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. Длина штриха должна составлять около 1/3 диаметра зеркала при смещении всегда в одну сторону. Увеличенный штрих приводит к завалу на краю, укороченный--к подвернутому краю. Так как исправление завала гораздо сложнее, чем подвернутого края, многие любители при полировке переходят на штрих около 1/4 диаметра.
Большую роль играет твердость смолы. Твердость зависит от содержания канифоли и от рабочей температуры полировальника. Слишком мягкая смола полирует быстрее, но на ней легко возникает завал края. Твердая смола позволяет быстрее получить сферу, но вероятность царапин при полировке твердой смолой возрастет.
Неоднородность смолы приводит к появлению зональных ошибок в виде "валиков" и "канав". Неоднородность может быть результатом плохого перемешивания смолы во время варки или в результате неравномерного нагрева во время работы. Обычно крайние зоны разогреваются сильнее центральных и слегка "проседают".
Такой фактор, как неоднородность поверхности полировальника, появляется, например, во время его формовки, когда смола слишком размягчена и крошечные пузырьки воздуха, оказавшиеся между зеркалом и полировальником, выдавливают на поверхности смолы ямки, которые в дальнейшем довольно трудно устранить. Для того чтобы устранить ямки, рассыпанные по поверхности полировальника, отформуем полировальник с куском тюля, как это описано на выше. В ходе полировки сетка мелких канавок заплывает.
Еще одна неприятность может заключаться в том, что канавки на поверхности полировальника расположены симметрично относительно центра полировальника. Это приводит к тому, что на одних зонах сполировывание идет быстро, на других медленно. В результате появляются зональные ошибки. На форму зеркала воздействуем следующими способами:
1. Обнаружив на зеркале во время теневых испытаний "яму" или "канавку", отмечаем соответствующую зону на полировальнике и "ослабляем" ее, соскоблив небольшие участки смолы вдоль этой зоны. Эта процедура называется "подрезкой" полировальника (рис. 28, г - 2, 4, 6, 7, 8, 10). Глубина соскобленных участков -- около 0,5 мм. Продолжим полировку. Очевидно, что ослабленные зоны полировальника будут полировать медленнее, поэтому остальные зоны опустятся до уровня "дна канавки". Полируя на подрезанном полировальнике, надо контролировать поверхность на теневом приборе каждые 10--15 минут, так как подрезка -- средство довольно сильное. Незадолго до полного исчезновения канавки заново отформуем полировальник, помня, что после устранения подрезки полировальник некоторое время продолжает "по инерции" работать в том же режиме. Можно поступить иначе. Вырезать из ватмана кольцо того же диаметра и несколько меньшей ширины, что и "канавка". Разогреть полировальник в теплой воде, уложить на него смоченное водой кольцо и отформовать все вместе (рис, 28, д -- 2, 4, 6, 7, 8, 10). На поверхности полировальника появится углубление, которое не будет полировать вообще. Особенно хорошо так устраняются яма в центре и завал на краю. Незадолго до полного исчезновения канавки заново формуем полировальник зеркалом.
2. В тех случаях, когда мы имеем дело с "буграми" и "валиками", лучше применить местную ретушь -- сполировывание бугра маленьким полировальником. Этот полировальник может быть куском металла или пластмассы, на которую наклеен кусочек фетра, войлока, твердой резины или кожи. Диаметр полировальника должен составлять 1/2--1/3 ширины "валика". В простейшем случае это может быть просто палец. Смачиваем поверхность зеркала вдоль валика, набираем на палец полирит или смазываем полиритом полировальник и начинаем петлеобразными движениями
Рис, 28. Зональные ошибки зеркала и, способы их устранения. а) Теневая картина Фуко, б) теневая картина Ронки (см 29), в) теневой рельеф, г) подрезка полировальника и местная ретушь, д) специальная формовка полировальника. 1 - идеальная сфера с "плоским" теневым рельефом, а - завал края, а - подвернутый край, 4 - яма в центре, 5 - бугор в центре, 6 - яма в центре и завал края, 7 - подвернутый край и бугор и центре, 8 - канавка, 9 - валик, 10 - яма в центре и канавка.
полировать с большим давлением (рис, 28, г -- 3, 5, 9). Важно ни в коем случае не выходить за пределы зоны, которую мы полируем. Ретушь идет быстро. Опасность сполировать больше, чем надо, очень велика. Поэтому зеркало надо контролировать во время местной ретуши каждые 1--3 минуты, если ретушируется центральный валик или зона небольшого диаметра, и каждые 3--5 минут при сполировывании зоны на краю.
Вместо высокого валика после ретуши получается масса мелких местных ошибок на протяжении всей зоны. По абсолютной величине они гораздо мельче валика. Чтобы их устранить, продолжим полировку на смоляном полировальнике, предварительно отформовав его.
Если зеркало имеет большое число (3--6) зональных ошибок, можно применить полировку по хорде (1/3 диаметра от центра), Такая полировка ведет к быстрому сполировыванию зональных ошибок, но чревата возникновением завала на краю, Поэтому после 3--5 минут полировки по хорде возвращаемся на 15--30 минут к полировке через центр, проверяя после каждого сеанса полировки по хорде зеркало на теневом приборе и обращая большое внимание на край зеркала.
Так как завал края возникает почти при любом нарушении режима полировки, предусмотрим небольшую, но надежную меру для его предупреждения. На зоне примерно в 3--5 мм шириной на самом краю полировальника резко расширим канавки, ослабив па этой зоне полировальник (рис, 28, д - 2). После этого возможно появление подвернутого края, но эта ошибка устраняется очень легко простым увеличением длины штриха. Однако, до возникновения подвернутого края полируем обычным образом. 24. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО ФИГУРИЗАЦИИ И ТЕНЕВЫМ ИСПЫТАНИЯМ
Процесс фигуризации и теневых испытаний трудно разделить на составляющие -- это единый творческий процесс, где решающую роль часто играют не только знания, но и интуиция. Вообще, этот процесс настолько интересен сам по себе, что автор, например, часто не торопится с окончанием, пробуя работать и так и этак, находя большое удовольствие в процессе фигуризации, хотя, спору нет, вид совершенно плоской теневой картины--зрелище потрясающее.
В процессе полировки, по словам Дж. Маттьюсона [22], "всегда есть элемент мистики". Отчасти это объясняется тем, что процесс полировки во многом недостаточно изучен, но отчасти и тем, что мастеру самому часто хочется немного мистики, когда фигуризация перестает быть просто технологией, а становится в значительной степени искусством. Не зря Д. Д. Максутов [3] говорил, что оптик предпочитает "колдовать" над самодельной смолой полировальника, не доверяя заводской смоле. (Правда, если вам представится возможность приобрести заводскую полировальную смолу, надо это сделать). Нередко успех дела решает творческий порыв, и чтобы для творчества оставалось побольше времени, надо предупредить причины, которые явно приводят к неприятностям.
Вибрацию зеркала и теневого прибора от проходящего по улице транспорта и ходьбы по комнате можно в значительной мере снизить, если и зеркало, и теневой прибор будут установлены на "оптической скамье". Это может быть толстая доска длиной немного более радиуса кривизны зеркала. Еще лучше, если это будет короб из относительно тонких (40--45 мм) досок. Конечно, такое приспособление трудно держать в квартире, но кружок телескопостроения просто обязан иметь хорошую оптическую скамью. Надо сказать, что вредны не вообще вибрации, а вибрации теневого прибора относительно зеркала. Их-то и можно в значительной степени снизить, применив единое основание.
Турбуленция -- вихреобразные движения воздуха также сильно мешают, затушевывая подлинную теневую картину. Можно проделать такой опыт: на фоне хорошего сферического зеркала поместить руку. Глядя на нее с помощью прибора Фуко, мы легко увидим струи теплого воздуха, которые поднимаются над черным силуэтом руки. Надо постараться разместить всю установку в стороне от отопительных батарей, окон и других источников сквозняков. Если это сделать трудно, можно пучок лучей поместить в подходящую трубу, закрытый короб или под одеяло, повешенное на две рейки.
В ходе полировки зеркало нагревается неравномерно это служит источником других ошибок. После окончания полировки перед началом теневых испытаний надо дать зеркалу "отстояться", чтобы вся его масса прияла температуру окружающего воздуха. 150-мил-лиметровое зеркало требует примерно пятиминутного отстаивания. На последних стадиях полировки 300-миллиметровое зеркало автора отстаивалось 15--20минут. Так как поверхностная яркость теневой картины невелика, испытания надо проводить в темноте. Однако полная темнота нежелательна, поэтому надо позаботиться о слабом освещении, которое позволило бы легко ориентироваться, но не мешало бы чтению теневых картин.
Дифракционные отклонения лучей на краю зеркала могут быть приняты за завал на краю. В действительности эта узкая (2--3 мм) светлая полоска -- проявление волновой природы света. Она видна и на светлой и на теневой сторонах зеркала и этим отличается от завала. Впрочем, если она видна только с одной стороны, можно установить на фоне зеркала карандаш параллельно ножу и, рассматривая дифракцию на краю карандаша и сравнивая ее со светлой полоской на краю зеркала, решить, что же это в действительности. Итак, мы изложили достаточно сведений для того, чтобы читатель мог самостоятельно изготовить сферическое зеркало для своего телескопа. Если на зеркале виден совершенно плоский рельеф -- зеркало первоклассное, если едва заметные признаки теневого рельефа -- оно также первоклассное. Мы помним, что при предфокальном и зафокальном положениях ножа тень на зеркале располагается с одной стороны зеркала, справа или слева. В промежутке между этими положениями на зеркале виден теневой рельеф. Назовем положение ножа, когда он из предфокального положения переходит в положение, при котором на зеркале становится виден теневой рельеф, критическим предфокальным положением ножа, а аналогичное положение ножа между зафокальным положением и положением, когда появляется теневой рельеф,-- критическим зафокальным положением. Рис. 29 показывает серию теневых картин, на которой видно постепенное изменение теневого рельефа по мере продвижения ножа вдоль оптической оси. Критические положения ножа -- а и д. Назовем отрезок оптической оси между критическими положениями ножа продольной аберрацией зеркала.
Эта аберрация вызвана ошибками зеркала. На практике это означает, что когда мы осторожно перемещаем нож вдоль оптической оси, например, удаляя от зеркала, и при этом проходим оба критических положения, то длина перемещения ножа, когда тень ножа справа
Рис. 29. Испытание параболического зеркала по зонам. а) Критическое предфокальное положение ножа. Полутень занимает центральную зону зеркала, б) перемещение ножа на 0,25 от величины продольной аберрации зеркала, диаметр полутени равен 50% диаметра зеркала, в) перемещение ножа на 0,5 величины продольной аберрации, диаметр полутени -- 70% диаметра зеркала, г) перемещение ножа на 0,75 продольной аберрации зеркала, диаметр полутени--87% диаметра зеркала, д) критическое зафокальное положение ножа, полутень лежит на краю зеркала, е) маска из проволоки, надеваемая на зеркало для разметки последнего на зоны (см. 28).
полностью переместится на левую часть зеркала, и есть продольная аберрация зеркала. Если продольная аберрация сферического зеркала в силу наличия зональных ошибок равна для 150--180-миллиметрового зеркала 2--2,5 мм, то зеркало можно считать вполне хорошим. Правда, надо уточнить, что в этом случае допускаются ошибки в сторону завала края, но не в сторону подвернутого края.
Важно отметить, что зеркало должно иметь обязательно плавную форму без резко выраженных зон и "переломов". 25. ПАРАБОЛИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО
В идеале зеркало должно иметь параболическую форму, но если отступления сферы от параболоида не превышают 1/8 длины волны света, то такая сфера работает точно как параболоид. Параболоид имеет кривизну, меньшую на краях, чем в центре. Это означает, что при испытании теневым прибором, когда "звезда" и нож расположены в центре кривизны, теневая картина для параболоида должна иметь такой же вид, как для зеркала с завалом на краю (см, рис. 29, в). Этот завал -- не любой, а совершенно точно рассчитанный. Разница положений центров кривизны центральной и крайней зон равна
где D -- диаметр зеркала в миллиметрах, а R -- радиус кривизны. Для нашего зеркала эти величины равны 150 мм и 2400 мм соответственно. Продольная аберрация этого параболоида при испытании из центра кривизны равна 2,3 мм. В предфокальном критическом положении ножа на теневой картине виден "бугор" с плоской вершиной -- правую часть занимает на всех зонах тень, а на центральной зоне полутень. По мере передвижения ножа дальше от зеркала становится виден завал, напоминающий бублик. Этот "бублик" лучше всего виден, когда нож находится между двумя критическими положениями, точно посередине. Его "вершина", однако, явно смещена со средних зон ближе к краю зеркала. Расчеты показывают, что при положении ножа точно посередине между критическими положениями "вершина" "бублика" находится на расстоянии 0,7 радиуса заготовки зеркала, в нашем случае для 150-миллиметрового зеркала "вершина" расположена на расстоянии 53 мм от его центра. Наконец, когда нож подойдет к зафокальному критическому положению, вся тень, кроме ободка полутени, на краю зеркала, займет положение на левой стороне зеркала.
Если нам удастся искусственно исказить плоский рельеф так, чтобы он принял форму плавного без "переломов" (резко выраженных зон) "бублика", то это будет означать, что нам удалось из сферы получить параболоид. Еще раз напомним, что не любой завал, а только плавный "бублик" с "вершиной" на расстоянии 0,7 радиуса от центра заготовки зеркала и с заданной продольной аберрацией и есть параболоид.
Рис. 30. Теневые рельефы одного и того же параболического зеркала при различных положениях ножа. Буквенные обозначения те же, что и на рис. 29.
Чтобы получить плавную яму в центре и "опустить" края, надо увеличить кривизну в центре зеркала, чтобы она постепенно уменьшалась при переходе от центра к краю (рис. 30). Для того чтобы получить такую яму, есть несколько способов.
1.Найдем квадратик на полировальнике, центр которого лежит примерно на зоне 0,7r Соскоблим его на толщину 0,5 мм. Каждые 10 минут контролируем зеркало на теневом приборе (рис. 31, а).
2. Расширим канавки на краю, но оставим их нетронутыми в центре до зоны 0,3, как показано на рис. 31, б. Каждые 10 минут контролируем зеркало.
3. Соскоблим тонкий слой (0,5 мм) смолы небольшими участкам в среднем по 1--2 см2 с таким расчетом, чтобы полировальник более всего оказался ослабленным на зоне 0,7. В центральной зоне и на самой крайней зоне оставляем полировальник нетронутым (рис. 31, в). Полируем на подрезанном полировальнике и контролируем зеркало теневым прибором каждые 15 минут.
4. В бумажном круге, наружный диаметр которого на 15--20 мм больше диаметра полировальника, вырежем звезду, как показано на рис. 31, г. Смочим круг водой и наложим на подогретый в воде полировальник. После этого формуем полировальник зеркалом, положив зеркало на смолу, а на зеркало груз. После 3--5 минут такой формовки снимаем груз и в течение 5--10 минут "полируем" без крокуса, не снимая круга. После этого круг снимаем. На поверхности полировальника выдавится звезда. Она и сделает углубление в центре зеркала.
При полировке на подрезанном или отформованном полировальнике возможны зональные ошибки.
Рис. 31. Способы воздействия полировальником на зеркало во время параболизации.
а) Подрезка квадратика на 70%-ной зоне, б) расширение канавок на краю, в) подрезка 70%-ной зоны, г) формовка звезды.
Если это "валик", сполируем его местной ретушью. Если "канава", увеличим подрезку этой зоны.
Исследуя зеркало с помощью тоневого прибора, надо тщательно следить за краем, так как сейчас легко просмотреть непредусмотренный завал края, который выглядит узкой полоской, резко увеличивающей радиус кривизны крайней зоны. Для того чтобы его предупредить, расширим канавки на зоне шириной 3--5 мм на краю полировальника, как это указывалось раньше.
До сих пор в качестве источника света мы использовали точечный источник-- искусственную звезду. Лучше, однако, применить узкую щель (рис.32,а). Ее ширина около 0,1 мм, а длина 2--4 мм. В простейшем случае на алюминированном кусочке стекла, или
Рис. 32. Усовершенствование теневого прибора. 1 -- лампочка, 2 -- конденсор, собирающий свет лампы, 3 -- щель, 4 -- испытуемое зеркало, 5 -- изображение щели, 6 -- нож Фуко, 7 -- окно, 8 -- изображение окна.
на стекле, покрытом непрозрачным лаком, проводим лезвием бритвы царапину. Эта щель дает гораздо больше света, и яркость теневого рельефа сильно возрастает. Нож в этом случае должен быть расположен строго параллельно щели. Характер теневой картины от этого никак не меняется.
Можно вместо щели использовать светящийся квадратик или прямоугольничек -- матовое стекло, освещенное сзади лампой и ограниченное маской примерно 3 Х 3 мм (рис. 32, б). В этом случае ловим глазом изображение светящегося окна и вводим нож параллельно одной из сторон изображения. В тот момент, когда незакрытой останется только узенькая щель, глаз увидит на экране контрастную теневую картину.
Испытания параболоида требуют плавного перемещения ножа и замеров положения ножа или, иначе, замеров продольных аберраций различных зон зеркала. В простейшем случае передний край площадки, на которой укреплен нож, должен иметь острый срез. При движении ножа площадка перемещается по листу миллиметровки, и любитель делает остро отточенным карандашом пометки на бумаге.
В более совершенном приборе нож перемещается по направляющей, а его перемещения измеряются часовым (дисковым) индикатором или нониусным устройством, например штангенциркулем. 27. "ЗВЕЗДА" И "НОЖ": КАК ДАЛЕКО ОНИ МОГУТ ОТСТОЯТЬ ДРУГ ОТ ДРУГА?
Если нож и искусственная звезда отстоят далеко от оптической оси зеркала и, следовательно, друг от друга, то изображение "звезды" будет отягощено аберрациями, называемыми комой и астигматизмом. Не вдаваясь в подробности, отметим, что это приведет к усложнению теневой картины даже на идеальном зеркале. Поэтому надо стремиться к тому, чтобы расстояние
Таблица 9
|
2f |
D |
|||
|
110 |
150 |
200 |
250 |
|
|
3000 |
53 |
37 |
27 |
22 |
|
2700 |
45 |
32 |
23 |
18 |
|
2400 |
38 |
26 |
20 |
16 |
|
2100 |
30 |
21 |
16 |
13 |
|
1800 |
24 |
17 |
13 |
10 |
|
1500 |
18 |
12 |
10 |
8 |
между ножом и "звездой" в проекции на зеркало было как можно меньше. Роберт Мейджи рассчитал [20] предельные расстояния между "звездою" и ножом, при которых теневая картина еще не искажается. Эти данные приведены в табл. 9, в которой по горизонтали отложены диаметры D зеркал, а по вертикали -- радиусы кривизны 2f (и то и другое в миллиметрах).
Как видно из таблицы, чем светосильнее зеркало и чем меньше его фокусное расстояние, тем ближе друг к другу должны находиться нож и "звезда". Для больших зеркал, имеющих, как правило, большое относительное отверстие (малый относительный фокус) нож и "звезда" расположены гак близко, что их приходится устанавливать на едином основании. В этом случае, при перемещении ножа перемещается и "звезда" (рис. 33). Если мы двигаем нож к зеркалу, к зеркалу же движется и "звезда". Но это означает, что по мере того, как "звезда" приближается к зеркалу, изображение "звезды" с такой же скоростью удаляется от зеркала. Таким образом, нож встречает изображение "звезды" со
Рис. 33. Совершенный теневой прибор.
1 -- осветитель с конденсором, 2 -- щель и нож, 3 -- винт вертикального движения, 4 -- винт продольного движения, 5 -- часовой (дисковый) индикатор.
скоростью в два раз большей, чем в случае с неподвижной "звездой". За то же время он проходит расстояние в два раза меньшее, и отсчет будет в два раза меньше. Поэтому нам всегда надо иметь в виду, как устроен теневой прибор: подвижна или неподвижна его "звезда". В нашем первом теневом приборе "звезда" оставалась неподвижной. Отчасти это объясняется тем, что в этом случае в два раза легче снимать отсчет, а с другой стороны, допустимое расстояние между ножом и "звездой" достаточно велико. В случае нашего 150-миллиметрового зеркала, например, оно не должно быть больше 26 мм.
Однако продольная аберрация параболического зеркала при испытании из центра кривизны теневым прибором с совмещенными "звездой" и ножом вдвое меньше:
В идеале расстояние между, щелью и ножом должно быть равно нулю. На первый взгляд технически это сделать невозможно. Однако в Новосибирском клубе построен подобный теневой прибор (рис. 34).
Рис. 34. Осветительная система совершенного теневого прибора: 1--лампочка, 2-конденсор, 3 - нож , 4 - вторая щечка щели, 5 - прижимные пластинки
Здесь свет 6-вольтовой лампочки 1 с помощью конденсора 2 фокусируется на крае ножа 3 (лезвии бритвы), установленного под углом 45º к оси конденсора. Этот край служит одновременно одной из щечек щели. Вторая щечка 4 -- также лезвие бритвы Для регулировки ширины щели оба обломка лезвия прижимаются с помощью двух металлических пластин 5 и винтов. После регулирования винты фиксируют лезвия.
Важно, чтобы нож несколько выступал над второй щечкой, как это показано на рис. 34. 28. КОНТРОЛЬ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА ПО ЗОНАМ
Если в центре кривизны центральной зоны параболического зеркала поместить "звезду" и с помощью ножа получить теневую картину, она уже не будет иметь плоский рельеф.
В тех случаях, когда зеркало имеет небольшое относительное отверстие и небольшой диаметр, достаточно испытать его в обоих критических положениях ножа и, установив нож точно в промежуточном положении, убедиться в том, что "вершина" "бублика" лежит на зоне 70% радиуса заготовки зеркала (см. рис. 29, а, в, д).
В предфокальном критическом положений ножа на зеркале должна быть видна полутень, занимающая его центральную часть, тогда как правая часть зеркала покрыта резкой тенью. Отодвигая нож от зеркала, мы видим, как полутень расширяется, занимая все большую часть зеркала; а ее середина начинает темнеть. Наступает момент, когда тень ножа в центре расположена слева -- для центральной зоны мы уже прошли точку фокуса, и нож находится в зафокальном положении для этой зоны (рис. 29, б). Внешняя зона покрыта тенью с правой стороны -- для внешней зоны мы еще не прошли точку фокуса. В некоторой промежуточной зоне видна полутень. Нож находится точно в фо-кусе именно этой зоны. Добьемся того, чтобы границы тени справа и слева проходили точно через центр зеркала и служили продолжением одна другой. Кроме того, добьемся, чтобы площадь теней справа и слева была примерно одинаковой. В этот момент нож находится точно посередине между критическими положениями. Если наше зеркало -- параболоид, то полутень будет расположена на зоне 70% (рис. 29, в).
Итак прежде всего измерим продольную аберрацию зеркала. Она должна быть равна
если источник света ("звезда") неподвижен, и
если "звезда" движется вместе с ножом.
Например, для неподвижной "звезды" 200-миллиметровый параболоид с фокусным расстоянием 1200 мм (радиус кривизны равен 2400 мм) имеет продольную аберрацию, равную 4,17 мм, а для подвижной "звезды" -- 2,09 мм.
Затем добьемся того, чтобы в положении, когда справа и слева площади теней приблизительно равны и граница теней проходит точно по диаметру зеркала, "вершина" "бублика" находилась на зоне 70%, а продольная аберрация равна половине вычисленной.
Если "вершина" "бублика" расположена ближе к центру зеркала, а продольная аберрация уже равна половине вычисленной, надо сполировать зону с радиусом примерно 0,5.
Если "вершина" "бублика" лежит ближе к краю зеркала, надо углубить центральную часть зеркала примерно до зоны 0,5 и несколько опустить зону с радиусом 0,8--0,9. Для уверенного замера радиуса зон согнем из мягкой проволоки толщиной 1--1,5 мм "маску", как показано на рис. 29, е. 29. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД РОНКИ -- МОБСБИ
Вместо ножа Васко Ронки предложил использовать решетку, представляющую собой серию тесно расположенных параллельных непрозрачных линий и промежутков между ними. Решетка Ронки обычно имеет заштрихованную часть 5X5 или 10 Х 10 мм. На каждый миллиметр приходится по 5 линий и промежутков.
Если решетку Ронки расположить в предфокальном положении на расстоянии 20--25-мм от критического положения, то, рассматривая зеркало сквозь решетку (так же, как это мм делали с ножом), мы увидим на зеркале серию вертикальных полос (если, конечно, и сама решетка установлена, вертикально). На идеальной сфере видим совершенно прямолинейные тени. Если же зеркало имеет ошибки, линии искривляются. Как "читать" теневую картину Ронки?
Приблизим решетку к фокусу. Очевидно, что сходящийся пучок света будет пересекать меньше полос решетки, и на зеркале мы также видим меньше полос, хотя они будут видны в большем масштабе. При удалении решетки от точки фокуса число теней на зеркале растет, но масштаб, в котором видна решетка, уменьшается. Сформулируем правило: чем ближе к фокусу зеркала или одной зоны находится решетка, тем крупнее на зеркале или на этой зоне видны тени решетки.
Теперь ясно, что если зоны зеркала имеют различные радиусы кривизны и фокусные расстояния, тени решетки на этих зонах будут видны в различном масштабе и сами линии искривятся.
Рис. 28, б показывает, как выглядят теневые картины Ронки. Заметим, что при переходе от предфокального положения решетки к зафокальному картина полос меняется. Это нетрудно понять, но для того, чтобы в дальнейшем не путаться, будем считать, что решетка всегда расположена в предфокальном положении. Интересна форма полос на параболоиде. Эти искривленные линии сами являются параболами (в первом приближении). Если бы мы могли на глаз точно оценивать кривизну этих линий, то проблема изготовления параболоида свелась бы к получению на теневой картине линий точно определенной кривизны. Однако глаз не в состоянии так точно оценить кривизну парабол. В то же время он легко оценивает с большой точностью прямолинейность прямых линий. Этим и воспользовался Эрик Мобсби. Он предложил [21] искривить линии решетки Ронки так, чтобы они были выгнуты в обратную сторону на величину, которую можно заранее вычислить. Тогда на теневой картине параболоида мы увидим прямые линии.
Не вдаваясь в подробности, опишем метод изготовления решетки Ронки--Мобсби, как это делает сам Мобсби, лишь незначительно видоизменив его.
Основная идея сводится к тому, что на листе ватмана в масштабе 100: 1 вычерчивается решетка, а потом переснимается фотоаппаратом на высококонтрастную мелкозернистую пленку с уменьшением в 100 раз.
На листе ватмана вычертим прямоугольник с горизонтальной стороной 50 мм и вертикальной 71,5 мм (рис. 35). Проведем две взаимно перпендикулярные оси симметрии. Из верхних углов прямоугольника надо провести к нижним две параболы, вершины которых отстоят от вертикальных сторон на величину р:
где у -- радиус крайней зоны, или полудиаметр зеркала, R -- радиус кривизны зеркала при вершине.
Предположим, что нам надо испытать зеркало диаметром 200 мм и радиусом кривизны 2800 мм (фокусное расстояние равно 1400 мм), тогда у3 = 106, R2 = 7,84 * 106 и р = 6,6 мм. На эту величину должны отстоять вершины парабол от вертикальных сторон прямоугольника. Для того чтобы вычертить эти параболы уверенно, надо найти еще несколько точек, соединяя которые мы и получим параболы с нужной точностью.
Мобсби предлагает такой путь вычислений с помощью таблицы (табл. 10) В первой строке записываем десятичные дроби от 0 до 1,0, во второй -- численные значения этих долей, выраженные в мм, для чего числа первой строки умножим на 35,75. В третьей строке --
Рис. 35. Решетки Ронки -- Мобсби. а) Вычерчивание парабол, б) вид испытательной сетки, содержащей нож Фуко, параболическую решетку Ронки--Мобсби и традиционную решетку Ронки, в) схема испытаний.
квадраты величин первой строки. Эти строки одинаковы для всех зеркал без исключения и потому их можно отпечатать в большом количестве на пишущей машинке.
В четвертой строке записываются произведения чисел третьей строки на р=6,6 мм. Пример расчета точек параболы для 200-миллиметрового зеркала дан в приводимой таблице. Значения чисел округлены с достаточной для практики точностью.
Теперь наносим нужные точки на чертеж (рис. 35, а). Прежде всего на вертикальные стороны прямоугольника нанесем величины из 2-й строки, откладывая эти числа верх и вниз от горизонтальной оси симметрии. Затем от этих точек внутрь прямоугольника откладываем соответствующие числа из 4-й строки. Делаем эту работу с такой тщательностью, на какую только способны. После нанесения всех точек соединяем их плав-
Т а б л и ц а 10
|
0,0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
|
0,0 |
3,6 |
7,2 |
10,8 |
14,4 |
18,0 |
21,6 |
25,2 |
28,8 |
32,4 |
36 |
|
0,0 |
0,01 |
0,04 |
0,09 |
0,16 |
0,25 |
0,36 |
0,49 |
0,64 |
0,81 |
1,00 |
|
0,0 |
0,07 |
0,26 |
0,59 |
1,06 |
1,65 |
2,38 |
3,23 |
4,22 |
5,35 |
6,6 |
ной кривой без переломов. Лучше всего воспользоваться лекалом.
Теперь, установив центр циркуля в центре прямоугольника, проведем окружность радиусом 35,75 мм. Конечно, на практике этот радиус можно взять, равным 36 мм. После того как фигура вычерчена, тщательно обведем ее тушью. Вертикальную ось симметрии проведем жирной линией толщиной в 1,5--2 мм. Такой же толщины будут и параболы. Окружность проведем линией в 1 мм или немного меньше. Прямоугольник и другие вспомогательные линии сотрем.
Теперь эту окружность надо переснять на пленку "Микрат" или другую мелкозернистую и контрастную пленку с уменьшением в 100 раз. Для того чтобы получить масштаб 1 : 100, надо расположить чертеж на расстоянии, равном 101 фокусному расстоянию от объектива фотоаппарата. Например, если фокусное расстояние объектива равно 50 мм, то расстояние до чертежа составит 5050 мм (5 м 50 мм) *).
*) это расстояние нужно откладывать от чертежа до так называемой главной плоскости объектива, но ее положение обычно неизвестно. Поэтому расстояние можно измерять от чертежа до плоскости фотопленки; тогда откладывается 102 фокусных расстояния объектива.
Объектив фотоаппарата должен быть задиафрагмирован до значения 8 или 11. Прежде чем диафрагмировать объектив, его надо тщательно сфокусировать на чертеж. Если не удалось достать пленку "Микрат", можно воспользоваться пленкой "ЗТ-8" или "Дубль-позитив", которые можно достать на кино- и телестудиях или кинокопировальных фабриках. Многие народные киностудии и кинокружки имеют такие пленки. Если же ни того, ни другого достать не удалось, можно использовать обращаемую пленку (обязательно черно-белую) небольшой чувствительности, например "ОЧ-22", которая обрабатывается с обращением. Остальные пленки обрабатываются также с обращением. Для этого первое проявление делается в позитивном (для фотобумаг) проявителе в течение 4 минут. Остальная обработка ведется в строгом соответствии с режимом обращения, рекомендуемым фабрикой пленок*).
*) Можно обойтись без обращения, зафиксировав пленку сразу после проявления, однако зернистость изображения в этом случае будет больше, кроме того, полученное негативное изображение надо отпечатать контактно на позитивную пленку, чтобы получить позитив решетки.
Итак, мы пересняли чертеж и проявили пленку. Устанавливаем решетку в предфокальном положении, перемещаем ее (рис. 35, в), пока не увидим на зеркале ее тень. Приближая или удаляя решетку и двигая ее в направлениях вверх -- вниз, вправо -- влево, устанавливаем решетку так, чтобы тень окружности решетки лежала точно на окружности зеркала. Тогда вертикальная ось симметрии будет проходить точно по вертикальному диаметру зеркала, а параболы будут расположены на некотором расстоянии от края зеркала. Наша задача -- добиться того, чтобы параболические линии на зеркале выглядели прямыми. Это будет означать, что наше зеркало -- параболоид.
Огромное преимущество метода Ронки -- Мобсби заключается в том, что не нужны измерения продольных аберраций, и теневой прибор может иметь довольно примитивную механическую часть. Так как параболоид при испытаниях методом Ронки -- Мобсби напоминает сферу, у которой нет продольных аберраций. Этот метод называется "нуль-тестом".
Но при испытаниях традиционным методом Ронки тени линий лишь в первом приближении являются параболами, поэтому метод Мобсби пригоден для относительно длиннофокусных зеркал с большим относительным фокусом. Так, 110-миллиметровое зеркало должно иметь относительный фокус 4 или больше, 150-милли-метровое--5 и более, 200-миллиметровое-- 6, 250-миллиметровое -- 7, 300-миллиметровое -- 8 и более. 30. ТОЧНОСТЬ ПАРАБОЛИЗАЦИИ ЗЕРКАЛА.
Если оптически точная поверхность отступает от заданной формы не более чем на 1/8 длины волны света, то она может считаться совершенной. 1/8 длины волны света -- это 0,00056 мм : 8 = 0,00007 мм = 0,07 мкм *).
*) 0,56 мкм -- длина волны, к которой более всего чувствителен глаз.
Отступление параболоида от ближайшей сферы сравнения составляет
где D -- диаметр, а V -- относительный фокус зеркала. Например, зеркало диаметром 250 мм и с фокусным расстоянием 1500 мм имеет относительный фокус 6 и после параболизации отступает от ближайшей сферы сравнения на 0,00028 мм, или на 0,28 мкм. Допустимое отступление составляет 0,07 мкм, или 25% от величины параболизации. Значит, выполняя параболизацию, мы можем немного не допараболизовать или перепараболизовать зеркало, если продольная аберрация зеркала не будет отличаться более чем на 25% от вычисленной величины. Иначе говоря, в нашем примере с 250-миллиметровым зеркалом, продольная аберрация которого равна 5,2 мм **), зеркало может иметь аберрацию в пределах от 6,5 до 3,9 мм.
**) Продольная аберрация в этом примере вычислена из расчета, что источник света неподвижен.
Если при параболизации продольная аберрация не будет выходить за эти пределы, то зеркало будет работать безупречно.
В табл. 11 приведены пределы ошибок продольной аберрации при параболизации для зеркал с различным диаметром и фокусным расстоянием. Ошибки выражены в процентах, если принять, что в идеале продольная аберрация составляет100%.
В тех случаях, когда ошибка продольной аберрации в таблице составляет 100% и более, зеркало может иметь продольную аберрацию равной нулю (быть сферой) или быть гиперболоидом с аберрацией в два раза
Таблица 11
|
V |
D |
|||||
|
80 |
110 |
160 |
200 |
250 |
300 |
|
|
3 4 5 6 7 8 9 10 12 |
9,8 23 61,9 128,6 - - - - - |
7 16,7 32,4 56,0 88,8 132,1 - - - |
4,9 11,5 22,4 88,7 61,4 92,1 132,1 - - |
3,9 9,1 17,9 30,8 49,0 72,9 104,5 - - |
3,1 7,3 14,3 24,8 39,3 58,8 83,3 114,8 - |
2,6 6,1 12,0 20,7 32,9 49,0 70,0 96,0 166,7 |
больше вычисленной. Отсюда становится понятным, почему, говоря о допустимых ошибках 150-миллимет-рового сферического зеркала, мы назвали допустимой продольную аберрацию 2--2,5 мм. Еще раз напомним, что для сферы эта ошибка может быть допустимой только в сторону плавного параболоида -- "бублика". Ошибки такого рода в сторону подвернутого края для сферы недопустимы.
Обычно любители не ограничиваются испытаниями только одного вида. В нашем случае также было бы хорошо проверить зеркало как с помощью решетки Ронки -- Мобсби, так и измерением продольных аберраций с помощью ножа Фуко.
ЗЕРКАЛО ИЛИ ПРИЗМУ?
Диагональное зеркало телескопа Ньютона можно подобрать из старых оптических деталей. У нас должна быть уверенность в том, что зеркало изготовлено с достаточной точностью. Эта точность может быть несколько ниже точности главного зеркала, так как диагональное зеркало расположено значительно ближе к фокусу, а чем ближе к фокальной плоскости диагональное зеркало, тем с меньшей точностью оно может быть изготовлено. В пределе, когда зеркало лежит непосредственно в фокальной плоскости, его поверхность может быть как угодно неточной.
Для большинства случаев ньютоновского телескопа плоское зеркало располагается в 4--5 раз ближе к фокусу, чем главное зеркало. Поэтому точность изготовления его поверхности может быть раза в 2 меньше,
Рис. 36. Графическое определение размеров диагонального зеркала. Обратите внимание на то, что центр эллиптического зеркала не совпадает с оптической осью.
чем точность поверхности главного зеркала. Таким образом, поверхность этого зеркала не должна уклоняться от плоскости больше чем на 1/4 длины волны света. Но это все равно достаточно большая точность, и обычные бытовые зеркала для наших целей не годятся.
Идеальное зеркало должно быть эллиптическим. Какие размеры оно должно иметь?
Поле зрения телескопа обычно составляет 1--1,5º. При фокусном расстоянии 1200 мм линейный поперечник поля зрения будет равен 20--30 мм. Для того чтобы пучок света, идущий от звезды, лежащей на краю поля зрения, не срезался краем диагонального зеркала, надо иметь зеркало соответствующих размеров.
Для их определения вычертим на миллиметровке в натуральную величину оптическую схему телескопа, на которую нанесем главное зеркало, поперечник поля зрения l, выраженный в миллиметрах, и отметим положение точки перелома оптической оси (рис. 36). Через эту точку под углом 45º проведем прямую -- это сечение плоскости зеркала. После этого соединим края главного зеркала с краями поля зрения прямыми линиями. Пересечение этих крайних лучей с вспомогательным зеркалом даст крайние точки большой оси вспомогательного зеркала. Большую ось определим прямым замером с помощью линейки. Малая ось равна большой оси, деленной на 1,4. Величины осей можно получить и расчетом. При этом размер малой оси определяется по формуле
где D -- диаметр главного зеркала, f ' -- его фокусное расстояние, l -- линейный поперечник поля зрения, D -- расстояние точки пересечения оптической оси с диагональным зеркалом от фокальной поверхности.
Определив величину малой оси зеркала, умножим ее на 1,4 и получим величину большой оси зеркала.
Если мы используем призму, то размеры ее гипотенузы (длинная грань, срезанная под углом 45º) должны быть не меньше большой оси эллиптического зеркала.
Впрочем, если размеры зеркала несколько меньше, чем следует из наших рассуждений, большой беды не будет. Срезание крайних лучей приведет на краю к небольшой потере резкости, которая практически не будет заметна глазу, и незначительному падению яркости, которое также практически будет незаметно. Однако если зеркало чересчур мало, то это равносильно тому, что уменьшился диаметр главного зеркала.
Можно несколько увеличить размеры и призмы и зеркала, если эти размеры не будут превышать 1/4-- 1/3 диаметра главного зеркала. Так, например, можно вместо эллиптического зеркала взять прямоугольное или круглое. Диаметр круглого зеркала должен быть равен большой оси эллипса. Тогда часть этого круглого зеркала вообще не будет работать, но это не страшно, так как количество света, экранируемого нерабочими частями, невелико.
Для наших целей пригодны только зеркала с наружным алюминированием, тогда как в быту применяются зеркала с внутренним алюминированием. Чтобы разобраться, где алюминирование наружное, а где внутреннее, осторожно коснемся кончиком карандаша поверхности зеркала. Если в момент соприкосновения кончик карандаша в кончик его отражения соприкасаются, то это значит, что алюминирование наружное. Если между кончиками есть некоторое расстояние, то алюминирование внутреннее.
Для того чтобы не усложнять себе работу, будем делать круглое зеркало. В этом случае, будучи установленным под углом 45º к оптической оси главного зеркала, оно будет проецироваться на него в виде эллипса.
Шлифовка плоскости мало чем отличается от шлифовки сферы. Начинаем сразу с абразива М40--М28. Если шлифовка ведется на плоском пластмассовом шлифовальнике, надо время от времени зеркало и шлифовальник менять местами, чтобы предотвратить появление у зеркала кривизны. Для испытания его поверхности достаточно довольно грубых методов исследования. Рассматривая зеркало под острым углом, кладем на дальний его край шарик от шарикоподшипника (рис. 37, а). Если отражение шарика вытянуто вертикально, значит, зеркало вогнутое, и его надо некоторое время (5--15 мин) шлифовать в положении "зеркало внизу"; если отражение сплюснуто, то зеркало выпуклое и должно шлифоваться в положении "зеркало сверху". Так, чередуя положение зеркала и шлифовальника и постоянно следя за качеством матовой поверхности, переходим к абразивам М20, М14, М10.
Полировка ведется на плоском полировальнике. Смола формуется так же, как и прежде. В ходе полировки, возможно, поверхность зеркала начнет приобретать кривизну; это будет замечено во время окулярных испытаний. Общая кривизна поверхности исправляется так же, как и при шлифовке, изменением положения зеркала и полировальника. Зональные ошибки исправляются или подрезкой, или формовкой полировальника, или местной ретушью, как и при полировке главного зеркала.
Испытания ведем по схеме, предложенной английским любителем А. Коммоном (рис. 37, б). Для этого нам потребуется вогнутое зеркало высокого качества, например главное сферическое зеркало для телескопа, которое мы изготовили. Если же мы его параболизовали, можно использовать его центральную часть, которая с достаточной степенью точности является сферической.
Рис. 37. Изготовление плоского зеркала.
а) Контроль матовой поверхности на кривизну, б) схема окулярных испытаний, в) вид светящейся точки в предфокальном (1), фокальном (2), зафокальном (3) положениях окуляра; з--зеркало, ф.п.-- форма полировальника для исправления дефекта.
Свет от "искусственной звезды" (она на рисунке не показана) падает на диагональное зеркало и отражается на сферическое. После отражения от сферического зеркала свет последовательно попадает вновь на диагональное зеркало и затем в окуляр. На рис. 37, в показаны изображения светящейся точки при рассматривании ее в окуляр. Условимся для определенности, что мы всегда будем начинать эту окулярную пробу с рассматривания предфокального изображения "звезды" и, постепенно удаляясь, переходить к зафокальному. Тогда, если предфокальное изображение "звезды" выглядит вертикальным штрихом, а зафокальное -- горизонтальным, мы имеем дело с вогнутой поверхностью вместо плоскости. Зеркало необходимо положить вниз и полировать в положении "зеркало внизу". Если предфокальное изображение "звезды" -- горизонтальный штрих, а зафокальное -- вертикальный, зеркало имеет выпуклость, и его надо полировать в положении "зеркало вверху". В случае, когда испытывается круглое совершенно плоское зеркало, установленное под углом 45º к оси вогнутого зеркала, зафокальные и предфокальные изображения светящейся точки выглядят эллипсами, а фокальное изображение -- точкой.
Если кривизна зеркала достаточно велика и не устраняется этим способом, надо подрезать полировальник, как показано на рис. 37, в (ф. п.). После окончания полировки и фигуризации зеркало готово к алюминированию.
Проще всего алюминировать зеркала в мастерских бытовых зеркал, которые есть практически на каждом мебельном комбинате.
Прежде всего зеркало надо отмыть от следов смолы. Крупные частицы смолы скалываются деревянной заостренной палочкой. Когда с этими кусочками смолы будет покончено, протираем зеркало ваткой, смоченной керосином или бензином. Керосин растворяет смолу, и она впитывается ватой. Правда, значительная часть смолы размазывается по зеркалу. Поэтому после грубого мытья зеркало необходимо промыть еще раза два керосином.
Перед алюминированием зеркало надо промыть под краном с хозяйственным мылом. Лучше всего обильно намылить руки и мыть ими поверхность зеркала. После этого зеркало нужно поставить под струю воды и смыть руками мыльную пену. При этом нужно быть крайне осторожным, чтобы не выронить зеркало из намыленных рук. Лучше всю работу проводить прямо у самого дна водопроводной раковины.
После мытья надо поставить зеркало на ребро, и дать воде стечь. Оставшиеся на поверхности капли воды следует убрать уголком промокательной бумаги. Перед алюминированием достаточно зеркало промыть медицинским спиртом и, не дав спирту высохнуть, облить зеркало дистиллированной водой.
Ни в коем случае нельзя давать полировать зеркало крокусом перед самым алюминированием, как это делается в зеркальных мастерских с бытовыми зеркалами. Грубое полирование, не опасное для бытового зеркала, может стоить слишком дорого в случае с оптически точным зеркалом.
При любой возможности надо покрыть зеркало алюминиевым слоем с защитным покрытием, как это делается в оптических мастерских, так как прочность покрытия становится в десятки раз выше.
В литературе можно найти описание способов серебрения зеркал. К сожалению, серебрение дает слишком неустойчивый слой, который надо возобновлять 2--3 раза в год. Кроме того, в связи с острым дефицитом серебра во всем мире, достать нужное для этого азотнокислое серебро практически невозможно. Профессионалы также не применяют серебрение астрономических зеркал. 34. ЧТО ТАКОЕ ВЫХОДНОЙ ЗРАЧОК И КАКОВА ЕГО РОЛЬ?
Направим бинокль, подзорную трубу или самодельный телескоп из очковых стекол на дневное небо, расположившись с телескопом в комнате. Если к окуляру поднести листок белой бумаги, то можно заметить на нем светлый кружок. Приближая или удаляя лист бумаги от окуляра, добьемся максимальной резкости кружка. Теперь установим перед объективом какой-нибудь предмет, например карандаш; на фоне светлого кружка появится тень карандаша. Если на объектив надеть квадратную диафрагму, кружок превратится в светлый квадратик, если диафрагма треугольная -- в светлый треугольничек. Нетрудно догадаться, что светлое пятнышко позади окуляра -- изображение объектива, построенное окуляром.
Объектив или зеркало телескопа принято называть входным зрачком, а его изображение, построенное окуляром,-- выходным зрачком. Посмотрим, как изменится вид выходного зрачка, если слабый окуляр заменить сильным. Меняя слабый (длиннофокусный) окуляр на сильный (короткофокусный), мы изменим масштаб изображения, которое строится окуляром. Короткофокусный окуляр построит изображение мельче. Значит, диаметр выходного зрачка уменьшится. Это уменьшение будет пропорционально уменьшению фокусного расстояния окуляра. Вместе с тем по мере уменьшения фокусного расстояния окуляра возрастет увеличение трубы. И наоборот, если сильный окуляр сменить на длиннофокусный, выходной зрачок возрастет в диаметре, а увеличение телескопа уменьшится. Таким образом, мы пришли к очень важному выводу: чем больше увеличение телескопа, тем меньше диаметр выходного зрачка, и наоборот, чем меньше увеличение телескопа, тем больше выходной зрачок.
Можно записать формулу увеличения телескопа:
где D-- световой (или действующий) диаметр объектива или зеркала, dзр -- диаметр выходного зрачка, f' и ф -- фокусные расстояния объектива и окуляра соответственно.
Астрономы говорят о больших или малых выходных зрачках телескопа, что соответствует малым или большим увеличениям. Каковы пределы размеров выходных зрачков и, следовательно, каковы пределы увеличений телескопа? Начнем с того, что глаз наблюдателя должен быть совмещен с выходным зрачком телескопа -- только в этом случае наблюдатель видит полностью поле зрения телескопа. В этом нетрудно убедиться. Достаточно поднести к глазам, скажем, бинокль и заметить границы поля зрения. Теперь начнем понемногу отдалять от глаз бинокль. Мы сразу же заметим, как резко уменьшается поле зрения. То же произойдет, если глаз расположить ближе к окуляру, чем выходной зрачок. Правда, в большинстве практических конструкций выходной зрачок лежит близко к глазной линзе окуляра, и поэтому придвинуть глаз к окуляру ближе, чем выходной зрачок, не всегда возможно.
Теперь представим, что мы установили очень длиннофокусный окуляр, и выходной зрачок стал достаточно большим. Например, фокусное расстояние объектива равно 500 мм, диаметр 50 мм, фокусное расстояние окуляра 100 мм; значит, увеличение телескопа составит 5 раз, а диаметр выходного зрачка-- 10 мм. Известно, что диаметр зрачка человека даже в полной темноте не превышает 6--8 мм. Примем максимальный диаметр зрачка равным 6 мм. Расположив его в районе выходного зрачка телескопа, мы совершенно явно "срежем" часть светового потока, так как его диаметр составляет 10 мм. Это равносильно тому, что перед Объективом установили диафрагму, которая ограничила его действующее отверстие. Разумеется, астроном менее всего заинтересован в уменьшении диаметра объектива, а потому и использование выходных зрачков более диаметра зрачка глаза бессмысленно. Заметим, что выходные зрачки телескопа, равные зрачку глаза наблюдателя в темноте, соответствуют минимальному увеличению телескопа, которое принято называть рав-нозрачковым увеличением. Не вдаваясь в подробности, отметим, что равнозрачковые увеличения применяются при наблюдениях протяженных объектов с малой поверхностной яркостью: туманностей, комет, галактик, шаровых скоплений и пр. Для некоего среднего наблюдателя диаметр выходного зрачка выбирается равным б мм, поэтому минимальное (равнозрачковое) увеличение телескопа равняется диаметру объектива (зеркала), деленному на 6 мм, о чем мы уже упоминали. Максимальное увеличение, или минимальный зрачок выхода, определяется волновой природой света. Здесь мы опять вынуждены обойти молчанием довольно интересную, но увы, довольно сложную для начинающего любителя тему. Ограничимся следующим: при зрачках выхода, равных 0,7--0,5 мм, светящаяся точка, каковой представляется нам звезда, принимает форму яркого ядрышка, окруженного крошечными радужными колечками. Это ядрышко и колечки не имеют никакого отношения к действительной природе звезды и обусловлены дифракцией (отклонением) лучей света вблизи оправы объектива. Дальнейшее увеличение не имеет смысла (см. рис. 7). Таким образом, максимальное увеличение телескопа равно диаметру объектива, деленному на 0,5--0,7 или, что все равно, умноженному на 1,4--2 *).
*) Строго говоря, дифракционная картина становится уже . заметкой нормальному глазу при выходном зрачке 0,7 мм. Однако нередко применяют большие увеличения. Это объясняется тем, что очень часто глаз наблюдателя отягощен дефектами, например астигматизмом, что и заставляет применять увеличения при выходном зрачке 0,5 мм и даже иногда 0,3 мм.
Итак, с телескопом можно применять любые увеличения, если выходные зрачки не выходят из пределов 6--0,7 мм С б0-миллиметровым объективом минимальное, равнозрачковое увеличение будет 10-кратным. Наблюдая слабую туманность, мы не сможем применить большое увеличение, так как по мере роста увеличения видимая яркость туманности упадет, и глаз перестанет ее различать. Что же делать, если мы хотим получить большее увеличение? Единственное средство -- увеличить диаметр объектива. 180-миллиметровый объектив позволит нам рассматривать эту туманность уже с увеличением в 30 раз, и она будет иметь ту же поверхностную яркость.
С другой стороны, если какая-то подробность на поверхности Юпитера видна, например, при увеличении только в 200 раз, то 60-миллиметровый телескоп окажется бесполезным, так как его максимальное увеличение равно 120. В этом случае нужен телескоп диаметром 100--150 мм. 35. КАК ПОДОБРАТЬ ОКУЛЯР?
Прежде всего нужно стремиться достать окуляры от подзорных труб, биноклей, теодолитов, нивелиров и т. п. Несколько хуже работают с зеркальным телескопом окуляры от микроскопов. Впрочем, попадаются и здесь окуляры таких конструкций, которые хороши и в комбинации с зеркалом. Если не удастся найти готовые окуляры, можно воспользоваться короткофокусным фотообъективом или объективами от 16- и 8-миллиметровой кинокамер. Для того чтобы читатель имел возможность ориентироваться в окулярах заводского изготовления, приведем краткую характеристику профессиональных окуляров.
Окуляр Гюйгенса (рис. 38, а). Этот окуляр состоит из двух плосковыпуклых линз, обращенных к глазу плоскими сторонами. Если фокусные расстояния линз обозначить f1 (передней) и f2 (задней), а расстояние между ними D, то фокусное расстояние окуляра равно
Отношение фокусного расстояния передней линзы, расстояния между линзами и фокусного расстояния второй линзы обычно равно f1: D : f2 = 4 : 3 : 2 или f1: D : f2 =3:2:1.
Рис. 38. Типы окуляров и действие линзы Барлоу.
а) Окуляр Гюйгенса, б) окуляр Рамсдена, в) окуляр Кельнера, г) окуляр Эрфле, д) симметричный окуляр, е) действие линзы Барлоу, ж) ее установка.
Окуляром Гюйгенса снабжаются микроскопы. Отличительная особенность окуляра Гюйгенса заключается в том, что диафрагма поля зрения Д расположена между линзами. Эта диафрагма расположена точно в фокальной плоскости второй линзы, ее назначение состоит в том, чтобы резко очертить границы поля зрения. Чтобы убедиться в этом, достаточно заглянуть в окуляр. Мы увидим резко ограниченный круг, слегка окрашенный в голубоватый цвет. Эта цветная кайма -- результат действия хроматической аберрации, которая в окуляре исправлена недостаточно.
Окуляр Рамсдена (рис. 38, б). Этот окуляр также состоит из двух плосковыпуклых линз. Но здесь они расположены выпуклыми сторонами друг к другу. Фокусные расстояния линз окуляра Рамсдена обычно одинаковы, а расстояние между линзами равно 0,7f. В этом случае формула фокусного расстояния окуляра упрощается:
ф= 0,77f.
Окуляр Рамсдена, так же как и окуляр Гюйгенса, принадлежит к числу недорогих окуляров, у которых аберрация исправлена не полностью. Впрочем в большинстве случаев эти окуляры достаточно хороши, и они широко применяются как любителями, так и профессионалами. Положительным свойством окуляра Рамсдена является то, что его полевая диафрагма вынесена за пределы системы и находится перед линзой, в фокальной плоскости окуляра. В этом месте легко можно расположить крест нитей, простейший микрометр и т. п.
Окуляр Кельнера (рис. 38, в). Этот окуляр представляет собой усовершенствованный окуляр Рамсдена. Вместо одиночной глазной линзы здесь стоит ахроматизированная линза, склеенная из положительной линзы из стекла марки "крон" и отрицательной из стекла марки "флинт". В результате хроматическая аберрация у окуляра Кельнера меньше, чем у окуляра Рамсдена. Окуляр Кельнера применяется очень широко: в биноклях, подзорных трубах, некоторых типах микроскопов и т. д. Это, пожалуй, самый распространенный окуляр.
Окуляр Эрфле (рис. 38, г). Если вместо одной глазной линзы окуляра Кельнера поставить, две одинаковые ахроматические линзы, то получится один из широкоугольных окуляров Эрфле. Их поле зрения составляет 55--60º; (у окуляров Гюйгенса, Рамсдена и Кельнера поле зрения 40--45º.
Симметричный окуляр (рис. 38, д). Этот окуляр -- наиболее совершенный из числа относительно недорогих. Он состоит из двух одинаковых ахроматических линз, обращенных друг к другу кроновыми (положительными) линзами. Поле зрения окуляра 50º. В некоторых случаях мы можем оказаться в затруднительном положении. Для нашего 150-миллиметрового зеркала с фокусным расстоянием 1200 мм максимальное увеличение составит 300. Для того чтобы получить это увеличение, надо взять окуляр с фокусным расстоянием 1200:300=4 мм. Это довольно редкий окуляр. Едва ли нам удастся его достать. Поэтому мы прибегнем к хитрости.
Если перед самым фокусом зеркала установить небольшую отрицательную линзу, она уменьшит сходимость пучка, и лучи пересекутся дальше от зеркала. В этом случае говорят не о главном фокусном расстоянии зеркала, а об эквивалентном фокусном расстоянии системы зеркало -- рассеивающая линза. Если эквивалентное фокусное расстояние в три раза больше главного, то нам потребуется окуляр с фокусным расстоянием не 4, а 12 мм. Его гораздо легче достать. Рассеивающая линза, о которой идет речь, называется линзой Барлоу и очень широко применяется в практике любителей, а отчасти и профессионалов. На рис. 38, е показано действие линзы Барлоу с линзовым объективом, а на рис. 38, ж --ее установка в трубке.
На рис. 39 показаны конструкции оправ окуляров. Первый из них -- окуляр Рамсдена (рис. 39, а) -- собран в картонной трубке 1, которая может быть подобрана или склеена из бумаги. Поперек этой трубки на клею намотано 2--3 слоя бумаги 2 для того, чтобы окуляр, поставленный в фокусировочную трубку, не проваливался в нее. Линзы разделены и удерживаются трубками-вкладышами 3. Для того чтобы определить положение полевой диафрагмы 4, надо, глядя в окуляр, осторожно ввести с противоположной стороны кончик карандаша. Положение, в котором кончик карандаша виден отчетливо, укажет положение фокальной плоскости, а значит, и диафрагмы. Диафрагма удерживается пружинящим кольцом 5.
Корпус окуляра Кельнера (рис. 39, б) вытачивается из алюминия. Внутри корпус рассверливается ступенями с помощью подходящих сверл. Глазная линза удерживается колечком 1, застопоренным винтами 2. Полевая диафрагма удерживается кольцом 3.
Третий окуляр -- симметричный; он снабжен крестом-сеткой 1, которая может подсвечиваться лампочкой 2 (рис. 39, в), так как на черном фоне неба крест
Рис. 39. Конструкции оправ окуляров.
а) Окуляр Рамсдена. 1-- картонная трубка, 2 -- слои бумаги, 3 -- трубки-вкладыши, 4 -- полевая диафрагма, 5 -- пружинящее кольцо. б) Окуляр Кельнера. 1-- колечко, 2--винт, 3 --кольцо. в) Симметричный окуляр. 1 -- сетка, 2 -- лампочка. 3 -- светофильтр, 4 -- диафрагма, 5 -- трубка.
не виден. Светофильтр оранжевого цвета 3 позволяет четко выделить сетку на фоне неба. Для того чтобы свет лампы не засвечивал оправу изнутри и не мешал наблюдениям, устанавливается диафрагма 4, позволяющая освещать только середину сетки. Трубка 5, в которой установлена лампочка, вворачивается в оправу на резьбе, которая на трубке нарезается леркой, а в отверстии оправы окуляра--метчиком М8--М10.
В качестве патрона хорошо взять патрон от елочной гирлянды. Для питания лампочки можно использовать батарейку, но лучше -- трансформатор. В цепь лампы надо включить реостат для того, чтобы можно было регулировать освещенность вплоть до самой слабой, когда ведущая звезда слишком слаба, а крест светится слишком ярко и слепит глаз. 36. ПОДРОБНЕЕ О ЛИНЗЕ БАРЛОУ
Как мы уже говорили, у большинства сильных окуляров выходные зрачки расположены очень близко к глазной линзе, и при наблюдении в такой окуляр приходится приближать глаз так близко к окуляру, что ресницы и даже роговица глаза прикасаются к поверхности стекла, что вызывает болезненные ощущения. Отодвигание же глаза приводит к потере значительной части поля зрения. Большую помощь здесь может оказать линза Барлоу, так как с ней будет работать более слабый окуляр.
Как определить положение линзы Барлоу? Прежде всего нужно отметить, что отрицательные линзы не имеют действительного фокуса, как линзы положительные, и поэтому для них введено понятие мнимого фокуса. Если рассеянные отрицательной линзой лучи продолжить назад, то они пересекутся в некоторой точке Эта точка и называется мнимым фокусом, так как здесь нет никакого изображения. Расстояние этой точки от линзы называется фокусным расстоянием линзы, и перед ним всегда ставят знак минус. Это фокусное расстояние (обязательно со знаком минус!) можно подставлять в любые формулы и в дальнейшем оперировать с ним так же, как и с фокусными расстояниями положительных линз.
Зададимся увеличением линзы Барлоу. Обычно оно выбирается в пределах 2--3х. Допустим, что мы остановились на увеличении 3x. Это значит, что вместе с линзой Барлоу наше зеркало будет иметь эквивалентное фокусное расстояние в три раза больше. Для зеркала с фокусным расстоянием 1200 мм эквивалентное фокусное расстояние будет равно 3600 мм.
Теперь для получения максимального увеличения (300х ) нам потребуется окуляр с фокусным расстоянием не 4 мм, а 3600 мм : 300 = 12 мм.
Зададимся фокусным расстоянием линзы Барлоу, например 30 мм, и запишем формулу сложения фокус
ных расстояний линз для нашего случая
где f1 --фокусное расстояние главного зеркала телескопа, f2 -- фокусное расстояние линзы Барлоу, D -- расстояние между зеркалом и линзой Барлоу. Решая это уравнение относительно D, получим
Величина 1180 мм означает, что расстояние линзы от фокальной плоскости зеркала равно 20 мм в сторону зеркала. Теперь мы видим, что длину окулярной трубки надо увеличить в G -- 1 раз, где G -- увеличение линзы Барлоу. Так, если увеличение линзы Барлоу равно трем, то расстояние между старым и новым положениями фокальной поверхности будет в два раза больше, чем расстояние от линзы Барлоу до старого положения фокальной поверхности. В нашем примере расстояние от линзы до фокуса равно 20 мм, значит, длину окулярной трубки надо увеличить на 40 мм.
Приблизим линзу к зеркалу на 2,5 мм так, чтобы новое расстояние между линзами и зеркалом стало 1177,5 мм, или, что все равно, линза отодвинется от фокальной плоскости на 2,5 мм. Подсчет покажет, что в этом случае эквивалентное фокусное расстояние fсист увеличилось до 4800 мм или в 4 раза. Теперь для получения максимального увеличения с нашим 150-миллиметровым зеркалом нужен окуляр с фокусным расстоянием 16 мм. Можно поступить так: рассчитать 3-- 4 различных положения линзы Барлоу для того, чтобы, имея один окуляр, получить несколько различных увеличений.
В качестве примера с нашим зеркалом, 16-милли-метровым окуляром и линзой выберем четыре увеличения--300, 240, 190, и 150. Для 150-миллиметрового зеркала этим увеличениям будут соответствовать выходные зрачки диаметром 0,5; 0,625; 0,75; 1,0 мм. Эта последовательность самых сильных увеличений телескопа требует очень короткофокусных окуляров. С линзой же Барлоу и одним окуляром с фокусным расстоянием 16 мм можно получить четыре увеличения плюс еще одно, когда окуляр применяется без линзы Барлоу -- в 75 раз.
Если же использовать еще и окуляр с фокусным расстоянием, например, 50 мм, то можно получить такой ряд увеличений без линзы и с линзой, перемещаемой на те же отрезки вдоль оптической оси: 24 раза (зрачок выхода 6,25 мм), 48 раз (зрачок 3,12 мм), 57,5 раза (зрачок 2,6 мм), 72 раза (зрачок 2,1 мм), 96 раз (зрачок 1,56 мм). Таким образом, достаточно иметь всего два окуляра и одну линзу Барлоу, чтобы получить практически весь набор увеличений, интересующий любителя астрономии.
Линза Барлоу устанавливается в трубке, длина которой соответствует минимальному увеличению. К этой трубке имеются несколько трубок-вкладышей, которые вставляются вместо окуляра, когда необходимо получить большее увеличение, а окуляр вставляется уже во вкладыш. Познакомившись с методикой расчета линзы Барлоу, читатель сможет без особого труда вычислить все необходимые параметры линзы Барлоу и ее трубки-оправы *).
*) Нужно, однако, помнить, что одиночная линза Барлоу страдает хроматической аберрацией. Для резкого уменьшения хроматизма линза Барлоу должна быть склеена из двух линз -положительной из стекла Ф2 и отрицательной из стекла К8. Отрицательная линза (К8) двояковогнутая, оба радиуса кривизны равны окончательному фокусному расстоянию двух линя, деленному на 2. Так, если фокусное расстояние нужной нам линзы Барлоу равно 40 мм, то обе поверхности отрицательной линзы имеют радиус кривизны 20 мм. Положительная линза (Ф2) -- плосковыпуклая. Радиус кривизны выпуклой поверхности равен радиусу отрицательной линзы. В нашем случае он равен 20 мм. После изготовления линзы нужно сложить вместе и вставить в оправу, но лучше их склеить канадским бальзамом или бальзамином. 37. ПРОСТОЙ РАСЧЕТ ОКУЛЯРА РАМСДЕНА И ЛИНЗЫ БАРЛОУ
В том случае, когда у читателя нет возможности подобрать готовый окуляр, можно изготовить линзы для него самостоятельно. Они изготавливаются из витринного стекла толщиной 7--10 мм. По своим оптическим свойствам оно близко к стеклу К8.
Познакомимся с конструктивными элементами окуляра Рамсдена. Две его линзы имеют совершенно одинаковые радиусы кривизны и в нашем случае одинаковые диаметры. (Строго говоря, глазная линза окуляра должна быть несколько меньше полевой, но это необязательное условие, и поэтому ради простоты изготовления мы сделаем обе линзы одного диаметра.) Предположим, нам надо отшлифовать линзы для окуляра, имеющего фокусное расстояние 30 мм. Это слабый окуляр. С линзой Барлоу он может дать средние увеличения. Лучше начинать со слабых окуляров, так как сильные окуляры потребуют довольно мелких линз, а к их изготовлению надо переходить, имея уже некоторый опыт.
Фокусное расстояние каждой из линз равно f == 2R, где R -- радиус выпуклой поверхности. Фокусное расстояние плосковогнутой линзы Барлоу численно также равно 2R.
Начнем с того, что определим фокусное расстояние каждой из линз. Для этого эквивалентное фокусное расстояние нашего окуляра, равное 30 мм, разделим на 0,77 (см. 35), получим 38,9 мм, т. е. радиус кривизны равен 19,5 мм. Эту величину можно выдержать с точностью до 1 мм, поэтому фокусное расстояние может получиться в пределах 29--31 мм. Это совершенно не страшно.
В профессиональном производстве для шлифовки выпуклых поверхностей применяются вогнутые шлифовальники. Любитель, имеющий доступ к токарному станку, может без особого труда изготовить металлические шлифовальнички, но мы опишем более простой способ в условиях любителя -- шлифовку на стеклянном шлифовальнике.
Во всех случаях у окуляра Рамсдена диаметры линз составляют примерно 0,8 фокусного расстояния окуляра . Однако по причинам, которые будут объяснены несколько позже, заготовку для линзы нужно брать процентов на 20 больше, чем окончательный диаметр линзы. Это означает, что диаметр заготовки для линзы окуляра Рамсдена должен быть равен его фокусному расстоянию, в нашем случае 30 мм.
Для определения толщины заготовки начертим поперечное сечение линзы на миллиметровке в масштабе 2:1, т. е. в два раза больше натуральных размеров, и измерим максимальную толщину линзы, прибавив 1 мм (толщина линзы на краю). Она равна 8 мм. Это толщина обычного витринного стекла. 38. ШЛИФОВКА, ПОЛИРОВКА И КРУГЛЕНИЕ ЛИНЗ ОКУЛЯРА И ЛИНЗЫ БАРЛОУ
Заготовки для линз высверливаем с помощью трубчатого сверла вручную или на сверлильном станке с минимальной скоростью шпинделя. На рис. 40, а показаны детали приспособлений для этих целей. Сверление производится в точности так же, как и вырезание
Рис. 40. Изготовление мелких линз.
а) Высверливание заготовки. 1 -- сверло, 2--патрон сверлильного станка, 3--кусок стекла, 4--пластилиновый бортик. б) Шлифовка линзы на токарном станке. 1 -- заготовка, 2 -- стеклянный шлифовальник, 3--оправка из катушки для ниток. в) Оправка для шлифовальника. 1 -- стекло, 2 -- смола, 3 -- оправка.
заготовки для основного зеркала. Надо помнить, что большие скорости вращения шпинделя сверлильного станка могут стать причиной серьезных неприятностей, если сверло и его хвостовик окажутся не вполне соосными. В этом случае центробежные силы так велики, что сверло может отломиться от хвостовика и с большой скоростью отлететь в сторону. Поэтому масса сверла должна быть минимальной. Для этого минимальной должна быть высота его стенок, на 2--3 мм больше
толщины стекла, на которого вырезается заготовка. Толщина цилиндрических стенок должна быть 0,5-- 1 мм, а основания ("дна") цилиндра--3-- 4 мм. Диаметр хвостовика должен быть максимально возможным для патрона, в котором он будет зажиматься, Так же, как и в случае вырезания заготовки основного зеркала, на рабочем краю сверла ножовкой должны быть сделаны 3--4 пропила для того, чтобы абразив легче проваливался в прошлифованную канавку.
При вырезании применяется грубый абразив (No 10--20) с обилием воды, которая помогает абразиву проваливаться в канавку, а отработанному шламу подниматься наверх. Чтобы вода не растекалась, а абразив не разбрасывался в стороны, вокруг рабочего места на стекле делается пластилиновый бортик достаточной высоты -- 2--3 см. Чтобы с противоположной стороны стекла не было больших сколов, к куску витринного стекла смолой подклеивается тонкий лист стекла.
Для контроля кривизны поверхности необходимо изготовить шаблон. В случае достаточно больших линз, как, например, наша, можно аккуратно вычертить остро заточенным гвоздем, вставленным в циркуль, дугу необходимого радиуса на куске жести. После этого аккуратно вырезается рабочая часть шаблона и подравнивается полукруглым надфилем. Можно выточить на токарном станке плоское кольцо с внутренним радиусом, равным радиусу линзы и разрезать на 3--4 шаблона.
Выточим или подберем оправку для крепления на ней заготовки линзы. Оправка имеет форму цилиндра, который вставляется в патрон токарного станка (рис. 40, б) или крепится переходной муфтой на верхней части шпинделя сверлильного станка. К торцу приклеивается заготовка. Чтобы заготовка имела достаточно жесткое основание, в оправке нужно проточить углубление, в которое будет заливаться смола, тогда как заготовка ляжет на бортик этого углубления. Для того чтобы во время приклеивания избыток смолы мог вытечь, в бортике надфилем надо пропилить 3--4 радиальные канавки.
Нагреем оправку на электроплитке и, положив в углубление на торце кусочек смолы, подождем, пока он расплавится. Теперь снимем оправку, установим ее на ровную поверхность стола и положим на смолу заготовку. Избыток смолы вытечет через канавки и заготовка плотно ляжет на бортик углубления.
Теперь нужно сделать оправку (рис. 40, в) для шлифовальника. Она выглядит точно так же, но, кроме того, должна легко вращаться вокруг своей оси, когда ее держишь в руках. С этой целью цилиндр оправки надевается на другую трубку подходящего диаметра, трущиеся части при этом должны быть смазаны маслом. Еще лучше если цилиндр оправки будет вращаться в шарикоподшипниках. У каждого любителя может найтись готовое приспособление подобного рода. Так же, как и заготовка линзы, стеклянный шлифовальник представляет собой круглый кусок стекла этого же, что и заготовка для линзы, диаметра и толщиной на 1--2 мм больше*).
*) Об изготовлении металлических шлифовальников см. Приложение 1
Шлифовальник наклеивается на торец оправки. Устанавливаем оправку с заготовкой линзы в патрон токарного станка. Включаем станок со скоростью около 300 об/мин (5 об/с), наносим на заготовку абразив No 20 или No 10, подводим середину шлифовальника к краю заготовки линзы под некоторым углом и начинаем шлифовку, делая небольшие качательные движения шлифовальником по радиусу заготовки. Довольно быстро край заготовки линзы начнет сошлифовываться, а в центре шлифовальника образуется углубление. Очень быстро углубление распространится почти до самого края. Когда вся поверхность линзы примет выпуклую форму и кусочек несошлифованного в центре стекла исчезнет, проверим кривизну линзы шаблоном, приложив шаблон вогнутой стороной к выпуклой поверхности линзы. Если кривизна линзы равна или немного меньше, переходим к микропорошку М40. Если кривизна превышает кривизну шаблоны, линзу и шлифовальник надо поменять местами, и шлифовку вести с давлением на края шлифовальника.
После окончания шлифовки порошком М40 переходим к порошку М20 и на нем заканчиваем шлифовку линзы. Теперь наливаем немного смолы на шлифовальник и, смочив линзу водой, формуем на ней полировальник. При таких больших скоростях патрона токар-
ного станка или шпинделя сверлильного станка полировка идет очень быстро, но вместе с тем смола быстро разогревается и становится слишком мягкой.
Для этих целей приготовим смолу потверже (добавив в нее канифоли до 70--80% по объему) и каждые 2--3 минуты формуем полировальник, давая остыть и линзе.
Вторую поверхность линзы шлифуем, приклеив ее к оправке выпуклой стороной. Шли-фовальником может
Рис. 41. Кругление линзы.
служить металлический пруток диаметром 30 мм с плоским торцом и вращающийся в оправке так же, как и стеклянный шлифовальник. Шлифовку можно начинать с порошка М20. Добившись того, чтобы на плоской стороне линзы не осталось несошлифованных участков, сразу переходим к полировке. Разумеется, шлифовка и полировка плоской стороны ведутся через центр с нормальным выносом. Некоторая выпуклость, образовавшаяся при этом, нам не страшна.
Не вдаваясь в подробности, отметим, что точность изготовления линз для окуляра значительно ниже, чем точность зеркала, поэтому всю работу можно вести без строгого контроля кривизны поверхности. Однако для линз окуляра чрезвычайно важно, чтобы на них не было следов матовости и царапин. Это относится ко всей поверхности обеих сторон полевой (первой) линзы и особенно к центральной части глазной (второй) линзы.
Стеклянный шлифовальник, имеющий плосковогнутую форму, мы используем в качестве линзы Барлоу, конечно, отполировав его поверхности.
Теперь надо выполнить кругление и центровку линз. Дело в том, что во время шлифовки линза могла принять форму, когда ее оптическая ось не совпадает с осью цилиндра заготовки. На рис. 41 внизу видно, что надо сошлифовать заштрихованную часть нашей линзы, и тогда геометрическая и оптическая оси совпадут. Нагреем оправку линзы, установим ее в патрон токарного станка и будем его вращать от руки, наблюдая за бликами на поверхности линзы от лампочки. Если эти блики совершенно неподвижны, ось патрона
Рис. 42. Вертикальный шпиндель для шлифовки мелких линз. 1 -- линза на оправке, 2 -- шпиндель, 3 -- шкив, 4 -- мотор, 5 -- тазик
станка и оптическая ось линзы совпадают, что нам сейчас и надо, но если блики совершают вращательные движения вместе с вращением патрона, то надо несколько переместить линзу на оправке, пока не затвердела смола. Опыт быстро подскажет, в каком направлении надо двигать линзу, чтобы блики остановились. Добившись этого, дадим смоле затвердеть и приступим к круглению. Если сейчас включить станок (с прежней скоростью), один из краев линзы будет "бить". Если к краю подвести кусочек 2-миллиметровой латуни или стали, как показано на рис. 41 вверху, линза будет одним краем стучать по нему. Подмажем абразивом No 10--20 кусок латуни и, осторожно подведя латунную пластинку на суппорте, начнем сошлифовывать край линзы. Время от времени будем измерять штангенциркулем диаметр линзы. Как только он станет равным 27 мм, прекратим кругление и изготовим фаски. Для этого нужны такой же кусочек латуни и абразив. Латунь должна быть установлена в суппорте
под углом 45º к краю линзы. Полумиллиметровые фаски предохранят линзу от сколов.
Вообще говоря, даже небольшой кружок телескопостроения или любитель, имеющий навыки в работе с металлом, могут построить простой станок для шлифовки линз -- так называемый вертикальный шпиндель (рис. 42). Желательно предусмотреть возможность переводить вертикальный шпиндель в горизонтальное положение, когда необходимо сделать кругление. В простейшем случае весь станок, выполненный в виде ящика, может устанавливаться набок. * ЧАСТЬ ВТОРАЯ. МЕХАНИКА ЛЮБИТЕЛЬСКОГО ТЕЛЕСКОПА * 39. КОЕ-ЧТО О "СОПРОМАТЕ"
Сопромат -- сопротивление материалов --наука о нагрузках, действующих на конструкции, и о сопротивлении конструкций этим нагрузкам. Наука эта довольно сложная и требует знания высшей математики. Однако мы постараемся остаться верными своему принципу объяснять все "на пальцах". Рассмотрим работу конструкций с качественной стороны.
Зачем мы ввели параграф о сопромате в книгу о телескопостроении? Дело в том, что телескоп дает большие увеличения, и это, кроме положительной стороны, имеет и отрицательную: вместе с увеличением видимых размеров предметов увеличивается и дрожание изображения из-за дрожания инструмента в руках, от ветра, от случайных прикосновений к нему и т. п. На первый взгляд эти дрожания настолько малы, что о них вообще не стоит говорить. Но если вспомнить, что при увеличении, например, в 100 раз во столько же увеличивается дрожание изображения объекта в поле зрения, то станет ясно, что это не пустяк. В самом деле, дрожание изображения предмета с видимой амплитудой в 10' уже мешает наблюдать мелкие детали. Если при увеличении в 100 раз изображение предмета в окуляре дрожит с размахом в 10', то в действительности дрожание телескопа в 100 раз меньше.
Это значит, что он дрожит с размахом в 6". Если труба 150-миллиметрового телескопа с фокусным расстоянием 1200 мм укреплена в середине, то ее конец при этом дрожит с размахом 0,02 мм. Две сотых миллиметра, и мы уже не можем рассматривать мелкие детали! А что же будет при большем увеличении? Дрожание
плохо сконструированной и выполненной монтировки, равно как и трубы телескопа,--дело слишком серьезное: поверьте опыту любителя, не раз терпевшего неудачи. 40. НАГРУЗКИ И ДЕФОРМАЦИИ
Начнем с того, что на каждую конструкцию -- простую или сложную -- всегда действует два типа нагрузок: полезные нагрузки и реакции самой конструкции, стремящейся уравновесить полезные нагрузки. Например, на рис. 43, а показана балка, опертая на две опоры по концам. В середине пролета на нее действует
Рис. 43. Изгибающий момент балки.
а) Схема сил, б) эпюра (график) изгибающих моментов, в) рациональные формы балок.
сосредоточенная сила. Если бы на балку действовала только эта сила, то балка начала бы равноускоренное движение вдоль этой силы, на самом же деле балка неподвижна; это значит, что какие-то силы препятствуют ее движению, они уравновешивают вертикальную силу. Этими (в данном случае двумя) силами являются реакции опор. На верхних рисунках легко видеть, что такое реакция опор. Здесь полезные силы -- вес грузов штанги--действуют на балку (перекладину
Рис. 44. Работа консолей, балок и стержневых систем.
а), в), д) и е) Сосредоточенные силы, б) и г) равномерно распределенная нагрузка.
штанги); две опоры (руки атлета) сопротивляются действию сил. Это и есть реакция опор. Реакция опор позволяет штанге оставаться в равновесии, но если силы
спортсмена сдадут, т. е. реакция опор станет меньше полезной нагрузки, штанга немедленно упадет.
Сумма проекций всех вертикальных сил на вертикальную прямую должна быть равна нулю, если всем силам, действующим вниз, приписать знак плюс, а силам, действующим вверх,-- знак минус. Только тогда балка будет оставаться в покое. В первом случае на рисунке слева полезная нагрузка -- сосредоточенная сила -- уравновешена двумя реакциями опор. Во втором реакцией опор--мускульной силой атлета--уравновешены две полезные силы. Когда нагрузки симметричны, реакции опор равны, в противном случае та из опор оказывает большее сопротивление, возле которой сосредоточено больше сил. Рис. 44 показывает примеры полезных нагрузок и реакций опор.
В результате действия нескольких сил на балку она изгибается. Балка сопротивляется этому изгибу -- в ней возникают внутренние напряжения, препятствующие дальнейшему изгибу.
Чем ближе к середине балки действует сила, тем больше изгибающий момент. Конечно, момент зависит еще и от величины силы. Чем ближе к опорам действует сила, тем меньше изгибающий момент. Рассмотрим другой элемент, часто встречающийся в монтировках телескопов -- консоль (рис. 44, а, б) Консоль -- это стержень, один конец которого свободен, а второй прочно зажат (заделан) в какую-то неподвижную опору. Если нагрузить консоль, все реакции сосредоточатся в единственной опоре. Одна из реакций будет сила, направленная навстречу полезной силе или группе сил, и ее величина будет равна алгебраической сумме (сумме с учетом знаков) всех полезных сил. Вторая реакция опоры -- крутящий момент, который стремится повернуть консоль навстречу вращению, вызываемому силой. На нашем рисунке крутящий момент силы действует по часовой стрелке и стремится опрокинуть консоль. Реактивный момент, приложенный к балке со стороны опоры, действует против часовой стрелки и стремится удержать консоль в покое. Сколько бы сил ни было приложено к консоли, реакция всегда будет состоять из силы и крутящего момента. Под действием внешних сил консоль изгибается. В каждом сечении консоли внутренние напряжения противостоят изгибающему моменту. Этот момент,
Рис. 45. Работа тонкого стержня на сжатие (а) и растяжение (б), (в) поперечный изгиб балки и рациональные сечения балок.
а значит, и внутренние напряжения, минимален на конце консоли и максимален возле самой опоры. Если у балки, нагруженной одной силой, "опасное" сечение расположено в районе приложения силы, то у консоли практически во всех случаях опасное сечение лежит возле опоры, поэтому чаще всего консоль имеет сечение, которое монотонно возрастает от конца консоли к опоре.
Изгиб, который мы рассмотрели, называется поперечным. Но возможен еще продольный изгиб. Например, на тонкую и длинную палочку установили большой груз. Палочка стремится изогнуться, она теряет устойчивость (рис. 45, а). Если ее немного поддержать, не давая изгибаться, то она может выдержать значи
тельно больший груз, но если она не имеет дополнительных опор по длине, она теряет равновесие и изгибается. С другой стороны, если на этой палочке тот же груз подвесить, чтобы она работала на растяжение (рис. 45, б), а не на сжатие, как до сих пор, то она выдержит и значительно большую нагрузку. Таким образом, длинные и тонкие стержни плохо работают на сжатие, но вполне хорошо на растяжение. 41. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ СЕЧЕНИЯ
Теперь рассмотрим форму поперечного сечения балок. Во время поперечного изгиба с нагрузкой, действующей вертикально вниз, верхний пояс балки сжимается, тогда как нижний растягивается (рис. 45, в). Средние же слои деформируются мало. Внутренние напряжения в балке прямоугольного сечения распределяются следующим образом: вдоль оси симметрии усилия равны нулю и пропорционально возрастают по мере продвижения к крайним (верхнему и нижнему) поясам, достигая максимума как раз на самых внешних слоях. Очевидно, что средние слои балки работают с большой недогрузкой. Поэтому можно вместо прямоугольного сечения выбрать такое, где площадь поперечного сечения средних слоев будет меньше. Одним из самых распространенных сечений подобного рода является двутавр (рис. 45, г). Почти аналогичным образом работает и швеллер (рис. 45, д). Вспомним, что тонкие стержни, к которым можно отнести и двутавр со швеллером, плохо работают на сжатие и хорошо на растяжение. Вспомним также, что изгибаемая балка работает своими верхними слоями на сжатие, а нижними на растяжение, конечно, если сила действует вертикально сверху вниз. Теперь ясно, что у двутавра можно резко уменьшить сечение нижнего пояса и сохранить прежним сечение верхнего. В пределе мы получим новое сечение -- тавр (рис. 45, ж). Если подобную операцию проделать и со швеллером, получится уголок (Рис. 45, е). Существуют равнобокие и неравнобокие уголки. У последних одна из полок в сечении длиннее. Подчеркнем, что все эти элементы хорошо работают только в положениях, указанных на рис. 45, г, д,е, ж сверху.
Жесткость горизонтального стержня, нагруженного вертикальными силами, пропорциональна первой степени ширины его сечения и третьей степени высоты
Рис. 46. Жесткость стержней различного сечения. а) Изменение массы при одинаковой жесткости, 6) изменение жесткости при одинаковой массе, в) изменение массы при одинаковой жесткости.
этого сечения. Например, увеличение ширины прямоугольного бруса в два раза увеличит его жесткость тоже в два раза. Увеличение же высоты бруса в два раза увеличит его жесткость в 8 раз (рис. 46, а). При
этом подразумевается, что все силы действуют вертикально. Если они действуют горизонтально, то жесткость пропорциональна кубу ширины. Чтобы не было путаницы, считается, что высота сечения стержня имеет то же направление, что и направление сил. Тогда увеличение высоты всегда значительно выгоднее увеличения ширины. В этом смысле неравнобокий уголок выгоднее устанавливать так, чтобы его большая полка была вертикальной (ее направление совпадает с направлением сил).
Большой интерес представляют полые сечения (рис. 46, б, в), так как при одинаковой площади сечения полые элементы сопротивляются значительно лучше сплошных. На атом основании существует даже мнение, что труба "работает" лучше, чем сплошной стержень того же диаметра. Это ложное мнение. Если наружный диаметр трубы и стержня одинаковы, то стержень "работает" лучше. Но если мы несколько увеличим диаметр трубы против