。マスクの半分は 4 つの回折スパイク (図では青と緑) から狭い「X」字型を生成し、もう半分は 2 つのスパイク (赤) から直線を生成します。焦点を変更すると、形状が互いに対して移動します。線が「X」のちょうど真ん中を通過すると、望遠鏡の焦点が合った状態になり、マスクを外すことができます。

• 今日の天文写真で回折スパイクが説明されています。
• Merrifield, Michael; Szymanek, Nik . 「回折スパイク」。Deep Sky ビデオ。Brady Haran。
• Kratzke, Bastian (2020 年 7 月 15 日)。「サンスターに最適なレンズ」。phillipreeve.net。