00n/43/ARVE/G2502/098175 лет назад, 9 января 1839 года, проходило очередное заседание Парижской академии наук… Об успешных химических опытах Луи Жака Манде Дагера (на фото справа), отнюдь не учёного, а художника и химика-любителя, докладывал физик Араго. Он сообщил буквально следующее: «Господин Дагер изобрёл особого рода пластины, на которых оптическое изображение вплоть до мельчайших подробностей воспроизводится с большой точностью и правдивостью». Этот день и стал днём рождения фотографии.

Похоже, успех доклада Араго в немалой степени был обусловлен тем, что публике наконец представили… продукт, пригодный для массового коммерческого использования. Немаловажное обстоятельство. Я бы сказал, решающее. Что было до этого – не более чем лабораторные эксперименты. А ведь было много чего…

ньепсПолучать изображения при помощи небольших отверстий научились ещё в IV веке до нашей эры в Китае. Камера-обскура была в ходу у арабов в X веке, принцип её действия описывал ибн аль-Хайсам из Басры; ею пользовался Леонардо да Винчи; в среде художников очень популярна была переносная камера-обскура, изобретённая Джованни Порта в XVI веке. Одно плохо: нельзя было сохранять полученные картинки (живопись не в счёт). И вот в 1826-м Жозеф Нисефор Ньепс (на фото слева) придумал, как это сделать. Он получил первые фотоснимки на медных лакированных пластинках, но такого плохого качества, что о практическом использовании этой технологии не могло быть и речи.

В общем, благодаря наладившемуся сотрудничеству энтузиастов нового дела — Ньепса и Дагера – в конце концов был найден химический процесс на базе йодистого серебра и ртути, позволивший получить весьма качественные снимки с приемлемым временем экспозиции. Лабораторные опыты кончились, стартовала индустрия фотографии.
1

XIX век. Оптический процессор. Удивительно, но практически вся история создания всё более совершенных фотообъективов, начиная с первых опытов Уильяма Хайда Волластона, в 1812 году впервые вмонтировавшего выпукло-вогнутую стеклянную линзу в камеру-обскуру, протекала как непрерывная череда усовершенствований, направленных либо на устранение колоссального количества искажений, которые возникали при использовании линз, либо на получение требуемых изображающих свойств — и все это без ясного понимания того, что именно делает объектив с проходящим сквозь него светом. А ведь объектив является самым настоящим оптическим процессором, осуществляющим ряд операций двумерной обработки и пространственной фильтрации над информацией, содержащейся в световом поле. Тем более удивительно, что большинство базовых схем объективов, широко используемых и сегодня, разработано было ещё в XIX веке.

Petzval-op-268x300В 1840 году Шевалье предложил склеивать две линзы с различной дисперсией для устранения хроматических искажений. В том же году Йозеф Петцваль (на фото) сконструировал свой знаменитый многолинзовый портретный объектив (на фото внизу), позволяющий устранять сферическую и хроматическую аберрации. В 1866-м Дальмейер (Англия) и Стейнхейл (Германия) предложили исключительно удачную конструкцию симметричного объектива, отличающуюся отсутствием большинства искажений и повышенной светосилой. Эти объективы допускали даже использование сменных передних линз. В 1886 году оптики получили возможность применять в конструкции объективов стекла с различными показателями преломления, которые научились производить стекловары завода Шотта в Йене (Германия), а в 1893-м на основе такой комбинации появился знаменитый «триплет Кука» – первый объектив, полностью лишённый астигматизма и искривления плоскости изображения.
петцваль

Дальнейший прогресс в большей степени был связан с использованием принципов физической оптики — применением стёкол, оптические характеристики которых корректировались с помощью тех или иных добавок (например, редкоземельных элементов). В 1948 году в каталоге завода Шотта появилось первое в мире специальное стекло SSKS 1 на базе присадок лантана и радиоактивного тория, а в 1949-м на его основе был разработан и впоследствии запатентован первый в мире редкоземельный объектив «Суммитар». Кстати говоря, из-за радиоактивного излучения тория наружная линза объектива была выполнена из свинцового стекла.

суммитар

Фотографировать всё! Надо сказать, что над пониманием того, каким же образом происходит формирование изображения объективом, ломали головы многие величайшие умы. При всей кажущейся простоте задачка эта оказалась чрезвычайно сложной. Все упиралось в необходимость понять, что же это такое — свет. Ещё в 1846 году Майкл Фарадей в работе «Размышления о колебании лучей» сделал предположение о том, что свет необходимо отнести к разряду полей, имеющих природу, сходную с природой магнитного поля. В 1873-м Джеймс Максвелл теоретически обосновал, а в 1887 Генрих Герц экспериментально подтвердил, что свет является электромагнитным полем.

Gershun-A.Шли годы, и стало ясно, что представления геометрической оптики о «лучах света», на основе которых тогда (да и впоследствии) разрабатывалась всевозможная оптика, описывают не единственный способ получения изображений. В 1936 году А. А. Гершун, научный сотрудник и преподаватель Ленинградского института точной механики и оптики, опубликовал монографию «Световое поле», в которой впервые ввёл понятие меры множества лучей, проходящих через оптический прибор. Световое поле, по Гершуну, несёт в себе скрытый образ светящего предмета, что позволяет (по крайней мере теоретически) воссоздать его изображение. Для этого необходимо лишь придумать способ, как в определённый момент времени зафиксировать, записать это самое «световое поле».

Одна из идей, как это сделать, воплотилась в принцип голографии, предложенный Дэннисом Габором в 1947 году (в 1971-м «за изобретение и развитие голографического принципа» он был удостоен Нобелевской премии по физике).
габорДля того чтобы сформировать статическую «картинку» распределения амплитуд и фаз световых волн в окрестности предмета съёмки, в 1962 году Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс предложили использовал «опорный луч», результат интерференции которого с «предметным лучом» можно было зафиксировать на фотоплёнке. Интерференционная картина, полученная после проявления эмульсии, позволяла восстанавливать объёмное изображение предмета с помощью того же опорного луча, который использовался при съёмке.

Ещё один способ фиксации светового поля, получивший практическое воплощение буквально в последние несколько лет в форме «пленоптической камеры» (не «плёноптической», как приходится иногда читать, а от латинского слова plenus – “полный”; «пленум», «пленарное заседание» – тоже от этого слова). Сегодня несколько фирм выпускают камеры светового поля под заказ для специальных нужд. «Ширпотребовскую» пленоптическую камеру компании Lytro, Inc. уже может приобрести каждый желающий (не буду сейчас останавливаться на оценках её практичности).
lytro_mini

Принцип фиксации светового поля, на котором работает Lytro Light Field Camera, основан на одновременной съёмке объекта 12-мегапиксельной матрицей сквозь массив микролинз. Для описания характеристик камеры в Lytro применяют единицу megarays – миллион «лучей» (которых в этой камере 11). Ну как тут не вспомнить А. А. Гершуна с его «мерой множества лучей»?..

дебройльКамера-обскура и «свет» материи. За пониманием волновой природы света пришло понимание волновой природы материи как таковой. В 1924 году француз Луи де Бройль сформулировал невероятно смелую гипотезу о том, что волновые свойства присущи не только квантам света — фотонам, но и вообще всем частицам материи — электронам, элементарным частицам, а также сложным образованиям, таким как атомы, молекулы и т. д. Впоследствии в ходе множества специально проведённых экспериментов гипотеза де Бройля получила блестящее подтверждение, а волны материи получили название «волн де Бройля».

Из формулы, связывающей длину волны и импульс частицы, видно, что тяжёлым быстродвижущимся атомам соответствует чрезвычайно короткая волна, поэтому в обычных условиях странные «нелокальные» свойства микрочастиц не наблюдаются. Но вот если иметь дело с «ультрахолодными», то есть очень медленно движущимися частицами, то их волновые свойства проявятся весьма заметно. Более того, их становится возможным использовать для решения практических задач. Появилось целое научное направление «атомная оптика», занимающееся изучением и использованием волновых свойств атомов.

Раз есть волна, обладающая свойствами, подобными световой волне, – значит, можно говорить и о попытках создания объективов для столь необычных волн. И об использовании тех или иных известных оптических решений для формирования дебройлевских «изображений». При этом, зная, что речь идёт о волнах материи, можно предполагать, что «изображения» будут не просто изображениями, привычными нам картинками, а… материальными объектами.

балыкинЭкспериментальные работы в области практического применения атомной оптики действительно появились в последние годы. Что особенно приятно, это отечественные работы. Три года назад 19 февраля 2010 на заседании Президиума РАН был представлен доклад Виктора Балыкина из Института спектроскопии (Троицкий научный центр) об использовании атомной оптики для решения задач литографии в области характерных размеров 10 нм и менее за счёт применения когерентных пучков нейтральных атомов, которые в данном случае являются не столько пучком корпускул, сколько потоком волн материи. Что интересно, разрешающая способность такой «фотолитографии» определяется лишь длиной волны «света материи», которая при использовании тяжёлых холодных атомов может достигать единиц (!) нанометров. Что любопытно: для одновременного формирования более миллиона «изображений» исследователи применили некий аналог камеры-обскуры.
микро2

Слово авторам разработки: «В Институте спектроскопии РАН впервые реализовано построение изображений в атомной оптике, основанное на известной в световой оптике идее камеры-обскуры. Атомная камера-обскура включает атомный пучок, маску с изображением, мембрану с наноотверстиями и подложку, на которой создаются наноструктуры. Атомы, прошедшие через маску, формируют, по аналогии с оптикой, “светящийся объект” заданной геометрии. Параметры камеры-обскуры выбираются из соображений получения максимального разрешения. Отношение расстояния от маски до наноотверстия L к расстоянию от наноотверстия до подложки l определяет “уменьшающую силу” атомной камеры-обскуры N = L/l. При значении L = 10 см и l = 10 мкм “уменьшающая сила” достигает 10⁴».