Страница 23 из 76
Мысль продолжала работать — родился простейший способ борьбы с различными искажениями: конструкторы придумали диафрагму, отсекающую лучи, идущие через внешние области линз. Они готовы были видеть в диафрагме панацею от всех бед, ждали революции в области усовершенствования оптических приборов. Но цена за такой способ уменьшения искажений превысила первоначальные прикидки — слишком большой оказалась потеря света. Изображение теряло яркость. О главной неприятности, которая вошла в приборы вместе с диафрагмой, ученые еще не знали — о ней догадается впоследствии скромный физик из Иены, но об этом позже.
А пока выяснилось, что увеличение размера изображения, даже после устранения всех искажений, не добавляет в нем различимых деталей, а лишь уменьшает его яркость. Это было пустое, бесполезное увеличение. Оптики продолжали усилия, их влекла одна цель: важно различать мелкие детали в изображении, уловить как можно меньшее расстояние между двумя маленькими точками или тонкими штрихами, когда их еще можно рассматривать по отдельности. Такую характеристику назвали разрешающей способностью — постепенно она стала важнейшей характеристикой оптических приборов. На ее увеличении и сосредоточились чаяния конструкторов.
Создавая оптические приборы, они не могли не учитывать работу человеческого глаза. Ведь глаз — удивительно совершенный прибор. Он поражает своей гибкостью и готовностью приспосабливаться к обстоятельствам. Глаз различает отдельно две точки или две узкие линии, отстоящие всего на 3 миллиметра, если даже они удалены от глаза на 10 метров. При этом важны не оба эти расстояния по отдельности, а их сочетание, точнее, угол между прямыми линиями, соединяющими глаз с каждой из точек. Предельное угловое разрешение глаза составляет около одной угловой минуты. Однако это не значит, что, приблизив объект так, чтобы он находился от глаза на расстоянии 10 сантиметров, мы обязательно различим на нем точки, отстоящие друг от друга всего на 0,03 миллиметра. Это удается только близоруким глазам, способным аккомодироваться (то есть настраиваться) на такое близкое расстояние. Нормальный глаз к этому не способен. Ему может помочь лупа — выпуклая линза, которой пользовался Левенгук. Она позволяет глазу аккомодироваться на очень близкие объекты и использовать полностью свою разрешающую способность.
Микроскоп, зрительная труба с короткофокусным объективом и с соответствующим окуляром, по существу, увеличивает углы, под которыми глаз рассматривает мельчайшие детали. Но когда микроскоп применяется для фотографирования, изображение строит не глаз, а оптическая система микроскопа. И эта оптическая система способна создать, изображение, линейные размеры которого многократно превышают размеры объекта. К этому достоинству прибавляется недостаток, свойственный оптической системе, — сферическая аберрация.
Конструкторы снова оказались перед тупиком. Увеличение может быть сильно изменено при смене окуляра. Но достижимая разрешающая способность не изменяется свойствами окуляра. Практически она полностью зависит от качества объектива…
Возникла парадоксальная ситуация. Теория указывала пути совершенствования объективов, давала формулы, обещающие устранение всех искажений. Технологи утверждали, что они полностью выполняют требования теории. Тщательный контроль подтверждал, что форма поверхности линз и качество стекла выше всех претензий. Но предельно различимыми оставались детали размером около одного микрона, и все усилия ученых и инженеров не приводили к дальнейшему уменьшению различимых деталей. Положение усугублялось тем, что коллективными усилиями оптиков, физиков и математиков теория и метод расчета оптических приборов достигли чрезвычайной ясности. Трудами математиков, среди которых были такие корифеи, как Гаусс и Гамильтон, было доказано, что для проведения расчетов следует основываться на наглядных построениях лучей света, распространяющихся прямолинейно и преломляющихся на границах прозрачных сред. Не было никаких причин сомневаться в справедливости закона преломления лучей света, установленного Снелиусом и Декартом, и закона отражения, известного еще Евклиду. Для устранения хроматической аберрации, конечно, приходилось учитывать зависимость показателя преломления от длины волны света и изучать свойства применяемых стекол. Но этим и ограничивалась необходимость помнить при расчетах оптических приборов о волновой природе света. Так обстояло дело, когда в 1866 году владелец оптической фирмы в Иене Цейс обратился за помощью к 26-летнему физику Аббе.
Имя Цейса сегодня известно сотням миллионов людей, пользующихся фотоаппаратами и биноклями или только мечтающих приобрести оптику фирмы «Карл Цейс, Иена». Но не всем известно, что привело Цейса к славе. Главную роль здесь сыграло то, что делами фирмы занялся именно Аббе. Это очень интересная история.
Карл Цейс родился в 1816 году в семье токаря и после окончания школы четыре года обучался ремеслу у известного оптика и механика Кернера. Затем он около двух лет стажировался в механических и оптических мастерских Берлина и Вены, Дармштадта и Штутгарта. Возвратившись в 1846 году в Иену, он организовал оптико-механическую мастерскую, выпускавшую лупы и микроскопы. В течение двадцати лет это была рядовая фирма, ничем не отличавшаяся от других. Она не имела особой известности и индивидуального лица. Так продолжалось до тех пор, пока владелец фирмы не понял, что ни искусство мастеров, ни его коммерческие таланты не помогут росту известности и доходов.
Он решил привлечь к делу науку. Конечно, не могло быть и речи об известном ученом — слишком дорого для небольшой фирмы. Выбор пал на скромного молодого физика. Счастливый выбор. Аббе начал пробу пера на самом сложном изделии фирмы — микроскопе. Фирма выпускала несколько типов микроскопов различного назначения, отличающихся главным образом механической конструкцией и внешним видом. Для них было создано несколько семейств объективов и набор окуляров. Оправы и способы крепления делались стандартными, что позволяло применять все объективы и окуляры в произвольных комбинациях для всех типов микроскопов. Среди объективов были и очень сложные, состоящие из многих линз, закрепленных в общей оправе.
Считалось само собой разумеющимся, что качество изображения определяли стекла объективов, а не окуляры, и, тем более, не механическая часть конструкции. И сам Цейс, и его проектировщики и оптики, естественно, уделяли особое внимание качеству полировки линз и точности изготовления оправ. Они знали, что ошибки при изготовлении линз и оправ ухудшают качество изображения. Поэтому точность была божеством, определявшим процветание фирмы. Аббе обратил внимание не на точность. Он отобрал лучшие из каждого типа объективов, чтобы выяснить, чем они отличаются и что мешает их дальнейшему улучшению. Он приобщил к коллекции и лучшие образцы, производимые другими фирмами. И стал сравнивать их между собой, размышлять, прикидывать разные варианты новых узлов. Постепенно открылись удивительные закономерности. Величина области, за пределами которой изображение искажается, и яркость изображения оказались связаны между собой. Чем больше одно, тем меньше другое». Усложняя объектив для подавления радужных каемок и искривления линий, конструктор платил за это потерей яркости изображения. Все, стремившиеся вслед за Эйлером к созданию идеальных объективов, не придавали этому должного значения. Необъяснимой казалась роль оправ. Лучшие объективы различных типов, собранные в одинаковых оправах, превращались в близких родственников не только по виду, но и по способности воспроизводить мелкие детали.
Поразительный факт — предельная разрешающая способность лучших из лучших объективов оказалась близкой и в существенной мере независимой от других характеристик, если наблюдаемый объект находился вблизи середины поля зрения и его рассматривали через подходящий окуляр. При удалении от середины качество изображения всегда ухудшалось. Конечно, по краям разрешение падало из-за всяческих искажений. Но там, где аберрации были скомпенсированы, все объективы выглядели близнецами. Теория, опирающаяся на авторитеты лучших оптиков и таких математиков, как Гаусс, занимавшихся теорией оптических расчетов, не позволяла понять, почему так происходит.