Зеркально-линзовые оптические системы

Зеркально-линзовые оптические системы, или катадиоптрические системы — это разновидность оптических систем, содержащих в качестве оптических элементов как зеркала (катоптрику), так и линзы. Зеркально-линзовые системы нашли применение в прожекторах, ru:фарах, ранних маяках, микроскопах и телескопах, а также в телеобъективах и сверхсветосильных объективах.

Основное развитие катадиоптрические системы получили в телескопах, поскольку позволяют использовать сферическую поверхность зеркал, значительно более технологичную, чем другие кривые поверхности. Это даёт возможность создавать сравнительно дешёвые телескопы больших диаметров. Коррекционные линзы сравнительно небольшого диаметра могут использоваться в телескопах-рефлекторах для увеличения полезного поля зрения, но к зеркально-линзовым телескопам их не относят. Зеркально-линзовыми принято называть такие телескопы, в которых линзовые элементы сравнимы по размеру с главным зеркалом и предназначены для коррекции изображения (оно строится главным зеркалом).

Основные оптические системы катадиоптрических телескопов

Согласно законам оптики, шероховатость поверхности зеркала должна быть не хуже λ/8, где λ — длина волны (ru:видимый свет — 550 нм), а отклонение формы поверхности от расчётной должно лежать в пределах от 0,02 мкм до 1 мкм. Таким образом, основная сложность изготовления зеркала состоит в необходимости очень точно соблюдать кривизну поверхности. Изготовить сферическое зеркало технологически гораздо проще, чем асферические элиптическое, параболическое, гиперболическое, сплюснутого сфероида, которые используются в телескопах-рефлекторах. Но сферическое зеркало само по себе обладает очень большими сферическими аберрациями и непригодно для использования. Описанные ниже системы телескопов — это попытки исправить аберрации сферического зеркала добавлением в оптическую систему стеклянной линзы (или системы линз) особой кривизны (корректора).

Первые системы катадиоптрических телескопов

К первым типам катадиоптрических телескопов можно отнести системы, состоящие из однолинзового объектива и зеркала Манжена. Первый телескоп такого типа был запатентован W. F. Hamilton в 1814. В конце 19-го века немецкий оптик Людвиг Шупманн (Ludwig Schupmann) расположил катадиоптрическое зеркало за фокусом линзового объектива и добавил в систему третий элемент — линзовый корректор. Данные телескопы, однако, не получили распространения, будучи оттеснены ахроматическими рефракторами и рефлекторами. Любопытно отметить, что в конце 20-го века некоторые оптики снова проявили интерес к данным схемам: так, в 1999 г. британский любитель астрономии и телескопостроения Джон Уолл запатентовал оптическую схему телескопа «Zerochromat».

Система Шмидта

Камера Шмидта

Не следует путать с системой Шмидта — Ньютона.

Принцип действия камеры Шмидта. Позже Шмидт установил на место ограничивающей диафрагмы асферический планоидный корректор сферической аберрации.

В 1930 эстонско-шведский оптик, сотрудник Гамбургской обсерватории Бернхард Шмидт установил в центре кривизны сферического зеркала диафрагму, сразу устранив и кому и астигматизм. (эта модификация носит наименование «безлинзовый Шмидт») Для устранения сферической аберрации он разместил в диафрагме линзу специальной формы, которая представляет собой поверхность 4-го порядка.

«В результате получилась фотографическая камера с единственной аберрацией — кривизной поля и удивительными качествами: чем больше светосила камеры, тем лучше изображения, которые она даёт, и больше поле зрения».

(Имеется ввиду камеры с одинаковой апертурой.) Камеры Шмидта обладают незначительным хроматизмом, как правило, не имеющего практического значения. Существуют экземпляры с двойной - ахроматической коррекционной пластиной. Камера Шмидта очень активно используется в астрометрии для создания обзоров неба. Основное его преимущество — очень большое поле зрения, до 6°. Фокальная поверхность является сферой, поэтому астрометристы обычно не исправляют кривизну поля, а вместо этого используют выгнутые фотопластинки.

Камера Шмидта-Вя́йсяля

И́рьё Вя́йсяля, оптик Финляндского княжества Российской империи, независимо от Шмидта изобрёл схожую схему, но не стал её публиковать, оставив заметку в записях лекций 1924 года "проблематичная сферическая фокальная поверхность". Когда же Вяйсяля увидал публикацию Шмидта, он придумал решение для исправления кривизны поверхности изображения разместить возле фокуса двояковыпуклую линзу. Эта схема и стала именоваться Камера Шмидта-Вя́йсяля, или иногда просто Камера Вя́йсяля. Дальнейшее развитие Камера Шмидта-Вя́йсяля получила в схеме RASA. Однако в ней отказались от размещения апертурного корректора в центре кривизны главного зеркала на манер телескопа Шмидта-Кассегрена, и её длина сократилась более чем на 50%.

Камера RASA

Rowe Ackermann Schmidt Astrograph - Астрограф, выполненный по схеме схожей с камерой Шмидта, с использованием асферического планоидного корректора Шмидта, в модификации Рове и Аккерманна. По сути является развитием схемы камеры Шмидта-Вя́йсяля с усложненным предфокальным 4-ёх линзовым корректором, (вместо одиночной двояковыпуклой линзы) но с уменьшенной длиной - примерно как у телескопа Шмидта-Кассегрена. Полноапертурный корректор расположен на расстоянии немного меньше фокусного.

Фирмой «Celestron» выпущенна камера «RASA» 280 мм (11") F/2,2 с классическим полноапертурным корректором Шмидта, и четырёхлинзовым близфокальным корректором кривизны изображения.

На камеру RASA возможна установка обычных зеркальных фотоаппаратов - в несколько необычном положении: спереди телескопа, возле стекла корректора по его центру. Таким образом часть апертуры экранируется корпусом фотоаппарата.

Камера RASA обладает высоким качеством изображения, и необычно высокой светосилой для доступных любительских телескопов-астрографов, а также очень широким полем зрения - 70 мм.

Телескоп Шмидта-Кассегрена

Оптическая схема телескопа Шмидта — Кассегрена.

Телескоп Шмидта — Кассегрена

В 1946 Джеймс Бэйкер установил в телескопе Кассегрена, со сферическим главным зеркалом, коррекционную пластинку как в камере Шмидта. Подобрав параметры выпуклого вторичного зеркала - получил плоское поле. Ввиду того что положение коррекционной пластинки определяется вторичным зеркалом, которое к нему крепится, система потеряла свои главные достоинства - широкоугольность при высоком качестве изображения, но приобрела другие: компактность, по сравнению с камерой Шмидта, ставшую равной обычному Кассегрену, отсутствие дифракционных лучей от растяжек крепления вторичного зеркала и закрытая конструкция трубы, технологичность (отсутствие параболического зеркала, в то время как асферичность коррекционной пластинки достигается при обычной полировке без затратной фигуризации, за счёт вакуумной деформации пластины). Телескопы такой схемы очень распространены, и именуются как Шмидта — Кассегрена.

При сохранении первоначального положения коррекционной пластинки, как у камеры Шмидта - высокое качество на широком поле сохраняется, но портится дифракционная картина, ввиду необходимости вводить крепление вторичного зеркала, которое реализуется на обычных пауках-растяжках, а также остаются большая длина и вес телескопа.

Менисковый Шмидт Максутова

Известный советский оптик Д.Д. Максутов, широко известный своей менисковой системой, предложил также очень важную оптическую схему, незаслуженно не пользующуюся популярностью - менисковую разновидность камеры Шмидта. (Также независимо эту схему предложил голландский оптик Альберт Бауэрс.) Схема состоит только из сферических поверхностей, и имеет более широкое неискажённое поле, чем у оригинальной схемы Шмидта с асферической пластиной-корректором! При относительной простоте она более доступна, как для промышленного освоения, так и для самостоятельного изготовления любителями, чем камера Шмидта с асферическим корректором. Но при этом обладает лучшим качеством и большей светосилой чем "безлинзовый Шмидт". Из недостатков следует отметить хроматизм положения (при одиночном не ахроматизированном мениске), длину аналогичную таковой у камеры Шмидта, и не во всех случаях имеющуюся возможность полностью устранить сферическую аберрацию, что вплотную подводит к схемам "супершмидтов" - более сложным и совершенным.

Камера Бэйкер-Нана

Камера Бэйкер-Нана

Джеймс Бейкер и Джозеф Нан вместо асферического корректора, в камере Шмидта, разместил ближе к фокусу трёхлинзовую систему. Полученная система получила название камера Бэйкер-Нана. По такой схеме были построены камеры 50 см F/0.75 для наблюдения за спутниками. Фотографирование происходило на широкоформатную 55 мм плёнку («Cinemascope 55»). Использовались Смитсоновской астрономической обсерваторией с конца 1950-ых до середины 1970-ых.

Супершмидты

Это наиболее совершенные зеркально-линзовые оптические системы - они имеют наибольшее поле зрения (до 65° градусов) при светосиле близкой к теоретическому пределу. В семейство супершмидтов входят следующие системы:

• Линфута-Хаукинса
• Бауэрса
• Волосова-Бабинцева («Антарес»)
• Максутова-Сосниной («Астродар»)
• Бэйкера

Схемы строятся на основе схемы «менискового Шмидта Максутова» с использованием дополнительного коррекционного элемента, который может быть в асферических вариантах: корректор Шмидта или двулинзовый асферический корректор (системы Линфута-Хаукинса и объектив «Астродар» Максутова-Сосниной (диаметр поля зрения 30°, светосила геометрическая 1/1,4, эффективная 1/1,8)), а также в виде конической линзы: системы Бауэрса и «Волосова-Бабинцева» (объектив «Антарес»). Супершмидт профессора Джеймса Гильберта Бэйкера имеет геометрическую светосилу 1/0,67 при угле поля зрения 55° и апертуре 300 мм (диаметр зеркала 585 мм, диаметр мениска 457 мм).

Система Максутова

Оптическая схема телескопа Максутова — Кассегрена

В 1941 Д. Д. Максутов нашёл, что сферическую аберрацию главного зеркала можно компенсировать мениском большой кривизны. Главное зеркало при этом в большинстве случаев сферическое, хотя, для получения улучшенных результатов, используются эллиптические главные зеркала, или ретушированные нужным образом под конкретную систему. Найдя удачное расстояние между мениском и зеркалом, Максутов сумел избавиться от комы и астигматизма. Кривизну поля, как и в камере Шмидта, можно устранить, установив вблизи фокальной плоскости плоско-выпуклую линзу — так называемую линзу Пиацци-Смита.

Проалюминировав центральную часть мениска, Максутов получил менисковые аналоги телескопов Кассегрена и Грегори. Были предложены менисковые аналоги практически всех интересных для астрономов телескопов. В частности, в современной любительской астрономии часто применяются телескопы Максутова — Кассегрена, в меньшей степени, Максутова — Ньютона. Другие схемы Максутова, например Максутова — Грегори, встречаются гораздо реже.

Телескоп Максутова — Кассегрена диаметром 150 мм

Questar 3 ½” — телескоп Максутова — Кассегрена

Следует отметить, что существует три основных типа менисковых телескопов Максутова — Кассегрена, различие между которыми состоит в типе вторичного зеркала.

В одном случае вторичное зеркало, как было указано выше, является алюминированным кружком на внутренней поверхности мениска. Это упрощает и удешевляет конструкцию. Однако, так как радиусы кривизны внешней и внутренней поверхности мениска одинаковы, для устранения сферической аберрации до приемлемых величин приходится увеличивать фокальное отношение системы. Поэтому абсолютное большинство коммерчески выпускающихся небольших телескопов любительского класса являются длиннофокусными и имеют фокальное отношение порядка 1/12-1/15.

Телескопы этого типа в англоязычных источниках обозначаются как Gregory-Maksutov или Spot-Maksutov, поскольку патент в США на такую схему (и тип вторичного зеркала) был выдан американскому оптику и инженеру Джону Грегори (John F. Gregory, 1927—2009). Первым коммерческим любительским телескопом такого типа был Questar, выпущенный в 1954 г.

Для создания более светосильных систем и телескопов высокого класса применяют отдельное вторичное зеркало, крепящееся к мениску, или, как это делалось в советских объективах «МТО» и «ЗМ», нашлифовывалось прямо на мениске, таким образом образуя с ним одну деталь. Наличие отдельного зеркала позволяет придать ему необходимую геометрическую форму, не изменяя при этом конструкцию мениска. В англоязычных источниках данный вариант телескопа Максутова обозначается как Maksutov-Sigler.

Существует ещё одна менисковая схема Максутова с корректором в сходящемся пучке, в которой мениск имеет размер не во всю апертуру (полноапертурный), а равен размеру вторичного зеркала и размещён в непосредственной близости от него. Лучи дважды проходят через этот мениск - до отражения от вторичного зеркала и после него. Дальнейшее развитие эта схема получила в схемах Аргунова и Клевцова.

По сравнению с распространёнными системами Шмидта-Кассегрена (не путать с камерами Шмидта - с удлинёнными трубами, (длина трубы примерно в 3 раза больше) в которых корректор размещен на двойном фокусном расстоянии от зеркала), система Максутова-Кассегрена имеет остаточную сферическую абберацию, (в хорошо сделанных системах Шмидта сферической аберрации нет вообще) поэтому, для достижения отличного качества изображения системы Максутова-Кассегрена делаются с относительным отверстием на, порядка, 30%-50% большим чем Шмидта-Кассегрена. Во всем остальном система Максутова-Кассегрена превосходит систему Шмидта-Кассегрена: у неё меньше кривизна поверхности изображения, меньше кома, благодаря чему больше неискажённое поле зрения. Незначительный хроматизм положения системы Шмидта-Кассегрена у системы Максутова-Кассегрена отсутствует.

Система Волосова-Гальперна-Печатниковой (Слефогта-Рихтера)

Система с полноапертурным линзовым корректором, в качестве которого выступают две линзы. Эта система реализована в советских, а теперь российских объективах «Рубинар».

Система Гамильтона

Один из первых любительских фотообъективов системы Гамильтона: Minolta RF Rokkor-X 250 f/5.6, 1979 г.

С конца 1970-х - одна из самых популярных оптических схем катадиоптрических фотообъективов. Состоит из одиночной положительной линзы, и расположенного на значительном расстоянии от него главного зеркала Манжена. Такая конструкция позволяет сильно удешевить конструкцию, при вполне приемлемом качестве изображения.

Система Клевцова

Схема Аргунова

Схема Клевцова

Система на основе схемы Кассегрена, с изменённой конструкцией вторичного зеркала, совмещённой с линзовым корректором в сходящихся лучах. В его качестве выступает два стекляных элемента - менисковая линза и зеркало манжена. Таким образом, проходя через эту конструкцию дважды, свет минует одну зеркальную, и шесть поверхностей поверхностей стекло-воздух, что создаёт хорошие коррекционные возможности. В системе Клевцова достигнуто дифракционное качество, а вес и время температурной отстойки лучше чем у остальных катадиоптрических систем, в силу малого размера корректора. Эта система реализована в телескопах ТАЛ «Новосибирского приборостроительного завода».

Зеркально-линзовые телеобъективы

Зеркально-линзовый телеобъектив «Phoenix» 500mm f/8

Изображение бликов на воде, даваемое зеркально-линзовым телеобъективом в расфокусе

Катадиоптрическая система нашла применение также при проектировании фотографических и киносъёмочных телеобъективов. Благодаря зеркально-линзовой конструкции существенно уменьшается длина оправы, поэтому объективы с фокусным расстоянием 1000 мм и более значительно компактнее и легче обычных длиннофокусных объективов. В отдельных случаях, уменьшение количества линз позволяет снизить хроматические аберрации.

Зеркально-линзовые объективы, как правило, не оснащаются регулируемой диафрагмой и их фиксированное относительное отверстие лежит в диапазоне от f/5,6 до f/11. Поэтому снимать ими можно только при хорошем освещении или на фотоматериалы с высокой светочувствительностью. Некоторые специальные зеркально-линзовые объективы могут иметь и очень высокую светосилу (меньше f/1.0). Характерной особенностью изображений в зоне нерезкости, создаваемых зеркально-линзовым объективом, является форма кружка рассеяния от ярких источников света, отображаемых не в фокусе. Такие источники изображаются в виде колец, соответствующих форме входного зрачка объектива. В некоторых случаях такой вид размытия создаёт своеобразный выразительный оптический рисунок. Частотно-контрастная характеристика зеркально-линзовых объективов достаточно низка. Такой тип объективов приобрёл некоторую популярность в начале 1970-х годов из-за относительной компактности и дешевизны. Однако, низкая светосила и мягкий оптический рисунок заставили уступить место телеобъективам двухкомпонентных линзовых конструкций.

В отечественных фотокинообъективах использовалась, главным образом, система Максутова. Примером могут послужить объективы серии «МТО» и «ЗМ».

Основные преимущества и недостатки катадиоптрических систем

Катадиоптрические системы — это синтез зеркальных и линзовых систем. Они имеют много преимуществ, но также получили в наследство и некоторые недостатки.

Преимущества

• Главным преимуществом является простота изготовления сферического зеркала. Корректор избавляет систему от сферической аберрации, «трансформируя» её в аберрацию кривизны поля.
• В качестве вторичного зеркала иногда используется алюминированная центральная часть обратной стороны корректора. Вторичное зеркало — алюминированная часть корректора или отдельное — жёстко зафиксировано в оправе, в то время, как почти во всех рефлекторах вторичное зеркало держится на трёх-четырёх растяжках, что может приводить к разъюстировке и портит дифракционную картину. Катадиоптрическая система во многом свободна от этих недостатков.
• Труба телескопа закрыта, что предотвращает загрязнение внутренних оптических элементов и снижает образование воздушных потоков внутри телескопа.
• Трубы телескопов этого типа наиболее компактны по сравнению с другими типами телескопов (при равном диаметре и фокусном расстоянии).

Недостатки

• Сложность изготовления корректора больших размеров. Диаметр самых больших инструментов не превышает 2-х метров.
• Большой фокус.
• Система содержит оптические элементы из стекла, поэтому на окраине поля зрения проявляется хроматическая аберрация и кома. Стекло корректора поглощает часть света, несколько уменьшая светопропускание инструмента.
• Проблема кривизны поля решалась использованием специального держателя, в котором плоская фотопластинка изгибалась до нужной кривизны. Изготовить же ПЗС-матрицу нужной кривизны сложно и дорого.
• Фокус жёстко связан с длиной трубы (расстояния от зеркала до корректора — половина фокуса). Относительное отверстие также ограничено остаточными аберрациями.
• Большое время термостабилизации оптики перед началом наблюдений.

Зеркально-линзовые системы создавались в поисках компромисса. Их применение ограничено. Малые размеры и фокус не позволяют применять их для астрофизических целей, но телескопы получили широкое распространение среди астрометристов.

См. также

• «МТО» (зеркально-менисковый объектив)
• «Рубинар» (зеркально-менисковый объектив)
• «ЗМ» (зеркально-менисковый объектив)
• Рефлектор (зеркальный телескоп)
• Рефрактор (линзовый телескоп)

Литература

• Фомин А. В. § 5. Фотографические объективы // Общий курс фотографии. — 3-е. — М.,: «Легпромбытиздат», 1987. — С. 12—25. — 256 с.^{о книге}

• Н. Кудряшов Узкоплёночный киноаппарат // «Как самому снять и показать кинофильм». — 1-е изд. — М.,: Госкиноиздат, 1952. — С. 56—57. — 252 с.^{о книге}

Ссылки

• Список катадиоптрических телескопов
• [ http://bse.sci-lib.com/article124254.html Шмидта телескоп] — статья из БСЭ
• Системы Клевцова
• Телескопы систем Гамильтона, Шупманна, Хондерса (англ.)
• Оптическая схема Шмидта-Кассегрена