反射屈折システム

カタディオプトリック光学系は、屈折と反射が光学系内で組み合わされているもので、通常はレンズ(ジオプトリック) と曲面ミラー(カタディオプトリック) を介して行われます。カタディオプトリックの組み合わせは、サーチライト、ヘッドランプ、初期の灯台の焦点合わせシステム、光学望遠鏡、顕微鏡、望遠 レンズなどの焦点合わせシステムに使用されます。監視用 カタディオプトリックセンサーなど、レンズとミラーを使用するその他の光学系も「カタディオプトリック」と呼ばれます。

カタディオプトリックの組み合わせは、初期の多くの光学システムに使用されていました。1820年代に、オーギュスタン-ジャン・フレネルは、フレネルレンズのカタディオプトリック灯台反射鏡のバージョンをいくつか開発しました。^[1] レオン・フーコーは、1859年に、レンズを使用して高倍率で物体を画像化する際に発生する収差を打ち消すために、カタディオプトリック顕微鏡を開発しました。 ^{[2] 1876年にフランスの技術者A.マンジャンは、}マンジャンミラーと呼ばれるようになったものを発明しました。これは、ガラスの裏側に銀色の表面がある凹面ガラス反射鏡です。反射鏡の2つの表面は、球面鏡の収差を補正するために異なる半径を持っています。光はガラスを2回通過するため、システム全体がトリプレットレンズのように機能します。^[3]マンジャンミラーはサーチライトに使用され、ほぼ真の平行ビームを作り出しました。多くのカタディオプトリック望遠鏡は、裏面に反射コーティングが施された負レンズを使用しており、「マンジャンミラー」と呼ばれていますが、オリジナルのマンジャンのような単一要素対物レンズではなく、マンジャンの発明よりも古いものもあります。^[4]

カタディオプトリック望遠鏡は、特定の形状のミラーとレンズを組み合わせて像を形成する光学望遠鏡です。これは通常、全レンズまたは全ミラーの望遠鏡よりも全体的に誤差補正度合いが高く、結果として収差のない視野が広くなるように行われます。設計は単純な全球面を持つことができ、望遠鏡の質量を減らす折り畳み式光路を利用できるため、製造が容易になります。多くのタイプでは、複合像形成光学系にレンズまたは曲面ミラーである「コレクター」を採用し、反射または屈折要素が対応する要素によって生成される収差を補正できるようにします。

カタディオプトリックダイアライトは、カタディオプトリック望遠鏡の最も初期のタイプです。これは、単要素の屈折望遠鏡 対物レンズと銀裏打ちの負レンズ (マンジャン ミラーに類似) を組み合わせたものです。最初のものは、WF ハミルトンが 1814 年に特許を取得したハミルトン望遠鏡でした。19 世紀末近くにドイツの光学技師ルートヴィヒ シュプマンが設計したシュプマン中間望遠鏡は、カタディオプトリック ミラーを屈折主レンズの焦点の外側に配置し、システムに 3 番目の補正/焦点合わせレンズを追加しました。

球面主鏡の前に1 枚以上のフル 直径レンズ (一般に「補正板」と呼ばれる) を配置する利点を生かした望遠鏡の設計がいくつかあります。これらの設計は、すべての表面が「球面対称」 ^[5]であることを利用して、もともとは鏡ベースの光学システム (反射望遠鏡) の改良として発明され、コマ収差や非点収差が比較的少ない像面を実現して天体写真カメラとして使用できるようにしました。これらの設計は、光を同じ点に戻す球面鏡の能力と、システムの前面にある大きなレンズ (補正板) を組み合わせて機能します。このレンズは入射光をわずかに曲げ、球面鏡が無限遠にある物体を像できるようにします。これらの設計のいくつかは、コンパクトで焦点距離の長いカタディオプトリックカセグレンを作成するために採用されています。

シュミット補正器は、最初のフル直径補正板であり、ベルンハルト・シュミットの 1931 年のシュミット カメラで使用されました。シュミット カメラは広視野の写真用望遠鏡で、補正板は主鏡の曲率中心にあり、湾曲したフィルム プレートまたは検出器が取り付けられている主焦点のチューブ アセンブリ内の焦点に画像を生成します。比較的薄くて軽量な補正器により、シュミット カメラは最大 1.3 m の直径で構築できます。補正器の複雑な形状を作るには、いくつかのプロセスが必要です。まず、平らな光学ガラス片から始め、その片側を真空にして全体を湾曲させ、次に反対側を平らに研削して研磨し、主鏡によって引き起こされる球面収差を補正するために必要な正確な形状を実現します。この設計は、多くのシュミットのバリエーションに役立ちました。

人気のサブタイプ

• シュミットカセグレン望遠鏡は、アマチュア天文市場で最も人気のある商用設計の1つであり、^[6] 1960年代から大量生産されています。この設計では、シュミットカメラのフィルムホルダーをカセグレン副鏡に置き換え、長い焦点距離と狭い視野を持つ折り畳まれた光路を作成します。

複雑なシュミット補正板を、製造が容易な全開口球面メニスカスレンズ（メニスカス補正シェル）に置き換えて広視野望遠鏡を作るというアイデアは、1940年代初頭の戦争で荒廃したヨーロッパで、アルバート・バウワース（1940年）、ドミトリ・ドミトリエヴィチ・マクストフ（1941年）、K・ペニング、デニス・ガボール（1941年）の少なくとも4人の光学設計者の頭に浮かんだ。^{[7] [8]}戦時中の秘密主義により、これらの発明者は互いの設計を知ることができず、それぞれが独立した発明となった。アルバート・バウワースは1940年8月にメニスカス望遠鏡のプロトタイプを製作し、1941年2月に特許を取得した。これは球面同心のメニスカスを使用し、単色天体カメラとしてのみ適していた。後の設計では、色収差を補正するために接着ダブレットを追加した。ドミトリ・マクストフは1941年10月に同様のタイプのメニスカス望遠鏡であるマクストフ望遠鏡の試作機を製作し、同年11月に特許を取得した。^[9]彼の設計では、弱い負の形状のメニスカス補正器を主鏡の近くに配置することで、球面収差と色収差を補正した。

人気のサブタイプ

• マクストフ・カセグレン望遠鏡は、マクストフ望遠鏡の変種であるメニスカス補正鏡を使用する最も一般的に見られる設計である。補正鏡に銀メッキの「スポット」二次鏡があり、焦点距離は長いが視野が狭いコンパクトな（折り畳まれた光路）望遠鏡となっている。この設計のアイデアは、ドミトリ・マクストフの1941年のメモに現れ、もともとローレンス・ブレイマー（Questar、1954年）とジョン・グレゴリー（1955年の特許^[10]）によって商業設計で開発された。補正鏡と銀メッキの二次スポットの組み合わせにより、マクストフ・カセグレン望遠鏡は気密に保たれ位置合わせ（コリメーション）が固定できるため、メンテナンスが少なく耐久性が高くなっている。

ホートン望遠鏡またはルリー・ホートン望遠鏡は、主鏡の球面収差を補正するために、前面開口部全体に広い複合正負レンズを使用する設計です。ホートン補正器の色収差は最小限であるため、必要に応じて、2 つの補正器要素を同じ種類のガラスで作成できます。

この補正鏡はシュミットカセグレンの前部補正鏡よりは厚いですが、マクストフメニスカス補正鏡よりははるかに薄いです。すべてのレンズ面と鏡面は球面状で、アマチュアによる製作が非常に容易です。

サブアパーチャ補正設計では、補正要素は通常、はるかに大きな対物レンズの焦点にあります。これらの要素はレンズとミラーの両方である可能性がありますが、複数の表面が関係するため、これらのシステムで良好な収差補正を達成することは非常に複雑になる可能性があります。^[4]サブアパーチャ補正カタディオプトリック望遠鏡の例には、アルグノフカセグレン望遠鏡、 クレフツォフカセグレン望遠鏡、サブアパーチャ補正マクストフ望遠鏡があります。これらは、収差を補正するように設計されたレンズ要素とミラーで構成される光学グループを「二次ミラー」として使用します。また、ジョーンズバードニュートン望遠鏡は、焦点の近くに取り付けられた小さな補正レンズと組み合わせた球面主鏡を使用します。^[11]

カメラレンズには、カタディオプトリックレンズ（CAT）、反射レンズ、ミラーレンズとも呼ばれるさまざまな種類のカタディオプトリックシステムが使用されています。これらのレンズは、光学アセンブリの物理的な長さを大幅に短縮するカセグレン設計の一種を使用しており、部分的には光路を折り曲げることによって短縮されますが、主に凸面の二次ミラーの望遠効果によって焦点距離が何倍も（最大4～5倍）増加します。^[12]これにより、焦点距離が250 mmから1000 mmを超えるレンズが作成され、長焦点または望遠レンズよりもはるかに短くコンパクトになります。さらに、長い屈折レンズで大きな問題となる色収差や、反射望遠鏡で大きな問題となる軸外収差は、カタディオプトリックシステムによってほぼ完全に排除されるため、カメラの大きな焦点面を埋めるのに適した画像が生成されます。

しかし、カタディオプトリックレンズには欠点がいくつかあります。中央に障害物があるため、調整可能な絞りを使用して光の透過率を制御することができません。^[13]つまり、レンズのF値の値は、光学系の全体的な設計焦点比（主鏡の直径を焦点距離で割ったもの）に固定されます。レンズを絞ることができないため、カタディオプトリックレンズの被写界深度は浅くなります。露出は通常、レンズの前部または後部に減光フィルターを配置することで調整されます。その変調伝達関数は、低空間周波数で低いコントラストを示します。最後に、その最も顕著な特徴は、画像の焦点が合っていない部分が環状になり、入射瞳の形状によってドーナツ型の「虹彩ぼかし」またはボケが生じることです。

20世紀後半を通じて、いくつかの企業がカタディオプトリックレンズを製造しました。ニコン（ミラーニッコール、後にリフレックスニッコールの名称で）とキヤノンは、500 mm 1:8や1000 mm 1:11など、いくつかの設計を提供しました。タムロン、サムヤン、ビビター、オプテカなどの小規模な企業もいくつかのバージョンを提供し、これらのブランドのうち最後の3つは、現代のシステムカメラで使用するために、多くのカタディオプトリックレンズを現在でも積極的に製造しています。ソニー（旧ミノルタ）は、アルファシリーズのカメラ用に500 mmのカタディオプトリックレンズを提供しました。ソニーのレンズは、大手ブランドが製造したレフレックスレンズの中で、オートフォーカスを備えた唯一のレンズという特徴がありました（ソニーの製造に先立ってミノルタが製造した同一のレンズは別です）。

• 
  ヤシカFX-3に装着した500mmの反射屈折レンズ
• 
  ミノルタ AF 500 mm F/8 カタディオプトリックレンズをソニー アルファ 55カメラに取り付けた状態
• 
  マクストフ MC MTO-11CA
• 
  サムヤン 500mm f/8
• 
  ニコン 500mm f/8 反射レンズ

• telescope-optics.net、カタディオプトリック望遠鏡
• ミラーレンズを愛する方法を学ぶ - olympuszuiko.com より