Жықын және Көпіршік Оптикалық Жүйелер

Кіріспе

Рефракция мен рефлексия біріктірілген оптикалық жүйе

Катадиоптрикалық оптикалық жүйе – рефракция мен рефлексияның оптикалық жүйеде, әдетте линзалар (диоптрикалар) және қисық айналар (катаоптрикалар) арқылы біріктірілген түрі. Катадиоптрикалық комбинациялар іздеу шамдары, фаралар, алғашқы маяктардың фокустау жүйелері, оптикалық телескоптар, микроскоптар және телефото линзалар сияқты фокустау жүйелерінде қолданылады. Линзалар мен айналарды пайдаланатын басқа оптикалық жүйелер де, мысалы, бақылау катадиоптрикалық сенсорлары да "катадиоптрикалық" деп аталады.

Ертедегі катадиоптриялық жүйелер

Катадиоптриялық комбинациялар көптеген ерте оптикалық жүйелерде қолданылған. 1820 жылдары Августин Жан Френель өзінің Френель линзасының бірнеше катадиоптриялық маяк рефлекторын жасады. Леон Фуко 1859 жылы линзаны пайдаланып жоғары қуаттағы нысандарды бейнелеу кезінде туындайтын аберрацияларға қарсы тұру үшін катадиоптриялық микроскопты ойлап тапты. 1876 жылы француз инженері А. Манген, артқы жағына күміс жағылған, ойыс шыныдан жасалған айнаны құрастырды. Айнаның екі бетінің радиусы әртүрлі болып, сфералық айнаның аберрациясын түзетуге мүмкіндік берді. Жарық екі рет шыныдан өтетіндіктен, жүйе үштік линза сияқты жұмыс істейді. Манген айналары іздеу шамдарында қолданылды, онда олар дерлік толық параллель сәуле шығарды. Көптеген катадиоптриялық телескоптарда артқы жағында шағылыстыратын жабын бар теріс линзалар қолданылады, олар "Манген айналары" деп аталады, бірақ олар түпнұсқа Манген айнасы сияқты бір элементтен тұрмайды, және кейбіреулері тіпті Мангеннің өнертабысынан бұрын пайда болған.

Катадиоптриялық телескоптар

Катадиоптриялық телескоптар – бұл бейне жасау үшін арнайы пішінделген айналар мен линзаларды үйлестіретін оптикалық телескоптар. Мұндай телескоптардың құрастырылу себебі – олардың барлық линзалы немесе барлық айналы телескоптарға қарағанда қателерді түзетуге артық мүмкіндігі болуы, соның салдарынан бұрмалаусыз кең көру бұрышына ие болуы. Олардың конструкциясы толыққанды шар беттерден тұруы мүмкін, сондай-ақ телескоптың салмағын азайтатын және оны жасауды жеңілдететін бүгілген оптикалық жолды қолдануға болады. Көптеген түрлерінде "түзетушілер" – бейне құрайтын біріктірілген оптикалық жүйеде линза немесе қисық айна қолданылады, осы арқылы шағылыстыратын немесе сындыратын элемент өзінің қарсыласы тудырған аберрацияларды түзетуге қабілетті болады.

Катадиоптриялық диалиттер

Катадиоптриялық диалиттер – катадиоптриялық телескоптың ең ерте түрі. Олар күміс жалатылған теріс линзамен (Мангин айнасына ұқсас) үйлестірілген, бір элементті сындыратын телескоп объективінен тұрады. Олардың алғашқысы – 1814 жылы В. Ф. Гамильтон патенттеген Гамильтон телескопы. 19-ғасырдың соңында неміс оптиктері Людвиг Шупманн жасаған Шупманн медиалдық телескопы катадиоптриялық айнаны рефрактордың негізгі фокусынан тысқа орналастырды және жүйеге үшінші түзетуші/фокустаушы линзаны қосты.

Толық диафрагмалық түзетушілер

Бірнеше телескоп конструкциялары шар тәрізді негізгі айнаның алдына бір немесе бірнеше толық диаметрлі линзаларды (көбінесе "түзетуші тақта" деп аталады) орналастыру арқылы жұмыс істейді. Бұл конструкциялар барлық беткейлердің "сфералық симметриялы" болу қасиетін пайдаланады және бастапқыда айнаға негізделген оптикалық жүйелердің (көріспелі телескоптардың) өзгерткен нұсқалары ретінде жасалған, олар кома немесе астигматизмнен салыстырмалы түрде таза бейне жазықтығына ие болуы үшін, осылайша оларды астрографиялық камералар ретінде қолдануға болады. Олар шар тәрізді айнаның жарықты бір нүктеге кері шағылыстыру қабілетін жүйенің алдында орналасқан үлкен линзамен (түзетушімен) үйлестіріп, кіріп келетін жарықты сәл иіп, шар тәрізді айнаға шексіз қашықтықтағы нысандарды бейнелеуге мүмкіндік береді. Кейбір конструкциялар ықшам, ұзақ фокус арақашықтығы бар кассагрин телескоптарын жасау үшін бейімделген.

Хоутон корректорлы линза

Хоутон телескопы немесе Лури-Хоутон телескопы – негізгі айнаның сфералық аберрациясын түзету үшін бүкіл алдыңғы апертураны қамтитын кең, күрделі оң және теріс линзаны пайдаланатын конструкция. Егер қажет болса, екі түзету элементін де бірдей шыныдан жасауға болады, себебі Хоутон түзеткішінің хроматикалық аберрациясы өте төмен. Корректор Шмидт-Кассегреннің алдыңғы корректорынан қалыңдау, бірақ Максутовтың менискус корректорынан әлдеқайда жұқа. Барлық линза беттері мен айнаның беті сфералық пішіндес, бұл әуесқойларға құрастыруды жеңілдетеді.

Апертураның төменгі деңгейін түзетуші

Апертураны төмендетуші түзетуші конструкцияларда түзету элементтері әдетте әлдеқайда үлкен объективтің фокусында орналасады. Бұл элементтер линзалар мен айналардың кез келгенін қамтуы мүмкін, бірақ көп беттердің қатысуына байланысты, мұндай жүйелерде аберрацияны жақсы түзету өте қиын болуы мүмкін.

Фотосуретке арналған каталиоптриялық линзалар

Әртүрлі типтегі катадиоптриялық жүйелер камера линзаларында қолданылады, олар катадиоптриялық линзалар (CAT), рефлекстік линзалар немесе айна линзалары деп те аталады. Бұл линзалар кассегрен конструкциясының бірнеше түрлерін пайдаланады, бұл оптикалық құрастырманың физикалық ұзындығын айтарлықтай қысқартады, жартылайлай оптикалық жолды бүктеу арқылы, бірақ негізінен дөңгелек екінші айнаның телефото эффектісі арқылы, ол фокустық қашықтықты бірнеше есеге көбейтеді (4-тен 5 есеге дейін). Бұл 250 мм-ден 1000 мм-ге дейін және одан да жоғары фокустық қашықтығы бар, ұзақ фокустық немесе телефото линзаларға қарағанда әлдеқайда қысқа және ықшам линзаларды құрайды. Сонымен қатар, хроматикалық аберрация, ұзақ рефракциялық линзалардың және рефлективті телескоптардың маңызды мәселесі, сондай-ақ осьтен тыс аберрация, катадиоптриялық жүйемен дерлік жойылады, бұл олардың тудыратын бейнесін камераның үлкен фокустық жазықтығын толтыруға қолайлы етеді. Дегенмен, катадиоптриялық линзалардың бірнеше кемшіліктері бар. Олардың орталық бөлігіндегі кедергі жарық өтімділігін басқару үшін реттелетін диафрагманы пайдалануға мүмкіндік бермейді. Бұл линзаның F санының мәні оптикалық жүйенің жалпы жобаланған фокустық қатынасына (негізгі айнаның диаметрі фокустық қашықтыққа бөлінген) бекітілгенін білдіреді. Линзаны тоқтату мүмкін болмағандықтан катадиоптриялық линзаның тереңдік өрісі шамалы болады. Экспозиция әдетте линзаның алдыңғы немесе артқы жағына бейтарап тығыздық сүзгілерін орналастыру арқылы реттеледі. Олардың модуляциялық ауысу функциясы төмен кеңістіктік жиіліктерде төмен контраст көрсетеді. Соңында, олардың ең ерекше қасиеті – бейнедегі фокустан шыққан аймақтардың сақина тәрізді пішіні, кіреберіс оқушысының пішініне байланысты пончик тәрізді «ирис бұрмалануы» немесе боке тудырады. 20 ғасырдың соңында бірнеше компания катадиоптриялық линзалар жасады. Nikon (Mirror Nikkor және кейін Reflex Nikkor аттарымен) және Canon 500 мм 1:8 және 1000 мм 1:11 сияқты бірнеше үлгілерді ұсынды. Tamron, Samyang, Vivitar және Opteka сияқты кіші компаниялар да бірнеше нұсқаларды ұсынды, соңғы үш бренд қазіргі жүйелік камераларда қолдануға арналған катадиоптриялық линзаларды әлі де белсенді түрде өндіріп жатыр. Sony (бұрынғы Minolta) өздерінің Alpha камералары үшін 500 мм катадиоптриялық линзаны ұсынды. Sony линзасы автофокусқа ие ірі бренд өндірген жалғыз рефлекстік линза болып ерекшеленеді (Sony өндірісіне дейін Minolta өндірген бірдей линзадан басқа).

Various types of catadioptric systems are also used in camera lenses known alternatively as catadioptric lenses (CATs), reflex lenses, or mirror lenses. These lenses use some form of the cassegrain design which greatly reduces the physical length of the optical assembly, partly by folding the optical path, but mostly through the telephoto effect of the convex secondary mirror which multiplies the focal length many times (up to 4 to 5 times). This creates lenses with focal lengths from 250 mm up to and beyond 1000 mm that are much shorter and compact than their long focus or telephoto counterparts. Moreover, chromatic aberration, a major problem with long refractive lenses, and off axis aberration, a major problem with reflective telescopes, is almost completely eliminated by the catadioptric system, making the image they produce suitable to fill the large focal plane of a camera. Catadioptric lenses do, however, have several drawbacks. The fact that they have a central obstruction means they cannot use an adjustable diaphragm to control light transmission. This means the lens's F number value is fixed to the overall designed focal ratio of the optical system (the diameter of the primary mirror divided into the focal length). The inability to stop down the lens results in the catadioptric lens having a short depth of field. Exposure is usually adjusted by the placement of neutral density filters on the front or rear of the lens. Their modulation transfer function shows low contrast at low spatial frequencies. Finally, their most salient characteristic is the annular shape of defocused areas of the image, giving a doughnut shaped 'iris blur' or bokeh, caused by the shape of the entrance pupil. Several companies made catadioptric lenses throughout the later part of the 20th century. Nikon (under the Mirror Nikkor and later Reflex Nikkor names) and Canon both offered several designs, such as 500 mm 1:8 and 1000 mm 1:11. Smaller companies such as Tamron, Samyang, Vivitar, and Opteka also offered several versions, with the three latter of these brands still actively producing a number of catadioptric lenses for use in modern system cameras. Sony (formerly Minolta) offered a 500 mm catadioptric lens for their Alpha range of cameras. The Sony lens had the distinction of being the only reflex lens manufactured by a major brand to feature auto focus (aside from the identical Minolta manufactured lens that preceded Sony's production).