Открытия в оптике и производство микроскопов

В начале XIX века в оптике были сделаны важнейшие открытия, которые привели к признанию волновой теории света. К концу XIX века появились теории, объясняющие интерференцию, дифракцию и поляризацию.

В это же время практически независимо от оптических работ проводились исследования по электричеству и магнетизму, увенчавшиеся открытиями Фарадея (1791 - 1867). Максвелл (1831 — 1879) разработал систему уравнений, наиболее важным следствием которых оказалось существование электромагнитных волн.

В 1814 году Йозеф Фраунгофер (1787 - 1826) открыл темные линии в солнечном спектре, названные линиями Фраунгофера. В 1861 году на основе проведенных экспериментов Бунзен (1811 — 1899) и Кирхгоф (1824 — 1887) интерпретировали эти линии как линии поглощения. Эти открытия положили начало развитию спектрального анализа.

Спрос на микроскопы. При Академиях наук и университетах практически во всех странах Европы были созданы мастерские по изготовлению оптико-механических приборов. Однако научные приборы продолжали создаваться мастерами методом «проб и ошибок» без предварительного расчета. Ученые по своей инициативе разрабатывали математические методы расчета оптических систем, но изготавливать приборы продолжали без расчетов. Ученые и ремесленники работали «как в параллельных мирах».

Невероятный интерес к открытиям в медицине, биологии и ботанике, полученные с помощью микроскопа, привел к увеличению спроса на него. Кроме того, микроскопы стали использовать не только для медико-биологических целей, но и в химии и металлургии. В результате увеличения спроса микроскоп превратился в товар, а специализирующиеся на его выпуске мастерские стали конкурировать между собой.

В первой половине XIX века во всех странах в сумме производилось около 2000 микроскопов в год. Это было временем изучения микробов, возглавляемого Пастером (1822 - 1895). Появилась наука о клетке - цитология. По мере исследований ученые стали предъявлять повышенные требования к качеству изображения. В связи с этим оптическим мастерским необходимо было осваивать и совершенствовать изготовление ахроматических объективов, т.к. в то время считалось, что основным препятствием совершенствования микрообъективов является наличие в них хроматической аберрации.

Для производства ахроматических объективов требовался хороший флинт. Первоначально ахроматизация осуществлялась с помощью двух марок стекол: крона и флинта. Флинт обладает большой дисперсией и представляет собой стекло, в котором содержится тяжелая окись свинца. При плавке флинта тяжелая окись свинца оседает на дно горшка. В результате стекло получается неоднородным и со случайными параметрами. Расплавленную массу необходимо было перемешивать. Мешали массу железной палкой, на конце которой находились картошка или кусок дерева. Их горение заставляло массу пузыриться и бурлить. Таким образом, стекло частично перемешивалось.

В 1824 году громадный успех микроскопии принесла идея французского оптика Селлинга (Саллига). Идея заключалась в расчленении объектива на части. В результате он стал состоять уже из нескольких ахроматических пар линз, что позволяло увеличить число параметров, необходимых для исправления аберраций системы. Появились микроскопы с большим увеличением (500 - 1000 крат).

Итальянский оптик, ботаник и астроном Джамбаттиста Амичи (1786 - 1863) создал объектив-ахромат с числовой апертурой 0,60 и хорошей коррекцией аберраций. В 1844 году он начал опыты по созданию объективов водной и масляной иммерсий. В 1850 году Амичи создал объектив с апертурой 1,30. В результате к середине столетия граница видимости достигла полмикрона, т.е. доступными для изучения стали предметы размером в одну длину волны.

Совершенствование микроскопа и развитие биологии начались возрастающими темпами. Оптические фирмы состязались друг с другом в конкурентной борьбе, совершенствуя при этом качество объективов. Но по-прежнему число линз и их параметры определялись эмпирически без всякого расчета.

Тридцатые годы XIX века - период бурного расцвета оптического производства. Появились различные фирмы, например, французские фирмы Нашэ и Оберхойзера, австрийская фирма Г.С. Плессля, а также немецкие фирмы Л. Пистора, Ф. Шика, «Утцшнейдера и Фраунгофера» и т.д. Конкуренция между фирмами привела к значительному удешевлению оптических приборов. Владельцы фирм стали понимать, что конкуренцию может выдержать лишь тот, кто будет повышать увеличение микроскопа и качество изображения. Постепенно пришло осознание того, что для разработки качественной микрооптики необходим математически обоснованный расчет. Впервые ремесленники стали проявлять инициативу и обращаться за помощью к ученым.

Джозеф фон Фраунгофер

Джозефа фон Фраунгофера (1787 - 1826) называют основателем немецкой оптической промышленности. Формально он не получил классического образования, был, так сказать, самоучкой. Работая в оптической мастерской в Мюнхене, Фраунгофер разработал новые методы шлифования, изобрел станок для полировки, улучшил состав материала полировки, контролировал качество изготовления линз с помощью пробного стекла, занимался разработкой ахроматических объективов для телескопов и микроскопов, а, кроме того, разрабатывал новые марки стекол. Он также известен как создатель первой дифракционной решетки, состоящей из 260 параллельных проволок (1821). При разработке теории дифракции Фраунгофер использовал эти решетки для измерения длины световой волны. К сожалению, Фраунгофер рано умер от туберкулеза в 1826 году.