В ходе полировки зеркало должно не только совершенно освободиться от матовости, но и приобрести оптически точную форму. Для контроля формы поверхности зеркала применяют теневой метод Фуко.

19. ЧТО ТАКОЕ ТЕНЕВОЙ МЕТОД ФУКО?

Уильям Гершель, так же как и другие телескопостроители тех времен, полировали свои зеркала в значительной степени вслепую. Удачное зеркало было во многом делом случая, так как до середины XIX в. у телескопостроителей не было надежного метода контроля формы зеркал. Лишь в 1859 г. великий французский физик Леон Фуко предложил гениальный метод контроля вогнутых оптически точных поверхностей. Этот метод столь же изящен по своей идее, сколь чувствителен и надежен на практике. Его суть сводится к следующему.

Леон Фуко (1819--1868),

Близ центра кривизны О (на удвоенном фокусном расстоянии) вогнутого зеркала (рис. 21) устанавливается крошечный, но яркий источник света ("искусственная звезда") М. Этой звездой может служить маленькая (0,1--0,3 мм) дырочка в кусочке алюминиевой фольги, которой оборачивают лампочку карманного фонарика. Лампочка может быть вставлена в патрон от елочной гирлянды или просто припаяна к проводам, ведущим к батарейке. Так как "искусственная звезда" установлена вблизи центра кривизны зеркала (чуть сбоку от оси зеркала), зеркало строит ее изображение также вблизи центра кривизны, но по другую от оси сторону. Если позади изображения "искусственной звезды" поместить глаз, чтобы весь пучок света "провалился" в зрачок, мы увидим, что зеркало равномерно по всей поверхности залито светом "звезды".

Рис. 21. Вид теневой картины на зеркале при различном положении ножа. 1 -нож точно в центре кривизны сферического зеркала, 2 - положение ножа перед центром кривизны, 3 - положение ножа за центром кривизны.

Это и понятно: ведь в этот момент все без исключения лучи "звезды", отраженные зеркалом, соберутся в зрачке. Представим себе, что мы испытываем идеальное сферическое зеркало. Это значит, что лучи, отраженные каждым участком зеркала, каждой его зоной, все соберутся в точке фокуса*

*) При описании метода Фуко словом "фокус" обозначается фокус сферической волны, расположенный в центре кривизны сферы, а не главный фокус зеркала.

Осторожно введем непрозрачный экранчик с острым (без зазубрин) краем (например лезвие безопасной бритвы) в вершину конуса лучей, чтобы перекрыть изображение "звезды". Одновременно смотрим на зеркало, чтобы оно оставалось равномерно освещенным.

Если лезвие вводить очень осторожно, чтобы оно перекрыло только часть изображения "звезды", зеркало померкнет лишь отчасти, но также по всей поверхности одновременно. Важно понять, что в построении каждого участка изображения "звезды", даже если это изображение дифракционное, участвует вся поверхность идеального сферического зеркала. Именно поэтому, какую бы часть изображения мы ни перекрыли, зеркало будет гаснуть одновременно по всей поверхности.

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