Карл Цейс: Страдивари в оптике

0

Объективы немецкой фирмы «Карл Цейс» сейчас – это гарантия того, что вы получите на своем фотоаппарате снимки высочайшего качества. Поэтому цейсовская оптика стоит во многих камерах известных фирм, особенно японских.

Интересно, что начинал Цейс свое дело с выпуска микроскопов, а уж с изобретением фотографии начал экспериментировать с объективами.

Знаменитый инженер-оптик родился в Веймаре 11 сентября 1816 года. Он рано начал проявлять заинтересованность науками, особенно физикой. Вскоре после окончания гимназии юноша решил стать учеником у доктора Фредерика Кернера, который занимался разработками в области производства стекла для объективов телескопов, и поступил в Йенский университет.

Удачливое трио

Исследования в области оптики все больше поглощали Цейса. Он целых 7 лет посвятил посещениям заводов в Штутгарте, Дармштадте и Берлине, специализировавшихся на изготовлении стекла, чтобы понять все тонкости его производства. Здесь проявилась его немецкая педантичность: Карл очень основательно подходил к своим экскурсиям. При себе он всегда носил тетради, в которых чего только не было: заметки о методах плавления стекла, материалах, необходимой температуре печей для обжига, а также обо всем, что было связано с изготовлением стекла, микроскопов и других оптических инструментов. Но и этого, по мнению Цейса, было недостаточно, чтобы начинать свое производство. Он продолжил обучение в Йенском университете, где налег на химию и математику.

В 1846 году, когда Карлу стукнуло 30 лет, он решил, что готов начать свое дело и открыл мастерскую. Первыми изделиями мастерской были увеличительные стекла и простые микроскопы, производимые группой всего из 20 работников.

Производство более сложных микроскопов началось не сразу, а только через 12 лет. Но спешка тут была и ни к чему. Все эти годы Карл посвятил разработкам в области оптики и завоевал хорошую репутацию своими качественными продуктами, а в 1861 году его мастерская получила Золотой Приз на выставке в Тюрингии.

Цейс верил, что научный подход приведет к возможности производства более точных, предсказуемых и экономичных изделий. Но не все его эксперименты заканчивались удачными открытиями, компании не хватало свежих умов.

В 1866 году Цейсу крупно повезло: в Йенском университете он познакомился с Эрнстом Аббе, который считался молодым и весьма перспективным ученым. И правда, он имел очень интересные идеи в области оптики. Аббе был именно тем, кто был нужен Цейсу.

Молодой ученый вошел в дело Карла в качестве ведущего исследователя, намереваясь вместе с ним создать научный фундамент, необходимый для производства оптической продукции. В конечном счете, в 1872 году, после 6 лет упорного труда и массы экспериментов по производству новых сортов оптического стекла, их совместный труд привел к созданию сложного микроскопа, не имевшего себе аналогов по качеству. Этот прибор является прародителем всех современных микроскопов.

Год спустя после начала производства сложного микроскопа, в 1873 году, Аббе опубликовал научный труд, описывавший математический аппарат, с помощью которого было сделано это изобретение. Он настолько хорошо описал оптический процесс, что его труд стал базовым в оптике. В благодарность за труды Цейс сделал ученого партнером в своем растущем бизнесе.

Третьим членом команды, стоявшей у истоков фирмы Цейса и сделавшей ей имя, был Фредерик Отто Скотт, который был приглашен Аббе в 1879 году для продолжения работы по усовершенствованию микроскопов. Скотт занимался исследованиями по использованию лития в новом типе оптического стекла и написал о своих успехах доктору Аббе. Тот заинтересовался и опробовал стекло, дав высокую оценку исследованиям Скотта. Так познакомились оба ученых, после чего сотрудничество продолжалось до конца их дней. Скотт производил стекло исключительно для новых микроскопов Цейса, и в 1884 году была основана специальная фабрика по его производству.

Успешное сотрудничество трех выдающихся умов прекратилось в 1888 году, после смерти Цейса, однако фирма его и ныне процветает. Более того, успешно развивается, несмотря на более чем высокие цены на продукцию. Однако профессиональные фотографы никогда не скупятся на цейсовскую оптику. Для них камера с объективом этой фирмы  – все равно что скрипка Страдивари для музыканта.

Венеция – родина очков

Вообще, история появления оптических инструментов и приборов очень интересна, как и история любых изобретений. Взять хотя бы те же очки. Они были изобретены в Венеции в XIII веке. И не случайно именно в Венеции – именно там производилось знаменитое стекло, а потому экспериментов с оптикой, зеркалами, стеклом, линзами и прочим было предостаточно.

Существует множество версий и множество источников, которые приписывают авторство тем или иным стеклодувам или стекольным мастерским. Первоначально были изобретены плюсовые (увеличивающие) линзы, отрицательные линзы появились только 150 лет спустя. Для того чтобы избежать скола линз по краям их стали обрамлять деревянным ободком. Позже появились дужки и переносица. Более прочные металлические оправы сменили хрупкие деревянные. Пластик же стал применяться в изготовлении оправ с 20-х годов ХХ века.

Врачи в течение длительного времени относились к очкам отрицательно, считая, что они портят зрение. Лишь в XIX веке ученые Дондерс, Юнг, Гельмгольц в своих работах раскрыли сущность таких дефектов как близорукость, дальнозоркость и астигматизм и перевели искусство подбора очков на научные рельсы. Были изобретены линзы корригирующие астигматизм, изобретены бифокальные и трифокальные линзы, улучшались свойства обычных сферических линз. Оптические свойства очков значительно улучшились с заменой формы линз с двояковыпуклых на выпукло-вогнутую форму.

Линзы Бенджамина Франклина

Кто бы мог подумать, что бифокальные линзы, по преданию, изобрел знаменитый американский государственный деятель Бенджамин Франклин. Они позволяли одинаково хорошо видеть вдаль и вблизи, не меняя при этом очков. В усовершенствованном виде они благополучно дожили и до наших дней, только бифокальные линзы были заменены прогрессивными, то есть, менее резкими при переходе с ближних предметов на дальние и наоборот. Сейчас для расчета дизайна линз, широко используются возможности компьютерного программирования.

Прообраз же контактных линз встречается еще в рисунках Леонардо да Винчи – удивительно к чему только не приложил руку этот гений эпохи Возрождения. Стеклянные контактные линзы были изготовлены в 1929 году фирмой все того же Карла Цейса. Вскоре появились линзы из пластика, но они были жесткими и неудобны для ношения.

Мягкие гидроколлоидные контактные линзы были разработаны чешским ученым Отто Вихтерле в конце 50-х годов ХХ века. С тех пор контактные линзы непрерывно совершенствуются. Прогресс идет по пути улучшения кислородной проницаемости линз, что позволит лучше снабжать роговицу кислородом, улучшения смачиваемости, что избавляет от ощущения сухости глаз. Самыми популярными линзами в настоящий момент в мире являются однодневные контактные линзы.

Протез для слепых

Очень интересным последним изобретением является бионический глаз, который можно назвать синтезом оптики и электроники. Если и для конечностей, и для слуха придумали специальные устройства, которые бы облегчали жизнь человека, то для зрения подобных протезов просто не существует из-за сложности устройства глаза.

Впервые решить проблему с протезом для слепых людей в начале этого века взялся американский профессор Дэниэл Паланкер, который на протяжении многих лет вместе со своей группой занимался многочисленными исследованиями в области биоинженерных технологий. Результатом таких научных опытов стало создание бионического глаза.

Это достаточно сложный протез для сетчатки глаза, имеющий большое разрешение. Такое устройство позволит полностью слепым людям (но только при определенных заболеваниях) обрести новое зрение. Бионический глаз – это в первую очередь электронное устройство, состоящее из множества фотографических сенсоров. Эти сенсоры в свою очередь обладают матрицей, сделанной из алюминия и полупроводниками из кремния.

Искусственный электронный глаз полностью выполняет все функции настоящего зрительного органа. Луч света, который направлен на искусственную сетчатку, при помощи полупроводников создаст электрический заряд. Электрический заряд и послужит тем сигналом, который пройдет в мозг человека в качестве изображения, которое было увидено. Примерно также работает и человеческий глаз, с той лишь разницей, что в нем такой зрительный сигнал проходит по нервным окончаниям.

Бионический глаз имеет и свою разрешительную способность, которая составляет 100 пикселей. Но исследователи продолжают работать в этой области, пытаясь создать бионический глаз, в котором бы помещался электронный чип еще меньшего размера. Что в свою очередь позволит увеличить разрешение до нескольких тысяч. Совершенствуется также и сама система бионического глаза. Если изначально такое устройство содержало 16 фотоэлементов, то сейчас уже возможно использовать все 60. Но и это еще не предел биоинженерных возможностей.

На данный момент бионический глаз имплантирован некоторым слепым людям, зрение которых вернулось. Они стали различать крупные предметы, видеть свет и движение. А значит, бионический глаз работает, и вскоре он будет выпушен на широкий рынок. Вот только стоимость его, к сожалению, велика – 15 тыс. фунтов.

Бинокль – штука сложная

Несомненно, чрезвычайно полезным прибором является бинокль, который появился на свет в XVII веке. Как раз в это время стали создаваться всевозможные зрительные трубы, положившие начало эре оптических приборов.

Зрительные трубы находили применение на протяжении длительного периода, однако они были крайне неудобны в применении, ведь приходилось наблюдать за происходящим только одним глазом, а это не позволяло полноценно оценить ситуацию. Именно этот факт подтолкнул ученых на соединение двух зрительных труб, в которые можно было бы смотреть двумя глазами одновременно. Так появились первые в мире бинокли.

Вначале они почти ничем не отличались по своему устройству от зрительных труб. Их делали на основе изобретения Галилея, когда в устройстве использовались только две линзы, одна из которых была собирательной, а вторая рассеивающей.

Первые бинокли были очень простыми, немногочисленность деталей позволяла максимально сохранять весь поступающий в приспособление свет. Такие бинокли дают четкое и насыщенное изображение. Они являются незаменимыми при наблюдении в сумеречном свете, но галилеевские бинокли не могли стать измерительными приборами.

Позднее начинают создаваться более сложные бинокли, в которых уже использовались призмы. Это позволило значительно увеличить обзор. Кроме того, призменные бинокли благодаря своему устройству и сильным лупам позволяли изучать объекты на большом расстоянии. К тому же, они уже могли быть хорошими приборами для измерения расстояния и других характеристик, правда, изображение при этом переворачивалось.

Независимо друг от друга, оптики из Франции, Германии и России – Порро, Аббе и Малафеев соответственно, начали использовать в биноклях сложную систему призм, которые отражали свет и давали четкое изображение. К тому же в таких биноклях можно было менять параметры благодаря вращающимся зеркалам и призмам.

Изначально призменные бинокли делались по системе Малофеева-Порро, в соответствие которой призмы размещались с незначительным смещением. Это предопределяло и определенную выгнутую форму бинокля. Позднее стали производить бинокли, где такого смещения не было, что значительно изменило саму форму бинокля, сделав ее компактнее.

Существуют самые разнообразные бинокли, которые отличаются своими параметрами. Несмотря на это выделяются такие характеристики биноклей, которые и обуславливают их назначение и функции. Среди таких параметров отмечается кратность бинокля и диаметр линзы. Кратность или увеличение бинокля является показателем, характеризующим способность бинокля на определенном расстоянии распознавать объекты так, если бы они находились близко. От диаметра же линзы зависит ее способность пропускать свет, а значит, и мощность бинокля.

О биноклях можно говорить еще долго. На первый взгляд простое устройство на поверку оказывается весьма сложным, а чтобы подобрать нужный, необходимо изучить характеристики каждого типа.

Недаром проблемами в области оптики занимались лучшие физики всех времен и тратили на исследование массу времени. Без этого не было бы ни очков, ни фотоаппаратов, ни телескопов, а без них мы уже жизни не представляем.

Подготовила Анна Попенко,
по материалам «Вся оптика», Symbian.net.ua, «People’s history», «Оптика Экспресс»

Поделиться.

Комментарии закрыты