Шлифоване и тестване на огледала за телескопи – част 1

Кратко въведение

От както свят светува, погледът на човека е бил вперен винаги нагоре, към небето и звездите, към божествените светове. За това свидетелстват не само всички свещени книги на човечеството, а и многото древни култови комплекси и мегалитни структури, разпространени практически навсякъде по земното кълбо. С развитието на своите познания за света, човекът е изнамирал все по-съвършени начини и инструменти за наблюдение и изучаване на небесните сфери. С изобретяването на далекогледа от холандски майстори-оптици през XVI век и използването му за първи път през 1609 г. от италианския математик и астроном Галилео Галилей (Galileo Galilei) (1564-1642) за наблюдение на небесните обекти, се поставя началото на една нова епоха в развитието не само на науката, а и на цялата човешка цивилизация. Родил се е телескопът, родило се е съвременното научно познание. Интересен факт е, че Галилео умира през 1642 г., същата година, в която се ражда друг велик учен – сър Исак Нютон (Sir Isaac Newton). Така че, можем да бъдем спокойни, щафетата е била предадена успешно. Освен фундаменталните научни открития и принципи, с които е известен, Нютон създава и първия телескоп-рефлектор, заедно с оборудването за направата му. И до ден днешен, най-разпространената сред любителите оптична схема за телескопи носи неговото име. Той оставя множество идеи и чертежи за различни механизми и машини, използвани за шлифовка на лещи и малки оптични детайли. С право можем да считаме Нютон за основоположник на модерното оптично производство и телескопостроене.

През следващите столетия науката продължава да еволюира и в теоретичен, и в практичен аспект. Заедно с нея се развива и оптичното приборостроене, поставено вече на една по-зряла научна и технологична основа. През средата на XIX век немският математик Филип Зайдел (Philipp Seidel) разлага за първи път аберационната функция в степенен ред и така отваря пътя за аналитичното конструиране на оптични системи с коригирани аберации. Развива се вълновата теория за природата на светлината. Френският физик Леон Фуко (Lеon Foucault) изобретява първия оптичен метод за тестване на оптичните системи, известен като нож на Фуко (knife-edge test) и позволява на оптиците да прогледнат по отношение качеството на изработваните от тях повърхности. Изобретава се фотографията, а с нея и нуждата от по-съвършени обективи и фотокамери. С напредването на химията се усъвършенства и стъкловарството, а от там и получаването на нови видове стъкла, използвани в производството на оптичните детайли. Задължително трябва да споменем теоретичните изследвания и експерименти на Young, Fresnel, Arago, Gauss, Herschel, Abbe, J. C. Maxwell, Airy, Fizeau, Kirchhoff, Fraunhofer, Michelson, Zernike [1] и още много други, поставили оптиката на строга научна основа и допринесли за разцвета на модерната астрономия.

В настоящата поредица от статии искаме да разкажем по-подробно за самата технология за шлифоване, полиране и тестване на оптични огледала за телескопи [5][7]. Поради по-ниската си себестойност, сравнителната лекота при производството, а и поради други свои качества, огледалните телескопи, т.нар. телескопи-рефлектори, са се превърнали в основен инструмент на модерната любителска и професионална астрономия. Практически, всички големи съвременни телескопи, създадени от човечеството през последните 100 години, са огледални и работят успешно до ден днешен [2][8]. Итересно би било да споменем, че технологиите за производство на оптични детайли са идентични с технологиите за обработка на скъпоценни камъни и са останали непроменени в същината си за последните 4-6 хилядолетия, още от епохата на Древна Индия и Вавилон. Тук ще опишем процесът на изготвяне на вдлъбнати оптични повърхности за главни огледала на телескопи, тъй като с тях имаме достатъчно практически опит. Изработването на плоски и изпъкнали повърхности е идентично.

Точност

Преди да започнем с описание на технологията на производство, трябва да разгледаме един много важен въпрос: каква е крайната точност, която искаме да постигнем? В оптиката съществува прост критерий за определяне на тази точност, наречен критерий на Релей (the Rayleigh criterion), по името на лорд Релей (John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh) [1][3][5][8]. Без да влизаме в математически подробности, ще кажем, че според този критерий, ако деформацията на вълновия фронт е не повече от λ/4, където λ е дължината на светлинната вълна, то можем да считаме вълновия фронт за идеален. Понеже при отражението деформациите на вълната се удвояват, то точността на оптичната повърхност трябва да е не по малка от λ/8 или λ/10. При типична дължина на вълната за видимата светлина от около 0.5 микрона (5*10^-4 mm), то необходимата точност е няколко стохилядни от милиметъра (5*10^-5 mm). Тук не става въпрос само за точност на повърхността по отношение на нейните микрограпавини, а за точност на геометричната ѝ форма, като тя трябва да се гарантира за целия размер на оптичната повърхност, който при съвременните телескопи може да достигне няколко метра в диаметър!

Само си представете един съвременен професионален телескоп с главно огледало няколко метра в диаметър. Върху този къс стъкло трябва да създадем и контролираме с необходимата математическа точност, повърхностен слой, с дебелина от няколко стохилядни от милиметъра, една невероятно тънка ципа, благодарение на която е възможно съществуването и работата на оптичния инструмент като такъв! Съгласете се, че звучи фантастично. Как е възможно да бъде постигнато това? Наистина, не е ли невероятно? Надяваме се бегло да отговорим на тези въпроси в тази и следващите няколко статии.

Както стана дума и преди, технологията за обработка е непроменена от хилядолетия. През последните векове хората са се научили да я прилагат не само за получаване на красиви блестящи стъкълца или камъчета (всеки камък може да бъде обработен и полиран и да е невероятно красив, дори и обикновенният чакъл!), а и за изготвяне на сложни оптични прибори, без които науката е немислима. Нещо повече, и до сега в професионалното оптично производство, крайния етап на полиране на повърхността, при който тя приема окончателния си геометричен профил или т.нар. фигуризация, се извършва на ръка и както казват самите майстори-оптици, е по-скоро мистика, отколкото наука.

Още един много важен аспект свързан с точността и с трудностите при изработката, особено на асферичните повърхности (парабола, елипса, хипербола). При тях разликата δ между асфериката и допирателната сфера в параксиалната зона на огледалото се задава чрез израза:

δ ~ εH⁴ / 8r³

където ε е ексцентрицитета, r е радиусa на кривината при върха, H е полудиаметърa на огледалото. Вижда се, че δ е пропорционално на първата степен от диаметъра (което е съвсем разбираемо), но и на третата степен на относителната апертура A = H / r. За пример, при двойно увеличаване на светлосилата, асфериката нараства 8 пъти, което е на цял порядък повече [4][5]. Всичко това означава, че изработването на едрогабаритни асферични повърхности, които са основните компоненти на съвременните телескопи, е наистина много сложна задача, изискваща преодоляването на трудности от най-различно естество.

Четете още за обработката на оптичните повърхности във втората част на нашата поредица.

Литература

1. Born M., Wolf E. Principles of optics. Electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light, Pergamon Press, 4th Edition, 1968.
2. Pacini et al. Optical telescopes of the future, ESO Conference, Geneva, 1978.
3. Walker G. Astronomical observations. An optical perspective, Cambridge University Press, 1987.
4. Максутов Д. Астрономическая оптика, Наука, 1979.
5. Максутов Д. Изготовление и исследование астрономической оптики, Наука, 1984.
6. Михельсон Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция, Наука, 1976.
7. Навашин М. Телескоп астронома-любителя, Наука, 1979.
8. Попов Г. Современная астрономическая оптика, Наука, 1988.