Катадиоптрическая система

Катадиоптрическая оптическая система — это система, в которой преломление и отражение сочетаются в оптической системе, обычно через линзы ( диоптрики ) и изогнутые зеркала ( катоптрики ). Катадиоптрические комбинации используются в системах фокусировки, таких как , налобные фонари , ранние системы фокусировки маяков , оптические телескопы , микроскопы и телеобъективы прожекторы . Другие оптические системы, в которых используются линзы и зеркала, также называются «катадиоптрическими», например, наблюдения катадиоптрические датчики .

Ранние катадиоптрические системы

Катадиоптрические комбинации использовались во многих ранних оптических системах. В 1820-х годах Огюстен-Жан Френель разработал несколько катадиоптрических версий своей линзы Френеля с отражателем маяка . ^[1] Леон Фуко разработал катадиоптрический микроскоп в 1859 году, чтобы противодействовать аберрациям, возникающим при использовании линз для изображения объектов при большом увеличении. ^[2] В 1876 году французский инженер А. Манжен изобрел так называемое зеркало Манжена — вогнутый стеклянный отражатель с серебряной поверхностью на задней стороне стекла. Две поверхности отражателя имеют разные радиусы, чтобы исправить аберрацию сферического зеркала. Свет проходит через стекло дважды, благодаря чему вся система действует как тройная линза . ^[3] Зеркала Манжена использовались в прожекторах, где они давали почти параллельный луч. Во многих катадиоптрических телескопах используются отрицательные линзы с отражающим покрытием на задней стороне, которые называются «зеркалами Манжена», хотя они не являются одноэлементными объективами, как оригинальный Манжен, а некоторые даже появились раньше изобретения Манжена. ^[4]

Катадиоптрические телескопы

Катадиоптрические телескопы — это оптические телескопы , в которых для формирования изображения используются зеркала и линзы особой формы. Обычно это делается для того, чтобы телескоп мог иметь в целом большую степень коррекции ошибок, чем его цельнолинзовые или полностью зеркальные аналоги, и, следовательно, более широкое поле зрения без аберраций . Их конструкции могут иметь простые сферические поверхности и использовать изогнутый оптический путь, который уменьшает массу телескопа и упрощает их производство. Многие типы используют «корректоры», линзу или изогнутое зеркало 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 катадиоптрического телескопа. Они состоят из одноэлементного преломляющего телескопа объектива в сочетании с отрицательной линзой с серебряной основой (похожей на зеркало Манжена). Первым из них был гамильтонов телескоп, запатентованный У. Ф. Гамильтоном в 1814 году. Медиальный телескоп Шупмана, разработанный немецким оптиком Людвигом Шупманом в конце XIX века, поместил катадиоптрическое зеркало за фокус первичного рефрактора и добавил третье корректирующее/фокусировочное зеркало. 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. В этих конструкциях все поверхности являются «сферически симметричными». ^[5] и первоначально были изобретены как модификации оптических систем на основе зеркал ( телескопов-рефлекторов ), 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 (корректор), которая слегка искривляет падающий свет, позволяя сферическому зеркалу отображать объекты, находящиеся на бесконечности . Некоторые из этих конструкций были адаптированы для создания компактных катадиоптрических кассегренов с длинным фокусным расстоянием .

Пластина-корректор Шмидта

Корректор Шмидта , первая корректирующая пластина полного диаметра, использовался в Бернхарда Шмидта 1931 года камере Шмидта . Камера Шмидта представляет собой широкоугольный фотографический телескоп с корректирующей пластиной в центре кривизны главного зеркала, создающий изображение в фокусе внутри узла трубки в главном фокусе, где установлена изогнутая пленочная пластинка или детектор. Относительно тонкий и легкий корректор позволяет создавать камеры Шмидта диаметром до 1,3 м. Изготовление корректора сложной формы требует нескольких процессов: начиная с плоского куска оптического стекла, помещая вакуум на одну его сторону, чтобы изогнуть весь кусок, затем шлифовать и полировать другую сторону до плоского состояния, чтобы получить точную форму, необходимую для коррекции сферическая аберрация, вызванная главным зеркалом. Конструкция подходила для многих вариантов Шмидта .

Популярные подтипы

Путь света в системе Шмидта – Кассегрена.

Телескопы Шмидта-Кассегрена — одна из самых популярных коммерческих конструкций на любительском астрономическом рынке. ^[6] серийно производятся с 1960-х годов. В конструкции держатель пленки камеры Шмидта заменяется вторичным зеркалом Кассегрена, образуя сложенный оптический путь с большим фокусным расстоянием и узким полем зрения.

Корректор мениска

Идея заменить сложную пластину-корректор Шмидта простой в изготовлении сферической менисковой линзой с полной апертурой ( оболочкой мениска-корректора ) для создания широкоугольного телескопа пришла в голову как минимум четырем оптическим конструкторам в раздираемой войной Европе начала 1940-х годов. в том числе Альберт Бауэрс (1940), Дмитрий Дмитриевич Максутов (1941), К. Пеннинг и Деннис Габор (1941). ^[7]^[8] Секретность военного времени не позволяла этим изобретателям узнать о проектах друг друга, в результате чего каждое из них было независимым изобретением. Альберт Бауэрс построил прототип менискового телескопа в августе 1940 года и запатентовал его в феврале 1941 года. Он использовал сферически-концентрический мениск и годился 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, телескопа Максутова , в октябре 1941 года и запатентовал его в ноябре того же года. ^[9] Его конструкция исправляла сферические и хроматические аберрации путем размещения слабого корректора мениска отрицательной формы ближе к главному зеркалу.

Популярные подтипы

Путь света в менисковом телескопе (Максутов–Кассегрен)

Телескопы Максутова – Кассегрена — наиболее распространенная 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 (сложенный оптический путь) с узким полем зрения. Эта дизайнерская идея появилась в заметках Дмитрия Максутова 1941 года и первоначально была развита в коммерческих проектах Лоуренсом Браймером ( Questar , 1954 ) и Джоном Грегори ( патент 1955 года ). ^[10]) . Комбинация корректора с посеребренным вторичным пятном делает Максутова-Кассегрена неприхотливым в обслуживании и надежным, поскольку их можно герметично герметизировать и зафиксировать в совмещении ( коллимация ).

Корректорная линза Хоутона

Телескоп Хоутона или телескоп Лурье-Хоутона представляет собой конструкцию, в которой используется широкая составная положительно-отрицательная линза по всей передней апертуре для коррекции сферической аберрации главного зеркала. При желании два элемента корректора можно изготовить из одного типа стекла, поскольку хроматическая аберрация корректора Хоутона минимальна.

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

Субапертурные корректоры

В конструкциях субапертурных корректоров элементы корректора обычно находятся в фокусе гораздо более крупного объектива. Этими элементами могут быть как линзы, так и зеркала, но, поскольку задействовано несколько поверхностей, добиться хорошей коррекции аберраций в этих системах может быть очень сложно. ^[4] К примерам субапертурных катадиоптрических телескопов-корректоров относятся телескоп Аргунова-Кассегрена , телескоп Клевцова-Кассегрена и субапертурный корректор Максутов, которые используют в качестве « вторичного зеркала » оптическую группу, состоящую из линзовых элементов, а иногда и зеркал, предназначенных для исправления аберраций. а также ньютоновские телескопы Джонса-Берда, в которых используется сферическое главное зеркало в сочетании с небольшой линзой-корректором, установленной рядом с фокусом. ^[11]

Фотографические катадиоптрические линзы

Пример катадиоптрической линзы с « мангинскими зеркалами » на задней поверхности (Minolta RF Rokkor-X 250mm f/5,6)

Различные типы катадиоптрических систем также используются в объективах фотоаппаратов, известных также как катадиоптрические линзы ( CAT ), зеркальные линзы или зеркальные линзы . В этих объективах используется некоторая форма конструкции кассегрена, которая значительно уменьшает физическую длину оптического узла, частично за счет сгибания оптического пути, но в основном за счет телефотоэффекта выпуклого вторичного зеркала, которое многократно увеличивает фокусное расстояние (от 4 до 5 раз). ^[12] В результате создаются объективы с фокусным расстоянием от 250 мм до 1000 мм и более, которые намного короче и компактнее, чем их длиннофокусные или телеобъективные аналоги. Более того, хроматическая аберрация , основная проблема длинных преломляющих линз, и внеосевая аберрация , основная проблема рефлекторных телескопов, почти полностью устраняются катадиоптрической системой, что делает создаваемое ими изображение пригодным для заполнения большой фокальной плоскости камеры. .

Однако катадиоптрические линзы имеют ряд недостатков. Тот факт, что у них есть центральное препятствие, означает, что они не могут использовать регулируемую диафрагму для управления светопропусканием. ^[13] объектива Это означает, что значение числа F привязано к общему расчетному фокусному соотношению оптической системы (диаметр главного зеркала, разделенный на фокусное расстояние). Невозможность остановить линзу приводит к тому, что катадиоптрическая линза имеет короткую глубину резкости. Экспозиция обычно регулируется путем размещения фильтров нейтральной плотности на передней или задней части объектива. Их передаточная функция модуляции показывает низкий контраст на низких пространственных частотах . Наконец, их наиболее характерной особенностью является кольцевая форма расфокусированных областей изображения, создающая «размытие радужной оболочки» или боке в форме пончика , вызванное формой входного зрачка .

Во второй половине 20 века несколько компаний производили катадиоптрические линзы. Nikon (под названиями Mirror- Nikkor , а затем Reflex- Nikkor ) и Canon предлагали несколько моделей, 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 последние из этих брендов до сих пор активно производят ряд катадиоптрических линз для использования в современных системных камерах. Sony (ранее Minolta) предложила катадиоптрический объектив с фокусным расстоянием 500 мм для своей серии камер Alpha. Объектив Sony отличался тем, что был единственным зеркальным объективом, производимым крупным брендом, с автофокусировкой (не считая идентичного объектива, произведенного Minolta, который предшествовал производству Sony).

Галерея катадиоптрических линз

Катадиоптрическая линза 500 мм, установленная на Yashica FX-3.
Катадиоптический объектив Minolta AF 500 мм F/8, установленный на Sony Alpha 55. камере
Максутов МС МТО-11СА
Самьянг 500 мм f/8
Зеркальный объектив Nikon 500 мм f/8

См. также

Ссылки

^ Британская энциклопедия, 1911 г.
^ Уильям Тобин, Жизнь и наука Леона Фуко: человек, доказавший, что Земля вращается, Уильям Тобин, страница 214
^ Основы оптического проектирования инфракрасных систем Макс Дж. Ридл
^ Jump up to: ^а ^б - Владимир Сацек, Telescope-optics.net, Заметки о ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ОПТИКЕ ТЕЛЕСКОПА, КАТАДИОПТРИЙНЫХ ТЕЛЕСКОПАХ, 10.2.1
^ Джон Дж. Савард, «Разные размышления»
^ Сачек, Владимир (14 июля 2006 г.). «11.5. Телескоп Шмидта–Кассегрена (SCT)» . Телескопическая оптика . Владимир Сацек . Проверено 5 июля 2009 г.
^ Основы конструкции линз, Рудольф Кингслейк, стр. 313, катадиоптрическая немоноцентрическая конструкция.
^ Справочник по оптическим системам, Обзор оптических инструментов, Герберт Гросс, Ханнфрид Цюгге, Фриц Блехингер, Бертрам Ахтнер, стр. 806
^ «Дмитрий Максутов: Человек и его телескопы Эдуарда Тригубова и Юрия Петрунина» . Архивировано из оригинала 22 февраля 2012 г. Проверено 24 августа 2009 г.
^ патент PDF, РАСПРОСТРАНЕН: Национальной службой технической информации США. Архивировано 4 июня 2011 г. в Wayback Machine.
^ 10.1.2. Примеры субапертурных корректоров: однозеркальные системы - Jones-Bird
^ Астрономические хаки Роберт Брюс Томпсон, Барбара Фритчман Томпсон, стр. 59
^ Р.Э. Джейкобсон, Сидни Ф. Рэй Руководство по фотографии , стр. 95

Внешние ссылки

телескоп-оптика.net, КАТАДИОПТРИЙНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ
Научитесь любить свою зеркальную линзу – с сайта olympuszuiko.com

[1] Британская энциклопедия, 1911 г.

[2] Уильям Тобин, Жизнь и наука Леона Фуко: человек, доказавший, что Земля вращается, Уильям Тобин, страница 214

[3] Основы оптического проектирования инфракрасных систем Макс Дж. Ридл

[telescope-optics.net-4] Jump up to: ^а ^б - Владимир Сацек, Telescope-optics.net, Заметки о ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ОПТИКЕ ТЕЛЕСКОПА, КАТАДИОПТРИЙНЫХ ТЕЛЕСКОПАХ, 10.2.1

[5] Джон Дж. Савард, «Разные размышления»

[Sacek11_5-6] Сачек, Владимир (14 июля 2006 г.). «11.5. Телескоп Шмидта–Кассегрена (SCT)» . Телескопическая оптика . Владимир Сацек . Проверено 5 июля 2009 г.

[7] Основы конструкции линз, Рудольф Кингслейк, стр. 313, катадиоптрическая немоноцентрическая конструкция.

[8] Справочник по оптическим системам, Обзор оптических инструментов, Герберт Гросс, Ханнфрид Цюгге, Фриц Блехингер, Бертрам Ахтнер, стр. 806

[9] «Дмитрий Максутов: Человек и его телескопы Эдуарда Тригубова и Юрия Петрунина» . Архивировано из оригинала 22 февраля 2012 г. Проверено 24 августа 2009 г.

[10] патент PDF, РАСПРОСТРАНЕН: Национальной службой технической информации США. Архивировано 4 июня 2011 г. в Wayback Machine.

[11] 10.1.2. Примеры субапертурных корректоров: однозеркальные системы - Jones-Bird

[12] Астрономические хаки Роберт Брюс Томпсон, Барбара Фритчман Томпсон, стр. 59

[13] Р.Э. Джейкобсон, Сидни Ф. Рэй Руководство по фотографии , стр. 95

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]