Техника в ее историческом развитии

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

По традиции чисто условно принято подразделять оптику на физическую, геометрическую и физиологическую. Физическая оптика — естественная наука, так как объектом ее исследования является природа — свет и его свойства. К естественным наукам оптического цикла относятся также физиологическая оптика и фотометрия.

Связующим звеном в области оптики между упомянутыми выше естественными науками и техникой (в данном случае — оптическими прибора- рами) является техническая наука — техническая оптика. В настоящее время существует множество терминов, определяющих техническую науку в области оптики: прикладная оптика, инструментальная оптика, инженерная оптика, техническая оптика, практическая оптика и др. Ниже мы будем использовать термин «техническая оптика» как наиболее соответствующий изучаемому вопросу [42].

С самого начала своего развития техническая оптика отделилась от физической: «Ученый мир Европы XVII и XVIII вв.,— писал С. И. Вавилов,— с усердием занимался искусством шлифовки и полировки линз и зеркал, конструкцией оптических систем, их расчетом и усовершенствованием. Прямо или косвенно именно практические запросы заставили увлечься оптикой Декарта, Ньютона, Гюйгенса, Эйлера, Ломоносова. Эта «оптотехническая» линия, по современной терминологии, неуклонно и последовательно простирается от Галилея до нашего времени, проходя через такие этапы, как построение 48-дюймового телескопа Гершеля в 1799 г., микроскопа Аббе в конце XIX в. и колоссальный рост военной оптики со времени мировой войны. Вокруг этого стержня путанными зигзагами развивается физическая оптика, учение о свете, приобретая только в XIX в., наряду с теоретическим, и некоторые практическое значение...» [43].

Статус самостоятельности технической оптики как технической науки подтверждается наличием своей теории — общей теории оптических систем. Развитие этой теории ведет к расширению областей применения технической оптики [44].

Рассматриваемый период в развитии технической оптики характеризуется становлением и развитием общей теории оптических систем и расширением областей ее применения [45].

Первые попытки создать единую теорию оптических приборов были сделаны еще в XVII в. Коренные изменения в методике расчета оптических систем произошли значительно позже — в середине XIX в. в результате разработки немецким ученым К. Ф. Гауссом теории идеальной оптической системы [46]. Указанная теория отвечала на вопрос, как следует строить конкретную оптическую систему (телескоп, зрительную трубу, микроскоп и др.), и давала возможность определить основные габаритные размеры будущей конструкции оптического прибора.

Однако теория идеальной оптической системы не давала возможность оценить качество изображения, даваемого оптическим инструментом, а главное, не позволяла решить вопрос о влиянии конструктивных элементов линз (радиус кривизны, диаметр, толщина, показатель преломления) на величину аберраций (ошибок), даваемых оптическими приборами [47]. Совершенствование модели идеальной оптической системы привело к разработке общей теории аберраций оптических систем.

Теория аберраций оптических систем, для общего случая, была разработана во второй половине XIX в. в трудах JI. Зейделя и Й. Петцваля. Разложение аберраций в ряд на основании теории эйконала (для аберраций третьего порядка) было выполнено К. Шварцшильдом в 1905 г. [48].

Разработка теории аберраций не являлась самоцелью, а была вызвана практической необходимостью. Вторая половина XIX в. ознаменовалась бурным развитием фотографической оптики. На повестке дня стояла задача расчета фотографических объективов с высокой светосилой и большой разрешающей способностью. Чтобы фотографические объективы давали изображения высокого качества, к ним предъявляли повышенные требования аберрационной коррекции. До этого времени (до середины XIX в.) объективы фотоаппаратов строили в основном из комбинации двух линз. Аберрации таких объективов удавалось исправлять эмпирическим путем, последовательно изменяя радиусы кривизны линз и подбирая показатели преломления стекол, из которых эти линзы были изготовлены. Двухлинзовые объективы Шевалье значительно недоисправляли сферическую аберрацию. Хроматические аберрации в этих объективах удавалось исправлять подбором соответствующих сортов стекол.

Вследствие резкого повышения требований к качеству изображения, даваемого фотообъективом, использование совокупности только двух линз оказалось недостаточным. Начали строить оптические системы из трех и более линз. Крупным событием в истории инструментальной оптики стало создание в 1840 г. Й. Петцвалем портретного объектива, далеко опередившего оптическую технику своего времени. Объектив Петцваля имел большое относительное отверстие (1 : 3,2). У этого объектива впервые было достигнуто одновременное исправление многих аберраций [49]. При такой большой апертуре, какой обладал объектив Петцваля, этого было достигнуть очень трудно. Объективы Петцваля получили широкое распространение и находились в эксплуатации более 100 лет. Методика, которой пользовался ученый, не сохранилась, однако известно, что он построил свой портретный объектив на основании аналитических расчетов аберраций. Работа по созданию этого объектива была осуществлена в чрезвычайно короткие сроки (1836—1840 гг.). При этом был решен целый комплекс задач технической оптики: оценка качества изображения, выбор типа оптической системы, создание техники расчета оптических систем и др.

Уже значительно позже, в 1865 г., А. Штейнгель создал симметричный объектив-апланат, уступающий, однако,по своей светосиле объективу Петц- валя [50].

В 1891 г. сотрудник фирмы «Karl Ziess» П. Рудольф сделал первую попытку создать объектив-анастигмат с большой апертурой [51] (объектив «Протар»). В 1892 г. появилась конструкция симметричного анастигмата «Дагор», имеющего хорошую коррекцию астигматизма и малую ди- сторсию изображения.

К началу XX в. фотографическая оптика уже насчитывала довольно большое число разнообразных конструкций фотообъективов. Кроме двойных анастигматов, она пополнилась трехлинзовым анастигматом типа «триплет», разработанным в 1893 г. английским оптиком Тейлором для фирмы «Кук»; в 1900 г. Гёёг создал широкоугольный объектив «Гипергон» с полем зрения 135°; в 1902 г. немецкий оптик П. Рудольф создал известный четырехлинзовый объектив «Тессар».

К этому же периоду относится и ряд работ по исследованию простейших оптических систем с помощью теории аберраций третьего порядка [52]. Однако эти исследования не могли удовлетворить запросов практической разработки новых оптических систем. Это привело в дальнейшем к попыткам введения соответствующих поправок к формулам теории аберраций третьего порядка [53].,

Параллельно с теорией аберраций оптических систем развивались теория и практика построения оптического изображения. Со времен И. Кеплера и Р. Декарта существовало мнение, что при идеальном изготовлении оптических систем можно увидеть любые, сколь угодно малые подробности объекта наблюдения или, говоря современным языком, что разрешающая сила идеального оптического прибора бесконечна. Качественно новым этапом в развитии теории оптических приборов явилась теория Эрнста Аббе и Д. Рэлея (70—80-е годы XIX в.), которые показали, что волно

вая природа света ставит предел разрешающей способности оптических систем в том смысле, что точке в пространстве предметов соответствует пятно ненулевого размера в пространстве изображений, и тем самым подобие между предметом и его изображением нарушено в пределах этого дифракционного пятна. Тем самым Аббе использовал данные физической оптики для объяснения теории оптического изображения [54].

Привлечение данных физической оптики к объяснению некоторых вопросов теории оптических систем было вызвано практической необходимостью и в первую очередь стремлением оптиков увеличить разрешающую способность микроскопов. Главное препятствие для дальнейшего совершенствования микроскопов оптики XIX в. видели в чисто технических трудностях, а именно в устранении сферической и хроматической аберраций. Вероятно, считалось, что увеличение микроскопа можно повышать беспредельно.

В 1869 г. И. Б. Листинг предложил новую конструкцию микроскопа, позволяющую, по его мнению, получить увеличение до 32 ООО раз и более. В этой связи Г. Гельмгольц в 1874 г. в статье «Теоретическая граница способности микроскопа» поставил вопрос о пределах возможности повышения увеличения микроскопа без существенного ущерба для микроскопического изображения. Гельмгольц показал, что яркость изображения, даваемого оптическим инструментом, в самом лучшем случае может быть равна только яркости предмета, видимого невооруженным глазом. По этой причине в микроскопе Листинга при его предполагаемом громадном увеличении яркость изображения сделалась бы настолько ничтожной, что глаз не был бы в состоянии различить что-либо.

Однако Гельмгольц установил, что еще больше на качество изображения в микроскопе влияет дифракция, устанавливающая предел полезному увеличению микроскопа.

Таким образом, согласно теории Гельмгольца, существуют два рода явлений, ставящих предел разрешающей способности микроскопа: 1) уменьшение яркости изображения с ростом увеличения; 2) дифракция. По мере повышения увеличения неизбежно падает яркость изображения и растет дифракция, причем это ни в коей мере не зависит от конструкции микроскопа я является общим законом для всех оптических инструментов.

Иначе рассуждал Э. Аббе, поставивший задачу изготовления объекти

вов на основании точных теоретических вычислений. В этой связи ему пришлось решать ряд вопросов, связанных со значением величины апертуры микроскопа и увеличением его разрешающей способности. Здесь теория тесно переплеталась с практикой.

После нескольких лет упорного труда ученого были впервые выпущены объективы оптических инструментов, изготовленные и рассчитанные исключительно на основании теоретических соображений и инженерных расчетов. В 1873 г. Аббе опубликовал свои исследования о микроскопе [54]. Этот оптический инструмент предстал в совершенно новом свете: впервые были выяснены функции объектива и окуляра, проведена классификация различных аберраций, разработана теория микроскопического изображения и, наконец, были установлены пределы разрешающей способности оптических инструментов.

Согласно теории Аббе, изображение в микроскопе получается двумя последовательными этапами: 1) образованием дифракционной картины в фокальной плоскости (х') по методу Й. Фраунгофера; 2) образованием из отклоненных пучков оптического изображения А "В" в сопряженной плоскости х".

После теоретических исследований Аббе стали изготовлять оптические системы, почти достигающие границ тех возможностей, которые разрешаются волновой природой света.

Характеризуя роль творчества Аббе в развитии оптики, академик Д. С. Рождественский писал: «Аббе впервые ясно показал, что каждой остроте инструмента соответствует свой предел возможности. Нельзя грубыми пальцами обрабатывать даже мягкий материал с точностью до сотой миллиметра, для этого нужны тонкие инструменты. Тончайший же из всех инструментов — это длина волны. Нельзя видеть объекты меньше полудлины волны,— утверждает дифракционная теория Аббе,— и нельзя получить изображение меньше полудлины волны, т. е. меньше 1/i микрона... Таким образом, гением Аббе установлено сознательное творчество в микроскопии и достигнуты пределы возможного» [55, с. 331].

Из всего сказанного следует, что именно волновые свойства света определяют предел разрешения в оптических приборах. В дальнейшем были предприняты попытки отказаться от световых волн и использовать для получения изображения в микроскопе более мелкие частицы материи электроны, а затем и нейтроны. Использование для этой цели электронов привело к возникновению новых приборов — электронных микроскопов.

В рассматриваемый период произошли также и структурные изменения в технической оптике. Вплоть до конца XIX в. существовало мнение, что общая теория оптических систем, составляющая основу технической оптики, сводится лишь к геометрической оптике. Многие ученые-оптики считали, что теория оптических систем основана на двух-трех положениях (аксиомах) геометрической оптики, из которых дедуктивным образом могут быть получены все свойства этих систем. Однако по мере того, как расширялась область применения оптических систем и возникала настоятельная потребность в создании оптических систем с высоким качеством изображения, становилось необходимым учитывать также аберрации, возникающие вследствие явления дифракции. Знания законов только геометрической оптики оказалось недостаточным и возникла необходимость использования законов физической оптики. Кроме того, расширение областей применения оптических систем в условиях темновой адаптации и в крайних областях спектра (ультрафиолетовой и инфракрасной), так же как и вопросы, связанные с оценкой качества изображения, потребовали более глубокого знания свойств зрительного аппарата, т. е. возникла потребность и в привлечении законов физиологической оптики для проектирования и расчета оптических систем.

Переход к массовому производству оптических приборов потребовал также исследований допусков на конструктивные элементы оптических деталей, что также требовало глубоких знаний из области физической, физиологической оптики и фотометрии. Так постепенно усложнялась структура технической оптики и расширялись ее взаимосвязи с другими естественными и техническими науками.

Другой характерной чертой этого периода является расширение областей применения технической оптики, для чего используются инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение и люминесценция. В результате исследований инфракрасного диапазона спектра и возможностей широкого практического использования этого вида излучения появилась новая область науки и техники — инфракрасная техника, а затем и новая область приборостроения — «оптико-электронные приборы». Получает дальнейшее развитие и спектроскопия — возникает инфракрасная спектроскопия — мощное средство для исследования молекулярной структуры веществ. Успехи, достигнутые в изготовлении фотографических объектов, значительно облегчили задачу массового изготовления спектрографов и других оптических инструментов и приборов.

Рассматриваемый период в развитии технической оптики ознаменовался также бурным развитием теории и практики оптических измерений. При историческом рассмотрении различных методов оптических измерений

обнаруживается закономерное их совершенствование параллельно с развитием оптических приборов и инструментов.

Первым методом испытания оптических систем («по звезде») мы обязаны Г. Галилею. Этот метод, несмотря на более чем трехсотлетнюю давность, часто употребляется и в настоящее время. Испытуемую оптическую систему в этом случае устанавливают так, чтобы образовалось действительное изображение звезды или ее «модели» — освещенного отверстия; при этом методе получаемое изображение рассматривают через окуляр (или микроскоп). Иными словами, мы, по существу, строим оптическую схему телескопа, при помощи которого наблюдаем звезду.

Однако хотя этот метод и был первым, но он далеко не был лучшим, так как не позволял установить, где именно следует искать дефект оптической системы и судить о величине этого дефекта. Понадобилось двести лет, пока были найдены новые методы измерений, встречающиеся прежде всего в классических произведениях JI. Фуко (1859 г.) [56]. В них он излагал три метода исследования оптических систем. Наибольшее распространение получил метод «ножа», позволяющий непосредственно наблюдать зональные ошибки и давать качественную оценку оптическим системам. Этот метод применяют и по сей день при изготовлении точных астрономических объективов. Он основан на введении тонкого края экрана (лезвия ножа) в изображение бесконечно удаленной точки (звезды), образуемое оптической системой в ее фокусе.

Хотя вклад Фуко в развитие практической оптики велик, все же его методы оптических измерений не были безупречны. В 1880 г. Г. Фогель ввел важное усовершенствование измерительного прибора для оценки хроматической аберрации оптических систем. На оси испытуемой оптической системы он предложил установить спектроскоп таким образом, чтобы изображение звезды получалось прямо на щели. Если хроматическая аберрация отсутствовала, то ширина светящегося диска на щели для всех длин волн была одинакова.

Фогель предложил также и более простой, но менее точный способ контроля величины хроматической аберрации, получивший название метода окулярного спектроскопа. Эти методы Фогеля были первыми количественными методами оценки величины хроматизма оптических систем.

В 1904 г.Л. Ритчи использовал видоизмененный «метод ножа» Фуко для оценки величины сферической аберрации. Однако этот способ не получил широкого распространения, потому что в том же 1904 г. И. Гартман опубликовал свой метод, пригодный для точных измерений как сферической, так и хроматической аберраций.

Метод Гартмана был основан на геометрическом представлении о луче как о прямой линии. Для осуществления измерений перед испытуемым объективом на пути хода параллельного пучка лучей, вышедшего из объектива коллиматора, в фокальной плоскости которого помещалась диафрагма с круглыми отверстиями, ставили непрозрачный экран с отверстиями малого диаметра. Точность измерения аберраций при этом методе составляла ^Ь0,01—0,02мм. К недостаткам метода Гартмана следует отнести необходимость большого количества измерений для получения требуемых результатов.

Все указанные выше методы были основаны на законах геометрической оптики без учета волновых свойств света. Только в 1912 г. появился первый интерференционный метод. В 1918 г. был построен интерферометр Ф. Твеймэна. В основе его лежала идея получения от исследуемой оптической системы световой волны, которая при отсутствии аберраций должна быть совершенно плоской. Эту волну он сравнивал с другой заведомо плоской волной. Таким образом, Твеймэн считал, что геометрической оптики уже недостаточно для правильной оценки качества работы оптической системы и необходимо учитывать волновые свойства света. В дальнейшем был предложен ряд интерференционных методов испытания оптических систем (интерферометры Майкельсона, Ветцмана, Френеля).

Все перечисленные выше методы служили в основном для измерений аберраций оптических систем. Вместе с тем на практике часто требовалось измерить такие характеристики оптической системы, как ее фокусное расстояние и увеличение. Конструкции соответствующих приборов для указанных целей были предложены во второй половине XIX в. Э. Аббе. Измерение фокусного расстояния по методу Аббе было основано на определении увеличения для нескольких (не менее чем для двух) различных положений предмета, находящегося на оптической оси испытуемой оптической системы, причем расстояние между положениями предмета должно быть известно.

Для измерения увеличения микроскопа Аббе предложил прибор получивший название «рисовального прибора Аббе». В настоящее время этот прибор используют в основном для зарисовки предметов, видимых в поле зрения микроскопа.

Для определения числовой апертуры объектива микроскопа в конце XIX в. применяли апертометр Аббе, состоящий из полукруглой стеклянной пластинки с нанесенными на ней двумя шкалами и подвижными рамками. Кроме этих оптических измери- тельныхприборов.Абберазработал конструкции рефрактометра, сферометра и контактного микрометра.

Заметных успехов в развитии оптики в конце XIX — начале XX в. достигли и русские ученые.

Так, в 1888—1889 гг. профессор Московского университета А. Г. Столетов провел большое число оригинальных опытов по изучению фотоэлектрического эффекта, в результате которых установил основные законы внешнего фотоэффекта и истинные причины этого явления [57]. Эти работы получили мировую известность и стали основополагающими в области изучения фотоэлектрических явлений. Крупный вклад в теоретическую оптику рассматриваемого периода внесли П. Н. Лебедев, Б. Б. Голицын, Т. П. Кравец, П. П. Лазарев, А. Ф. Иоффе и др.

Замечательные экспериментальные исследования по оптике были выполнены в 1905—1912 гг. Н. А. Умовым. Открытая им зависимость между поляризацией света и его поглощением легла в основу нового оригинального метода изучения поглощения тел, названного им спектрополяриско- пическим. Метод Умова позволял определить полосы поглощения в тех случаях, когда другие методы были неприменимы. Например, он давал возможность исследовать растворы очень малой концентрации.

Для практической реализации своего метода Н. А. Умов в 1912 г. разработал специальный прибор [59], состоящий из подъемного горизонтального столика, на котором помещался объект исследований; двух труб, кол- лиматорной и зрительной, каждая из которых может вращаться в вертикальной плоскости. В качестве источника света использовали лампу Нернста. Этот спектрополярископический прибор был изготовлен по указаниям Умова немецкой фирмой Р. Фюсса. Из переписки Умова с руководителем этой фирмы К. Лейссом видно, что Умов до конца своих дней работал над усовершенствованием прибора [60].

Одновременно велись работы по технической оптике под руководством А. Н. Крылова, Я. Н. Перепелкина и А. Л. Гершуна, который был

не только специалистом в области оптического приборостроения. Его перу принадлежат работы по технической оптике. В работе «Об оптических инструментах» (1898 г.) A. JI. Гершун на основании тщательного анализа состояния оптики наметил дальнейшие пути развития оптического приборостроения. Он считал необходимым применение законов физической оптики для развития общей теории оптических систем, а следовательно, и для конструирования и расчета совершенных оптических приборов: «Конструкция оптических инструментов, возросшая на учении о луче, дошла в настоящее время благодаря требованиям науки и практики уже до столь высокого совершенства, что дальнейшие успехи ее сделались возможными лишь при условии более внимательного изучения самого процесса появления оптического изображения; это, в свою очередь, вызвало необходимость оставить понятие о луче и вернуться к основному представлению о волне и ее измерениях» [61]. Не менее важной была работа A. JI. Гершуна об исследовании оптических свойств фотографических объективов (1894 г.). Уже в начале своей деятельности он понимал важное значение организации производства оптического стекла для дальнейшего развития оптического приборостроения в России. 2 декабря 1894 г. на заседании Русского технического общества он сделал сообщение: «О приборе для исследования качества вообще оптических стекол» [62]. В дальнейшем задача организации в России производства оптического стекла была блестяще решена Д. С. Рождественским, И. В. Гребенщиковым, Н. Н. Качаловым, А. А. Лебедевым и рядом других русских ученых.

В конце 1918 г. в Петрограде по инициативе выдающегося ученого, профессора Петроградского университета Д. С. Рождественского [63] был создан Государственный оптический институт (ГОИ) [64].

Фотография. Фотопленка, фотоаппараты

Дальномерные фотоаппараты имеют видоискатель, связанный с оправой объектива. … Во многих дальномерных аппаратах используются сменные объективы со сменными...

...Основная оптическая часть телескопа. Телескоп с линзовым объективом...

друга и поэтому неразличимые невооруженным глазом. Основной оптической частью телескопа является объектив, который собирает свет и.

Объектив. Объективы имеют различное устройство

Объективы имеют различное устройство, смотря по тому, для какого из названных приборов они назначаются. См. Оптические стекла.

Фотография дома. Фотоаппараты домашняя фотолаборатория

Фотоаппарат и объектив рекомендуется оберегать от ударов и падений, от грязи и пыли, от влаги и сырости, от нагревания и резких температурных изменений.

Масштабная фотосъемка является простейшим видом измерительного...

3) оптическую ось объектива направить в центр снимаемого объекта (точное центрирование при вертикальном положении аппарата достигается с помощью отвеса...

домашняя кино видео студия. Монтаж озвучивание фильма

После этого немного зайдите за линию старта и снимите крупным планом, объективом с переменным фокусным расстоянием лыжника на старте, затем снимите его со спины...

Телескоп. Устройство телескопа

Принципиальная схема простейшего телескопа такова. На переднем конце трубы укреплена двояковыпуклая линза — объектив.

ФОТОГРАФИЯ. Фотоаппараты, ремонт фотоаппаратов. Фотопленки...

♦ Некоторые фотоаппараты («Смена» и др.) не имеют крышки на объективе. Для предохранения его от пыли рекомендуем на откидную стенку футляра наклеить поролон.

Угломерные инструменты. Астрономическая труба. Измерение углов.

рассматриваемому объекту, называется объективом, другая, обращенная к глазу. наблюдателя, - окуляром . Прямая, соединяющая центры объектива и окуляра

Зенит-телескоп, призменная астролябия, фотографическая зенитная...

звезды попадают на объектив и, пройдя его и отразившись от двух зеркал, дают в. фокальной плоскости объектива изображение звезды, движущееся вверх при.

›Астрономия