Начало истории изготовления линзоподобных деталей лежит в глубокой древности [1, 2]. Среди других большая, хорошо сохранившаяся плосковыпуклая линза из горного хрусталя диаметром 55 мм в оправе (фокусное расстояние около 150 мм), изготовленная 2500 лет до нашей эры, была обнаружена Г. Шлиманом в 1890 году при его знаменитых раскопках Трои. Линзы из искусственно созданного материала – стекла, изготовленные в 600–400 гг. до Р.Х., были найдены в Саргоне (Месопотамия). Двояковыпуклая линза из горного хрусталя диаметром 500 мм, изготовленная в 500 году, найдена в Швеции в 1877 году. Список найденных античных линз весьма обширен. Однако, о возможном применении этих линз можно лишь догадываться. Первое достоверное описание способности линз создавать увеличенное изображение предмета мы находим в трудах монаха францисканского ордена Роджера Бэкона (1214–1294), выпускника Оксфордского университета, одного из замечательных ученых и мыслителей XIII века.
В одном из своих трудов Р. Бэкон писал: “Прозрачные тела могут быть так обработаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными и наоборот, так что на невероятном расстоянии будем читать малейшие буквы и различать мельчайшие вещи, а также будем в состоянии усматривать звезды, как пожелаем”. Из этих строк со всей очевидностью следует, что автор прекрасно понимал свойства линз, выполненных в виде обратного телеобъектива, и понимал, что если фокальный отрезок , то оптическая сила , при этом линза превращается в однокомпонентную зрительную трубу, о чем, собственно, и пишет Р. Бэкон в конце фразы. Спустя более трех столетий подобную зрительную трубу, но из двух линзовых компонентов, изготовил выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей (1564–1642).
Практически одновременно с изобретением зрительной трубы был изобретен и сложный микроскоп. Один из претендентов на изобретение сложного микроскопа – Г. Галилей обнаружил, что его зрительная труба в сильно раздвинутом состоянии позволяет сильно увеличивать мелкие предметы. Факт изобретения микроскопа Галилеем подтверждает его биограф Д. Вивиани: “Изобретение телескопа привело великого мужа к изобретению микроскопа … В 1612 году он послал один свой микроскоп польскому королю Казимиру”. Термин “микроскоп”, насколько известно, впервые был применен в 1625 году членом римской Академии Г. Фабером именно к построенному Галилеем прибору.
Известно, что микроскопы, изготовленные Корнелием Дребелем из Алькмара в Голландии, показывали предмет в перевернутом виде. Отсюда следует, что микроскопы Дребеля состояли из двух положительных (выпуклых) линз, дающих перевернутое изображение наблюдаемого предмета. В своей “Диоптрике” Христиан Гюйгенс писал: “В 1621 году Дребель, голландец, живший в Лондоне, был известен как обладатель таких сложных микроскопов и считался всеми их изобретателем”. Сложный микроскоп, состоящий из двояковыпуклого объектива и двояко- или плосковыпуклого окуляра, явился прототипом современных сложных микроскопов. Обладая, однако, большим и неустранимым (при техническом уровне того времени) хроматизмом, сложный микроскоп не был в состоянии конкурировать с простой лупой.
Около 1660 года итальянец делла Торре изготовлял шарообразные лупы (застывшие капли стекла), диаметр которых доходил до 0,17 мм, дававшим 1500-кратное увеличение изображения.
Наиболее знаменитой личностью в истории микроскопии является Антони ван Левенгук (1632–1723 гг.), живший в голландском городе Дельфте, строивший и применявший для исследований простые микроскопы (по сути дела, короткофокусные лупы) с увеличением образованного изображения до трехсот крат [3]. Левенгук впервые наблюдал и описал мир микроскопических организмов, в том числе и одноклеточных (бактерий). Для наблюдения движения кровяных телец в капиллярных сосудах хвоста молодого угря он даже построил специальный микроскоп. В 1698 году Левенгука посетил русский царь Петр I, находившийся в то время в Голландии. Несомненно, что сам Петр и его соратники закупили и привезли из своих заграничных поездок ряд простых и сложных микроскопов для организованной в Петербурге Кунсткамеры. После создания Академии наук микроскопы перешли в ее ведение. Здесь они были под рукой у молодых русских ученых, возглавляемых М.В. Ломоносовым. Они могли поэтому не только по достоинству оценить значение этого оптического инструмента для развития биологии, медицины и других естественных наук, но и сами принять участие в его усовершенствовании.
В 1747 году действительный член Петербургской академии наук Леонард Эйлер (1707–1783) предложил идею создания ахроматического объектива микроскопа. Фундаментальная работа Л. Эйлера в области геометрической оптики нашла отражение в его трехтомной “Диоптрике”, вышедшей в 1769–1771 годах. О вопросах, рассмотренных в “Диоптрике”, дает достаточно конкретное представление опубликованная в 1774 году Н. Фуссом – учеником Л. Эйлера – работа: “Подробное наставление по приведению телескопов самых разнообразных видов к наивысшей возможной степени совершенства, извлеченное из диоптрической теории Г.Эйлера старшего и доступно изложенное для всех мастеров этого дела. С описанием микроскопа, который можно считать наиболее совершенным в своем роде и который может давать любые желательные увеличения”. В 1784 году была опубликована работа действительного члена Петербургской академии наук Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724–1802): “Ахроматический микроскоп новой конструкции, пригодный для рассматривания объективов в свете, отраженном их поверхностью”. В этом же году микроскоп Ф. Эпинуса был изготовлен. Воспитатель императора Александра I Ф.Ц. Лагарк видел этот инструмент и в письме к Ж.М. Фавру от 8 августа 1785 года об Эпинусе и его инструменте писал: “Он только что усовершенствовал микроскоп до такой степени, что больше сделать невозможно. Каждый предмет виден с необыкновенной ясностью и сохраняет свою природную окраску. Это еще не единственное преимущество. Микроскоп приделан к подзорной трубе в три фута длиною, им можно управлять с необыкновенной легкостью, и, укорачивая или удлиняя трубу, можно видеть весь предмет или только его часть, достигая произвольного увеличения, если желают с большим или меньшим вниманием рассмотреть какую-либо часть его. Наконец, так как объектив находится на расстоянии 10 дюймов от предмета, а наблюдатель на три фута позади, то вы понимаете, сударь, что можно наблюдать за всеми движениями насекомых, не пугая их. Это изобретение представляет великую возможность для отечественной истории и наделает много шуму, когда с ним более познакомятся”. Это, весьма лаконичное, но предельно четкое, описание микроскопа Ф. Эпинуса дает ясное представление о принципиальной схеме, положенной в основу его построения. Отсюда следует, что в укомплектованном шестью сменными объективами ахроматическом микроскопе Ф. Эпинуса предусмотрена возможность плавного изменения увеличения за счет изменения расстояния между предметом и изображением (за счет изменения длины тубуса). Таким образом, благодаря трудам Л. Эйлера, Н. Фусса, Ф.У.Т. Эпинуса и других именно в России была разработана и осуществлена первая в мире конструкция ахроматического микроскопа переменного увеличения. Идея изменения увеличения микроскопа путем изменения длины его тубуса не получила продолжения в последующих схемах. Тем не менее, сам факт ее осуществления имеет огромное значение для понимания развития прикладной оптики.
Работа по изготовлению двух ахроматических микроскопов была поручена немецкому оптику И.Г. Тидеману из Штутгарта на средства, отпущенные университетом в Дерпте (ныне Тарту). В 1808 году эти инструменты были изготовлены. Один из ахроматических микроскопов Эпинуса сохранился до наших дней и находится в Политехническом музее в Москве (принадлежит Институту истории, естествознания и техники РАН). Наиболее короткофокусный ( =13 мм) из шести объективов микроскопа имеет числовую апертуру А=0,18, которой соответствует полезное увеличение Г=180?. Практически увеличение можно было довести до 520?, а при раздвинутом тубусе – даже до 720?. Такое бесполезное увеличение делает изображение несколько нерезким. Теоретическая разрешающая способность микроскопа определяется в 640 линий на мм; практически он свободно разрешает 400 линий на мм.
В 1807 году голландский оптик ван Дейль опубликовал описание сконструированного им ахроматического микроскопа, который западноевропейские историки обычно признают первым удовлетворительным микроскопом-ахроматом. Однако, он во всех отношениях уступает микроскопу Эпинуса. Объективы ван Дейля, изготовленные в 1813 году, имеют апертуру не более 0,13 и разрешают 200 линий на мм. Еще менее совершенными были ахроматические микроскопы, которые в 1811 году начал выпускать известный оптик Иозеф Фраунгофер (1787–1826 гг.).
В первой половине XIX века возникло большое число оптических фирм, выпускающих микроскопы. Зачатки производства микроскопов в России, возникшие в XVIII веке, постепенно заглохли в начале XIX столетия. Впрочем, есть свидетельства, что около 1820 года оптическая мастерская при Казанском университете изготовляла микроскопы высокого качества. Однако, оптическая промышленность в России не развивалась, поскольку правительство предпочитало импортировать оптические приборы из-за рубежа.
Развитию микроскопии много содействовал итальянский оптик, ботаник и астроном Джамбаттиста Амичи (1786–1863 гг.). В 1827 году он разработал и изготовил объектив-ахромат с числовой апертурой 0,60 при хорошей коррекции аберраций. В 1844 году Амичи начал опыты применения водной и масляной иммерсии, приведшие в 1850 году к созданию объектива с водной иммерсией при апертуре 1,30. Однако, современные объективы с масляной иммерсией с числовой апертурой 1,50 стали возможными только после выдающихся работ немецкого оптика Эрнста Аббе (1840–1905 гг.), установившего закон синусов, позволяющий устранять кому в пределах малой величины предмета (в пределах малого линейного поля), что очень важно именно при больших апертурах. Кроме того, на основании развитой им теории образования изображения в микроскопе он внес ясность в вопрос о разрешающей способности микроскопа. Под его руководством в 1872 году была рассчитана и изготовлена фирмой “К. Цейсс” в Йене серия первоклассных микрообъективов-ахроматов с различной апертурой до апертуры 1,50. В 1886 году фирма “К. Цейсс”, руководимая Аббе, выпустила серию из восьми апохроматов (с компенсационными окулярами), а в 1888 году она создала апохромат с монобромнафталиновой иммерсией при апертуре 1,60. В 1938 году Г.Богехольд закончил работы по расчету серии объективов-планахроматов, отличающихся плоской поверхностью изображения. Характеризуя роль творчества Аббе, академик Д.С. Рождественский писал: “Аббе впервые ясно показал, что каждой остроте инструмента соответствует свой предел возможности. Нельзя грубыми пальцами обрабатывать даже мягкий материал с точностью до сотой доли миллиметра, для этого нужны тонкие инструменты. Тончайший же из всех инструментов – это длина волны. Нельзя видеть объекта меньше полудлины волны – утверждает дифракционная теория Аббе, и нельзя получить изображение меньше полудлины волны, то есть меньше 1/4 микрона … Таким образом, гением Аббе установлено сознательное творчество в микроскопии и достигнуты пределы возможного”. Теория образования изображения Э. Аббе получила развитие в трудах отечественных ученых Л.И. Мандельштама и академика Д.С. Рождественского. Д.С. Рождественский ввел понятие об относительной некогерентности освещения, выражаемой отношением числовых апертур осветительного устройства (конденсора) и объектива микроскопа. Для создания оптимальных условий освещения в микроскопе сотрудником предприятия “К. Цейсс” Р. Рихтером еще в 1939 году было запатентовано осветительное устройство, содержащее панкратическую систему, назначение которой состояло в плавном изменении апертуры осветительного пучка при одновременном изменении величины освещаемого участка наблюдения [4]. Отечественный вариант такого осветительного устройства серийно выпускался под шифром ПК-3 и входил в комплект исследовательского биологического микроскопа МБИ-15 [5]. И, тем не менее, проблема согласования параметров осветительной системы микроскопа с параметрами сменных объективов и сегодня представляется весьма непростой. Начиная с 30-х годов прошлого столетия, сначала на заводе “Прогресс”, а затем на “ЛОМО” разрабатывались и серийно выпускались все известные типы микроскопов и принадлежностей к ним.
Крупный вклад в становление и развитие отечественного микроскопостроения внесли Д.С. Рождественский, В.П. Линник, Е.Г. Яхонтов, А.Н. Захарьевский, А.И. Тудоровский, Г.Г. Слюсарев, В.Н. Чуриловский.
Выпускаемые отечественной промышленностью микроскопы по своим оптическим характеристикам и конструктивному исполнению не уступают лучшим образцам передовых зарубежных фирм. В том большая заслуга Л.Н. Андреева, А.П. Грамматина, В.А. Зверева, Д.Ю. Гальперна, С.А. Гершгорина, Т.А. Ивановой, Д.Д. Максутова, В.А. Панова, Н.И. Полякова, М.М. Русинова, Г.Д. Рабиновича, Г.Е. Скворцова, Т.И. Соколовой, Д.Н. Фролова и др., которые своими теоретическими и экспериментальными исследованиями способствовали дальнейшему успешному развитию отечественной микроскопии.
2005 - 2023. Все права защищены. При копировании материалов активная ссылка на сайт обязательна!
