Optical　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｏｏｍ（6）

■電視観望に適した色消しレンズについて

　電視観望、ちょこっとカジっただけで実行を伴わないので　どうこう言うのもおこがましいですが、非常に気になるのが、レンズ系で発生するピント位置のズレ。

CMOS撮像素子は　波長　４００〜８００ｎｍぐらいまでの感度がありますが、可視光域と近赤外域とではピント位置が大きく異なります。

可視光と近赤外とを　フィルターでそれぞれ分けて視ないとピントがぼやけて使えない。　これではせっかくの感度も半減しもったいない。

解決のヒントを得たくて　市販のアクロマート色消しレンズで　可視光と近赤外とのピント位置の差を計算してみました。

市販品では　シグマ光機と　エドモンドオプティクスの２社は　レンズデータを公開しています。

例として　口径３０ｍｍ、Ｆ４程度の小口径アクロマートを解析してみました。




★シグマ光機　口径３０ｍｍ、焦点距離１２０ｍｍ

軸上色収差図は　通常描かない波長７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍの曲線を加えました。

　　




★エドモンドオプティクス　口径３０ｍｍ、焦点距離１２５ｍｍ

シグマ光機よりはわずかに軸上色収差が小さいようですが、やはり近赤外となると可視光とのピント差は大きい。

　　


■ＤＵＯナローバンドフィルターによる　電子観望　

ピント位置差の　解決方法として　アクロマートレンズに対して　ＤＵＯナローバンドフィルターを使う方法が提案されています。

眼視用アクロマートレンズは　Ｃ線（６５６ｎｍ）　と　Ｆ線（４８６ｎｍ）　の２波長についてピント位置をそろえる設計が一般的。

だとすれば、　Ｈα輝線（６５６nｍ）　と　Ｏ�V、Ｈβ輝線（４８０〜５１０ｎｍ）のみを透過するフィルターを透せばピントの乖離が解消されるというアイデア。

上記の２種類のアクロマートレンズでそうなるのかシミュレーションしてみましょう。

ＳＰＯＴは　Ｃ線（赤）と　Ｆ線（青）のみに絞って描画。　描画範囲は１００Ｘ１００μｍ


★シグマ光機　口径３０ｍｍ、焦点距離１２０ｍｍ
　　ピントを３０μｍずつ動かしたときのＳＰＯＴ変化です。



★エドモンドオプティクス　口径３０ｍｍ、焦点距離１２５ｍｍ
　　ピントを１００μｍずつ動かしたときのＳＰＯＴ変化です。


いずれも　赤、青の２波長でほぼ同じピント位置で集光しており、　２０μｍ以下のＳＰＯＴを得ることができています。

これは輝線で輝いている散光星雲にとっては上手い解決方法といえるでしょう。



■レンズをＡＰＯ化したらピント差は無くせるか？

ではコストを気にせず、蛍石と　ＫｚＦ５で　分離型の口径１２０ｍｍ、Ｆ４のアポクロマートを設計します。

現実にはこのような小口径にコストを掛けたレンズは存在しないでしょうね。

　　　　　　


ＺＥＭＡＸの自動設計を使うので計算の実行時間は１秒程度。　　数分で適当に設計。　もう少し追い込めばTOAやFOA並みになるかも（笑）。

ヘボな設計でも　軸上色収差は　さっきのアクロマートの　１／３〜１／４ぐらいに減らせることができました。



上は全波長でのＳＰＯＴ図。　　可視〜近赤外の広い波長にわたり、概ね　２０ｕｍ以内のＳＰＯＴに集光しています。

タカハシのTOAアポでは　カタログ値で既に４００〜９００ｎｍまでの理想像が確保されていますので可能なのでしょう。

ただ　ＴＯＡを電視観望に使うには焦点距離が長すぎるし、Ｆも暗い。

将来、電視観望が普及すれば　このような小口径でＦの明るい広帯域アポクロマートも市販されるかも知れません。
　　



■双眼鏡の対物レンズは電視観望に使えるか？

シグマ光機や　エドモンドのアクロマートレンズ、ちょっと高価なので、とりあえず双眼鏡の対物レンズを流用したい。　うまくいくでしょうか？　

双眼鏡には正立化のため光路の長いプリズムが入っています。

そのプリズムガラスを　ＢａＫ４、厚みを９０ｍｍと仮定して、エドモンドのアクロマートをベースにプリズム付で最適化設計しました。

貼り合わせレンズでは上手くいかず、分離式としましたが、軸上色収差も球面収差も小さいアクロマートが設計出来ました。


　　　

C線とF線でのSPOT図は下のようになり、いい感じになっています。




問題はここから。　　プリズムガラスを取り去ります。　ガラスの屈折率を１（空気と同じ）にして、最良像点で軸上収差をを描かせます。

こんな感じのバラけた軸上収差図になってしまいました。



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　
C線とF線で描いたＳＰＯＴ図も　軸上収差図が予測する通り、ピント位置の大きく乖離したものになりました。

電視観望でもプリズムをあえて入れればピント差は解消するでしょうが・・・。

それとも、双眼鏡から対物レンズを取り出すのをやめて、接眼レンズだけを取り外し、代わりにそこにCMOSカメラを置くことができればうまくいきそうです。

ピント合わせ機構とか、多群の対物レンズをそのまま使えます。　　ＥＤ双眼鏡もあるので、良い結果が得られそうです。




■まとめ

　●アクロマートレンズでは近赤外の軸上色収差が大きく、電視観望に使用した場合、ピント位置が可視光とは大きく異なる。

　●F値を明るくとり、近赤外まで広帯域化して、電視観望に適したアポクロマートレンズを設計することは可能。

　●ＤＵＯナローバンドフィルターと　眼視用アクロマートレンズによる　電子観望は　Ｈα、Ｏ�V、Ｈβ輝線で輝いている散光星雲

　　　にとってはピント差を除去する上手い解決方法といえる。

　●双眼鏡のアクロマートレンズ（単体の流用）では　上記のＤＵＯナローバンドフィルターを使ってもピント差が出て上手くいかない。

　　　ただし別の方法で　双眼鏡を流用できそう。

　

　　　　　　　　

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