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 ( dioptrías ) y espejos curvos ( catoptricos ). Las combinaciones catadióptricas se utilizan en sistemas de enfoque como reflectores , faros , primeros sistemas de enfoque de faros , telescopios ópticos , microscopios y teleobjetivos . También se denominan "catadióptricos" a otros sistemas ópticos que utilizan lentes y espejos, como los sensores catadióptricos de vigilancia .
Se han utilizado combinaciones catadióptricas para muchos de los primeros sistemas ópticos. En la década de 1820, Augustin-Jean Fresnel desarrolló varias versiones catadióptricas de reflector de faro 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 espejo Mangin , un reflector de vidrio cóncavo con la superficie plateada en la parte posterior del vidrio. Las dos superficies del reflector tienen radios diferentes para corregir la aberración del espejo esférico. La luz atraviesa el cristal dos veces, lo que hace que el sistema en su conjunto actúe como una lente triple . [3] Los espejos Mangin se utilizaron en reflectores, donde producían un haz paralelo casi verdadero. Muchos telescopios catadióptricos utilizan lentes negativas con una capa reflectante en la parte posterior que se conocen 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 con formas específicas para formar una imagen. Esto generalmente se hace para que el telescopio pueda tener un mayor grado de corrección de errores en general que sus homólogos de lentes o espejos, con un, en consecuencia, un campo de visión más amplio y libre de aberraciones . Sus diseños pueden tener superficies totalmente esféricas simples y aprovechar una trayectoria óptica plegada que reduce la masa del telescopio, lo que los hace más fáciles de fabricar. Muchos tipos emplean "correctores", una lente o 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 dialitos catadióptricos son el tipo más antiguo de telescopio catadióptrico. Consisten en un objetivo telescópico refractor de un solo elemento combinado con una lente negativa con respaldo plateado (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 un tercer espejo de corrección/enfoque. lente 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 para reflejar la luz hacia el mismo punto con una lente grande en la parte frontal del sistema (un corrector) que desvía ligeramente la luz entrante, permitiendo que el espejo esférico muestre objetos en el infinito . Algunos de estos diseños se han adaptado para crear cassegrains catadióptricos compactos y de longitud focal larga .
El corrector Schmidt , la primera placa correctora de diámetro completo, se utilizó en la cámara Schmidt de 1931 de Bernhard Schmidt . La cámara Schmidt es un telescopio fotográfico de campo amplio, con la placa correctora en el centro de curvatura del espejo primario, produciendo una imagen en un foco dentro del conjunto del tubo en el foco principal donde se monta una placa de película curva o un detector. El corrector relativamente delgado y liviano permite construir cámaras Schmidt con 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 una aspiradora en un lado para curvar toda la pieza, luego esmerilando y puliendo el otro lado para lograr la forma exacta requerida para corregir el Aberración esférica causada por el espejo primario. El diseño se ha prestado a muchas variantes de Schmidt .
La idea de sustituir la complicada placa correctora Schmidt por una lente de menisco esférica de apertura total y fácil de fabricar (una carcasa correctora de menisco ) para crear un telescopio de campo amplio se les ocurrió al menos a cuatro diseñadores ópticos a principios de la Europa devastada por la guerra. incluidos Albert Bouwers (1940), Dmitri Dmitrievich Maksutov (1941), K. Penning y Dennis Gabor (1941). [7] [8] El secreto de la 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 esféricamente concéntrico y sólo era adecuado como cámara astronómica monocromática. En un diseño posterior añadió un doblete cementado para corregir la aberración cromática. Dmitri Maksutov construyó un prototipo de 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 de forma negativa más cerca del espejo primario.
El telescopio Houghton o telescopio Lurie-Houghton es un diseño que utiliza una lente amplia compuesta positiva-negativa en toda la apertura frontal para corregir la aberración esférica del espejo principal. Si se desea se pueden realizar los dos elementos correctores con el mismo tipo de cristal, ya que la aberración cromática del corrector Houghton es mínima.
El corrector es más grueso que el corrector frontal de Schmidt-Cassegrain, pero mucho más delgado que un corrector de menisco Maksutov. Todas las superficies de las lentes y la superficie del espejo son esferoidales, lo que facilita enormemente la construcción amateur.
En los diseños de correctores de subapertura, los elementos correctores suelen estar en el foco de un objetivo mucho más grande. Estos elementos pueden ser tanto lentes como espejos, pero dado que intervienen múltiples superficies, lograr una buena corrección de la aberración en estos sistemas puede resultar muy complejo. [4] Ejemplos de telescopios catadióptricos con corrector de subapertura incluyen el telescopio Argunov-Cassegrain , el telescopio Klevtsov-Cassegrain y el corrector de subapertura Maksutov, que utilizan como " espejo secundario " un grupo óptico que consta de 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 cámaras conocidas alternativamente como lentes catadióptricos ( CAT ), lentes réflex o lentes de espejo . Estas lentes utilizan alguna forma de diseño cassegrain que reduce en gran medida la longitud física del conjunto óptico, en parte doblando la trayectoria óptica, pero principalmente a través del efecto teleobjetivo del espejo secundario convexo que multiplica la distancia focal muchas veces (hasta 4 a 4). 5 veces). [12] Esto crea lentes con distancias focales desde 250 mm hasta 1000 mm y más, que son mucho más cortas y compactas que sus contrapartes de enfoque largo o teleobjetivo. Además, la aberración cromática , un problema importante con las lentes refractivas largas, y la aberración fuera de eje , un problema importante con los telescopios reflectantes, se eliminan 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 varios inconvenientes. El hecho de que tengan una obstrucción central significa que no pueden utilizar un diafragma ajustable para controlar la transmisión de luz. [13] Esto significa que el valor del número F de la lente se fija en la relación focal general diseñada del sistema óptico (el diámetro del espejo primario dividido por la distancia focal). La incapacidad de detener la lente da como resultado que la lente catadióptrica tenga una profundidad de campo corta. La exposición generalmente se ajusta colocando filtros de densidad neutra en la parte delantera o trasera de la lente. Su función de transferencia de modulación muestra un bajo contraste en frecuencias espaciales bajas . Finalmente, su característica más destacada es la forma anular de las áreas desenfocadas de la imagen, dando un 'iris desenfocado' o bokeh en forma de donut , provocado por la forma de la pupila de entrada .
Varias empresas fabricaron lentes catadióptricas a lo largo de la última parte del siglo XX. Tanto Nikon (bajo el nombre Mirror- Nikkor y posteriormente Reflex- Nikkor ) como 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 catadióptricos 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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