Катадиоптрические оптические системы: обзор¶

Катадиоптрические оптические системы — класс оптических приборов, в которых для формирования изображения одновременно используются как линзы (диоптрические элементы), так и зеркала (катоптрические элементы). Такое сочетание позволяет совместить преимущества зеркальной оптики (большой светособирающий диаметр при компактной длине трубы) и линзовой коррекции аберраций. Катадиоптрические системы широко применяются в телескопах, телеобъективах, прожекторах и оптических прицелах.

¶История

Первые идеи комбинирования зеркал и линз для исправления аберраций зеркальных систем относятся к XIX веку. В 1814 году итальянский астроном Никколо Каччаторе предложил схему, впоследствии названную его именем, — систему из сферического зеркала и мениска. Однако практическое распространение катадиоптрики получила лишь в середине XX века.

В 1941 году немецкий оптик Бернхард Шмидт создал камеру Шмидта — систему, в которой сферическое главное зеркало сочетается с коррекционной пластиной сложной формы, установленной в центре кривизны зеркала. Эта схема позволила получать широкоугольные изображения без комы и астигматизма. В 1944 году советский оптик Дмитрий Максутов предложил более технологичную схему с мениском — вогнуто-выпуклой линзой, исправляющей сферическую аберрацию. Система Максутова — Кассегрена стала одной из самых массовых в любительской астрономии благодаря простоте изготовления.

¶Принцип действия

Основная задача катадиоптрической схемы — компенсация аберраций зеркальной оптики с помощью линзовых элементов. Сферическое зеркало, в отличие от параболического, не создаёт идеального изображения точки на оси, но его значительно проще изготовить. Установленная перед зеркалом линза (мениск, коррекционная пластина) вносит противоположные по знаку аберрации, нейтрализуя недостатки зеркала. Дополнительные линзовые компоненты вблизи фокуса служат для выноса фокальной плоскости и исправления полевых аберраций.

¶Основные типы

¶Система Шмидта

Состоит из сферического главного зеркала и асферической коррекционной пластины в центре кривизны. Обеспечивает широкое поле зрения (до 10–15°) без комы. Недостаток — значительная длина трубы (вдвое больше фокусного расстояния) и сложность изготовления асферики.

¶Система Максутова

Использует сферическое зеркало и мениск — линзу с обеими сферическими поверхностями. Мениск полностью исправляет сферическую аберрацию, а при выборе оптической силы компенсирует и другие дефекты. Система компактнее шмидтовской, проста в производстве, но имеет остаточную хроматическую аберрацию и меньшее поле зрения.

¶Система Кассегрена с линзовой коррекцией

Классическая двухзеркальная схема (главное вогнутое и вторичное выпуклое зеркала) дополняется линзовыми элементами. В варианте Максутова — Кассегрена мениск устанавливается перед главным зеркалом; в варианте Шмидта — Кассегрена используется коррекционная пластина. Такие системы обеспечивают длинное фокусное расстояние при короткой трубе.

¶Система Ричи — Кретьена с линзовым корректором

Штатная схема профессиональных обсерваторий (например, космический телескоп «Хаббл»). Добавление линзового корректора поля расширяет полезное поле зрения.

¶Применение

В астрономии катадиоптрические телескопы (прежде всего системы Максутова — Кассегрена и Шмидта — Кассегрена) являются стандартом для любительских наблюдений: они компактны, относительно недороги и дают хорошее качество изображения. В профессиональной практике камеры Шмидта применяются для обзоров неба.

В фотографии катадиоптрические телеобъективы (зеркально-линзовые) позволяют получить фокусное расстояние 500–1000 мм при длине корпуса 150–200 мм. Их недостатки — фиксированная диафрагма и характерное размытие не в фокусе в форме «бублика».

В военной и охотничьей оптике катадиоптрические прицелы обеспечивают высокое увеличение при малой массе. В прожекторной технике зеркально-линзовые конденсаторы формируют узкий параллельный пучок света.

¶Достоинства и недостатки

К преимуществам катадиоптрических систем относятся: компактность (складывание оптической оси), отсутствие хроматизма у чисто зеркальных компонентов, возможность использования сферических поверхностей вместо дорогих асферических. К недостаткам — частичное светопоглощение в линзах, остаточные аберрации, невозможность быстрой смены фокусного расстояния, чувствительность к юстировке и запотеванию внутренних поверхностей.

¶Источники

• Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. — Л.: Наука, 1979.
• Сикорук Л. Л. Телескопы для любителей астрономии. — М.: Наука, 1990.
• Румянцев А. В. Оптические приборы: теория и расчёт. — СПб.: Политехника, 2012.
• Smith W. J. Modern Optical Engineering. — McGraw-Hill, 2008.