Когда появились первые оптические наблюдательные приборы

По версии, основанной на документах, опубликованных в 1655 г. в книге Пьера Борелема «Deverotelescopiiinventore…» («Об истинном изобретателе телескопа»), первый телескоп был изготовлен З. Янсеном в 1604 г. на основе принадлежавшего некоему итальянцу образца, на котором была надпись — «anno 1590».

Вскоре новость об изобретении новых приборов для наблюдения за отдаленными объектами узнал математик университета в Падуе Галилео Галилей (Galileo Galilei (1564–1642)). Используя свои познания в геометрической оптике, Галилей в 1609 г. независимо от голландских изобретателей самостоятельно изготовил свой первый телескоп с плоско-выпуклым объективом и плоско-вогнутым окуляром. В короткие сроки ему удалось построить три телескопа — с увеличением 14х, 19,5х и около 30х. В настоящее время в Музее истории науки во Флоренции хранятся изготовленные Галилеем две зрительные трубы и разбитый объектив третьей трубы.

Вследствие широкой известности работ этого ученого ему в течение долгого времени приписывали и честь изобретения зрительной трубы. Сегодня историки науки почти единодушно считают, что Галилей если не изобрел, то усовершенствовал телескоп.

На последующие без малого четыре столетия схема зрительной трубы, называемой иногда голландской или галилеевой, стала основной для наблюдательных приборов.

Бинокулярные телескопы были задуманы в первые дни после создания зрительной трубы. Как свидетельствуют документы, когда 2 октября 1608 г. Липперсгей обратился за патентом на свой прибор в Генеральные штаты соединенных нидерландских провинций, члены назначенной комиссии попросили его построить бинокулярный вариант прибора, и он был представлен 15 декабря 1608 г.

Но за это время появилась информация о наличии других зрительных труб, в связи с чем комиссия отказала в предоставлении патента. Таким образом, первый бинокль был изготовлен еще в конце 1608 г., но популярными эти приборы стали только во второй половине XIX в., и причинами, вероятно, были высокая себестоимость изготовления и низкое качество оптических деталей, что приводило к отличию оптических характеристик труб бинокля.

В 1611 г. друг Галилея Йоганн Кеплер (Johannes Kepler (Вейль-дер-Штадт, 1571–1630)) опубликовал книгу «Диоптрика», где предложил свою оптическую систему зрительной трубы, в которой в качестве объектива и окуляра использовались двояковыпуклые линзы.

Новая схема имела преимущества по сравнению со схемой Галилея — большее поле зрения и возможность получить в фокальной плоскости действительное изображение наблюдаемого объекта, что позволило в будущем установить в ней угломерную сетку. Недостатком новой схемы являлось то, что без оборачивающей системы (линзовой или призменной) она давала обернутое изображение, а это создавало неудобства при наблюдении наземных объектов. Первый телескоп-рефрактор, устроенный по схеме Кеплера, был построен Кристофером Шейнером (1575–1650) в 1613 г.

В первые два столетия после появления их низкое качество стекла и обработки линз не было единственным недостатком всех оптических приборов. Значительно ухудшала качество изображения сферическая и хроматическая аберрация линз.

В 1747 г. Леонард Эйлер предположил, что ахроматическая линза может быть получена сочетанием стекла и водяной линзы. В начале 1757 г. Джон Доллонд (John Dollond) преуспел в экспериментах с преломлением света без помощи воды и стеклянных линз, а через несколько месяцев ему удалось получить тот же результат при помощи комбинации стекол с различными оптическими свойствами.

Ахроматическая линза, применяющаяся в оптических трубах системы Галилея в качестве объектива, состоит из собирательной и рассеивающей линз, в общем случае для удобства склеенных между собой оптическим клеем, при этом собирательная (двояковыпуклая) линза изготавливается из стекла с большим коэффициентом дисперсии (кронгласа), а рассеивающая (двояковогнутая либо плоско-вогнутая) — из стекла с малым коэффициентом дисперсии (флинтглас), что позволяет исправить хроматическую аберрацию для лучей света двух различных длин волн и частично — сферическую аберрацию.

Первоначально для изготовления линз использовали хорошее стекло и горный хрусталь. В 1676 г. в Англии стекловаром Джорджем Рейвенскрофтом (George Ravenscroft) путем добавления в расплав стекла поташи и окиси свинца (PbO) впервые был получен хрусталь. Новый вид стекла содержал 13–30 % и более окислов свинца и до 17 % окислов калия, очень сильно преломлял свет и приближался по оптическим свойствам к современным легким флинтам.

Но основным недостатком стекла, использовавшегося для производства оптических деталей, было наличие в нем мелких пузырьков и свилей. Первым, кому удалось разработать технологию получения стекла с однородными оптическими свойствами (оптического стекла), считается швейцарский часовой мастер Пьер Гинан (Pierre-Louis Guinand (1748–1824)). После знакомства с телескопом, изготовленным англичанином Джоном Доллондом, Пьер увлекся конструированием телескопов и варкой стекла для них. После нескольких лет экспериментов Гинану совместно с Йозефом Фраунгофером (Joseph Fraunhofer) удалось значительно улучшить существовавшую рецептуру и технологию варки стекла.

Основными технологическими новшествами были варка стекла в горшках большого объема и его перемешивание во время варки круговыми движениями керамической мешалки, вертикально опущенной в стекло. Несколько позже, в 1814 г., Пьер Гинан изобрел технологию, позволявшую изготавливать большие куски стекла безупречного качества, — отлитые заготовки распиливались и после удаления брака снова спаивались.

После смерти Пьера Гинана, секреты его технологии изготовления оптического стекла унаследовал сын Генри Гинан, в 1828 г. он передал ее фирме Georges Bontemps, а несколько позже организовал фирму «Фейль-Гинан» которая после его смерти слилась с Parra Mantois. Во время революции 1848 г. Жорж Бонтемпс эмигрировал в Англию, где стал совладельцем стекольной фирмы Chance Brothers & Co. Эти две фирмы оставались мировыми монополистами в производстве оптического стекла до выхода на рынок во второй половине 80-х гг. XIX ст. фирмы Schott & Genossen.

Благодаря успехам в стекловарении, заложенным Пьером Гинаном, к середине ХІХ ст. Франция становится основным мировым производителем оптики. Через несколько десятилетий успехи стекловаров Schott & Genossen делают возможным появление нового поколения оптических приборов и создают базу для монопольного положения немецких оптических фирм на мировом рынке.