История развития оптического приборостроения

Первыми россиянами, увидевшими микроскоп и заглянувшими в него, были врач П. В. Постников и Петр I. Однако сведения о микроскопе проникли на Русь уже за четверть века до них. Кроме того, всего лишь через шесть лет после изобретения зрительной трубы в Голландии, она была доставлена в Москву.

Путешествуя по Европе, беседуя с учеными и рассматривая различные собрания редкостей, Петр I с его поразительной зоркостью и дальновидностью понял роль экспериментов и физических приборов. По его распоряжению Андреем Нартовым (1693 — 1756) и др. закупались и заказывались впрок телескопы, микроскопы и другие оптические приборы. Постепенно создалась коллекция физических приборов, размещенных в одной из комнат Кунсткамеры, которая была открыта в 1714 году.

В 1698 году в Россию был приглашен Логин Шеппер, который сначала в Москве, а затем в Петербурге организовал при дворе Петра I оптические мастерские. В мастерских производились подзорные трубы, микроскопы и другие оптические инструменты. Шеппер был высококвалифицированным и образованным мастером. Он воспитал несколько учеников, наиболее талантливым из которых был Иван Елисеевич Беляев. После смерти Шеппера в 1718 году именно Беляев возглавил дворцовую мастерскую.

В 1726 году в Петербург прибыл Лейтман со своими инструментами и станками. Лейтмана можно назвать отцом практической оптики и точной механики в России. Он еще был известен Петру I как автор книг о часах и шлифовке стекол. Организовав мастерские, Лейтман стал заниматься изготовлением точных весов, полировкой линз с параболическими поверхностями, постройкой ньютонова телескопа и прочих приборов.

Солнечный микроскоп изобрел Либеркюн (1711 - 1756), принцип работы которого заключался в том, что пучок солнечных лучей направлялся на экран через конденсор, объект и объектив (микроскоп проходящего света). На экране в затемненной комнате зрители наблюдали изображение объекта.

В 1761 году, академик Ф.Т. Эпинус (1724 - 1802) представил проект солнечного микроскопа, а в1784 г. он опубликовал сообщение о своем «Ахроматическом микроскопе новой конструкции, пригодном для рассматривания объектов в свете, отраженном их поверхностью». В самом начале 1784 года он сам сконструировал первый опытный экземпляр своего ахроматического микроскопа. Эпинус отчетливо понимал, какое значение имеет создание ахроматического микроскопа. В период с 1805 по 1808 г. Эпинус создал вторую, более совершенную конструкцию этого микроскопа, который хранится сейчас в Государственном политехническом музее (Москва). Название «телескопический микроскоп» он получил из-за длины тубуса (около метра) и некоторых особенностей конструкции штатива, напоминающих телескоп.

В первой половине XIX века во всех странах западной Европы в сумме производилось около 2000 микроскопов в год. Это было временем изучения микробов, возглавляемого Пастером (1822 - 1895). Появилась наука о клетке - цитология. По мере исследований ученые стали предъявлять повышенные требования к качеству изображения. В связи с этим оптическим мастерским необходимо было осваивать и совершенствовать изготовление ахроматических объективов, т.к. в то время считалось, что основным препятствием совершенствования микрообъективов является наличие в них хроматической аберрации.

В 1824 году громадный успех микроскопии принесла идея французского оптика Селлинга (Саллига). Идея заключалась в расчленении объектива на части. В результате он стал состоять уже из нескольких ахроматических пар линз, что позволяло увеличить число параметров, необходимых для исправления аберраций системы. Появились микроскопы с большим увеличением (500 - 1000 крат).

Итальянский оптик, ботаник и астроном Джамбаттиста Амичи (1786 - 1863) создал объектив-ахромат с числовой апертурой 0,60 и хорошей коррекцией аберраций. В 1844 году он начал опыты по созданию объективов водной и масляной иммерсий. В 1850 году Амичи создал объектив с апертурой 1,30. В результате к середине столетия граница видимости достигла полмикрона, т.е. доступными для изучения стали предметы размером в одну длину волны.

Совершенствование микроскопа и развитие биологии начались возрастающими темпами. Оптические фирмы состязались друг с другом в конкурентной борьбе, совершенствуя при этом качество объективов. Но по-прежнему число линз и их параметры определялись эмпирически без всякого расчета.

Тридцатые годы XIX века - период бурного расцвета оптического производства. Появились различные фирмы, например, французские фирмы Нашэ и Оберхойзера, австрийская фирма Г.С. Плессля, а также немецкие фирмы Л. Пистора, Ф. Шика, «Утцшнейдера и Фраунгофера» и т.д. Конкуренция между фирмами привела к значительному удешевлению оптических приборов. Владельцы фирм стали понимать, что конкуренцию может выдержать лишь тот, кто будет повышать увеличение микроскопа и качество изображения. Постепенно пришло осознание того, что для разработки качественной микрооптики необходим математически обоснованный расчет. Впервые ремесленники стали проявлять инициативу и обращаться за помощью к ученым.

Джозефа фон Фраунгофера (1787 - 1826) называют основателем немецкой оптической промышленности. Формально он не получил классического образования, был, так сказать, самоучкой. Работая в оптической мастерской в Мюнхене, Фраунгофер разработал новые методы шлифования, изобрел станок для полировки, улучшил состав материала полировки, контролировал качество изготовления линз с помощью пробного стекла, занимался разработкой ахроматических объективов для телескопов и микроскопов, а, кроме того, разрабатывал новые марки стекол. Он также известен как создатель первой дифракционной решетки, состоящей из 260 параллельных проволок (1821). При разработке теории дифракции Фраунгофер использовал эти решетки для измерения длины световой волны.

Ярким примером сотрудничества промышленника и ученого служат Карл Цейсс и Эрнст Аббе. В 1846 году механик Карл Цейс (1816 - 1888) получил разрешение на ведение дела и открыл мастерскую в Йене. Он выполнял различные механические ремонтные работы: микроскопов, весов, очков, паяльных трубок, пинцетов и т.д. Один из профессоров ботаники Йенского университета Шлейден на протяжении многих лет пользовался услугами Цейсса, который выполнял его заказы.

Однажды Шлейден посоветовал Цейссу специализироваться на изготовлении микроскопов и удостоверил в письменном виде качество его первых простых микроскопов. В тот период мастерскую Цейсса можно было считать средним ремесленным предприятием.

Впоследствии у него созрел план привлечь к работе сотрудника, обладающего хорошими знаниями по математике и физике. Сначала Цейсс привлек к работе известного в Йене математика Барфусса (1809 - 1854). Сотрудничества между ними не получилось, тем не менее, Цейсс не отказался от своей идеи. Лишь в шестидесятых годах, т. е. в то время, когда он стал университетским механиком (по совместительству), ему удалось найти в лице Эрнста Аббе нужного ему научного сотрудника. Карл Цейсс создал на своей фирме все условия для проведения дорогостоящих экспериментов для изготовления опытных образцов по расчетам нового сотрудника.

Свои исследования в области улучшения конструкции микроскопов Аббе опубликовал в 1873 году. Прежде всего Аббе показал, какую роль в образовании микроскопического изображения играют объектив и окуляр этого оптического инструмента. Далее Аббе дал классификацию аберраций, искажающих изображение при наблюдении через микроскоп. Однако самой большой заслугой Аббе было установление тех пределов, которые ставит перед конструкторами оптических систем волновая природа света. В своей теории Аббе указал границы разрешающей способности оптических микроскопов.

История электронной микроскопии началась с теоретических работ немецкого физика Ганса Буша о влиянии электромагнитного поля на траекторию заряженных частиц. В 1926 году он доказал, что такие поля могут быть использованы в качестве электромагнитных линз, установив таким образом основополагающие принципы геометрической электронной оптики. В ответ на это открытие возникла идея электронного микроскопа. Две команды — Макс Кнолл и Эрнст Руска (1906 - 1988) из Берлинского технического университета и Эрнст Бруш из лаборатории EAG, попробовали реализовать эту идею на практике. И в 1932 году Кнолл и Руска создали первый просвечивающий электронный микроскоп. Таким образом, просвечивающий электронный микроскоп во многом подобен световому микроскопу, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В 1986 году половину Нобелевской премии получил немецкий физик

Эрнст Руска «За работу над электронным микроскопом», а вторую половину премии разделили немецкий физик Герд Биннинг и швейцарский физик Генрих Рорер «За изобретение сканирующего туннельного микроскопа».

В Советском Союзе работы по микроскопостроению были начаты в ГОИ примерно в 1924 году. В 1932 году в институте были рассчитаны и изготовлены первые микрообъективы и начато производство микроскопов в небольших количествах в мастерских ГОИ. А уже в 1936 году было организовано крупносерийное производство микроскопов.

Задача создания отечественных микроскопов была сложной и трудной из-за отсутствия в литературе сведений о методах варки оптического стекла, способах расчета, изготовления, сборки и контроля качества изображения объективов микроскопа и, кроме того, отсутствия кадров квалифицированных оптиков и механиков. Каждая фирма не спешила расставаться со своими секретами производства.

В кратчайшие сроки были сделаны расчеты почти всех известных в то время микрообъективов, а также разработана технология варки разнообразных сортов оптического стекла.

В ГОИ и оптико-механических заводах были разработаны все виды микроскопов и методов контрастирования. В дальнейшем работа над созданием промышленных отечественных микроскопов была поручена оптико-механическому заводу ЛОМО.

Потребность получения количественной информации об изучаемом объекте и успехи в электронике создали предпосылки для превращения микроскопа из прибора для качественных исследований в прибор для количественных исследований.

Современные оптические микроскопы оснащены приемниками излучения и устройствами для дальнейшей переработки полученной информации. Ультрафиолетовая и инфракрасная микроскопия, высоко-и низкотемпературная микроскопия, люминесцентная и поляризационная микроскопия, микроспектрофотометрия, конфокальная микроскопия и т.д. применяются в современных исследовательских лабораториях и наукоемких предприятиях.

Поиск по сайту: