Catadioptric system

A catadioptric optical system is one where refraction and reflection are combined in an optical system, usually via lenses (dioptrics) and curved mirrors (catoptrics). Catadioptric combinations are used in focusing systems such as searchlights, headlamps, early lighthouse focusing systems, optical telescopes, microscopes, and telephotolenses. Other optical systems that use lenses and mirrors are also referred to as "catadioptric", such as surveillancecatadioptric sensors.

Catadioptric combinations have been used for many early optical systems. In the 1820s, Augustin-Jean Fresnel developed several catadioptric lighthouse reflector versions of his Fresnel lens.^[1]Léon Foucault developed a catadioptric microscope in 1859 to counteract aberrations of using a lens to image objects at high power.^[2] In 1876 a French engineer, A. Mangin, invented what has come to be called the Mangin mirror, a concave glass reflector with the silver surface on the rear side of the glass. The two surfaces of the reflector have different radii to correct the aberration of the spherical mirror. Light passes through the glass twice, making the overall system act like a triplet lens.^[3] Mangin mirrors were used in searchlights, where they produced a nearly true parallel beam. Many Catadioptric telescopes use negative lenses with a reflective coating on the backside that are referred to as “Mangin mirrors”, although they are not single-element objectives like the original Mangin, and some even predate Mangin's invention.^[4]

التلسكوبات العاكسة الكاسرة هي تلسكوبات بصرية تجمع بين مرايا وعدسات ذات أشكال محددة لتكوين صورة. يُستخدم هذا التصميم عادةً لتمكين التلسكوب من تحقيق درجة أعلى من تصحيح الأخطاء مقارنةً بنظيراتها التي تعتمد كليًا على العدسات أو المرايا، مما يوفر مجال رؤية أوسع خاليًا من التشوهات . قد تتميز هذه التلسكوبات بأسطح كروية بسيطة، وتستفيد من مسار بصري مطوي يقلل من كتلة التلسكوب، مما يُسهّل تصنيعها. تستخدم أنواع عديدة منها "مصححات"، وهي عبارة عن عدسة أو مرآة منحنية ضمن نظام بصري مُدمج لتكوين الصورة، بحيث يقوم العنصر العاكس أو الكاسر بتصحيح التشوهات الناتجة عن نظيره.

مصححات الفتحة الكاملة

توجد عدة تصاميم للتلسكوبات تستفيد من وضع عدسة واحدة أو أكثر كاملة القطر (تُعرف عادةً باسم " لوحة تصحيح ") أمام مرآة كروية رئيسية. تستفيد هذه التصاميم من كون جميع الأسطح "متناظرة كرويًا" ^{[ 5 ]} ، وقد طُوّرت في الأصل كتعديلات على الأنظمة البصرية القائمة على المرايا ( التلسكوبات العاكسة ) لتمكينها من الحصول على مستوى صورة خالٍ نسبيًا من الانحراف الكروي أو الاستجماتيزم، ما يسمح باستخدامها ككاميرات فلكية . تعمل هذه التلسكوبات من خلال الجمع بين قدرة المرآة الكروية على عكس الضوء إلى نفس النقطة وعدسة كبيرة في مقدمة النظام (مصحح) تعمل على ثني الضوء الوارد قليلًا، مما يسمح للمرآة الكروية بتصوير الأجسام في اللانهاية . وقد تم تكييف بعض هذه التصاميم لإنشاء تلسكوبات كاسجرين عاكسة كهرومغناطيسية مدمجة ذات بُعد بؤري طويل .

لوحة تصحيح شميدت

استُخدم مُصحِّح شميدت ، وهو أول لوحة مُصحِّحة كاملة القطر، في كاميرا شميدت التي صممها برنارد شميدت عام 1931. كاميرا شميدت عبارة عن تلسكوب تصويري واسع المجال، حيث تقع لوحة المُصحِّح في مركز انحناء المرآة الرئيسية، مُنتجةً صورةً في بؤرة داخل أنبوب التلسكوب عند البؤرة الرئيسية حيث تُركَّب لوحة فيلم منحنية أو كاشف. يسمح المُصحِّح الرقيق نسبيًا وخفيف الوزن بتصنيع كاميرات شميدت بأقطار تصل إلى 1.3 متر. يتطلب الشكل المُعقَّد للمُصحِّح عدة عمليات تصنيع، بدءًا من قطعة مسطحة من الزجاج البصري، ثم وضع فراغ على أحد جانبيها لتقويس القطعة بأكملها، ثم صقل الجانب الآخر وتلميعه للحصول على الشكل الدقيق المطلوب لتصحيح الزيغ الكروي الناتج عن المرآة الرئيسية. وقد أدى هذا التصميم إلى ظهور العديد من إصدارات كاميرا شميدت .

الأنواع الفرعية الشائعة

• تُعد تلسكوبات شميدت-كاسجرين واحدة من أكثر التصاميم التجارية شيوعًا في سوق علم الفلك للهواة ، ^{[ 6 ]} حيث تم إنتاجها بكميات كبيرة منذ الستينيات. يستبدل هذا التصميم حامل فيلم كاميرا شميدت بمرآة ثانوية من نوع كاسجرين، مما يؤدي إلى مسار بصري مطوي ذي بُعد بؤري طويل ومجال رؤية ضيق.

غلاف مصحح الغضروف الهلالي

خطرت فكرة استبدال لوحة تصحيح شميدت المعقدة بعدسة هلالية كروية سهلة التصنيع ذات فتحة كاملة ( غلاف تصحيح هلالي ) لإنشاء تلسكوب واسع المجال لأربعة مصممين بصريين على الأقل في أوائل أربعينيات القرن العشرين في أوروبا التي مزقتها الحرب، بمن فيهم ألبرت بوورز (1940)، وديمتري ديميترييفيتش ماكسوتوف (1941)، وك. بينينغ، ودينيس غابور (1941). ^{[ 7 ] [ 8 ]} حالت سرية زمن الحرب دون معرفة هؤلاء المخترعين بتصاميم بعضهم البعض، مما جعل كل اختراع مستقلاً. بنى ألبرت بوورز نموذجًا أوليًا لتلسكوب هلالي في أغسطس 1940 وحصل على براءة اختراعه في فبراير 1941. استخدم هذا التلسكوب هلاليًا كرويًا متمركزًا، وكان مناسبًا فقط ككاميرا فلكية أحادية اللون. وفي تصميم لاحق، أضاف عدسة مزدوجة ملتصقة لتصحيح الانحراف اللوني. قام ديمتري ماكسوتوف ببناء نموذج أولي لتلسكوب مماثل من نوع التلسكوب الهلالي، وهو تلسكوب ماكسوتوف ، في أكتوبر 1941 وحصل على براءة اختراعه في نوفمبر من العام نفسه. ^{[ 9 ]} وقد صحح تصميمه الانحرافات الكروية واللونية عن طريق وضع مصحح هلالي ضعيف الشكل أقرب إلى المرآة الرئيسية.

الأنواع الفرعية الشائعة

• تُعدّ تلسكوبات ماكسوتوف-كاسجرين التصميم الأكثر شيوعًا الذي يستخدم مصححًا هلاليًا، وهو نوع مُعدّل من تلسكوب ماكسوتوف. يحتوي هذا التلسكوب على مرآة ثانوية فضية اللون على المصحح، مما يجعله تلسكوبًا ذا بُعد بؤري طويل ولكنه صغير الحجم (مسار بصري مطوي) مع مجال رؤية ضيق. ظهرت فكرة هذا التصميم في ملاحظات ديمتري ماكسوتوف عام 1941، وطُوّرت في الأصل في تصاميم تجارية بواسطة لورانس برايمر ( كويستار ، 1954 ) وجون غريغوري ( براءة اختراع عام 1955 ^{[ 10 ]} ) . يُضفي الجمع بين المصحح والمرآة الثانوية الفضية على تلسكوبات ماكسوتوف-كاسجرين سهولة في الصيانة ومتانة عالية، حيث يمكن إحكام إغلاقها بالهواء وتثبيتها في وضع المحاذاة ( التوجيه ).

عدسة تصحيح هوتون

يُعدّ تلسكوب هوتون، أو تلسكوب لوري-هوتون، تصميمًا يستخدم عدسة مركبة عريضة موجبة-سالبة تغطي كامل الفتحة الأمامية لتصحيح الزيغ الكروي للمرآة الرئيسية. ويمكن، عند الرغبة، تصنيع عنصري التصحيح من نفس نوع الزجاج، نظرًا لأن الزيغ اللوني في مصحح هوتون ضئيل للغاية.

العدسة المصححة أسمك من العدسة الأمامية لتلسكوب شميدت-كاسجرين، لكنها أرق بكثير من العدسة الهلالية لماكسوتوف. جميع أسطح العدسات وسطح المرآة كروية الشكل، مما يسهل عملية التصنيع للهواة بشكل كبير.

مصححات الفتحة الفرعية

في تصميمات مصححات الفتحة الفرعية، عادةً ما تكون عناصر التصحيح في بؤرة عدسة موضوعية أكبر بكثير. قد تكون هذه العناصر عدسات ومرايا، ولكن نظرًا لتعدد الأسطح المستخدمة، فإن تحقيق تصحيح جيد للانحرافات في هذه الأنظمة قد يكون معقدًا للغاية. ^{[ 4 ]} من أمثلة التلسكوبات العاكسة الكاتاديوبترية ذات مصححات الفتحة الفرعية: تلسكوب أرجونوف-كاسجرين ، وتلسكوب كليفتسوف-كاسجرين، وتلسكوبات ماكسوتوف ذات مصححات الفتحة الفرعية، والتي تستخدم كمرآة ثانوية مجموعة بصرية تتكون من عناصر عدسات، وأحيانًا مرايا، مصممة لتصحيح الانحرافات، بالإضافة إلى تلسكوبات جونز-بيرد النيوتونية، التي تستخدم مرآة أولية كروية مع عدسة تصحيح صغيرة مثبتة بالقرب من البؤرة. ^{[ 11 ]}

تُستخدم أنواع مختلفة من أنظمة العدسات العاكسة الكاسرة في عدسات الكاميرا، والمعروفة أيضًا باسم العدسات العاكسة الكاسرة ( CATs ) أو العدسات العاكسة أو عدسات المرآة . تعتمد هذه العدسات على تصميم كاسغرين الذي يُقلل بشكل كبير من الطول الفعلي للمجموعة البصرية، جزئيًا عن طريق طي المسار البصري، ولكن بشكل أساسي من خلال تأثير التقريب البصري للمرآة الثانوية المحدبة التي تُضاعف البعد البؤري عدة مرات (حتى 4 إلى 5 مرات). ^{[ 12 ]} ينتج عن ذلك عدسات بأطوال بؤرية تتراوح من 250  مم إلى 1000 مم وما فوق ،  وهي أقصر وأكثر إحكامًا من نظيراتها ذات البعد البؤري الطويل أو عدسات التقريب البصري. علاوة على ذلك، يُزيل نظام العدسات العاكسة الكاسرة الانحراف اللوني ، وهو مشكلة رئيسية في العدسات الانكسارية الطويلة، والانحراف خارج المحور ، وهو مشكلة رئيسية في التلسكوبات العاكسة، بشكل شبه كامل، مما يجعل الصورة الناتجة مناسبة لملء مستوى البؤرة الكبير للكاميرا.

مع ذلك، تعاني العدسات العاكسة الكاسرة من عدة عيوب. فوجود عائق مركزي فيها يمنع استخدام غشاء قابل للتعديل للتحكم في نفاذية الضوء. ^{[ 13 ]} وهذا يعني أن قيمة فتحة العدسة ثابتة عند نسبة البؤرة المصممة للنظام البصري (قطر المرآة الرئيسية مقسومًا على البعد البؤري). ويؤدي عدم إمكانية تضييق فتحة العدسة إلى قصر عمق المجال. وعادةً ما يتم ضبط التعريض الضوئي بوضع مرشحات الكثافة المحايدة على مقدمة العدسة أو مؤخرتها. وتُظهر دالة نقل التعديل الخاصة بها تباينًا منخفضًا عند الترددات المكانية المنخفضة . وأخيرًا، فإن أبرز خصائصها هي الشكل الحلقي للمناطق غير المركزة في الصورة، مما يُعطي تأثيرًا ضبابيًا يشبه حلقة الدونات أو ما يُعرف بـ" بوكيه " ، والناتج عن شكل بؤبؤ الدخول .

أنتجت العديد من الشركات عدسات عاكسة كاسرة خلال النصف الثاني من القرن العشرين. وقدّمت كل من نيكون (تحت اسمي Mirror- Nikkor و Reflex- Nikkor لاحقًا ) وكانون تصاميم متعددة، مثل عدسة 500 مم بفتحة  عدسة 1:8 وعدسة 1000  مم بفتحة عدسة 1:11. كما قدّمت شركات أصغر حجمًا، مثل تامورون وساميانغ وفيفيتار وأوبتيكا ، إصدارات متنوعة، ولا تزال الشركات الثلاث الأخيرة منها تُنتج بنشاط عددًا من العدسات العاكسة الكاسرة لاستخدامها في كاميرات الأنظمة الحديثة. وقدّمت مينولتا (التي أصبحت لاحقًا سوني) عدسة عاكسة كاسرة 500 مم لسلسلة كاميرات ألفا. وتميّزت عدسة مينولتا بكونها العدسة العاكسة الوحيدة المصنّعة من قِبل علامة تجارية كبرى والتي تتميّز بخاصية التركيز التلقائي. 

• telescope-optics.net، تلسكوبات عاكسة كاسرة
• تعلم كيفية حب عدسة المرآة الخاصة بك - من olympuszuiko.com