Sistema catadióptrico

Un sistema óptico catadióptrico es aquel en el que la refracción y la reflexión se combinan en un sistema óptico, generalmente mediante lentes ( dióptricas ) 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 en muchos sistemas ópticos antiguos. En la década de 1820, Augustin-Jean Fresnel desarrolló varias versiones catadióptricas de reflectores para faros de su lente de 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 gran potencia. ^{[ 2 ]} En 1876, un ingeniero francés, A. Mangin, inventó lo que se conoce como el espejo de 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 pasa a través del vidrio dos veces, haciendo que el sistema en su conjunto actúe como una lente triplete . ^{[ 3 ]} Los espejos de Mangin se utilizaron en reflectores, donde producían un haz casi perfectamente paralelo. Muchos telescopios catadióptricos utilizan lentes negativas con un recubrimiento reflectante en la parte posterior que se denominan "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 se suele hacer para que el telescopio tenga un mayor grado de corrección de errores que sus homólogos de lentes o espejos, con un campo de visión más amplio y libre de aberraciones . Sus diseños pueden tener superficies esféricas simples y aprovechar una trayectoria óptica plegada que reduce la masa del telescopio, facilitando así su fabricación. Muchos tipos emplean correctores, una lente o un espejo curvo en un sistema óptico combinado de formación de imágenes, de modo que el elemento reflectante o refractivo pueda corregir las aberraciones producidas por su contraparte.

Correctores de apertura total

Existen varios diseños de telescopios que aprovechan la colocación de una o más lentes de diámetro completo (comúnmente llamadas " placas correctoras ") delante de un espejo primario esférico. Estos diseños se benefician de la simetría esférica de todas las superficies ^{[ 5 ]} y fueron inventados originalmente como modificaciones de sistemas ópticos basados ​​en espejos ( telescopios reflectores ) para permitirles tener un plano de imagen relativamente libre de coma o astigmatismo, de modo 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 incidente, permitiendo que el espejo esférico capture imágenes de objetos en el infinito . Algunos de estos diseños se han adaptado para crear telescopios Cassegrain catadióptricos compactos de larga distancia focal .

Placa correctora de Schmidt

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 tubo, en el foco primario donde se monta una placa de película curva o un detector. El corrector, relativamente delgado y ligero, permite construir cámaras Schmidt con diámetros de hasta 1,3 m. La compleja forma del corrector requiere varios procesos para su fabricación, comenzando con una pieza plana de vidrio óptico, aplicando vacío en un lado para curvar toda la pieza, y luego puliendo el otro lado para lograr la forma exacta necesaria para corregir la aberración esférica causada por el espejo primario. El diseño se ha prestado a muchas variantes de Schmidt .

Subtipos populares

• Los telescopios Schmidt-Cassegrain son uno de los diseños comerciales más populares en el mercado de la astronomía amateur , ^{[ 6 ]} y se producen en masa desde la década de 1960. El diseño reemplaza el portapelículas de la cámara Schmidt con un espejo secundario Cassegrain, creando una trayectoria óptica plegada con una distancia focal larga y un campo de visión estrecho.

Carcasa correctora de menisco

La idea de reemplazar la compleja placa correctora de Schmidt con una lente menisco esférica de apertura completa de fácil fabricación (una carcasa correctora 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, entre ellos 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 menisco en agosto de 1940 y lo patentó en febrero de 1941. Utilizaba un menisco concéntrico esférico y solo 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 telescopio menisco similar, el telescopio Maksutov , en octubre de 1941 y lo patentó en noviembre de ese mismo año. ^{[ 9 ]} Su diseño corregía las aberraciones esféricas y cromáticas colocando un corrector menisco débil de forma negativa más cerca del espejo primario.

Subtipos populares

• Los telescopios Maksutov-Cassegrain son el diseño más común que utiliza un corrector menisco, una variante del telescopio Maksutov. Tiene un espejo secundario plateado en forma de "punto" en el corrector, lo que da como resultado un telescopio de gran distancia focal pero compacto (trayectoria óptica plegada) con un campo de visión estrecho. Esta idea de diseño apareció en las notas de Dmitri Maksutov de 1941 y fue desarrollada originalmente en diseños comerciales por Lawrence Braymer ( Questar , 1954 ) y John Gregory ( patente de 1955 ^{[ 10 ]} ) . La combinación del corrector con el espejo secundario plateado hace que los Maksutov-Cassegrain requieran poco mantenimiento y sean robustos, ya que pueden sellarse herméticamente y fijarse en alineación ( colimación ).

Lente correctora Houghton

El telescopio Houghton o Lurie-Houghton es un diseño que utiliza una lente compuesta positiva-negativa de gran angular que abarca 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, dado 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 delgado que el corrector menisco de un Maksutov. Todas las superficies de las lentes y la superficie del espejo son esferoidales, lo que facilita enormemente la construcción para aficionados.

Correctores de subapertura

En los diseños de correctores de subapertura, los elementos correctores suelen estar en el foco de un objetivo mucho mayor. Estos elementos pueden ser tanto lentes como espejos, pero dado que intervienen múltiples superficies, lograr una buena corrección de aberraciones en estos sistemas puede ser muy complejo. ^{[ 4 ]} Ejemplos de telescopios catadióptricos con corrector de subapertura incluyen el telescopio Argunov-Cassegrain , el telescopio Klevtsov-Cassegrain y los Maksutov con corrector de subapertura, que utilizan como " espejo secundario " un grupo óptico compuesto 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, conocidos alternativamente como lentes catadióptricas ( CAT ), lentes réflex o lentes de espejo . Estas lentes utilizan alguna forma del diseño Cassegrain, que reduce considerablemente la longitud física del conjunto óptico, en parte mediante el plegado del recorrido óptico, pero principalmente a través del efecto telefoto del espejo secundario convexo, que multiplica la distancia focal muchas veces (hasta 4 o 5 veces). ^{[ 12 ]} Esto crea lentes con distancias focales desde 250  mm hasta más de 1000  mm, que son mucho más cortas y compactas que sus contrapartes de larga distancia focal o telefoto. Además, la aberración cromática , un problema importante en las lentes refractivas largas, y la aberración fuera del eje , un problema importante en los telescopios reflectantes, se eliminan casi por completo con 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 usar un diafragma ajustable para controlar la transmisión de luz. ^{[ 13 ]} Esto significa que el valor del número F de la lente está fijo a la relación focal de diseño general del sistema óptico (el diámetro del espejo primario dividido por la distancia focal). La imposibilidad de cerrar la lente hace que la lente catadióptrica tenga una profundidad de campo corta. La exposición generalmente se ajusta mediante la colocación de filtros de densidad neutra delante o detrás de la lente. Su función de transferencia de modulación muestra un bajo contraste en bajas frecuencias espaciales . Finalmente, su característica más destacada es la forma anular de las áreas desenfocadas de la imagen, que produce un "desenfoque de iris" o bokeh en forma de rosquilla , causado por la forma de la pupila de entrada .

Varias empresas fabricaron objetivos catadióptricos durante la segunda mitad del siglo XX. Nikon (bajo las marcas Mirror- Nikkor y posteriormente Reflex- Nikkor ) y Canon ofrecieron diversos diseños, como el 500  mm 1:8 y el 1000  mm 1:11. Empresas más pequeñas como Tamron , Samyang , Vivitar y Opteka también ofrecieron varias versiones, y las tres últimas marcas siguen produciendo activamente objetivos catadióptricos para cámaras de sistema modernas. Minolta (más tarde Sony) ofreció un  objetivo catadióptrico de 500 mm para su gama de cámaras Alpha. El objetivo Minolta tuvo la particularidad de ser el único objetivo réflex fabricado por una marca importante que incorporaba autoenfoque.

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