Od Keplera do Naglera cz. 1

przez · 22 czerwca 2017

Od momentu swych narodzin na początku XVII stulecia, teleskop astronomiczny przeszedł wiele fundamentalnych zmian i jeszcze więcej drobnych poprawek, będących wynikiem ogólnych przemyśleń, obliczeń czy wniosków z użytkowania. Pisząc o zmianach w konstrukcji teleskopu nie możemy myśleć wyłącznie o obiektywie – soczewce czy lustrze zbierającym fotony przemierzające Wszechświat. W dążeniu do uzyskania obrazu jak najbardziej zbliżonego do doskonałości, musimy pamiętać o wszystkich elementach, które w tym procesie biorą udział.

Rozwój nowoczesnego okularu jest historią postępu na trzech frontach: teorii optycznej, niezbędnej do osiągnięcia ostrego, szerokiego i płaskiego obrazu; materiałów optycznych i powłok wymaganych do optymalizacji optyki pod kątem transmisji oraz kontrastowości obrazu, a także technologii wytwarzania koniecznej do wyprodukowania okularu przy zachowaniu rozsądnych kosztów. Dość często zagadnienia wytwarzania, materiałów i kosztów wymagają zastosowania pewnego kompromisu w konstrukcji optycznej.

Mamy szczęście żyć w czasach, gdy to komputery wykonują za nas obliczenia i symulacje, które wykonywane w sposób tradycyjny wymagałyby poświęcenia ogromnej ilości czasu. W wielu dziedzinach rewolucja ta wyzwoliła „teorię” czy sposób, w jaki rzeczy powinny według założeń funkcjonować, tak bardzo, że symulacja komputerowa jest obecnie jednym z głównych „obserwacyjnych” instrumentów w astronomii.

W teorii optyki okularowej również coraz częściej posługujemy się symulacją, żeby przewidzieć parametry optyczne i nieprawidłowości danego projektu. Trudność polega na tym, że przewidywania nie zawsze mają przełożenie na osobiste doświadczenie użytkownika. Istnieje zasadnicza różnica pomiędzy postawą „testera”, skoncentrowaną na analizę obrazu jako oceny wartości układu optycznego i postawy użytkownika, dla którego obraz jest wizualnym doznaniem Wszechświata. Teoria optyczna nie jest w stanie przewidzieć, gdzie umieścić wizualną interpretację między tymi skrajnościami, więc nie można ocenić, czy i jak bardzo cechy optyczne użytkownik umieści w swojej percepcji. Doświadczenia te, są częścią tego, kim jesteś i nie ma symulacji komputerowej, która byłaby w stanie je określić. Prawie wszystkie komercyjnie dostępne dziś okulary produkowane są z wykorzystaniem metod i materiałów, które czynią je optycznie najbardziej zaawansowanymi narzędziami w swej kategorii w historii i tylko niewielkie niuanse odróżniają je od siebie, determinując subiektywny wybór użytkownika.

Najstarsze teleskopy to konstrukcje o podłożu empirycznym, budowanymi bez zastosowania teorii czy analitycznego podejścia do projektowania optyki. Soczewki były układane w różnych kombinacjach, aby znaleźć te, które pozwalały uzyskać najlepszy efekt. Galileusz sam przyznał, że spośród około 60 modeli jakie stworzył wielkim wysiłkiem i kosztem, zaledwie kilka posiadało zadowalające parametry. Zarówno jakość optyczna produkowanego szkła i dokładność soczewek były słabe, więc soczewka nie mogła być ani duża, ani gruba; teleskopy otrzymywały ogniskowe rzędu 100 stóp lub więcej, a obiektywy były przysłaniane, aby zminimalizować negatywne skutki aberracji chromatycznej i innych wad słabo skonfigurowanej optyki. Takie same wyzwania i przeszkody stawały na drodze twórcom okularów począwszy od pierwszej tego typu konstrukcji przez kolejne cztery stulecia.

Johannes Kepler i schemat okularu Keplera.

Najbardziej prymitywna forma okularu pojawia się na początku XVII wieku i otrzymuje swą nazwę od nazwiska Johannesa Keplera, który będąc pod wrażeniem dokonań Galileusza, zaczyna interesować się konstrukcją teleskopu z zastosowaną jako okular soczewką wklęsłą. Rezultaty badań, Kepler publikuje w Dioptrice w 1611 roku, w której wyjaśnia (choć tylko w przybliżeniu) fizyczne podstawy teleskopu Galileusza – działanie kombinacji wypukłych i wklęsłych soczewek. W tym momencie pojawia się również po raz pierwszy pojęcie obrazu rzeczywistego i pozornego oraz opis wpływu ogniskowych na uzyskiwane powiększenie. Autor nie poprzestaje na tym i proponuje własne rozwiązanie – teleskop wykonany z dwustronnie wypukłym obiektywem i okularem takiego samego kształtu, które dają powiększony obraz, gdy centralne punkty obu soczewek pokrywają się. Dzięki takiej kombinacji uzyskuje znacznie większe pole widzenia niż Galileusz, a zmieniając krzywiznę po jednej stronie soczewki, ogranicza znacząco aberrację chromatyczną i sferyczną. Okular w przeciwieństwie do holenderskiego wzoru stosowanego przez Galileusza, produkuje odwrócony obraz. W Dioptrice Kepler sugeruje również użycie drugiej soczewki w okularze, w celu ponownego odwrócenia obrazu, jednak takie rozwiązanie wiąże się ze znacznie zwiększonymi wadami optycznymi. Mimo szczegółowego opisu, który spowodował późniejsze nazwanie soczewki wypukłej okularem Keplera, sam Johannes nigdy nie użył zaproponowanego rozwiązania w praktyce, a w środowisku naukowym początkowo nie zostaje ono przyjęte entuzjastycznie. Zmienia się to w wyniku prób niemieckiego jezuity Christopha Scheinera, który buduje pierwszy model teleskopu Keplera między 1613 i 1617 rokiem i zauważa, że obiekt obserwowany przez taki instrument zostaje odwrócony ale rzeczywiście jest bardziej powiększony, a pole widzenia o wiele większe niż w teleskopie Galileusza. Ponieważ w obserwacjach astronomicznych odwrócony obraz nie stanowi problemu, teleskop Keplera zostaje zaakceptowany w społeczności naukowej w połowie XVII wieku.

Okular Huygensa. Soczewka kolektywna o średnicy 31mm, f=65mm; soczewka oczna o średnicy 21mm, f=40mm / schemat okularu Huygensa.

Pół wieku po odkryciu Keplera, genialny holenderski matematyk Christiaan Huygens opracowuje okular, który jest odpowiedzią na zmniejszającą się ogniskową obiektywów i tym samym coraz bardziej doskwierającą aberrację chromatyczną i sferyczną. Huygens swoją karierę astronomiczną rozpoczyna w latach 50-tych XVII wieku. Własnoręcznie zbudowanym 5,7 cm refraktorem o ogniskowej 4 metrów (jeszcze z okularem Keplera), odkrywa w 1655 roku Tytana, a rok później wyjaśnia prawdziwą naturę pierścieni Saturna.

W 1662 roku Huygens konstruuje okular, który później będzie nosił jego imię. Składa się z dwóch soczewek płasko – wypukłych, skierowanych płaskimi stronami w kierunku oka obserwatora. Odległość soczewek od siebie wynosząca połowę sumy ich ogniskowych, minimalizuje aberrację chromatyczną a stosunek ogniskowych 3:1 czyni to samo z aberracją sferyczną. Huygens używa również projektów o proporcjach 3:2 (dla dużego powiększenia) i 4:1 (dla małego powiększenia). Okular Huygensa ma znaczącą krzywiznę pola, dystorsję poduszkową i komę. Posiada również niewielki ujemny astygmatyzm, który może być wykorzystany do niwelowania astygmatyzmu obiektywów o niewielkiej światłosile (>f/12). Projekt pierwotnie ma od 25° do 30° pozornego pola widzenia i bardzo krótki odstęp źrenicy – mniej niż 8 mm przy ogniskowej 28mm. Kilkadziesiąt lat później angielski astronom George Airy zminimalizuje jeszcze aberrację sferyczną i krzywiznę pola za pomocą kombinacji dodatniej wklęsło-wypukłej soczewki od strony obiektywu i dwuwypukłej soczewki od strony oka. Z kolei niemiecki optyk Moritz Mittenzwey poszerzy pole do 50° wykorzystując podobnie jak Airy soczewkę wklęsło – wypukłą ale w połączeniu z soczewką płasko-wklęsłą.

Pomimo upływu wielu lat od powstania, okular Huygensa jest nadal czasami stosowany w profesjonalnych refraktorach o długiej ogniskowej oraz w najtańszych „marketowych” teleskopach i mikroskopach.

Żelazny moździerz Johna Dollonda służący do obróbki Flintu / schemat okularu Dollonda.

Teoretyczne rozważania dotyczące możliwości korygowania aberracji chromatycznej toczą się ze wzmożoną siłą w pierwszej połowie XVII wieku po oświadczeniu Newtona, że taka korekta dla soczewki jest niemożliwa. Autorem pierwszego znanego dubletu achromatycznego zostaje angielski prawnik i optyk, Chester Moore Hall. Hall chce zachować swoje badanie prowadzone na achromatycznych soczewkach w tajemnicy, dlatego zlecenie produkcji dwóch rodzajów szkła – kronu i flintu otrzymuje dwóch różnych optyków – Edward Scarlett i James Mann. Hall nie wie jednak, że obaj pracują dla tej samej osoby – George’a Bass’a, który szybko uświadamia sobie, że obydwa składniki mają powędrować do tego samego klienta, a po zmontowaniu obu części razem, szybko zauważa właściwości achromatyczne. Pomimo badań, Hall nie docenia znaczenia swojego wynalazku, w przeciwieństwie do Bass’a, który pod koniec 1750 roku dzieli się informacją o soczewkach Hall’a z Johnem Dollondem, producentem instrumentów naukowych i nawigacyjnych. Dollond dostrzega ich potencjał i już po kilku latach doświadczeń, w 1758 roku prezentuje achromatyczny dublet Królewskiemu Towarzystwu w Londynie. Wkrótce otrzymuje patent na produkcję achromatycznych obiektywów i okularów, co prowadzi do ostrych sporów z innymi optykami.

Okular Dollonda składa się z dwustronnie wypukłej soczewki ze szkła kronowego o niższym współczynniku załamania światła, oraz soczewki płasko-wklęsłej z Flintu, posiadającego wyższy współczynnik załamania światła. Dwie są soczewki tak zaprojektowane, że ich dyspersje niwelują się w celu wyeliminowania aberracji chromatycznej. Używany jako okular, dublet ma około 20° pola widzenia i źrenicę oddaloną o około 26mm przy ogniskowej okularu 28mm.
Syn Dollonda – Peter, idzie w ślady ojca i opracowuje „potrójnie achromatyczną soczewkę” czyli apochromat w 1763 roku.

Jesse Ramsden / schemat okularu Ramsdena.

John Dollond oprócz utalentowanego syna posiada nie mniej uzdolnionego zięcia, który po poślubieniu Sarah Dollond, otrzymuje od teścia obszerną wiedzę na temat tworzenia precyzyjnych instrumentów optycznych, po czym zakłada własne przedsiębiorstwo produkcyjne. Jesse Ramsden, bo o nim mowa, w 1782 roku (według niektórych źródeł rok później) przedstawia okular własnego projektu, który w rzeczywistości jest udoskonaleniem okularu Huygensa. Jego konstrukcja składa się z dwóch soczewek płasko-wypukłych, których powierzchnie wypukłe są skierowane do siebie. W podstawowej formie obie soczewki mają taką samą ogniskową i właśnie mniej więcej o odległość jednej ogniskowej są od siebie oddalone. W takiej formie okular Ramsdena ma 35° pozornego pola widzenia i lepszą korektę aberracji sferycznej niż Huygens. Niestety taki układ posiada dwie poważne wady – wszystkie niedoskonałości soczewki kolektywnej (zabrudzenia, rysy, pęcherzyki w szkle) pojawiają się w otrzymywanym obrazie. Drugim niepożądanym zjawiskiem jest odległość źrenicy wyjściowej, która wynosi…0, czyli znajduje się na powierzchni soczewki ocznej. Aby złagodzić te wady, odległość (najczęściej zwiększana do 2/3 sumy ogniskowych) i ogniskowe soczewek są modyfikowane i co prawda odbiegają od optycznego ideału ale dzięki temu otrzymujemy odległość źrenicy około 7mm dla ogniskowej okularu 28mm). Wprowadza to niestety znaczne zakrzywienie pola i aberrację chromatyczną.

Omawiając konstrukcje okularowe charakterystyczne dla XVII i XVIII wieku, nie sposób nie wspomnieć o „ekstremalnej formie” płasko-wypukłej soczewki, czyli okularze Williama Herschela, którego powstanie datuje się na 1768 rok. W podstawowej formie soczewka jest zwykłą szklaną kulą, wytwarzaną poprzez upuszczanie kropel roztopionego szkła do zimnej wody i selekcji otrzymywanych kształtów. W celu zwiększenia odległości źrenicy wyjściowej, kula jest szlifowana od strony oka obserwatora. W późniejszych latach powstaną udoskonalone wersje okularu Herschela, takie jak okular Wollastona z 1810 roku, którego idea polega na rozdzieleniu na dwie półkule i zachowaniu niewielkiej odległości między nimi, czy propozycje Brewstera, Coddingtona i Stanhope’a, które ujrzą światło dzienne w latach 20-tych XIX wieku.

Okulary XIX wieku

Ernst Abbe, Carl Zeiss i Otto Schott.

XIX wiek to etap, w którym problemy aberracji chromatycznej i sferycznej są całkiem dobrze poznane, doceniane i znacznie zminimalizowane w konstruowanych instrumentach optycznych, a technologia produkcji precyzyjnych maszyn staje się zdolna do wytwarzania przyrządów naukowych o niezrównanej doskonałości. Postępujący rozwój mikroskopii i dagerotypii (pionierskiej formy fotografii) rozszerza zakres wymagań dla układów optycznych i ich zastosowań, a te często tworzą podwaliny dla kolejnych projektów okularów. Głównym celem XIX-wiecznych projektantów okularów staje się zwiększenie pola widzenia i odległości źrenicy, skrócenie długości ogniskowej oraz dalsze minimalizowanie wad optycznych, które otrzymali w spadku wraz z XVIII-wiecznymi projektami. Wysiłki te zostają zintensyfikowane w połowie stulecia za pośrednictwem matematycznych podstaw konstrukcji optycznych i analizy aberracji opracowanych przez Josepha Petzvala (1807-1891) i Philippa Ludwiga von Seidela (1821-1896). Być może najważniejszym motorem postępu stało się znaczne zwiększenie po 1830 roku różnorodności i jakości dostępnych szkieł optycznych od takich producentów jak Guinand (Francja) i Chance Bros (Anglia). To pozwala projektantom na większą kontrolę nad optycznym załamaniem i rozproszeniem oraz nowe drogi dla innowacji. Niemieccy przedsiębiorcy zakładają niektóre z pierwszych dużych optycznych firm produkcyjnych. W 1846 roku w Jenie, Carl Zeiss zakłada firmę, która otrzyma miano od nazwiska założyciela, a do twórcy dołączy później młody (26-letni wówczas) wykładowca fizyki z Uniwersytetu w Jenie – Ernst Abbe i chemik Otto Schott (w 1884 roku). W 1849 roku Carl Kellner otwiera w mieście Wetzlar tzw. „Instytut Optyczny”, kilkanaście lat później wraz z Ernstem Leitzem tworzą zakłady Ernst Leitz GmbH – protoplastę współczesnej marki Leica (Leitz Camera). W tym momencie w produkcji optyki pojawia się motyw zysku – spotkania wymagań użytkownika końcowego i minimalizacji kosztów produkcji, w projektowaniu i wytwarzaniu okularów astronomicznych również.

 

Schemat soczewki Barlowa

Soczewka Barlowa / Smyth’a – pomysł wykorzystania ujemnej pary soczewek w celu pozornego wydłużenia wartości ogniskowej lub spłaszczenia zakrzywionego pola widzenia pojawia się kilkukrotnie w przeciągu XIX wieku, co więcej niektórzy uważają, że z koncepcji umieszczenia ujemnej soczewki między obiektywem a okularem, korzystał już Johannes Kepler. Peter Barlow (1776-1862), angielski matematyk i inżynier, wykładowca w Królewskiej Akademii Wojskowej w Woolwich, rozpoczyna swoje optyczne eksperymenty około 1827 roku. Początkowo skupia się nad korekcją aberracji chromatycznej za pomocą soczewki wklęsłej. Kilka lat później opracowuje ujemny achromat wraz z Georgem Dollondem (siostrzeńcem wspomnianego w poprzedniej części Petera Dollonda), który przedstawia go Królewskiemu Towarzystwu w 1834 roku. Charles Piazzi Smyth – Królewski Astronom Szkocji, wpada na pomysł wykorzystania nowo poznanej konstrukcji do zminimalizowania krzywizny pola zamiast korekcji aberracji co było początkowym zamierzeniem Barlowa i Dollonda.
Prawdziwy skok popularności soczewka Barlowa odnotuje dopiero w XX wieku. Po II wojnie światowej, stanie się standardowym narzędziem do mnożenia długości ogniskowej i tym samym powiększenia okularu. Propozycja Smyth’a zostanie wykorzystana do skorygowania krzywizny pola szerokokątnych okularów – 110 stopniowego, wojskowego okularu opracowanego przez Tronniera w 1943 roku, 110-120° projektu opatentowanego przez Horsta Köhlera w 1959 roku, oraz wielu mniej znanych (jak okular Pretoria opatentowany przez Dona Dilwortha w 1988 roku) i tych bardziej popularnych wzorów stosowanych m.in. przez TeleVue i Explore Scientific.

Współczesne przykłady okularów Kellnera / schemat okularu Kellnera

Wspomniany już wcześniej Carl Kellner (1829 – 1855), niemiecki mechanik i matematyk samouk w 1849 roku publikuje pracę Das orthoskopische Ocular, w której przedstawia projekt okularu, który zostanie nazwany achromatycznym Ramsdenem bądź po prostu okularem Kellnera. Nowy okular jest niewielką aczkolwiek istotną modyfikacją projektu Jesse Ramsdena. Płasko-wypukła soczewka zastąpiona została achromatycznym dubletem, co skutecznie zmniejsza aberrację chromatyczną. Kellner korzysta tym samym z rozwoju technologii produkcji szkła, która właśnie w latach 40-tych XIX wieku pozwoliła uzyskać dostatecznie czysty flint (szkło krzemowo-ołowiowe), wolny od wewnętrznych skaz. Twórca specjalizował się w konstrukcji mikroskopów i w takim też celu zostaje zaprojektowany nowy okular. Początkowo zapewnia on ok. 30˚ pole widzenia oraz odległość źrenicy wynoszącą 0,4 długości ogniskowej okularu. Jest to istotny postęp w historii optyki mikroskopowej, jednak astronomiczne zastosowanie wymaga niewielkich modyfikacji. Kellner poszerza pole widzenia okularu do 45˚ i nieco oddala źrenicę wyjściową (do 0,45 długości ogniskowej) za pomocą zmiany pojedynczej soczewki płasko-wypukłej na soczewkę dwuwypukłą oraz niewielkim zmianom kształtu dubletu pełniącego rolę soczewki ocznej.

Okular Kellnera jest najstarszą konstrukcją okularu nadal powszechnie używaną w lornetkach oraz amatorskich teleskopach. Wiele okularów aplanatycznych, korygujących aberrację sferyczną i komę zostało opracowanych właśnie na jego podstawie. Kellner posiada bardzo niewielką aberrację chromatyczną i stosunkowo niski astygmatyzm, krzywiznę pola oraz dystorsję. Aberracja sferyczna może być zminimalizowana za pomocą nowoczesnych rodzajów szkła optycznego, a jego skłonność do nadmiernych odblasków może być kontrolowana za pomocą odpowiednich powłok przeciwodblaskowych. Okular oferuje ostry, jasny obraz w centrum pola widzenia w niewielkich i średnich powiększeniach. Większe powiększenia wiążą się niestety z krótkim odstępem źrenicy wyjściowej wynikającym z niewielkiej ogniskowej okularu.

 

Simon Plössl na litografii Josefa Kriehubera / schemat okularu Plössla.

Georg Simon Plössl, którego nazwiskiem ochrzczona będzie kolejna konstrukcja optyczna, rodzi się w 1794 roku w okolicach Wiednia. Już w wieku 18 lat dostaje się do cenionego zakładu optycznego Johanna Voigtlaendera, a pięć lat później zakłada własny warsztat. Jego głównym celem staje się poprawa jakości obiektywów i okularów mikroskopowych. Mikroskopy Plössla stają się bardzo zbliżone optycznie do niemieckich produkowanych przez Carla Kellnera. Ponadto Plössl proponuje diamentowe i szafirowe szkła do zastosowania w mikroskopach.

W 1860 roku przedstawia projekt okularu składającego się z czterech elementów ułożonych w dwie achromatyczne pary. Jest to odmiana Kellnera, w której jeden z achromatów zastępuje pojedynczą soczewkę. Plössl w połowie XX wieku jest określany Kellnerem Typu III (Type III), a Edmund Scientific po II Wojnie Światowej sprzedaje „Kellnera” – okular wykonany z optyki pozostałej po wojnie, który faktycznie składa się z dwóch achromatów w klasycznej konfiguracji Plössla. Dublety w niej ułożone są w ten sposób, aby obustronnie wypukłe elementy kronowe zwrócone były do siebie, z odległością między nimi równą około 20% ich ogniskowych (pierwsze próby zakładały nawet połowę ogniskowych). Jednak okazuje się, że taka konstrukcja podatna jest na występowanie „duszków”, problem który rozwiązany zostaje przez zmniejszenie odległości między dubletami (nawet do 2/1000 cala). Zmiany te zostają później rozwinięte i opatentowane przez Alberta Königa w 1939 roku.

Okular Plössla w swej późniejszej formie charakteryzuje się dobrym odwzorowaniem barw oraz jest stosunkowo wolny od odblasków, które są prawdziwą zmorą Kellnerów. Posiada również szersze pole widzenia (ok. 50°), ale za cenę zniekształcenia poduszkowego na skraju pola, które w bardziej zaawansowanych wersjach (jak TeleVue Plössl) jest minimalizowane lepszym jakościowo szkłem.
W 1868 roku Georg Plössl umiera w wyniku obrażeń spowodowanych przez upuszczenie arkusza szkła, który przecina tętnicę w pobliżu jego prawej ręki co prowadzi do znacznej utraty krwi i zgorzeli. Z jakiegoś powodu, konstrukcja Plössla pod tą nazwą niemalże znika na prawie sto lat, zanim zostaje ostatecznie reaktywowana w 1960 roku po czym zostaje (do tej pory) jednym z najbardziej popularnych typów używanych przez astronomów amatorów. Prowadzi to czasem do błędnego przekonania, że jest to stosunkowo nowy projekt.
Warto zwrócić uwagę na pisownię nazwy :Plössl”, Przyjmuje się, że istnieje kilka dopuszczalnych wersji. Oryginalnie jest to „Plößl” z literą „ß” charakterystyczną dla języka niemieckiego, również pisaną jako podwójne „s”, stąd „Ploessl”, „Plössl” lub „Plossl”.

 

Schemat okularu monocentrycznego Steinheila.

Carl August von Steinheil, niemiecki wynalazca, fizyk, inżynier i astronom w 1854 roku zakłada Instytut Optyczny (następnie przemianowany na CA Steinheil & Söhne) – zakład zajmujący się głównie budową spektroskopów i fotometrów. Firma Steinheila odpowiada także za powstanie dużych teleskopów dla obserwatoriów w Uppsali, Mannheim, Lipsku czy Utrechcie. Korzystając z nowatorskiej technologii swego przyjaciela Justusa Liebiga, Steinhel pokrywa produkowane lustra warstwą srebra. Syn Augusta Adolph przejawia od początku silne skłonności w kierunku optyki i astronomii. Studiuje w Monachium i Augsburgu. Odgrywa istotną rolę w funkcjonowaniu rodzinnego interesu. W 1880 roku tworzy projekt okularu, który swoją konstrukcją nawiązuje do aplanatycznego obiektywu fotograficznego, który zaprojektował 14 lat wcześniej, oraz sferycznych okularów, wykonanych przez upuszczenie kropli stopionego szkła do gorącej wody, które były używane przez producenta mikroskopów Antoniego van Leeuwenhoeka i astronoma Williama Herschela (oraz na nich bazujących okularów Wollastona, Brewstera, Coddingtona, Stanhope’a i Tollesa). Wszystkie one były ograniczone przez bardzo krótki odstęp źrenicy i zazwyczaj również aberrację sferyczną i/lub chromatyczną. Steinheil znacznie udoskonalił tą koncepcję montując dwie koncentryczne soczewki flintowe po bokach kronowego „rdzenia” (który później zostanie znacznie poszerzony). W powstałej w ten sposób pierwszej wersji okularu monocentrycznego wszystkie sferyczne powierzchnie mają wspólny środek (stąd nazwa). Wersja Steinheila jest prawie całkowicie achromatyczna z nieznaczną aberracją sferyczną i płaskim, bardzo wąskim polem własnym – od 25 ° do 30 °.

W 1911 roku monocentryczny, symetryczny tryplet stworzony razem z Charlesem Hastingsem opatentuje w imieniu firmy Zeiss Paul Rudolph. Zeiss będzie sprzedawał tą konstrukcję w kilku formach, aż do połowy lat 50-tych XX wieku. Wersja Hastingsa jest do dnia dzisiejszego najpopularniejszą formą achromatycznego szkła powiększającego oraz protoplastą okularu TMB Super Monocentric.

Okulary Carl Zeiss Abbe Orthoscopic / schemat okularu Ortho.

Aby przybliżyć kolejną (i ostatnią w tej części) konstrukcję okularu, musimy na chwilę powrócić do historii wspomnianego we wstępie zakładu Carla Zeissa w Jenie, a konkretnie Ernsta Abbe, który po dołączeniu do założyciela, zajmuje się początkowo projektowaniem mikroskopów. Konstrukcja oryginalnego okularu Ortoskopowego (bo o nim mowa) sięga 1880 roku, kiedy Abbe projektuje ją do wykorzystania w dokładnych pomiarach odległości liniowej na szkiełkach mikroskopowych.

Określenie „ortho” (z Greki: „prosty”) oznacza, że okular nie wprowadza zniekształcenia poduszkowego lub beczkowego, dzięki czemu obiekt będzie miał taką samą wielkość, gdy obserwuje się go w dowolnym miejscu w polu widzenia. Okular Abbego zapewnia również doskonałą ostrość, kontrast oraz korekcję kolorów. W obecnych wersjach charakteryzuje się 45° polem widzenia i odstępem źrenicy na poziomie 0,8 długości ogniskowej.

Projekt ortoskopu przewiduje soczewkę kolektywną w postaci przekorygowanego trypletu z dwuwklęsłą soczewką w środku oraz znajdującej się w minimalnej odległości pojedynczej dwuwypukłej lub płasko-wypukłej soczewki ocznej. Abbe szybko zdaje sobie sprawę, że do ambitnych celów fabryki Zeissa, potrzebuje kompletnie nowych gatunków szkła i przekonuje 29-letniego Otto Schotta aby dołączył do niego w tworzeniu huty szkła w Jenie. W bardzo krótkim odstępie (6 lat) udaje im się stworzyć 44 rodzajów szkła, z których wiele było całkowicie nowe. W pierwotnej wersji twardy kron i gęsty flint zapewniają pole widzenia na poziomie 30°. Okular Ortho, który zostanie opatentowany w 1930 roku będzie już wykonany z wykorzystaniem znaczniej mniej typowych rodzajów szkła – kronu barowego, ekstremalnie gęstego flintu oraz borowego flintu, co pozwoliło zwiększyć pole własne okularu. Kolejny (asferyczny) wariant zostanie zaprojektowany dla Zeissa, prawdopodobnie przez Roberta Richtera w 1934 roku. Następny projekt (Kalliscopic Orthoskop, 1941 rok) zostanie stworzony dla Zeissa albo przez Albert Königa albo ponownie przez Richtera. W 1924 roku firma Goerz opatentuje dwie konfiguracje ortoskopów w układzie 1-3-1 i 2-3-2. Układ soczewek 1-3-1 to zbliżony do wersji Abbe tryplet, w towarzystwie płasko-wypukłej soczewki ocznej oraz menisku z drugiej strony. Zmiana ta powoduje zwiększenie pola widzenia do 60° ale skrócenie odstępu źrenicy do 0.59. Wersja 2-3-2 to 55° pola własnego i odległość źrenicy 0.46 ogniskowej. Obydwa projekty zostały wykorzystane główniej w konstrukcjach lornetek wojskowych podobnie jak „ortoskopy na sterydach” (o polu własnym 75°) opracowane w 1935 roku.

Część druga – https://astrofan.pl/od-keplera-do-naglera-cz-2/

 

766 views

Tagi:

Możesz również polubić…

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *