Katadioptrisk system - Catadioptric system

Et 150 mm blenderåpning katadioptrisk Maksutov-teleskop

Et katadioptrisk optisk system er et der refraksjon og refleksjon kombineres i et optisk system, vanligvis via linser ( dioptrics ) og buede speil ( catoptrics ). Katadioptriske kombinasjoner brukes i fokus systemer som søkelys , frontlykter , tidlig fyr fokus systemer, optiske teleskoper , mikroskoper og teleobjektiver . Andre optiske systemer som bruker linser og speil, blir også referert til som "katadioptrisk", for eksempel overvåkingskatadioptri- sensorer .

Tidlige katadioptriske systemer

Catadioptric kombinasjoner har blitt brukt i mange tidlige optiske systemer. På 1820-tallet utviklet Augustin-Jean Fresnel flere katadioptriske fyrreflektorer. Léon Foucault utviklet et katadioptrisk mikroskop i 1859 for å motvirke avvik ved å bruke en linse til å avbilde objekter med høy effekt. I 1876 oppfant en fransk ingeniør, A. Mangin, det som har blitt kalt Mangin-speilet , en konkav glassreflektor med sølvoverflaten på baksiden av glasset. De to overflatene på reflektoren har forskjellige radier for å korrigere aberrasjonen av det sfæriske speilet. Lys passerer gjennom glasset to ganger, noe som får systemet til å fungere som en triplettlinse . Manginspeil ble brukt i søkelys, hvor de produserte en nesten ekte parallell bjelke. Mange katadioptriske teleskoper bruker negative linser med et reflekterende belegg på baksiden som er referert til som "Mangin-speil", selv om de ikke er enkeltelementmål som den opprinnelige Mangin, og noen til og med forut for Mangins oppfinnelse.

Catadioptric teleskoper

Catadioptric teleskoper er optiske teleskoper som kombinerer spesielt formede speil og linser for å danne et bilde. Dette gjøres vanligvis slik at teleskopet kan ha en samlet større grad av feilretting enn deres kolleger med alle linser eller speil, med et følgelig bredere aberrasjonsfritt synsfelt . Utformingen deres kan ha enkle, sfæriske overflater og kan dra nytte av en brettet optisk bane som reduserer teleskopets masse, noe som gjør dem lettere å produsere. Mange typer benytter “korrigatorer”, en linse eller et buet speil i et kombinert bildedannende optisk system, slik at det reflekterende eller brytende elementet kan korrigere aberrasjonene som produseres av motparten.

Catadioptric dialytes

Katadioptriske dialytter er den tidligste typen katadioptrisk teleskop. De består av et enkelt-element refracting teleskop objektiv kombinert med en sølv-støttet negativ linse (tilsvarende en Mangin speil). Den første av disse var det Hamilton-teleskopet som ble patentert av WF Hamilton i 1814. Schupmann-medialteleskopet designet av den tyske optikeren Ludwig Schupmann nær slutten av 1800-tallet plasserte det katadioptriske speilet utenfor fokuset til refraktoren og la til en tredje korrigering / fokusering. linsen til systemet.

Korrektorer med full blenderåpning

Det er flere teleskopdesigner som benytter seg av å plassere en eller flere linser med full diameter (ofte kalt en " korrigeringsplate ") foran et sfærisk primærspeil. Disse designene utnytter at alle overflatene er "sfærisk symmetriske" og ble opprinnelig oppfunnet som modifikasjoner av speilbaserte optiske systemer ( reflekterende teleskoper ) for å tillate dem å ha et bildeplan relativt fri for koma eller astigmatisme, slik at de kan brukes som astrografiske kameraer . De jobber ved å kombinere et sfærisk speils evne til å reflektere lys tilbake til samme punkt med en stor linse foran på systemet (en korrigerer) som bøyer innkommende lys litt, slik at det sfæriske speilet kan bilde objekter i uendelig grad . Noen av disse designene er tilpasset for å lage kompakte katadioptriske kassegraner med lang brennvidde .

Schmidt korrigeringsplate

Den Schmidt korrigerings , den første med full diameter korreksjonsplate, ble anvendt i Bernhard Schmidt 's 1931 Schmidt-kamera . Schmidt-kameraet er et vidunderlig fotografisk teleskop, med korrigeringsplaten i sentrum av krumningen til det primære speilet, og produserer et bilde med fokus inne i rørsamlingen ved hovedfokus der en buet filmplate eller detektor er montert. Den relativt tynne og lette korrigatoren gjør at Schmidt-kameraer kan konstrueres i diametre opptil 1,3 m. Korrektorens komplekse form tar flere prosesser å lage, startende med et flatt stykke optisk glass, plassering av et vakuum på den ene siden av det for å kurve hele stykket, og deretter sliping og polering av den andre siden flatt for å oppnå den nøyaktige formen som kreves for å korrigere sfærisk aberrasjon forårsaket av det primære speilet. Designet har lånt seg ut til mange Schmidt-varianter .

Populære undertyper

Lys sti i en Schmidt – Cassegrain

Schmidt – Cassegrain-teleskoper er en av de mest populære kommersielle designene på det astronomiske amatørmarkedet , og har blitt masseprodusert siden 1960-tallet. Designet erstatter Schmidt Camera-filmholderen med et Cassegrain sekundært speil, og lager en brettet optisk bane med lang brennvidde og et smalt synsfelt.

Menisk korreksjonsskall

Ideen om å erstatte den kompliserte Schmidt-korrigeringsplaten med et lett å produsere sfærisk menisk linse med full blenderåpning (et menisk korrigeringsskall ) for å lage et bredfeltteleskop, skjedde for minst fire optiske designere i begynnelsen av 1940 krigsherjede Europa, inkludert Albert Bouwers (1940), Dmitri Dmitrievich Maksutov (1941), K. Penning og Dennis Gabor (1941). Krigstidens hemmelighold hindret disse oppfinnerne i å vite om hverandres design, noe som førte til at hver var en uavhengig oppfinnelse. Albert Bouwers bygget en prototype menisk teleskop i august 1940 og patentert det i februar 1941. Det benyttes en sfærisk konsentrisk menisk og var bare egnet som en monokromatisk astronomiske kamera. I et senere design la han til en sementert dublett for å korrigere kromatisk aberrasjon. Dmitri Maksutov bygget en prototype for en lignende type meniskusteleskop, Maksutov-teleskopet , i oktober 1941 og patenterte det i november samme år. Hans design korrigerte sfæriske og kromatiske avvik ved å plassere en svak negativformet menisk korrigerer nærmere det primære speilet.

Populære undertyper

Lys sti i et menisk teleskop (Maksutov – Cassegrain)

Maksutov – Cassegrain-teleskoper er det mest sett design som bruker en menisk korrigerer, en variant av Maksutov-teleskopet. Den har en sølvfarget "spot" sekundær på korrigereren, noe som gir et langt brennvidde, men kompakt (brettet optisk bane) teleskop med et smalt synsfelt. Denne designideen dukket opp i Dmitri Maksutovs notater fra 1941 og ble opprinnelig utviklet i kommersiell design av Lawrence Braymer ( Questar , 1954 ) og John Gregory ( 1955 patent) . Kombinasjonen av korrektoren med den sølvfargede sekundære flekken gjør Maksutov – Cassegrains lite vedlikeholdende og robust siden de kan lufttettes og festes på linje ( kollimering ).

Houghton korrigeringslinse

Houghton doublet corrector design ligninger - spesiell sak symmetrisk design.

Den Houghton teleskop eller Lurie-Houghton teleskop er en konstruksjon som bruker en bred forbindelse positiv-negativ linse over hele den fremre åpningen til riktig sfærisk aberrasjon av hovedspeil. Om ønskelig kan de to korrigeringselementene lages med samme type glass, siden Houghton-korrektorens kromatiske aberrasjon er minimal.

Korrektoren er tykkere enn en Schmidt-Cassegrains frontkorrektor, men mye tynnere enn en Maksutov-menisk-korrigerer. Alle linseflatene og speiloverflaten er sfæroide, noe som gjør amatørkonstruksjon lettere.

Korrektorer for underåpning

Lyssti i et Argunov Cassegrain-teleskop

I korrigeringsdesigner med underåpning er korrigeringselementene vanligvis i fokus for et mye større mål. Disse elementene kan være både linser og speil, men siden flere overflater er involvert, kan det være svært komplisert å oppnå god aberrasjonskorrigering i disse systemene. Eksempler på katadioptriske teleskoper for sub-aperturskorrigering inkluderer Argunov-Cassegrain-teleskopet , Klevtsov-Cassegrain-teleskopet og sub-aperture corrector Maksutovs, som bruker et " sekundært speil " en optisk gruppe bestående av linseelementer og noen ganger speil designet for å korrigere aberrasjon, i tillegg til Jones-Bird newtonske teleskoper, som bruker et sfærisk primærspeil kombinert med en liten korrigeringslinse montert nær fokus.

Fotografiske katadioptriske linser

Eksempel på en katadioptrisk linse med " manginspeil " på baksiden (Minolta RF Rokkor-X 250mm f / 5.6)

Ulike typer katadioptriske systemer brukes også i kameralinser kjent som katadioptriske linser ( CAT ), reflekslinser eller speilglass . Disse linsene bruker en eller annen form for kassegrandesign som i betydelig grad reduserer den fysiske lengden på den optiske enheten, delvis ved å brette den optiske banen, men mest gjennom teleeffekten til det konvekse sekundære speilet som multipliserer brennvidden mange ganger (opptil 4 til 5 ganger). Dette skaper linser med brennvidde fra 250 mm til og utover 1000 mm som er mye kortere og kompakte enn deres kolleger med langt fokus eller telefoto. Videre er kromatisk aberrasjon , et stort problem med lange refraktive linser, og aberrasjon utenfor aksen , et stort problem med reflekterende teleskoper, nesten fullstendig eliminert av det katadioptriske systemet, noe som gjør bildet de produserer egnet for å fylle det store fokusfeltet til et kamera .

Et eksempel på 'iris uskarphet' eller bokeh produsert av en katadioptrisk linse, bak et fokuslys.

Katadioptriske linser har imidlertid flere ulemper. Det faktum at de har en sentral hindring betyr at de ikke kan bruke en justerbar membran for å kontrollere lystransmisjonen. Dette betyr at linsens F- tallsverdi er festet til det samlede utformede brennforholdet til det optiske systemet (diameteren på det primære speilet delt inn i brennvidden). Manglende evne til å stoppe ned linsen resulterer i at den katadioptriske linsen har kort dybdeskarphet. Eksponeringen justeres vanligvis ved å plassere filtre med nøytral tetthet foran eller bak på linsen. Moduleringsoverføringsfunksjonen deres viser lav kontrast ved lave romlige frekvenser . Til slutt er deres mest fremtredende egenskap den ringformede formen på defokuserte områder av bildet, noe som gir en smultringformet 'iris-uskarphet' eller bokeh , forårsaket av formen på inngangspupillen .

Flere selskaper laget katadioptriske linser gjennom den senere delen av 1900-tallet. Nikon (under Mirror- Nikkor og senere Reflex- Nikkor- navn) og Canon tilbød begge flere design, for eksempel 500 mm 1: 8 og 1000 mm 1:11. Mindre selskaper som Tamron , Samyang , Vivitar og Opteka tilbød også flere versjoner, med de tre sistnevnte av disse merkene som fremdeles aktivt produserer en rekke katadioptriske linser for bruk i moderne systemkameraer. Sony (tidligere Minolta) tilbød et 500 mm katadioptrisk objektiv for deres Alpha-utvalg av kameraer. Sony-objektivet skilte seg fra å være det eneste refleksobjektivet produsert av et stort merke med autofokus (bortsett fra det identiske Minolta-produserte objektivet som gikk foran Sonys produksjon).