Оптические приборы, вооружающие глаз. Очки. Кто изобрел увеличительное стекло?

Если оставить в стороне отрывочные данные, которые восходят еще к античным временам, то увеличительные стекла стали объектом научного рассмотрения уже в эпоху раннего средневековья. Еще Альхазен исследовал увеличение, создаваемое стеклянной сферой, рассматривая его как оптическую иллюзию. Позже появились очки, которые не могли быть результатом теоретического рассмотрения, ибо нельзя себе представить, чтобы при средневековой теории зрения можно было даже прийти к мысли о возможности исправления его дефектов. Открытие это было, вероятно, случайным, и вполне вероятно допустить, что его автором является кто-то из изготовителей стекла.

То, что это открытие было сделано ремесленниками, подтверждается и народным происхождением слова "lente" (линза) от слова "lenticchia" (чечевица), которое ученые XVI века решили несколько облагородить, латинизировав его.

Впервые линзы для целей науки применил Бэкон. Известно, что он использовал их во многих опытах и даже поднес одну папе Клименту IV, прося его попробовать применить ее. Бэкон избегает специального названия и говорит о «приспособлении». Даже в XVI веке Иероним Кардан, всегда туманно изъясняющийся латинист, называет линзы "orbem e vitro" – выражение, которое его французский переводчик то ли не понял, то ли не смог правильно выразить по-французски и прямо перевел "rotondite faite du verre" (округлость, сделанная из стекла). В течение трех веков после Бэкона в трудах ученых нельзя было отыскать упоминания об «очках для старых», как назывались двояковыпуклые стекла, или «очках для молодых» – двояковогнутых стеклах для коррекции близорукости.

Двояковогнутые стекла появились, очевидно, позже двояковыпуклых и тоже, видимо, случайно были изобретены мастерами-стекольщиками или явились результатом элементарного рассуждения: если выпуклые стекла помогают зрению стариков, то вогнутые должны, наоборот, помогать зрению молодых. К середине XIV века очки уже получили достаточно широкое распространение – на фреске 1352 г. изображен монах в очках. В 1743 г. французский естествоиспытатель Бюффон Жорж Луи Леклерк предложил окклюзию (лат. occlusio – запирание, скрывание) здорового глаза с целью исправления косоглазия и восстановления остроты зрения больного глаза. Этим методом пользуются и сейчас.

Хотя глаз и не представляет собой тонкую линзу, в нем можно все же найти точку, через которую лучи проходят практически без преломления, т.е. точку, играющую роль оптического центра. Оптический центр глаза находится внутри хрусталика вблизи задней поверхности его. Расстояние h от оптического центра до сетчатой оболочки, называемое глубиной глаза, составляет для нормального глаза 15 мм.

Зная положение оптического центра, можно легко построить изображение какого-либо предмета на сетчатой оболочке глаза. Изображение всегда действительное, уменьшенное и обратное. Угол ц, под которым виден предмет S1S2 из оптического центра О, называется углом зрения.

Сетчатая оболочка имеет сложное строение и состоит из отдельных светочувствительных элементов. Поэтому две точки объекта, расположенные настолько близко друг к другу, что их изображение на сетчатке попадают в один и тот же элемент, воспринимаются глазом, как одна точка. Минимальный угол зрения, под которым две светящихся точки или две черные точки на белом фоне воспринимаются глазом ещё раздельно , составляет приблизительно одну минуту. Глаз плохо распознает детали предмета, которые он видит под углом менее 1". Это угол, под которым виден отрезок, длина которого 1 см на расстоянии 34 см от глаза. При плохом освещении (в сумерках) минимальный угол разрешения повышается и может дойти до 1є.

Рис. 3. Коррекция изображения рассматриваемых предметов: а - угол зрения φ = S1' S2' / h = S1 S2 / D; б – при увеличении угла зрения увеличивается изображение рассматриваемого предмета на сетчатке; N = b' / b = φ' / φ .

Приближая предмет к глазу, мы увеличиваем угол зрения и, следовательно, получаем возможность лучше различать мелкие детали. Однако очень близко к глазу приблизить мы не можем, так как способность глаза к аккомодации ограничена. Для нормального глаза наиболее благоприятным для рассматривания предмета оказывается расстояние около 25 см, при котором глаз достаточно хорошо различает детали без чрезмерного утомления. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения. Для близорукого глаза это расстояние несколько меньше, поэтому близорукие люди, помещая рассматриваемый предмет ближе к глазу, чем люди с нормальным зрением или дальнозоркие, видят его под большим углом зрения и могут лучше различать мелкие детали.

Значительное увеличение угла зрения достигается с помощью оптических приборов. По своему назначению оптические приборы, вооружающие глаз, можно разбить на следующие большие группы.

1. Приборы, служащие для рассматривания очень мелких предметов (лупа, микроскоп). Эти приборы как бы «увеличивают» рассматриваемые предметы.
2. Приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов (зрительная труба, бинокль, телескоп и т.п.). Эти приборы как бы «приближают» рассматриваемые предметы.

Благодаря увеличению угла зрения при использовании оптического прибора размер изображения предмета на сетчатке увеличивается по сравнению с изображением в невооруженном глазе и, следовательно, возрастает способность распознавания деталей. Отношение длины b на сетчатке в случае вооруженного глаза b' к длине изображения для невооруженного глаза b (рис.11,б) называется увеличением оптического прибора.

С помощью рис. 3,б легко видеть, что увеличение N равно также отношению угла зрения ц' при рассматривании предмета через инструмент к углу зрения ц для невооруженного глаза, ибо ц' и ц невелики.

Итак, N = b' / b = φ' / φ ,
где N – увеличение предмета;
b' – длина изображения на сетчатке для вооруженного глаза;
b - длина изображения на сетчатке для невооруженного глаза;
φ' – угол зрения при рассматривании предмета через оптический инструмент;
φ – угол зрения при рассматривании предмета невооруженным глазом.