私がこれまでに月に最も近づいたのは、望遠鏡を通して見た時です。

春になると、すべてのものが生き返り、大地は緑に覆われます。夏には、緑の池の中で、蓮の花が水面に優雅に浮かんでいるのが常に見られ、「蓮の葉はどこまでも緑で、蓮の花は太陽の下で赤く染まる」という美しい景色を作り出します。秋は天気が晴れて涼しく、畑には黄金色の小麦の波が揺れます。冬にはすべてが銀色に覆われます。自然は季節ごとに独特の方法でその美しさを人々に見せます。

1. 人は物体をどのように見ているのでしょうか?

私たちがこの色彩豊かな世界を見ることができるのは、人間の視覚器官である目のおかげです。人間の目がどのように画像を形成するかを理解するには、まず人間の目の構造を知る必要があります。外から観察すると、私たちの目は白目と眼球の 2 つの部分で構成されています。黒眼球の最も外側の部分は薄く透明な角膜です。角膜の中には房水と呼ばれる透明な液体が入っています。房水の後ろには、弾力性があり、曲率を調整できるレンズがあります。水晶体の後ろには硝子体と呼ばれる透明なゼリーがあります。それらはすべて光に対して透明です。 3層の膜で包まれています。最も内側の層は網膜と呼ばれ、光刺激を感知できる多くの光受容細胞が含まれています。中間層は脈絡膜と呼ばれ、多くの色素を含んでいます。その機能は、目の内部を暗く保ち（カメラの暗室のように）、他の光が漏れて視力に影響を与えるのを防ぐことです。最も外側の層は強膜と呼ばれ、私たちが白目として見ている部分です。眼球には多くの血管と神経が集まっており、眼球の形状を保護し維持する役割を果たしている[1]。物体から発せられた光が角膜、房水、水晶体、硝子体を通過すると、屈折して網膜上に焦点を結び、倒立像を形成します。網膜の光受容細胞は光によって刺激されてインパルスを生成し、それが視神経によって脳に伝達されて視覚を形成します。これが私たちが通常「物を見る」と呼んでいるものです。

図1 眼球の解剖

眼球によって形成される像は倒立像であり、最終的には脳の調節によって正立像になります。

図2人間の目の画像

人間の目は物体を見ることができます。理論的には、人間の目は筋肉を通してレンズの曲率を調整することで、0 から無限遠まで物体を見ることができます。しかし、人間の目が物体を区別する能力は、視野角と明るさによって測定されます。言い換えれば、人間の目がそれを見ることができるためには、物体の光が特定の角度で人間の目に届く必要があるということです。同時に、人間の目が認識できる程度の明るさも必要です。要約すると、物体のサイズと明るさが大きいほど、より遠くから見ることができます。逆に、物体の明るさとサイズが小さいほど、より近くで見ることができます。

同じ物体でも、目からの距離が長くなるにつれて、目に対する角度は小さくなります。たとえば、日常生活では、道路上の車のナンバープレートを観察します。車が走り去るにつれて、ナンバープレートは最初ははっきり見えていたものが、輪郭だけが見えるようになり、最終的にはぼやけた状態になります。

図3異なる距離における人間の目の画像

家にいながら何千メートルも離れた景色を見たり、宇宙の星の海を探検したりしたいなら、この時代の千里眼である望遠鏡の助けが必要です。

2. 望遠鏡の登場

望遠鏡は遠くの物体を観察するために使用される視覚光学機器です。遠くのシーンの非常に小さな角度を一定の係数で拡大し、画像空間内でより大きな角度を持たせることで、もともと肉眼では見えなかったり区別できなかった物体を鮮明に識別できるようになります。

望遠鏡の歴史は17世紀まで遡ります。望遠鏡の発明については多くの説があります。そのうちの 1 つは次のように説明されています。1608 年、オランダのミデルブルフで、2 人の子供が眼鏡屋ハンス・リッペルスハイの店の前でいくつかのレンズで遊んでいました。二人は前方と後方のレンズを通して遠くの教会の風見鶏を見て、とても興奮しました。ハンス・リーベルシェ氏は非常に興味があったので、彼も2つのレンズの組み合わせを手に取って遠くの風見鶏を観察し、遠くの風見鶏が非常に拡大されていることを発見しました。リープチャーは店に走って戻り、2つのレンズをチューブに入れました。多くの実験を経て、ハンス・リープヒャーは望遠鏡を発明した[2]。

図4世界初の望遠鏡

400年前の発明以来、望遠鏡の発明と発展により、物体間の距離は常に「狭まり」続けてきました。人類は望遠鏡の助けを借りて、宇宙における自らの位置を再定義し、地球が宇宙の中心ではないだけでなく、太陽が天の川の中心でもないことに気付きました。直径10万光年、1000億個以上の恒星を持つ天の川銀河のような巨大な銀河は、広大な宇宙の中ではほんの一滴に過ぎません。ある意味では、望遠鏡の発展は現代天文学の発展でもある[3]。興味深いことに、私たちはさまざまな場所でこの種の科学機器をよく見かけます。信じられないかもしれませんが、望遠鏡は史上最も重要な科学機器の 1 つです。

3. 望遠鏡の分類

望遠鏡の発展の歴史と人類にとっての意義を紹介した後、望遠鏡の分類についてお話しします。

望遠鏡には一般的に3つの種類があります。[4]

1. 屈折望遠鏡

対物レンズを使用する望遠鏡は屈折望遠鏡と呼ばれます。屈折望遠鏡は2つのタイプに分けられます。凹レンズを接眼レンズとして使用するものはガリレオ式望遠鏡と呼ばれます。凸レンズを接眼レンズとして使用するものはケプラー式望遠鏡と呼ばれます。ガリレオ式望遠鏡の利点は、構造がシンプルで、光エネルギーの損失が少なく、望遠鏡の筒が短く、重量が軽く、シーンの像が垂直に映ることです。欠点としては、倍率が低く視野が狭いため、一般的にはオペラ望遠鏡やおもちゃの望遠鏡としてのみ使用されます。ケプラー望遠鏡の利点は視野が広いことですが、得られる像は倒立しているため、目で正立像を観察できるように、対物レンズの後ろにプリズム群またはレンズ群を追加して像を回転させる必要がありました。ほとんどの屈折望遠鏡はケプラー構造を採用しています。屈折望遠鏡は反射望遠鏡よりも画像品質が良く、視野が広く、使いやすくメンテナンスも簡単なため、小型・中型の天体望遠鏡や多くの特殊機器では主に屈折システムが使用されています。しかし、大型の屈折望遠鏡は、大口径の高品質レンズの製造が非常に難しく、ガラスが光を吸収するという問題もあるため、反射望遠鏡に比べて製造がはるかに困難です。そのため、大口径望遠鏡はすべて反射型を採用しています。

図5ガリレオ望遠鏡の構造と撮像原理

図6ケプラー望遠鏡の構造と撮像原理

2. 反射望遠鏡

対物レンズとして凹面反射鏡を使用する望遠鏡を反射望遠鏡といいます。反射望遠鏡は、ニュートン式望遠鏡やカセグレン式望遠鏡など、いくつかの種類に分けられます。

図7ニュートン式望遠鏡

8の字型カセグレン望遠鏡

反射望遠鏡の主な利点は色収差がないことですが、対物レンズが放物面レンズの場合は球面収差も除去できます。ただし、他の収差の影響を減らすために、使用可能な視野は狭くなります。加工の難しさや製造工程の面では、主鏡の片面のみを加工すればよいため、製造コストや難しさが大幅に軽減されます。したがって、口径が 1.34 メートルを超える光学望遠鏡は現在すべて反射望遠鏡です。大口径反射望遠鏡では、異なる副鏡を交換することで、主焦点システム（またはニュートンシステム）、カセグレンシステム、および折曲軸システムを実現できます。このようにして、1 つの望遠鏡で複数の異なる相対的な開口部と視野を持つことができます。用途としては、反射望遠鏡は主に天体物理学で使用されます。

3. 反射屈折望遠鏡

カタディオプトリック望遠鏡は球面反射鏡をベースにしており、収差を補正するために屈折要素が追加されています。これにより、大型の非球面ミラーの困難な加工を回避できるだけでなく、優れた画像品質も実現します。より有名なのは、1931年にドイツの光学技師シュミットが発明したシュミット望遠鏡です。その構造は、球面反射鏡の中心にシュミット非球面レンズを配置し、光線の中心部がわずかに収束し、外側の部分がわずかに発散するようにすることで、球面収差とコマ収差を正確に補正するというものです。

図9シュミット望遠鏡

もう一つの有名なカタディオプトリック望遠鏡は、1941 年に旧ソ連の光学技師マクストフが製作したマクストフ望遠鏡です。その構造は、球面反射鏡の前に負のメニスカス レンズを追加したものです。メニスカスレンズの適切なパラメータと位置を選択することで、球面収差とコマ収差を同時に補正できます。カタディオプトリック望遠鏡では、反射鏡によって像が形成され、屈折鏡を使用して収差を補正します。その特徴は、比較的大きな口径、強い光力、広い視野、優れた画質です。用途としては、カタディオプトリック望遠鏡は、星雲、彗星、流星などの天体の観測や天体観測に適しています。小型の望遠鏡でカタディオプトリックカセグレン方式を使用すると、鏡筒を非常に短くすることができます。

図1 0マクストフ望遠鏡

4. ポジティブイメージシステム

ケプラー望遠鏡を通して私たちが見るのは、物体の反転した像です。観察を容易にするために、倒立像を反転する正立プリズム システムをシステムに追加する必要があります。反転した画像を反転するために使用できるプリズムには、ルーフ プリズム システム (シュミット ビーハン ルーフ プリズム システムとも呼ばれる) とポロ プリズム システム (ポロ プリズム システムとも呼ばれる) があります。 2 つのシステムの原理と用途は似ています。唯一の違いは、ビハンプリズムシステムによって画像が反転された後も、画像が同じ軸上にあるのに対し、ポロプリズムによって反転された後の画像は、反転前の画像とは異なる軸上にあるため、システム構造が十分に緊密ではないことです。

まず、これら 2 つのポジティブ イメージ システムの構造を見てみましょう。

ペチャン プリズム システムは、空気の隙間で分離された 2 つのガラス プリズムで構成されています。複数の全反射により画像が垂直方向に反転し、2 番目のプリズムの「屋根」によって画像が横方向に反転し、画像が 180 度回転します。写真は、ペチャンプリズムシステムと呼ばれる正立システムを採用したライカの望遠鏡です。

図11.ベアンプリズムシステム

ポロプリズムシステムは、平らな端が直角を向いたガラスブロックから形成された二等辺直角プリズムです。使用時には、光はプリズムの最大の長方形の表面から入り、傾斜面で 2 回の全反射を経て、元の入射面を透過して出ていきます。光は通常通り入射し出射するため、プリズムは分散効果を生じません。しかし、ポロプリズムを通過した像は180°反転し、元々入ってきた方向へ移動する、つまり移動方向も180°変わります。

図12ポロプリズムシステム

5. 多軸ケージ構造を使用して望遠鏡を構築する

私たちが日常目にする望遠鏡は、専用のケースに収められ、固定されています。光の経路の構造や方向は目に見えないため、神秘的な印象を与えることが多いです。しかし、その神秘的なベールが明らかになると、望遠鏡がほんの数枚のレンズで構成されていることにため息が出るでしょう。

多軸ケージ構造で構築されたケプラー望遠鏡システムにより、望遠鏡の内部構造を直感的に見ることができます。望遠鏡の結像原理と関連する光学知識を理解した上で、多軸ケージ光学機械部品と光学素子を使用して、ビルディングブロックのように DIY 望遠鏡を構築できます。

ベアンプリズムシステムは、正立システムとして使用され、多軸ケージ構造で構築されたケプラー望遠鏡システムに配置されます。システム内の光学要素は同軸であり、構造はシンプルでコンパクトです。教育や科学の普及においては、光学現象を直感的に観察できると同時に、ベアンプリズムシステムの役割も実証できます。対物レンズまたは接眼レンズを動かすことで、さまざまな距離のシーンを観察できます。

図13 レイケージ多軸ケージ構造を使用してベアンプリズムシステムを構築するケプラー望遠鏡システム

ポロプリズムシステムはシステム構造がコンパクトではありませんが、構造がシンプルでコストが低く、光学効果が優れているなどの利点があるため、ほとんどの望遠鏡で広く使用されています。複数の光軸を使用できる多軸ケージ構造の利点に基づいて、多軸ケージ構造で構築された顕微鏡でPorプリズムシステムを使用して画像を反転する効果を実現する独自のプリズムクランプが設計されています。

図14: RayCage多軸ケージ構造を使用してポロプリズムシステムを構築するケプラー望遠鏡システム

望遠鏡の発明により、宇宙を観測する方法は変わり、この変化は 400 年以上続いています。しかし、望遠鏡の使用に関しては、人間自身もいくつかの変化を経験しています。望遠鏡が私たちに見せているものを理解する前に、それは単なる視覚の拡張ではなく、思考の拡張でもあることを認識しなければなりません。この記事では、望遠鏡に関する基本的な知識を簡単に紹介します。興味のある読者は、関連資料を参照して望遠鏡についてさらに詳しく知ることができます。ここで、Ruiguang Cage Company は、多軸ケージ構造のみを使用して、シンプルなケプラー望遠鏡を構築します。ガリレオ望遠鏡や反射望遠鏡に興味があるなら、星や月を「抱きしめる」自分だけの DIY 望遠鏡を作ることもできます。

参考文献

1. ヒュー・デイブソン、エドワード・S・パーキンス「人間の目」ブリタニカ百科事典、2021年12月1日、https://www.britannica.com/science/human-eye 。

2. 華清福。より遠くを見る、より鮮明に見る：望遠鏡と顕微鏡[J]。今の中学生、2019(35):20-22。

3. 蘇定強。望遠鏡と天文学：400年のレビューと展望[J]。物理学、2008(12):836-843.

4. 夏雄平。光学望遠鏡の発明と進化[J]。発明とイノベーション（学生版）、2007（04）：12-13。

作成者: 陳庭暁、瑞光開奇（鎮江）光電子技術有限公司、中国計器計量協会青年光学科学（鎮江）テーマ科学普及教育基地

（注：この記事は、中国計測器協会が立ち上げた科学普及創作コレクション活動「身近な計測器と計測技術従事者」への寄稿です）