|
|
|
|
|
|
||
В оптических приборах применяются различные зеркала: плоские, сферические и более сложных форм. Плоские зеркала по своему действию на световой пучок подобны отражательным призмам, а неплоские - линзам, так как в последнем случае, кроме отражения, преобразуется форма пучка. Достоинствами зеркал по сравнению с призмами и линзами являются относительная простота изготовления, что позволяет получать большие размеры зеркал (до 2-х и более метров в диаметре), и, при наружном отражении, отсутствие хроматической аберрации. Плоские зеркала с наружным покрытием вообще оказывают наименьшее влияние на качество изображения по сравнению с другими оптическими деталями [8]*.
Чаще всего зеркала изготавливают из стекла, для создания отражающего действия их рабочую поверхность покрывают тонким слоем металла, обеспечивающим высокий коэффициент отражения (серебра, алюминия и др.). Встречаются также металлические зеркала (из нержавеющей стали, бронзы, меди, алюминия), но они более подвержены действию колебаний температуры; их преимуществом перед стеклянными является более высокая прочность. Металлические зеркала применяются (по соображениям прочности) в осветительных устройствах и приборах, но и здесь в ряде случаев для повышения коэффициента отражения, как и стеклянные, их покрывают тонким слоем другого металла (исключением являются металлические зеркала из алюминия и меди). В последнее время ведутся работы над созданием зеркал из нетрадиционных оптических материалов (см.п.3.4.4 ).
Широко применяются металло-стеклянные зеркала, получаемые путем спекания тонкой стеклянной пластинки с металлической подложкой:
Рис.3.23 Металло-стеклянные зеркала
Стеклянные зеркала делаются с внутренним или наружным отражением.
Плоские зеркала, участвующие в построении изображения в визуальных системах приборов и используемые в точных измерительных приборах требуют высокой точности изготовления. Как правило, отражающий слой этих зеркал наносится на наружной стороне, чтобы избежать влияния ошибок изготовления зеркала, например, клиновидности, на качество оптической системы. Зеркала с задней отражающей поверхностью не рекомендуется устанавливать в сходящихся пучках лучей, так как они вызывают двоение изображения, а при наклонном положении также астигматизм и асимметрию в построении пучка. Плоские зеркала невысокой точности имеют широкое применение в неответственных узлах (осветительные устройства, видоискатели фотокамер и др.) [8]*.
Чаще всего применяются одиночные плоские зеркала, но встречаются и блоки, состоящие из нескольких зеркал. Плоские зеркала встречаются с полным и неполным (частичным) отражением светового пучка; последние называются светоделительными и применяются в тех случаях, когда зеркало работает одновременно на отражение одного пучка и пропускание другого. Неполное отражение достигается нанесением светоделительного покрытия.
Зеркала неплоские (сферические и пр.) применяются в тех случаях, когда, кроме отражения, требуется изменение формы светового пучка.
На рис.3.14 показано несколько примеров использования плоских зеркал.
Одиночное плоское зеркало (рис.3.14,а) дает зеркальное изображение предмета в плоскости хода пучка; угол отклонения пучка зависит от угла падения осевого луча на зеркало; пределы возможных углов отклонения (при данных размерах зеркала) ограничиваются только условием несрезания пучка. Такие зеркала применяются во многих лабораторных, контрольно-измерительных, военных и других приборах.
Системы из двух плоских зеркал (рис.3.14, б, в) дают прямое изображение и могут применяться для смещения или отклонения пучка.
На рис.3.14, г показано применение плоского светоделительного зеркала для соединения двух пучков, пропускающего часть пучка (1), идущего от предмета, и отражает также часть пучка (2), несущего изображение сетки. Такое зеркало пригодно только для работы в параллелных пучках, так как оно располагается здесь наклонно к оси пучка.
На рис.3.14,д изображен зеркальный полигон. Углы между отражающими гранями обычно выполняются с точностью до 1-5 угл.сек. Такие полигоны служат для контроля точности угломерных устройств, механизмов и деталей, где используются как эталоны угла поворота. Число граней - 6, 10, 12, 18, 24 и 36 и более.
Конструктивные формы и размеры зеркал зависят от их назначения, положения в оптической системе, светового диаметра, а также от места и способа закрепления зеркала в приборе.
Наибольшее разнообразие форм имеют плоские зеркала, они бывают круглые, прямоугольные, эллиптические и иногда в форме многоугольника (рис.3.15). Круглую форму типа (а) имеют неподвижные зеркала, расположенные нормально или под небольшим углом к осевому лучу пучка. Рабочие размеры таких зеркал определяются по диаметру пучка.
Прямоугольная, восьмиугольная и эллиптическая форма плоского зеркала (рис.3.15, б-е) целесообразна при наклонном расположении зеркала к оси пучка; первые две формы проще в изготовлении и применяются, когда зеркало закрепляется в отдельной оправе. Эллиптическая форма придается наклонным зеркалам только при закреплении их в трубах с цилиндрическим отверстием.
Толщина зеркал зависит от размера, способа крепления и главным образом от требуемой точности поверхностей. Чем точнее зеркало, тем больше должна быть его толщина. Толстые зеркала меньше деформируются при креплении и под воздействием остаточных внутренних напряжений при изготовлении. Рекомендуется применять следующие соотношения между толщиной d и наибольшим размером l (для круглых - диаметром) зеркала [8]*:
Уменьшить толщину зеркальной пластины можно, применив при конструировании зеркала некоторые приемы:
Размер зеркала с задней отражающей поверхностью определяется по формуле
где D - ширина зеркала.
Клиновидность зеркала с внутренним отражением вызывает двоение изображения и хроматизм.
Для изготовления точных зеркал, входящих в оптическую систему прибора, применяется стекло марки К8, для концевых отражателей дальномеров - кварцевое стекло, малочувствительное к изменениям температуры. Для таких же целей в менее ответственных случаях применяется стекло марки ЛК5, в неответственных случаях - зеркальное стекло [8]*.
Сферические и асферические зеркала (параболические, геперболические, эллиптические), внеосевые с внешней и с задней отражающими поверхностями применяются для объективов астрономических приборов, объективов микроскопов, телеобъективов фотоаппаратов, для прожекторов и различных осветительных устройств.
Зеркала современных телескопов и лазерных систем должны обеспечивать качество изображения и расходимость излучения на уровне предела, ограничиваемого дифракцией. Это означает, что среднеквадратичное отклонение формы оптической поверхности зеркал от заданной не должно превышать сотых долей рабочей длины волны. С учетом размеров зеркал (0,5 м и более) это позволяет характеризовать их как наиболее точные изделия современного приборостроения ([29]*).
Система опор зеркала может быть пассивной и активной, соответственно различают пассивные и адаптивные зеркала (адаптивные оптические устройства с гибкими или составными зеркалами). В лазерных системах адаптивные зеркала необходимые для компенсации искажения волнового фронта излучения, называют, как правило, корректорами волнового фронта.
Предельный размер пассивных зеркал при заданном спектральном диапазоне (точности) определяется уровнем удельной жесткости используемых материалов и количеством точек пассивной системы опор.
Для космических зеркал существуют практические ограничения на максимально возможное количество этих точек. Это связано с требованием, чтобы при переходе в состояние невесомости реакции в системе "зеркальная пластина - опоры" полностью исчезали. В противном случае при таком переходе неизбежна деформация оптической поверхности зеркала по сравнению с зафиксированной в наземных условиях.
Единственным относительно подвижным параметром, определяющим предельный размер пассивных зеркал, является удельная жесткость материалов. Применение бериллия, например, при разгрузке на 9 точек позволяет создавать пассивные зеркала для видимой области спектра диаметром до 3 метров [29]* .
Разработка оптического зеркала, в первую очередь космического, как правило, сводится к задаче минимизации массы при заданных размерах и точности. При этом исключительно перспективными являют облегченные зеркала, содержащие реберную структуру, образованную облегчающими полостями той или иной формы (сотовая структура). Для повышения жесткости конструкции целесообразно применение закрытых сотовых структур (с тыльной пластиной).