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天体望遠鏡の種類と仕組み

天体望遠鏡の選び方にも述べたように、望遠鏡の種類は屈折式と反射式に大きく分かれます。 詳細に分類すると、反射式や屈折式の中にも色々な形式があり、それぞれに特徴があります。 少し専門的になりますが、このページでは各望遠鏡の仕組みや特徴について、具体的な商品名を上げつつ記載しています。


屈折式天体望遠鏡

学校の授業で、光の屈折について学んだ記憶があると思います。 屈折率が異なる物質に光が斜めに入射すると、光線の方向が変わるという原理です。 この法則を利用した望遠鏡が、屈折式天体望遠鏡です。

屈折式天体望遠鏡の先端には、下図のように対物レンズという大きなレンズが設けられています。 光は、このレンズを通過する間に曲げられ、後方に焦点を結びます。 この対物レンズでできた像を接眼レンズで拡大して観察するように作られたのが、屈折天体望遠鏡というわけです。

屈折式天体望遠鏡の構造図

屈折式望遠鏡の利点は、以下の通りです。

天体望遠鏡の向きと見る方向が一致するので、見たい対象を捉えやすい
光軸調整などのメンテナンスがほぼ不要
筒内気流が起こりにくいため、外に出してすぐに観測を開始できる
反射望遠鏡とは異なり、光路を遮るものがないため、コントラストの高い像を得ることができる

逆に欠点としては、以下の点が上げられます。

色収差が発生する
口径の大きな望遠鏡は、反射式に比べて価格が高くなる
口径が大きくなるにつれて鏡筒が長く、重くなる

屈折式の最も大きな問題は色収差ですが、現在ではこの色収差をほとんどなくした高性能な屈折望遠鏡も発売されています。 屈折望遠鏡は、対物レンズに用いられるレンズの性能によって、アクロマート屈折望遠鏡とアポクロマート屈折式望遠鏡に分かれます


アクロマート屈折望遠鏡

アクロマートレンズの構造 プリズムに光を当てると、光が七色に分解されます。 これは光は波長毎に屈折率が異なるためですが、屈折望遠鏡はこの光の屈折を利用して光を集めているため、 色収差が生じてしまいます。

望遠鏡が発明された当時からこの色収差は大きな問題でした。 屈折率を小さくすれば、色収差も小さくなるため、曲率の弱いレンズ(厚みの薄いレンズ)を作成し、 非常に長い天体望遠鏡が作られたりしました。 ヘベリウスが作った、45mの望遠鏡はその最たるものと言えるでしょう。

この色収差を減らすため、色々なガラスで対物レンズが作られました。 そして登場したのが、アクロマート天体望遠鏡です。 ヘベリウスが望遠鏡を作った頃は、対物レンズに単レンズが用いられていましたが、 アクロマート屈折望遠鏡の対物レンズには、屈折率の異なるガラス素材からできた2枚のレンズが使われています。

このような対物レンズを、アクロマートレンズと呼び、アクロマートレンズを使った天体望遠鏡をアクロマート天体望遠鏡や、 アクロマート屈折式と呼んでいます。 アクロマートレンズは、それまでの単レンズと比べると抜群の色消し性能がありますが、 2つの波長だけで補正が行われているため、まだ若干の色収差が残り、明るい星や月を見ると青ハロや色のニジミとして現れます。 観望ではそれほど気にならない程度の色のニジミですが、天体写真を撮る際は問題となります。

アクロマートレンズは、比較的安価なので屈折式天体望遠鏡のレンズとして広く使われています。 F値の長い望遠鏡を選べば、観望用途では色収差がほぼ気にならないレベルまで補正されています。


アポクロマート屈折式天体望遠鏡

アポクロマートの構造 アクロマートレンズは、単レンズに比べて劇的に色収差が減少しましたが、写真撮影にはまだ不十分でした。 次に登場したのが、アポクロマートレンズを対物レンズに用いた天体望遠鏡です。

アポクロマート屈折式の対物レンズには、超低分散ガラスを使ったEDレンズやフローライトレンズ(蛍石)が使われています。 アポクロマートは、従来のアクロマートとは次元の異なる非常に優れた収差特性を持っています。

アポクロマート望遠鏡は、屈折式天体望遠鏡の一番の弱点である色収差を克服しましたが、 残念なことに価格が非常に高くなってしまいました。 同口径のアクロマート望遠鏡と比べると、その価格は2〜3倍です。 この高価格がボトルネックですが、それだけの価値があると思います。 以下、具体的なアポクロマート式望遠鏡について特徴を見ていきましょう。


フローライト屈折望遠鏡

対物レンズに用いられている凸レンズに、フローライトガラスを用いたアポクロマート望遠鏡です。 フローライトは、蛍石とも呼ばれる高級光学レンズ材で、高性能カメラレンズにも用いられます。 EDレンズより収差特性が優れているとされ、昔はフローライト1枚でEDレンズ2枚分の色消し効果があると言われていました。

逆に、フローライトはEDガラスに比べて柔らかいため傷が付きやすく、経年劣化しやすいと言われています。 また、強度も弱いので、急激な温度変化による破損にも注意する必要があります。 現在ではハードコーティング技術も進んでおり、強度も向上していると思いますが、 基本的にデリケートな材質と言えるでしょう。

フローライトを色消しに使った天体望遠鏡としては、高橋製作所のFS、FCシリーズが有名でしたが、 ガラスのエコ化と共に、1990年代に生産が終了しました。 しかし、天文ファンの根強い人気があったのでしょう、 一部の製品は、デジタル対応の新設計になって復活しています。

現在の同社のラインナップの中には、凸レンズを前玉に用いたFS-60CBと、 後玉に凸レンズを配置した、FC-76D、FC-100Dが載っています。 また、BORG天体望遠鏡からは、デジボーグ71FLをはじめとして、いくつかの機種が販売されています。


3枚玉アポクロマート

3枚玉アポクロマートの構造 アポクロマート屈折式天体望遠鏡の対物レンズには、凸レンズ(EDレンズ)と凹レンズを組み合わせた 2枚玉と呼ばれるものが通常使われています。 これを3枚玉にして、色収差特性をより向上させた望遠鏡が、3枚玉アポクロマート天体望遠鏡です。

対物レンズの枚数を増やすと、レンズの屈折面が増えるので、光線の方向を操作できる自由度が高まります。 その性質を利用して、より収差の少ない高級機には、3枚玉対物レンズが用いられるケースが多くなっています。

3枚玉アポクロマートの代表としては、高橋製作所のTOAシリーズがあります。 口径13センチ又は、15センチという巨大な屈折望遠鏡で、3枚玉の良好な収差特性と相まって、世界トップレベルの性能を持っています。 このTOAシリーズは非常に高価なため、口径を小さくして設計変更したTSA102又はTSA120という3枚玉アポクロマートも販売されています。

ビクセンからは、AX103Sという口径10センチの3枚玉アポクロマートが販売されています。 こちらは接眼部近くにフラットナーが標準装備されており、より天体写真撮影向きに作られています。

海外メーカーのExplore Scientificからは、口径8センチから12.7センチの3枚玉アポクロマート鏡筒が販売されています。 3枚玉にしてはリーズナブルで、価格は日本の2枚玉アポクロマートと同程度に抑えられています。


ペッツバール式天体望遠鏡

ペッツバール式とは聞き慣れない名前ですが、望遠レンズによく用いられている光学設計です。 ペッツバール方式では、レンズを前群と後群に分けて、色収差だけでなく、球面収差やコマ収差も補正している点が特徴です。 広視野の天体写真撮影を狙った天体望遠鏡に、主に用いられています。

ペッツバール方式の望遠鏡の代表としては、高橋製作所のFSQ-106EDがあげられます。 大変優れた写真用望遠鏡で、国内外から高い評価を得ています。 また、これを少し小さくした、FSQ-85EDも天体写真ファンの高い支持を集めています。 どちらもF値が明るく写真に適した設計ですが、眼視性能も素晴らしい望遠鏡です。 難点としては、価格が3枚玉以上に高いことです。


反射式天体望遠鏡

反射式天体望遠鏡は、凹面鏡を使って星の光を集めるタイプの天体望遠鏡です。 反射望遠鏡の代表格としては、ニュートン式反射望遠鏡があります。

ニュートン反射式は、下図のように主鏡と呼ばれる凹面鏡(放物面鏡)で光を集め、 それを鏡筒の開口部近くにある斜鏡(平面鏡)で反射させて、筒外へ光を導きます。 その光を接眼レンズで拡大して、観察するという仕組みになっています。

ニュートン式反射天体望遠鏡の構造図

ニュートン式反射望遠鏡の利点としては、

色収差が発生しない
大口径を得やすい
中心像が極めてシャープ
同口径の屈折式と比べて安価
といった点があり、

逆に欠点としては、

筒内気流が発生するので、使用前に外気になじませる必要がある
太陽観測ができない
光軸がズレやすい
鏡筒の強度が弱くなりやすい

という特徴があります。 以下、ニュートン式以外の具体的な反射望遠鏡について見ていきましょう。


カセグレン式

カセグレン式は、主鏡にはニュートン式と同じ放物面鏡を用い、副鏡に凸面鏡を用いた反射式望遠鏡です。 屈折式と同じように、接眼部が鏡筒の後部にあるのが特徴です。

副鏡を平面鏡にすればニュートン式として使え、鏡筒長も短くなるという利点があるカセグレン式ですが、 副鏡に用いる双曲面凸鏡を高精度で製造するのが難しく、小型のものはあまり作られていません。 しかし、その取り回しの良さから、公共天文台でよく用いられています。

カセグレン式反射天体望遠鏡の構造図

カセグレン式には、シュミットカセグレン式やリッチークレチアン式など、派生の光学系も多数あります。 それらと区別するために、副鏡に双曲面凸鏡を用いた天体望遠鏡を、クラシカルカセグレン式と呼ぶことがあります。

アマチュア用望遠鏡としては、高橋製作所のCN-212がありました。 CN-212は、カセグレン焦点とニュートン焦点を切り替えて使える望遠鏡でしたが、現在は製造終了となっています。


シュミットカセグレン式

望遠鏡の開口部にシュミット補正板という一種のレンズを置き、副鏡と主鏡を球面鏡にしたものがシュミットカセグレン望遠鏡です。 よく「シュミカセ」と呼ばれているタイプです。

シュミットカセグレン式では、主鏡と副鏡を球面鏡にしたため、収差が発生しますが、それをシュミット補正板で補正しています。 球面鏡を使うため、加工が容易で大量生産できるようになりました。 鏡筒長も短いので、重量が軽く、取り回しも楽という特徴があります。

シュミットカセグレン式反射天体望遠鏡の構造図

鏡筒は補正板でふさがれているため、従来は筒内気流が発生しないと考えられていましたが、 実際は気流が起こりやすく、また閉じているために、一度気流が発生するとなかなか収まらないという難点があります。 その筒内気流を速やかに抑えるため、接眼部から挿入する空冷ファンなども市販されています。

シュミットカセグレン式の多くの機種では、主鏡の前後移動でピント合わせを行うため、ミラーシフトという光軸のずれが起こります。 撮影の際には注意が必要な現象で、これをキャンセルする冨田式ロックというアイテムがあります。

シュミットカセグレンの代表的なメーカーとして、アメリカのミード社とセレストロン社があります。 口径の割にコンパクトでかつ価格も抑えられているため、手軽な大口径として人気があります。


シュミットカメラ

シュミットカメラは、観望するための望遠鏡ではなく、写真撮影に特化した鏡筒です。 そのため望遠鏡に接眼部はなく、鏡筒内にフィルムを充填するための窓口があいています。

シュミットカメラの筒先には、補正板が取り付けられていて、主鏡で発生する収差を補正できるようになっています。 主鏡で集められた光は、鏡筒内に設けられたフィルムホルダー上で焦点を結びます。 ただ、この焦点は球面になるため、フィルムを球面に合うようにカーブさせて取り付ける必要があります。

シュミットカメラの構造図

たいていのシュミットカメラは、F2〜F3と明るく、全視野にわたって球面収差やコマ収差のない像を得ることができます。 この速写性と広い視野を生かして、銀塩フィルム全盛の頃は彗星の撮影によく使用されていました。 しかし、光軸調整の難しさや焦点面が平らでないことから、デジタルデバイスが発展するにつれて姿を消しつつあります。

代表的なシュミットカメラとしては、日本特殊光学(JSO)の16センチF2.5があげられます。 現在では販売されていませんが、1990年代には人気を博していました。


リッチークレチアン式

リッチー・クレチャン望遠鏡は、よくRC望遠鏡と呼ばれている反射ミラーを使った望遠鏡です。 天文台の大型望遠鏡によく使用されている形式で、ハワイのすばる望遠鏡もリッチークレチアン式です。

リッチークレチアン式の主鏡と副鏡には、複雑な高次非球面鏡が用いられています。 反射望遠鏡は、コマ収差が大きく出るのが欠点ですが、リッチークレチアン式では、このミラーのお陰でコマ収差のない像を得ることができます。 ただ、焦点面が湾曲するので、画面の端まで均一なピントを得るには、フィルムや撮像素子を焦点面の弯曲に合わせてカーブさせる必要があります。 このような加工は現実的でないため、撮影には焦点面を平らにするフィールドフラットナーがよく用いられます。

代表的なリッチークレチアン望遠鏡としては、アメリカのRCOS社の製品があります。 口径25センチから1m以上の製品がそろっており、世界の天体写真家の間で人気がある製品です。 また、笠井トレーディングからは、台湾製のGSシリーズが販売されています。 こちらは比較的リーズナブルなので、長焦点撮影をはじめてみようとする天文ファンからも人気があります。


ドール・カーカム式

ドールカーカム式は、イギリスの天文ファン、ドール氏が発明した天体望遠鏡です。 主鏡に楕円面鏡、副鏡に球面鏡を用いており、鏡の加工が比較的容易なのが特徴です。

ドールカーカム式の中心像は、ニュートン式と同様に極めてシャープで、理論上、球面収差などは発生しません。 一方、コマ収差はカセグレン式の4倍と非常に大きいので、写野が狭く、広がった星雲の撮影には適しておらず。 、主に惑星の観望や撮影に使用されています。F値が12前後と長いので、高倍率を得やすいのがメリットです。

ドールカーカム式は、主鏡と副鏡が球面なので、光軸合わせを行いやすいというメリットがあります。 最近では、鏡筒内に補正レンズを組み込んだコレクテッド・ドールカーカム式と呼ばれる望遠鏡も登場しました。 こちらはドールカーカム式の弱点だったコマ収差を補正し、天体撮影に適した機種も販売されています。

代表的な望遠鏡としては、タカハシのミューロンシリーズが上げられます。


マクストフ・ニュートン式

マクストフニュートン式は、ロシアのマクストフ氏が考案した改良型ニュートン式望遠鏡です。

マクストフニュートン式の筒先には、メニスカスレンズと呼ばれる球面レンズがはめ込まれ、主鏡で発生する収差を補正しています。 副鏡はメニスクレンズの中央に固定されているので、ニュートン式とは異なり、スパイダーが必要ありません。 主鏡や副鏡は球面のため、精度良く生産しやすいという特徴があります。

マクストフニュートンの構造図

マクストフニュートン式にはスパイダーがないため、光の回折が少なくなり、惑星観望などでコントラストの高い像が得られるようです。 また、コマ収差が補正されているので、直焦点撮影に使っても面白いかもしれません。

代表的なマクストフニュートン望遠鏡としては、笠井トレーディングが取り扱う、INTES-MICROのALTERシリーズが上げられます。 副鏡を変更して焦点位置を鏡筒後方に移動した、マクストフカセグレン式という製品もあります。


イプシロン式

イプシロン光学系は、高橋製作所が開発した天体写真撮影用天体望遠鏡です。 外観はニュートン式反射望遠鏡とそっくりですが、明るいF値と広い写野が魅力の望遠鏡です。

主鏡には双曲面鏡が使われており、発生した収差を接眼部に取り付けられた補正レンズで取り除いています。 改良型リッチークレチアン式とも言える光学系ですが、ニュートン式と同じ構造のため使い易くなっています。 メーカーのカタログによれば、この望遠鏡は観望には不適で、天体写真撮影専用とされています。

一時は生産が終了していたε望遠鏡ですが、デジタル機材の登場と共に復活しました。 現在は、口径18センチのε-180EDと、口径13センチのε-130Dが高橋製作所から販売されています。


シーフシュピグラー式

反射望遠鏡には色収差が全くありませんが、副鏡が入射する光の一部を遮るため、どうしても星の回折像が乱れます。 屈折望遠鏡では簡単に見ることができる回折像が、反射望遠鏡ではよく見えないのもこのためです。 この回折限界に反射式で挑もうと考え出されたのが、シーフシュピグラー式です。

シーフシュピグラー式の望遠鏡では、下図のように、主鏡を斜めにおいて、入射光線上から外した副鏡に光を集めるようにしています。 観望する際は、この副鏡から反射された光を接眼レンズで拡大して観察します。

シーフシュピグラー式反射天体望遠鏡の構造図

シーフシュピグラー式では、副鏡やスパイダーによる回折や光損失がないため、回折限界までの良像が得られますが、収差が出やすいのが難点です。 この収差を目立たなくするため、F20〜F25と口径比の大きいものが主に作られています。 笠井トレーディングが、スイスAOK社の製品を取り扱っています。

誰でも使える天体望遠鏡
誰でも使える天体望遠鏡

これから天体観測を始めてみようという初心者の方向けに、 天体望遠鏡の選び方から、基本的な使い方までを説明している書籍です。 シンプルな構成で読みやすいのが特徴です。

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