Теневое испытание параболического зеркала

  Итак, подошло время приступить к контролю формы оптической поверхности. Чем же отличается испытание параболического зеркала от сферического? Вспомним, что у сферы кривизна поверхности одинакова во всех ее точках, у параболоида кривизна меняется от центра к краю зеркала, плавно уменьшаясь по квадратичному закону. Поэтому, при испытании сферического зеркала нам требовалось получить "плоский" или близкий к плоскому рельеф. При изготовлении параболоида мы должны измерить кривизну на разных зонах зеркала, убедившись, что она изменяется по закону параболы. Кроме того, помня о существовании критерия Рэлея (см. статью "Как самому изготовить зеркало для небольшого телескопа-рефлектора системы Ньютона"), который определяет точность изготовления оптической поверхности, мы должны соблюсти допуск на отклонение нашей поверхности от идеальной. Этот допуск в нашем случае определяется максимальным и минимальным значениями продольной аберрации. Л.Л.Сикорук так определяет вид параболического зеркала при теневом испытании в своей книге "Телескопы для любителей астрономии" (см. Библиографию): "...плавный "бублик с "вершиной" на расстоянии 0,7 радиуса от центра заготовки зеркала и с заданной продольной аберрацией".

Из сказанного следует, что наш простейший "теневик" уже не удовлетворяет поставленной задаче, требуется более совершенный прибор, и такой прибор был мною построен специально для изготовления параболического зеркала.

За основу я принял прибор, описанный в книге Ж. Тексеро "Как построить телескоп" (J. Texereau, "How to Make a Telescope"). Различные варианты подобной конструкции встречаются в интернете ( http://stellafane.org/tm/atm/test/tester-1.html).

Устройство подвижной части прибора основано на том, что положение плоскости определяется тремя точками. Этими точками являются две подвижные опоры, скользящие по металлическому стержню и опорный винт, служащий одновременно для перемещения головки прибора в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркала. Опирается винт на полоску зеркального стекла, толщиной 4...6 мм. Подвижные опоры представляют собой пластины из бронзы или (как в моем случае) фторопласта с угловыми вырезами и являются своеобразными саморегулирующимися подшипниками скольжения, которые двигаются по направляющему стальному стержню. Такой стержень несложно подобрать из деталей старой, нерабочей оргтехники. Можно выточить его на станке, поверхность желательно отполировать.

Описываемая конструкция легко выполнима любителем самостоятельно, практически свободна от люфтов, обладает хорошей устойчивостью. Передвижение головки прибора в двух взаимноперпендикулярных направлениях осуществляется двумя винтами, которые можно подобрать из готовых деталей, а можно выточить на токарном станке.

Отличие моего прибора от конструкции, описанной в книге Ж.Тексеро заключается, в основном, в применении подвижного источника освещения. Это позволяет уменьшить расстояние между "звездой" (или щелью) и "ножом" (или нитью). В качестве источника света я применил зеленый светодиод. Комбинация его с различными насадками позволила применять различные методы испытания: "звезда" и "нож", щель и "нож", щель и нить.

Работа с построенным прибором доставила настоящее удовольствие, а его изготовление не менее интересно, чем собственно строительство телескопа!

Для надежности я решил не ограничиваться одним только методом испытания: "звезды" и "ножа". Поэтому я сделал комбинированную насадку, которая включала "нож" и нить, а звезду можно было заменять щелью.

Кроме того, чтобы проверить точность измерения перемещений при помощи лимба, я применил для той же цели дисковый индикатор. Это оказалось излишним. Лимб, т.е. барабан, установленный на оси винта продольных перемещений, позволяет с достаточной точностью, по крайней мере с погрешностью не хуже 0,05 мм отмечать положение головки прибора. Нужно заметить только, что винт должен иметь резьбу с шагом 1 мм, тогда один поворот винта будет соответствовать продольному перемещению на 1 мм. Окружность барабана можно легко разметить, наклеив полоску миллиметровой бумаги.

Зеркало устанавливалось на подставку, а для разметки его на зоны использовалась маска, вырезанная из плотной бумаги.

Хочу заметить следующее: работа с прибором показала, что для не очень светосильных зеркал среднего размера, достаточно испытаний при помощи "звезды" и "ножа". Более того, когда продольная аберрация невелика, т.е. поверхность зеркала близка к сферической, определение положения зон при помощи нити становится затруднительным, так как и в фокусе центральной зоны, и на большинстве промежуточных зон, почти до самого края, тень от нити расплывается почти на всю поверхность зеркала и только на крайней зоне выглядит в виде кольца. Когда мое зеркало имело резко выраженную гиперболическую поверхность, то тень нити выглядела кольцеобразно, для фокусов всех зон. Когда аберрация уменьшилась, пришлось перейти преимущественно на щель и "нож" в сочетании с маской, что позволило уверенно определять фокусы трех зон, по которым я судил о форме зеркала.

Рассмотрим теперь испытание параболического зеркала по зонам подробнее.

Схема расположения фокусов зон, по которым проводится испытание зеркала.

A,B,C - фокусы: центральной зоны, зоны диаметром 0,707D и крайней зоны зеркала.

Фотографии теневых картин при испытании зеркала.

Испытание зеркала по трем зонам производится следующим образом. Сначала "нащупывается" фокус центральной зоны. Для этого "нож" из предфокального положения, в котором, как мы знаем, одна половина зеркала (в нашем случае - правая) залита тенью, а другая освещена, передвигается продольно от зеркала к наблюдателю до тех пор, пока в центре зеркала не появится кружок полутени. Зеркало при этом похоже на пологий конус со срезанной вершиной (фото слева). Берется отсчет по лимбу или по дисковому индикатору. Это фокус центральной зоны зеркала - "A".

Затем определяется фокус крайней зоны - "C". При этом теневая картина выглядит так, как на правой фотографии: половина зеркала, противоположная направлению, с которого вводится "нож", заполнена тенью, а на другой стороне, по краю зеркала видна узкая полоска полутени. Для этого положения ножа также берется отсчет.

Разность отсчетов будет продольной аберрацией. Разделив ее пополам, и установив головку прибора в среднее положение - "B", мы должны увидеть картину, соответствующую среднему фотоснимку. У параболического зеркала эта картина напоминает "бублик", вершина которого лежит на растоянии 0,707 радиуса от центра. При заданной продольной аберрации, конечно.

Какое же значение должна иметь эта аберрация, и как его определить? Для испытания с подвижным источником освещения, т.е., когда "звезда" и "нож" расположены на одном подвижном основании, продольная аберрация вычисляется по формуле:

Δs - величина продольной аберрации,

D - диаметр зеркала,

R - радиус кривизны ценральной зоны зеркала (равен удвоенному фокусному расстоянию).

Для прибора с неподвижным источником света величина продольной аберрации будет вдвое больше, и вычисляется по формуле:

Таким образом, для нашего зеркала, имеющего световой диаметр 155 мм, а фокусное расстояние 1070 мм (радиус кривизны 2140 мм), продольная аберрация должна составлять 1,40 мм. Для определения допустимой погрешности воспользуемся таблицей 11 на стр. 87 книги "Телескопы для любителей астрономии" Л.Л. Сикорука. Для нашего зеркала эта погрешность составит 60%. То есть нам нужно уложиться в значение продольной аберрации 0,56...2,24 мм.

Наконец, я хочу вкраце сказать о, так называемом "втором методе щели и нити".

При исследовании зеркала этим методом, нить помещается несколько в стороне от оптической оси зеркала, при этом ее форма позволяет судить о форме зеркала в целом, указывая на отклонение ее от сферической. В случае сферического зеркала тень нити будет прямой линией.

Сочетание этих методов при исследовании зеркала позволяет более полно и точно определять его форму, дает любителю богатый опыт, который пригодится ему в дальнейшем при работе над более крупными и светосильными зеркалами. При изготовлении крупной и светосильной оптики исследования по трем зонам бывает недостаточно, зеркало разбивается на большее число зон, для каждой из которых определяются положения их центров кривизны (или фокусов, что при исследовании из центра кривизны - одно и тоже).

  Метод фокограмм.

  Метод фокограмм, как его назвал наш выдающийся оптик Д.Д. Максутов, заключается в фотографировании теневых картин фотокамерой, которая помещается сзади "ножа" или нити теневого прибора вместо глаза наблюдателя.

Полученные при этом фотоснимки позволяют более объективно судить о форме оптической поверхности, так как на пленке (или на светочувствительной матрице цифрового аппарата), запечатлеваются более слабые детали теневой картины, чем может уловить глаз. Кроме того на снимке можно непосредственно, путем соответствующий измерений, определить расположение тех или иных деталей "рельефа" - валиков, канавок и т.д., а затем соответствующим образом подрезав или отформовав полировальник, направить фигуризацию в желательном направлении.

Для фотографирования теневых картин следует использовать фотоаппарат с длиннофокусным объективом, чтобы получить изображение зеркала в достаточно большом масштабе. Объектив перед испытанием фокусируется на поверхность зеркала, затем, уже в темноте, через видоискатель наблюдаются теневые картины, которые мы хотим заснять. Выдержка, при использовании фотопленки чувствительностью ISO 200...400 ед., может составлять от нескольких секунд до 1...2 минут, в зависимости от освещенности поверхности зеркала и определяется опытным путем.

• Первоначальная обработка заготовки. Обдирка.
• Изготовление шлифовальника.
• Шлифовка зеркала.
• Полировка зеркала.
• Теневое испытание.
• Придание зеркалу оптически точной формы.
• Заключение.