では双眼鏡はどのように機能するのでしょうか?
この総合ガイドでは、双眼鏡の光学系が光を集め、目の前の光景を拡大して表示する仕組みの科学的な仕組みについて説明します。今後の記事では、フォーカスとアイカップの仕組みの背後にある主な仕組みと、利用できるさまざまなオプションについても説明する予定です。
このようにして、最後まで読んでいただければ、双眼鏡の仕組みを理解し、自分のニーズに合った適切な機器を選ぶための準備がはるかに整い、届いたら正しくセットアップして使用し、双眼鏡を最大限に活用できるようになるはずです。それでは始めましょう。
2つの望遠鏡
最も単純な形では、双眼鏡は基本的に 2 つの望遠鏡を並べて構成されています。まず、物事を少し簡単にするために、双眼鏡を半分に切って、望遠鏡の仕組みを学び、最後にそれらを元に戻します。
レンズ、光、屈折
基本的に双眼鏡がどのように機能し、視野を拡大するかは、レンズを使用して光に屈折と呼ばれる現象を引き起こすことによって行われます。
光は真空中を直線的に進みますが、異なる物質を通過すると速度が変わります。
光はガラスや水などの厚い媒体を通過すると減速します。これにより一般に光波が曲がり、この光の曲がりが屈折と呼ばれます。光の屈折により、コップの水の中にストローを入れたときに曲がって見えるようになります。また、光の屈折には多くの便利な目的があり、見ているものを拡大できることが鍵となります。
レンズ
望遠鏡、双眼鏡、さらには老眼鏡などの機器では、単純な平らなガラス板やガラスブロックを使用するのではなく、光波の曲がりをより適切に制御できる多数の個別のレンズ要素から構成される特殊な形状のガラスレンズが使用されています。
対物レンズ
双眼鏡のレンズ（見ている物体に最も近いレンズ）は凸型で、中心が外側よりも厚くなっています。収束レンズとして知られるこのレンズは、遠くの物体からの光を捉え、屈折によって光が曲がってガラスを通過するときに集まります（収束します）。その後、光波はレンズの後ろの一点に焦点を合わせます。
接眼レンズ
そして、この焦点を絞った光を拡大し、あなたの目へと送ります。
倍率
まず光が被写体から伝わり、実像が作られる。A対物レンズによって生成された像は接眼レンズによって拡大され、虚像として観察される。Bその結果、拡大された物体は目の前にあり、被写体よりも近くにあるように見えます。
6倍、7倍、8倍、10倍、またはそれ以上。
画像の拡大量は、対物レンズの焦点距離を接眼レンズの焦点距離で割った比率によって決まります。
したがって、たとえば、拡大率が 8 の場合、被写体の 8 倍の大きさに見える仮想画像が生成されます。
必要な倍率は用途によって異なりますが、倍率が高ければ高いほど双眼鏡の性能が良いと考えるのは間違いです。倍率が高いと多くのデメリットも生じます。詳細については、こちらの記事をご覧ください: 倍率、安定性、視野、明るさ
上の図からもわかるように、虚像は反転しています。以下では、なぜこのようなことが起こるのか、またどのように修正されるのかを見ていきます。
逆さまの画像
これは素晴らしいことです。天文学などの用途で単に望遠鏡を作るだけであれば、話はここで終わります。
実際、2 つのレンズを密閉チューブで分離するだけで、簡単な望遠鏡を簡単に作ることができます。実際、これが史上初の望遠鏡が作られた方法です。
しかし、これを通して見ると、見える画像が上下逆さまになって鏡像になっていることに気づくでしょう。これは、凸レンズによって光が収束するときに交差するためです。
実際、腕の長さくらいのところに虫眼鏡を持ち、それを通して遠くの物体を見ると、これを簡単に実証できます。画像が上下逆さまになり、逆さまに鏡映しになっているのがわかります。
遠くの星を見る場合、これはあまり問題にはなりませんし、実際、多くの天体望遠鏡は補正されていない画像を生成しますが、地上での使用では問題になります。幸いなことに、解決策がいくつかあります。
画像補正
双眼鏡やほとんどの地上望遠鏡（スポッティング スコープ）の場合、これを実現するには、主に 2 つの方法があります。接眼レンズに凹レンズを使用するか、像正立プリズムを使用します。
ガリレオ光学
17 世紀にガリレオ・ガリレイが発明した望遠鏡に使われたガリレオ光学は、通常は凸レンズの対物レンズを使用しますが、接眼レンズには凹レンズ システムを使用します。
凹レンズは発散レンズとも呼ばれ、光線を広げます（発散させます）。そのため、凸レンズと対物レンズの距離を正しく保つことで、光線が交差するのを防ぎ、像が反転するのを防ぐことができます。
低コストで簡単に作れるこのシステムは、今日でもオペラや劇場の双眼鏡に使用されています。
ただし、欠点としては、高倍率を得るのが難しく、視野がかなり狭くなり、画像の端で画像が大きくぼやけてしまうことが挙げられます。
これらの理由から、ほとんどの用途ではプリズム システムがより良い選択肢と見なされます。
プリズムを用いたケプラー光学
接眼レンズに凹レンズを使用するガリレオ光学とは異なり、ケプラー光学系は対物レンズと接眼レンズに凸レンズを使用しており、一般的にガリレオの設計の改良版と考えられています。
ただし、画像はまだ補正する必要があり、これはプリズムを使用して実現されます。
反転した画像を修正する
現代の双眼鏡のほとんどは鏡のように機能し、光を反射して方向を変え、像を修正する正立プリズムを使用しています。
標準的な鏡は朝に自分自身を見るのに最適ですが、双眼鏡では光が単に 180 度反射されて元の場所に戻るだけでは役に立ちません。その場合、画像を見ることができないからです。
ポロプリズム
この問題は、まずポロプリズムのペアを使用することで解決されました。イタリアの発明家イグナツィオ・ポロにちなんで名付けられたポロプリズムは、鏡のように光を 180 度反射して元の方向に戻しますが、入射光と平行に反射し、同じ経路に沿って反射することはありません。
これは、2 つのポロ プリズムを互いに直角に配置することができるため、非常に役立ちます。つまり、光を反射して、反転した画像の向きを変えるだけでなく、同じ方向に効果的に進み、接眼レンズに向かうことができるようになります。
実際、直角に配置されたこれら 2 つのポロ プリズムが双眼鏡に伝統的で象徴的な形状を与え、接眼レンズが対物レンズよりも近くに配置されているのはこのためです。
ルーフプリズム
ポロプリズムの他にも、それぞれ独自の利点を持つデザインが数多くあります。
そのうちの 2 つ、アッベ・ケーニッヒ プリズムとシュミット・ペシャン プリズムは、現在双眼鏡で一般的に使用されているルーフ プリズムの一種です。
これらのうち、シュミット・ペシャン・プリズムは、対物レンズと一直線に接眼レンズを配置した、よりコンパクトでスリムな双眼鏡を製造できるため、最も一般的です。欠点は、全反射を実現し、位相シフトと呼ばれる現象を排除するために、いくつかの特殊コーティングが必要になることです。
双眼鏡が望遠鏡より短い理由
プリズムを使用する 2 つ目の利点は、光がプリズムを通過するときに 2 回反転して元に戻るため、その空間での光の移動距離が長くなることです。
したがって、対物レンズと接眼レンズの間の必要な距離も短くなるため、双眼鏡の全体の長さも短くなります。双眼鏡にはプリズムがないため、同じ倍率の屈折望遠鏡よりも短くなります。