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屈折望遠鏡（屈折望遠鏡または屈折望遠鏡とも呼ばれる）は、レンズを対物レンズとして使用して像を形成する光学望遠鏡の一種です。屈折望遠鏡の設計は、元々はスパイグラスや天体望遠鏡に使用されていましたが、長焦点カメラレンズにも使用されています。19 世紀後半には大型の屈折望遠鏡が非常に人気がありましたが、ほとんどの研究目的では、より大きな開口部を可能にする反射望遠鏡に取って代わられています。屈折望遠鏡の倍率は、対物レンズの焦点距離を接眼レンズの焦点距離で割ることによって計算されます。[ 1 ]
屈折望遠鏡は通常、前面にレンズ、その奥に長い筒、そして後端に接眼レンズまたは計測機器があり、そこで像が結像する構造になっている。当初、望遠鏡の対物レンズは1枚構成だったが、1世紀後には2枚、さらには3枚構成のレンズが作られるようになった。
屈折望遠鏡は、双眼鏡やズームレンズ／望遠レンズ／長焦点レンズなど、他の光学機器によく応用されている技術を使用しています。
屈折望遠鏡は、最も初期の光学望遠鏡でした。屈折望遠鏡の最初の記録は、1608年頃オランダに現れました。ミデルブルフの眼鏡職人ハンス・リッペルハイが特許を取得しようとしましたが、失敗に終わりました。[ 2 ]特許のニュースはすぐに広まり、 1609年5月にたまたまヴェネツィアに滞在していたガリレオ・ガリレイは、この発明を知り、独自のバージョンを製作し、天文学的発見に応用しました。[ 3 ]
屈折望遠鏡はすべて同じ原理に基づいています。対物レンズ1と接眼レンズ2を組み合わせることで、人間の目が単独で集光できる光量よりも多くの光を集め、焦点を合わせ5して、より明るく鮮明で拡大された仮想像6を観察者に提示します。
屈折望遠鏡の対物レンズは光を屈折または曲げます。この屈折により、平行光線は焦点に収束し、平行でない光線は焦点面に収束します。望遠鏡は、光軸と角度αをなす平行光線の束を、角度βを持つ別の平行光線の束に変換します。β/αの比は角倍率と呼ばれます。これは、望遠鏡を使用した場合と使用しない場合で得られる網膜像の大きさの比に等しくなります。[ 4 ]
屈折望遠鏡には、像の向きや収差の種類を補正するために、さまざまな構成のものがあります。像は光の屈折によって形成されるため、これらの望遠鏡は屈折望遠鏡、または屈折望遠鏡と呼ばれます。
ガリレオ・ガリレイが1609年頃に使用した設計は、一般にガリレオ式望遠鏡と呼ばれています。[ 5 ]収束型（平凸）対物レンズと発散型（平凹）接眼レンズを使用しています（ガリレオ、1610年）。[ 6 ]ガリレオ式望遠鏡は、中間焦点がないため、倒立しない（つまり正立した）像が得られます。[ 7 ]
ガリレオの最も強力な望遠鏡は全長980ミリメートル（39インチ）[ 5 ]で、物体を約30倍に拡大しました[ 7 ] 。ガリレオは当時のレンズ技術が未熟だったため、収差を抑えるために対物レンズの直径を小さくする（焦点比を大きくする）絞りを使用する必要があり、そのため望遠鏡は視野が狭く、ぼやけた歪んだ像を生成しました[ 7 ] 。これらの欠点にもかかわらず、この望遠鏡はガリレオが天体を探索するには十分でした。彼はこれを使って月のクレーター[ 8 ]、木星の4つの最大の衛星[ 9 ]、金星の満ち欠け[ 10 ]を観測しました。
遠方の物体（ y ）からの平行光線は、対物レンズの焦点面（F′L1/y′）に集束されます。（発散型の）接眼レンズ（L2 ）はこれらの光線を遮断し、再び平行にします。物体から光軸に対して角度α1で進む非平行光線は、接眼レンズを通過した後にさらに大きな角度（α2 > α1）で進みます。これにより見かけの角径が大きくなり、これが知覚される倍率の原因となります。
最終的な像（y″）は虚像であり、無限遠に位置し、物体と同じ向き（つまり、反転していない、正立）になります。
1611年にヨハネス・ケプラーによって発明されたケプラー望遠鏡は、ガリレオの設計を改良したものです。[ 12 ]接眼レンズとしてガリレオの凹レンズの代わりに凸レンズを使用しています。この配置の利点は、接眼レンズから出る光線が収束することです。これにより、視野がはるかに広くなり、アイレリーフも大きくなりますが、観察者にとっての像は倒立します。この設計ではかなり高い倍率が得られますが、ガリレオ望遠鏡と同様に、単純な単一要素の対物レンズを使用しているため、収差を減らすために非常に高い焦点比が必要です[ 13 ]（ヨハネス・ヘヴェリウスは、対物レンズ径200ミリメートル（8インチ）、焦点距離46メートル（150フィート）の扱いにくいf/225望遠鏡を製作し[ 14 ]、さらに長い筒のない「空中望遠鏡」も製作されました）。この設計では、焦点面にマイクロメーターを使用して（観測対象の物体間の角度サイズや距離を測定するために）測定することも可能だ。
ホイヘンスは、ロンドン王立協会のために、19 cm (7.5″) の単レンズを備えた空中望遠鏡を製作した。 [ 15 ]
屈折望遠鏡の進化における次の大きなステップは、色収差の問題を解決し、焦点距離を短くすることを可能にする複数の要素を持つレンズであるアクロマティックレンズの発明でした。これは、1733 年にイギリスの弁護士チェスター・ムーア・ホールによって発明されましたが、1758 年頃にはジョン・ドロンドによって独立して発明され、特許を取得しました。この設計は、色収差と球面収差を低減するために、分散の異なる2 つのガラス片(クラウンガラスとフリントガラス)で作られた対物レンズを使用することで、屈折望遠鏡の非常に長い焦点距離の必要性を克服しました。各ピースの両面は研磨され、その後 2 つのピースが組み立てられます。アクロマティックレンズは、2 つの波長(通常は赤と青) が同じ平面に焦点を合わせるように補正されます。
チェスター・モア・ホールは、1730年に最初の二重色収差補正レンズを製作したことで知られている。[ 16 ]
ドロンドアクロマートは18世紀に非常に人気がありました。[ 17 ] [ 18 ]大きな魅力は、短く作ることができたことです。[ 18 ]しかし、ガラス製造の問題により、ガラス対物レンズの直径は約4インチ（10cm ）を超えることはありませんでした。 [ 18 ]
19 世紀後半、スイスの光学技師ピエール＝ルイ・ギナン[ 19 ]は、4 インチ (10 cm)を超える高品質のガラスブランクを作る方法を開発した[ 18 ]。彼はこの技術を弟子のジョセフ・フォン・フラウンホーファーに伝え、フラウンホーファーはこの技術をさらに発展させ、フラウンホーファー二重レンズ設計も開発した[ 18 ] 。ガラス製造技術のこの画期的な進歩により、19 世紀の偉大な屈折望遠鏡が誕生し、それは 10 年ごとに徐々に大きくなり、最終的にはその世紀末までに 1 メートルを超え、その後、天文学では銀メッキガラス反射望遠鏡に取って代わられた。
19世紀の著名なレンズメーカーには以下が含まれる：[ 20 ]
19 世紀の有名なダブレット屈折望遠鏡には、ジェームズ・リック望遠鏡(91 cm/36 インチ) やグリニッジ 28 インチ屈折望遠鏡(71 cm) などがあります。より古い屈折望遠鏡の例としては、シャックバーグ望遠鏡(1700 年代後半) があります。有名な屈折望遠鏡としては、1851 年にロンドンで開催された万国博覧会で展示された「トロフィー望遠鏡」があります。19 世紀の「大型屈折望遠鏡」の時代には、大型の色消しレンズが登場し、史上最大の色消し屈折望遠鏡である1900 年のパリ万国博覧会望遠鏡で頂点に達しました。
グリニッジ王立天文台には、 1838年に作られたシープシャンクス望遠鏡があり、コーショワ製の対物レンズが使用されている。[ 26 ]シープシャンクスは6.7インチ（17cm ）の広角レンズを備え、約20年間グリニッジで最大の望遠鏡だった。[ 27 ]
1840年の天文台の報告書には、当時新しかったシープシャンクス望遠鏡とコーショワ二重レンズについて次のように記されている。[ 28 ]
この望遠鏡の性能と総合的な素晴らしさは、天文台の観測機器に加わるにふさわしい、非常に歓迎すべきものである。
1900年代には、ツァイスが著名な光学機器メーカーでした。[ 29 ]屈折望遠鏡の優れた成果の一例として、1935年の開館以来、グリフィス天文台の12インチツァイス屈折望遠鏡を通して700万人以上が観測することができました。これは、どの望遠鏡を通して観測した人数よりも多い数です。[ 29 ]
アクロマートレンズは、星表を作成するために天文学で広く用いられ、金属鏡よりもメンテナンスの手間が少なかった。アクロマートレンズを用いた有名な発見としては、海王星や火星の衛星などが挙げられる。
長焦点アクロマート望遠鏡は、大型反射望遠鏡よりも口径が小さいにもかかわらず、「格式高い」天文台で好んで用いられた。18世紀後半には、数年ごとに、より大型で長焦点の屈折望遠鏡が登場した。
例えば、ニース天文台は当時最大だった77センチメートル（30.31インチ）の屈折望遠鏡でデビューしたが、わずか数年でそれを凌駕された。 [ 30 ]
アポクロマート屈折望遠鏡は、特殊な超低分散材料で作られた対物レンズを備えています。これらは、3 つの波長 (通常は赤、緑、青) を同じ平面に焦点を合わせるように設計されています。残留色収差 (三次スペクトル) は、アクロマートレンズのそれよりも 1 桁小さくなります。このような望遠鏡は、対物レンズに蛍石または特殊な超低分散 (ED) ガラスの要素を含み、色収差がほとんどない非常に鮮明な画像を生成します。[ 31 ]製造に必要な特殊な材料のため、アポクロマート屈折望遠鏡は通常、同等の口径の他のタイプの望遠鏡よりも高価です。
18世紀には、ダブルレンズ望遠鏡の人気メーカーであったドロンドが、トリプレット望遠鏡も製造したが、実際には2枚レンズ望遠鏡ほど人気はなかった。[ 18 ]
有名なトリプレットレンズの1つに、ザイダル収差を補正できることで知られるクックトリプレットがあります。 [ 32 ]これは写真分野で最も重要なレンズ設計の1つとして認識されています。 [ 33 ] [ 34 ]クックトリプレットは、わずか3つの要素で、1つの波長の球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、および歪曲収差を補正できます。[ 34 ]
屈折望遠鏡は、色収差と球面収差が残るという欠点があります。これは焦点比が短いほど顕著に現れます。f /6のアクロマート屈折望遠鏡では、色収差（一般的に明るい天体の周囲に紫色のハローが現れる）がかなり目立ちますが、f / 16のアクロマートでは色収差ははるかに少なくなります。
非常に大きな開口部では、重力によってガラスが変形し、レンズが垂れ下がるという問題も発生します。レンズは端でしか固定できないため、大きなレンズの中心は重力によって垂れ下がり、生成される画像が歪みます。屈折望遠鏡で実用的な最大のレンズサイズは約1 メートル (39インチ)です。[ 35 ]
さらに、ガラスの欠陥、筋状の模様、あるいはガラス内部に閉じ込められた小さな気泡といった問題もあります。加えて、ガラスは特定の波長に対して不透明であり、可視光でさえ、空気とガラスの界面を通過したり、ガラス自体を通過したりする際に、反射と吸収によって減衰します。これらの問題のほとんどは、より大きな口径で製造できる反射望遠鏡では回避または軽減され、天体観測においては屈折望遠鏡にほぼ取って代わっています。
ボイジャー1/2号に搭載されたISS-WACは、 1970年代後半に宇宙に打ち上げられた6センチメートル（2.4インチ）のレンズを使用しており、宇宙空間での屈折望遠鏡の使用例である。[ 36 ]
屈折望遠鏡は、天文学における用途だけでなく、地上観測にも用いられたことで知られている。太陽系の初期の発見の多くは、単レンズ屈折望遠鏡によってなされた。
屈折望遠鏡光学系は写真撮影において広く用いられており、地球軌道上でも使用されている。
屈折望遠鏡の最も有名な応用例の一つは、1609年にガリレオが木星の4つの最大の衛星を発見した時である。初期の屈折望遠鏡は、その数十年後、土星最大の衛星タイタンと、土星の他の3つの衛星の発見にも使用された。
19世紀、屈折望遠鏡は天体写真や分光法の先駆的な研究に用いられ、関連機器であるヘリオメーターは初めて別の恒星までの距離を計算するために使用されました。しかし、その口径が小さかったため、多くの発見には至らず、多くの場合、長時間露光撮影が登場するまでは、多くの天体は観測不可能でした。その頃には、反射望遠鏡の評判や特性が屈折望遠鏡を凌駕し始めていました。それでも、火星の衛星、木星の5番目の衛星、シリウス（犬星）を含む多くの二重星の発見など、いくつかの発見がありました。屈折望遠鏡は、写真撮影や地上観測といった他の用途に加え、位置天文学にもよく使用されました。
ガリレオ衛星や太陽系の他の多くの衛星は、単眼対物レンズと空中望遠鏡によって発見された。
ガリレオ・ガリレイは1610年に屈折望遠鏡で木星のガリレオ衛星を発見した。 [ 37 ]
土星の衛星タイタンは、1655年3月25日にオランダの天文学者クリスティアーン・ホイヘンスによって発見された。[ 38 ] [ 39 ]
1861年、夜空で最も明るい星であるシリウスに、より小さな伴星が存在することが、18.5インチのディアボーン屈折望遠鏡を用いて発見された。
18世紀になると、屈折望遠鏡は反射望遠鏡との激しい競争に直面し始めた。反射望遠鏡はかなり大型化でき、通常は屈折望遠鏡のような色収差という固有の問題に悩まされることもなかった。それでも、天文学界は現代の機器に比べれば口径の小さいダブレット屈折望遠鏡を使い続けた。特筆すべき発見としては、火星の衛星や木星の5番目の衛星アマルテアなどが挙げられる。
アサフ・ホールは、 1877年8月12日午前7時48分頃（UTC） 、ワシントンDCの米国海軍天文台で、ダイモスを、1877年8月18日午前9時14分頃（ GMT ）にフォボスを発見した（1925年以前の天文学の慣例に従い、正午から一日が始まるとしていた当時の資料[ 40 ]では、発見時刻はそれぞれ8月11日午後2時40分と8月17日午後4時6分（ワシントン標準時）となっている）。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
発見に使用された望遠鏡は、当時フォギーボトムにあった26インチ（66cm ）屈折望遠鏡（レンズ付き望遠鏡）であった。[ 44 ] 1893年にレンズは再設置され、新しいドームに収められ、21世紀までそこに残されている。[ 45 ]
木星の衛星アマルテアは、1892年9月9日にエドワード・エマーソン・バーナードがリック天文台の36インチ（91cm ）屈折望遠鏡 を使用して発見した。[ 46 ] [ 47 ]二重レンズ屈折望遠鏡による直接目視観測で発見された。[ 37 ]
1904年、ポツダム大屈折望遠鏡（2枚のダブレットレンズを備えた二重望遠鏡）を用いて行われた発見の1つは、星間物質に関するものであった。[ 48 ]天文学者のハルトマン教授は、オリオン座の連星ミンタカの観測から、その間の空間に元素カルシウムが存在することを突き止めた。 [ 48 ]
冥王星は、屈折望遠鏡（3枚構成の13インチレンズを備えたアストログラフ）で撮影された写真（天文学用語では「プレート」）をブリンクコンパレータで調べることによって発見されました。 [ 49 ] [ 50 ]
直径60cm （24インチ）を超える、最大級のアクロマート屈折望遠鏡の例をいくつか紹介します。
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