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屈折望遠鏡（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って像を形成する光学望遠鏡の一種である（屈折望遠鏡とも呼ばれる）。屈折望遠鏡の設計は、もともとスパイグラスや天体望遠鏡に使われていたが、長焦点カメラレンズにも使われている。19世紀後半には大型の屈折望遠鏡が非常に人気があったが、ほとんどの研究目的では、より大きな口径が可能な反射望遠鏡が屈折望遠鏡に取って代わった。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って計算される。[1]
屈折望遠鏡には通常、前面にレンズがあり、次に長い筒があり、その後方に接眼レンズまたは機器があり、ここで望遠鏡の視野が焦点を合わせます。当初、望遠鏡の対物レンズは 1 つの要素でしたが、1 世紀後には 2 つ、さらには 3 つの要素を持つレンズが作られました。
屈折望遠鏡には、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が使われています。
発明
屈折望遠鏡は最も古いタイプの光学望遠鏡です。屈折望遠鏡の最初の記録は、1608年頃オランダで、ミデルブルフの眼鏡職人ハンス・リッペルスハイが特許を取得しようとしたが失敗したときに現れました。[2]特許のニュースは急速に広まり、 1609年5月にヴェネツィアにいたガリレオ・ガリレイがこの発明を聞き、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]
屈折望遠鏡の設計
すべての屈折望遠鏡は同じ原理を使用しています。対物 レンズ 1と何らかの接眼レンズ 2の組み合わせを使用して、人間の目が単独で集めることができるよりも多くの光を集め、焦点を合わせ5、より明るく鮮明で拡大された 虚像 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、光軸に対して角度 α をなす平行光線の束を、角度 β を持つ 2 番目の平行光線の束に変換します。比率 β/α は角倍率と呼ばれます。これは、望遠鏡ありとなしで得られる網膜像のサイズの比率に等しくなります。[4]
屈折望遠鏡は、像の方向や収差の種類を補正するために、さまざまな構成で使用できます。像は光の屈折、つまり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。
ガリレオ式望遠鏡
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]この望遠鏡は、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した（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、非倒立型（つまり正立型）の像が得られます。[7]
ガリレオの最も強力な望遠鏡は、全長が1メートル（39インチ）弱で、[5] 物体を約30倍に拡大しました。 [7]ガリレオは当時の貧弱なレンズ技術で作業しなければならず、収差を制限するために対物レンズの直径を小さくする（焦点比を上げる）ために絞りを使用する必要があることに気付きました。そのため、彼の望遠鏡は狭い視野でぼやけて歪んだ画像を作り出しました。[7]これらの欠陥にもかかわらず、望遠鏡はガリレオが空を探索するのに十分でした。彼はそれを使用して、月のクレーター[ 8] 、木星の4つの最大の衛星[9]、金星の満ち欠けを観察しました。[10]
遠くの物体 ( y )からの平行光線は、対物レンズの焦点面 ( F′ L1 / y′ )で焦点を結ぶ。 (発散) 接眼レンズ ( L2 ) はこれらの光線を遮断し、再び平行にする。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、より大きな角度 ( α2 > α1 ) で進む。これにより、見かけの角度サイズが増加し、知覚される拡大率の原因となる。[引用が必要]
最終像（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、または直立している）になります。[要出典]
ケプラー式望遠鏡
ヨハネス・ケプラーが1611年に発明したケプラー式望遠鏡は、ガリレオの設計を改良したものです。[12]ガリレオの凹レンズの代わりに、凸レンズを接眼レンズとして使用します。この配置の利点は、接眼レンズから出てくる光線が収束することです[疑わしい–議論する]。これにより、視野がはるかに広くなり、アイレリーフが大きくなりますが、見る人の像は反転します。この設計により、かなり高い倍率を達成できますが、ガリレオ式望遠鏡と同様に、依然として単純な単要素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・ヘベリウスは、 200ミリメートル (8インチ) の対物レンズと46メートル (150フィート)の焦点距離を備えた扱いにくいf/225望遠鏡を製作しました[14] [ページが必要] 。さらに長いチューブのない「空中望遠鏡」も製作されました)。この設計により、焦点面でマイクロメーターを使用することもできます(観測対象の角度サイズや物体間の距離を決定するため)。
ホイヘンスはロンドン王立協会のために19cm（7.5インチ）の単レンズを備えた航空望遠鏡を製作した。 [15]
アクロマート屈折望遠鏡
屈折望遠鏡の進化における次の大きなステップは、色消しレンズの発明でした。色消しレンズは、色収差の問題を解決し、焦点距離を短くするのに役立つ複数の要素を備えたレンズです。これは、1733年にチェスター・ムーア・ホールというイギリスの弁護士によって発明されましたが、1758年頃にジョン・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。この設計では、異なる分散を持つ2枚のガラス、「クラウン」と「フリントガラス」で作られた対物レンズを使用して色収差と球面収差を減らすことで、屈折望遠鏡で非常に長い焦点距離が必要になるという問題を克服しました。各ガラス片の両側は研磨され、次に2つのガラス片が組み立てられます。色消しレンズは、2つの波長（通常は赤と青）を同じ平面に焦点を合わせるように補正されます。[要出典]
チェスター・モア・ホールは1730年に最初のツインカラー補正レンズを作ったことで知られています。[16]
ドロンドのアクロマートは18世紀に非常に人気がありました。[17] [18]大きな魅力は、短く作れることでした。[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）以上は作られませんでした。[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製造する方法を開発しました。[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ダブレットレンズの設計も開発しました。[18]ガラス製造技術の飛躍的進歩により、19世紀の優れた屈折望遠鏡が誕生しました。この屈折望遠鏡は10年の間に次第に大型化し、19世紀末には1メートルを超え、天文学では銀メッキガラスの反射望遠鏡に取って代わられました。[要出典]
19世紀の著名なレンズメーカーには以下の者がいる。[20]
- アルヴァン・クラーク
- ブラッシャー[21]
- チャンス・ブラザーズ
- コーショワ[22]
- フラウンホーファー[23]
- ゴーティエ
- グラブ
- ヘンリー兄弟
- レレブール[24]
- タリー[25]
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。古い屈折望遠鏡の例としては、シャックバーグ望遠鏡(1700 年代後半に遡る) があります。有名な屈折望遠鏡は、1851 年にロンドンで開催された万国博覧会で発表された「トロフィー望遠鏡」です。19 世紀の「大屈折望遠鏡」の時代には、大型のアクロマート レンズが登場し、1900 年に史上最大のアクロマート屈折望遠鏡であるパリ万国博覧会の望遠鏡が完成しました。[引用が必要]
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という望遠鏡があり、コーショワの対物レンズが付いています。 [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年間グリニッジ最大の望遠鏡でした。[27]
1840年の天文台からの報告書には、当時新しかったコーショワ・ダブレットを備えたシープシャンクス望遠鏡について次のように記されている。[28]
この望遠鏡の威力と全体的な優秀さは、天文台の機器に最も歓迎される追加物である。
1900年代に有名な光学機器メーカーはツァイスでした。[29]屈折望遠鏡の優れた成果の一例として、1935年の開設以来、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天体を観察した人は700万人を超え、これはあらゆる望遠鏡を通して天体を観察した人の最多記録です。[29]
アクロマートは天文学において星表の作成によく使われ、金属鏡よりもメンテナンスの手間がかかりません。アクロマートを使った有名な発見としては、海王星や火星の衛星などがあります。[要出典]
長尺アクロマート望遠鏡は、大型の反射望遠鏡よりも口径が小さいにもかかわらず、「名声」のある天文台でよく使われました。18 世紀後半には、数年ごとに、より大きく長い屈折望遠鏡が登場しました。[引用が必要]
例えば、ニース天文台は当時最大の77センチメートル（30.31インチ）屈折望遠鏡を搭載してデビューしましたが、わずか数年のうちにその記録を破られました。[30]
アポクロマート屈折望遠鏡
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持っています。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。残留色誤差（三次スペクトル）は、アクロマートレンズよりも1桁小さくなります。[要出典]このような望遠鏡の対物レンズには、蛍石または特殊な超低分散（ED）ガラスの要素が含まれており、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]製造に特別な材料が必要なため、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、ダブレット望遠鏡の人気メーカーであるドロンドがトリプレットも製造したが、2要素望遠鏡ほど人気はなかった。[18]
有名なトリプレット対物レンズの1つは、セ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です。 [32]これは、写真の分野で最も重要な対物レンズ設計の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つの波長に対して、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪みを補正できます。[34]
技術的な考慮事項
屈折望遠鏡は残留色収差と球面収差に悩まされます。これは焦点距離が短いほど長焦点よりも影響が大きくなります。6倍無彩色屈折望遠鏡では、かなりの色収差（通常、明るい物体の周囲に紫色のハロー）が現れる可能性がある。f /16アクロマートでは色収差がはるかに少なくなります。
非常に大きな口径では、重力によってガラスが変形し、レンズがたわむという問題もあります。レンズは端の部分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たわみ、生成される画像が歪んでしまいます。屈折望遠鏡の実際の最大レンズサイズは約1メートル（39インチ）です。[35]
さらに、ガラスの欠陥、脈理、またはガラス内に閉じ込められた小さな気泡という問題もあります。さらに、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、空気とガラスの境界を横切ってガラス自体を通過するときに反射と吸収によって暗くなります。これらの問題のほとんどは、はるかに大きな口径で作ることができ、天文学研究用の屈折望遠鏡にほぼ取って代わった反射望遠鏡では回避または軽減されます。
ボイジャー1号/ 2号の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、宇宙での屈折望遠鏡の使用例となっている。[36]
アプリケーションと成果
屈折望遠鏡は、地上の観測だけでなく天文学でも使用されていました。太陽系の初期の発見の多くは、一重屈折望遠鏡によって行われました。
屈折望遠鏡光学系は写真撮影では広く使用されており、地球軌道でも使用されています。
屈折望遠鏡の最も有名な応用例の 1 つは、1609 年にガリレオがこれを使用して木星の 4 つの最大の衛星を発見したことです。さらに、初期の屈折望遠鏡は、数十年後に土星の最大の衛星であるタイタンと、土星のさらに 3 つの衛星を発見するためにも使用されました。
19 世紀には、屈折望遠鏡が天体写真や分光法の先駆的な研究に使用され、関連機器であるヘリオメーターが初めて別の恒星までの距離の計算に使用されました。その控えめな口径では多くの発見にはつながらず、通常口径が小さすぎるため、長時間露光写真の登場まで多くの天体は観察できませんでした。その頃には、反射望遠鏡の評判と癖が屈折望遠鏡を上回り始めていました。それにもかかわらず、火星の衛星、木星の 5 番目の衛星、シリウス (犬の星) 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での用途の他に、位置天文学によく使用されました。
- シングレット
ガリレオ衛星や太陽系の他の多くの衛星は、単一要素対物レンズと航空望遠鏡によって発見されました。
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ました。[38] [39]
- ダブレット
1861 年、口径 18.5 インチのディアボーン屈折望遠鏡を使用して、夜空で最も明るい星であるシリウスに、より小さな伴星があることが発見されました。
18 世紀までに、屈折望遠鏡は反射望遠鏡との大きな競争にさらされるようになりました。反射望遠鏡は大型化が可能で、通常は色収差という同じ固有の問題に悩まされることはありませんでした。それでも、天文学界は現代の機器に比べて口径が控えめなダブレット屈折望遠鏡を使い続けました。有名な発見としては、火星の衛星や木星の 5 番目の衛星であるアマルテアなどがあります。
アサフ・ホールは1877年8月12日午前7時48分頃UTCにデイモスを発見し、1877年8月18日午前9時14分頃ワシントンD.C.のアメリカ海軍天文台でフォボスを発見した（当時の資料では、 1925年以前の正午に一日が始まる天文学の慣例に従い、 [40]発見時刻はそれぞれワシントン標準時の8月11日午後4時40分と8月17日午後6時6分となっている）。[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設置されていた26インチ（66cm）の屈折望遠鏡（レンズ付き望遠鏡）でした。[44] 1893年にレンズは再設置され、新しいドームに設置され、21世紀までそこに残っています。[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）屈折望遠鏡を使って発見されました。[46] [47]ダブレットレンズ屈折望遠鏡による直接目視観測によって発見されました。[37]
1904年、ポツダム大屈折望遠鏡（2つのダブレットを備えた二重望遠鏡）を使用して行われた発見の1つは、星間物質に関するものでした。[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、中間空間にカルシウム元素があることを突き止めました。 [48]
- 三つ子
冥王星は、屈折望遠鏡（3要素13インチレンズを備えた天体写真器）で撮影された写真（天文学用語では「プレート」）を瞬き比較器で調べることで発見されました。 [49] [50]
最大の屈折望遠鏡のリスト
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直径 60 cm (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。
- 1900年のパリ万国博覧会の大望遠鏡（1.25メートルまたは49インチ） – 展示会後に解体された
- ヤーキス天文台（101.6 cm または 40 インチ）
- スウェーデンの 1 メートル太陽望遠鏡(98 cm または 39 インチ)
- リック天文台（91 cm または 36 インチ）
- パリ天文台 ムードン大屈折望遠鏡（83 cm（33インチ）、+ 62 cm（24インチ））
- ポツダム大屈折望遠鏡（80 cm（31インチ）、+ 50 cm（20インチ））
- ニース天文台（77 cm または 30 インチ）
- ジョン・ウォール（76.20 cmまたは30インチ）ダイアライト屈折望遠鏡 - ハンウェルコミュニティ天文台にある個人が作った最大の屈折望遠鏡[51]
- ロイヤルグリニッジ天文台の28インチグラブ屈折望遠鏡、（71 cmまたは28インチ）口径レンズ
- ウィーン天文台の大屈折望遠鏡（69 cm または 27 インチ）
- アーケンホールド天文台– これまでに建造された中で最も長い屈折望遠鏡（焦点距離 68 cm または 27 インチ × 21 m または 69 フィート）
- アメリカ海軍天文台の屈折望遠鏡（66 cm または 26 インチ）
- アテネ国立天文台のニューオール屈折望遠鏡（62.5 cm または 24.6 インチ）
- ローウェル天文台（61 cm または 24 インチ）
参照
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、屈折望遠鏡に関連するメディアがあります。
- nasa.gov – 望遠鏡を作る
- ガリレオ式望遠鏡の製作
- ガリレオ式望遠鏡と望遠顕微鏡の角度視野と直線視野
- 屈折望遠鏡
- ガリレオの望遠鏡の紹介
