Badanie zwierciadła metodą cieniową Foucaulta

[Hermes1937]

W 1857 roku francuski fizyk i astronom Leon Foucault po raz pierwszy z powodzeniem zastosował szkło do konstrukcji zwierciadła większych rozmiarów, a rok później (a więc 150 lat temu !) zastosował nową metodę badania kształtu zwierciadła do teleskopu. Nosi ona nazwę metody cieniowej Foucaulta. Trzeba przyznać, że trudno chyba znaleźć inną metodę badania kształtu zwierciadła, która była by tak prosta i jednocześnie tak dokładna. (niektóre źródła mówią o dokładności nawet rzędu kilku milionowych części milimetra). Do dziś często - także na łamach Forów Astronomicznych, - można się spotkać z powątpiewaniem w dokładność tej metody.

 

Na czym, w głównym zarysie, metoda ta polega ?

 

W pobliżu środka krzywizny zwierciadła sferycznego, nieco w bok od jego osi optycznej, umieszcza się niewielkich rozmiarów źródło światła. Praktycznie, jest to drobne okrągłe nakłucie w aluminiowej folii o średnicy 0.05 - 0.10 milimetra, za którym usytuowana jest starannie zmatowiona święcąca żaróweczka. Nazywamy to "sztuczną gwiazdką". Po drugiej stronie osi optycznej zwierciadło tworzy obraz tej gwiazdki (rys 1)

 

 

W miejscu tego obrazu usytuowany jest "nóż Foucaulta" (dalej skrót: NF) - jest to po prostu ostrze żyletki. Nóż zostaje tak ustawiony, ze prawie cały obraz sztucznej gwiazdki usytuowany jest nożu, a tylko bardzo mała część światła z tego obrazu może biec dalej, do oka obserwatora. W czasie pomiaru oko to znajduje się tuż za krawędzią noża. Można powiedzieć, ze patrzy on na zwierciadło poprzez maleńką część obrazu sztucznej gwiazdki, usytuowanej na krawędzi NF. (rys. 2)

 

 

Wszystkie normalne do powierzchni zwierciadła sferycznego zbiegają się w jego środku krzywizny. W rezultacie do oka obserwatora dochodzi światło równomiernie z całej powierzchni zwierciadła. Efekt tego jest taki, ze widać je jako "płaskie". Każde, nawet bardzo małe (rzędu 0.0001 - 0.00001 mm) odstępstwo zwierciadła od kształtu sferycznego jest natychmiast widoczne. Na zwierciadle pojawiają się wtedy miejsca nieoświetlone, oczywiście tylko dla obserwatora zza NF. Ta gra świateł i cieni pozwala widzieć kształt zwierciadła w sposób plastyczny, podobnie jak przez teleskop można oglądać rzeźby powierzchni Księżyca w pobliżu terminatora.

 

Zwierciadło asferyczne nie posiada środka krzywizny jako takiego. Normalne do jego powierzchni w różnych odległościach od osi optycznej zwierciadła w tak zwanych jego strefach, przecinają tę oś w różnych miejscach. Możemy te miejsca znaleźć, przesuwając NF wzdłuż osi optycznej (rys. 3)

 

 

Kształt paraboloidalny możemy potraktować jako specyficzną asferyczność. Wobec tego zmierząc przy pomocy NF położenia punktów przecięcia normalnych z osią optyczna, możemy wnioskować o kształcie danego zwierciadła. Przy pomocy analizy matematycznej można uzyskać dokładne dane, na ile badane zwierciadło odbiega od teoretycznie zakładanego idealnego.

 

Wizualny efekt uzyskamy przy użycie NF pozwala widzieć odstępstwa od sfery w olbrzymim zwielokrotnieniu. Rys. 4 pokazuje, jak widać w takim przypadku zwierciadło o światłosile F/5, gdy NF znajduje się w strefie y = 0.7D/2.

 

Paraboloidalne zwierciadło o średnicy 270 mm,

sfiguryzowane w Pracowni PTMA w Warszawie przez L. Newelskiego.

 

Jako, że normalne przecinają oś optyczną pod niewielkimi kątami, bardzo drobna asferyczność powierzchni zwierciadła daje w efekcie zmiany wzajemnych odległości między punktami tych przecięć o milimetry lub ich części, a jest to możliwe do zmierzenia.

Te właśnie cechy, w połączeniu z prostotą środków technicznych stanowią o genialności wynalazku Foucaulta, jako jednego z tych, które pozwoliły na poznanie otaczającego Ziemię wszechświata...

Strefowe pomiary zwierciadła asferycznego są dość trudne. Ich dokładność zależy od wiedzy, doświadczenia i oka obserwatora czyniącego te pomiary. W ostatecznym rozrachunku, czynnikiem decydującym jest tu człowiek.

 

W naszej Pracowni PTMA noże są zainstalowane na suwmiarkach (stąd dokładność notowania odczytów jest 0.05 mm) lub na śrubie mikrometrycznej (dokładność 0.01 mm). To są oczywiście dokładności "techniczne". W praktyce teraz wszystko zależy doświadczenia badającego i powtarzalności jego pomiarów. Ktoś, kto będzie robił to po raz pierwszy, może popełniać błędy nawet powyżej 0.5 mm - nie będzie wiedział jak interpretować cienie na zwierciadle, widoczne w strefach. Specjalista może osiągnąć powtarzalność przy kolejnych pomiarach (w serii) rzędu 0.1 mm, a nawet 0.05 mm. Ucząc się badania zwierciadła metodą Foucaulta musiałem nabrać takiej wprawy, aby moje odczyty minimalnie różniły się od pomiarów "mistrza". I po kilku miesiącach można to było osiągnąć.

 

Rysunki i konsultacja merytoryczna: Lucjan Newelski

[procjon]

Oj chyba zabiore się do zrobienia własnego zwierciadła

[endriu624]

Gratuluję opisu noża F.więcej takich tematów mnoży naszą wiedzę i pogłębia tajniki optyki dla początkujących szlifierzy zwierciadeł czyniąc nasze forum małą encyklopedią.

Edytowane 20 Stycznia 2009 przez endriu624