Введение
Оптическая система, в которой сочетаются преломление и отражение.
Катадиоптрическая оптическая система – это система, в которой преломление и отражение комбинируются в оптической системе, как правило, посредством линз (диоптрий) и изогнутых зеркал (катаоптрик). Катадиоптрические комбинации используются в фокусирующих системах, таких как прожекторы, фары, ранние системы фокусировки маяков, оптические телескопы, микроскопы и телеобъективы. Другие оптические системы, использующие линзы и зеркала, также называют "катадиоптрическими", например, датчики наблюдения.
Ранние катадиоптрические системы
Катадиоптические комбинации использовались во многих ранних оптических системах. В 1820-х годах Огюстен Жан Френель разработал несколько катадиоптрических версий отражателя для маяка на основе своей линзы Френеля. Леон Фуко разработал катадиоптрический микроскоп в 1859 году для компенсации аберраций, возникающих при использовании линзы для получения изображения объектов с большим увеличением. В 1876 году французский инженер А. Манжен изобрел то, что получило название зеркала Манжена – вогнутое стеклянное зеркало с серебряным покрытием на задней стороне стекла. Две поверхности отражателя имеют разные радиусы для коррекции аберраций сферического зеркала. Свет проходит через стекло дважды, благодаря чему система ведет себя как тройная линза. Зеркала Манжена использовались в прожекторах, где они создавали почти идеально параллельный пучок света. Многие катадиоптрические телескопы используют отрицательные линзы с отражающим покрытием на задней стороне, которые называют «зеркалами Манжена», хотя они не являются объективами из одного элемента, как оригинальное зеркало Манжена, и некоторые из них даже были изобретены раньше, чем зеркало Манжена.
Катадиоптические телескопы
Катадиоптрические телескопы — это оптические телескопы, сочетающие в себе зеркала и линзы специальной формы для формирования изображения. Обычно это делается для того, чтобы телескоп мог обеспечивать более высокую степень коррекции ошибок по сравнению с телескопами, состоящими только из линз или только из зеркал, что приводит к более широкому полю зрения, свободному от аберраций. Их конструкции могут иметь простые сферические поверхности и использовать сложенную оптическую схему, уменьшающую массу телескопа и облегчающую его производство. Многие типы используют "корректоры" – линзы или изогнутые зеркала в комбинированной системе формирования изображения, позволяющие отражающему или преломляющему элементу корректировать аберрации, создаваемые другим элементом.
Катадиоптрические диалиты
Катадиоптические диалиты — самый ранний тип катадиоптического телескопа. Они состоят из объектива-рефрактора, состоящего из одного элемента, в сочетании с серебряным зеркалом-отражателем с отрицательной линзой (подобным зеркалу Мангина). Первым из них был телескоп Гамильтона, запатентованный У. Ф. Гамильтоном в 1814 году. Медиальный телескоп Шупмана, разработанный немецким оптом Людвигом Шупманом в конце XIX века, размещал катадиоптическое зеркало за фокусом рефракторного объектива и добавлял третью корректирующую/фокусирующую линзу в систему.
Корректоры полного диафрагмы
Существует несколько конструкций телескопов, использующих преимущество размещения одной или нескольких линз полного диаметра (обычно называемых "корректорной пластиной") перед сферическим первичным зеркалом. Эти конструкции используют преимущества "сферической симметрии" всех поверхностей и изначально были разработаны как модификации оптических систем на основе зеркал (зеркальных телескопов) для получения плоскости изображения, относительно свободной от комы или астигматизма, что позволяло использовать их в качестве астрографических камер. Они работают, сочетая способность сферического зеркала отражать свет обратно в одну точку с большой линзой в передней части системы (корректором), которая незначительно преломляет входящий свет, позволяя сферическому зеркалу формировать изображение объектов, находящихся на бесконечности. Некоторые из этих конструкций были адаптированы для создания компактных катадиоптрических систем Кассегрена с большим фокусным расстоянием.
Корректорная линза Хоутона
Телескоп Хоутона или телескоп Lurie–Houghton – это конструкция, использующая широкую составную положительно-отрицательную линзу, охватывающую всю переднюю апертуру, для коррекции сферической аберрации главного зеркала. При желании оба корректирующих элемента можно изготовить из одного и того же типа стекла, поскольку хроматическая аберрация корректора Хоутона минимальна. Корректор толще переднего корректора системы Шмидта-Кассегрена, но значительно тоньше менискового корректора Максутова. Все поверхности линз и зеркала имеют сфероидальную форму, что значительно упрощает самостоятельное изготовление.
Корректоры подапертуры
В конструкциях суб-апертурных корректоров корректорные элементы обычно располагаются в фокусе гораздо более крупной объективной линзы. Эти элементы могут быть как линзами, так и зеркалами, но из-за наличия множества поверхностей, достижение хорошей коррекции аберраций в таких системах может быть очень сложной задачей.
Фотографические каталиоптические линзы
Различные типы катадиоптических систем также используются в объективах камер, известных как катадиоптические линзы (CAT), рефлекторные линзы или зеркальные линзы. Эти линзы используют ту или иную схему Кассегрена, которая значительно уменьшает физическую длину оптической схемы, частично за счет складывания оптического пути, но главным образом благодаря телефотоэффекту выпуклого вторичного зеркала, которое многократно увеличивает фокусное расстояние (до 4–5 раз). Это позволяет создавать объективы с фокусными расстояниями от 250 мм до 1000 мм и более, которые значительно короче и компактнее, чем их длиннофокусные или телеобъективы-аналоги. Более того, хроматическая аберрация, серьезная проблема для длинных рефракционных линз, и внеосевая аберрация, серьезная проблема для рефлекторных телескопов, практически полностью устраняются катадиоптической системой, что делает изображение, которое они формируют, пригодным для заполнения большой фокальной плоскости камеры. Однако катадиоптические линзы имеют и ряд недостатков. Наличие центрального препятствия означает, что они не могут использовать регулируемую диафрагму для управления светопропусканием. Это означает, что значение светосилы объектива фиксировано общим расчетным отношением фокусного расстояния к диаметру (диаметр главного зеркала, деленный на фокусное расстояние). Невозможность прикрыть диафрагму приводит к небольшой глубине резкости у катадиоптических линз. Экспозиция обычно регулируется путем установки нейтральных светофильтров на переднюю или заднюю часть объектива. Их передаточная функция модуляции показывает низкий контраст на низких пространственных частотах. Наконец, их наиболее характерной особенностью является кольцевая форма размытых участков изображения, создающая форму "пончика" – размытие зрачка или боке, вызванное формой входного зрачка. Несколько компаний производили катадиоптические линзы на протяжении второй половины 20-го века. Nikon (под названиями Mirror Nikkor и позже Reflex Nikkor) и Canon предлагали несколько моделей, таких как 500 мм 1:8 и 1000 мм 1:11. Более мелкие компании, такие как Tamron, Samyang, Vivitar и Opteka, также предлагали различные версии, причем последние три из этих брендов до сих пор активно производят ряд катадиоптических линз для использования в современных беззеркальных камерах. Sony (ранее Minolta) предлагала 500-мм катадиоптический объектив для своей линейки камер Alpha. Объектив Sony отличался тем, что был единственным рефлекторным объективом, выпускаемым крупным брендом, оснащенным автофокусом (за исключением идентичного объектива Minolta, предшествовавшего производству Sony).