Устранение аберраций

На школьных уроках физики иногда показывают нехитрый опыт. Небольшой диск, секторы которого раскрашены в «семь цветов радуги», приводят в быстрое вращение. И разноцветный диск неожиданно становится белым! Произошло, как говорят, смешение цветов, нечто обратное дисперсии света, то есть разложению белого луча света на составные разноцветные лучи. Важно заметить, что ощущение белого цвета создается не только от смешения всех цветов спектра, но и от соединения некоторых простых цветных лучей, как, например, красного и голубовато-зеленого, желтого и синего, зеленого и пурпурного. Все такие цвета называются дополнительными.

Отсюда ясен и принцип создания ахроматического объектива, то есть объектива, не дающего окрашенные изображения. Представим себе объектив, состоящий из двух линз — двояковыпуклой А и плоско-вогнутой В (рис. 16). Обе они обладают хроматическими аберрациями, но действия этих линз противоположны. Лучи света, пройдя двояковыпуклую линзу, затем преломляются в рассеивающей плоско-вогнутой линзе, которая, в отличие от первой, удлиняет фокусное расстояние для синих лучей и укорачивает его для красных. Степень преломления в линзах зависит не только от формы их поверхностей, но и от сорта стекла, то есть от показателя преломления этой прозрачной среды. Чем плотнее, или, как иногда говорят, «тяжелее стекло», тем сильнее преломляет оно лучи. Таким образом, две совершенно одинаковые двояковыпуклые линзы, изготовленные из разного стекла, имеют разные фокусы — у «тяжелой» линзы он короче, чем у более легкой.

Если в рассматриваемом нами сложном объективе подобрать соответствующую кривизну для поверхностей линз, а также разные сорта их стекол, то в принципе можно достичь желаемого — все разноцветные лучи практически соберутся в одной точке и изображение получится неокрашенным.

Рис. 16. Ахроматический объектив.

Теоретически возможность создания ахроматических объективов была доказана еще в 1695 году известным английским оптиком Д. Грегори.

В 1733 году Ч. Холл нашел, что двояковыпуклую линзу следует изготовить из «кронгласа» — «легкого» стекла, содержащего кремнекислоту с примесью калия. Это стекло, сравнительно слабо рассеивающее свет, используется и для оконных стекол. Вторая же рассеивающая линза, как доказал Холл, должна состоять из «тяжелого», сильно рассеивающего сорта стекла, так называемого «флинтгласа», содержащего в качестве примеси окись свинца. По заказу Холла были изготовлены несколько двухлинзовых объективов с диаметром 5 см и фокусным расстоянием 5 м, однако плохое качество стекол сильно ухудшало видимость небесных светил.

Труды Холла были продолжены Джоном Доллондом, достигшим в создании ахроматических объективов больших успехов. Объяснялось это не только высоким мастерством Доллонда, научившимся чисто опытным путем подбирать нужные кривизны линз и сорт их стекла, но и чистой случайностью: в мастерских Доллонда оказались крупные блоки очень однородного и чистого флинта. Когда кончились эти запасы, качество доллондовых труб заметно ухудшилось.

Пусть этот факт не удивляет читателя. Во второй половине XVIII столетия (с 1758 года), когда работал Доллонд, техника изготовления хорошего оптического стекла оставалась очень примитивной. Расплавленное стекло в течение нескольких дней вручную размешивали в глиняных тиглях, стремясь достичь полной однородности и прозрачности стеклянной массы. После остывания стеклянная масса из-за неравномерности охлаждения растрескивалась и распадалась на много кусков, как правило, не очень крупных. Эти осколки подвергались вторичной плавке, во время которой им придавалась форма круглых толстых стеклянных пластинок. Наконец эти остывшие блоки подвергались шлифовке, а иногда и новой переплавке в специальных тиглях, из которых блоки выходили в форме линз. Заметим, что охлаждение первичных блоков растягивалось на несколько месяцев. Тонкая же шлифовка линз требовала еще больших сроков.

Как бы там ни было, уже первые ахроматические телескопы Доллонда произвели переворот в телескопической технике. Телескоп Гюйгенса длиной 64 м давал худшие изображения, чем ахромат Доллонда длиной всего около полутора метров. Доллонд обнаружил, однако, что полностью избавиться от хроматической аберрации практически невозможно — некоторая окраска изображения (или, как говорят, вторичный спектр) все же остается. Позже для «визуальных» рефракторов вторичный спектр оставляли в виде желто-зеленых лучей, к которым наиболее чувствителен человеческий глаз. Для фотографических же наблюдений удобнее коротковолновый синий или фиолетовый вторичный спектр. В поисках новых средств для уменьшения хроматической аберрации Доллонд изобрел апохроматический объектив, состоящий из трех линз — двояковогнутой, расположенной между двояковыпуклой и плоско-вогнутой. Из-за сложности изготовления апохроматы до сих пор являются большой редкостью. Зато качество изображений в них превосходное.

Дальнейшее совершенствование ахроматических рефракторов выразилось в постепенном увеличении диаметра их объектива и улучшении качества оптического стекла. В этом деле в начале XIX века особенно преуспел немецкий оптик и астроном Иосиф Фраунгофер. Когда Наполеон ввел континентальную блокаду, из Англии в Европу перестали поступать «доллонды». Как их строить, никто не знал. Лишь Фраунгофер, с юных лет очень тщательно изучавший оптику, нашел выход из положения. Он сам стал изготовлять высококачественный флинтглас, изобрел новые, более совершенные шлифовальные машины и вскоре добился того, что его рефракторы и по размерам и по качеству значительно превзошли «доллонды».

Крупнейший из рефракторов Доллонда имел объектив диаметром 4 дюйма¹. Первый же из телескопов Фраунгофера был почти вдвое больше — он обладал ахроматическим 7-дюймовым объективом. В 1818 году Фраунгофер начал изготовление 9-дюймового рефрактора. Этот инструмент был лучшим творением знаменитого немецкого оптика. В 1824 году его установили на Дерптской обсерватории и некоторое время он оставался крупнейшим рефрактором мира. Дерптский рефрактор был снабжен часовым механизмом, вращавшим его в сторону суточного движения звезд. На окулярном его конце употребляли для угловых измерений высокоточный микрометр. Словом, фраунгоферовский 9-дюймовый рефрактор считался в ту пору высшим достижением телескопической техники. На нем было измерено расстояние до звезды Веги.

В 1826 году преждевременная смерть помешала Фраунгоферу создать более крупные инструменты. Но его преемники и ученики Мерц и Малер продолжили его дело. В 1839 году им удалось изготовить для новой Пулковской обсерватории великолепный 15-дюймовый рефрактор, который восемь лет сохранял первенство среди рефракторов мира. При диаметре объектива 38 см пулковский рефрактор имел в длину около 7 м. Он был удобен в обращении и отличался превосходными оптическими качествами. Больший рефрактор с объективом в 18 дюймов Мерцу удалось изготовить для Миланской обсерватории лишь в 1879 году.

Еще Гюйгенс предложил в качестве окуляра использовать систему из двух плоско-выпуклых линз, направленных выпуклостью в одну сторону (рис. 17, слева). Позже Рамсден предложил сходный окуляр, где плоско-выпуклые линзы обращены выпуклостью друг к другу (рис. 17, справа). В отличие от окуляра Гюйгенса, окуляр Рамсдена можно использовать как обыкновенную лупу.

Рис. 17. Окуляры Гюйгенса (слева) и Рамсдена. D — диафрагма.

Оба типа окуляров хотя и лучше однолинзовых, но все же и у них оставались многие аберрации. Для максимально возможного устранения этих искажений были созданы многолинзовые сложные окуляры, обеспечивающие высокое качество изображения в сочетании с большим полем зрения. Кстати сказать, ахроматические оптические системы и объективов и окуляров в лучших своих вариантах уменьшают не только хроматическую, но и сферическую и другие типы аберраций. Полное устранение всех искажений — вот к чему уже третий век стремится телескопическая техника.

Примечания

1. 1 дюйм равен 25 мм.