球面収差から波面収差への変換(1)


日本の天文雑誌に載っている望遠鏡の収差測定関係の記事を見ていると、 球面収差までは正しく求められているものの、球面収差から波面収差(天文 雑誌では波面精度とか波面誤差などと書かれる場合が多いようですが) への変換が、どうもうまくいっていない場合がある(採用している変換式の問題?) のではないかと心配しています。(杞憂であれば良いのですが・・・)

そこで、ここでは、光学の参考書を参考にして、球面収差から波面収差への変換式を まとめると共に、例を示すことにしました。また、次の、球面収差から波面収差への変換(2)に おいては、実際に変換の計算をすることが可能です。

<変換式>

望遠鏡に入射する光線の高さ(光軸からの距離)をh(mm)とすると、球面収差Δs(mm)は、 (6次の項まで考えた場合には)、
Δs(mm)=A1・h2+A2・h4+A3・h6 -----(1)
と表わされます。(球面収差の測定値があれば、それに合うようにカーブフィッティングして係数A1、A2、A3を 求めることができる)

このとき波面収差Wは、
W=∫(Δs)hdh/f2 (積分区間は0〜h)
=(A1/4・h4+A2/6・h6+A3/8・h8 )/f2 -----(2)
で表わされます。ここでf(mm)は望遠鏡の焦点距離です。
このままでは、波面収差はmm単位ですが、(2)式の値を波長で割ることによりλ単位に変換できます。
色々な光線高さhに対して波面収差を計算して、例えば、横軸をh、縦軸を波面収差にとってプロットすると、波面収差曲線を描くことができます。

<像面移動>

以上の(1)(2)式は、近軸像面(入射高が0近傍の光線が光軸と交わる点に設けた像面)を基準にした収差の式ですが、収差を小さくする ために近軸像面からずれた像面(最良像面)を使う場合があり、それを考慮すると(1)(2)式は次の(1’)(2’)式になります。
近軸像面から、光軸方向に像面をA0(mm)だけ移動した場合の式:
球面収差:
Δs(mm)=−A0+A1・h2+A2・h4+A3・h6 -----(1')
波面収差:
W(mm)=(−A0/2・h2+A1/4・h4+A2/6・h6+A3/8・h8 )/f2 -----(2')
この波面収差を波長(mm単位)で割るとλ単位になります。

<例題>

光軸上で0、最外周部で−1mmの2次の球面収差のみをもった望遠鏡を考えます。 仕様は、有効径=100mm、焦点距離=1000mm とします。

2次の球面収差のみであり、像面移動もないので、 A0=A2=A3=0となり、 球面収差の形はΔs(mm)=A1・h2 となります。
h=50mmのときΔs=-1mmとなることから、A1=-0.0004/mm
となり、球面収差はΔs(mm)=-0.0004・h2 となります。

このとき波面収差は、W(mm)=A1/4・h4/f2 =−1x10-10・h4 となります。
この波面収差は光線高hの4次関数で、hが大きいほど絶対値が大きく、 h=50mm(外周部)のとき-0.000625mmになります。これをλ単位で表わすと、(例えば波長を560nm = 0.000560mm とすれば) -0.000625mm/0.000560mm=−1.12λ となります。

<像面移動をした場合>
例題の望遠鏡で、収差が小さくなるように、像面を近軸像面位置から、光軸方向に-0.5mmだけ移動した場合。
0=−0.5mm の項が加わるので、 球面収差はΔs(mm)=0.5−0.0004・h2
波面収差は、W(mm)=(−A0/2・h2+A1/4・h4)/f2 =1x10-6・(0.25 x h2 − 0.0001 x h4)
このとき、波面収差はh=0で0、h=50mm(外周部)で0となり、 h=35.36mm(=50/sqrt(2))のとき最大値0.0001562mmを取り、λ単位で表わすと(560nmの波長では) 0.0001562mm/0.00056mm=0.28λ となります。

<参考文献>
・久保田広 著:「光学」 岩波書店(1964,1981)
・小倉磐夫 著:「現代のカメラとレンズ技術」 写真工業出版社 (1982)



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