Во времена Уильяма Гершеля получить хорошее зеркало часто было делом случая, так как вплоть до середины XIХ в. не было надежного способа контроля формы зеркал. Лишь в 1859 г. великий французский физик Леон Фуко предложил свой 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.
Близ центра кривизны О (на удвоенном фокусном расстоянии) вогнутого зеркала (рис. 41) устанавливается крошечный, но яркий источник света (“искусственная звезда”) М. Этой звездой может служить маленькая (0,1—0,3 мм) дырочка в куске алюминиевой фольги, которой оборачивают лампочку карманного фонарика. Лампочка может быть вставлена в патрон от елочной гирлянды или просто припаяна к проводам, ведущим к батарейке или трансформатору, 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”. 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 пересекутся в точке фокуса *). Осторожно введем непрозрачный экранчик
Леон Фуко (1819-1868)
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 дифракционного 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 одновременно. Именно поэтому, какую бы часть изображения мы ни перекрыли, зеркало будет гаснуть одновременно по всей поверхности (рис. 41,б и г).
Рис. 41. Схема метода Фуко: а - предфокальное положение ножа, б - фокальное положение ножа, в - зафокальное положение, г - сильно увеличенный вид дифракционного изображения точки М, пересеченной ножом Фуко в положении б
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.
Рис. 42. Теневая картина, когда зеркало имеет в центре большую кривизну, чем на краях.
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 (рис. 42). 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.
ѕ
*) При описании метода Фуко словом “фокус” обозначается фокус сферической волны, расположенный в центре кривизны сферы, а не главный фокус зеркала.
Предыдущий параграф |
Глава вторая |
Следующий параграф |