Nablyudenie solnechnyh pyaten s klassicheskoi kameroi obskuroi: kommentarii
15.02.2002 16:41 | R. E. Il'inskii

Nablyudenie solnechnyh pyaten s klassicheskoi kameroi obskuroi: kommentarii

R.E. Il'inskii

Dannaya stat'ya yavlyaetsya kriticheskim kommentariem serii statei V.G.Surdina. Odna iz statei dannoi serii, davshaya nazvanie i dannoi rabote, "Nablyudenie solnechnyh pyaten s klassicheskoi kameroi-obskuroi" [1], takzhe opublikovana na etom saite. Redakciya.

Za poslednie neskol'ko let V. G. Surdinym byl opublikovan ryad statei  [1,2,3,4,5,6], gde on vyskazal gipotezu ob ispol'zovanii v "doteleskopnyi" period bezlinzovoi kamery-obskury (BLKO) dlya nablyudeniya solnechnyh pyaten i popytalsya podtverdit' etu gipotezu eksperimental'no.

Prezhde chem pereiti k nablyudeniyu solnechnyh pyaten s pomosh'yu BLKO V. G. Surdin v svoei stat'e [1] utverzhdaet, chto glazom mozhno nablyudat' tol'ko pyatna razmerom " 3'-4', a ryadovoe solnechnoe pyatno imeet uglovoi razmer okolo 0.3' ", t. e. men'she 1' - predela razresheniya normal'nogo chelovecheskogo glaza. Podobnoe utverzhdenie ploho soglasuetsya s tem, chto V. G. Surdin v sozdannoi im BLKO nablyudal solnechnye pyatna "diametrami 15" i 17", razdelennyh rasstoyaniem v 1' ", hotya "teoreticheskoe razreshenie nashei kamery okolo 40'' ". V [12] pokazano, chto nablyudenie prohozhdeniya planety Merkurii (uglovoi razmer 12") po disku Solnca lezhit tol'ko nemnogo za predelami vozmozhnostei chelovecheskogo glaza. Ukazannye fakty podtverzhdayut vozmozhnost' nablyudeniya glazom solnechnyh pyaten diametrom v 20"-30".

V. G. Surdin v svoei stat'e [1] ukazal neskol'ko izvestnyh emu faktov ispol'zovaniya BLKO dlya astrologicheskih nablyudenii v "doteleskopnyi" period. Gorazdo bolee podrobno ob etom napisano v knige [11]: v 1279 g. anglichanin Dzhon Penham predlozhil ispol'zovat' BLKO dlya nablyudenii za dvizheniem Solnca; v yanvare 1544 g. gollandskii matematik Gemma Frizius nablyudal s pomosh'yu kamery-obskury solnechnoe zatmenie. Ispol'zoval kameru-obskuru (iz [11] ne sovsem ponyatno byla ona s linzoi ili bez) v svoih astrologicheskih issledovaniyah Kepler. V 1607 g. on nablyudal s ee pomosh'yu prohozhdenie Merkuriem solnechnogo diska. V [11] ukazano, chto v arhive AN SSSR hranilos' pis'mo tirol'skogo hudozhnika M. Shtol'ca, v kotorom on prosit Keplera vyskazat' svoe mnenie o kamere-obskure, skonstruirovannoi avtorom pis'ma dlya zarisovok s natury.

V. G. Surdin v svoei stat'e [1] pishet:

K sozhaleniyu, v russkom yazyke pod terminom "kamera-obskura" ob'edinilis' dva raznyh pribora: 1) klassicheskaya "temnaya korobka s malen'kim otverstiem", igrayushim rol' primitivnogo ob'ektiva, i 2) proekcionnaya linzovaya kamera, prototip fotokamery. Takoe smeshenie poroi stanovitsya prichinoi kazusnyh situacii v russkoyazychnoi literature, kotoryh inogda udaetsya izbegat' v angliiskom yazyke, poskol'ku dlya klassicheskoi bezlinzovoi kamery v nem primenyaetsya termin "pinhole camera", a ee analog s linzovym ob'ektivom obychno nazyvayut "camera obscura".

Interesno sravnit' etot abzac s citatoi iz stat'i [9]:

Lensless imaging is known as the basis of the camera obscura, or pinhole imagery. (Bezlinzovyi izobrazhayushii pribor izvesten kak osnova "camera obscura" ili "pinhole imagery".)

Sledovatel'no, i v angliiskom yazyke terminom "kamera-obskura" mogut nazyvat'sya kak linzovye, tak i bezlinzovye ustroistva. Istorikam nauki zhelatel'no imet' eto v vidu.

Chto kasaetsya kamer-obskur, kotorye ispol'zovalis' v pervyh opytah po fotografii (o nih upominaet v svoih stat'yah V. G. Surdin), to tut ne nuzhny nikakie dogadki. Tipy kamer osnovopolozhnikov fotografii N'epsa, Dagera i Talbota horosho izvestny istorikam nauki [11]. Mozhno napomnit', chto perepiska N'epsa i Dagera byla izdana AN SSSR [20].

Redko v kakom nachal'nom kurse optiki ili populyarnoi literature na etu zhe temu ne upominaetsya BLKO. Gorazdo rezhe daetsya pravil'noe opisanie formirovaniya izobrazheniya BLKO. Uzhe odno to, chto o BLKO rasskazyvayut v razdele "Pryamolineinoe rasprostranenie sveta" [16] vyzyvaet, po men'shei mere, udivlenie. BLKO yavlyaetsya hotya i prosteishim, no difrakcionnym elementom.

Korotko rassmotrim formirovanie izobrazheniya BLKO dlya sluchaya, kogda izobrazhaemyi predmet beskonechno udalen ot BLKO. Vyberem na izobrazhaemom ob'ekte tochku, kotoraya nahoditsya na osi BLKO (t. e. lezhit na pryamoi prohodyashei cherez centr kruglogo otverstiya i perpendikulyarnoi ploskosti nablyudeniya). Ochevidno, chto volnovoi front, prishedshii iz vybrannoi tochki na otverstie BLKO, budet ploskim i perpendikulyarnym osi BLKO ris. 1. Dalee zadacha stanovitsya klassicheskoi: difrakciya svetovoi volny na kruglom otverstii. Razob'em poverhnost' otverstiya na elementarnye uchastki . Kazhdyi iz etih uchastkov, v sootvetstvii s principom Gyuigensa-Frenelya, budem rassmatrivat' kak novyi istochnik, ispuskayushii sfericheskuyu volnu. Prosummirovav zatem polya, sozdavaemye uchastkami v kakoi-libo tochke v ploskosti nablyudeniya, naidem summarnoe raspredelenie polya.

Pole, sozdavaemoe istochnikom v tochke , proporcional'no amplitude volny na otverstii. Poetomu pole, sozdavaemoe v tochke uchastkom , budet proporcional'no . Izmenenie amplitudy i fazy volny, prohodyashei rasstoyanie ot istochnika do tochki nablyudeniya , uchtem mnozhitelem , gde  -dlina volny izlucheniya. Takim obrazom, kazhdyi iz elementarnyh istochnikov sozdaet v tochke pole

gde - postoyannaya.

Rezul'tiruyushee pole v tochke , yavlyayusheesya summoi elementarnyh polei vseh elementarnyh istochnikov, budet ravno

Intensivnost' svetovogo polya v tochke ravna kvadratu amplitudy . Vvedem funkciyu :

Mnozhitel' vyberem iz usloviya

Funkciya s tochnost'yu do postoyannogo mnozhitelya opisyvaet raspredelenie energii v difrakcionnoi kartine. Ochevidno, chto funkciya simmetrichna otnositel'no tochki .

Chto izmenitsya v difrakcionnoi kartine dlya tochki nablyudaemogo ob'ekta, smeshennoi s osi BLKO? Volnovoi front v etom sluchae takzhe budet ploskim, no on budet padat' na otverstie BLKO pod uglom ris. 2. Pri ne ochen' bol'shih vid difrakcionnoi kartiny sushestvenno ne izmenitsya, za isklyucheniem togo, chto ee centr pereidet iz tochki v tochku ( ) [7,12]. S tochnost'yu do postoyannogo mnozhitelya vid difrakcionnoi kartiny budet opisyvat'sya funkciei , gde ,  - koordinaty tochki .

Esli - uglovoe raspredelenie yarkosti izobrazhaemogo ob'ekta, to osveshennost' v ploskosti nablyudeniya ravna [18]

gde - diametr otverstiya BLKO.

Raspredelenie intensivnosti v spektral'nom diapazone ... rasschityvaetsya po formule [18]

gde vesovaya funkciya opredelyaetsya spektral'nymi harakteristikami izobrazhaemogo ob'ekta i priemnika izlucheniya.

Metody rascheta difrakcionnyh kartin ot otverstii razlichnyh form byli razrabotany i eksperimental'no podtverzhdeny v nachale XIX veka [24]. V eto zhe vremya byli naideny v analiticheskom i poluanaliticheskom vidah raspredeleniya intensivnosti v difrakcionnyh kartinah ot otverstii prosteishih geometricheskih form. Interesuyushiesya chitateli mogut obratit'sya k stat'e [10], gde dan kratkii istoricheskii ocherk i privedeny vyrazheniya dlya rascheta difrakcionnyh kartin ot pryamougol'nogo i kruglogo otverstii.

V bol'shinstve sluchaev schitaetsya optimal'noi ustanovka ploskosti nablyudeniya BLKO na rasstoyanii ot otverstiya. Eto svyazano s tem, chto pri etom znachenii v tochku kolebaniya prihodyat ot elementarnyh ploshadok na otverstii s raznost'yu ne bolee . Umen'shenie rasstoyaniya ot etogo znacheniya privodit k poyavleniyu v tochke kolebanii s protivofazoi. Uvelichenie distancii privodit k umen'sheniyu svetosily BLKO. Bolee podrobno ob opredelenii optimal'nogo rasstoyaniya , ishodya iz razlichnyh kriteriev, skazano v stat'e [9]. V nei zhe dan istoricheskii obzor rabot po BLKO.

Na ris. 3 pokazan vid funkcii dlya  mm,  mm, . Ukazannye znacheniya sootvetstvuyut opytu V. G. Surdina v astrologicheskom institute imeni P. K. Shternberga. Na ris. 4 pokazan grafik koncentracii energii v izobrazhenii tochki. Dlya sravneniya na etih risunkah privedeny grafiki, rasschitannye v geometricheskom priblizhenii. Analiz poluchennyh grafikov pokazyvaet, chto difrakciya privodit k sushestvennomu pereraspredeleniyu energii v pyatne rasseyaniya. Prichem ne tol'ko k "razmytiyu" geometricheskogo pyatna, no i k uvelicheniyu (v 4 raza) intensivnosti v centre pyatna rasseyaniya. Poetomu tezis o tom, "chto oba ukazannyh effekta - geometricheskii razmer puchka i difrakciya - deistvuyut nezavisimo" [1] nel'zya priznat' vernym kak dlya BLKO, tak i dlya bol'shinstva opticheskih sistem [7,12]. Kosvenno eto podtverzhdayut i dannye stat'i [2], gde izmerennoe razreshenie BLKO okazalos' luchshe "teoreticheskogo".

Na protyazhenii XIX-XX vekov BLKO i nerazryvno svyazannym s nei voprosami difrakcii sveta udelili vnimanie lord Relei [21], Petcval' [23], R. Vud i mnogie drugie fiziki i optiki. Sleduet upomyanut' stat'yu [17], gde opisana ves'ma netradicionnaya BLKO. Za poslednie gody slovosochetanie "kamera-obskura" stalo zametno chashe vstrechat'sya na stanicah nauchnyh zhurnalov v svyazi s tak nazyvaemym "difrakcionnym sdvigom izobrazheniya" [19]. BLKO v ee "klassicheskom" variante prodolzhaet primenyat'sya v celom ryade opticheskih priborov, gde ispol'zovanie tradicionnyh linz i zerkal nevozmozhno ili nezhelatel'no: fokusirovka ul'trafioletovogo i rentgenovskogo izlucheniya, fotometriya [9]. Odno iz poslednih izobretenii v oblasti "kamery-obskury" - difrakcionnye ochki [25].

Za poslednie 30 let fokusiruyushie difrakcionnye elementy - dalekie potomki BLKO - sdelali ogromnyi shag vpered [8,13]. Eto svyazano s razvitiem lazernoi tehniki i golografii, poyavleniem vysokorazreshayushego fotolitograficheskogo oborudovaniya, potrebnost'yu v sozdanii vysokoeffektivnyh sistem dlya ul'trafioletovogo i rentgenovskogo diapazonov spektra. Otverstie v BLKO mozhno rassmatrivat' kak zonnuyu plastinku s edinstvennoi prozrachnoi zonoi [8]. Zonnaya plastinka avtorami uchebnikov sovershenno spravedlivo pomeshaetsya v razdel "Difrakciya" [15], no BLKO temi zhe avtorami zanositsya v razdel "Pryamolineinoe rasprostranenie sveta" [16]. Delo dohodit do kur'ezov [14]: v nachale stat'i BLKO privoditsya kak primer pryamolineinogo rasprostraneniya sveta, a v konce stat'i dan risunok, na kotorom pokazana shema fokusirovki otverstiem rashodyasheisya volny. Skoree vsego, vse delo v tradicii, berushei svoe nachalo eshe ot manuskriptov srednevekov'ya.

---

Literatura

1 Surdin V.G., Nablyudenie solnechnyh pyaten s klassicheskoi kameroi-obskuroi// Voprosy istorii estestvoznaniya i tehniki. 2000. 4.

2 Surdin V. G., Kartashev M. A. Kamera-obskura// Kvant. 1999. 2.

3 Surdin V.G. Kamera-obskura: upushennaya vozmozhnost' drevnih astronomov?// Zvezdochet. 1998. 10.

4 Surdin V.G. Solnechnye pyatna i kamera-obskura// Zemlya i Vselennaya. 1999.  1.

5 Surdin V.G. Goticheskii hram -- solnechnaya observatoriya// Zvezdochet. 1999.  1.

6 Surdin V.G. Goticheskii hram kak solnechnaya observatoriya // Zemlya i Vselennaya. 1999.  5.

7 Born M., Vol'f E. Osnovy optiki.- M.: Nauka, 1970.-856s.

8 Greisuh G.I., Efimenko I. M., Stepanov S. A. Optika gradientnyh i difrakcionnyh elementov. - M.: Radio i svyaz', 1990.-136s.

9 Klaus D. Mielenz On the Diffraction Limit for Lensless Imaging// Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. Volume 104, 5, 1999. p.479 -485.

10 Klaus D. Mielenz Algorithms for Fresnel Diffraction at Rectangular and Circular Apertures// Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. Volume 103, 5, 1998. p.497 - 509.

11 I. A. Golovnya S chego nachinalas' fotografiya.- M.: Znanie, 1991.- 176 s.

12 A. Mareshal', M. Franson Struktura opticheskogo izobrazheniya.- M.: Mir,1961.- 296 s.

13 Stepanov S. A. Raschet i analiz opticheskih sistem, vklyuchayushih difrakcionnye i gradientnye elementy. Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoi stepeni doktora fiziko-matematicheskih nauk.- Samara. 1998.-32s.

14 G. Kosourov Sharik vmesto linzy.// Opyty v domashnei laboratorii. Bibliotechka "Kvant" M. 1981. s.134-143.

15 Landsberg G. S. Optika.- M.: Nauka,1976.- 927 s.

16 Landsberg G. S. Elementarnyi uchebnik fiziki. t.3. Kolebaniya i volny. Optika. Stroenie atoma.- M.: Gosudarstvennoe izdatel'stvo tehniko-teoreticheskoi literatury.,1952.

17 R. W. Wood Fish-Eye Views, and Vision under Water.// Philosophical Magazin Volume 12 68 1906 p.159-162

18 G. M. Mosyagin, V. B. Nemtinov, E. N. Lebedev Teoriya optiko-elektronnyh sistem.- M.: Mashinostroenie,1990.- 432 s.

19 I. G. Pal'chikova, S. G. Rautian Difrakcionnyi sdvig izobrazheniya// Optika i spektroskopiya. 1999. t. 87 3 s.510-519.

20 Dokumenty po istorii izobreteniya fotografii./ Pod red. T.P.Kraveca- L.: Izd-vo AN SSSR,1967.

21 Lord Rayleigh Wave Theory of Light, Enc. Brit. 24, 91 (1888).

22 Lord Rayleigh On Pinhole Photography. Scientific Papers III. Cambridge U. Press 1902 p. 492-440.

23 J. M. Petzval, Wiener Akad. Ber. 26, 33 1857.

24 A. Fresnel Memoir on the Diffraction of Light, Paris 1819.

25 V. P. Bessmel'cev, S. G. Baev, I. G. Pal'chikova Rastrovye difrakcionno-aperturnye ochki// Avtometriya 1997. /No 6 s.57-66

Publikacii s klyuchevymi slovami: optika - kamera-obskura - Solnechnye pyatna - opticheskie pribory Publikacii so slovami: optika - kamera-obskura - Solnechnye pyatna - opticheskie pribory
Sm. takzhe: AR 3664 na zahodyashem Solnce AR 3664: gigantskaya gruppa solnechnyh pyaten Pyatna na aktivnom Solnce Solnechnoe pyatno so svetlym mostom Holm solnechnyh pyaten AR2835: ostrova v fotosfere Fevral' bez solnechnyh pyaten Vse publikacii na tu zhe temu >>