В старых руководствах указывается на то, что полировка должна идти без давления на зеркало. В действительности это не совсем так. Мы уже упоминали, что царапины возникают примерно одинаково быстро и при полировке с давлением и без давления. Важнее другое: сильное давление приводит к деформации зеркала и к ошибкам на его поверхности. Поэтому, пока идет грубая полировка, назначение которой сполировать матовость после тонкой шлифовки, мы можем применять давление до 2--3 кПа (20--30 Г/см2) и больше. Когда мы перейдем к фигуризации, давление можно уменьшить до 0,5--1 кПа (5--10 Г/см2).
Добившись плавности движения, продолжаем полировку. Сквозь стекло видно, как по канавкам бегают пузырьки воздуха в смеси полирита с водой. Если все пойдет хорошо, поверхность зеркала полностью отполируется за 5--10 часов непрерывной полировки. Однако надо быть готовым к тому, что тонкая шлифовка была не вполне качественной, и тогда полировка может растянуться на 20--30 часов, это тоже не слишком много. Во всяком случае, у начинающих любителей такое время не считается слишком большим.
Через час работы снимем зеркало и внимательно осмотрим его. Оно уже довольно хорошо отражает предметы, но часть его поверхности остается пока более матовой, чем остальная. Обычно это бывает на краю зеркала или на некоторой средней зоне. Эти матовые зоны говорят о том, что поверхность зеркала не вполне сферическая. В микроскоп видно, что большие площадки стекла уже полностью отполированы, но часть поверхности занимают ямки матовой поверхности. Пройдемся взглядом по радиусу зеркала. Если остатки матовости занимают примерно везде одинаковую площадь, дело идет хорошо. Если в относительно матовых участках зеркала площадь ямок занимает всю поверхность, а полированных участков нет или почти нет, продолжим полировку еще 1--2 часа и снова осмотрим зеркало в микроскоп вдоль радиуса. Если матовые участки не полируются, нужно возвратиться к тонкой шлифовке. Теперь становится ясно, почему не следовало полировочную смолу наливать на шлифовальник. Отложив полировальник в сторону, можно вернуться к шлифовке. Мы знаем, как оценить размер ямок в поле зрения микроскопа и как подобрать подходящий для шлифовки абразив. Разумеется, надо ориентироваться по самым большим ямкам, которые встречаются достаточно часто. Отдельные, даже очень глубокие, ямки можно не принимать во внимание.
Впрочем, будем смотреть в будущее с большей верой в успех, так как описанная неприятность встречается относительно редко, и неравномерная вначале полировка постепенно становится все лучше.
Дадим несколько дополнительных советов. Когда зеркало продолжает долго цепляться за смолу, можно прибегнуть к довольно эффективному средству. Разогреем полировальник в теплой воде, положим на смолу кусок смоченного в воде тюля, расправим его и прижмем зеркалом. Оставим зеркало на полировальнике до его остывания. Сняв зеркало и тюль, увидим, что на поверхности каждой фасетки появилась сеточка мелких канавок. Теперь каждая из этих крошечных фасеток работает как самостоятельный полировальник, и полировка идет чрезвычайно равномерно по всем зонам зеркала. Бывает достаточно один раз отформовать эту сетку канавок и дать им свободно заплыть в ходе полировки.
При ручной полировке с достаточным давлением стекло типа крон -- наиболее распространенный материал любительских зеркал -- сполировывается со скоростью 2--3 мкм в час. Для увеличения скорости полировки в 1,5 раза можно вместо воды применять 1%-ный водный раствор хлорного железа, хлорного цинка или азотнокислой меди.
Прерывая полировку на несколько часов, лучше всего оставить зеркало на полировальнике, предварительно подмазав его полиритом с водой. Если дополнительно обмотать зеркало и полировальник мокрым полотенцем, можно оставить зеркало на полировальнике на сутки. Если полировальник вместе с зеркалом положить в тазик с водой, чтобы они полностью погрузились в воду, можно их не вынимать 2--3 дня. Если все-таки после того, как они будут вынуты, зеркало и полировальник не разъединяются, нужно их слегка нагреть в теплой воде, а потом подставить зеркало под струю холодной воды. Надо следить за тем, чтобы, во-первых, перепад температуры был не слишком велик и, во-вторых, чтобы внезапно отделившееся зеркало не выскользнуло из рук. Все эти работы надо проводить прямо у самого дна водопроводной раковины.
В ходе полировки зеркало должно не только совершенно освободиться от матовости, но и приобрести оптически точную форму. Для контроля формы поверхности зеркала применяют теневой метод Фуко.
19. ЧТО ТАКОЕ ТЕНЕВОЙ МЕТОД ФУКО?
Уильям Гершель, так же как и другие телескопостроители тех времен, полировали свои зеркала в значительной степени вслепую. Удачное зеркало было во многом делом случая, так как до середины XIX в. у телескопостроителей не было надежного метода контроля формы зеркал. Лишь в 1859 г. великий французский физик Леон Фуко предложил гениальный метод контроля вогнутых оптически точных поверхностей. Этот метод столь же изящен по своей идее, сколь чувствителен и надежен на практике. Его суть сводится к следующему.
Леон Фуко (1819--1868),
Близ центра кривизны О (на удвоенном фокусном расстоянии) вогнутого зеркала (рис. 21) устанавливается крошечный, но яркий источник света ("искусственная звезда") М. Этой звездой может служить маленькая (0,1--0,3 мм) дырочка в кусочке алюминиевой фольги, которой оборачивают лампочку карманного фонарика. Лампочка может быть вставлена в патрон от елочной гирлянды или просто припаяна к проводам, ведущим к батарейке. Так как "искусственная звезда" установлена вблизи центра кривизны зеркала (чуть сбоку от оси зеркала), зеркало строит ее изображение также вблизи центра кривизны, но по другую от оси сторону. Если позади изображения "искусственной звезды" поместить глаз, чтобы весь пучок света "провалился" в зрачок, мы увидим, что зеркало равномерно по всей поверхности залито светом "звезды".
Рис. 21. Вид теневой картины на зеркале при различном положении ножа. 1 -нож точно в центре кривизны сферического зеркала, 2 - положение ножа перед центром кривизны, 3 - положение ножа за центром кривизны.
Это и понятно: ведь в этот момент все без исключения лучи "звезды", отраженные зеркалом, соберутся в зрачке. Представим себе, что мы испытываем идеальное сферическое зеркало. Это значит, что лучи, отраженные каждым участком зеркала, каждой его зоной, все соберутся в точке фокуса*
*) При описании метода Фуко словом "фокус" обозначается фокус сферической волны, расположенный в центре кривизны сферы, а не главный фокус зеркала.
Осторожно введем непрозрачный экранчик с острым (без зазубрин) краем (например лезвие безопасной бритвы) в вершину конуса лучей, чтобы перекрыть изображение "звезды". Одновременно смотрим на зеркало, чтобы оно оставалось равномерно освещенным.
Если лезвие вводить очень осторожно, чтобы оно перекрыло только часть изображения "звезды", зеркало померкнет лишь отчасти, но также по всей поверхности одновременно. Важно понять, что в построении каждого участка изображения "звезды", даже если это изображение дифракционное, участвует вся поверхность идеального сферического зеркала. Именно поэтому, какую бы часть изображения мы ни перекрыли, зеркало будет гаснуть одновременно по всей поверхности.
Теперь несколько изменим опыт. Введем лезвие, которое принято называть ножом Фуко, в конус лучей до их пересечения в фокусе. Нож расположен в этом случае на 1--2 см ближе к зеркалу. Это положение называется предфокальным. Если теперь мы посмотрим на зеркало (конечно, оставляя глаз все так же в пучке света), то увидим, что часть зеркала погасла, тогда как другая часть его по-прежнему освещена лампой. Если нож введен справа, то погаснет правая часть. Это происходит потому, что нож пересек часть пучка, идущую от правой части зеркала.
Еще раз изменим наш эксперимент. Введем нож в пучок позади изображения "звезды". Теперь при введении ножа справа гаснет левая часть зеркала. Это происходит потому, что после пересечения в точке лучи, идущие с левой стороны зеркала, оказываются справа от оптической оси.
Сформулируем важное правило: если нож вводится в пучок справа в предфокальном положении, то гаснет правая часть зеркала. Если нож вводится в пучок справа в зафокальном положении, то гаснет левая часть зеркала.
Иначе говоря, в предфокальном, положении тень ножа на зеркале движется в ту же сторону, что и нож, а в зафокальном положении тень движется навстречу ножу.
Теперь сосредоточим все внимание. Допустим, что зеркало -- не идеальная сфера, а имеет завал на краю и яму в центре. В этом случае радиус кривизны центральной части короче радиуса кривизны края зеркала. Это означает, что и фокусное расстояние центра короче фокусного расстояния краев; фокус некоторой промежуточной зоны окажется где-то между фокусами центра и края.
"Поймаем" глазом пучок чуть дальше фокусов всех зон и снова введем нож в районе фокуса промежуточной зоны. Очевидно, что для крайней зоны положение ножа окажется предфокальным, и на краю зеркала тень разместится справа. Для центральной зоны это же положение ножа окажется зафокальным, и в центре зеркала тень расположится слева от вертикальной оси симметрии.
На промежуточной зоне, в фокусе которой находится нож, мы увидим "полутень", когда поверхность гаснет лишь отчасти.
Окинув взглядом все зеркало, мы увидим, что зеркало сейчас напоминает не то лунный кратер (как кажется автору книги), не то бублик (как кажется другим любителям). Мы явно видим "яму" в центре и "вал" на средней зоне тогда, как край зеркала "опущен" или "завален".
Задача оптика состоит в том, чтобы, рассматривая теневой "рельеф", решить, как нужно изменить ход полировки, чтобы снивелировать "бугры", "ямы", "канавки", "валики" и получить "плоский" теневой рельеф. Именно плоский теневой рельеф соответствует идеальной сфере.
20. ЧТО НУЖНО ПРИГОТОВИТЬ ДЛЯ ТЕНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ?
Рис. 22. Простая оправа зеркала для теневых испытаний.
Прежде чем мы приступим на практике к первым теневым испытаниям зеркала, надо изготовить простое приспособление, без которого испытания превратятся в настоящую пытку. Это оправа для зеркала. Она служит для того, чтобы удерживать зеркало в вертикальном положении, и позволяет наклонять его в небольших пределах (рис. 22). Две взаимно перпендикулярные доски скреплены так, что нижний край вертикальной доски слегка выступает. На свободном конце горизонтальной доски привернем парой коротких шурупов или прибьем гвоздями 3--миллиметровую пластину из стали или латуни; если пластина из алюминия, то она должна быть потолще.
В пластине просверлим отверстие и нарежем резьбу. В это отверстие ввернем винт, который пропустим насквозь через доску. Теперь наше приспособление опирается на края вертикальной доски и на кончик винта. Вращая винт в ту или иную сторону, мы сможем в небольших пределах наклонять вертикальную доску, а вместе с ней и зеркало. В вертикальную доску вобьем два гвоздя, к которым привяжем широкую тесьму. Длина тесьмы должна быть такой, чтобы зеркало, вложенное в нее, оказалось примерно в середине доски. Чтобы зеркало не опрокидывалось, в торце доски вобьем еще по гвоздику, к которым привяжем резинку. Эта резинка будет прижимать зеркало к доске. Итак, в нашем распоряжении оказалась довольно удобная оправа зеркала, которая позволит вам слегка его наклонять и поворачивать.
21. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ТРЕНИРОВКА
Прежде всего немного усовершенствуем искусственную звезду. В трубку диаметром около 10 мм вставим патрончик от елочной гирлянды так, чтобы ввернутая лампочка оказалась в самом начале трубки. Далее установим зеркало в оправе на устойчивый стол и отмерим от его поверхности вдоль оптической оси (оси симметрии зеркала) два его фокусных расстояния. Для фокусного расстояния 1200 мм это составит 2400 мм. В этой точке, которая является центром кривизны поверхности зеркала, установим трубку с лампочкой, чтобы она освещала зеркало. Затемним комнату шторами или займемся этим вечером в неосвещенной комнате. Поворачивая и наклоняя зеркало, а также передвигая вправо или влево лампочку, добьемся того, чтобы изображение волоска лампочки оказалось рядом с самой лампочкой. Для этого рядом с трубкой установим белый экран шириной 4--5 см и высотой 10--15 см с небольшим отверстием в верхней части диаметром 5--6 мм. Когда изображение волоска лампочки окажется на экране, двигая экран взад и вперед, добьемся того, чтобы изображение волоска оказалось достаточно резким. Наклоняя зеркало и перемещая экран, добьемся того, чтобы изображение волоска "проваливалось" в отверстие. Расположившись сзади экрана, будем смотреть через отверстие на зеркало. Мы увидим сквозь отверстие изображение волоска, которое "висит" в нем. Не теряя это изображение из виду, будем приближать постепенно глаз к отверстию в экране. При этом мы заметим, что видимые размеры волоска растут. Приближаем глаз до тех пор, пока яркое изображение не заполнит всю поверхность зеркала. Это означает, что изображение волоска оказалось на хрусталике глаза и все без исключения лучи, отраженные зеркалом, собираются в глазу. Вообще же волосок лампочки --слишком грубый объект для таких испытаний. Поэтому продолжим усовершенствование искусственной звезды. Сделаем к нашей трубке
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
Добившись плавности движения, продолжаем полировку. Сквозь стекло видно, как по канавкам бегают пузырьки воздуха в смеси полирита с водой. Если все пойдет хорошо, поверхность зеркала полностью отполируется за 5--10 часов непрерывной полировки. Однако надо быть готовым к тому, что тонкая шлифовка была не вполне качественной, и тогда полировка может растянуться на 20--30 часов, это тоже не слишком много. Во всяком случае, у начинающих любителей такое время не считается слишком большим.
Через час работы снимем зеркало и внимательно осмотрим его. Оно уже довольно хорошо отражает предметы, но часть его поверхности остается пока более матовой, чем остальная. Обычно это бывает на краю зеркала или на некоторой средней зоне. Эти матовые зоны говорят о том, что поверхность зеркала не вполне сферическая. В микроскоп видно, что большие площадки стекла уже полностью отполированы, но часть поверхности занимают ямки матовой поверхности. Пройдемся взглядом по радиусу зеркала. Если остатки матовости занимают примерно везде одинаковую площадь, дело идет хорошо. Если в относительно матовых участках зеркала площадь ямок занимает всю поверхность, а полированных участков нет или почти нет, продолжим полировку еще 1--2 часа и снова осмотрим зеркало в микроскоп вдоль радиуса. Если матовые участки не полируются, нужно возвратиться к тонкой шлифовке. Теперь становится ясно, почему не следовало полировочную смолу наливать на шлифовальник. Отложив полировальник в сторону, можно вернуться к шлифовке. Мы знаем, как оценить размер ямок в поле зрения микроскопа и как подобрать подходящий для шлифовки абразив. Разумеется, надо ориентироваться по самым большим ямкам, которые встречаются достаточно часто. Отдельные, даже очень глубокие, ямки можно не принимать во внимание.
Впрочем, будем смотреть в будущее с большей верой в успех, так как описанная неприятность встречается относительно редко, и неравномерная вначале полировка постепенно становится все лучше.
Дадим несколько дополнительных советов. Когда зеркало продолжает долго цепляться за смолу, можно прибегнуть к довольно эффективному средству. Разогреем полировальник в теплой воде, положим на смолу кусок смоченного в воде тюля, расправим его и прижмем зеркалом. Оставим зеркало на полировальнике до его остывания. Сняв зеркало и тюль, увидим, что на поверхности каждой фасетки появилась сеточка мелких канавок. Теперь каждая из этих крошечных фасеток работает как самостоятельный полировальник, и полировка идет чрезвычайно равномерно по всем зонам зеркала. Бывает достаточно один раз отформовать эту сетку канавок и дать им свободно заплыть в ходе полировки.
При ручной полировке с достаточным давлением стекло типа крон -- наиболее распространенный материал любительских зеркал -- сполировывается со скоростью 2--3 мкм в час. Для увеличения скорости полировки в 1,5 раза можно вместо воды применять 1%-ный водный раствор хлорного железа, хлорного цинка или азотнокислой меди.
Прерывая полировку на несколько часов, лучше всего оставить зеркало на полировальнике, предварительно подмазав его полиритом с водой. Если дополнительно обмотать зеркало и полировальник мокрым полотенцем, можно оставить зеркало на полировальнике на сутки. Если полировальник вместе с зеркалом положить в тазик с водой, чтобы они полностью погрузились в воду, можно их не вынимать 2--3 дня. Если все-таки после того, как они будут вынуты, зеркало и полировальник не разъединяются, нужно их слегка нагреть в теплой воде, а потом подставить зеркало под струю холодной воды. Надо следить за тем, чтобы, во-первых, перепад температуры был не слишком велик и, во-вторых, чтобы внезапно отделившееся зеркало не выскользнуло из рук. Все эти работы надо проводить прямо у самого дна водопроводной раковины.
В ходе полировки зеркало должно не только совершенно освободиться от матовости, но и приобрести оптически точную форму. Для контроля формы поверхности зеркала применяют теневой метод Фуко.
19. ЧТО ТАКОЕ ТЕНЕВОЙ МЕТОД ФУКО?
Уильям Гершель, так же как и другие телескопостроители тех времен, полировали свои зеркала в значительной степени вслепую. Удачное зеркало было во многом делом случая, так как до середины XIX в. у телескопостроителей не было надежного метода контроля формы зеркал. Лишь в 1859 г. великий французский физик Леон Фуко предложил гениальный метод контроля вогнутых оптически точных поверхностей. Этот метод столь же изящен по своей идее, сколь чувствителен и надежен на практике. Его суть сводится к следующему.
Леон Фуко (1819--1868),
Близ центра кривизны О (на удвоенном фокусном расстоянии) вогнутого зеркала (рис. 21) устанавливается крошечный, но яркий источник света ("искусственная звезда") М. Этой звездой может служить маленькая (0,1--0,3 мм) дырочка в кусочке алюминиевой фольги, которой оборачивают лампочку карманного фонарика. Лампочка может быть вставлена в патрон от елочной гирлянды или просто припаяна к проводам, ведущим к батарейке. Так как "искусственная звезда" установлена вблизи центра кривизны зеркала (чуть сбоку от оси зеркала), зеркало строит ее изображение также вблизи центра кривизны, но по другую от оси сторону. Если позади изображения "искусственной звезды" поместить глаз, чтобы весь пучок света "провалился" в зрачок, мы увидим, что зеркало равномерно по всей поверхности залито светом "звезды".
Рис. 21. Вид теневой картины на зеркале при различном положении ножа. 1 -нож точно в центре кривизны сферического зеркала, 2 - положение ножа перед центром кривизны, 3 - положение ножа за центром кривизны.
Это и понятно: ведь в этот момент все без исключения лучи "звезды", отраженные зеркалом, соберутся в зрачке. Представим себе, что мы испытываем идеальное сферическое зеркало. Это значит, что лучи, отраженные каждым участком зеркала, каждой его зоной, все соберутся в точке фокуса*
*) При описании метода Фуко словом "фокус" обозначается фокус сферической волны, расположенный в центре кривизны сферы, а не главный фокус зеркала.
Осторожно введем непрозрачный экранчик с острым (без зазубрин) краем (например лезвие безопасной бритвы) в вершину конуса лучей, чтобы перекрыть изображение "звезды". Одновременно смотрим на зеркало, чтобы оно оставалось равномерно освещенным.
Если лезвие вводить очень осторожно, чтобы оно перекрыло только часть изображения "звезды", зеркало померкнет лишь отчасти, но также по всей поверхности одновременно. Важно понять, что в построении каждого участка изображения "звезды", даже если это изображение дифракционное, участвует вся поверхность идеального сферического зеркала. Именно поэтому, какую бы часть изображения мы ни перекрыли, зеркало будет гаснуть одновременно по всей поверхности.
Теперь несколько изменим опыт. Введем лезвие, которое принято называть ножом Фуко, в конус лучей до их пересечения в фокусе. Нож расположен в этом случае на 1--2 см ближе к зеркалу. Это положение называется предфокальным. Если теперь мы посмотрим на зеркало (конечно, оставляя глаз все так же в пучке света), то увидим, что часть зеркала погасла, тогда как другая часть его по-прежнему освещена лампой. Если нож введен справа, то погаснет правая часть. Это происходит потому, что нож пересек часть пучка, идущую от правой части зеркала.
Еще раз изменим наш эксперимент. Введем нож в пучок позади изображения "звезды". Теперь при введении ножа справа гаснет левая часть зеркала. Это происходит потому, что после пересечения в точке лучи, идущие с левой стороны зеркала, оказываются справа от оптической оси.
Сформулируем важное правило: если нож вводится в пучок справа в предфокальном положении, то гаснет правая часть зеркала. Если нож вводится в пучок справа в зафокальном положении, то гаснет левая часть зеркала.
Иначе говоря, в предфокальном, положении тень ножа на зеркале движется в ту же сторону, что и нож, а в зафокальном положении тень движется навстречу ножу.
Теперь сосредоточим все внимание. Допустим, что зеркало -- не идеальная сфера, а имеет завал на краю и яму в центре. В этом случае радиус кривизны центральной части короче радиуса кривизны края зеркала. Это означает, что и фокусное расстояние центра короче фокусного расстояния краев; фокус некоторой промежуточной зоны окажется где-то между фокусами центра и края.
"Поймаем" глазом пучок чуть дальше фокусов всех зон и снова введем нож в районе фокуса промежуточной зоны. Очевидно, что для крайней зоны положение ножа окажется предфокальным, и на краю зеркала тень разместится справа. Для центральной зоны это же положение ножа окажется зафокальным, и в центре зеркала тень расположится слева от вертикальной оси симметрии.
На промежуточной зоне, в фокусе которой находится нож, мы увидим "полутень", когда поверхность гаснет лишь отчасти.
Окинув взглядом все зеркало, мы увидим, что зеркало сейчас напоминает не то лунный кратер (как кажется автору книги), не то бублик (как кажется другим любителям). Мы явно видим "яму" в центре и "вал" на средней зоне тогда, как край зеркала "опущен" или "завален".
Задача оптика состоит в том, чтобы, рассматривая теневой "рельеф", решить, как нужно изменить ход полировки, чтобы снивелировать "бугры", "ямы", "канавки", "валики" и получить "плоский" теневой рельеф. Именно плоский теневой рельеф соответствует идеальной сфере.
20. ЧТО НУЖНО ПРИГОТОВИТЬ ДЛЯ ТЕНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ?
Рис. 22. Простая оправа зеркала для теневых испытаний.
Прежде чем мы приступим на практике к первым теневым испытаниям зеркала, надо изготовить простое приспособление, без которого испытания превратятся в настоящую пытку. Это оправа для зеркала. Она служит для того, чтобы удерживать зеркало в вертикальном положении, и позволяет наклонять его в небольших пределах (рис. 22). Две взаимно перпендикулярные доски скреплены так, что нижний край вертикальной доски слегка выступает. На свободном конце горизонтальной доски привернем парой коротких шурупов или прибьем гвоздями 3--миллиметровую пластину из стали или латуни; если пластина из алюминия, то она должна быть потолще.
В пластине просверлим отверстие и нарежем резьбу. В это отверстие ввернем винт, который пропустим насквозь через доску. Теперь наше приспособление опирается на края вертикальной доски и на кончик винта. Вращая винт в ту или иную сторону, мы сможем в небольших пределах наклонять вертикальную доску, а вместе с ней и зеркало. В вертикальную доску вобьем два гвоздя, к которым привяжем широкую тесьму. Длина тесьмы должна быть такой, чтобы зеркало, вложенное в нее, оказалось примерно в середине доски. Чтобы зеркало не опрокидывалось, в торце доски вобьем еще по гвоздику, к которым привяжем резинку. Эта резинка будет прижимать зеркало к доске. Итак, в нашем распоряжении оказалась довольно удобная оправа зеркала, которая позволит вам слегка его наклонять и поворачивать.
21. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ТРЕНИРОВКА
Прежде всего немного усовершенствуем искусственную звезду. В трубку диаметром около 10 мм вставим патрончик от елочной гирлянды так, чтобы ввернутая лампочка оказалась в самом начале трубки. Далее установим зеркало в оправе на устойчивый стол и отмерим от его поверхности вдоль оптической оси (оси симметрии зеркала) два его фокусных расстояния. Для фокусного расстояния 1200 мм это составит 2400 мм. В этой точке, которая является центром кривизны поверхности зеркала, установим трубку с лампочкой, чтобы она освещала зеркало. Затемним комнату шторами или займемся этим вечером в неосвещенной комнате. Поворачивая и наклоняя зеркало, а также передвигая вправо или влево лампочку, добьемся того, чтобы изображение волоска лампочки оказалось рядом с самой лампочкой. Для этого рядом с трубкой установим белый экран шириной 4--5 см и высотой 10--15 см с небольшим отверстием в верхней части диаметром 5--6 мм. Когда изображение волоска лампочки окажется на экране, двигая экран взад и вперед, добьемся того, чтобы изображение волоска оказалось достаточно резким. Наклоняя зеркало и перемещая экран, добьемся того, чтобы изображение волоска "проваливалось" в отверстие. Расположившись сзади экрана, будем смотреть через отверстие на зеркало. Мы увидим сквозь отверстие изображение волоска, которое "висит" в нем. Не теряя это изображение из виду, будем приближать постепенно глаз к отверстию в экране. При этом мы заметим, что видимые размеры волоска растут. Приближаем глаз до тех пор, пока яркое изображение не заполнит всю поверхность зеркала. Это означает, что изображение волоска оказалось на хрусталике глаза и все без исключения лучи, отраженные зеркалом, собираются в глазу. Вообще же волосок лампочки --слишком грубый объект для таких испытаний. Поэтому продолжим усовершенствование искусственной звезды. Сделаем к нашей трубке
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