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.