Катадиоптрическая система - Catadioptric system

Катадиоптрический телескоп Максутова с апертурой 150 мм.

Катадиоптрический оптическая система является одним где преломления и отражения объединяются в оптической системе, как правило , с помощью линз ( диоптрика ) и изогнутых зеркал ( катоптрики ). Линзовый комбинации используются в фокусирующих системах , таких как прожекторы , фары , рано маяк фокусирующих систем, оптические телескопы , микроскопы , и телефото объективов . Другие оптические системы, в которых используются линзы и зеркала, также называются «катадиоптрическими», например системы наблюдения. катадиоптрические датчики .

Ранние катадиоптрические системы

Катадиоптрические комбинации использовались во многих ранних оптических системах. В 1820-х годах Огюстен-Жан Френель разработал несколько катадиоптрических отражателей для маяков. Леон Фуко разработал катадиоптрический микроскоп в 1859 году, чтобы противодействовать аберрациям, возникающим при использовании линз для изображения объектов с высоким увеличением. В 1876 году французский инженер А. Манжен изобрел то, что стало называться зеркалом Манжена - вогнутый стеклянный отражатель с серебряной поверхностью на задней стороне стекла. Две поверхности отражателя имеют разные радиусы для коррекции аберрации сферического зеркала. Свет проходит через стекло дважды, в результате чего вся система действует как тройная линза . Зеркала Манжена использовались в прожекторах, где они давали почти настоящий параллельный луч. Во многих телескопах Catadioptric используются отрицательные линзы с отражающим покрытием на задней стороне, которые называются «зеркалами Манжена», хотя они не являются одноэлементными объективами, как в оригинальном Mangin, а некоторые даже предшествуют изобретению Mangin.

Катадиоптрические телескопы

Катадиоптрические телескопы - это оптические телескопы, которые объединяют зеркала и линзы особой формы для формирования изображения. Обычно это делается для того, чтобы телескоп мог иметь в целом большую степень коррекции ошибок, чем их цельнолинзовые или цельнозеркальные аналоги, с, следовательно, более широким полем зрения без аберраций . Их конструкции могут иметь простые полностью сферические поверхности и использовать сложенный оптический путь, что уменьшает массу телескопа и упрощает их изготовление. Во многих типах используются «корректоры», линзы или изогнутые зеркала в комбинированной оптической системе формирования изображения, так что отражающий или преломляющий элемент может корректировать аберрации, создаваемые его аналогом.

Катадиоптрические диалиты

Катадиоптрические диалиты - самый ранний тип катадиоптрических телескопов. Они состоят из одноэлементного преломляющего объектива телескопа в сочетании с отрицательной линзой с серебряной подложкой (похожей на зеркало Манжена). Первым из них был гамильтонов телескоп, запатентованный У. Ф. Гамильтоном в 1814 году. Медиальный телескоп Шупмана, разработанный немецким оптиком Людвигом Шупманном в конце 19 века, поместил катадиоптрическое зеркало за пределы фокуса первичной части рефрактора и добавил третью корректирующую / фокусирующую объектив к системе.

Полноапертурные корректоры

Существует несколько конструкций телескопов, в которых используется размещение одной или нескольких линз полного диаметра (обычно называемых « корректирующей пластиной ») перед сферическим главным зеркалом. Эти конструкции используют преимущества того, что все поверхности являются «сферически симметричными», и изначально были изобретены как модификации оптических систем на основе зеркал ( отражающих телескопов ), чтобы позволить им иметь плоскость изображения, относительно свободную от комы или астигматизма, чтобы их можно было использовать в качестве астрографических камер. . Они работают, сочетая способность сферического зеркала отражать свет обратно в ту же точку с большой линзой в передней части системы (корректором), которая слегка изгибает падающий свет, позволяя сферическому зеркалу отображать объекты на бесконечности . Некоторые из этих конструкций были адаптированы для создания компактных длиннофокусных катадиоптрических кассегренов .

Пластина корректора Шмидта

Шмидт корректор , первый полный диаметр пластины корректора, был использован в Бернхард Шмидт 1931 «ы Шмидта камеры . Камера Шмидта - это широкопольный фотографический телескоп с корректирующей пластиной в центре кривизны главного зеркала, создающий изображение в фокусе внутри сборки трубки в основном фокусе, где установлена изогнутая пленочная пластина или детектор. Относительно тонкий и легкий корректор позволяет изготавливать камеры Шмидта диаметром до 1,3 м. Сложная форма корректора требует нескольких процессов, начиная с плоского куска оптического стекла, создания вакуума с одной стороны, чтобы изогнуть всю деталь, затем шлифования и полировки другой стороны, чтобы получить точную форму, необходимую для исправления сферическая аберрация, вызванная главным зеркалом. Дизайн поддается множеству вариантов Шмидта .

Популярные подтипы

Световой путь в Шмидте – Кассегрене

Телескопы Шмидта – Кассегрена - одна из самых популярных коммерческих моделей на любительском астрономическом рынке, массовое производство которых началось с 1960-х годов. Конструкция заменяет держатель пленки камеры Шмидта вторичным зеркалом Кассегрена, создавая сложенный оптический путь с большим фокусным расстоянием и узким полем обзора.

Корпус корректора мениска

Идея заменить сложную пластину корректора Шмидта простой в изготовлении полноапертурной сферической менисковой линзой ( оболочка корректора мениска ) для создания широкопольного телескопа пришла в голову по крайней мере четырем разработчикам оптики в раздираемой войной Европе в начале 1940-х годов. в том числе Альберт Бауэрс (1940), Дмитрий Дмитриевич Максутов (1941), К. Пеннинг и Деннис Габор (1941). Секретность военного времени не позволяла этим изобретателям знать о конструкциях друг друга, что привело к тому, что каждый из них стал самостоятельным изобретением. Альберт Бауэрс построил прототип телескопа с мениском в августе 1940 года и запатентовал его в феврале 1941 года. Он использовал сферически концентрический мениск и подходил только в качестве монохроматической астрономической камеры. В более позднем дизайне он добавил цементированный дублет для исправления хроматической аберрации. Дмитрий Максутов построил прототип аналогичного типа менискового телескопа - Максутова - в октябре 1941 года и запатентовал его в ноябре того же года. Его конструкция исправляла сферические и хроматические аберрации, помещая слабый корректор мениска отрицательной формы ближе к главному зеркалу.

Популярные подтипы

Световой путь в менисковом телескопе (Максутова – Кассегрена)

Телескопы Максутова – Кассегрена - наиболее часто встречающаяся конструкция, в которой используется корректор мениска, вариант телескопа Максутова. Он имеет посеребренное вторичное пятно на корректоре, что делает телескоп с длинным фокусным расстоянием, но компактным (оптический путь со складками) с узким полем зрения. Эта дизайнерская идея появилась в заметках Дмитрия Максутова в 1941 году и первоначально была разработана в коммерческих проектах Лоуренсом Бреймером ( Questar , 1954 ) и Джоном Грегори ( патент 1955 года) . Комбинация корректора с посеребренным вторичным пятном делает Максутова – Кассегрена неприхотливым и прочным, так как они могут герметизироваться и фиксироваться в совмещении ( коллимации ).

Линза корректора Houghton

Уравнения конструкции дублетного корректора Хаутона - частный случай симметричной конструкции.

Телескоп Houghton или Лурье-Хоутон телескоп дизайн , который использует широкое соединение положительно-отрицательную линзу по всей передней апертуре для коррекции сферической аберрации главного зеркала. При желании два корректирующих элемента могут быть изготовлены из стекла одного и того же типа, поскольку хроматическая аберрация корректора Хаутона минимальна.

Корректор толще переднего корректора Шмидта-Кассегрена, но намного тоньше корректора мениска Максутова. Все поверхности линз и зеркала имеют сфероидальную форму, что значительно упрощает любительскую конструкцию.

Субапертурные корректоры

Световой путь в телескопе Кассегрена Аргунова

В конструкциях субапертурных корректоров корректирующие элементы обычно находятся в фокусе гораздо большего объектива. Эти элементы могут быть как линзами, так и зеркалами, но, поскольку задействовано несколько поверхностей, добиться хорошей коррекции аберрации в этих системах может быть очень сложно. Примеры субапертуры корректора линзовый телескоп включают Аргунов-Кассегрена телескоп , то телескоп Клевцов-Кассегрена и суб-апертура корректора Maksutovs, что использование в качестве « вторичного зеркала » оптическая группа , состоящая из линзовых элементов , а иногда и зеркал , предназначенных для правильной аберрации, а также ньютоновские телескопы Джонса-Берда, в которых используется сферическое главное зеркало в сочетании с небольшой корректирующей линзой, установленной рядом с фокусом.

Фотографические катадиоптрические линзы

Пример катадиоптрической линзы с « манжиновыми зеркалами » с задней поверхностью (Minolta RF Rokkor-X 250mm f / 5.6)

Различные типы катадиоптрических систем также используются в линзах фотоаппаратов, известных альтернативно как катадиоптрические линзы ( CAT ), отражающие линзы или зеркальные линзы . Эти линзы используют некоторую форму конструкции кассегрена, которая значительно уменьшает физическую длину оптического узла, частично за счет складывания оптического пути, но в основном за счет телеобъектива выпуклого вторичного зеркала, которое многократно увеличивает фокусное расстояние (от 4 до 5 раз). Это создает объективы с фокусным расстоянием от 250 мм до 1000 мм и более, которые намного короче и компактнее, чем их длиннофокусные или телеобъективы. Более того, хроматическая аберрация , основная проблема с длинными преломляющими линзами, и внеосевая аберрация , основная проблема отражающих телескопов, почти полностью устраняются катадиоптрической системой, что делает изображение, которое они создают, подходящим для заполнения большой фокальной плоскости камеры. .

Пример размытия радужной оболочки или боке, создаваемого катадиоптрической линзой за сфокусированным светом.

Однако катадиоптрические линзы имеют несколько недостатков. Тот факт, что у них есть центральное препятствие, означает, что они не могут использовать регулируемую диафрагму для управления светопропусканием. Это означает, что значение F-числа объектива фиксируется в соответствии с общим расчетным фокусным отношением оптической системы (диаметр главного зеркала, деленный на фокусное расстояние). Невозможность остановить линзу приводит к тому, что катадиоптрическая линза имеет небольшую глубину резкости. Экспозиция обычно регулируется путем размещения фильтров нейтральной плотности на передней или задней части объектива. Их функция передачи модуляции показывает низкий контраст на низких пространственных частотах . Наконец, их наиболее характерной особенностью является кольцевая форма расфокусированных областей изображения, создающая боке или размытие радужной оболочки в форме пончика , вызванное формой входного зрачка .

Несколько компаний производили катадиоптрические линзы в конце 20-го века. Nikon (под названиями Mirror- Nikkor и позже Reflex- Nikkor ) и Canon предложили несколько дизайнов, например 500 мм 1: 8 и 1000 мм 1:11. Небольшие компании, такие как Tamron , Samyang , Vivitar и Opteka, также предложили несколько версий, причем три последних из этих брендов все еще активно производят ряд катадиоптрических линз для использования в современных системных камерах. Sony (ранее Minolta) предложила катадиоптрический объектив 500 мм для своей линейки фотоаппаратов Alpha. Объектив Sony отличался тем, что был единственным зеркальным объективом, произведенным крупным брендом, с функцией автофокусировки (помимо идентичного объектива производства Minolta, предшествовавшего производству Sony).