反射屈折システム
口径150mmの反射屈折型マクストフ望遠鏡

カタディオプトリック光学系とは、屈折と反射を光学系内で組み合わせた光学系であり、通常はレンズ（ジオプトリック）と曲面鏡（カトプトリック）を介して行われます。カタディオプトリック光学系の組み合わせは、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使用されています。監視用カタディオプトリックセンサーなど、レンズと鏡を使用する他の光学系も「カタディオプトリック」と呼ばれます。

初期の反射屈折光学系

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きた。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た。[ 1 ]レオン・フーコーは、1859年に、レンズを使って高倍率で物体を像を結ぶ際に生じる収差を打ち消すカタディオプトリック顕微鏡を開発した。 [ 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た。これは、ガラスの裏側に銀色の面がある凹面ガラス反射鏡である。反射鏡の2つの面は、球面鏡の収差を補正するために半径が異なっている。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 レンズのように動作する。[ 3 ]マンジャン ミラーはサーチライトに使用され、ほぼ真の平行光線を生成した。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「マンジャンミラー」と呼ばれる負レンズを使用していますが、オリジナルのマンジャンのような単要素対物レンズではなく、中には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

カタディオプトリック望遠鏡は、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、全レンズまたは全ミラーの望遠鏡よりも全体的な誤差補正度が高く、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。設計はシンプルな全球面形状にすることができ、折り畳み式光路を利用することで望遠鏡の質量を軽減し、製造を容易にしています。多くのタイプでは、複合結像光学系にレンズまたは曲面ミラーからなる「コレクター」が採用されており、反射または屈折素子が、対応する素子によって生じる収差を補正します。

カタディオプトリック透析液

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。単レンズの屈折望遠鏡対物レンズと、銀裏打ちの負レンズ（マンジャン鏡に類似）を組み合わせた構造です。最初のものは、1814年にWFハミルトンが特許を取得したハミルトニアン望遠鏡です。19世紀末頃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・メディアル望遠鏡は、カタディオプトリック鏡を屈折主鏡の焦点の外側に配置し、3つ目の補正/集光レンズをシステムに追加しました。

フルアパーチャコレクター

球面主鏡の前に、1枚以上のフルサイズレンズ（一般に「補正板」と呼ばれる）を配置する設計を採用した望遠鏡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」 [ 5 ]であることを利用しており、もともとは鏡を用いた光学系（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実現し、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、光を同じ点に反射させる球面鏡の能力と、システムの前部にある大きなレンズ（補正板）を組み合わせることで機能します。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撮影できるようにします。これらの設計のいくつかは、コンパクトで長焦点距離の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。

シュミット補正板

シュミット補正器は、最初のフル直径補正プレートであり、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望遠鏡で、補正プレートが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にあるチューブ アセンブリ内の焦点に画像を生成します。比較的薄く軽量な補正器により、シュミット カメラを最大 1.3 m の直径で構成できます。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、次に反対側を研削して平らにし、主鏡によ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派生型に役立っています。

人気のサブタイプ
シュミット・カセグレンにおける光路
  • シュミット・カセグレン望遠鏡は、アマチュア天文市場において最も人気のある市販設計の一つであり、[ 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み式の光路を形成しています。

メニスカスコレクターシェル

1940年代初頭の戦争で荒廃したヨーロッパで、複雑なシュミット補正板を、製造が容易な全口径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が、少なくとも4人の光学設計者に思い浮かんだ。その中にはアルバート・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）が含まれていた。[ 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プロトタイプを製作し、同年11月に特許を取得しました。[ 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ました。

人気のサブタイプ
メニスカス望遠鏡（マクストフ・カセグレン）の光路
  • マクストフ・カセグレン望遠鏡は、マクストフ望遠鏡の派生型であるメニスカス補正鏡を用いた最もよく見られる設計である。補正鏡に銀メッキの「スポット」と呼ばれる二次レンズが設けられており、焦点距離は長いものの、視野が狭くコンパクトな（折り畳まれた光路）望遠鏡となっている。この設計思想は、ドミトリ・マクストフの1941年の記録に現れ、ローレンス・ブレイマー（Questar、1954年）とジョン・グレゴリー（1955年特許[ 10 ]）によって商用設計として最初に開発された。補正鏡と銀メッキの二次レンズを組み合わせることで、マクストフ・カセグレン望遠鏡は気密封止され、位置合わせ（コリメーション）を固定できるため、メンテナンスが容易で耐久性に優れている。

ホートン補正レンズ

Houghton ダブレット補正器の設計方程式 - 特殊なケースの対称設計。

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正負複合レンズを配置した設計です。ホートン補正レンズの色収差は最小限に抑えられているため、必要に応じて2つの補正レンズを同じ種類のガラスで構成することも可能です。

この補正レンズはシュミットカセグレン式の前置補正レンズよりも厚く、マクストフ式メニスカス補正レンズよりもはるかに薄い。レンズ面と鏡面はすべて球面形状で、アマチュアでも容易に製作できる。

サブアパーチャコレクター

アルグノフ・カセグレン望遠鏡の光路

サブアパーチャ補正設計では、補正素子は通常、はるかに大きな対物レンズの焦点に位置します。これらの素子はレンズとミラーの両方が使用できますが、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の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マクストフ望遠鏡などがあります。これらは「二次ミラー」として、収差を補正するために設計されたレンズ素子とミラーで構成される光学群を使用しています。また、ジョーンズ・バード・ニュートン望遠鏡は、球面主鏡と焦点近くに設置された小型の補正レンズを組み合わせて使用​​します。[ 11 ]

写真用反射屈折レンズ

裏面に「マンジャンミラー」を使用したカタディオプトリックレンズの例（ミノルタ RF ロッコール X 250mm f/5.6）

カメラレンズでは、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、部分的に光路を折り曲げることによって、また主に焦点距離を何倍も (最大 4 ～ 5 倍) にする凸面二次ミラーの望遠効果によって、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、長い屈折レンズの主な問題である色収差と、反射望遠鏡の主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排除されるため、カメラの大きな焦点面を満たすのに適した画像が生成されます。

焦点の合った光の後ろにある反射屈折レンズによって生成される「虹彩ぼかし」またはボケの例

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された焦点比（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ND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、低い空間周波数でコントラストが低くなります。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。

ミラーレンズのボケ。焦点が合っていない部分にリングパターンが表示されます。

20世紀後半には、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た。ニコン（ミラーニッコール、後にレ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、複数の設計を提供した。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複数のバージョンを提供し、後者の3つのブランドは、現代のシステムカメラで使用するために、現在でも多数のカタディオプトリックレンズを積極的に製造している。ミノルタ（後のソニー）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た。ミノルタのレンズは、大手ブランドが製造したオートフォーカスを備えた唯一のレフレックスレンズという特徴を持っていた。

参照

参考文献

  1. ^ブリタニカ百科事典、1911年
  2. ^ウィリアム・トービン『レオン・フーコーの生涯と科学：地球が自転することを証明した男』ウィリアム・トービン、214ページ
  3. ^赤外線システムの光学設計の基礎 Max J. Riedl著
  4. ^ a b - Vladimir Sacek、telescope-optics.net、アマチュア望遠鏡光学に関するメモ、カタディオプトリック望遠鏡、10.2.1
  5. ^ジョン・J・G・サヴァード、「雑感」
  6. ^サチェク、ウラジミール (2006-07-14)。「11.5. シュミット・カセグレン望遠鏡 (SCT)」望遠鏡の光学系。ウラジミール・サチェク。2009 年 7 月 5 日に取得。
  7. ^レンズ設計の基礎、ルドルフ・キングスレイク著、313ページ、カタディオプトリック非モノセントリック設計
  8. ^光学システムハンドブック、光学機器の概要、ハーバート・グロス、ハンフリート・ツュッゲ、フリッツ・ブレヒンガー、ベルトラム・アハトナー著、806ページ
  9. ^ 「ドミトリー・マクストフ：男と彼の望遠鏡 エドゥアルド・トリグボフとユーリ・ペトルニン著」 2012年2月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年8月24日閲覧。
  10. ^特許 PDF、配布元：米国国立技術情報サービス、 2011年6月4日アーカイブ、 Wayback Machine
  11. ^ 10.1.2. サブアパーチャ補正器の例：単鏡システム - ジョーンズ・バード
  12. ^天文学のハック ロバート・ブルース・トンプソン、バーバラ・フリッチマン・トンプソン著、59ページ
  13. ^ RE Jacobson, Sidney F. Ray The manual of photography、95ページ
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