Optica simpletelor

Cum era optica in secolul al 17lea ? De fapt există diferite motive pentru calitatea proastă a opticii din veacul al XVII-lea.
În primul rând, sticla nu este buna, deoarece materialul nu era omogen (indicele nu este constant în sticlă), plin de bubite și striatii: singura modalitate de a scăpa de acest lucru a fost la aceea vreme ca opticienii sa selecteze o parte din sticlă și să reduca grosimea lentilelor. În al doilea rând, calitatea finisarii și polisari în veacul al XVII-lea era mediocru doar puțini opticieni puteau face o slefuire bună fără zgârieturi și săpături. Lustruirea proastă a fost sursa defectelor de difuzie și de reducere a contrastului imaginiilor. Al treilea: lentilele nu au fost acoperite cu antireflex și unele reflexii afectau imaginea. În ceea ce privește figura suprafeței (Niciuna dintre suprafețe nu a fost testată la aceea vreme, a fost un fel de „lustruire oarba): lentilele lustruite cu mâna prezentau defecte precum de non-revoluție (echivalente cu astigmatism) sau defecte la margine, fiind prea joasa - aberație sferică în principal pentru lentilele lustruite cu hârtie sau piele) prin reducerea diametrului lentilei cu diafragmă (diametrul <0,7 x diametrul obiectivului), acele defecte au fost anulate. A cincea teorie a opticii de Descartes a spus că forma unui obiectiv trebuie să fie un fel de suprafață ovoidă imposibil de lustruit și testat în acel moment, iar cea mai apropiată formă a fost suprafața sferică care poate fi obținută în mod natural. Dacă sfera este foarte aproape de ovoide (mai bine decât lambda / 4) nici o aberație nu rămâne. Aceasta se obține pentru numărul F în jurul valorii de 8 sau 10. Deci, de ce au dorit astronomii să facă lungă distanță focală cu tuburi lungi? Motivul este în principal cromatismul! Și nu prea mulți oameni dau această explicație. De fapt, dacă creșteți raportul F pentru a ajunge la 20 sau 100 veți vedea că cromatismul devine mai mic decât discul Airy și aberația cromatica este într-un fel redusă. Problema de atunci era să poliseze lentile cu cu distanța focală lungă si foarte lunga. Hartsoeker lucra la aceea vreme pe acest subiect în Franța. A fost dificil, deoarece obiectivul F / 100 înseamnă că depresiunea este foarte mică (în jur de 10 microni pentru un obiectiv de 50 mm) și obiectivul este aproape plat ... Efectuarea matritelor în XVIIe cu o astfel de precizie era aproape imposibilă.

Lentile obiectiv ale lunetelor simplet de la sfarsitul sec a 17-lea

Obiectiv simplet biconvex simetric test Ronchi

Obiectiv simetric biconvex Ronchi test la apertura utila de 27mm.

Obiectiv simplet biconvex simetric test Ronchi

Lentila obiectiv 27/1250mm

Obiectiv modern de calitate sticla BK7 prelucrat la standardele moderne.

In ziua de azi lentilele se prelucreaza cu o precizie mai mare, unde se poate ajunge la optica de calitate chiar si cu un obiectiv simplet format dintr-o singura lentila, luneta de 27/1250mm foloseste un astfel de obiectiv slefuit de Tavi F in anul 2011, dupa cum se vede in imginea de sus am efectuat un test Ronchi al obiectivului meu de 27/1250mm diametru avand un indice al cromatismului de 1,7.

La inceputul secolului al XVII-lea a găsit telescopul refractor, aplicat cu succes in astronomie de Galileo, cu două defecte optice grave. Primul efort de îmbunătățire a fost făcut de filosoful și matematicianul francez, Rene Descartes.

În Dioptrique, publicat în 1637, Descartes a descris și a explicat proprietățile optice generale ale formei convexe și concave a lenilelor atât individual, cât și în combinație. În posesia legii sinusoidale a refracției, formulată inițial de Willebrord Snell în 1621, el a arătat că o lentilă cu suprafețe sferice nu poate reprezenta obiecte punctiale axiale ca imagini punctiforme.

Studiul său geometric asupra lentilelor cu suprafețe elipsoidale și hiperboloidale a relevat faptul că o lentilă plan-convexă, a cărei suprafață din spate, curbată, a fost considerată hiperboloidă, ar îndeplini acest criteriu de imagine pentru obiecte punctuale infinit îndepărtate. S-a gândit foarte mult la această teoremă și a susținut că, prin acest mijloc, va fi posibilă creșterea deschiderilor și măririi telescoapelor. Deși aberațiile sferice pot fi corectate în acest fel, Descartes nu a reușit să diferențieze între aceasta și aberația cromatică și a trecut cu vederea principiile fizice implicate. El a susținut, în plus, o teorie a naturii luminii și a culorii, care, deși interesantă ca teorie, nu a fost în cazul de față nicio valoare practică. Nici Descartes și nici unul dintre contemporanii săi nu au reușit să facă o mașină capabilă să lustrească suprafețele asferice. Descartes a proiectat, de fapt, câteva utilaje și a comandat unui optician din Paris, pe nume Ferrier, să realizeze lentile asferice. Însă încercarea a eșuat, la fel ca și alții care au urmat, în ciuda ingeniozității mecanice afișate. În timp ce, pentru orice lentilă convexă, puterea de dispersie rămâne constantă cu distanță focală crescută, dimensiunea imaginii crește direct. Cu cât este mai mare distanța focală, cu atât este mai mare dimensiunea imaginii și cu atât e mai mic efectul de dispersie cromatică. Aberația sferică se diminuează ca pătrat al distanței focale, astfel încât, pentru o lentilă cu diafragmă mică și focală mare, adică o lentilă cu raport de diafragmă mică, aberația sferică este mică, iar efectele aberațiilor cromatice sunt mai puțin vizibile. Imaginile sunt mari, dar intunecoase, cu cât realizăm obiective cu focale mai lungi, păstrând diafragma constantă, cu atât imginiile devin mai slabe.

Lentila obiectiv a unui telescop din secolul al 17-lea, refractor Rudolph, J.G. 25mm apertura utila, 824mm focala

Celula obiectiv pentru luneta Rudolph, J.G. 25mm 824mm FL

Lentila Obiectiv

Lentila obiectiv 2

Lentila obiectiv 3

Calitatea sticlei obiectivului de 25mm test la diametru intreg

Calitatea sticlei obiectivului

Test Ronchi si datele tehnice ale obiectivului lunetei Rudolph

Test Ronchi al diametrului intreg al lentilei obiectiv folosita la 25mm.

Telescoapele au crescut din ce în ce mai mult, fiecare creștere a diafragmei fiind urmată de o creștere mult mai mare a distanței focale. În timp, acesta din urmă a atins o magnitudine atât de extremă încât telescoapele cu raporturi F/D de deschidere de 1: 150 au fost mai puțin frecvente.
Ilustratiile din secolul al XVII-lea ne arata aspectul neconvențional al acestor instrumente cu tuburile lor lungi și înalte, suspendate de pe catargele înalte sutinute de frânghii și scripete. Nu este surprinzător faptul că lentilele au fost rareori în linie, (aliniate) dar mărimea raportului de deschidere a redus mult aberațiile extra-axiale și a permis multă latitudine în focalizare.

Cel mai mare avantaj al telescoapelor lungi, în afară de efectele cromatice reduse, a fost, fără îndoială, mărirea ridicată pe care au furnizat-o cu oculare de focala lunga.

Unul dintre primii care a făcut telescoape lungi a fost Johannes Hevelius din Danzig, detinea o fabrică de bere și a ajuns ulterior consilier al orașului său. Hevelius a fost introdus în astronomie de Peter Kruger și și-a construit un observator la casa sa din Danzig. Aici a observat soarele, luna, planetele și, de asemenea, cometele ocazionale.

Christian și Constantine Huygens au creat un număr mare de lentile obiectiv și oculare, iar metoda lor îmbunătățită de șlefuire și lustruire a stârnit un interes considerabil în rândul opticienilor și producătorilor de lentile. În 1661, Christian Huygens a călătorit în Anglia și și-a comunicat procesul prietenilor săi de la Royal Society. Succesul său în prelucrarea sticlei a depășit nu atât metoda pe care a adoptat-o, cât și abilitatea de mână dobândită după mulți ani de muncă practică în șlefuire și polisare. La ceva timp după vizita lui Huygens, Samuel Molyneux a relatat tehnica lui Huygens în Opticks de Robert Smith. Tatăl său, William Molyneux, l-a vizitat pe Huygens în 1685 și i s-au arătat diferitele instrumente din grădina sa din Haga. Probabil că acest contact personal cu Huygens a făcut mult pentru a stârni interesul lui Molyneux pentru problemele telescopului. Metoda lui Christian Huygens de a face un obiective de focalizare lungă, așa cum se spune în „Opticks” al lui Smith, este pe scurt următoarea.
Pentru a simplifica funcționarea, Huygens a ales o formă biconvexă și după ce au determinat curbele, a tăiat un ecartament metalic pe raza dorită. Matrita de slefuire era fie din cupru, fie din alamă și depășea, în general, de două ori diametrul propus al obiectivului. El a turnat metalul într-o placă rotundă și plată de aproximativ 1/2 inci grosime, apoi l-a finisat cu pietre plate de șlefuit de dimensiuni mai mari până când suprafața a devenit etalon. De obicei, două pietre de șlefuit au fost suficiente, unul aproximativ jumătate din dimensiunea matritei, iar cealaltă egală cu aceasta.
Matrita a fost apoi polisata prin acoperirea uneia dintre pietre cu smoala și alimentarea cu abraziv între pas și suprafața metalică, în timp ce cele două au fost frecate împreună. Pentru a ajuta la această acțiune abrazivă, Huygens a lucrat matrita de polisare sub presiune considerabilă. Newton credea că o presiune prea mare tinde să deformeze forma sculei și a polizorului, dar Huygens a mers la cealaltă extremă așezând un stâlp lung și ușor îndoit între polizor și tavanul camerei. Acest lucru a acționat ca un arc puternic și a apăsat polizorul atât de tare încât de obicei, două persoane au fost necesare pentru a-i da mișcările necesare. Când unealta de alamă fusese adusa la o polisare bun, era gata să primească discul de sticlă. Aceasta a fost slefuita de martrita cu abraziv umed și din nou, polul lung controla mișcările și tensiunea. În mod ideal, vârful mișcării discului de sticla ar fi trebuit să coincidă cu centrul curburii uneltei, dar, lentile cu focala lunga avand curbură mica si foarte mica, acest lucru nu a fost întotdeauna practicabil și miscarile de rază mai scurtă au răspuns destul de bine. Huygens, de obicei, a folosit un singur grad de abraziv, dupa ce granulele mai groase sau sfaramat dupa 15 minute de slefuire, in acest fel el a rămas cu rezidul de abraziv din ce în ce mai fin, unul care a dat o polisare mai buna a sticlei. In acest fel el folosea abrazivul fin rezultat in urma slefuiri brute in finisarea fina si apoi polisare. Altii precum producătorii de lentile londonezi Cox și Scarlett, au terminat polisarea cu matrita de slefuire, dar pentru aceasta Huygens a tinut un șlefuitor de pânză separat.

Se va vedea cât de similare sunt unele dintre aceste idei timpurii cu tehnicile moderne de lucru a lentilelor. Unii optici utilizează încă un abraziv de o singură calitate și reziduurile sale din ce în ce mai fine, dar disponibilitatea unor grade selectate de carborundum a aruncat acum metoda în declin. Abrazivul o formă fină de gresie au fost folosit până la sfârșitul secolului al XIX-lea. Munca cheltuită în slefuire a fost considerabilă și o lentila care dura câteva ore la muncă poate fi acum terminata în cateva minute. Polizorul de cârpă al lui Huygens consta dintr-un bloc rotund de tabla, puțin mai mic decât sticla și slefuit până la concavitatea sculei de aramă. Această placă a fost acoperită cu o cârpă cu textura brută, care la rândul ei a fost acoperita cu ceară si smoala.

O deschizătură centrală în tabla a permis unei plăci conice goale să pătrundă aproape până la stratul de cârpă, iar conul a primit capătul inferior al stâlpului de ghidare. Sticla a fost polisata fie cu pulbere de chit (sulfat de cupru praf și oxid de staniu), fie cu tripoli.
Cherubin d’Orleans, un producător prolific de microscop și telescop, și-a măcinat lentile și și-a lustruit cu același unealta.

El a folosit gresie fină pentru abraziv și, după procesul de slefuire, și-a acoperit matrita cu mătase frecat cu chit umed. Cu alte ocazii și-a lustruit lentilele cu hartie de cerb dar în ambele cazuri s-a îndepărtat de metoda lui Huygens: al unui stâlp lung. În schimb, a lipit un mâner scurt de lentilă și a slefuit lentila de matria de alama, apoi a polisat-o pe aceiasi unealta acoperita cu piele de cerb intre care a pus abraziv tripoli si a polisat lentila, uneori fiind lipita de un maner. O metoda care nu avea exactitate mai ales la polisare unde zona centrala era adeseori mai putin presata alteori mai tare sau la margine era tensiunea mai mare fata de mijloc iar contactul dintre pielea de cerb si lentila nu era perfect.

O tehnică mai puțin complicată, dar aparent fiabilă, a fost publicată în 1694 de către Nicolas Hartsoeker, un optician olandez. Hartsoeker a realizat mai multe telescoape cu focus lung pentru Observatorul de la Paris. Procesul său este similar cu cel folosit astăzi.

El a luat un disc de sticlă, cu aproximativ o treime mai mare decât sticla care trebuia să fie lucrată, și a slefuit-o cu abrazv de un disc de sticlă. Discul de sticlă s-a format în cele din urmă într-o unealtă concavă și pe aceasta a lucrat lentila obiectiv până când a dobândit o curbă sferică. Ca o verificare a curburii suprafețelor lentilei, le-a polisat rapid, suficient pentru a produce o imagine a soarelui. Dacă focalizarea ar fi prea scurtă și curbele prea abrupte, el ar lucra într-o parte folosind un alt grad de presiune. Procesul va fi apoi repetat până când va obține o distanță focală aproape de cea necesară. Opticienii din secolul al XVII-lea și-au testat lentilele obiectiv fie în sala de lucru, fie pe un obiect cunoscut. Lumina reflectată de pe suprafețele lentilei a dat o idee despre calitatea polosari, iar o examinare a conului refractat de lumină din regiunea focalizării a decis exactitatea curbelor. Eșuând aceste teste, era obișnuit să vizualizezi un obiect îndepărtat. O pagină din Tranzacțiile filosofice cu tipul ei obișnuit a fost adesea folosită, iar ușurința cu care aceasta putea fi citită cu diferite măriri a dat o idee a „bunătății” telescopului. O altă metodă, și una care a decis performanța telescopului în condiții tipice de observare, a fost examinarea imaginilor stelare și planetare și a craterelor mici de pe Lună.