Метод Фуко в различных модификациях используется и сегодня – при изготовлении как любительских зеркал, так и многометровых космических и земных телескопов. Идея отсечения основного неинформативного потока света оказалась очень продуктивной не только для чисто оптических задач, и уже в 1867 году немецкий физик Август Теплер разработал шлирен-метод наблюдения мелких оптических неоднородностей в прозрачных средах. Это было прямое развитие теневого метода Фуко, и сегодня, несмотря на наличие лазеров и огромные возможности интерферометрических способов контроля поверхностей и объемов, старинные методики не только не забыты, но и активно развиваются ныне живущими кулибиными.
На этот раз инициативу съемки невидимого перехватила Америка. В середине прошлого века Х. Шардин предложил использовать специальнысветовозвращающий экран и сходящийся пучок света, а в конце века Л.М. Ванштейн сумел изготовить большеразмерную шлирен-систему, лишенную принципиальных ограничений на размер исследуемых объектов.
Последние наиболее значимые достижения в области полномасштабной шлирен-фотографии крупных конструкций связаны с именем профессора механики из Пенсильванского университета Гари Сэттла, сумевшего обойтись при съемке мелких неоднородностей без больших высокоточных зеркал и научившегося снимать конвективные потоки и воздушные струи, пронизывающие нашу жизнь прямо там, где это требуется. Так что, возможно, имя Сэттла, равно как и 2003 год, станет еще одной важной вехой в развитии методов визуализации невидимого.
Нож Фуко
На заре телескопостроения перед шлифовальных дел мастерами стояла совершенно непосильная задача – придать зеркалу или линзе сферическую форму с точностью до долей микрона. Смотря на рабочее изделие, трудно понять, где у него завал, а где ямка или бугор, и в результате телескопы с большими зеркалами и линзами порой хуже показывали звездное небо, чем их меньшие, но более удачные собратья. Ситуация была совершенно безвыходной, пока великий французский физик Жан Бернар Леон Фуко не предложил гениальный по своей простоте метод контроля вогнутых зеркальных поверхностей. Секрет состоял в том, что надо отсечь основной световой поток, оставив только ту его часть, которая отражается от «неправильных» участков поверхности. Достигается это с помощью ножа Фуко – тонкого непрозрачного экрана, помещаемого в ту точку пространства, куда собирается основной пучок световых лучей. Отрезав основной поток света, мы отлично увидим те участки зеркала, которые неправильно собирают свет, и можем, при последующей полировке, легко выправить форму будущего зеркала.
Метод Гари Сэттла
В традиционной схеме теневого метода исследуемый объект помещается в параллельный пучок лучей, идущий от одного вогнутого зеркала к другому. Поэтому для того, чтобы наблюдать большие предметы и потоки, нужны еще большие зеркала. Это обстоятельство заставило изготавливать дорогие, громоздкие установки и использовать уменьшенные модели реальных технических устройств.
Гари Сэттл, хорошо освоив классическую методику, усовершенствовал ее, заменив сферическое зеркало, формирующее сходящийся пучок, плоским экраном, выполняющим ту же функцию. Данный световозвращающий экран является сердцем всей системы, поскольку используемые лампы-вспышки и фотокамера со встроенным в нее ножом Фуко, отрезающим лишний свет, – это, в общем-то, стандартное оборудование. Задача экрана – направить свет от ламп точно на край ножа Фуко, в этом случае только лучи, отклоненные потоками воздуха, свободно просочатся в объектив фотоаппарата и создадут красивое и необычное изображение. По сути, это решетка из микроотражателей, в чем-то напоминающая обычные дорожные знаки, возвращающие свет фар назад водителю.
Самым сложным в теплеровском шлирен-методе всегда было формирование параллельного пучка лучей, зондирующего исследуемую область пространства. Замена параллельного пучка на сходящийся существенно упростила всю конструкцию, а разработка специальных световозвращающих покрытий сняла все ограничения на размер изучаемых объектов. В установке, разработанной Гари Сэттлом, лучи света, испущенные лампой-вспышкой, отразившись от экрана, собираются на входе в фотокамеру. Основной поток света, не претерпевший отклонения от прямолинейного пути, не попадает на фотопленку, поскольку его отрезает непрозрачный нож Фуко, а вот лучи, преломленные воздушными линзами, напротив, доходят до фоточувствительного слоя и создают видимое на фотографиях изображение.
Читать дальше
