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反射屈折光学系とは、屈折と反射を光学系内で組み合わせたもので、通常はレンズ（屈折レンズ）と曲面鏡（反射鏡）を用いて行われます。反射屈折の組み合わせは、サーチライト、ヘッドランプ、初期の灯台集光システム、光学望遠鏡、顕微鏡、望遠レンズなどの集光システムに用いられます。レンズと鏡を用いるその他の光学系も「反射屈折式」と呼ばれ、例えば監視用反射屈折センサーなどが挙げられます。
反射屈折式の組み合わせは、初期の多くの光学系で使用されていました。1820 年代には、オーギュスタン・ジャン・フレネルが、フレネル レンズの反射屈折式灯台反射鏡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、高倍率で物体を結像するためにレンズを使用する際の収差を補正するために、1859 年に反射屈折式顕微鏡を開発しました。 [ 2 ] 1876 年、フランスのエンジニア A. マンジンは、マンジン 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、ガラスの裏面に銀面を持つ凹面ガラス反射鏡です。反射鏡の 2 つの面は、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 ]マンジン ミラーはサーチライトで使用され、ほぼ真の平行光線を生成しました。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、これは「マンギンミラー」と呼ばれていますが、オリジナルのマンギンのような単一要素の対物レンズではなく、中にはマンギンの発明よりも古いものもあります。[ 4 ]
反射屈折望遠鏡は、特殊な形状の鏡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、レンズのみ、または鏡のみの望遠鏡よりも全体的な誤差補正の度合いを高め、結果として収差のない広い視野を実現するためです。その設計は、シンプルな全球面を採用することができ、望遠鏡の質量を軽減し製造を容易にする折り畳み式光路を利用できます。多くのタイプでは、反射または屈折要素が対応する要素によって生じる収差を補正できるように、複合像形成光学系に「補正器」と呼ばれるレンズまたは曲面鏡を使用します。
カタディオプトリック式望遠鏡は、カタディオプトリック式望遠鏡の最も初期のタイプです。これは、単一要素の屈折望遠鏡対物レンズと銀裏打ちの負レンズ（マンギン鏡に類似）を組み合わせたものです。最初のものは、1814年にW.F.ハミルトンによって特許が取得されたハミルトニアン望遠鏡です。19世紀末近くにドイツの光学技師ルートヴィヒ・シュプマンによって設計されたシュプマン式望遠鏡は、屈折望遠鏡の主焦点よりも外側にカタディオプトリックミラーを配置し、システムに3つ目の補正/焦点調整レンズを追加しました。
球面主鏡の前に1 枚以上の全径レンズ (一般に「補正板」と呼ばれる) を配置することを利用した望遠鏡の設計がいくつかあります。これらの設計は、すべての面が「球面対称」であること[ 5 ]を利用しており、元々は鏡ベースの光学系 (反射望遠鏡)を改良して、コマ収差や非点収差が比較的少ない像面を持つようにし、天体写真用カメラとして使用できるようにするために考案されました。これらの設計は、球面鏡が光を同じ点に反射する能力と、システムの前面にある大きなレンズ (補正板) が入射光をわずかに曲げることで、球面鏡が無限遠の物体を結像できるようにすることで機能します。これらの設計の一部は、コンパクトで焦点距離の長い反射屈折式カセグレン望遠鏡を作成するために応用されています。
シュミット補正板は、最初の全径補正板であり、1931 年にベルンハルト・シュミットが開発した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写真望遠鏡で、主鏡の曲率中心に補正板があり、鏡筒内部の主焦点に像を結び、そこに湾曲したフィルム板または検出器が取り付けられます。比較的薄くて軽量な補正板のおかげで、シュミットカメラは最大 1.3 m の直径で製造できます。補正板の複雑な形状は、まず平らな光学ガラスから始まり、片面に真空を置いて全体を湾曲させ、次に反対側を研磨して平らにすることで、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するという、いくつかの工程を経て作られます。この設計は、多くのシュミットカメラのバリエーションを生み出しました。
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年代初頭の戦禍に苦しむヨーロッパで、アルバート・バウワーズ（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）を含む少なくとも4人の光学設計者に思い浮かんだ。[ 7 ] [ 8 ]戦時中の秘密主義により、これらの発明家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・バウワーズは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。これは球面同心メニスカスを使用しており、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月に同様のメニスカス望遠鏡であるマクストフ望遠鏡の試作品を製作し、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。
ホートン望遠鏡、またはルーリー・ホートン望遠鏡は、主鏡の球面収差を補正するために、前面開口部全体にわたって広い複合正負レンズを使用する設計です。ホートン補正レンズの色収差は最小限であるため、必要に応じて2つの補正レンズを同じ種類のガラスで作ることができます。
この補正レンズはシュミットカセグレン式望遠鏡の前面補正レンズよりは厚いが、マクストフ式望遠鏡のメニスカス補正レンズよりははるかに薄い。レンズ面と鏡面はすべて球面形状であるため、アマチュアでも簡単に製作できる。
サブアパーチャ補正器の設計では、補正要素は通常、はるかに大きな対物レンズの焦点に配置されます。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実現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器カタディオプトリック望遠鏡の例としては、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器マクストフ望遠鏡があり、これらは「二次ミラー」として、収差補正用に設計されたレンズ要素と場合によってはミラーで構成される光学群を使用します。また、焦点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するジョーンズ・バード・ニュートン望遠鏡もあります。[ 11 ]
カタディオプトリックシステムは、カタディオプトリックレンズ（CAT）、反射レンズ、またはミラーレンズとも呼ばれるカメラレンズにも使用されています。これらのレンズは、カセグレン設計の何らかの形式を使用しており、光路を折り曲げることによって、また主に凸面二次鏡の望遠効果によって焦点距離を何倍（最大4～5倍）にも増幅することで、光学系の物理的な長さを大幅に短縮しています。 [ 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、長焦点レンズや望遠レンズに比べてはるかに短くコンパクトになります。さらに、長焦点屈折レンズの大きな問題である色収差と、反射望遠鏡の大きな問題である軸外収差は、カタディオプトリックシステムによってほぼ完全に除去されるため、生成される画像はカメラの大きな焦点面を満たすのに適しています。
しかし、カタディオプトリックレンズにはいくつかの欠点があります。中央に遮蔽物があるため、調整可能な絞りを使用して光透過率を制御することはできません。[ 13 ]これは、レンズのF値が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値）に固定されることを意味します。レンズを絞り込むことができないため、カタディオプトリックレンズは被写界深度が浅くなります。露出は通常、レンズの前または後ろにニュートラルデンシティフィルターを配置することによって調整されます。変調伝達関数は、低い空間周波数で低いコントラストを示します。最後に、最も顕著な特徴は、画像の焦点がずれた領域が環状であることであり、入射瞳の形状によってドーナツ型の「虹彩ぼけ」またはボケが生じます。
20世紀後半には、いくつかの企業が反射屈折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という名称で）とキヤノンは 、500mm F1.8や1000mm F1.11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企業もいくつかのバージョンを提供し、後者の3つのブランドは現在でも現代のシステムカメラで使用するための反射屈折レンズを積極的に製造しています。ミノルタ（後にソニー）は、 αシリーズのカメラ用に500mmの反射屈折レンズを提供しました。ミノルタのレンズは、大手ブランドが製造した唯一のオートフォーカス機能を備えた一眼レフレンズとして特徴的でした。
