Катадиоптрическая система - Catadioptric system

150 мм отверстие катадиоптрический Максутовский телескоп

А катадиоптрическая оптическая система тот, где преломление и отражение объединены в оптическую систему, обычно через линзы (диоптрика ) и изогнутые зеркала (катоптрики ). Катадиоптрические комбинации используются в системах фокусировки, таких как прожекторы, фары, рано маяк системы фокусировки, оптические телескопы, микроскопы, и телефото линзы. Другие оптические системы, в которых используются линзы и зеркала, также называются «катадиоптрическими», например наблюдение катадиоптрические датчики.

Ранние катадиоптрические системы

Катадиоптрические комбинации использовались во многих ранних оптических системах. В 1820-е гг. Огюстен-Жан Френель разработал несколько катадиоптрических светоотражателей для маяков.[1] Леон Фуко разработал катадиоптрический микроскоп в 1859 году, чтобы противодействовать аберрациям, возникающим при использовании линз для изображения объектов с высоким увеличением.[2] В 1876 г. французский инженер А. Манжен изобрел то, что впоследствии стало называться Зеркало Mangin, 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, заставляя систему в целом действовать как тройная линза.[3] Зеркала Манжена использовались в прожекторах, где они давали почти настоящий параллельный луч. Много Катадиоптрические телескопы используйте негативные линзы с отражающим покрытием на обратной стороне, которые называются «зеркалами Mangin», хотя они не являются одноэлементными объективами, как оригинальные Mangin, а некоторые даже предшествуют изобретению Mangin.[4]

Катадиоптрические телескопы

Катадиоптрические телескопы находятся 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 исправления ошибок, чем их цельнолинзовые или цельнозеркальные аналоги, с, следовательно, более широким безаберрационным поле зрения. Их конструкции могут иметь простые полностью сферические поверхности и использовать сложенный оптический путь, что снижает массу телескопа, что упрощает их изготовление. Во многих типах используются «корректоры», линза или изогнутое зеркало в комбинированном оптическая система формирования изображения так что отражающий или преломляющий элемент может корректировать аберрации, производимые его аналогом.

Катадиоптрические диалиты

Катадиоптрический диалиты являются самым ранним типом катадиоптрических телескопов. Они состоят из одноэлементной рефракторный телескоп задача в сочетании с негативной линзой с серебряной подложкой (похожей на зеркало Манжена). Первым из них был гамильтонов телескоп, запатентованный В. Ф. Гамильтоном в 1814 году. Средний телескоп Шупмана, разработанный немецким оптиком. Людвиг Шупманн ближе к концу XIX века катадиоптрическое зеркало было помещено за пределы фокуса первичного рефрактора и добавлена ​​третья корректирующая / фокусирующая линза в систему.

Полноапертурные корректоры

Существует несколько конструкций телескопов, в которых используется одна или несколько линз полного диаметра (обычно называемых "пластина корректора") перед сферическим главным зеркалом. Эти конструкции используют преимущества того, что все поверхности" сферически симметричны "[5] и изначально были изобретены как модификации оптических систем на основе зеркал (отражающие телескопы ), чтобы позволить им иметь плоскость изображения, относительно свободную от кома или астигматизм чтобы их можно было использовать как астрографический камеры. 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 бесконечность. Некоторые из этих конструкций были адаптированы для создания компактных катадиоптрических линз с большим фокусным расстоянием. кассегрены.

Пластина корректора Шмидта

В Корректор Шмидта, первая пластина-корректор полного диаметра, была использована в Бернхард Шмидт 1931 год Камера Шмидта. Камера Шмидта - это широкопольный фотографический телескоп с корректирующей пластиной в центре кривизны главного зеркала, обеспечивающий изображение в фокусе внутри сборки трубки в главный фокус 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 плоской другой стороны для получения точной формы, необходимой для исправления сферическая аберрация вызвано главным зеркалом. Дизайн понравился многим Варианты Шмидта.

Популярные подтипы
Световой путь в Шмидте – Кассегрене
  • Телескопы Шмидта – Кассегрена являются одним из самых популярных коммерческих дизайнов на любительский астрономический рынок[6] выпускались серийно с 1960-х годов. Конструкция заменяет держатель пленки камеры Шмидта вторичным зеркалом Кассегрена, создавая сложенный оптический путь с большим фокусным расстоянием и узким полем зрения.

Корпус корректора мениска

Идея замены сложной пластины корректора Шмидта простой в изготовлении полноапертурной сферической менисковой линзой (a корпус корректора мениска ) в раздираемой войной Европе в начале 1940-х годов идея создания широкопольного телескопа пришлась по крайней мере четырем разработчикам оптики, в том числе Альберт Бауэрс (1940), Максутов Дмитрий Дмитриевич (1941), К. Пеннинг и Деннис Габор (1941).[7][8] Секретность военного времени не позволяла этим изобретателям узнать о конструкциях друг друга, что привело к тому, что каждый из них стал самостоятельным изобретением. Альберт Бауэрс построил прототип мениск телескоп в августе 1940 г. и запатентовал его в феврале 1941 г. 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 подобного типа менискового телескопа - Максутовский телескоп, в октябре 1941 года и запатентовал его в ноябре того же года.[9] 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 встречающиеся конструкции, в которых 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 1941 года и первоначально была разработана в коммерческих проектах Лоуренсом Бреймером (Квестар, 1954), и Джон Грегори (Патент 1955 г.[10]). Комбинация корректора с посеребренным вторичным пятном делает Максутова – Кассегрена неприхотливым и прочным, так как они могут герметизироваться и фиксироваться по центру (коллимация ).

Линза корректора Houghton

Уравнения конструкции дуплетного корректора Хаутона - частный случай симметричной конструкции.

В Телескоп Houghton или телескоп Лурье-Хоутона - конструкция, в которой используется широкая составная положительно-отрицательная линза 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 корректоров с субапертурой элементы корректора обычно находятся в фокусе гораздо большего объектива. Эти элементы могут быть как линзами, так и зеркалами, но поскольку задействовано несколько поверхностей, добиться хорошей коррекции аберраций в этих системах может быть очень сложно.[4] Примеры катадиоптрических телескопов с субапертурным корректором включают Телескоп Аргунова – Кассегрена, то Телескоп Клевцова – Кассегрена и субапертурный корректор Максутова, которые используют как "вторичное зеркало «Оптическая группа, состоящая из линз и иногда зеркал, предназначенных для коррекции аберраций, а также ньютоновских телескопов Джонса-Берда, в которых используется сферическое главное зеркало в сочетании с небольшой корректирующей линзой, установленной рядом с фокусом.[11]

Фотографические катадиоптрические линзы

Пример катадиоптрической линзы с задней поверхностью "манжин зеркала "(Minolta RF Rokkor-X 250mm f / 5.6)

Различные типы катадиоптрических систем также используются в объективы камеры также известный как катадиоптрические линзы (Кошки), рефлекторные 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 через телефото эффект выпуклого вторичного зеркала, многократно увеличивающего фокусное расстояние (от 4 до 5 раз).[12] Это позволяет создавать линзы с фокусным расстоянием от 250 мм до 1000 мм и более, которые намного короче и компактнее своих длиннофокусный или аналоги-телефото. Более того, Хроматическая аберрация, серьезная проблема с длинными преломляющими линзами, и внеосевая аберрация, основная проблема с отражающими телескопами, почти полностью устраняется катадиоптрической системой, благодаря чему изображение, которое они создают, подходит для заполнения большой фокальной плоскости камеры.

Пример «размытия радужной оболочки» или боке производится 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 регулируемый диафрагма для управления светопропусканием.[13] Это означает, что объектив F-число Значение фиксируется на общем расчетном фокусном отношении 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 размещением фильтры нейтральной плотности на передней или задней части объектива. Их передаточная функция модуляции показывает низкую контрастность при низком пространственные частоты. Наконец, их наиболее характерной особенностью является кольцевая форма расфокусированных областей изображения, создающая «размытие радужной оболочки» в форме пончика или боке, вызванные формой вступительный ученик.

Несколько компаний производили катадиоптрические линзы во второй половине 20 века. Nikon (под зеркалом-Никкор а позже Reflex-Никкор имена) и Canon оба предлагали несколько дизайнов, например 500 мм 1: 8 и 1000 мм 1:11. Небольшие компании, такие как Тамрон, Самьянг, Вивитар, и Opteka также предложила 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 своих камер серии Alpha. Объектив Sony отличался тем, что был единственным зеркальным объективом, произведенным крупным брендом, с функцией автофокусировки (помимо идентичного объектива производства Minolta, предшествовавшего производству Sony).

Галерея катадиоптрических линз

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Британская энциклопедия, 1911 г.
  2. ^ Уильям Тобин, Жизнь и наука Леона Фуко: человек, который доказал, что Земля вращается Уильям Тобин, стр. 214
  3. ^ Основы оптического дизайна для инфракрасных систем Макс Дж. Ридл
  4. ^ а б - Владимир Сацек, telescope-optics.net, Заметки о ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ ОПТИКЕ, КАТАДИОПТИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ, 10.2.1
  5. ^ Джон Дж. Г. Савард, «Разные размышления»
  6. ^ Сацек, Владимир (14.07.2006). «11.5. Телескоп Шмидта – Кассегрена (SCT)». Оптика телескопа. Владимир Сацек. Получено 2009-07-05.
  7. ^ Основы конструкции линз, Рудольф Кингслейк, стр. 313 катадиоптрический немоноцентрический дизайн
  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 оригинал на 2012-02-22. Получено 2009-08-24.
  10. ^ патент PDF, РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ: Национальная служба технической информации США В архиве 2011-06-04 на Wayback Machine
  11. ^ 10.1.2. Примеры субапертурных корректоров: системы с одним зеркалом - Jones-Bird
  12. ^ Приемы астрономии Роберт Брюс Томпсон, Барбара Фричман Томпсон, стр. 59
  13. ^ Р. Э. Якобсон, Сидни Ф. Рэй Руководство по фотографии, стр.95

внешние ссылки