reforef.ru 1
Владимир Гуриков

Старший научный сотрудник Института истории естествознания
и техники Российской академии наук


РАЗВИТИЕ АХРОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИКИ В XIX ВЕКЕ


1. Ахроматическая оптика Й.Фраунгофера

Следующий шаг в развитии ахроматической оптики связан с именем Йозефа Фраунгофера. Иозеф Фраунгофер (1787-1826) был сыном стекольщика. В детстве работал учеником в зеркальной и стекольной мастерских. В 1806 г. поступил на службу в известную в то время крупную оптическую мастерскую Утцшнейдера в Бенедиктбейерне (Бавария); позднее стал ее руководителем и владельцем. Выпускавшиеся мастерской оптические приборы и инструменты получили широкое распространение во всем мире. Им были введены существенные усовершенствования в технологию изготовления больших ахроматических объективов. Совместно с П.Л. Гинаном, Фраунгофер наладил фабричное производство хорошего флинтгласа и кронгласа, а также внес существенные усовершенствования во все процессы изготовления оптического стекла. Им была разработана оригинальная конструкция станка для полировки линз.

Фраунгофером был предложен также принципиально новый способ обработки линз, так называемый "способ шлифования по радиусу". Для контроля качества обработки поверхностей линз Фраунгофер использовал пробное отекло, а для измерения радиусов кривизны линз - сферометр, конструкция которого была разработана Георгом Райхенбахом в начале XIX в. Использование пробного стекла для контроля поверхностей линз посредством наблюдения интерференционных "колец Ньютона" является одним из первых методов контроля качества обработки линз.

Открытие Фраунгофером темных линий в солнечном спектре и использование их для точных измерений показателя преломления впервые создали реальную возможность использования уже довольно точных методов расчета аберраций оптических систем в практических целях. До тех пор пока нельзя было с достаточной точностью определить относительную дисперсию стеклянных линз, невозможно было и изготовление хороших ахроматических объективов.

В период после 1820 г. Фраунгофер выпустил большое количество высококачественных оптических инструментов с ахроматической оптикой. Крупнейшим его достижением было изготовление в 1824 г. ахроматического телескопа-рефрактора "Большой Фраунгофер". С 1825 по 1839 гг. на этом инструменте работал В. Я. Струве. За изготовление этого телескопа Фраунгофер был возведен в дворянство.










Телескоп-рефрактор Й.Фраунгофера "Большой Фраунгофер" (1824 г.)


Ахроматический объектив телескопа Фраунгофера состоял из двояковыпуклой линзы из кронгласа и слабой плосковогнутой линзы из флинтгласа. Первичная хроматическая аберрация исправлялась относительно хорошо, сферическая аберрация была исправлена только для одной зоны. Интересно отметить, что хотя Фраунгофер не знал об "условии синусов", его ахроматический объектив практически не имел аберрации комы.

2. Развитие ахроматической оптики в XIX в.

Изготовлением больших ахроматических телескопов-рефракторов занимались в начале XIX в. также и другие немецкие мастера: К. Утцшней-дер, Г. Мерц, Ф. Малер. В старой обсерватории г. Тарту, в Казанской обсерватории и Главной астрономической обсерватории РАН в Пулково до сих пор хранятся телескопы-рефракторы, выполненные этими мастерами.

В начале XIX в. производство ахроматических зрительных труб было также налажено в России - в Механических заведениях Главного Штаба в Петербурге. Одна из таких труб с восьмигранным тубусом из красного дерева и латунными оправами объектива и окуляра, установленная на треноге (1822 г.), хранится в Музее М. В. Ломоносова в Санкт-Петербурге.


Высоким качеством отличались телескопы, изготовленные Альваном Кларком. По профессии Альван Кларк был художник-портретист. Шлифовкой линз и зеркал занимался как любитель. С 1851 г. он научился перешлифовке старых линз и, проверяя качество их изготовления по звездам, открыл рад двойных звезд - 8 Секстанта, 96 Кита и др. Получив подтверждение высокого качества обработки линз, он вместе с сыновьями - Джорджем и Грейамом организовал сначала небольшую мастерскую, а затем хорошо оборудованное предприятие в Кембридже, специализировавшееся на изготовлении и испытании объективов телескопов. Последнее осуществлялось в тоннеле длиной 70 м по искусственной звезде. Вскоре возникла крупнейшая в западном полушарии фирма "Альван Кларк и сыновья" [1].

Необходимо отметить, что дальнейшие успехи, достигнутые этой фирмой в деле изготовления больших рефракторов, были тесным образом связаны с образованием другой фирмы "Ченс и братья", специализирующейся на изготовлении высококачественного оптического стекла. Успехи последней связаны с деятельностью швейцарского подданного Пьера Гинана, который в начале XIX в. стал первым инструктором И. Фраунгофера. После смерти П. Гинана его секреты технологии изготовления больших объективов телескопов перешли к его сыну, а затем были переданы оптическим фирмам "Ченс и братья" и "Парра-Мантуа". Именно от этих фирм Кларк получал высококачественное оптическое стекло.

В 1862 г. фирмой Кларка был построен 18-дюймовый рефрактор, который был установлен на Дирбонской обсерватории (штат Миссисипи). Ахроматический объектив этого телескопа диаметром 47 см был изготовлен из кроновых и флинтовых дисков, полученных Кларком от фирмы "Ченс и братья". Фирма Кларка имела самое лучшее по тому времени оборудование для шлифовки линз.








Ахроматическая зрительная труба с восьмигранным тубусом, изгот. в России в Механических заводских Главного штаба в Санкт-Петербурге



В 1873 г. в Вашингтоне начал действовать 26-дюймовый ахроматический рефрактор Альвана Кларка. С его помощью Асаф Холл в 1877 г. открыл два спутника Марса - Фобос и Деймос. Таким образом увеличение диаметра объективов телескопов влекло за собой весьма ценные научные открытия.

3. Развитие ахроматической фотооптики



Общий вид Пулковского рефрактора А.Кларка (1883 г.)







Открытие фотографии обычно датируют 1839 г., когда был опубликован и вслед затем получил широкое распространение изобретенный во Франции художником Л. Дагерром первый технически разработанный фотографический процесс, названный дагерротипией. Одновременно разрабатывался и ряд других фотографических процессов, среди которых первым, хотя и несовершенным, процессом была гелиография Н. Ньенса.

XIX в. ознаменовался бурным развитием фотографической оптики. На повестке дня стояла задача расчета фотографических объективов с высокой светосилой и большой разрешающей способностью. Для того, чтобы фотографические объективы давали изображения высокого качества, к ним поедъявлялись повышенные требования абберационной коррекции.

До этого времени объективы строились в основном из комбинации двух линз. Аберрации таких объективов удавалось исправлять чисто эмпирическим путем, последовательно изменяя радиусы кривизны линз и подбирая показатели преломления стекол, из которых эти линзы били изготовлены. Вследствие резкого повышения требований к качеству изображения, даваемого фотообъективом, использование совокупности только двух линз оказалось недостаточным. Стали создаваться системы из трех и более линз. Эмпирический способ расчета оказался малоэффективным и потребовалась разработка аналитического способа расчета фотообъективов.

После изобретения Л. Дагерром и Н. Ньенсом в 1839 г. фотографии начинаются попытки создания разнообразных конструкций фотографических объективов, потребовавших к себе особого внимания оптиков-вычислителей, так как к ним предъявлялись новые, часто противоречивые требования: большая светосила, значительное поле зрения при сохранении идеальной резкости. Это в свою очередь послужило стимулом к развитию теории и методики расчета оптических систем.



В истории развития фотообъективов XIX в. следует различать следующие четыре периода [2, с. 86-93]: 1 - период работ И. Петцваля (1840-1857); 2 - период широкоугольных объективов (1857-1866); 3 - период работ А. Штейнгеля (1865-1885); 4 - период анастигматов (с 1886 г.).

Многообразие фотографических объектов, получивших в XIX в. самое широкое распространение, делает весьма желательным единый способ графического представления их аберраций. Для того, чтобы сделать объективы сравнимыми, все их характеристики определяются для фокусного расстояния 100 мм для спектральной линии Д. При этом по оси ординат кривой сферической аберрации откладывают высоты (/?) падения луча, в миллиметрах, абсциссы пунктирных кривых соответствуют продольным аберрациям фокусного расстояния (АГ), а сплошные кривые представляют собой аберрации расстояний до точки пересечения лучей с оптической осью (AS').
Для графиков астигматизма по оси ординат отложен угол (W) (в градах*) между оптической осью и главным лучом в пространстве изображений. По оси абсцисс отложены величины астигматизма в сагиттальной (S) и меридианальной (т) плоскостях.

I - период работ И. Петцваля (1840-1857)

На заре фотографической техники (вплоть до 1840 г.) объективы фотоаппаратов строились в основном из комбинации двух линз (типичным примером служит ахроматический ландшафтный объектив Шевалье. Эти объективы имели малую светосилу (относительное отверстие 1:14), большую величину дисторсии и значительное недоисправление сферической аберрации. Хроматические аберрации в этих объективах удавалось исправлять подбором соответ-ствущих сортов стекол.


Вследствие резкого повышения требований к качеству изображения, даваемого фотообъективом, использование совокупности только двух линз оказалось недостаточным. Начали предприниматься попытки создания принципиально новых фотообъективов. Крупным событием в истории инструментальной оптики явилось создание в 1840 г. портретного объектива И. Петцвалем, далеко опередившего оптическую технику и науку своего времени. Объектив Петцваля имел большую светосилу (относительное отверстие 1:3,2). У этого объектива впервые было достигнуто одновременное исправление сферической аберраций, комы и астигматизма при удовлетворительной величине хроматических аберраций [3]. При такой большой апертуре, какой обладал объектив Петцваля, встречается много затруднений в устранении сферических аберраций. Методика, которой пользовался Петцваль, не сохранилась, однако известно, что он построил свой портретный объектив на основании аналитических рас-счетов аберраций. Этим впервые было доказано преимущество вычислительной оптики перед пробной, ищущей ощупью, методом проб и ошибок наиболее благоприятных результатов.









Графики аббераций фотообъективов старых мастеров (конец XIX - XX вв.)

Работы по созданию этого объектива были осуществлены 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. Изготовление своего объектива Петцваль поручил венской оптической мастерской Фойгтлендера.


Объектив Петцваля получил широкое распространение как в Австрии, так и далеко за рубежом. Предпринимались многочисленные попытки усовершенствовать этот объектив. Так, в 1870 г. Н. Zincke рассчитал светосильный портретный объектив по схеме Петцваля с относительным отверстием 1:2,37. Как видно из рисунка, оптическая схема этого объектива несколько отличается от схемы Петцваля. Видоизменение правого блока линз этого объектива позволило получить лучшую коррекцию его аберраций. Еще лучшую аберрационную коррекцию имел объектив, построенный по схеме Петцваля в 1885 г. F. Voigtlanderon. Этот объектив был отлично исправлен как в отношении сферических аберраций, так и в отношении астигматизма. Самый светосильный объектив по схеме Петцваля был построен в 1930 г. Робертом Рихтером на фирме "Карл Цейсс". Этот объектив имел относительное отверстие 1:1,9 и был хорошо откоррегирован.

Таким образом, портретный объектив по схеме И. Петцваля просуществовал около ста лет и получил заслуженную известность во всем мире. Дальнейшие занятия И. Петцваля практической оптикой привели его к созданию конструкции ландшафтного объектива (1856 г.). В целях популяризации этого объектива Петцваль выступил в 1856 г. с докладом на состоявшееся в Вене 32-м заседании общества немецких естествоиспытателей. Им был продемонстрирован образец ландшафтного объектива, а также показаны фотографии, сделанные с его помощью.

II - период широкоугольных объективов (1857-1866 гг.)

В этот период в Англии получает наибольшее распространение любительская фотография. Наряду с ландшафтными и портретными объективами возникает необходимость и в широкоугольных объективах. Напомним, что портретный объектив И. Петцваля (1840 г.) имел поле зрения всего 12°.

Наиболее удачную попытку создания широкоугольного объектива сделал в 1860 г. J. Н. Dallmeyer. Им был создан так называемый "тройной объектив" с полем зрения ЗГ и относительным отверстием 1:10,6. Сферическая аберрация этого объектива была хорошо исправлена. В 1863-1864 гг. английскими оптиками С. С. Harrisonom и С. Schnitzerom создан так называемый "шаровой" объектив с полем зрения 46° и относительным отверстием 1:17. Этот объектив имел значительную сферическую аберрацию и был недостаточно хорошо откорегирован в отношении астигматизма. Значительно лучшую аберрационную коррекцию имел широкоугольный объектив Т. Росса (1864 г.) [А]. Этот объектив имел несколько меньшее поле зрения по сравнению с предыдущим (36°), однако был хорошо исправлен в отношении сферической аберрации. Отметим также, что все перечисленные конструкции широкоугольных фотообъективов были хорошо откоррегированы в отношении дисторсии изображения.


III - период объективов Штейнгеля (1865-1885 гг.)

В 1855 г. в Мюнхене немецким физиком Карлом Августом Штейнгелем был основан оптический завод, специализирующийся главным образом на изготовлении зрительных труб. Однако уже через десять лет этот завод перешел на изготовление фотообъективов. В 1865 г. сыном К. А. Штейнгеля Адольфом Гуго, работавшим на оптическом заводе вычислителем, был рассчитан симметричный широкоугольный фотообъектив "Перископ" [5], состоящий из двух простых неахроматических менисков из кронгласа с диафрагмой по середине. Поле зрения этого объектива достигало 90°.

При расчете объективов А. Штейнгель пользовался тригонометрическим методом вычисления лучей, лежащих в меридианальной плоскости, проходящей через ось симметрии системы. Позднее, используя тригонометрические формулы Д. Зейделя, стало возможным исследовать ход лучей, не лежащих в меридианальной плоскости.

В 1865-1866 гг. А. Штейнгелем был рассчитан и построен портретный объектив - апланат. По своей конструкции он был сходен с перископом, но состоял из двух ахроматических систем, симметрично расположенных относительно диафрагмы. Для случая бесконечно удаленного объекта объектив был свободен от сферической и хроматической аберраций. Расчет этого объектива производился на основе теории аберраций Зейделя. Вскоре апланаты Штейнгеля приобрели широкую известность и их стали изготовлять с различными углами поля зрения и разными относительными отверстиями (от 1:8 до 1:3,2). В 1875 г. после большого количества сложных расчетов Штейнгелем была осуществлена первая конструкция объектива - антипланата. Этот объектив был достаточно светосильным (относительное отверстие 1:3,9), имел поле зрения 15,5° и был хорошо откорре-гирован в отношении астигматизма косых лучей. Через много лет, в 1893 г., сыном Штейнгеля была рассчитана конструкция широкоугольного объектива - антипланата "Раина" с углом поля зрения 30,5°.

IV - период анастигматов (с 1886г.)




Всемирно известные ахроматические объективы-анастигматы П.Рудольфа







Развитие фотографической оптики в этот период связано прежде всего с работами сотрудника фирмы "Карл-Цейсс" П. Рудольфом. В 1888-1889 гг. им был найден способ исправления астигматизма в фотографическом объективе. Этому способствовало также расширение ассортимента сортов оптического стекла. Стал употребляться новый - баритовый крон с показателем преломления от 1,57 до 1,61 (крон старого сорта имел более низкий показатель преломления - от 1,51 до 1,53). В 1891 г. П. Рудольф использовал новый сорт крона в своем объективе "Протар". Это был один из первых объективов - анастигматов о большой апертурой.

Рудольф рассчитал в 1891-1898 гг. три типа подобных объективов с относительными отверстиями 1:4,5; 1:6,3; 1:9. В 1892 г. появилась также конструкция симметричного анастигмата "Дагор", имеющего хорошую коррекцию астигматизма и малую дисторсию изображения.

К началу XX в. фотографическая оптика уже насчитывала довольно большое число разнообразных конструкций фотообъективов. Кроме двойных анастигматов она пополнилась трех-линзовым анастигматом типа "триплет", разработанным в 1893 г. в Англии Тендером для фирмы "Кук". В 1896 г. П. Рудольфом был рассчитан симметричный анастигмат "Планар", состоящий из двух блоков по 3 линзы каждый. Увеличение числа линз было связано со стремлением увеличить относительное отверстие (светосилу) объектива. "Планар" Рудольфа имел уже относительное отверстие 1:3,3, вместо 1:6 "Протара". Стремление ко все большему увеличению поля зрения объективов привело к созданию в 1900 г. Геегом широкоугольного объектива "Гипергон" с полем зрения 135°.



В 1902 г. П. Рудольфом был рассчитан и создан четырехлинзовый объектив "Тессар", получивший широкую известность во всем мире.

Требования фотографической практики привели в 1891 г. к созданию Т. Р. Дальмейером телеобъектива. Идея телеобъектива возникла еще в 1851 г. и предложил ее И. Порро. Его телеобъектив состоял из собирательной и рассеивающей линз, отдаленных друг от друга так, чтобы их задние фокусы совпадали. Это давало возможность строить фотографические объективы малой длины при большом фокусном расстоянии.

Успехи, достигнутые в создании столь разнообразных конструкций фотообъективов, были связаны, прежде всего, с развитием во второй половине XIX в. общей теории оптических систем (работы К. В. Гаусса, Зейделя, И. Петцваля, Э. Аббе и др.).

4. Краткое резюме

Возникновение и развитие ахроматических оптических систем одна из ярких и интересных страниц истории прикладной оптики и оптического приборостроения. Хотя некоторые виды аберраций оптических систем были известны еще в X в., но интерес к ним резко повысился с появлением в XVII в. телескопов и микроскопов. Труднее всего обстоял вопрос с исправлением хроматических аберраций. Ошибка великого Ньютона о невозможности создания реальной конструкции ахроматической оптической системы на много лет отбросила весьма плодотворную идею использования для исправления хроматической аберрации системы, состоящей из двух сортов оптическою стекла с разными показателями преломления.

Действительный член Петербургской академии наук Леонард Эйлер был в числе первых ученых, резко выступивших против утверждения Ньютона о невозможности построения линз, свободных от хроматических аберраций. Об этом, в частности, наглядно говорят письма Доллонда к Эйлеру, которые в этом исследовании приводятся и анализируются.

В исследовании поставлен редкий истори-ко-научный эксперимент при определении аберрационных характеристик ахроматических обьективов, имеющих большое историческое значение (объективы Петцваля, Штейнгеля, Рудольфа и др.). Ряд графиков хроматических аберраций были построены автором впервые на основе анализа исторических (архивных) данных о конструктивных параметрах этих объективов. Это является новацией в историко-техническом исследовании. На этой идее может быть выполнен ряд самостоятельных оригинальных исследований [6].