¿Qué es un telescopio catadióptrico?

Un telescopio catadióptrico es un avanzado instrumento óptico que combina tanto ópticas refractivas (lentes) como reflectivas (espejos) para capturar imágenes de objetos celestiales distantes. Este sistema híbrido aprovecha las fortalezas de ambos tipos de ópticas mientras minimiza sus debilidades. El término «catadióptrico» fusiona «catóptrico» (espejos curvos) y «dióptrico» (lentes). Al utilizar ambos tipos de ópticas, estos telescopios corrigen mejor las aberraciones que aquellos que usan solo un tipo, ofreciendo imágenes más nítidas. Además, son más compactos y fáciles de fabricar, lo que los hace populares entre los astrónomos por su portabilidad y excelente calidad de imagen.

Información sobre el diseño del telescopio catadióptrico

Los diseños de telescopios catadióptricos (que combinan lentes y espejos) pueden proporcionar una mejor corrección de la aberración que otros telescopios totalmente de lentes o espejos en un campo de visión más amplio y libre de aberraciones, pero sus principales ventajas para el astrónomo aficionado son la reducción del tamaño mecánico y del peso. Para los fabricantes de estos telescopios, su capacidad de utilizar espejos con figuras puramente esféricas y elementos refractivos fácilmente reproducibles, normalmente denominados lentes correctoras, se traduce en menores costes de fabricación, lo que a su vez puede abaratar el precio de compra para el consumidor.

La mayoría de los diseños de telescopios catadióptricos de uso común en la actualidad tienen espejos primarios y secundarios con figuras de superficie esférica. Los espejos esféricos de superficie frontal son más fáciles de reproducir en cantidad en las instalaciones de fabricación que los espejos parabólicos o hiperbólicos, lo que también reduce su coste de fabricación. Las lentes correctoras asociadas que requieren suelen ser diseños de un solo elemento. Los fabricantes han aprendido a reproducirlas de forma que también se reduzca su coste.

Información sobre el diseño del telescopio catadióptrico

Todos los telescopios que utilizan ópticas de espejo y de lente requieren algún tipo de lente correctora cuando el espejo primario tiene un diseño de superficie esférica. Esto se debe a que un espejo esférico produce una imagen de un objeto infinito que no es perfecta debido a una forma de distorsión óptica conocida como aberración esférica. Afortunadamente, esta aberración puede corregirse colocando una lente de elemento único de diseño especial a una distancia determinada delante del espejo. Esta placa correctora, como se denomina comúnmente, refracta (curva) los rayos de luz procedentes de una estrella en una pequeña cantidad antes de que lleguen al espejo. Esta cantidad limitada de refracción es suficiente para eliminar los efectos de la aberración esférica y producir una imagen nítida de la estrella.

Debido a que los diseños de telescopios catadióptricos utilizan una lente correctora (o placa) bastante cerca del espejo primario, el resultado es una longitud total del tubo del telescopio que es más corta que los tubos requeridos por otros sistemas, como los diseños todo-espejo. Los tubos más cortos aligeran el peso del telescopio, lo que supone otra ventaja para el usuario. En muchos casos, el haz de luz reflejado por el espejo primario es interceptado por un espejo secundario situado en el corrector o cerca de él y reflejado hacia abajo a través de un orificio en el espejo primario. La imagen se forma entonces fuera del tubo del telescopio, detrás del espejo primario. Este es un resultado mecánico útil. Permite colocar el ocular u otro equipo externo detrás del anteojo y apoyarlo en una célula mecánica bastante robusta que sujeta el espejo primario.

Este hecho también facilita el equilibrio del telescopio en su montura. Estos factores: menor longitud del tubo, menor peso, mejores opciones de equilibrado, cómoda ubicación del ocular y menor coste se combinan para beneficiar al astrónomo aficionado y han hecho que los catadióptricos sean muy populares entre los astrónomos y otros consumidores.

Los cuatro diseños de telescopios catadióptricos más utilizados por los astrónomos aficionados son:

  1. Schmidt-Cassegrain
  2. Maksutov-Cassegrain
  3. Astrógrafo Schmidt
  4. Schmidt-Newtoniano

Diseño de telescopios Schmidt-Cassegrain

El telescopio Schmidt-Cassegrain (SCT) es muy popular entre los astrónomos aficionados debido a su diseño versátil y compacto. Un SCT típico cuenta con un tubo óptico corto, un espejo primario esférico cóncavo y una lente correctora de apertura completa en la parte frontal. Un espejo secundario convexo más pequeño se coloca en el eje óptico cerca del centro de la placa correctora. La luz del espejo primario se refleja de nuevo a través de un orificio central en el espejo primario por el espejo secundario. Esta luz pasa luego a través de un mecanismo de enfoque hacia el ocular, donde se visualiza la imagen. Esta configuración se conoce como «Cassegrain» debido a que la imagen se forma detrás del espejo primario, lo que la hace conveniente tanto para la observación visual como para la astrofotografía. El diseño del SCT, que combina una forma compacta con ópticas de alta calidad, lo convierte en una elección popular para una amplia gama de aplicaciones astronómicas.

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La imagen se forma detrás del espejo primario, que tiene una perforación central. El espejo secundario refleja el cono de luz del espejo primario a través de esa perforación hacia el exterior del visor, y a través de un mecanismo de enfoque hacia el ocular utilizado para ver la imagen. Esta ubicación de la imagen es la razón por la que se denomina telescopio «Cassegrain» y es muy conveniente para el astrónomo, tanto para uso visual como para astrofotografía.

Diseño de telescopios Schmidt-Cassegrain

En la categoría Schmidt-Cassegrain, algunos fabricantes han realizado modificaciones ópticas para reducir en gran medida las aberraciones del coma fuera del eje y la curvatura del campo focal que normalmente se producen en el diseño Schmidt-Cassegrain convencional. Estas modificaciones patentadas permiten que los telescopios resultantes produzcan imágenes estelares nítidas prácticamente sin coma hasta el borde del campo de visión con un viñeteado mínimo. Este campo de imagen plano es ideal para su uso con cámaras de imagen modernas.

Uno de estos telescopios patentados es el Celestron EdgeHD. En este diseño, los espejos primario y secundario mantienen las superficies esféricas lisas que se encuentran en el Schmidt-Cassegrain y la placa correctora también permanece sin cambios. Sin embargo, Celestron ha diseñado el EdgeHD con dos lentes internas adicionales situadas cerca del espejo primario para realizar el trabajo de corrección de aberraciones. El resultado es un campo plano de imágenes nítidas sin coma fuera de eje hasta el borde del campo.

Meade Instruments tiene su propio diseño patentado para reducir en gran medida el coma fuera de eje. Los telescopios Meade ACF, o Advanced Coma-Free conservan el espejo primario esférico de su telescopio Schmidt-Cassegrain original, pero el secundario fue reemplazado por un espejo secundario de figura hiperbólica y la figura de la placa correctora de apertura total fue cambiada para producir un sistema óptico combinado que resulta en un campo plano de imágenes nítidas hasta el borde del campo.

Más información sobre el Schmidt-Cassegrain

El telescopio Schmidt-Cassegrain ha sido uno de los diseños más populares ofrecidos a los aficionados durante años. En su configuración clásica, un Schmidt-Cassegrain consiste en un tubo corto con un espejo primario esférico cóncavo, una lente correctora de apertura total y un espejo secundario convexo más pequeño situado en el eje óptico cerca del centro de la placa correctora. La imagen se forma detrás del espejo primario, que tiene una perforación central. La lente correctora parece plana a un observador casual, aparentando ser una ventana, pero tiene una sutil figura, llamada asfera, que se produce variando su espesor en función de su radio. Esta lente asférica fue inventada por Bernhard W. Schmidt en 1930. Su aplicación original de este diseño fue para una cámara Schmidt «pura», de la que hablaremos más adelante.

En el telescopio Schmidt-Cassegrain típico para astrónomos aficionados, el espejo secundario de la superficie frontal es convexo y casi esférico. Este espejo secundario puede tener su figura ligeramente alterada durante la fabricación para mejorar la calidad de la imagen, «afinando» así el rendimiento óptico del telescopio sin alterar el espejo primario o el corrector. El espejo primario esférico cóncavo suele tener una distancia focal «rápida» o corta, equivalente a un número f bajo. Pero el espejo secundario convexo está diseñado para replegar el cono de luz hacia la perforación del primario con un número f mayor. Este «truco» aumenta la distancia focal real del telescopio más allá de lo que sería si sólo hubiera un espejo primario.

La mayoría de los telescopios Schmidt-Cassegrain proporcionan un gran aumento en el plano de la imagen aérea (la imagen formada en el espacio detrás de la celda del espejo posterior) con un campo de visión algo estrecho. El usuario observa esta imagen (aérea) con un ocular. El telescopio Schmidt-Cassegrain típico enfoca su imagen permitiendo al usuario mover su espejo primario ligeramente hacia delante o hacia atrás a lo largo del eje óptico, utilizando un sencillo mecanismo mecánico y un mando.

Diseño del telescopio Maksutov-Cassegrain

El telescopio Maksutov-Cassegrain, a menudo denominado «Mak», es muy apreciado entre los astrónomos aficionados por su diseño compacto y la excelente calidad de imagen que ofrece. Este telescopio cuenta con un tubo corto que incluye un espejo primario cóncavo esférico, una lente correctora de apertura completa, que es una lente menisco negativa débil, y un pequeño espejo secundario convexo en el interior de la placa correctora.

El nombre «Cassegrain» proviene de la configuración en la que la imagen se forma detrás del espejo primario. Los telescopios Maksutov-Cassegrain son populares porque proporcionan imágenes nítidas y de alta magnificación, además de requerir un mantenimiento mínimo, lo que los hace muy fáciles de usar y eficientes.

Diseño del telescopio Maksutov-Cassegrain

Más información sobre el Maksutov-Cassegrain

El Maksutov-Cassegrain debe su nombre a Dmitri D. Maksutov, un óptico ruso que patentó su diseño en 1941. En su configuración clásica, consta de un tubo corto con un espejo primario esférico cóncavo, una lente correctora de apertura total que es una lente de menisco negativo débil y, en la mayoría de los casos, tiene un pequeño espejo secundario convexo formado por la evaporación de un punto de espejo de aluminio sobre el eje óptico en el interior de la placa correctora. Toma el nombre de «Cassegrain» porque su imagen se forma detrás del espejo primario que tiene una perforación central. La lente correctora de un Maksutov-Cassegrain parece obviamente cóncava para el observador casual. Este diseño de telescopio se denomina a menudo «Spot Maksutov» o «Gregorian-Maksutov» debido al punto de espejo aluminizado situado en el interior de su lente correctora.

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Un telescopio Maksutov-Cassegrain produce normalmente un gran aumento en el plano de la imagen aérea detrás de la célula de espejo con un campo de visión algo estrecho. El usuario observa esta imagen aérea con un ocular. La lente correctora Maksutov es un menisco, lo que significa que tiene dos superficies curvas esféricas, convexa por un lado orientada hacia el primario y cóncava por el otro. La figura esférica de ambas superficies facilita su fabricación en cantidad. Los Maksutov emplean una lente gruesa débilmente divergente pero fuertemente curvada en un punto de la trayectoria óptica por delante del espejo primario para producir una cantidad de aberración esférica igual pero de signo opuesto a la del espejo primario. La aberración cromática se corrige haciendo que la lente de menisco sea ligeramente divergente.

Algunos telescopios Maksutov-Cassegrain enfocan su imagen permitiendo al usuario mover el espejo primario ligeramente hacia delante o hacia atrás a lo largo del eje óptico, de forma similar al diseño Schmidt-Cassegrain. Para eliminar el problema del desplazamiento de la imagen durante el enfoque y también para eliminar las tareas de alineación óptica (a menudo llamadas colimación) para el usuario, el espejo primario puede alinearse perfectamente durante el proceso de fabricación y luego fijarse de forma segura dentro de su celda. A continuación, el usuario enfoca la imagen del telescopio moviendo el ocular mediante algún método mecánico. Este diseño fue popular en algunos de los primeros telescopios Maksutov-Cassegrain de fabricación rusa.

El telescopio Spot Maksutov-Cassegrain también tiene otra ventaja sobre el típico Schmidt-Cassegrain fabricado para aplicaciones de astronomía amateur. El diámetro del punto del espejo secundario tiende a ser menor que los secundarios comúnmente utilizados en los diseños de telescopios Schmidt-Cassegrain. Este oscurecimiento central de menor diámetro de la apertura mejora el rendimiento de la óptica, por razones que escapan al ámbito de este artículo en particular. Esto da como resultado imágenes pequeñas de alto contraste que pueden aproximarse a las producidas por los refractores cuando la apertura del Maksutov-Cassegrain es mayor que la apertura del telescopio refractor comparado. Esto es generalmente cierto, aunque no siempre, de nuevo dependiendo del diseño específico de fabricación.

Diseño del telescopio Astrógrafo Schmidt

El astrográfico Schmidt es un telescopio catadióptrico especializado diseñado principalmente para la astrofotografía en lugar de la observación visual. Los astrónomos aficionados utilizan los astrográficos para capturar imágenes detalladas de objetos celestiales y realizar estudios del cielo o búsquedas de cometas y asteroides. Estos telescopios suelen tener una baja relación focal, proporcionando longitudes focales más cortas y un amplio campo de visión que asegura imágenes nítidas.

A menudo se utilizan accesorios como reductores de focal y aplanadores de campo para optimizar aún más el campo de imagen y reducir la longitud focal. Los astrográficos vienen en varias configuraciones ópticas, incluyendo los diseños Schmidt-Cassegrain y Schmidt-Prime-Focus, y son conocidos por su versatilidad en la astrofotografía.

Diseño del telescopio astrométrico Schmidt

Mas sobre Astrografos Schmidt

Un Astrografo Schmidt de Foco Primario es similar a un Schmidt-Cassegrain excepto en que la imagen no se pliega hacia la parte trasera del tubo. En su lugar, la imagen se forma en el foco primario, que esta cerca de la apertura frontal del tubo, y por tanto, no se requiere un espejo secundario. Sin embargo, debido a la curvatura del campo de imagen y a otras pequeñas aberraciones, estos telescopios suelen tener una lente multielemento justo antes del foco para aplanar el campo de imagen y corregir cualquier aberración residual de la imagen. La cámara de imagen se coloca justo fuera de la parte delantera de la placa correctora para capturar las imágenes.

Los astrógrafos tienden a tener ópticas rápidas (números f bajos) ya que el cono de luz no se pliega hacia atrás, y tienen un campo de visión nítido mucho más amplio que los típicos Schmidt-Cassegrains, lo que los hace ideales para obtener imágenes de objetos celestes más grandes, así como para imágenes de campo rico. Además, tienen tubos mecánicos cortos. Los astrógrafos pueden tener otros diseños, tal y como se comenta en la primera sección de este artículo.

Diseño de Telescopios Schmidt-Newtonianos

Los telescopios Schmidt-Newtonianos combinan elementos de los reflectores Newtonianos y los Cassegrain corregidos por Schmidt. Producen imágenes en el lateral del tubo cerca de la apertura frontal, similar a los diseños Newtonianos. Estos telescopios tienen un espejo primario cóncavo esférico y una lente correctora asférica cerca de la apertura de entrada.

El espejo secundario plano se monta típicamente en el centro de la lente correctora, eliminando la necesidad de una araña mecánica tradicional que se encuentra en los reflectores Newtonianos clásicos. Este espejo secundario no agrega potencia adicional al sistema. Los Schmidt-Newtonianos son conocidos por sus longitudes focales más cortas y campos de visión más amplios en comparación con los telescopios Newtonianos convencionales, lo que los hace ideales para capturar vistas expansivas del cielo.

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Diseño de Telescopios Schmidt-Newtonianos

Más sobre Schmidt-Newtonianos

Aunque no es tan popular como los otros telescopios catadióptricos descritos anteriormente, el Schmidt-Newtoniano merece una mención. Este diseño optico es un cruce entre un telescopio reflector Newtoniano mas comun y un diseño catadioptrico con correccion Schmidt. En particular, el telescopio Schmidt-Newtoniano típico tiene un espejo primario de figura esférica cóncava y una lente correctora asférica situada cerca de la apertura de entrada del tubo del telescopio. Como en otros diseños catadióptricos tipo Schmidt, el Schmidt-Newtoniano lleva una lente correctora que refracta los rayos de luz entrantes lo suficiente para corregir la aberración esférica inherente al espejo primario. El espejo secundario es un Newtoniano plano que se coloca a 45º del eje óptico, y sirve para plegar el haz convergente desde el espejo primario hacia fuera a través del lateral del tubo hasta el plano focal.

En un telescopio Schmidt-Newtoniano, el espejo secundario plano está a menudo unido al centro de la lente correctora, eliminando la necesidad de una araña mecánica que normalmente se encuentra en los telescopios reflectores Newtonianos clásicos. Esta característica también elimina los picos de difracción óptica causados por las venas de la araña cuando se observan objetos brillantes. Otras características de este diseño incluyen el hecho de que, suponiendo que el telescopio esté bien fabricado y correctamente alineado, las aberraciones de coma, astigmatismo y curvatura de campo son menores que las aberraciones en un newtoniano comparable con un primario paraboloidal convencional.

Diseños catadióptricos más adecuados para aplicaciones profesionales

En esta sección se analizan brevemente los diseños ópticos catadióptricos que resultan útiles en aplicaciones profesionales, como grandes observatorios, instalaciones de seguimiento de satélites, aplicaciones militares e industria.

El telescopio catadióptrico original con corrección Schmidt pura, inventado por Bernhard W. Schmidt, utilizaba un espejo primario esférico cóncavo y una lente correctora asférica (placa) situada en el centro de curvatura del espejo primario. Para conseguir números f bajos (distancias focales cortas), campos de visión muy amplios y controlar las aberraciones de coma y astigmatismo, el foco se situaba dentro del tubo mecánico del instrumento. Situar el foco dentro del propio tubo es un compromiso factible para telescopios muy grandes o «cámaras» utilizadas por profesionales. Sin embargo, esto supondría un grave problema para los aficionados y sus instrumentos más pequeños.

Complicando aun mas el uso de grandes telescopios y camaras puramente Schmidt esta el hecho de que la superficie focal dentro del tubo mecanico no es normalmente plana, por tanto no es un «plano focal». Esta molesta caracteristica era aceptable, sin embargo, para obtener el amplio campo de vision que proporcionaba. Por ejemplo, una de las grandes camaras Schmidt mas famosas usadas en astronomia profesional es el Telescopio Samuel Oschin Schmidt de 48″ del Observatorio Palomar que fue usado en el National Geographic Society – Palomar Observatory Sky Survey. Este instrumento tenia una superficie focal curvada y fue usado para fotografiar grandes areas de la esfera celeste con placas de vidrio fotograficas.

Estos dispositivos fotográficos eran grandes placas de vidrio con emulsiones fotosensibles formadas en una de sus caras. Las placas eran fabricadas por Eastman Kodak, normalmente según las especificaciones de los astrónomos, y eran sensibles a diferentes partes del espectro en función de la tarea a realizar. Se hacían muy planas a propósito. Cuando se usaban con el Telescopio Oschin Schmidt de 48″ (originalmente llamado Telescopio Palomar Schmidt) las placas fotograficas de cristal se instalaban en un soporte especial que doblaba las placas de cristal ligeramente (mientras las soportaba) para forzar la emulsion a corresponder a la superficie focal curvada de la camara Schmidt. Sorprendentemente esto funcionaba la mayor parte del tiempo, aunque ocasionalmente se rompian las placas de cristal.

Otro sistema catadióptrico que se utilizó en observatorios profesionales fue el diseño Baker-Nunn, del Dr. James Baker y Joseph Nunn. Este diseño sustituyó la placa correctora Schmidt por una lente correctora triple más cercana al foco de la cámara. El diseño de cámara Baker-Nunn más popular fue el utilizado por el Observatorio Astrofísico Smithsonian para rastrear satélites artificiales. Esta cámara tenía una apertura de 20″, trabajaba a f/0,75 (un sistema extraordinariamente rápido) y utilizaba como sensor película de 55 mm de ancho (del proceso cinematográfico «Cinemascope 55»). Ese ejemplo de cámara Baker-Nunn del Smithsonian Astrophysical Observatory pesaba unas 3,5 toneladas y se apoyaba en una sofisticada montura de yugo que le permitía seguir satélites que podían encontrarse en diversas órbitas.

Aplicaciones ópticas diversas: Los sistemas catadióptricos se han utilizado en la proyección del haz de luz de reflectores y faros. El sistema de iluminación de faros «lente de Fresnel», muy utilizado, incorpora una lente de Fresnel hecha de segmentos de vidrio como parte de su óptica de enfoque para ayudar a concentrar su salida de luz en un haz estrecho.

Algunos fabricantes han producido teleobjetivos para cámaras de cine que, en esencia, son telescopios catadióptricos a pequeña escala fabricados para acoplarse directamente a monturas específicas de cámaras réflex de un solo objetivo (SLR). Estos objetivos, a menudo denominados objetivos de espejo, son adecuados para aplicaciones de teleobjetivo porque incorporan aumentos bastante elevados, pero normalmente no tienen aperturas de iris ajustables. La mayoría sí tiene un ajuste de enfoque variable.

Los sistemas catadióptricos se han aplicado en faros, proyectores militares de rayos láser y se han utilizado en microscopios de gama alta. Algunas ópticas de vigilancia por infrarrojos (IR) utilizan sistemas catadióptricos especializados que incorporan materiales de lentes transmisores de IR.

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