Testarea lentilelor obiectiv a lui Huygens

 

    În calitate de astronom amator, personal am fost întotdeauna foarte interesat de dezvoltarea timpurie a telescopleor în secolul al XVII-lea. Consider că este un privilegiu să vă spun ceva despre Christiaan Huygens și telescoapele sale. Pentru mine, Christiaan Huygens este o persoană foarte fascinantă. Christiaan nu numai că și-a proiectat telescoapele, ci le-a construit și el însuși și le-a folosit. Prima implicare a lui Christiaan cu telescoape a fost în toamnă din 1652, când avea 23 de ani. A început să devină interesat de arta șlefuirii lentilelor și a decis să obțină mai multe informații de la binecunoscutul producător de instrumente, Johann Wiesel din Augsburg, sudul Germaniei.

 Instrumentele optice produse de Wiesel, cum ar fi ochelari, telescoape și microscoape, au fost vândute în multe părți ale Europei. Chiar și la Londra listele lui de prețuri au fost distribuite între potențialii cumpărători. Pe baza informațiilor pe care le-a primit din corespondența sa cu Wiesel, Christiaan l-a instruit pe un anume „Maestrul Paul” din Arnhem să-i construiască un telescop. Acest lucru pare să nu fi fost un succes, pentru că în anul următor Christiaan a decis să șlefuiască el însuși lentilele, asistat de fratele său mai mare Constantijn.

La început, frații Huygens au trebuit să se bazeze pe experiența unor șlefuitori profesioniști olandezi de lentile, precum Jan van der Wyck din Delft și Caspar Calthoff din Dordrecht. Mai ales Calthoff a avut o reputație bună, dar, din păcate pentru frații Huygens, sa mutat curând în Anglia. Este, de asemenea, o muncă manuală foarte grea și necesită foarte mult timp. Pentru a ușura această muncă grea pentru el însuși, Christiaan și-a proiectat și și-a construit propria masina de șlefuire a lentilelor. Una dintre cele mai mari probleme cu șlefuirea lentilelor este de a face o tura potrivită utilizând matrițe metalice cu o formă sferică perfectă. O altă problemă pentru frații Huygens a fost să găsească sticlă de înaltă calitate și omogenă ca structură. Cu toate acestea, nu numai calitatea era importantă: ei trebuiau să achiziționeze și sticlă de dimensiuni adecvate pentru a putea realiza o lentilă obiectiv mare pentru telescoapele lor.

Conform cercetărilor efectuate de Rob van Gent și Anne van Helden, frații Huygen și-au cumpărat sticla din diverse surse, printre altele în Amsterdam și în Londra, dar mai târziu și de la importantele fabrici de sticlă din orașul Hertogenbosch ( Bois-le-Duc) în centrul Olandei chiar si din Anglia.

    Ceea ce a făcut foarte dificilă producerea de lentile utilizabile, după cum au descoperit curând frații Huygens a fost că întreaga artă a șlefuirii lentilelor era înconjurată de secret. Nu au putut beneficia prea mult de experiența producătorilor profesioniști de lentile, deoarece acești producători de lentile nu erau foarte comunicativi și și-au protejat cu putere secretele comerciale de concurență. Una dintre cele mai surprinzătoare descoperiri astronomice pe care le-a făcut Christiaan Huygens cu unul dintre primele sale telescoape făcute de sine datează din 25 martie 1655, când a descoperit că Saturn are o lună, care se învârte în jurul planetei în aproximativ 16 zile. Luna a fost numită mai târziu „Titan”.

   Telescopul pe care l-a folosit pentru descoperirea sa era echipat cu o lentilă obiectiv (cunoscută și sub numele de „lentila obiectiv”) cu o distanță focală de 10 picioare Rhineland (aproximativ 337 cm). Ocularul pe care l-a folosit a fost o singura lentila de 3 inci Rhineland (79 mm) distanță focală, rezultând o mărire de aproximativ 43x. Christiaan însuși scrie că a folosit un telescop de 12 picioare Rhineland, dar la acel moment aceasta însemna lungimea totală a tubului telescopului, inclusiv ocularul, nu distanța focală a obiectivului.

Telescopul în sine nu mai există, dar obiectivul său, care este de departe cea mai importantă parte a unui telescop, a fost păstrat. Cercetătorii sunt pe deplin convinși că Christiaan a folosit această lentilă pentru a-l descoperi pe Titan, deoarece a zgâriat cu un diamant, cu propriul scris de mână, nu numai numele și data fabricării lentilei (3 februarie 1655) de-a lungul marginea lentilei, dar a zgâriat pe ea în latină „Admovere oculis distantia sidera nostris” („au adus stelele îndepărtate mai aproape de ochii noștri”). 

Pe 13 iunie 1655, Christiaan a scris o scrisoare profesorului J. Wallis din Oxford, spunându-i că a făcut „o descoperire” cu noul său telescop de 12 picioare. Cu toate acestea, nu i-a spus exact care a fost descoperirea lui, dar, după cum era obiceiul în acei ani, el a rescris propoziția explicând descoperirea sa în următoarea anagramă:

Admovire oculis distantia sidera narine.

Celebra lentila Admovire  prin care Huygens a descoperit satelitul Titan.

Testarea in OLSO a lentilei obiectiv Admovire la diferite diametre.

  Lentila in cauza a fost testata pe cer in 1883 si 1884 de catre J. Outmans la un diametru de 5.2cm iar satelitul Titan era la limita vizibiliati, o stea stralucitoare se vedea ca un  petic de lumină cu iregularitati, stea cu 5 colturi ( raze) iesite din airy disc cat si inele de difractie fractionate.

Lentila functiona bine la un diametru de 4.4cm (44mm) iar la 30mm mult mai bine cu inele de difractie mai conturate cat si un airy disc rotund cu 3 raze iesite la 44mm diametru, iar la 30mm mult mai bine.

 Huygens a putut sa imbunatateasca concentrarea de lumina la un diametru cuprins intre 35mm si 44mm la un test Focault Grid sa putut stabili ca lentila are o putere de rezolvare de 3.8 arc secunde, confirmata la observarea stelelor duble.

   În septembrie 1681, Christiaan Huygens a părăsit definitiv Franța pentru a se întoarce la Haga, în țara lui natală, Olanda. La Observatorul Regal din Paris, el exersase observarea planetelor. El contribuise deja în mare măsură la perfecționarea lunetelor astronomice.

Lunetele vremi aveau pentru optica principala o lentila simplet, planconvexa sau bi-convexa, singura posibilitate pentru vremea respectiva. Cu astfel de instrumente, au fost identificate mai multe cauze ca fiind responsabile pentru o răspândire pernicioasă a luminii: pe de o parte, aberațiile geometrice legate de forma sferică a lentilelor, din care Huygens calculase elemente de teorie, pe de altă parte, defectele. de realizare referitoare la neomogenitățile masei sticlei și la imperfecțiunile de modelare a suprafețelor, deși practica artizanală a început să le stăpânească. În plus, au existat și efectele colorate, cunoscute acum sub numele de aberații cromatice. 

Pentru a face față tuturor acestor constrângeri, a fost necesară creșterea distanței focale a obiectivului. Astfel, pentru a dobândi calitățile cerute, un obiectiv de 8 cm în diametru necesita deja o teava de aproximativ 8 metri lungime. Utilizarea unor astfel de instrumente voluminoase a necesitat proceduri ingenioase.  

  Revenit în Olanda, Christiaan Huygens a devenit din nou interesat de problema lentilelor. Fratele său Constantijn s-a dovedit a fi motivat și talentat pentru producția de lentile și s-a stabilit o colaborare între cei doi frați.

Cu mașina lor  de slefuit lentile optice, Christiaan a produs în 1683 lentile cu o distanță focală de 12 până la 13 picioare (de fapt, aproximativ 4 metri), dintre care două, cu diametrul de 6,7 cm, sunt păstrate în prezent la Muzeul Boerhaave din Leiden, unul dintre ele semnate de Christiaan la 30 mai 1683.

Constantijn, care locuia în Dieren lângă Arnhem, a întreprins, la rândul său, tăierea lentilelor cu aceleași caracteristici.

Acțiunea celor doi frați a fost prima de a realiza lentile terestre mari cu tub glisant avand un  ocular cu trei lentile care corectează imaginea, conform așa-numitului aranjament „Campanine” adoptat de opticianul italian Guiseppe Campani. Corespondența schimbată între cei doi frați atestă teste pe planete de către de Christian pe tinte terestre, Constantijn atestă dificultăţile întâmpinate la comportamentul mecanic al tubului lung. Practic datorita lungimii au avut probelme de colimare, aclimatizare si toate acestea au adus la abandaonarea lui, nmajoritatea instrumentelor din sec al 17-lea sufereau de aceste probeleme, datorita ca lungimea tubului era foarte mare in relatie cu diametrul mic al tubului si din aceste motiv apareau deformatii alte tubului in timp. 

Muzeul Boerhaave din Leiden păstrează un astfel de telescop.

Lentila obiectiv de 6.7cm diametru slefuita de fratii Huygens

Dar, mai presus de toate, Christiaan a studiat crearea unor lentile mai mari pentru aplicații astronomice.

Obișnuința fusese stabilită de a exprima capacitatea unui telescop astronomic prin lungimea sa dată ca singurul parametru care definește puterea instrumentului. Dar Christiaan Huygens știa că capacitatea reală a telescopului de a apropia obiectele este măsurată prin valoarea măririi, care nu este legată de lungimea telescopului, ci de diametrul obiectivului. De asemenea, știa că capacitatea de a detecta stelele slabe, precum sateliții planetari, trebuie măsurată pe suprafața obiectivului, adică pătratul diametrului acestuia. Asta, cu condiția ca toată lumina colectată de lentilă să fie bine concentrată într-un singur punct. De aici și necesitatea de a produce imagini foarte fine și în consecință de a folosi o distanță focală mare pentru aceasta.

Cei doi frați au reușit să furnizeze plăci de sticlă care să permită dimensiuni de 11 până la 13 cm în diametru. Mașina de slefuit ar putea oferi curburi ale suprafeței, oferind o distanță focală de 35 de picioare sau aproximativ 10 metri. După adăugarea unei diafragme in fata lentilei pentru a ascunde marginile lentilei care era prezenta încă defecte optice, raportul dintre distanța focală și diametrul obiectivului (raportul diafragmei) a fost aproape de 100. Această valoare era necesară pentru a asigura finețea imaginii, au construit deja la tuburi foarte lungi. Christiaan a produs o lentilă de 11,5 cm în diametru și 10,96 m în lungime focală și a semnat-o la 10 mai 1683.

Obiectivul trebuia să fie deja disponibil în februarie 1683, deoarece notăm în Registrul de observații astronomice o sesiune de observații din 26 februarie 1683 pe Jupiter la 7h și pe Saturn la 7hl / 4. Prin urmare, pe proprietatea a fost ridicat un catarg corespunzător. Designul aplicat trebuie să fi fost de tip teava convențională sustinuta de scripeti pe doua puncte de sprijin dar nu mai avem nicio informație. Până în mai 1683, au existat încă 6 sesiuni de observație pe planeta Marte și 3 pe Jupiter.

În această perioadă, Constantijn a început să producă alte lentile similare. În Dieren, și-a adaptat mașina de slefuit și a primit de la Christiaan calibrul („bazinul”) cu o rază de curbură de 10,6 m, pe care l-a folosit pentru a-și fabrica lentila de 35 de picioare. Această lentilă era bi-convexă simetrică și prin urmare folosea același calibru de modelare pentru fiecare dintre cele două fețe.

În octombrie și noiembrie 1683, Constantijn a produs, în câteva săptămâni, cel puțin patru lentile asemănătoare, conservate la Muzeul Boerhaave, iar mai târziu o alta în 1684. Acțiunea lui Constantijn asupra polizorului urma să fie ușor diferită  fata de modul în care lucra Christiaan, deoarece distanțele focale rezultate desemnate 34 de picioare sunt puțin mai scurte (în medie 10,16 m), e posibil ca cei doi sa fi folosit matrite de polisare separate, nu stim.

Lentila obiectiv de 13cm slefuita de fratii Huygens

Obiectiv slefuit de Huygens 14.cm cm 43 picioare distanta focala

Obiectiv Huygens D 13cm, 34 picioare distanta focala

Obiectiv slefuit de Huygens 11.5cm 35 picioare distanta focala

   De-a lungul anilor, fratii au produs lentile cu focală din ce în ce mai lunga, in cele din urmă Constantijn a atins o distanță focală de 210 picioare Rhineland (aproape 66 m). Întrucât șlefuirea și polisarea lentilelor era o afacere care consuma mult timp, producția atâtor lentile trebuie să fi luat mult din timp. Dar nu ar fi fost ca Christiaan dacă nu ar fi luat măsuri în acest sens. Din anii 1660, Christiaan a proiectat mașini pentru a ușura munca laborioasă de șlefuire a lentilelor. O altă măsură a fost să nu facă singuri toată munca, nu este pe deplin clar dacă frații și-au făcut propriile oculare în jurul anului 1660, dar e clar ca nu au făcut-o mai târziu. Ocazional, corespondența lor conține referiri la meșteri locali care pregăteau oculare din sticlă sau șlefuite; fraţii s-au concentrat pe munca delicată de şlefuire a lentilelor obiectiv.

În 1667 și 1668, Constantijn l-a angajat pe Cornelis Langedelf pentru polisarea sticlei și șlefuirea ocularelor, iar în 1683 același om a livrat tuburile pentru unul dintre telescoapele lui Constantijn. Din 1682, frații au preferat serviciile lui Dirk van. der Hoeven care locuia în apropiere la Haga.  În același timp, frații făceau afaceri și cu un marmorier van der Burgh care le aproviziona cu matritele de slefuire și sticla. Relațiile pe care le aveau frații cu acești doi meșteri nu erau identice. În cazul lui van der Hoeven – el a fost adesea numit pur și simplu Dirk sau măturatorul de coșuri – doar munca lui a fost angajată. Frații au furnizat materialul și uneltele, inclusiv matritele de selfuit. Van der Burgh pe de altă parte avea un atelier propriu iar fratii Huygen nu erau singurii săi clienți. Deci, probabil că nu a fost munca pregătitoare de rutină inaintea slefuiri propriu-zise a curburi pe care Constantijn i-a cerut lui van der Burgh în aprilie 1686, când i-a trimis două bucăți de sticlă pentru a fi degrosate.  Poate că Constantijn a vrut ca van der Burgh să elimine eroriile discurilor de sticla de care avea nevoie pentru obiectivul lui de 170 de picioare și lentile de 60 de picioare. Cu toate acestea documentele perioadei nu oferă niciun alt indiciu asupra modului în care au fost realizate aceste discuri. Stim ca fratii Huygens erau foarte pretentiosi la selectarea sticlei pentru lentilele lor, astfel incat e posibil ca Van Der Burgh avea sarcina de elimina erorile de la suprafata sticlei prin slefuirea si intreptarea ei, pentru a fi perfect plana inaintea slefurii razei de curuburi efectuata de cei doi frati, astfel incat le-a usurat o parte din munca.

Testarea Obiectivelor Huygens

Iata testele optice alte lentilelor obiectiv realizate de frati Huygens in OSLO este defapt o simulare folosind un tip sticla care sa imite sticla din sec al-17-lea, avand un indice de refractie de 1.52 si 1.58.

Simulariile sunt facute in policromatic, monochromatic si focus avand un punct de focalizare pe un ecran in focus iar sursa de lumina provine de la infinit.

Am testat toate lentiele obiectiv disponibile la Muzeul Rijksmuseum Boerhaave, toate au fost analizate chiar si cele care nu sunt expuse.

Pot spune ca aceste lentile nu ajung la nivelul de calitate atribuita lui Campani dar sunt rezonabile singura mentiune este ca toate testele au fost efectuate folosind diafragma diponibila acestor lentile, multe dintre ele nu au diafragme pastrate asa ca le-am adus la un coeficient al cromatismului atribuit lui Huygens intre 1.5 si 1.6, calculat in functie de focala/diametru si am ajuns la un diametru la care imaginea se prezinta clara. 

Majoritatea obiectivelor din secolul al 17-lea functionau asa, in proportie de 70 sau chiar 80% pastrau un coeficient intre 1.5 si 1.7 sa ajuns chiar si la un coeficient de 2 sau 2.5, uneori chiar si 4 - 5 precum lentila obiectiv pastrata in muzeul Lowman realizată in anul 1656 este defapt una din primele lentile slefuite de Huygens, diametrul ei maxim este de 62mm si functiona la 30mm diametru folosind o diafragma plasata in fata lentilei care reducea marginea lentilei, distanta focala este de 3650 iar la 30mm diametru ajunge la un coeficient de 4 pentru a furniza o imagine clara.

Cu trecerea timpului fratii au devenit din ce in ce mai experimentati in realizarea obiectivelor astfel incat in perioada 1682-1687 au realizat lentile din ce in ce mai bune cu diametre din ce in ce mai mari, cam toate functionau la un coeficent al cromatismului de 1.5 spre 1.6 asa ca in testul meu toate le-am folosit la acest coeficient.

In timpul sederii sale in Franta (Observatorul din Paris) a putut sa aiba acces la lentile mai bune slefuite de Giuseppe Campani cat si sa invete noi tehnici de realizare a lentilelor.

Intors acasa cum nou bagaj de cunostinite in cea ce priveste realizarea obiectivelor s-a apucat de treaba impreuna cu fratele sau.

Iata si testele mai jos.

Lentile obiectiv slefuite de fratii Huygns la muzeul Rijksmuseum Boerhaave

Lentile obiectiv slefuite de fratii Huygns la muzeul Rijksmuseum Boerhaave 2

Am testat si 3 lentile obiectiv ale altori mesteri precum Hartsooker Campani si Marcel Arnold pentru a compara cu obiectivele fratiilor Huygens.

Giuseppe Campani fiind cel mai priceput in realizarea lentilelor in sec al 17-lea si inceputul sec al 18-lea, aceste instrumente au functionat pana la aparitia telescoapelor cu oglinda in sec al 18-lea si chiar in perioada respectiva se mai producea astfel de instrumente dar in principal pentru observatii terestre.

Iata testele altor autori, am ales la intamplare un obiectiv Campani din 1680, un alt obiectiv este cel al lui Hartsooker ( 1688) iar la final Marcel Arnold.