Los sistemas ópticos de lentes de espejo son un tipo de sistemas ópticos que contienen elementos reflectantes y refractivos. Estos sistemas también se denominan catadióptricos y se diferencian de los catóptricos , que consisten únicamente en espejos esféricos , por la presencia de lentes que corrigen las aberraciones residuales [1] . Los sistemas de lentes de espejo encontraron uso en reflectores , faros delanteros , primeros faros , microscopios y telescopios , así como en teleobjetivos y lentes súper rápidos .
Los sistemas catadióptricos han recibido el principal desarrollo en los telescopios, ya que permiten el uso de una superficie esférica de espejos, que es mucho más avanzada tecnológicamente que otras superficies curvas . Además, la óptica del espejo está libre de aberración cromática . Esto hace posible crear telescopios relativamente baratos de grandes diámetros. Las lentes correctoras de diámetro relativamente pequeño se pueden usar en telescopios reflectores para aumentar el campo de visión útil , pero no se clasifican como telescopios de lentes de espejo. Los telescopios de lentes de espejo generalmente se denominan aquellos en los que los elementos de la lente son comparables en tamaño al espejo principal y están diseñados para corregir la imagen (están construidos por el espejo principal).
De acuerdo con las leyes de la óptica, la rugosidad de la superficie del espejo no debe ser peor que λ/8, donde λ es la longitud de onda ( la luz visible es de 550 nm), y la desviación de la forma de la superficie con respecto a la calculada debe estar en el rango de 0,02 µm a 1 µm [2] . Así, la principal dificultad en la fabricación de un espejo es la necesidad de observar con mucha precisión la curvatura de la superficie. Es mucho más fácil tecnológicamente hacer un espejo esférico que uno parabólico e hiperbólico , que se utilizan en los telescopios reflectores . Pero el propio espejo esférico tiene aberraciones esféricas muy grandes y no se puede utilizar. Los sistemas de telescopio que se describen a continuación son intentos de corregir las aberraciones de un espejo esférico agregando una lente de vidrio de curvatura especial ( corrector ) al sistema óptico.
Los primeros tipos de telescopios catadióptricos incluyen sistemas que consisten en un objetivo de lente única y un espejo Mangin . El primer telescopio de este tipo fue patentado por WF Hamilton en 1814 . A fines del siglo XIX, el óptico alemán Ludwig Schupmann ( alemán: Ludwig Schupmann ) colocó un espejo esférico detrás del foco de un objetivo de lente y agregó un tercer elemento al sistema: un corrector de lente . Estos telescopios, sin embargo, no ganaron popularidad, siendo dejados de lado por refractores y reflectores acromáticos. Es curioso notar que a finales del siglo XX, algunos ópticos volvieron a mostrar interés por estos esquemas: por ejemplo, en 1999, el aficionado a la astronomía y construcción de telescopios británico John Wall patentó el esquema óptico del telescopio Zerochromat [3] .
En 1930, un óptico estonio-alemán , empleado del Observatorio de Hamburgo , Bernhard Schmidt , instaló un diafragma en el centro de la curvatura de un espejo esférico, eliminando inmediatamente tanto el coma como el astigmatismo . Para eliminar la aberración esférica, colocó una lente de forma especial en el diafragma , que es una superficie de cuarto orden. El resultado es una cámara fotográfica con la única aberración, curvatura de campo y cualidades sorprendentes: cuanto mayor es la apertura de la cámara, mejores son las imágenes que da y mayor es el campo de visión.
En 1946, James Baker instaló un espejo secundario convexo en la cámara de Schmidt y obtuvo un campo plano. Algo más tarde, este sistema fue modificado y se convirtió en uno de los sistemas más avanzados: Schmidt- Cassegrain , que sobre un campo de 2 grados de diámetro da una calidad de imagen difractiva. La parte central aluminizada del reverso del corrector se suele utilizar como espejo secundario.
El telescopio Schmidt se usa muy activamente en astrometría para crear estudios del cielo. Su principal ventaja es un campo de visión muy amplio, de hasta 6°. La superficie focal es una esfera, por lo que los astrónomos no suelen corregir la curvatura del campo, sino que utilizan placas fotográficas curvas. .
En 1941, Dmitry Maksutov descubrió que la aberración esférica de un espejo esférico podía compensarse con un menisco de gran curvatura. Al encontrar una buena distancia entre el menisco y el espejo, Maksutov logró deshacerse del coma y el astigmatismo . La curvatura del campo, como en la cámara Schmidt, se puede eliminar instalando una lente plano-convexa cerca del plano focal, la llamada lente Piazzi-Smith .
Habiendo aluminizado la parte central del menisco, Maksutov obtuvo análogos de menisco de los telescopios Cassegrain y Gregory. Se han propuesto análogos de menisco de casi todos los telescopios de interés para los astrónomos. En particular, los telescopios Maksutov-Cassegrain se utilizan a menudo en la astronomía amateur moderna y, en menor medida, los telescopios Maksutov-Newton y Maksutov-Gregory.
Cabe señalar que hay dos tipos principales de telescopios Maksutov-Cassegrain, cuya diferencia radica en el tipo de espejo secundario. En un caso, el espejo secundario, como se mencionó anteriormente, es un círculo aluminizado en la superficie interna del menisco. Esto simplifica y reduce el costo de construcción. Sin embargo, dado que los radios de curvatura de las superficies exterior e interior del menisco son los mismos, para eliminar la aberración esférica hasta valores aceptables, es necesario aumentar la relación focal del sistema. Por lo tanto, la gran mayoría de los pequeños telescopios de clase amateur producidos comercialmente son de foco largo y tienen una relación focal del orden de 1/12 a 1/15.
Los telescopios de este tipo se mencionan en las fuentes inglesas como Gregory-Maksutov o Spot-Maksutov , ya que la patente de dicho esquema (y el tipo de espejo secundario) se emitió al óptico e ingeniero estadounidense John Gregory ( John F. Gregory , 1927-2009). El primer telescopio comercial de aficionados de este tipo fue el Questar , lanzado en 1954.
Para crear sistemas más potentes y telescopios de gama alta, se utiliza un espejo secundario separado, unido al menisco. La presencia de un espejo separado permite darle la forma geométrica requerida sin cambiar el diseño del menisco. En fuentes inglesas, esta versión del telescopio Maksutov se conoce como Maksutov-Sigler o Maksutov-Rutten .
Los espejos esféricos también han encontrado aplicación en el diseño de teleobjetivos fotográficos y de filmación . Debido al diseño de la lente de espejo, la longitud del encuadre se reduce significativamente , por lo que las lentes con una distancia focal de 1000 mm o más son mucho más compactas y livianas que los teleobjetivos convencionales [4] . En algunos casos, la reducción del número de lentes puede reducir las aberraciones cromáticas .
Los objetivos réflex y réflex generalmente no están equipados con una apertura ajustable, y su apertura fija oscila entre f / 5,6 y f /11 [1] . Por lo tanto, puedes disparar con ellos solo con buena iluminación o en materiales fotográficos con alta fotosensibilidad . Algunas lentes especiales con lentes de espejo también pueden tener una apertura muy alta (por ejemplo, una lente CV diseñada para filmar a ultra alta velocidad tenía una apertura de 0,5 [5] ).
Un rasgo característico de las imágenes creadas por una lente réflex es la forma del círculo de dispersión de las fuentes de luz brillante que se muestran fuera de foco. Estas fuentes se representan como anillos que corresponden a la forma de la pupila de entrada de la lente. En algunos casos, este tipo de desenfoque crea una especie de patrón óptico expresivo .
La respuesta de contraste de frecuencia de las lentes réflex es bastante baja. Este tipo de lente ganó cierta popularidad a principios de la década de 1970 debido a su relativa compacidad y bajo costo. Sin embargo, la baja apertura y el diseño óptico suave obligaron a los teleobjetivos de diseños de lentes de dos componentes a ceder.
Las lentes de foto-cine soviéticas usaban principalmente el sistema Maksutov [6] . Un ejemplo son las lentes de la serie MTO y ZM .
Los sistemas catadióptricos son una síntesis de los sistemas de espejos y lentes. Tienen muchas ventajas, pero también heredan algunas desventajas.
VentajasLos sistemas de lentes de espejo se crearon en busca de un compromiso. Su uso es limitado. Su pequeño tamaño y enfoque no permiten su uso con fines astrofísicos, pero los telescopios son muy utilizados entre los astrónomos.
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