Теперь несколько изменим опыт. Введем лезвие, которое принято называть ножом Фуко, в конус лучей до их пересечения в фокусе. Нож расположен в этом случае на 1--2 см ближе к зеркалу. Это положение называется предфокальным. Если теперь мы посмотрим на зеркало (конечно, оставляя глаз все так же в пучке света), то увидим, что часть зеркала погасла, тогда как другая часть его по-прежнему освещена лампой. Если нож введен справа, то погаснет правая часть. Это происходит потому, что нож пересек часть пучка, идущую от правой части зеркала.
Еще раз изменим наш эксперимент. Введем нож в пучок позади изображения "звезды". Теперь при введении ножа справа гаснет левая часть зеркала. Это происходит потому, что после пересечения в точке лучи, идущие с левой стороны зеркала, оказываются справа от оптической оси.
Сформулируем важное правило: если нож вводится в пучок справа в предфокальном положении, то гаснет правая часть зеркала. Если нож вводится в пучок справа в зафокальном положении, то гаснет левая часть зеркала.
Иначе говоря, в предфокальном, положении тень ножа на зеркале движется в ту же сторону, что и нож, а в зафокальном положении тень движется навстречу ножу.
Теперь сосредоточим все внимание. Допустим, что зеркало -- не идеальная сфера, а имеет завал на краю и яму в центре. В этом случае радиус кривизны центральной части короче радиуса кривизны края зеркала. Это означает, что и фокусное расстояние центра короче фокусного расстояния краев; фокус некоторой промежуточной зоны окажется где-то между фокусами центра и края.
"Поймаем" глазом пучок чуть дальше фокусов всех зон и снова введем нож в районе фокуса промежуточной зоны. Очевидно, что для крайней зоны положение ножа окажется предфокальным, и на краю зеркала тень разместится справа. Для центральной зоны это же положение ножа окажется зафокальным, и в центре зеркала тень расположится слева от вертикальной оси симметрии.
На промежуточной зоне, в фокусе которой находится нож, мы увидим "полутень", когда поверхность гаснет лишь отчасти.
Окинув взглядом все зеркало, мы увидим, что зеркало сейчас напоминает не то лунный кратер (как кажется автору книги), не то бублик (как кажется другим любителям). Мы явно видим "яму" в центре и "вал" на средней зоне тогда, как край зеркала "опущен" или "завален".
Задача оптика состоит в том, чтобы, рассматривая теневой "рельеф", решить, как нужно изменить ход полировки, чтобы снивелировать "бугры", "ямы", "канавки", "валики" и получить "плоский" теневой рельеф. Именно плоский теневой рельеф соответствует идеальной сфере.
20. ЧТО НУЖНО ПРИГОТОВИТЬ ДЛЯ ТЕНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ?
Рис. 22. Простая оправа зеркала для теневых испытаний.
Прежде чем мы приступим на практике к первым теневым испытаниям зеркала, надо изготовить простое приспособление, без которого испытания превратятся в настоящую пытку. Это оправа для зеркала. Она служит для того, чтобы удерживать зеркало в вертикальном положении, и позволяет наклонять его в небольших пределах (рис. 22). Две взаимно перпендикулярные доски скреплены так, что нижний край вертикальной доски слегка выступает. На свободном конце горизонтальной доски привернем парой коротких шурупов или прибьем гвоздями 3--миллиметровую пластину из стали или латуни; если пластина из алюминия, то она должна быть потолще.
В пластине просверлим отверстие и нарежем резьбу. В это отверстие ввернем винт, который пропустим насквозь через доску. Теперь наше приспособление опирается на края вертикальной доски и на кончик винта. Вращая винт в ту или иную сторону, мы сможем в небольших пределах наклонять вертикальную доску, а вместе с ней и зеркало. В вертикальную доску вобьем два гвоздя, к которым привяжем широкую тесьму. Длина тесьмы должна быть такой, чтобы зеркало, вложенное в нее, оказалось примерно в середине доски. Чтобы зеркало не опрокидывалось, в торце доски вобьем еще по гвоздику, к которым привяжем резинку. Эта резинка будет прижимать зеркало к доске. Итак, в нашем распоряжении оказалась довольно удобная оправа зеркала, которая позволит вам слегка его наклонять и поворачивать.
21. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ТРЕНИРОВКА
Прежде всего немного усовершенствуем искусственную звезду. В трубку диаметром около 10 мм вставим патрончик от елочной гирлянды так, чтобы ввернутая лампочка оказалась в самом начале трубки. Далее установим зеркало в оправе на устойчивый стол и отмерим от его поверхности вдоль оптической оси (оси симметрии зеркала) два его фокусных расстояния. Для фокусного расстояния 1200 мм это составит 2400 мм. В этой точке, которая является центром кривизны поверхности зеркала, установим трубку с лампочкой, чтобы она освещала зеркало. Затемним комнату шторами или займемся этим вечером в неосвещенной комнате. Поворачивая и наклоняя зеркало, а также передвигая вправо или влево лампочку, добьемся того, чтобы изображение волоска лампочки оказалось рядом с самой лампочкой. Для этого рядом с трубкой установим белый экран шириной 4--5 см и высотой 10--15 см с небольшим отверстием в верхней части диаметром 5--6 мм. Когда изображение волоска лампочки окажется на экране, двигая экран взад и вперед, добьемся того, чтобы изображение волоска оказалось достаточно резким. Наклоняя зеркало и перемещая экран, добьемся того, чтобы изображение волоска "проваливалось" в отверстие. Расположившись сзади экрана, будем смотреть через отверстие на зеркало. Мы увидим сквозь отверстие изображение волоска, которое "висит" в нем. Не теряя это изображение из виду, будем приближать постепенно глаз к отверстию в экране. При этом мы заметим, что видимые размеры волоска растут. Приближаем глаз до тех пор, пока яркое изображение не заполнит всю поверхность зеркала. Это означает, что изображение волоска оказалось на хрусталике глаза и все без исключения лучи, отраженные зеркалом, собираются в глазу. Вообще же волосок лампочки --слишком грубый объект для таких испытаний. Поэтому продолжим усовершенствование искусственной звезды. Сделаем к нашей трубке
Рис. 23. Простой теневой прибор.
1 -- искусственная звезда, 2 -- трансформатор, 3 -- экран,
4 -- лезвие бритвы; 5 -- основание.
с лампочкой крышку с отверстием около 1--1,5 мм в диаметре (рис. 23 слева). С внутренней стороны приклеим к крышке кусочек фольги, в котором иглой проткнем крошечное отверстие диаметром примерно 0,1--0,3 мм. Чтобы отверстие не получилось слишком большим, положим кусочек фольги на стекло и прикоснемся к ней иглой. Сняв крышку мы работаем с волоском лампы, надев ее -- со "звездой".
Много времени, особенно у начинающих, тратится на то, чтобы поймать глазом изображение искусственной звезды и добиться того, чтобы вся поверхность зеркала была равномерно залита светом. Мне хорошо известно, что многие начинающие любители настолько изматываются поисками "звезды", что на собственно испытания ножом Фуко у них не остается сил. Здесь я хочу обратить внимание на то, что испытания без помощи ножа совершенно бессмысленны.
Мы ввели в традиционную схему Фуко "звезду" со съемной крышкой и белый вертикальный экран с отверстием, чтобы значительно облегчить поиски изображения "звезды".
Кстати говоря, нож Фуко можно крепить прямо на отверстии, чтобы он делил его пополам, как показано на рисунке. Тогда работа еще больше упростится.
22. ТЕНЕВОЕ ИСПЫТАНИЕ
Поймав зрачком изображение волоска лампочки, надеваем крышку со "звездой" и, добившись того, чтобы все зеркало было залито светом, вводим лезвие
Рис. 24. "Чтение" тоневой картины.
При введении ножа справа зеркало имеет такой теневой рельеф, как если бы оно было освещено лампой слева. Ниже показаны видимый рельеф (а) и действительная фигура зеркала -- силовая линия (б) Кривизны сильно преувеличены
ножа в пучок света, держа нож в 1--4 см от глаза и без напряжения глядя на зеркало, но не на нож!
Договоримся, что всегда будем вводить нож справа налево, хотя в большинстве руководств предлагается вводить его с обратной стороны. Мы отступаем от этою потому, что в противном случае при наблюдении правым глазом мешает нос и очень трудно разместить глаз близко к лезвию. Есть и вторая причина. Сам Фуко вводил нож также справа налево, о чем можно судить по рисункам теневых картин, которые остались после его смерти [26]. Д. Д. Максутов, судя по конструкции теневого прибора, описанного в его монографии [3], также предпочитал движение ножа в этом направлении. Нам важно это для того, чтобы в дальнейшем специально не оговаривать направление движения ножа.
Рассмотрим снова теневую картину зеркала с завалом на краю и с ямой в центре. Кстати говоря, это одна из самых распространенных ошибок поверхности зеркала. Представим на минутку, что перед нами не кусок стекла, а гипсовая модель рельефа, которую освещает сбоку косым светом настольная лампа. Лампа расположена всегда так, что ее свет направлен на зеркало-модель навстречу движению ножа (рис. 21 и 25). Поскольку мы условились, что нож всегда движется справа налево, воображаемая лампа всегда будет освещать воображаемую гипсовую модель слева. Нетрудно видеть, что зеркало имеет именно яму (а не бугор) в центре и заваленный край.
Легко догадаться, что если на таком зеркале сполировать валик, напоминающий бублик, то мы получим совершенно одинаковые радиусы кривизны и фокусные расстояния для всех зон, и теневой рельеф превратится в "плоский".
Каким бы ни был рельеф в начале испытания, наша задача превратить его в плоский. А все "валики" и "бугры" означают, что в данной зоне радиус кривизны больше некоторого среднего, "ямы" же и "канавы" означают, что здесь радиус кривизны короче.
Особое внимание нужно обратить на то, что чувствительность метода максимальна только в том случае, когда нож расположен вблизи центра кривизны зеркала, когда точки схождения лучей от одних зон ближе ножа, а от других -дальше. В этом случае на части зон тень надвигается навстречу ножу, на других зонах -- в том же направлении, что и нож. Только в таком положении теневой метод имеет ту чувствительность, о которой мы говорили.
Чтобы быть уверенным в том, что нож находится именно в таком положении, поступим следующим
Рис. 25. Теневой прибор и теневая картина при горизонтальном расположении ножа.
а) Стойка ножа с грубым вертикальным перемещением ножа. б) Для тонкого перемещения ножа по вертикали чуть косо установленное лезвие перемещается горизонтально.
Рис. 26. Изменение вида теневой картины при перемещении ножа вдоль оси зеркала.
а) Предфокальное положение, б) положение вблизи фокуса, в) зафокальное положение, г) теневой рельеф.
образом. Сначала поместим нож в предфокальном положении для всех зон, так что на всех зонах тень будет двигаться в том же направлении, что и нож (рис. 26, а). Не выводя ножа из пучка лучей, или, что все равно, не теряя тени ножа на зеркале, начнем отодвигать нож от зеркала. Граница тени будет становиться все менее резкой, и при малейшем поперечном движении она будет сходить с зеркала. Это и понятно: по мере того как нож приближается к вершине конуса лучей, поперечное сечение конуса становится все меньше и меньше, и нож
очень легко выходит за его пределы. Проведем нож еще дальше от зеркала, пока тень не окажется на всех зонах на противоположной стороне зеркала. Теперь при поперечном движении ножа она движется навстречу ножу (рис. 26, в), это значит, что нож оказался дальше фокусов всех зон.
Начнем снова приближать нож к зеркалу. Тень становится все более нерезкой, ее граница -- полутень-- заполняет все большую площадь. Наконец, мы увидим, что полутень разбежалась по некоторым зонам, тогда как; тень заполнила другие зоны (рис. 26, б).
При поперечном движении ножа теневая картина немного меняется (рис. 27). Поэтому, чтобы добиться наиболее верного представления о теневой картине, а заодно добиться максимальной чувствительности, будем стараться, чтобы суммарная площадь тени, двигающейся в том же направлении что и нож, приблизительно равнялась площади теней, движущихся навстречу ножу (рис. 27, б).
Когда нож находится вблизи точка фокуса, он пересекает очень тонкий пучок света. Сечение пучка становится все меньше по мере того, как поверхность зеркала приближается к сфере. Чтобы сделать введение ножа в пучок света более плавным, достаточно
Рис. 27. Изменение теневой картины при перемещении ножа поперек оси зеркала.
а) Нож коснулся пучка, б) нож в наивыгоднейшем положении, в) нож перекрыл значительную часть пучка.
нажимать на край основания теневого прибора. В результате нож чуть-чуть наклонится в ту же сторону и плавно войдет в пучок,
23. ФИГУРИЗАЦИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА
Приступаем к безусловно самой интересной части изготовления астрономического зеркала: фигуризации -- придания его поверхности строго сферической формы с точностью, о которой не раз говорили. Именно сейчас мы сможем продемонстрировать, на что способен оптик в сравнении с рабочим, обрабатывающим металл. Именно сейчас мы постараемся получить (и наверняка получим) точность не ниже 0,05 мкм, а может быть, и выше.
Есть много факторов, влияющих в ходе полировки на форму зеркала. Это длина штриха, его форма, скорость перемещения зеркала по поверхности полировальника, неоднородность смолы, наличие ямок на поверхности смолы; это и специальные методы воздействия на форму зеркала -- подрезка, формовка полировальника и др. Результаты большинства этих методов трудно воспроизводимы. Получив однажды хороший результат, мы не сможем его получить во второй раз, как бы ни старались. Наиболее разумный способ управлять процессом - свести к минимуму число непостоянных факторов, оставив 2-3, которыми пользоваться всегда, и получить максимальный опыт их применения. Остальные факторы должны оставаться неизменными на протяжении всего процесса фигуризации. Рассмотрим основные из этих факторов. Форма штриха - лучше прямолинейная с центральным положением полировальника в начале штриха. Криволинейный штрих приведет к завалу края. Штрих по хорде также приводит к завалу.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27