Un sistema óptico catadióptrico es aquel en el que la refracción y la reflexión se combinan en un sistema óptico, generalmente a través de lentes ( dioptricos ) y espejos curvos ( catóptricos ). Las combinaciones catadióptricas se utilizan en sistemas de enfoque como reflectores , faros , sistemas de enfoque de faros antiguos , telescopios ópticos , microscopios y teleobjetivos . Otros sistemas ópticos que utilizan lentes y espejos también se denominan "catadióptricos", como los sensores catadióptricos de vigilancia .
Las combinaciones catadióptricas se han utilizado para muchos de los primeros sistemas ópticos. En la década de 1820, Augustin-Jean Fresnel desarrolló varias versiones de reflectores catadióptricos para faros de su lente Fresnel . [1] Léon Foucault desarrolló un microscopio catadióptrico en 1859 para contrarrestar las aberraciones del uso de una lente para obtener imágenes de objetos a alta potencia. [2] En 1876, un ingeniero francés, A. Mangin, inventó lo que se ha dado en llamar el espejo Mangin , un reflector de vidrio cóncavo con la superficie plateada en el lado posterior del vidrio. Las dos superficies del reflector tienen diferentes radios para corregir la aberración del espejo esférico. La luz pasa a través del vidrio dos veces, lo que hace que el sistema general actúe como una lente triplete . [3] Los espejos Mangin se utilizaron en reflectores, donde producían un haz casi paralelo. Muchos telescopios catadióptricos utilizan lentes negativas con un revestimiento reflectante en la parte posterior, conocidas como “espejos Mangin”, aunque no son objetivos de un solo elemento como el Mangin original, y algunos incluso son anteriores a la invención de Mangin. [4]
Los telescopios catadióptricos son telescopios ópticos que combinan espejos y lentes de formas específicas para formar una imagen. Esto se hace generalmente para que el telescopio pueda tener un mayor grado general de corrección de errores que sus contrapartes de lentes o espejos, con un campo de visión libre de aberraciones más amplio . Sus diseños pueden tener superficies esféricas simples y pueden aprovechar un camino óptico plegado que reduce la masa del telescopio, lo que los hace más fáciles de fabricar. Muchos tipos emplean "correctores", una lente o un espejo curvo en un sistema óptico combinado de formación de imágenes para que el elemento reflectante o refractivo pueda corregir las aberraciones producidas por su contraparte.
Los telescopios catadióptricos son el tipo más antiguo de telescopio catadióptrico. Consisten en un objetivo refractor de un solo elemento combinado con una lente negativa con respaldo de plata (similar a un espejo Mangin). El primero de ellos fue el telescopio hamiltoniano patentado por WF Hamilton en 1814. El telescopio medial Schupmann, diseñado por el óptico alemán Ludwig Schupmann a finales del siglo XIX, colocó el espejo catadióptrico más allá del foco del refractor primario y añadió una tercera lente correctora/de enfoque al sistema.
Existen varios diseños de telescopios que aprovechan la colocación de una o más lentes de diámetro completo (comúnmente llamadas " placa correctora ") frente a un espejo primario esférico. Estos diseños aprovechan que todas las superficies son "esféricamente simétricas" [5] y se inventaron originalmente como modificaciones de los sistemas ópticos basados en espejos ( telescopios reflectores ) para permitirles tener un plano de imagen relativamente libre de coma o astigmatismo para que pudieran usarse como cámaras astrográficas . Funcionan combinando la capacidad de un espejo esférico de reflejar la luz de regreso al mismo punto con una lente grande en la parte frontal del sistema (un corrector) que dobla ligeramente la luz entrante, lo que permite que el espejo esférico tome imágenes de objetos en el infinito . Algunos de estos diseños se han adaptado para crear cassegrains catadióptricos compactos de longitud focal larga .
El corrector Schmidt , la primera placa correctora de diámetro completo, se utilizó en la cámara Schmidt de Bernhard Schmidt de 1931. La cámara Schmidt es un telescopio fotográfico de campo amplio, con la placa correctora en el centro de curvatura del espejo primario, que produce una imagen en un foco dentro del conjunto del tubo en el foco principal donde se monta una placa de película curva o detector. El corrector relativamente delgado y liviano permite que las cámaras Schmidt se construyan en diámetros de hasta 1,3 m. La forma compleja del corrector requiere varios procesos para fabricarse, comenzando con una pieza plana de vidrio óptico, colocando un vacío en un lado de la misma para curvar toda la pieza, luego puliendo y aplanando el otro lado para lograr la forma exacta requerida para corregir la aberración esférica causada por el espejo primario. El diseño se ha prestado a muchas variantes de Schmidt .
La idea de reemplazar la complicada placa correctora Schmidt con una lente de menisco esférico de apertura completa fácil de fabricar (una carcasa correctora de menisco ) para crear un telescopio de campo amplio se les ocurrió a al menos cuatro diseñadores ópticos a principios de la década de 1940 en la Europa devastada por la guerra, incluidos Albert Bouwers (1940), Dmitri Dmitrievich Maksutov (1941), K. Penning y Dennis Gabor (1941). [7] [8] El secreto en tiempos de guerra impidió que estos inventores conocieran los diseños de los demás, lo que llevó a que cada uno fuera una invención independiente. Albert Bouwers construyó un prototipo de telescopio de menisco en agosto de 1940 y lo patentó en febrero de 1941. Utilizaba un menisco esférico concéntrico y solo era adecuado como cámara astronómica monocromática. En un diseño posterior agregó un doblete cementado para corregir la aberración cromática. Dmitri Maksutov construyó un prototipo para un tipo similar de telescopio de menisco, el telescopio Maksutov , en octubre de 1941 y lo patentó en noviembre de ese mismo año. [9] Su diseño corrigió las aberraciones esféricas y cromáticas colocando un corrector de menisco débil en forma de negativo más cerca del espejo primario.
El telescopio Houghton o telescopio Lurie–Houghton es un diseño que utiliza una amplia lente compuesta positiva-negativa en toda la apertura frontal para corregir la aberración esférica del espejo principal. Si se desea, los dos elementos correctores pueden fabricarse con el mismo tipo de vidrio, ya que la aberración cromática del corrector Houghton es mínima.
El corrector es más grueso que el corrector frontal de un Schmidt-Cassegrain, pero mucho más fino que un corrector de menisco de Maksutov. Todas las superficies de las lentes y del espejo son esferoidales, lo que facilita enormemente la construcción por parte de aficionados.
En los diseños de correctores de sub-apertura, los elementos correctores suelen estar en el foco de un objetivo mucho más grande. Estos elementos pueden ser tanto lentes como espejos, pero como intervienen múltiples superficies, lograr una buena corrección de la aberración en estos sistemas puede ser muy complejo. [4] Entre los ejemplos de telescopios catadióptricos con correctores de sub-apertura se incluyen el telescopio Argunov-Cassegrain , el telescopio Klevtsov-Cassegrain y los correctores de sub-apertura Maksutov, que utilizan como " espejo secundario " un grupo óptico formado por elementos de lentes y, a veces, espejos diseñados para corregir la aberración, así como los telescopios newtonianos Jones-Bird, que utilizan un espejo primario esférico combinado con una pequeña lente correctora montada cerca del foco. [11]
También se utilizan varios tipos de sistemas catadióptricos en lentes de cámara conocidas alternativamente como lentes catadióptricas ( CAT ), lentes réflex o lentes de espejo . Estas lentes utilizan alguna forma del diseño cassegrain que reduce en gran medida la longitud física del conjunto óptico, en parte doblando el camino óptico, pero principalmente a través del efecto telefoto del espejo secundario convexo que multiplica la longitud focal muchas veces (hasta 4 a 5 veces). [12] Esto crea lentes con longitudes focales de 250 mm hasta 1000 mm y más que son mucho más cortas y compactas que sus contrapartes de foco largo o telefoto. Además, la aberración cromática , un problema importante con las lentes refractivas largas, y la aberración fuera del eje , un problema importante con los telescopios reflectantes, se elimina casi por completo mediante el sistema catadióptrico, lo que hace que la imagen que producen sea adecuada para llenar el gran plano focal de una cámara.
Sin embargo, las lentes catadióptricas tienen varias desventajas. El hecho de que tengan una obstrucción central significa que no pueden usar un diafragma ajustable para controlar la transmisión de luz. [13] Esto significa que el valor del número F de la lente está fijado a la relación focal general diseñada del sistema óptico (el diámetro del espejo primario dividido por la longitud focal). La incapacidad de cerrar la lente da como resultado que la lente catadióptrica tenga una profundidad de campo corta. La exposición generalmente se ajusta mediante la colocación de filtros de densidad neutra en la parte delantera o trasera de la lente. Su función de transferencia de modulación muestra un bajo contraste a bajas frecuencias espaciales . Finalmente, su característica más destacada es la forma anular de las áreas desenfocadas de la imagen, lo que da un "borrón de iris" o bokeh en forma de rosquilla , causado por la forma de la pupila de entrada .
Varias empresas fabricaron lentes catadióptricas a lo largo de la última parte del siglo XX. Nikon (bajo los nombres Mirror- Nikkor y más tarde Reflex- Nikkor ) y Canon ofrecieron varios diseños, como 500 mm 1:8 y 1000 mm 1:11. Empresas más pequeñas como Tamron , Samyang , Vivitar y Opteka también ofrecieron varias versiones, y las tres últimas de estas marcas todavía producen activamente una serie de lentes catadióptricas para su uso en cámaras de sistema modernas. Sony (anteriormente Minolta) ofreció una lente catadióptrica de 500 mm para su gama de cámaras Alpha. La lente Sony tenía la distinción de ser la única lente réflex fabricada por una marca importante que presentaba enfoque automático (aparte de la lente idéntica fabricada por Minolta que precedió a la producción de Sony).
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