八分儀（計器）

八分儀は反射象限とも呼ばれ、航海に使用される反射計器です。

オクタントという名前は、ラテン語の「octans」（円の8分の1 ）に由来しており、この楽器の弧は円の8分の1であるためです。

反射象限は、鏡を使用して光の経路を観察者に反射し、測定された角度を 2 倍にする機器に由来しています。これにより、機器は 1/8 回転を使用して1/4回転または象限を測定できます。

アイザック・ニュートンの反射四分儀は1699年頃に発明されました。^[1] この装置の詳細な説明はエドモンド・ハレーに渡されましたが、その説明は1742年にハレーが亡くなるまで出版されませんでした。ハレーが生前に情報を公表しなかった理由は不明ですが、そのせいで、ニュートンはジョン・ハドレーとトーマス・ゴドフリーに一般に認められているこの発明の功績を得ることができなかったためです。

この楽器の複製の1つはトーマス・ヒース（楽器製作者）によって製作され、1742年に王立協会によって出版される前にヒースの店のショーウィンドウに展示されていた可能性がある^。[2]

ニュートンの計器は2枚の鏡を使用していたが、その配置は現代の八分儀や六分儀に見られる2枚の鏡とは多少異なっていた。右の図は計器の構成を示している。^[3]

機器の 45° の弧 (PQ) には、それぞれ半度ずつ 90 の目盛りが付けられていました。各目盛りは 60 の部分に細分化され、各部分はさらに 6 分の 1 に分割されました。その結果、弧は度、分、および 1 分の 6 分の 1 (10 秒) でマークされます。したがって、機器は 5 秒の弧まで補間して読み取ることができます。この目盛りの細かさは、機器のサイズが大きいためだけに可能になりました。照準望遠鏡だけでも 3 フィートから 4 フィートの長さがありました。

長さ 3 フィートまたは 4 フィートの照準望遠鏡(AB)が、機器の片側に沿って取り付けられました。水平ミラーは、望遠鏡の対物レンズ(G)の前に 45 度の角度で固定されていました。このミラーは、観測者が片側でミラー内の画像を見ることができ、反対側で正面を見ることができるほど小さいものでした。インデックス アーム (CD) には、インデックス アームの端に対して 45 度の角度でインデックス ミラー (H) が取り付けられていました。2 つのミラーの反射面は、名目上は互いに向き合っており、最初のミラーで見られる画像は、2 番目のミラーから反射された画像です。

2 つのミラーが平行の場合、インデックスは 0° を示します。望遠鏡を通した視界では、片側で正面が見え、ミラー G からの視界では、ミラー H から反射された同じ画像が見えます (右側の詳細図を参照)。インデックス アームを 0 から大きな値に移動すると、インデックスミラーは、直接視線から離れた方向の画像を反射します。インデックス アームの動きが大きくなると、インデックス ミラーの視線は S の方向 (詳細図では右側) に移動します。これは、このミラー配置のわずかな欠陥を示しています。水平ミラーは、90° に近づく角度でインデックス ミラーの視界を遮ります。

現代の機器の望遠鏡が小さいことを考えると、この照準望遠鏡の長さは驚くべきものと思われる。これはおそらく、色収差を減らすためにニュートンが選んだ方法だったのだろう。色消しレンズが開発される前の短焦点望遠鏡は、星の位置の認識に影響を与えるほどの収差を生み出した。解決策は長焦点距離であり、この望遠鏡には長焦点距離の対物レンズと長焦点距離の接眼レンズの両方が備わっていたと思われる。これにより、過度な倍率をかけずに収差を減らすことができた。

1730 年頃、イギリスの数学者ジョン・ハドレー(1682–1744) とフィラデルフィアのガラス工トーマス・ゴッドフリー(1704–1749) という2 人の男性が独立して八分儀を開発しました。両者ともこの発明に対して正当かつ同等の権利を有していますが、一般的にハドレーの功績の方が大きいとされています。これは、18 世紀の科学機器の歴史においてロンドンと王立協会が果たした中心的な役割を反映しています。

この時期に八分儀を作成した他の 2 人は、天文学に強い関心を持つイギリスの保険ブローカーであるカレブ スミス (1734 年) と、フランスの数学教授で天文学者のジャン ポール フーシー(1732 年) です。

ハドリーは反射四分円の 2 つのバージョンを作成しました。2 番目のバージョンのみがよく知られており、よく知られている八分円です。

ハドレーの最初の反射四分儀は、45°の円弧に広がるフレームを備えた単純な装置でした。右の画像は、王立協会哲学論文集^[4]に掲載されたハドレーの論文から引用したもので、彼の設計の本質を見ることができます。小さな照準望遠鏡がフレームの片側に沿って取り付けられていました。1つの大きな指標鏡が指標アームの回転点に取り付けられていました。2つ目の小さな地平線鏡が望遠鏡の視線上のフレームに取り付けられていました。地平線鏡により、観測者は視野の半分で指標鏡の像を見ることができ、もう半分で遠くの物体を見ることができます。明るい物体を観測できるように、装置の頂点にシェードが取り付けられていました。シェードは回転して、星の観測の邪魔にならないように移動できます。

望遠鏡で観察すると、航海士は正面に 1 つの物体を視認します。2 つ目の物体は、水平ミラーの反射によって見えます。水平ミラーの光は、インデックス ミラーで反射されます。インデックス アームを動かすと、インデックス ミラーは、視線から 90° 以内の任意の物体を視認できるようになります。両方の物体が同じ視野内にある場合、それらを一緒に位置合わせすることで、航海士はそれらの間の角度距離を測定できます。

オリジナルの反射四分儀の設計は、実際に作られたものはほとんどない。バラデルが製作した1つが、パリ海洋博物館のコレクションに収められている。^[5]

ハドリーの2番目の設計は、現代の航海士に馴染みのある形状をしていました。右の画像も王立協会の出版物^[4]から引用したもので、詳細を示しています。

彼はインデックス アームにインデックス ミラーを取り付けました。水平ミラーは2 つ用意されました。照準望遠鏡のライン上にある上部のミラーは、望遠鏡で正面を見ることができるだけでなく、反射された景色も見ることができるほど小さいものでした。反射された景色は、インデックス ミラーからの光です。以前の計器と同様に、ミラーの配置により、観測者は正面の物体と、インデックス ミラーに反射された物体が水平ミラーに反射され、さらに望遠鏡に映る物体を同時に見ることができました。インデックス アームを動かすと、ナビゲーターは直接の視界から 90° 以内にあるあらゆる物体を見ることができました。

この設計の大きな違いは、ミラーによって機器を水平ではなく垂直に保持できるようになり、相互干渉の影響を受けずにミラーを構成する余地が広がったことです。

2 番目の地平線鏡は興味深い発明でした。望遠鏡は取り外し可能で、フレームの反対側から 2 番目の地平線鏡を見るように再取り付けできます。2 つの地平線鏡を互いに直角に取り付け、望遠鏡を移動できるようにすることで、ナビゲーターは 1 つの地平線鏡で 0 から 90 度の角度を、もう 1 つの地平線鏡で 90 から 180 度の角度を測定できました。これにより、この計器は非常に多用途になりました。理由は不明ですが、この機能は一般に使用される八分儀には実装されていませんでした。

この計器を、記事の冒頭にある典型的な八分儀の写真と比較すると、より現代的なデザインにおける唯一の大きな違いは次の点であることがわかります。

• 地平線鏡と望遠鏡または照準ピンの位置が低くなります。
• フレームの内部補強がより中央に配置され、より強固になりました。
• インデックスミラーのシェードの位置は、計器の上部ではなく、インデックスミラーと水平ミラーの間の経路にあります。
• さまざまなレベルの陰影を実現するために、複数の陰影が使用されます。
• 非常に明るい地平線で低い太陽の位置を視認できるように、地平線ミラーに個別のシェードが設けられています。
• 2 番目の地平線ミラーと付属のアリダードは提供されません。

天文学に強い関心を持っていたイギリスの保険仲買人カレブ・スミスは、1734年に八分儀を作成した。彼はそれをアストロスコープまたはシークアドラントと呼んだ。^[6] 彼は反射要素を提供するために、インデックスミラーに加えて固定プリズムを使用した。磨かれたスペキュラム金属ミラーが劣っており、ミラーの銀メッキと平らで平行な表面を持つガラスの製造の両方が困難だった時代に、プリズムはミラーよりも有利であった。

右の図では、水平線要素 (B) は鏡またはプリズムである可能性があります。インデックス アームでは、インデックス ミラー (A) がアームと共に回転します。照準望遠鏡がフレーム (C) に取り付けられています。インデックスには、スケール (D) でバーニヤやその他のデバイスは使用されていません。スミスは、エルトンが船員の四分儀に使用したのと同じように、計器のインデックス アームをラベルと呼んでいました。^[7]

スミスの機器は設計上のさまざまな要素によりハドレーの八分儀より劣っており、あまり使用されなかった。^[5] たとえば、アストロスコープの問題の 1 つは、観測者の視線の角度であった。下を向くと、通常の頭の向きよりも観測が困難になった。

八分儀は、以前の機器に比べて多くの利点を提供しました。

船が揺れ動いても地平線と星が一緒に動いているように見えるため、視線を合わせるのは簡単でした。また、これにより、観測者は両方の物体を同時に直接見ることができるため、観測の誤差が観測者に依存しにくくなる状況も生まれました。

18 世紀に利用可能だった製造技術を使用することで、これらの機器は非常に正確に読み取ることができました。機器のサイズは、精度を損なうことなく縮小されました。八分儀は、誤差を増やすことなく、 デイビス四分儀の半分のサイズにできました。

シェードを光路上にかぶせることで太陽を直接観察することができ、シェードを光路から外すことで暗い星を観察することができました。これにより、この機器は昼夜を問わず使用できるようになりました。

1780年までに、八分儀と六分儀はそれまでの航海用計器をほぼ完全に置き換えた。^[5]

初期の八分儀は主に木材で作られていましたが、後期には象牙や真鍮の部品が取り入れられました。最も初期の鏡は磨かれた金属で作られていました。平らで平行な表面を持つ銀メッキのガラス鏡を製造する技術が限られていたからです。ガラスの研磨技術が向上すると、ガラス製の鏡が提供されるようになりました。これらには水銀を含むスズアマルガムのコーティングが使用されていました。銀やアルミニウムのコーティングは 19 世紀まで利用できませんでした。初期の磨かれたスペキュラム金属鏡の光学品質が悪かったため、望遠鏡の照準器は実用的ではありませんでした。そのため、初期の八分儀のほとんどは、代わりに単純な肉眼の照準ピンを採用していました。

初期の八分儀は、目盛りの横線など、バックスタッフに共通する特徴のいくつかを保持していました。しかし、彫刻されたとおり、バックスタッフは1分の精度であるように見えましたが、バーニヤ目盛りの使用により、目盛りを1分単位で読み取ることができるため、機器の市場性が向上しました。このことと、横線に比べてバーニヤを作るのが簡単だったことから、18世紀後半に製造された八分儀にバーニヤが採用されるようになりました。^[8]

八分儀は大量に生産された。木製や象牙製は、真鍮製のものに比べて比較的安価であったため、人気の計器であった。設計は標準化されており、多くのメーカーが同一のフレーム スタイルと部品を使用していた。木工職人はフレームを専門とし、他の職人は真鍮部品を専門とするなど、異なる工房で異なる部品を製造することができた。たとえば、1787 年から 1840 年までイギリスで科学機器を製造していた Spencer, Browning and Rust ( 1840 年以降はSpencer, Browning and Co.として運営) は、ラムズデンの 除算機を使用して象牙製の目盛り付きスケールを製造した。これらは他のメーカーにも広く使用され、SBR の頭文字は他の多くのメーカーの八分儀に見られるようになった。^[9]

この記事の写真には、これらの非常によく似た八分儀の例が示されています。上の画像は、詳細写真のものと基本的に同じ計器です。ただし、これらは 2 つの異なる計器メーカーのものです。上の画像には、 Crichton - London、Sold by J Berry Aberdeen と表示されていますが、詳細画像は、 Spencer, Browning & Co. Londonの計器です。唯一の明らかな違いは、Crichton の八分儀には地平線の陰影があり、もう 1 つにはないということです。

これらの八分儀には、さまざまなオプションが用意されていました。木製のフレームに直接目盛りが刻まれた基本的な八分儀が最も安価でした。これらの八分儀は、望遠鏡の照準器を使わず、代わりに 1 穴または 2 穴の照準ピンを使用しています。象牙の目盛りや、真鍮のインデックス アームやバーニヤを使用すると、価格が高くなります。

1767年、航海暦の初版に月との距離が表として掲載され、航海士は太陽と月の間の角度から現在時刻を知ることができるようになった。この角度は90°より大きい場合もあり、八分儀では測定できない。そのため、船上で月との距離法の実験を行ったジョン・キャンベル提督は、より大きな計器を提案し、六分儀が開発された。^[10]

それ以来、六分儀は大きな発展と改良が遂げられ、海軍の航海士が好んで使う機器となりました。八分儀は 19 世紀に入っても生産され続けましたが、一般的に精度が低く、価格も低かったです。望遠鏡なしのバージョンも含め、八分儀は価格が安かったため、商船や漁船の船舶にとって実用的な機器となりました。

19世紀後半まで、航海士の間では六分儀と八分儀の両方を使うのが一般的でした。六分儀は細心の注意を払って月測定にのみ使用され、八分儀は太陽の子午線高度を毎日定期的に測定するために使用されました。^[7] これにより、非常に正確で高価な六分儀が保護され、性能の良い場所ではより手頃な八分儀が使用されました。

1930年代初頭から1950年代末にかけて、航空機搭載用に民間用および軍用のバブルオクタント計器が数種類製造された。^[11] これらすべてにバブル状の人工水平線が取り付けられており、地球から数千フィート上空を飛行する航海士の水平線を合わせるために中央に配置されていた。記録機能を備えたものもあった。^[12]

八分儀の使用と調整は、航海士の六分儀と本質的に同じです。

ハドレーのものは最初の反射四分儀ではありませんでした。 ロバート・フックは1684年に反射四分儀を発明し^[13]、1666年にはその概念について書いていました。 ^[14] フックのものは単一の反射器でした。^[14] 他の八分儀は1730年代初頭にジャン＝ポール・フーシーとカレブ・スミスによって開発されましたが、これらは航海計器の歴史において重要なものにはなりませんでした。

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