Зеркально–линзовые системы (ЗЛС), катадиоптрические системы - оптические системы, содержащие как отражающие поверхности (зеркала), так и линзы. В некоторых ЗЛС зеркала выполняют чисто конструктивные функции (изменение направления светового пучка, уменьшение габаритов прибора и т.п.), не влияя на качество изображения. Примером таких систем могут служить зеркально–линзовые конденсоры микроскопов. В других случаях зеркала играют основную роль в образовании изображений, а линзы служат главным образом для исправления аберраций, вносимых зеркалами. Оптические свойства зеркал не меняются при изменении длины волны падающего света (т. е. зеркала ахроматичны), поэтому ЗЛС широко применяются в случаях, когда оптическая система должна обладать большим фокусным расстоянием и большим диаметром (объективы телескопов, длиннофокусные фотографические объективы, геодезические инструменты высокой разрешающей силы).

Одна из основных областей применения ЗЛС – астрономия. Сочетание зеркал разной формы и различных комбинаций линзовых компенсаторов позволило создать ЗЛС с большими углом зрения и светосилой (рисунок 1, а, б), уменьшить длину астрономических приборов (рисунок 1, в).

ЗЛС используются в качестве светосильных (относительное отверстие до 1: 0,8) фотографических объективов (рисунок 2, а) и телеобъективов. У этих систем сравнительно небольшое поле зрения, однако их разрешающая способность, как правило, выше, чем у линзовых объективов с такими же характеристиками. Поле зрения может быть несколько увеличено построением объектива по схеме рисунка 2, б.

Ахроматичность и высокий коэффициент отражения зеркал в широкой спектральной области обусловили использование ЗЛС и в др. приборах, работающих в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра (в частности, в спектральных приборах); входящие в состав таких систем линзы изготовляют из специальных материалов (кварц, флюорит, фтористый литий и др.).

 

Стремление свести к минимуму всевозможные аберрации телескопов рефлекторов и рефракторов привело к созданию комбинированных зеркально–линзовых телескопов. В этих инструментах функции зеркал и линз разделены таким образом, что зеркала формируют изображение, а линзы исправляют аберрации зеркал. Первый телескоп такого типа был создан жившим в 1930 году в германии оптиком Б. Шмидтом (эстонцем по происхождению). В телескопе Шмидта главное зеркало имеет сферическую отражающую поверхность, а значит, тем самым отпадают трудности, связанные с параболизацией зеркал. Естественно, что сферическое зеркало большого диаметра обладает весьма заметными аберрациями, в первую очередь сферической. Для того чтобы максимально уменьшить эти аберрации, Шмидт поместил в центре кривизны главного зеркала тонкую стеклянную коррекционную линзу. На глаз она кажется обыкновенным плоским стеклом, но на самом деле поверхность ее очень сложная (хотя отклонения от плоскости не превышают нескольких сотых долей мм.). Она рассчитана так, чтобы исправить сферическую аберрацию, кому и астигматизм главного зеркала. При этом происходит как бы взаимная компенсация аберраций зеркала и линзы. Хотя в системе Шмидта остаются неисправленными второстепенные аберрации (например, дисторсия), телескопы такого вида заслуженно считаются лучшими для фотографирования небесных тел. В отличии от рефлекторов, тубус камеры Шмидта наглухо закрыт коррекционной пластинкой и это исключает возникновение токов воздуха в трубе, которые портят изображение. Одно из главных достоинств телескопов Шмидта – огромное поле зрения и светосила. У большинства таких телескопов диаметр поля зрения доходит до 250, а в некоторых и того больше. Но есть недостатки и у таких телескопов. Так как коррекционная линза укреплена на двойном фокусном расстоянии от зеркала, тубус шмидтовских камер получается сравнительно длинным. Главная же беда заключается в том: из–за сложной формы коррекционной пластинки изготовление её сопряжено с огромными трудностями. Поэтому создание крупных камер Шмидта – редкое событие в астрономической технике.

В 1941 году известный советский оптик Д. Д. Максутов изобрел новый тип зеркально–линзового телескопа, свободного от главного недостатка камер Шмидта. В системе Максутова как и в системе Шмидта главное зеркало имеет сферическую вогнутую поверхность. Однако вместо сложной коррекционной линзы Максутов использовал сферический мениск – слабую рассеивающую выпукло–вогнутую линзу, сферическая аберрация которой полностью компенсирует сферическую аберрацию главного зеркала. А так как мениск слабо изогнут и мало отличается от плоско – параллельной пластинки, хроматическую аберрацию он почти не создает. В системе Максутова все поверхности зеркала и мениска сферические, что сильно облегчает их изготовление. Центральная часть мениска посеребрена и используется как второе отражающее зеркало в системе Кассенгрена. Из–за этого максутовские телескопы получаются относительно короткими, компактными, удобными в обращении. В инструментах такого типа можно использовать ньютоновскую систему и систему Грегори.

В 1930 эстонский оптик, сотрудник Гамбургской обсерватории Барнхард Шмидт установил в центре кривизны сферического зеркала диафрагму, сразу устранив и кому и астигматизм. Для устранения сферической абберации он разместил в диафрагме линзу специальной формы. В результате получилась фотографическая камера с единственной абберацией – кривизной поля и удивительными качествами: чем больше светосила камеры, тем лучше изображения, которые она дает, и больше поле зрения.

В 1946 Джеймс Бэкер установил в камере Шмидта выпуклое вторичное зеркало и получил плоское поле. Несколько позже эта система была видоизменена и стала одной из самых совершенных систем: Шмидта–Кассегрена, которая на поле диаметром 2 градуса дает дифракционное качество изображения.

В 1941 Д. Д. Максутов нашел, что сферическую аберрацию сферического зеркала можно компенсировать мениском большой кривизны. Найдя удачное расстояние между мениском и зеркалом, Максутов сумел избавиться от комы и астигматизма. Кривизну поля, как и в камере Шмидта, можно устранить, установив вблизи фокальной плоскости плоско–выпуклую линзу – так называемую линзу Пиацци–Смита.

Проалюминировав центральную часть мениска, Максутов получил менисковые аналоги телескопов Кассегрена и Грегори. Были предложены менисковые аналоги практически всех интересных для астрономов телескопов.