Читальные камни: как устроены очки

Фото: cience Museum Group. Model collection.sciencemuseumgroup.org.uk

Двигаясь на ощупь

Линзы получили имя благодаря своей форме, напоминающей зерно чечевицы. На латыни это растение так и называется: lens, а в немецком языке – linse. Именно в Германии (а еще в Нидерландах) находились крупнейшие центры производства линз, а основы геометрической оптики заложил немецкий ученый Иоганн Кеплер в XVII веке. Этот раздел физики изучает то, как свет (точнее, его луч) проходит через прозрачные среды и как он отражается от зеркал. Все это рассматривается через призму законов геометрии. Надо сказать, что во времена зарождения геометрической оптики еще никто не вдавался в подробности того, что такое свет – волна или частица. И все равно, благодаря Кеплеру с XVII века началось активное изучение законов, по которым свет путешествует через линзы.

Впрочем, наука наукой, а первые носимые очки появились еще в XIII веке (а то и раньше). Как же их производили? Ответ прост: как-нибудь. Люди даже не знали, почему и каким образом работают очки. В итоге все производство опиралось на эмпирический опыт мастеров. Но несмотря на то, что производство очков долгое время оставалось hand-free технологией, на способность линз увеличивать изображения люди обратили внимание давно.

В своей комедии «Облака» живший в V веке до н. э. древнегреческий поэт Аристофан упоминает «красивый и прозрачный камешек», с помощью которого один из героев пьесы задумывает поджечь документ, поймав солнечный луч. А в I веке н. э. император Нерон, как сообщает его учитель Сенека, перечитал множество книг, глядя на них через наполненную водой чашу, или смотрел на гладиаторские бои через кусок изумруда.

Римский император Нерон наблюдал за гладиаторскими боями сквозь изумруды. Иллюстрация: Tom Kaczynski, transatlantis.net

И это только задокументированные свидетельства. Линзы были найдены и в глазах древнеегипетских статуй, созданных 4600 лет назад. А в XIX веке английский археолог Остин Лэйард при раскопках на месте Нимруда, древнего города Ассирии, обнаружил линзу из горного хрусталя, увеличивающую изображение в три раза. В честь места раскопок ее так и называют – линзой Нимруда, полагая, что она могла быть и простым украшением, а не оптическим прибором. Сложно представить, впрочем, что никто не додумался использовать ее в качестве лупы.

Приручение света

Целенаправленное освоение линз началось через тысячу лет после того, как Нерон смотрел на гладиаторов через изумруд. «Читальные камни» – так европейские монахи называли отполированные «чечевички» из прозрачного кварца. Вероятно, они использовали их для работы над художественными деталями при написании книг. Кто первый додумался до этого – неизвестно, хотя иногда это изобретение предписывают некому флорентийцу Сальвино Д’армати.

Еще два века люди держали читальные камни в руках, а потом додумались сделать оправу. Но очки при этом оставались если не роскошью, то редкостью. Жалеть тут не о чем – читать могли немногие, да и книги были в дефиците. Все изменилось с появлением книгопечатания в середине XV века. Книги стали доступнее, грамотность начала расти. Очки все еще дорого стоили, но уже начали распространяться все шире и стали все чаще появляться в искусстве. Причем даже в изображениях давно умерших людей – от Блаженного Августина до апостолов у смертного одра Девы Марии. Очки постепенно стали знаком: у одних – мудрости, у других – слепоты.

Монах, использующий «читальный камень». Иллюстрация: Tom Kaczynski, transatlantis.net

Примерно в XV веке очки попали и в Китай. Здесь в оправу начали вставлять затемненные линзы. Их использовали, чтобы никто не разглядел взгляда судьи во время объявления приговора. В Индии в XVII веке носили изумрудные и бриллиантовые очки, причем толщина «стекол» составляла меньше 3 мм. Возможно, их считали исцеляющими или отпугивающими зло. А первый серийный выпуск солнцезащитных очков был предназначен для армии Наполеона, чтобы защитить глаза солдат от палящего египетского солнца.

Очки из Индии времен Великих Моголов, оснащенных изумрудными линзами, в оправе, усыпанной алмазами. Линзы изготовлены около XVII века, оправа — в XIX веке. sothebys.com

Век за веком развивалось производство и линз, и очков. Появлялись новые схемы телескопов: астрономы боролись с погрешностями оптических систем и искали способы увидеть все более далекие объекты. Оправу дополнили заушные дужки, а затем очки сделали складными – теперь их можно было убрать в чехол. Параллельно развивалась медицина и все более точные способы определения остроты зрения. В начале XIX века оптики уже могли подобрать линзы для коррекции астигматизма. А в 1862 году нидерландский врач Херманн Снеллен ввел всем известную таблицу из рядов букв разного размера для тестирования зрения.

Апостол в очках. Фрагмент Алтаря Страстей Христовых, 1403 г. Иллюстрация: Конрад фон Зост, commons. wikimedia.org

На глазах по колесу и сиделка на носу

За что тогда, спрашивается, такие деньги? Объясняем. Сегодня линзы для очков бесконечно разнообразны. Солнцезащитные имеют почти любой цвет и могут одновременно еще и скорректировать зрение. Бифокальные линзы, которые изобрел еще Бенджамин Франклин, заменяют сразу две пары очков. В свое время они стали настоящим спасением для людей, имеющих одновременно и близорукость, и дальнозоркость. У таких линз две оптические зоны, в которых свет преломляется с различной оптической силой. Эта величина измеряется в диоптриях.

В собирающих линзах (для дальнозорких) она больше нуля, а в рассеивающих (для близоруких) – меньше. Главное отличие одних от других – форма. У мультифокальных (прогрессивных) линз три и более участка с различной оптической силой. Они отличаются от уже устаревших бифокальных плавным переходом от одного участка к другому. Если у последних есть только два режима: «для близи» и «для дали», то мультифокальные линзы имеют еще и промежуточную зону для средних расстояний.

Очками можно частично скорректировать и астигматизм, при котором роговица или хрусталик вместо сферической формы приобретают вытянутую. Эти две структуры – естественные линзы глаза, собирающие лучи света в одну точку. Часто астигматизм не имеет никаких симптомов и выявляется на осмотре, иногда же он приводит к снижению остроты зрения. Это происходит из-за того, что фокусная точка фактически «сбегает» с сетчатки. Чтобы скомпенсировать этот дефект, вернув ее на место, используют цилиндрические линзы. Для тех, кто днем не хочет или не может носить очки, есть альтернатива. Это «брекеты» для глаз – жесткие линзы, которые надевают перед сном, а за ночь они придают роговице правильную форму.

При разработке современных линз стараются не только скорректировать зрение, но еще и не испортить эстетику. Это большая проблема для тех, кто носит очки с высокими диоптриями. Если посмотреть на такого человека под определенным углом, то видно, что часть лица за линзой будет искажена. Вдобавок, сами глаза выглядят значительно меньше или, наоборот, больше. Такого недостатка лишены асферические линзы, у которых радиус кривизны меняется от центра к краям (у сферических он один и тот же на всем протяжении). Вдобавок, при этом обеспечивается более широкий угол обзора, а используемые стекла легче и тоньше.

Есть очки и без диоптрий, например, поляризационные. Обычно солнечный свет распространяется во всех направлениях, то есть он не поляризован. Если же лучи попадают на поверхность снега, льда или мокрого асфальта – они отражаются в одном направлении. Именно их и отсекает специальная пленка в линзах с поляризацией. Такие очки полезны, например, для водителей, которых могут ослепить блики.

Поляризационными можно сделать и солнцезащитные, и корректирующие очки. Чем больше дополнительных функций – тем выше стоимость. Дороже стоят очки со сложными линзами, то есть с высокой оптической силой, а также би- и мультифокальные. При этом рынок производства и линз, и оправ сильно монополизирован. Главные мировые игроки – компании Luxottica и Essilor, объединились в 2018 году. EssilorLuxottica входит в топ-50 крупнейших компаний Еврозоны. Ее можно назвать настоящим хищником: этой корпорации принадлежат практически все технологии производства линз и самые знаменитые бренды очков, от Prada до Ray-Ban.

Пока активисты на Западе пытаются бороться с монополией компании, 2,5 млрд людей не могут позволить себе хоть какие-то очки. 90 % страдающих от дефектов зрения живут в странах с низкими и средними доходами. Но ведь очки – это сложнейшее изобретение человечества, за которое нужно платить? Нужно, не так много. Себестоимость оправы редко превышает сумму в 10 долларов. Линзы тоже не слишком сложны в производстве: процесс почти полностью автоматизирован, да и материал не дорогой. Конечно, индивидуализация очков делает их несколько дороже, но очки изготавливают роботы, используя вполне стандартные болванки. И если для человека из «первого мира» переплата за комфорт – небольшое неудобство, то для трети населения планеты монополия одной компании закрывает возможность хоть немного улучшить зрение. Совсем как в Европе XIII века.