観 察 機 器
科学 の 進歩 に 貢献 し 殆ど が ノーベル賞 に 輝く 偉業
全て の 機器 に 共通 する 必須要素 / 資質
光学望遠鏡 ・ 電波望遠鏡 ・ 光学顕微鏡 ・ 電子顕微鏡 ・ メガネ ・ カメラ ・・・ 等々
分解能 / 解像度 接近 した ２ 点 を 分離 / 見分け 別々 に 表示 出来る 最小 の 値
高倍率 に して いけば 被写体 / 対象物 を 幾ら でも 大きく して 見る 事 が 出来る が
分解能 / 解像度 が 伴わない と ボケ たり 暗く なったり 詳細 が 判別 出来なくなり 最良 の 映像 を
表現 / 映し出せる 倍率 が有効 な 倍率 となり 各々 に 限界 が あり 識別能力 の 限界 と なります
分解能 は 対物レンズ の 有効口径 の 大きさ に 比例 する
１９世紀後半 光学理論 の 確立 - 分解能 を 示す 別々 の 方程式 を イギリス の 学者 が 提唱
望遠鏡 ドーズの限界 / ドーズリミット １１５.８ ( 秒 ) ÷ レンズ の 有効径 mm
天文学者 ドーズ が 経験 から 得た 分離限界値 で 角度 で 表され １.３度 まで
顕微鏡 レーリーの限界 / レーリーリミット １２７.５ ( 秒 ) ÷ 有効径 mm 物理学者 レーリー
限界性能 ： ０.２ μm ＝ ０.０００２ mm - ２００ nm まで 対応 ・ ２０００倍
機器 に 備わる 分解能 以下 の 対象 は どれだけ 倍率 を 上げて も 細部 は 見えて 来ない
光学系 の 機器 に 共通 電磁波 の 一種 可視光線 を 観測 する
光学顕微鏡 ・ 光学望遠鏡 ・ カメラ ・ メガネ ・・・ 等
レンズ １点 から 散らばった 光 を 収束 し 光 を 発する １点 を 実像 通り に 再現
凸レンズ 光 を 収束 中心 が 厚い 曲面形状 に すれ ば 光 を 集められ 集まった 所 が 焦点
光 が ガラス 等 の 透明 な 物質 を 通過 する 時 入る時 も 出る時 も 屈折 する
凹レンズ 光 を 発散 / 反射 ・ 外側 が 厚い
比重 重量 / 水 に 対する 重さ は 高屈折レンズ 程 重く なる が 技術 で 僅差
屈折率 屈折率 が 高い と 薄く 出来る が 高価 で 弱い ・ 波長 で 値 が 違い D線 の 値 で 表示
透過率 レンズ の 透明度 が 高い 程 良く 見え 数字 が 大きい 程 光 を 通す
ダイヤモンド ２.４１ ・ 水 １.３３ ・ 水晶 １.５４ ・ レンズ用光学ガラス ２.１ 前後
色収差 凸レンズ は 光 を 一点 に 集める と される が 実際 は 面積 の ある 円形 と なり 中心 と
外側 で 屈折率 が 違い 像 の 大きさ や 位置 が 少し ズレ だぶって 見える 歪み を もたらす
また レンズ は 球面 を カット して 作る 為 中心 から 外側 へ 行く 程 どんどん 厚く なって しまい 外
への 厚さ の 違い は 屈折率 を 変え 歪 が 出来 レンズ口径 が 大きく なれ ば 外側 の 厚さ も
口径 に 比例 して 大きくなり 歪 の 無い レンズ の 研磨技術 と して 大型レンズ 程 難しい
アッベ数 ３０ とか ４０ と 数字 が 大きい 方 が 収差 が 少ない ・ 多く を アッベ が 提唱
補正 屈折率 の 異なる 凸凹 ２枚 の レンズ を 張り合わせ １枚 に した レンズ を 複数 組み合わせ
口径 が 大きく なる と 収差 も より 大きく なる ので 組み合わせる レンズ も 増え 重く 高価 と なる
アクロマート・レンズ ２つ の 波長 で 色収差 を 解消 可視光 C線 ・ F線
アポクロマート・レンズ ３つ の 波長 で 色収差 を 解消 可視光 C線 ・ F線 ・ G線
色収差 は レンズ枚数 で 補正 する が 透過性 を 上げる 為 少し でも 少ない レンズ と したい
非球面レンズ 片面 か 両面 を 凸凹 の 球面 や 平面 で ない 曲率半径 の 曲面 を 組み合わせた
レンズ と する 事 で 収差 を 無くす 事 が 出来 １枚 で 済む 為 軽量小型 と 成る が 複雑 に 組み
合わさった 放物面 の 研磨 に よる 整形技術 が 難しく 型 に レンズ素材 を 流し込む
ガラスモールド製法 の 確立 で 普及 し 材質 は ガラス が 最適 だが ガラス の 融点 は 高く 型 の
劣化 が 早い 上 に 冷却時間 も 掛かり 高価 と なる が プラスティック は 大量生産 出来 安価
曲率半径 場所 に より 色々 な 曲面 / 放物線 ⇒ 自由曲面 更 に 複雑化 した 先端技術
集光力 ( 口径 mm ÷ ７ ) の 2乗 - 人間 の 瞳孔 は 平均 7 mm から 算定 し 何倍 か を 推定
F値 レンズ の 明るさ を 示す ・ 焦点距離 ÷ 有効口径 ・ 数字 が 小さい 程 明るい
焦点距離 １０００mm で 口径 １００mm ＝ F １０ ・ 焦点距離 5００mm で 口径 １００mm ＝ F ５
倍率 最良 の 分解能 を 実現 できる 倍率 が 有効 な 倍率 となる 分解能 参照
レンズ を 厚く すれ ば 高倍率 と なる が 分解能 が 伴わな ければ 良く 見えない
光学望遠鏡 性能 は 主鏡 の 有効径 / 大きさ に 依存 し 比例
分解能 ・ 集光力 の 向上 で 遠 ・ 近 共 に 明るく - 細部 まで - 暗い 対象 も 観測可能
屈折式 は 主鏡 に レンズ を 使う 為 大型 の レンズ作成 や 色収差 の 克服 に 高価 と なる
反射式 は 主鏡 が どんな 反射材 でも 良く 安く 大型化 出来 どれ も 色収差 は 無い が 筒先 の
ガラス の 有無 に 関わらず 筒内気流 の 影響 を 受け たり 光軸 が ずれ易い 事 で 修正 も 頻繁
と なり 始業 に 手間取る が 光学性能 の 限界 に 迫る 現代 の 望遠鏡 とも 言える
有効最高倍率 口径 mm 〜 口径 の ２倍 口径 １０ cm - １００ mm なら １００倍 〜 ２００倍
極限等級 暗い と 見え難い ので 口径 に 比例 - 人間 は ６等級 前後 と 言われる
エアリーディスク 光 を 発したり 反射 する 星 は 光 の 波 と なって 放散 して いる 為 見掛け が
大きく 見え 低倍率 の 点 から 倍率 を 上げる と 大きく なる が 詳細 は 解らず / 変わらず 暗くなる
屈折式望遠鏡 最初 に 作られ レンズ だけ を 使い 光 を 屈折 させ 収束 ・ 口径 １０ cm 超 から 高価
光軸 も 殆ど 狂わず 温度差 での 筒内気流 も 殆ど 発生 せず 安定 した 画像 を 比較的 容易 に
得られる が 口径 の 大型化 に レンズ も 作り難く 非常 に 高価格 と なり 最大 でも 口径 １m 程
オランダ式 最初 の 望遠鏡 で 対物レンズ に 凸レンズ ・ 凹レンズ を 接眼 レンズ と する
沢山 の 発見 を この 望遠鏡 で 成し遂げた ガリレオ・ガリレイ に 因み ガリレオ式 とも 呼ばれる が
１６０８年 オランダ の メガネ職人 ハンス が 考案 - 高倍率 を 出し難い が 安く 出来る
ケプラー式 現代 の 主流 で 対物レンズ も 接眼レンズ も 凸レンズ を 使用 し 焦点距離 を 長める
事 で 高倍率 を 得易く 視界 も 広い - 焦点距離 の 長い 対物レンズ で 焦点 に 像 を 再現 /
結び 焦点距離 が 短い 接眼レンズ で 拡大 する - １７世紀 ドイツ の 天文学者 ケプラー 考案
惑星 は 楕円軌道 で 太陽 は 片側 に 位置 する と した ケプラー の 法則 も 提唱
反射式望遠鏡 光 を 反射 する 反射鏡 で 光 を 収束 し 接眼レンズ で 拡大 ・ 視野 が 狭い
反射鏡 は レンズ と 違い 反射 出来る 素材 なら 何でも 良く 大型化 が 容易 で 口径 を より
大きく する 事 で 集光力 や 分解能 にも 有利 で 収差 も 無く 現代 の 主流 と なる
大口径程 筒内気流 が 収まり 難く 始業 が 遅れ 数年毎 に 対物鏡 の アルミメッキ 再塗装 が 必要
球面鏡から焦点距離に合わせて僅かに研磨して放物面や双曲面等の非球面鏡 / レンズ へ
ニュートン式 は 接眼部 が 前 で 観察 が 大掛かり ・ 筒先 も 開放 され 他 は ガラス 等 で 密閉
ニュートン式 光 を 主鏡 と なる 筒奥 の 反射鏡 / 放物面鏡 で 筒先 近く まで 反射 させ
４５度 に傾けた 平面鏡 で 入射 した 光軸 に 対し 直角 に 光 を 取り出し 接眼レンズ で 拡大
カセグレン式 光 を 主鏡 と なる 筒奥 の 反射鏡 / 放物面鏡 で 筒先 近く まで 反射 させ
副鏡 と なる 両凸双曲面 で 再び 反射 させ 反射鏡 の 中心 から 取り出し 接眼レンズ で 拡大
１７世紀 に フランス の 彫刻家 カセグレン が 考案
シュミット式 反射鏡 / 球面鏡 を 使い 副鏡 を 置かず 高次非球面 の 補正レンズ を 筒先付近
に 設置 し 収差 を 低減 ・ １９３０年 エストニア の シュミット が 考案 した シュミット・カメラ
シュミット・カセグレン カセグレン式 の 放物面鏡 と 双曲面 を 共 に 簡単 な 球面鏡 に 変更
高次非球面 の 補正レンズ を 筒先付近 に 設置 し 収差 を 低減 する 事 で 小型 ・ 低価格 化
電波望遠鏡 X線 や γ線 / ガンマ 等 の 電磁波 を 観測
電波 は 光学系 の 可視光線 より 波長 が 長い 為 分解能 が 低く 大型化 で 対応 する が
パラボラ・アンテナ で 電波 を 集める 為 反射鏡 は 容易 に 大きく 作れ 直径 数十 m と 大口径
中米 アレシボ天文台 は 固定式 ながら 直径 ３０５ m ・ 日本 では 直径 ６４ m
X線 や γ線 等 の 電磁波 は 大気 に 吸収 され 易く 宇宙望遠鏡 と して の 利用 が 効果的
開口合成 複数 の 電波望遠鏡 の 受信波 を 合成 し 大口径 と 同様 の 分解能 を 実現
アメリカ国立電波天文台 直径２５m パラボラ・アンテナ を ２７機 連ね 口径 １３０ m 鏡 として 稼動
合成開口レーダー データ量 が 多く NASA が 月面探査 と アポロ計画 に 使用 していた
コンピュータ が 進歩 し 近年 普及 - 探査機 や 偵察衛星 は 軌道上 を 移動 する 際 に 幾度 も
電波 を 照射 し 帰って来た 電波 を 合成 して大口径 の 望遠鏡 と して 使い 分解能 を 上げる
光学顕微鏡 細菌 まで 対応 世界最高水準 の 光学機器会社 誕生
虫メガネ 焦点距離の短い屈折率の高い凸レンズで拡大 当初は１枚で使用されたが
１６世紀末 の オランダ で 眼鏡職人 ヤンセン が ２ 枚 の レンズ の 組み合わせ を 考案
１７世紀 には 各々 色々 な 理論 で 色々 な 試作品 を 作り 技術 が 進歩 していく 中 -
１８４６年 に ドイツ の カール ・ ツァイス は カール ・ ツァイス社 を 立ち上げ 顕微鏡 の 開発 を 開始
- 当地 の イェーナ大学 エルンスト ・ アッベ と 共 に 理論的基礎 を 構築 し 世界標準 へ 発展
- 第二次大戦後 東西 両大国 に 技術者 が 分断 される が １９８９年 の 東西統一 で 再統合
レボルバー に 倍率 の 違う レンズ を 複数 装着 し 使い 分ける
電子顕微鏡 電子線 を 使い ウイルス 以下 原子 まで 対応 光学 の １０００倍
１９３１年 ドイツ の ルスカ と クノール が 開発 ・ １９８６年 ノーベル物理学賞 受賞
限界性能 ： ０.３ nm ＝ ０.００００００３ mm ＝ ３０００万分 の １ mm まで 対応
ウイルス は ２０nm / ０.００００２mm ＝ ２０万分の１mm 〜 １５０nm/０.０００１５ ＝ １５０００分の１
透過型電子顕微鏡 透過 して 来た 電子 を 観察 ・ 照射 する 電子線 の 量 で 内部 を 観察
走査型電子顕微鏡 反射 して 来た 電子 を 観察 ・ 表面 の 詳細 を 観察
カメラ 反射鏡 では レンズ絞り / 光 の 量 を 調節 する 露出 が 巧く 行かず ピント位置 外 の ボケ や
視野 の 狭さ から 重く 長い 屈折レンズ の 構成 を 採用 し 続けて いる
眼鏡 / メガネ
視力 が 極度 に 悪い / 強度数 の 人 は 高屈折 レンズ で 少し でも 薄く 出来る
１.５０ や １.７０ 等 数字 が 大きい方 が 高屈折 で 視力検査 は 円 の 切れ目 を 判断 する
ランドルト環等 で 分解能 を 測る テスト でも あり 分解 出来る よう に 度数 / 強さ / 倍率 や
角膜 や 水晶体 の 歪 / 乱視 を 補正 し 各要素 を 組み合わせる
乱視 は 縦横 等 で 度数 が 違う 不均一 な 状態
屈折率 ： プラスチックレンズ で １.７５程 まで ： ガラスレンズ で １.９ 程 と ガラスレンズ が 薄い
比重 ： プラスチックレンズ で 〜 １.４ 程 ： ガラスレンズ で 〜 ４ 程 と プラスチックレンズ が 軽い
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