APQ 光学設計

最新のCMOSセンサーには、ますます高度化する像品質要求に応えられる革新的な光学設計が必要だと考えています。

新開発のFluorite Quadruplet Polychromatは眼視観測にも大きな利点があります。多くのアポクロマートとは異なり、可視スペクトルの両端でもストレール比が回折限界付近またはそれ以下へ低下しません。

当社の新しい天文用対物レンズの光学設計を以下に詳しく示します。設計は光学技術のDipl.-Ing. (FH)であるUwe Lauxによるものです（詳細は Laux, Uwe: Astrooptik. Optik-Systeme für die Astronomie. 第3改訂増補版, 2017, pp. 146–155 および関連特許出願をご参照ください）。

目標
4枚構成
ストレール
遮断
プロフェッショナル
油接合
ARコーティング

新世代の天文用対物レンズを開発する中で、古典的なアポクロマート・トリプレット設計では、最新の電子センサー（CCD、CMOS）が持つUBVRI全波長域（365 nm～1014 nm）の一部しか活用できないことが早い段階で明らかになりました。

そこで新世代では、この広い波長域全体で実質的に収差のない結像を実現できる設計を目標としました。そのためには複数の条件を満たす必要があります。

最新のトリプレット・アポクロマートでも、特に問題となるガウス誤差（スフェロクロマティズム）を完全に補正することはできません。

正弦条件または等方像条件を満たして初めて、光学系は収差補正された像を形成できます。このような対物レンズをアプラナート対物レンズと呼びます。

ポリクロマティック像品質を計算上だけ有利に見せるような人工的な重み付けは行いません。それでは光学補正そのものは改善しないからです。代わりに、365 nm～1014 nmの各波長をすべて同じ重み1で扱う波長表を用いて光学系を最適化します。

その結果、CaF₂要素を特殊光学ガラス製要素の間で保護する4枚構成のポリクロマティック基本系が得られます。

ポリクロマティック対物レンズの4枚構成は、口径約130 mm以上の大型屈折望遠鏡に特に適しています。軸上色収差とスフェロクロマティズムを非常に効果的に補正できます。

軸上色収差はポリクロマティック補正に特有の挙動を示し、その曲線は3波長を超える複数の波長で平均像面と交差します。

この光学設計は、365 nm（UV）から1014 nm（IR）までの波長域全体でストレール比≥0.9、すなわち回折限界像品質という当社の目標を完全に達成します。

この新しい光学系および設計については、"Polychromatisches Objektiv und Verfahren zum Entwurf eines polychromatischen Objektivs"の名称でドイツ特許商標庁（DPMA）へ特許出願し、出願番号は10 2016 123 732.9です。

眼視観測およびCCD撮像では、ほぼ無収差の結像を実現します。像は明るく、色収差、非点収差、コマ収差、球面収差、ガウス誤差がほとんどなく、理論限界に近い分解能が得られます。

特に高度な惑星観測では、鮮明で細部に富み高コントラストな像品質により非常に高い倍率を使用でき、従来のアポクロマート光学系に対する光学的優位性が明確になります。

多くのアポクロマートとは異なり、可視スペクトルの端でもストレール比が回折限界付近またはそれ以下へ低下しません。以下は436 nm～707 nmの波長域へ正規化した比較です：

可視スペクトル域におけるAPQ 150/1200 PolychromatとCarl Zeiss APQ 150/1200 Apochromatの比較：ストレール比と波長（436 nm – 707 nm）

4枚構成Polychromat基本系の優れた像品質により、フィールドコレクターや、Barlow システム、Focal Reducer Correctorなどの焦点距離変換系と組み合わせることができます。

使用可能波長域は365 nm～1014 nmに達し、古典的なアポクロマート・ダブレットおよびトリプレット対物レンズの限られた可視波長域（通常それぞれ436 nm～656 nm、480 nm～707 nm）と比べ最大約3倍広くなります。

これにより、大きな像対角、高画素数、高量子効率を持つ最新CCD・CMOSセンサーのUBVRI利用波長域のうち、UVおよびIR側の大きな追加領域も利用できます。

特に、新しいフローライト4枚構成 Polychromatの使用可能波長域は、最新CCD・CMOSセンサーの分光感度域と非常によく一致します。

これにより、通常の可視波長域では見えないUV・IR領域の構造を捉えられるようになり、新たな研究・観測分野が開かれます。

フルオロリン酸ガラスやCaF₂を用いたアポクロマート・ダブレット／トリプレット対物レンズでは通常、最適化された可視域外の波長成分を抑えるためUV/IR遮断フィルターが必要です。

これらのアポクロマートは可視波長域向けに設計されているため、十分にシャープな像を得るには通常、その範囲外の波長成分をフィルターで除去する必要があります。

一方、フローライト4枚構成 Polychromatでは、このようなUV/IR遮断フィルターは不要なだけでなく、観測対象の分光情報を取り除くため逆効果になる場合があります。

4枚構成の基本設計を出発点として、要素の追加、流体光学結合媒体から空気間隔への変更、ガラス‐空気面への非球面採用、従来光学ガラスから結晶材料その他の特殊光学媒体への置換などにより、f/1～f/8のPolychromatを派生設計できます。

こうした特殊Polychromatの用途には、320 nm～2500 nmの使用可能波長域を持つアストログラフのほか、特殊エシェル分光器、焦点短縮系、現代のプロ天文学向けカメラシステムなどが含まれます。

レンズ要素間に透明な流体光学媒体を用いる油接合構造には、従来の空気間隔構造に対していくつかの利点があります：

結合油は隣接レンズ要素間の熱起因応力を防ぎます。

油膜は、空気間隔で生じ得るレンズ面間の相対的な傾きを防ぎます。

ガラス‐空気面が少ないため迷光が減少し、光学系の透過率が向上します。

光学系が周囲温度へより速く追従し、熱的挙動が改善します。

従来の反射防止（AR）コーティングは一般に可視波長域のみへ最適化されているため、ポリクロマティック対物レンズの広帯域性能には十分対応できません。

そこで当社は、フローライト4枚構成 Polychromat向けに新しい超広帯域ARコーティングの開発を委託しました。その平均残留反射率R_AVG は、365 nm（UV）～1014 nm（IR）の全波長域で<0.7 %という極めて低い値です。

非球面を採用し空気間隔を持たない仕様では、4枚構成Polychromatの外部ガラス‐空気面はわずか2面です。超広帯域ARコーティングと合わせ、残留反射を物理的な最小限まで低減します。

UVからIRまで高い透過率を持つCaF₂と、空気間隔のない油接合構造の組み合わせにより、システム透過率をさらに高め、反射を最小化します。

現在利用可能なARコーティング技術により、実用上の使用波長域は365 nm～1014 nmに制限されます。

特殊用途向けには、UV用またはIR用の特殊ARコーティングをオプションとして提供できます。

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