bigpo.ru
добавить свой файл
1
"Оправы и линзы" N2(20) 2000

Владимир Гуриков
Старший научный сотрудник Института истории естествознания
и техники Российской академии наук



РАЗВИТИЕ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ЛИНЗ


Сама природа создала первое стекло. Около 450 000 000 лет назад расплавленная порода из недр Земли устремилась на поверхность и вулканами пробила земную кору. Из горячей лавы, содержащей двуокись кремния, при затвердении образовывалось стекло. Вулканическое стекло называется обсидианом.

Человек делает стекло с древних времен. Египтяне более чем 5000 лет назад знали способ изготовления цветного стекла, которым они покрывали посуду, иногда делали бусы. Стеклянные флаконы для духов и мазей использовались в Египте более 3000 лет назад. Период Римской империи (1 век до н.э. - V век н.э.) был одним из величайших периодов в истории стекла. Именно в это время человек освоил, как выдувать стекло и каким образом придавать стеклянным предметам нужную форму и размер.

По своему составу египетское и римское стекла почти не отличались от простых сортов современного стекла (кремнезема - 57,9 до 69,4%; щелочей - от 14,9 до 30,5%; извести - от 3,4 до 5,6%; небольшое количество окиси железа, алюминия, магния). Песок, используемый при производстве стекла, имел примеси, и стекло приобретало зеленоватый или мутно-синеватый оттенок. Бесцветное стекло появилось в 1 веке до н. э. Его обесцвечивали добавлением перекиси марганца. При раскопках в Помпее были найдены бесцветные оконные стекла размером 72 х 54 см значительной толщины, но мало прозрачные. Прозрачного стекла, пригодного для оптических целей, в древности получено не было.

Сырье плавили в тиглях, из полученной полупрозрачной массы формировали изделия. На раннем этапе стеклоделия получали голубое и бирюзовое стекло, окрашенное медью. Позднее стали изготовлять синее стекло, окрашенное кобальтом. Со II в. до н. э. была освоена техника прессования стекла в открытых формах. Для выдувания стекла использовалось простое приспособление - выдувательная трубка. Стеклоделие было также известно в Сирии, Финикии, Причерноморье и Китае.

Впервые плоское и прозрачное стекло значительной толщины появилось во второй половине XIII в. По-видимому, именно это стекло было использовано венецианскими шлифовальщиками для изготовления очков. В 1454 г. в Венеции был издан закон о смертной казни за разглашение тайны получения венецианского стекла. Вплоть до XVI в. венецианское стекло считалось лучшим в мире.

Изобретение книгопечатания вызвало в середине XV в. повышенный спрос на очки. Очковые мастера появляются во всех крупных городах Европы. Техника шлифовки стекла все более совершенствуется. Входят в употребление специальные приспособления для шлифовки линз: бронзовые, железные, медные и латунные формы - "грибы" и "чашки" различных радиусов кривизны.

После изобретения телескопа и микроскопа описаниям шлифовальных станков уделяли немало места в своих произведениях выдающиеся ученые XVII в. И. Гевелий, X. Гюйгенс, Р. Декарт, И. Ньютон и др. и в более позднее время - Л. Эйлер, М.В. Ломоносов, уделяли большое внимание шлифовке и полировке линз и зеркал. Именно практические запросы заставили их заниматься этим. Так, благодаря повышению качества изготовления линз, а главное, благодаря тому, что ученые наконец осознали необходимость улучшения качества обработки линз, оптика в XVII в. превратилась из "чистой" науки в науку, имеющую огромное практическое значение. Оптические приборы (телескопы, зрительные трубы, а затем и микроскопы) становятся постепенно основными инструментами в руках ученых.



Стеклошлифовальный станок Х.Гюйгенса (XVII в.)







Особое внимание следует уделить шлифовальным станкам Рене Декарта, так как он пытался шлифовать линзы не со сферическими, а с асферическими поверхностями. Последнюю главу своего трактата он посвящает обработке линз с такими поверхностями. В этом разделе рукописи, получившей название "О методе шлифовки стекол", он приводит подробное описание и чертежи конструкций шлифовальных станков. Даже в наше время изготовление линз с асферическими поверхностями представляет значительные трудности. Во времена же Декарта разработка технологии изготовления подобных линз была поистине пионерским начинанием. В заключение своей "Диоптрики" Декарт впервые в научной литературе приводит приемы центрировки линз, при том с гиперболическими поверхностями: "Когда линзы шлифуют с обеих сторон, трудно добиться того, чтобы вершины двух гипербол были противоположны друг другу. В этом случае можно поступать следующим образом: сначала их края надлежит округлить на станке так, чтобы их окружность была абсолютно равна окружности подставок, к которым они будут прикреплены для полировки; затем в момент прикрепления линз, пока гипс, вар или цемент, с помощью которых их присоединяют, еще свежи и мягки, их пропускают вместе с подставками через кольцо, в которое они едва-едва входят" [1, с. 187].




Разумеется, состояние техники в эпоху Декарта не позволяло получать хорошие линзы с асферическими поверхностями. Подобные станки появились только триста лет спустя.
Стеклошлифовальные станки, которые строил другой знаменитый оптик XVII в. - Христиан Гюйгенс, - также весьма интересны в конструктивном отношении. В начале 1662 г. он совместно со своим братом Константином построил станок для шлифовки линз, приведенный на нашем рисунке. Об этом периоде деятельности Гюйгенса рассказывает письмо, написанное знаменитым Спинозой в ноябре 1665 г. секретарю Королевского общества Ольденбургу: "Гюйгенс занялся и теперь еще продолжает заниматься полировкой диоптрических стекол. С этой целью он завел себе довольно хороший станок, на котором может выделывать и отливные формы. Чего он этим достиг, я еще не знаю, да, по правде сказать, и не особенно жажду знать. Ибо из личного опыта я убедился, что при помощи сферических форм простыми руками можно полировать и лучше и безопаснее, чем какою бы то ни было машиною" [2, с. 104].










Станок для шлифовки линз Х.Гюйгенса (XVII в.)



XVII век был веком подлинной революции в оптике. Характерной особенностью этой революции было то, что первостепенное значение при научных исследованиях стала играть техника. Ученый мир Европы был потрясен астрономическими открытиями Галилея, сделанными им в 1609-1610 гг. при помощи телескопа. Галилей усовершенствовал технологию изготовления линз до такой степени, какой она еще никогда не достигала. Это позволило ему изготовить зрительную трубу тридцатикратного увеличения, в то время как зрительные трубы простых ремесленников-оптиков увеличивали всего в три раза.



Станок для шлифовки линз Рисунок И.Ньютона (XVII в.)







В XVII в. шлифовкой и полировкой линз занимались ученые самых различных специальностей. Для этих целей ими создавались станки, разрабатывались отдельные вопросы прикладной оптики.

Учитывая сказанное, неудивительно, что уже в 1666 г. Ньютон-студент занялся собственноручным изготовлением и шлифовкой линз и вогнутых зеркал для своих телескопов. Им были отшлифованы даже асферический линзы на им же собственноручно изготовленном станке. Однако никаких сведений об их качестве не сохранилось. В рукописях Ньютона имеется рисунок станка для шлифовки линз, приведенный на полях этой статьи, который он применял в своих занятиях практической оптикой [3].




В конце XIX в. произошел переход от группового привода шлифовальных станков к индивидуальному. Это расширило возможности совершенствования технологии механической обработки оптического стекла нескольких независимых перемещений последних. Этот метод, научное исследование которого было начато Ф. Престоном в 20-х годах XX в., получил название "классического". Однако при перенесении "классического" метода на процесс изготовления асферических линз возникли значительные трудности, связанные с тем, что этот метод исключительно благоприятен и легко реализуется лишь для формообразования сферических поверхностей. Последнее объясняется особенностями их геометрических свойств (любая сферическая поверхность допускает возможность трех независимых перемещений по сфере того же радиуса при сохранении взаимного соприкосновения во всех точках этих сфер). Используя "классический" метод для изготовления асферических линз, мастер стремился получить на сферической поверхности погрешности, соответствующие заранее заданному расчету и превращающие эту поверхность в асферическую. По образному выражению Д.Д. Максутова "оптик ... извлекал из арсенала своего опыта все приемы "как не следует полировать" и выбирал из них такие, которые ведут к появлению у изделия необходимых теперь ошибок". Известно, что таким путем в XVIII-XIX вв. изготовляли высококачественные асферические зеркала И.П. Кулибин, В.Н. Чикалев, О. Шотт. На собственноручных рисунках И.П. Кулибина мы можем увидеть процесс обработки асферического зеркала и положение режущего инструмента. Такая технология изготовления асферических поверхностей линз была усовершенствована в первой половине XX в. русскими оптиками А.А. Чикиным и Д.Д. Максутовым. Примерно в то же время (30-е годы XX в.) французский оптик Ш. Девен показал, что некоторые существенные элементы "классического" метода могут быть применены и для определенных асферических поверхностей, имеющих значительное отступление от ближайших им сферических.










Станок конца XVII - начала XVIII вв. Италия





Станок для полировки линз Й.Фраунгофера (начало XIX в.)







Наибольшее распространение в первой половине XX в. получили оптические станки с шатунно-кривошипным механизмом двух типов. Для первого типа характерным является наличие связи механизма движения поводка и шпинделя. Во втором типе станков поводок и шпиндель получали движение независимо друг от друга. Эти конструкции станков использовались в первой половине XX в. во всех странах, имеющих оптическую промышленность: в Германии (фирма "Карл Цейсс"), в Англии (фирма "Тейлор"), в Бельгии (фирма "Бухман оптикал индустрис"), в США (фирма "Рокет полишерс"), в СССР (фирмы "Геофизика", "ГОИ", "ЛОМЗ" и др.). Для кинематических схем этих станков было свойственно наличие фрикционной передачи.

Повышение требований к точности обработки оптических деталей неминуемо вело к поиску новых конструкций станков. В конце 40-х-начале 50-х годов XX в. появились оптические станки с пневматическим приводом.

Повышение требований к аберрационным характеристикам оптических систем побудило конструкторов оптических приборов вновь вернуться к вопросу обработки линз с асферическими поверхностями. Преимущества, которыми обладают оптические системы с асферическими поверхностями благодаря наличию у них дополнительных расчетных параметров были достаточно хорошо известны еще в XVII в. Р. Декарту, И. Ньютону, Г. Кассегрену, Д. Грегори. Однако в то время практическая реализация идеи создания асферической оптики была невозможна.




Вопрос изготовления линз с асферическими поверхностями был вновь поднят в 20-х годах XX в. На первых порах обработку асферических поверхностей линз пытались производить тем же путем, что и обычных сферических линз, т.е. путем взаимного формирования через прослойку свободного абразива инструмента.

Трудности, возникшие уже на первом этапе развития технологии получения асферической оптики, побуждали специалистов искать иные методы решения проблемы. Первой попыткой в этом направлении следует считать схему станков Рэне Декарта. Интересно отметить, что хотя эта схема была предложена Декартом еще в середине XVII в., она смогла быть практически реализована лишь в середине XX в. фирмой Цейсс.

Первые инженерные подходы к процессу формообразования линз с асферическими поверхностями были предложены в 30-х годах XX в. Б. Шмидтом и Д. Стронгом. В 40-х годах XX в. Жефри разработал схему станка, предназначенного для изготовления вогнутых конических поверхностей.

В настоящее время реализовано большое число различных методов получения асферической оптики. Значительное место среди них принадлежит методам, предложенным советскими учеными И.А. Турыгиным, М.М. Русиновым, М.Н. Семибратовым, Л.С. Цеснеком, О.Г. Карлиным и др. Асферическая оптика все чаще применяется при расчете и изготовлении сложных оптических систем как в нашей стране, так и за рубежом.









Первый макет шлифовального станка Зейделя (XIX в.)





Многошпиндельный стеклошлифовальный станок XIX в.







Литература
1. Декарт Р. Рассуждение о методе с приложениями. Диоптрика ... М.: Изд-во АН СССР, 1953.
2. Франкфурт У.И., Франк А.М. Христиан Гюйгенс. М.: Изд-во АН СССР, 1962.
3. Гуриков В.А. Становление прикладной оптики. XV-XIX века. М.: Наука, 1983, с. 44-51