Зеркально-линзовые оптические системы

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
(перенаправлено с «Зеркально-линзовый телескоп»)
Перейти к: навигация, поиск


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[править]

Согласно законам оптики, шероховатость поверхности зеркала должна быть не хуже λ/8, где λдлина волны (ru:видимый свет550 нм), а отклонение формы поверхности от расчётной должно лежать в пределах от 0,02 мкм до 1 мкм[1]. 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[править]

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».[2]

Система Шмидта[править]

Камера Шмидта[править]

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»[3].

(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 . Фокальная поверхность является сферой, поэтому астрометристы обычно не исправляют кривизну поля, а вместо этого используют выгнутые фотопластинки.


Камера Шмидта-Вя́йсяля[править]

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[править]

Rowe Ackermann Schmidt Astrograph - ru: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[править]

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[править]

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[править]

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[править]

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[править]

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)[править]

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


Система Гамильтона[править]

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[править]

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[править]

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[4]. 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[5]. Примером могут послужить объективы серии «МТО» и «ЗМ».

Основные преимущества и недостатки катадиоптрических систем[править]

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[править]

Примечания[править]

  1. Быков Б. З., Перов В. А. Оформление рабочих чертежей оптических деталей и выбор допусков на их характеристики. — 1-е изд. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009.>
  2. «Zerochromat» Джона Уолла
  3. Сикорук Л. Л. Телескопы для любителей астрономии. — 2-е изд.. — М.: «Наука», 1982. — С. 49. — 368 с.>
  4. Общий курс фотографии, 1987, с. 15
  5. Кудряшов, 1952, с. 56

Литература[править]

  • Фомин А. В. § 5. Фотографические объективы // Общий курс фотографии. — 3-е. — М.,: «Легпромбытиздат», 1987. — С. 12—25. — 256 с.>
  • Н. Кудряшов Узкоплёночный киноаппарат // «Как самому снять и показать кинофильм». — 1-е изд. — М.,: Госкиноиздат, 1952. — С. 56—57. — 252 с.>

Ссылки[править]

Шаблон:Виды кино- и фотообъективов