Dezvoltarea opticii telescopice la mijlocul secolului al XVII-lea

   

   Imediat după descoperirea telescopului în 1608, cunoașterea construcției sale s-a răspândit foarte repede din Olanda în Franța și Italia.

Câteva luni mai târziu, telescoape simple au fost oferite de producătorii de lentile de spectacole din Paris, iar spre sfârșitul primăverii 1609, știrea a ajuns la urechea lui Thomas Harriot și Galileo. Dacă ne uităm la descoperirile astronomice din întregul secol al XVII-lea, observăm clar că au venit în două valuri mari. Primul val a fost în anii 1610 - 1611. A constat în descoperirea lunilor lui Jupiter, topografia Lunii, forma ciudată a lui Saturn, rezolvarea Căii Lactee în multe stele slabe, fazele lui Venus și petele solare. Harriot, Galilei, Scheiner, Fabricius și Marius sunt numele legate de aceste descoperiri. Al doilea val a fost mai pronunțat și cu o durată mult mai lungă. A început în jurul anului 1650, când călugărul capucin, Schyrl de Rheita, a descoperit benzile de pe Jupiter cu un telescop binocular auto-fabricat. În 1652, Baptista Hodierna a observat o eclipsă a primei luni a lui Jupiter. Aceasta a fost urmată de descoperirea lui Titan în 1656 de către Christian Huygens și abia un an mai târziu a putut explica aspectul ciudat al lui Saturn de un inel plat care înconjoară planeta. Apoi a urmat o descoperire, legată în principal de numele Cassini la observatorul din Paris. În același timp, dimensiunile telescoapelor au crescut de la an la an, iar spre 1670 puterea lor de rezolvare a atins limita naturală, cauzată de perturbarea aerului (aproximativ 2-3 '').

  Ce s-a intamplat? Care au fost motivele acestei îmbunătățiri bruște și enorme a puterii de rezolvare a telescoapelor? În mod alternativ, dacă se pune întrebarea invers: care au fost motivele pentru care telescoapele nu au putut fi îmbunătățite în toată prima jumătate a secolului al XVII-lea? Toate corpurile cerești descoperite înainte de mijlocul secolului al XVII-lea nu aveau o luminozitate mai mică decât șapte mărimi, iar puterea de rezolvare a telescoapelor nu era mai bună decât aproximativ 10 ''. Se pare că, cu cele mai bune telescoape ale sale, Galileo a putut vedea stele cu o magnitudine de 8,5 avand o diafragmă de aproximativ 20 mm. Pentru o putere de rezolvare de 10 ''arc secunde avem nevoie de un obiectiv cu o optică perfectă si o diafragmă cu deschiderea de 14 mm in fata lentilei obiectiv. Dacă luăm în considerare calitatea foarte slabă a sticlei în acest moment putem concluziona că deschiderea acestor telescoape timpurii a variat aproximativ de la 15 la 25 mm. Trei sisteme diferite de telescoape au fost cunoscute în prima jumătate a secolului al XVII-lea.

 - Telescopul olandez sau galileen (figura 1). Oferă o imagine verticală, dar virtuală. Pupila de ieșire este în interiorul instrumentului și prin urmare câmpul vizual este foarte mic, ( diametrul aparnt al imgini este mic)

 - Telescopul Keplerian sau astronomic pupila sa de ieșire se află în afara instrumentului; deci are un câmp de vedere mare. Cu toate acestea, imaginea este inversată ( cu capul in jos) și acest lucru nu este convenabil pentru utilizare terestră.

 - Telescopul terestru cu un ocular cu două lentile (figura 1c), în conformitate cu propunerea lui Kepler din Dioptrice. Are un câmp de vedere mai mare decât telescopul olandez și oferă o imagine verticală.

Fig 1 Tipuri de telescoape simplet din secolul al 17-lea.

 Telescopul galilean, cu câmpul său de vedere foarte mic, a fost aproape singurul instrument folosit în scopuri terestre în prima jumătate a secolului al XVII-lea. Calculul razelor de culori spectrale diferite prin instrument arată rapid motivul pentru care ocularul cu două lentile nu a devenit niciodată popular. Distorsiunea culorii a telescopului Kepler terestru este mult mai mare decât cel Galilean sau a telescopului Keplerian simplu. Prin urmare, propunerea sa era doar academică și nu avea niciun folos practic. Conform cunoștințelor mele actuale, doar opt telescoape fabricate în prima jumătate a secolului al XVII-lea, au supraviețuit.

Telescop 1. Refractor simplet DuJardin Pierre 19mm 670mm, focala 1620.
Pe tubul principal vedem inițialele „PD” în literele stampilate cu aur; deci putem presupune că instrumentul a fost fabricat probabil de constructorul francez de instrumente Pierre Dujardin, care și-a avut atelierul în anii 1610 - 1620. Este de asemenea un tip galilean, și vedem în figura de jos forma cilindrică pe care o are când toate tuburile sunt extinse.

Acest design este foarte caracteristic pentru toate telescoapele din prima jumătate a secolului al XVII-lea. Lungimea extinsă este de 630 mm, diametrul obiectivului 23 mm, diafragma liberă 19 mm și mărirea 14x. Testele optice pe cele două lentile ne arată fapte foarte interesante. Obiectivul este biconvex și, așa cum putem vedea în iluminarea laterală puternică, este plin de striatii și bule. Marginea a fost tăiată și este doar finisata. Vedem în testul Ronchi că starea Rayleigh este câmpul plin în partea interioară de 17 mm; deci calitatea acestui obiectiv este destul de bună în această mică deschidere. Obiectivul ocular este plano concav, iar testul interferometrului arată că DuJardin nu a lustruit suprafața plana. Este suprafața plană lustruită a unei oglinzi venețiene sparte. Utilizarea pieselor sparte de oglinzi venețiene pentru lentile a fost foarte populară la acea vreme. Veneticienii au finisat și și-au polisat oglinzile pe plăci mari de fier până la o calitate considerată suficient de bună pentru lentilele telescopului. Putem găsi o descriere a acestei tehnici de lustruire timpurie în cele mai vechi instrucțiuni scrise cunoscute pentru fabricarea telescoapelor, Telescopium Sive Ars Perficiendi Novum al omului de știință din Milano, Hieronymus Sirturus, publicat în 1618. Pentru opticieni, acest obicei avea avantajul că nu aveau nevoie decât să  slefuiasca doar o singură suprafață. Vom vedea că a fost încă folosit la mijlocul secolului, în special pentru lentilele ocularelor. Cu acest instrument putem vedea pentru noi înșine toate lucrurile descoperite pe cer în prima jumătate a secolului al XVII-lea. Prin urmare, putem considera performanțele sale optice ca tipice pentru această perioadă timpurie. 
http://www.dioptrice.com/telescopes/256?search=

Fig 2. Luneta 19mm focala 670mm

Fig 3 Parametrii optici

Fig 4 Lentila obiectiv redusa la 19mm

Fig.5 Lentila ocular

Obiectivul de 19mm test Ronchi la diametrul intreg al lentilei

Telescop 2. Acesta este un telescop în formă de trompetă galileană se află în Planetarul Adler din Chicago, din fosta colecție Mensing.

Tub principal în formă de trompetă acoperit cu piele maro cu folie aurie detine cinci sectiuni cu ferule avand diametru echivalent. Obiectivul de 27mm oprit de o diafragmă acoperită din piele avand motive solare, marginile lentilei sunt tăiate peste tot.

Deoarece lungimea tubului telescopului este aproximativ egală cu lungimea focală a obiectivului, a fost cel mai probabil un telescop galilean. Ocularul original a fost, prin urmare, o singura lentila negativa, dar a fost înlocuit cu o bucată de sticlă în formă neregulată, cu o putere optică mică fiind adăugat cel mai probabil doar pentru aspect și nu servește nicio funcție optică la telescop.
http://www.dioptrice.com/telescopes/459?search=

Fig 6 Luneta 77/731mm

Fig 7 Testarea calitatii obiectivului

Fig 8 Lentila obiectiv

Fig 9 Ronchicam obiectiv test al calitati sticlei timpuri plin de striatii si bule de aer defecte tipice acelor vremuri

Telescop 3. Acesta este un telescop galilean mic, din alamă aurită cu foc și semnat pe coperta cutiei de aramă „Henr. Stolle Vhrm. prag fec. ”, Păstrat în Muzeul Britanic din Londra. Obiectivul planoconvex are o distanță focală de 169 mm, un diametru de 12,5 mm, o deschidere de 9 mm și instrumentul are o mărire de 3.2x. Producătorul de ceasuri și ceasuri Heinrich Stolle a locuit la Praga și a murit în 1626.

 Când este focalizat la un obiect îndepărtat, telescopul are o lungime de aproximativ 117 mm. Măsurarea directă folosind un fascicul colimat a dus la o distanță focală de 160 mm față de 169 mm măsurată. Această din urmă măsurare implică o distanță focală a ocularului de 52 mm și o mărire de 3,25x.

http://www.dioptrice.com/telescopes/1052?page=3&search=

Fig 10 Luneta de 9mm cu focala de 169mm

Fig 11 Lentila obiectiv stanga si lentila ocular dreapta.

Fig 12 O imagine luata prin luneta 

Fig 13 Luneta vs un telefon mobil.

Fig 14 Testarea calitatii obiectivului la diametrul util

Telescop 4

Fabricat în 1617 sau anterior de un producător necunoscut în Augsburg, Germania, parte a Pommerscher Kunstschrank.

  Tub principal și cinci sectiuni construite din carton. Fiecare tub e acoperit cu hârtie marmorată; tubul de capăt și inelul se opresc în catifea de mătase brodată de fir de aur. Colierele, inelele și tubul final formează un cilindru cu diametrul exterior comun (48 mm), caracteristică a altor telescoape timpurii.

Cutia care conținea acest telescop includea documentația diferiților artizani implicați în asamblare. Această documentație face din acest instrument cel mai vechi telescop care a supraviețuit din lume (vezi inventarul cabinetului Hainhofer).

  Obiectivul este plan-convex, deschidere completă 38,4-41,4 mm. Diafragmă liberă intre 16,3-17,4 mm. Diafragma de catifea a obiectivului: 41,4 (complet) și 16,9 (liber). Când tuburile telescopului sunt extinse separarea lentilelor măsoară 900 mm. Obiectele distante sunt în centrul atenției în acea separare. Distanța focală a obiectivului este de aproximativ 960 mm implică o distanță focală oculară de 60 mm și o mărire de 16x. O mulțime de bule în obiectiv. Culoarea obiectivului este ușor galbenă, în timp ce ocularul arăta o nuanță albăstruie sau gri cenușie.

  Câmpul vizual observat este de aproximativ 4 m la o distanță de 1000 m in jur de de 15 minute de arc, pentru o deschidere a pupilei cu ochi de 6 mm, dar oferă o imagine surprinzător de clară, ascuțită si verticala.

  Lentila ocular este plan-concav, deschidere completă: 22,9-23,8 mm, deschidere centrală: 19,6 mm, grosimea 2,2 mm.

http://www.dioptrice.com/telescopes/782?search=

Fig 15 Luneta 17mm cu focala de 960mm

Fig 16 Lentila obiectiv ( plan convexa) stanga si lentila ocular ( plan concav) dreapta

Fig 17 Testul Ronchi al obiectivului la diametrul intreg

Fig.18 Test Ronchi la dimetrul intreg zona centrala al diametrului util de 17mm find marcata

Fig 19 Lentila obiectiv plan convexa ( pozitiva )

Fig 20 Lentila ocular plan concava ( negativa )

Fig 21 Lentila obiectiv closeup

Fig 22 Punctul de referinta observat prin luneta o statuie aflata la indeparatre

Fig 23 O imagine prin luneta a unei statui vazute la indepartare

Fig 24 Imagine luata prin luneta.

   Producătorii de sticle venețiene își șlefuiau lentilele pe o pâslă rotativă sau piele de cerb. Era la acel moment singura metodă de lustruire cunoscută și o vom discuta mai detaliat mai jos. Cu această metodă, în timpul procesului de lustruire, lentila sferică inițial devenită din ce în ce mai asferică, începând mai întâi de la margine și apoi treptat spre partea centrală. Acum marea problemă a producătorilor de sticle era că nu aveau nicio metodă de testare și prin urmare  au fost în imposibilitatea de a controla deformarea asferică în creștere. În cele din urmă, au avut multe lentile cu o variație enormă a calităților diferite. Prin urmare, Galileo a trebuit să examineze sute de lentile pentru a găsi câteva potrivite pentru utilizarea astronomică. Cu cele mai bune lentile, partea centrală utilă are un diametru de 20 - 25 mm și, cu lentilele mediocre, doar 10 - 20 mm. Toate celelalte lentile erau bune de aruncat la gunoi.

Acum, cum a examinat Galileo lentilele sale? Nu avea altă opțiune decât să pună fiecare lentilă într-un tub cu lungimea potrivită și apoi să privească stelele fixe luminoase în nopțile clare. Înainte de acest test, el a trebuit să scada deschiderea lentilei până la o asemenea cantitate încât aberația cromatică a rămas sub puterea de rezolvare a ochiului uman. Cu alte cuvinte, el a trebuit să reducă deschiderea aperturii obiectivului, până când culorile diferite care înconjurau corpurile cerești strălucitoare au dispărut. Această deschidere era acum cea mai bună pe care o putea realiza cu lentilele sale unice. Dacă acum imaginea obiectelor strălucitoare ar fi fost și fără dungi si raze strălucitoare și stelele erau rontunde, sticla obiectiv ar fost perfectă. Cu toate acestea, cu cât Galileo a trebuit să reducă deschiderea sub acest diametru optim pentru a diminua defectele rămase, cu atat mai rău a fost pentru ca imaginea devenea mai intunecata si pierdea mult din rezoluție si detalii. 

Acum este important să ne dăm seama că Galileo cu acest test nu ar putea obține nicio informație despre calitatea lentilelor din partea acoperită de diafragma de deschidere. Lui i-a fost imposibil să găsească vreo diferență de calitate între o lentilă cu o imagine fină în interior avand o deschidere liberă de 25 mm, dar cu o asfericitate în creștere  către margine și pe de altă parte, o lentilă precum „lentilă unică” din Florența care era perfectă de la centru până la marginea exterioară nu exista. Prin urmare, întrebarea noastră este: cum ar putea Galileo să selecteze cu succes lentilele, dintre care nu a putut determina diferențele de calitate în metoda sa de testare? Din corespondența sa, în special cu Sagredo, știm că, chiar în 1618, Galileo a avut dificultăți în a obține lentile adecvate pentru observațiile sale. Din exemplul unei scrisori de la Sagredo, din 23 aprilie 1616 că, dintr-o mulțime de 300 de lentile, doar trei erau potrivite pentru utilizarea telescopică terestră și nici o singură lentilă pentru observații astronomice.

   Din câte știu, este imposibil să lustruiești lentile sferice până la întregul diametru cu ajutorul metodei din pâslă rotativă. Prin urmare convingerea că „lentila unică” aparținea Galileo ne conduce în special la presupunerea ciudată că un producător necunoscut deținea o metodă secretă, care îi permite să lustruiască lentile de cea mai înaltă calitate, pe care apoi le-a amestecat cu multe lentile slabe pentru al tine ocupat pe Galileo cu un puzzle și că Galileo era în posesia sticlelor la fel de bune ca cele ale celebrului Giuseppe Campani 60 de ani mai târziu. Trebuie să recunoaștem că „telescoapele Galileo” din Florența rămân un mister și că vârsta lor va rămâne o chestiune controversată. În telescoapele examinate optic 1, 2, 3 și 4 obiectivele îndeplineau condiția Rayleigh în mica deschizătură, iar calitatea de lustruire variază între bine și mediocru. Multe găuri rămase și zgârieturi din procesul de șlefuire (în testele optice ușor de diferențiat de zgârieturile datei ulterioare) sunt normale. Calitatea sticlei optice al micului instrument Stolle este mediocră. La instrumentul  Dujardin calitatea este mai mare la fel si instrumentul de la Planetariul Adler. 

Lentilele conțin o mulțime de bule de aer, zgarieturi și o tentă de culoare vizibilă.   Examinarea lentilelor celor patru telescoape menționate mai sus ne arată că nu numai sticla era foarte slabă, dar și forma sferică a fost atât de imperfectă încât diametrul util (în care este îndeplinită condiția Rayleigh) nu a depășit niciodată intervalul mic între 15 și 25 mm. Prin urmare, putem concluziona că tehnica de lustruire din prima jumătate a secolului al XVII-lea a rămas la nivelul celei din Lipperhey și Galileo.

Putem găsi o descriere a acestei tehnici de lustruire timpurie în Telescopium Sive Ars Perficiendi Novum. Sirturus a descris metodele de slefuire ale producătorilor de lentile și oglinzi venețiene. Cu toate acestea, el a găsit metodele de finisare a lentilelor foarte aspre și primitive. Matrițele de slefuire sunt formate numai prin tapetarea cu ciocan fără nicio precizie sferică. Sirturus și-a făcut acum propriile experimente. El a corectat matrita cât at putut cu un profil curbat și a umplut matrița concavă cu plumb topit pentru a obține o copie convexă. Acum următoarea sa acțiune era de cea mai mare importanță. El a fixat matrița concavă într-un strung și a legat matrița de copia convexă a plumbului împreună cu şmirghel, până când toate neregulile au dispărut. Prin urmare, putem spune că Sirturus a fost inventatorul slefuirii sferice extrem de importante a matrițelor. Este singura metodă pentru obținerea unei forme exact sferice. Această îmbunătățire a tehnicilor de fabricație a lentilelor este o etapă clară, dar a rămas singura în următorii 25 de ani. Apoi, Sirturus a descris cum trebuie polisat obiectivul. În acest scop, a tăiat o matriță într-o bucată cilindrică de lemn și a lipit o bucată de pâslă sau piele de cerb în gol. Apoi, a lustruit lentila de pe un strung rotativ, folosind tripolit (diatomaceous mineral) sau cenușă de staniu. Aceasta a fost și metoda de lustruire a producătorilor de ochelari venețieni, iar Sirturus nu a știut să-l îmbunătățească.

Acum este totul clar, cu o astfel de metodă de lustruire primitivă, forma sferică perfectă a lentilei după procesul de șlefuire s-ar deteriora treptat de la partea exterioară la cea interioară, cu cât procesul de lustruire a continuat. Motivul a fost că pâsla nu a păstrat niciodată o formă sferică în timpul procesului de lustruire.

Datorita vitezei de rotație a pâslei și prin urmare si forța de lustruire sunt la maxim la margine și la minim în centru, forma sferică a lentilei s-ar deteriora cel mai rapid în partea exterioară a lentilei, în timpul lustruirii asfericitatea crește din ce în ce mai mult spre centru.

Spre mijlocul secolului al XVII-lea, se pare că cele mai bune telescoape au fost făcute de Evangelista Torricelli la Roma și Francisco Fontana la Napoli. În ciuda acestei reputații, niciunul dintre ei nu a crescut cunoștințe despre corpurile cerești. Prin urmare, putem concluziona că acești doi artiști nu au știut cum să îmbunătățească fabricarea lentilelor telescopice. Acum am găsit motivul pentru care telescoapele din acea perioadă nu puteau fi îmbunătățite la o putere mai mare de rezolvare. Mai degrabă decât starea proastă a sticlei, a fost metoda de lustruire complet necorespunzătoare a lentilelor.

   În cele din urmă, vom discuta despre patru obiective și un instrument al celui mai important producător de telescoape din secolul al XVII-lea, și anume opticianul italian Giuseppe Campani.

    Vom discuta despre figura 25 ( imaginea de jos) vedem testele Foucault și Ronchi a patru obiective realizate de Campani. Primul test partea stanga sus prezintă sticla obiectiv care aparține instrumentului de la Muzeul Orangerie, parte a muzeului Landesmuseumului Hessisches din Kassel, Germania. Este un mare telescop Campani, pe care Landgraf Karl l-a cumpărat la Roma în anul 1700. Este semnat de-a lungul jantei cu un diamant: „Giuseppe Campani in Roma anno 1700 zum Cassellischen Kunst Hausse.” Are un diametru de 78 mm folosit la o apertura de 50mm și o lungime focală de 4,92 m.

Suprafețele sale sunt aproape perfect sferice și arată doar aberația sferică normală. Cele doua lentile din dreapta arată testele pe cele două obiective mari ale telescopului aerian. Ele aparțin Conservatiore National des Arts et Metiers la Paris, Franța. Aici recunoaștem că marginea a fost planeizata în timpul procesului de lustruire într-un grad ridicat. Rezultatul este o supracorecție sferică izbitoare. Cu toate acestea, după cum vom vedea mai jos, această supra-corecție are doar o importanță minoră în calitatea obiectivelor.

   In imaginea de jos testele din partea dreapta sus primul fiind, obiectivul simplet cu diametrul de 135 mm, folosit la diametrul util de 80mm iar distanța focală este de 18,5 m. Este semnat de-a lungul jantei cu un diamant: Giuseppe Campani din Roma Palmi 87 ”.

  Tot În figura 25 partea dreapta jos avem obiectivului de 158 mm, folosit la 90mm iar distanța focală este de 25,6 m. Este semnat de-a lungul jantei cu un diamant: „Giuseppe Campani în Roma Palmi 120”. Pentru a diminua aberația cromatică într-o cantitate invizibilă, primul obiectiv are nevoie de o oprire a diafragmei cu diametrul de 80 mm, iar al doilea o oprire de diametru de 90 mm. În interiorul acestei deschideri, distorsiunea imaginii a supracorecției sferice este atât de ușoară încât starea Rayleigh a patra parte a unei lungimi de undă este îndeplinită. Prin urmare, ajungem la concluzia că aceste obiective ale telescopului aerian, deși departe de a fi perfecte în sensul modern, au dat totuși imagini bune.

Acesta este exact exact același motiv pentru care am explicat în obiecțiile mele critice cu privire la „telescoapele galileene” din Florența. Campani nu avea nicio informație despre starea lentilelor sale în regiunea acoperită de oprirea diafragmei, de care avea nevoie pentru a elimina aberația cromatică. Aberațiile asferice ale suprafețelor lentilei sunt cauzate de un contact imperfect între lentila și suprafața de lustruire, adică hârtia fină lipită de matrița de slefuit. Dacă Campani observa cu ajutorul stelei sale o imagine imperfectă, atunci acesta ar fi un indiciu pentru faptul că apertura lentila din interiorul opririi diafragmei nu este sferică. Prin urmare, el a reglat-o și a făcut un nou instrument de lustruire. El a continuat să repete acest proces până când imaginea stelelor au devenit perfecte.

Deja în timpul vieții lui Campani și mai ales după moartea sa (1715), circulau unele zvonuri despre metode sau instrumente secrete speciale pe care le-a folosit pentru a-și atinge obiectivele. Cu toate acestea, pentru mine, rezultatele testelor obiective indică faptul că marea sa abilitate și tendința sa la perfecționism sunt cele care explică marele său succes.

Fig 25 Testarea optica a obiectivelor lui Campani de la Kassel si Paris

Fig 26 Lentila obiectiv slefuita de Campani diametrul 107mm focala 9460mm anul 1709

Fig 27 Lentila obiectiv de 107mm focala 9460mm

Telescoapele lui Campani sunt cele mai bune atinse cu obiectivul neacromatic. În nopți clare, puterea de rezolvare a celor mai bune instrumente ale sale a atins limitele teoretice de difracție. Până la inventarea obiectivului achromatic, în Italia, Franța sau Anglia nu existau telescoape mai bune decât Campani la Roma.

Descoperirile lui Cassini la observatorul de la Paris, pe care l-a echipat cu instrumente de Campani, au consolidat reputația lui Campani ca fiind cel mai bun producător de telescoape.

Giuseppe Campani lentila objectiv 13.8 cm, focala 1210 cm

Giuseppe Campani lentila obiectiv 13.8 cm, a focala 1210 cm, test Ronchi