放物面鏡のコマ収差


天文ガイドの2001年8月号の質問ルームに、「ニュートン反射を絞ってコマ収差を減らしたいが、主鏡を絞る場合と筒先に絞りをつける場合で違いがあるか?」 という内容の質問が載っていました。今回、光学ソフトを使ったシミュレーションにより、ニュートン反射(放物面鏡)のコマ収差の形状を求めるとともに、 口径を絞るとそれがどのように変化するかを求めてみました。

尚、ソフトはFocus Software Inc.のZEMAX-SE (Ver. 9.1) を使用しました。


望遠鏡

元々の望遠鏡は口径100mmF/5(焦点距離500mm)のニュートン反射(放物面鏡)とします。 簡単のため、斜鏡は省きました。波長は550nmの1波長で評価しました。

光線のようす

この望遠鏡(放物面鏡)に光軸に対して1度の角度で入射する光の、像面付近での様子を拡大して表示すると 次の図のようになります。

この図では、光線は右から左に進みます。この図では、尾が上(光軸と反対方向)を向いたコマが生じています。

元の望遠鏡(10cm F/5)でのコマ収差

元の望遠鏡(10cm F/5)で、光軸に対して各々15′、30′、1°の角度で入射する光の、像面(平面)上でのスポットダイアグラム(幾何光学的な像)を上段に、 波動光学的な像(擬似カラー表示)を下段に示しました。

スポットダイアグラム(幾何光学的な像)は、形状を分かりやすくするため各々拡大率が異なっていますが、エアリーディスク直径に 相当する黒い円が入っているのでそれと比較できます(円の直径は6.7μm)。スポットダイアグラムは光線の密度の大小が強度の大小に対応します。

波動光学的な像は4枚とも同じスケールで、横の辺の長さが約64μmです。収差があまり大きくない場合には波動光学的な像の方が実際とより良く一致します。 波動光学的な像は各々の画像で強度の最大値を赤、最小値(ゼロ)を青として擬似カラー表示されています。 各々の画像の最大強度の値を画像の下に示しました(無収差の場合の最大強度を1とした数字)。 各画像毎に最大強度を赤で表示するようにスケーリングされることから、最大強度が弱い場合には淡い部分がより強調されて表示されることになります。

ピント位置について:左側の3列(15′、30′、1°)は視野中心でピントを合わせたときの、 各々視野半径15′、30′、1°での像です。
最も右側の1列「1°(フォーカス後)」は、視野半径1°の部分で ピントを合わせたときの、視野半径1°での像です(従って視野中心の像は劣化します)。 このフォーカス位置は波動光学的な像の最大強度が最大値をとる位置とし、この場合は主鏡から離れる方向に81μmの位置としました。

15′30′1°1°(フォーカス後)
最大強度=0.58最大強度=0.19最大強度=0.07最大強度=0.09

尚、スポットダイアグラム(幾何光学的な像)から得られるスポットサイズは以下になります。
半画角15′30′1°
最大スポット半径17.4μm36.7μm81.2μm
RMSスポット半径7.2μm14.5μm29.8μm


主鏡をφ80mmに絞った場合(8cm F/6.25)のコマ収差

主鏡をφ80mmに絞った場合です。焦点距離は500mmなのでF/6.25になります。

スポットダイアグラム(幾何光学的な像)は、形状を分かりやすくするため各々拡大率が異なっていますが、エアリーディスク直径に 相当する黒い円が入っているのでそれと比較できます(円の直径は8.4μm)。
波動光学的な像は4枚とも同じスケールで、横の辺の長さが約80μmです。
「1°(フォーカス後)」のフォーカス位置は、主鏡から離れる方向に67μmの位置としました。
(より詳しい説明は元の望遠鏡(10cm F/5)での説明を参照)

15′30′1°1°(フォーカス後)
最大強度=0.86最大強度=0.53最大強度=0.18最大強度=0.23

尚、スポットダイアグラム(幾何光学的な像)から得られるスポットサイズは以下になります。
半画角15′30′1°
最大スポット半径11.3μm24.1μm54.3μm
RMSスポット半径4.6μm9.3μm19.4μm


鏡筒先端をφ80mmに絞った場合(8cm F/6.25)のコマ収差

鏡筒先端をφ80mmに絞った場合です。主鏡の焦点距離は500mmなのでF/6.25になります。
鏡筒先端と主鏡との間隔は500mmと仮定しました。

検討したのは半画角1°(直径2°)までの視野で、この範囲では主鏡の有効径はφ97.4mmあれば ケラレないので、今回のφ100mm径の主鏡ではケラレません。 ただし、半画角が1.15度(直径2.3度)を越えると、主鏡位置での光束径がφ100mmを越えるので主鏡でのケラレが生じます。 (実際には、それ以前に斜鏡でのケラレが発生するかもしれませんね)

スポットダイアグラム(幾何光学的な像)は、形状を分かりやすくするため各々拡大率が異なっていますが、エアリーディスク直径に 相当する黒い円が入っているのでそれと比較できます(円の直径は8.4μm)。
波動光学的な像は4枚とも同じスケールで、横の辺の長さが約80μmです。
「1°(フォーカス後)」のフォーカス位置は、主鏡から離れる方向に76μmの位置としました。
(より詳しい説明は元の望遠鏡(10cm F/5)での説明を参照)

15′30′1°1°(フォーカス後)
最大強度=0.86最大強度=0.55最大強度=0.16最大強度=0.20

尚、スポットダイアグラム(幾何光学的な像)から得られるスポットサイズは以下になります。
半画角15′30′1°
最大スポット半径10.9μm22.5μm48.0μm
RMSスポット半径4.6μm9.3μm18.9μm


まとめ

10cm F/5ニュートン反射を8cmに絞った場合:
・主鏡を絞った場合も筒先を絞った場合も、絞らない場合に比べてコマ収差が大きく改善される
・主鏡を絞った場合と筒先を絞った場合での差は微妙?
というところでしょうか。

尚、筒先を絞った場合の方が、視野周辺でのケラレ(周辺光量低下につながる)は発生しやすいと思います。


補足1(ケラレについて)

「まとめ」のところで、「筒先を絞った場合の方が、視野周辺でのケラレ(周辺光量低下につながる)は発生しやすい」と 書きましたが、それは例えば以下のように考えて、 ケラレの無い視野がどちらが広いかで判断しました(斜鏡でのケラレを無視して、筒先または主鏡でのケラレだけを考えた場合)。

主鏡径:100mm(半径50mm)(焦点距離500mm、筒先までの距離500mm)とする。
筒先の内径:主鏡径より大きく例えば130mm(半径65mm)とする。

(1)主鏡径を80mm(半径40mm)に絞った場合:
      筒先でケラレない視野半径は、tanθ=(65mm-40mm)/500mm=0.05より、
      θ=2.86度(半径)まで。

(2)筒先の径を80mm(半径40mm)に絞った場合:
      主鏡でケラレない視野半径は、tanθ=(50mm-40mm)/500mm=0.02より、
      θ=1.14度(半径)まで。


ニュートン反射では、主鏡径よりも筒先内径の方が通常は大きいので、
筒先を絞った場合の方がケラレやすいという結果となりました。

補足2(球心に絞りを置いたとき)

質問はニュートン式の筒先(主鏡からほぼ焦点距離だけ離れた位置)を絞る場合についてでしたが、 球心位置(主鏡から焦点距離の2倍だけ離れた位置)を絞るとどうなるでしょうか。 球面鏡の球心位置に絞りを配置した光学系はコマ収差がなく(球面収差がある)、レンズレス・シュミットとして知られています。 但し、これを実現するとなると鏡筒の長さがニュートン式の2倍になってしまいますが。

球心に絞りを置いた場合について調べてみました(上の検討と同様で、斜鏡の影響は無視しました)。

図のAは、100mm F/5(焦点距離500mm)ニュートン反射(放物面鏡)で、球心位置(主鏡から1000mmの位置)に直径80mmの絞りを 配置したものです(絞りを置くと80mm F/6.25となります)。この場合、視野半径1度の光は主鏡でのケラレが発生しますので、視野半径30′で評価しました(主鏡でのケラレの無い視野半径は34’ほど)。 放物面鏡なので、球心位置に絞りを置いたとしてもコマ収差は発生します。 像面位置は視野半径30′でピントがあう、球心位置よりも48μmだけ主鏡から遠ざかる位置としました。

図のBは、放物面鏡の代わりに球面鏡を用いた場合です。
即ち、口径100mm F5(焦点距離500mm)の球面鏡の球心位置(主鏡から1000mmの位置)に直径80mmの絞りを 配置したものです(絞りを置くと80mm F/6.25となります。主鏡でのケラレの無い視野半径は34’ほど)。
視野半径30′で評価し、像面位置は視野半径30′でピントがあう、球心位置から180μmだけ主鏡に近づく位置としました。 レンズレス・シュミットの構成にしたことによりコマ収差がありません。球面収差は残ります。

ここで残った球面収差を取る方法が2つ考えられますが、そのうちの1つが、絞り位置に非球面の補正板を配置して球面収差を除去するというもので、 これはシュミットカメラそのものです。シュミットカメラですと、Fが明るいまま使えます。
もう1つが、絞り径を更に絞って、球面収差を除こうという方法です。Fが暗くなりますが、補正板を使わなくて済みます。

図のCは、図のBの光学系で、絞りの径を70mmに絞った場合です。
即ち、口径100mm F5(焦点距離500mm)の球面鏡の球心位置(主鏡から1000mmの位置)に直径70mmの絞りを 配置したものです(絞りを置くと70mm F/7.14となります。主鏡でのケラレの無い視野半径は51’ほど)。
視野半径30′で評価し、像面位置は視野半径30′でピントがあう、球心位置から134μmだけ主鏡に近づく位置としました。 絞り径を10mm絞ったことにより球面収差が改善されました。
(尚,図のA,Bと図のCは、F数が異なることが原因で、像の表示エリアのサイズが多少違っています。)

最大強度=0.53最大強度=0.74最大強度=0.90


補足3(白色光)

本検討での像は550nmの単波長で計算したものでした。
では、白色光ではどうなるのか、一例を計算してみました。
選んだ条件は、「元の望遠鏡(10cm F/5)で、視野半径1°(フォーカス後)」の場合です。
波長は、450nm,500nm,550nm,600nm,650nmの重みを1:1:1:1:1の割合としました。

各波長のピッチの異なる回折像が重なって(平均化され)、縞の明暗のコントラストが低下した回折パターンに なっています。
(2001/07/20登録;2001/08/05更新)


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