И только в конце XV в. благодаря научным исследованиям в области оптики Леонардо да Винчи намечается заметный сдвиг в сторону практической оптики. В своей научной работе Леонардо да Винчи большей частью руководствовался принципом тесной взаимосвязи теории и практики. Этому принципу он следовал и в изучении оптики. Здесь гениального итальянца интересовал самый широкий круг вопросов: физиологическая оптика (природа зрения, строение глаза - человеческого и животного, ход световых лучей в глазу, геометрическая оптика - ход лучей в линзах и камере-обскуре), аберрация оптических систем, фотометрия и пр. В 1509 г. ученый сконструировал станок для шлифовки вогнутых зеркал и линз, облегчив тем самым тяжелый труд работавших до этого вручную шлифовальщиков. В это же время он уделяет много времени усовершенствованию процесса изготовления очковых линз и добивается превосходных результатов. Для того чтобы лучше понять принцип действия глаза как оптической системы, Леонардо построил камеру-обскуру, которая явилась далеким прообразом современного фотоаппарата. Занявшись изучением аккомодации глаза, он пришел к выводу, что величина зрачка глаза обратно пропорциональна количеству света, попадающего в глаз: чем больше света - тем уже зрачок, чем меньше света - тем шире зрачок. Можно попутно вспомнить, что функции зрачка в фотоаппарате выполняет диафрагма объектива.
Существует также предположение, что Леонардо да Винчи первым изобрел телескоп. Во всяком случае имеются его рисунки с надписями, свидетельствующие, что он работал в этом направлении. Так, в рукописи Леонардо «Атлантический кодекс» можно прочитать: «Сделай очковые стекла для глаз, чтобы видеть Луну большой». Однако о том, был ли им сделан телескоп, достоверных сведений не имеется. Но и без этого вклад Леонардо да Винчи в оптику огромен.
Заслуживает упоминания еще один итальянский ученый, математик и физик Франческо Мавролик, занимавшийся многими вопросами оптики. Изучая линзы, он установил, что выпуклые линзы имеют свойство собирать световые лучи, а вогнутые - рассеивать их, а исследуя преломление в линзах световых лучей, он вплотную приблизился к открытию явления сферической аберрации. Приходится лишь сожалеть, что труд Мавролика по оптике, состоявший из двух книг, был опубликован только в 1611 г., через 57 лет после ее написания, когда автора давно уже не было в живых. Возможно, поэтому работы Мавролика не оказали в свое время заметного влияния на развитие прикладной оптики.
Подлинную революцию в практической оптике совершил замечательный итальянский ученый Галилео Галилей. Предполагается, что первый телескоп был сделан в 1604 г. 3. Янсеном, якобы по образцу некоего итальянца, который изобрел свой телескоп в 1590 г.
Едва до Галилея дошли слухи о существовании зрительной трубы, как он тотчас приступил к созданию собственного подобного прибора и в 1609 г. первым сумел создать телескоп с большим увеличением, состоявший из двух линз: выпуклой в качестве объектива и вогнутой в качестве окуляра. Заслуга ученого прежде всего в том, что свой телескоп он создал не эмпирическим путем, а на строго научной основе, сделав предварительный расчет и заведомо зная основные его характеристики. Заодно Галилей первым пришел к выводу, что технология изготовления линз для зрительных труб должна существенно отличаться от технологии изготовления очковых линз, и применение последних в зрительных трубах крайне нежелательно из-за их худшего качества, что могло отрицательно сказаться на дальнейшем усовершенствовании оптических приборов. Поэтому Галилей придавал шлифовке линз первостепенное значение и достиг в этом заметных результатов.
Успехи Галилея в практической оптике явились следствием того, что он первым понял, какую будущность сулят науке оптические приборы, причем приборы высокого качества. И действительно, уже при помощи своих телескопов Галилею удалось увидеть спутники Сатурна, горы и кратеры на Луне, пятна на Солнце, открыть фазы Венеры, рассмотреть сложную структуру Млечного Пути, что принесло ученому заслуженную славу и уважение современников.
Наряду с конструированием телескопов Галилей работал над созданием другого не менее необходимого для науки оптического прибора - микроскопа. И этот труд ученого увенчался успехом - вероятнее всего, в 1619 г. он стал изобретателем микроскопа.
В 1610 г. Галилей издал книгу «Звездный Вестник». Этот труд длительное время являлся ценным пособием для последующих оптиков в деле конструирования и изготовления оптических приборов.
Необходимо заметить, что оптикам первой половины XVII в. не были еще известны такие оптические явления, как интерференция и дифракция света, поэтому они не умели контролировать точность изготовления линз.
И результат их работы зависел, как правило, от воли случая - изготовляли по возможности больше линз и выбирали из них лучшие по качеству. Говоря современным языком, кпд тогдашней оптики был чрезвычайно низким. Тем не менее это считалось в порядке вещей по той причине, что иного выхода из такого положения никто не видел.
Первым, кому удалось открыть секрет контроля качества шлифовки линз, был итальянский математик и физик XVII в. Эванджелиста Торричелли. Искусству изготовления линз и оптических приборов Торричелли учился у Галилея и очень скоро достиг в этом деле невиданных дотоле результатов. Некоторые из сохранившихся в музеях его линз и сегодня поражают чрезвычайно высоким качеством, ни в чем не уступая современным. Причем это были не чисто случайные удачи, а результат открытого Торричелли способа контроля качества изготовления линз, о котором он неоднократно упоминал в письмах к разным лицам. В чем заключался этот способ, осталось тайной. Ученый, к сожалению, так и не открыл своего секрета, хотя, естественно, и стремился к этому. Дело в том, что великий герцог Тосканский, на службе у которого в качестве придворного математика находился Торричелли, категорически запретил разглашать секрет изготовления линз.
Как видим, основы прикладной оптики были заложены итальянскими учеными. В этом есть своя закономерность - могучая культура итальянского Ренессанса оказала огромное влияние на все области науки и техники, в том числе и на оптику. Но уже начиная с XVII в. прикладной оптикой начинают успешно заниматься ученые других европейских стран.
Так, следующий и весьма важный шаг в деле совершенствования прикладной оптики был сделан знаменитым немецким астрономом Иоганном Кеплером. Интерес к оптике у него пробудили занятия астрономией, а точнее, желание иметь телескоп лучший, чем те, которыми располагали в то время ученые. В 1610 г. Кеплер написал фундаментальный труд «Диоптрика», в котором рассмотрел широкий круг вопросов прикладной оптики. Ученый разработал принципиально новую систему телескопа, состоящего из двух положительных линз и дающего перевернутое изображение. В сравнении с трубой Галилея телескоп Кеплера имел целый ряд существенных преимуществ: большее увеличение, больший угол зрения, более отчетливое изображение, возможность получать в фокальной плоскости действительное изображение наблюдаемого объекта. Последнее свойство трубы Кеплера дало возможность использовать ее в качестве визирного инструмента, что позволило впоследствии создавать оптические измерительные приборы.
Сам Кеплер в отличие от Галилея не изготовил телескоп. Вероятнее всего, первым, кто сделал телескоп по схеме Кеплера, был X. Шейнер. Произошло это не позже 1613 г. Свой телескоп Шейнер применял для наблюдений за солнечными пятнами и потому назвал его гелиоскопом.
Зато Кеплер обнаружил, что изображение в центральной части объектива значительно резче изображения по его краям, и пришел к выводу, что наибольшая резкость будет наблюдаться при небольшом отверстии объектива. Другими словами, он установил, что для получения необходимой резкости объектив следует диафрагмировать. Это важное открытие Кеплера нашло со временем свое применение и в фотографии.
Без знания закона преломления света оптики не могли правильно рассчитывать сложные оптические системы. Открыть этот закон суждено было Рене Декарту, выдающемуся голландскому ученому XVII в., внесшему этим значительный вклад в развитие прикладной оптики. Своим открытием Декарт положил начало развитию теории аберраций оптических систем. Чтобы исправить сферическую аберрацию, Декарт применял комбинирование сферических линз с гиперболическими и эллиптическими. Этому вопросу он посвятил восьмую главу своей книги «Диоптрика». Таким образом, Декарт является одним из основоположников асферической оптики.
