Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЗЕ)"

Зеркало

Зе'ркало, тело, обладающее полированной поверхностью и способное образовывать оптические изображения предметов (в т. ч. источников света), отражая световые лучи. Первые сведения о применении металлических З. (из бронзы или серебра) в быту относятся к 3-му тыс. до н. э. В бронзовом веке З. были известны преимущественно в странах Древнего Востока, в железном веке получили более широкое распространение. Лицевая сторона металлических З. была гладко отполирована, обратная – покрыта гравированными либо рельефными узорами или изображениями; форма обычно круглая, с ручкой (у древних греков часто в виде скульптурной фигуры). Стеклянные З. (с оловянной или свинцовой подкладкой) появились у римлян в 1 в. н. э.; в начале средних веков они исчезли и снова появились только в 13 в. В 16 в. была изобретена подводка стеклянных З. оловянной амальгамой. С 17 в. многообразие форм и типов З. (от карманных до огромных трюмо) возрастает; обрамления З. становятся более нарядными. Часто З. служат отделкой стен и каминов в дворцовых интерьерах эпохи барокко и классицизма. В 20 в. с развитием тенденций функционализма в архитектуре З. почти утрачивают декоративную роль и обычно оформляются в соответствии с их бытовым назначением (в простой металлической рамке либо вовсе без обрамления).

  Оптические свойства З. Качество З. тем выше, чем ближе форма его поверхности к математически правильной. Максимально допустимая величина микронеровностей поверхности определяется назначением З.: для астрономических и некоторых лазерных З. она не должна превышать 0,1 наименьшей длины волны l_min падающего на З. излучения, а для прожекторных или конденсорных З. может доходить до 10 l_min.

  Положение изображения оптического, даваемого З., может быть определено по законам геометрической оптики; оно зависит от формы поверхности З. и положения изображаемого предмета.

  Плоское З. – единственная оптическая система, которая даёт полностью безаберрационное изображение (всегда мнимое) при любых падающих на него пучках света (см. Аберрации оптических систем). Это свойство плоских З. обусловило их широкое использование со всевозможными конструктивными целями (поворот светового пучка, автоколлимация, переворачивание изображений и т.д.); такие З. входят в состав точнейших измерительных приборов (например, интерферометров).

  В оптических системах применяют также вогнутые и выпуклые З. Их отражающие поверхности делают сферическими, параболоидальными, эллипсоидальными, тороидальными; применяют и З. с поверхностями более сложных форм. Вогнутые З. чаще всего (но не всегда) концентрируют энергию пучка света, собирая его, выпуклые – рассеивают. Неплоские З. обладают всеми присущими оптическим системам аберрациями, кроме хроматических. Положение изображения предмета, создаваемого З. с поверхностью, обладающей осью симметрии, связано с радиусом кривизны r З. в его вершине О (рис. 1) соотношением:

где s — расстояние от вершины О до предмета А, s' — расстояние до изображения А'. Эта формула строго справедлива лишь в предельном случае бесконечно малых углов, образуемых лучами света с осью З.; однако она является хорошим приближением и при конечных, но достаточно малых углах. Если предмет

  находится на расстоянии, которое можно считать бесконечно большим, s' равно фокусному расстоянию З.:

  Свойства отражающих поверхностей. З. должно иметь высокий отражения коэффициент. Большими коэффициентами отражения обладают гладкие металлические поверхности: алюминиевые – в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах, серебряные – в видимом и инфракрасном, золотые – в инфракрасном. Отражение от любого металла сильно зависит от длины волны света l: с её увеличением коэффициента отражения R_l возрастает для некоторых металлов до 99% и более (рис. 2).

  Коэффициент отражения у диэлектриков значительно меньше, чем у металлов (для стекла с показателем преломления n = 1,5 всего 4%). Однако, используя интерференцию света в многослойных комбинациях прозрачных диэлектриков, можно получить (в относительно узкой области спектра) отражающие поверхности с коэффициентом отражения более 99% не только в видимом диапазоне, но и в ультрафиолетовом, что невозможно с металлическими поверхностями. Диэлектрические З. состоят из большого (13—17) числа слоев двух диэлектриков попеременно с высоким и низким n. Толщина каждого слоя такова, что оптическая длина пути света в нём составляет ¹/₄ длины волны. Нечётные слои делаются из материала с высоким n (например, сульфиды цинка, сурьмы, окислы титана, циркония, гафния, тория), а чётные – из материала с низким n (фториды магния, стронция, двуокись кремния). Коэффициент отражения диэлектрического З. зависит не только от длины волны, но и от угла падения излучения.

  Производство З. В древности в качестве З. использовали полированные металлические пластины. С развитием стеклоделия металлические З. уступили место стеклянным, отражательной поверхностью которых являлись тонкие слои металлов, нанесённых на стекло. Первоначально небольшие З. неправильной формы получали, наливая в стеклянный сферический сосуд расплавленный металл, который, застывая, образовывал отражающий слой (после охлаждения сосуд разрезали). Первые стеклянные З. значительных размеров изготовляли нанесением на стекло ртутно-оловянной амальгамы. Впоследствии этот вредный для здоровья работающих способ был заменен химическим серебрением, основанным на способности некоторых соединений, содержащих альдегидную группу, восстанавливать из растворов солей серебро в виде металлическом плёнки. Наиболее распространённый технологический процесс производства З. серебрением состоит из следующих основных операций: удаления с поверхности стекла загрязнений и продуктов коррозии, нанесения центров осаждения серебра, собственно серебрения и нанесения защитных покрытий на отражающий слой. Обычно толщина серебряной плёнки колеблется от 0,15 до 0,3 мкм. Для электрохимической защиты отражающего слоя его покрывают медной плёнкой, соизмеримой по толщине с серебряной. На медную плёнку наносят лакокрасочные материалы – поливинилбутиральные, нитроэпоксидные, эпоксидные эмали, предупреждающие механические повреждения защитного слоя. З. технического назначения изготовляют с отражающими плёнками из золота, палладия, платины, свинца, хрома, никеля и др.

  З. изготовляют также способами металлизации стекла катодным распылением и испарением в вакууме. Особенное распространение получает термическое испарение алюминия в вакууме при давлении 6,7·10^-2—1,3·10^-3 н/м² (5·10^-4—10^-5мм рт. ст.). Испарение алюминия осуществляется со жгутов из вольфрамовой проволоки либо из жаропрочного тигля. Подготовка поверхности стекла к алюминированию выполняется ещё более тщательно, чем перед химическим серебрением, и включает обезвоживание и обработку электрическим разрядом при значении вакуума 13,3 н/м²(10^-1мм рт. ст.). Толщина алюминиевой плёнки для получения З. с максимальной отражательной способностью должна составлять не менее 0,12 мкм. Благодаря повышенной химической стойкости алюминированные З. иногда используются как поверхности наружного отражения, которые защищаются оптически прозрачными слоями Al2O3, SiO₂, MgF₂, ZnS и др. Обычно же слой алюминия покрывается непрозрачными лакокрасочными материалами, такими же, как и при серебрении. Некоторая неравномерность по спектру и ухудшение отражательной способности алюминированных З. по сравнению с посеребрёнными оправданы значительной экономией серебра при массовом производстве З.

  Способами катодного распыления и термического испарения могут быть получены З. с плёнками большинства металлов, а также диэлектриков. Об изготовлении высокоточных оптических З. больших размеров см. в ст. Рефлектор.

  Применение З. в науке, технике и медицине. Свойство вогнутых З. фокусировать параллельный их оси пучок света используется в телескопах-рефлекторах. На обратном явлении – преобразовании в З. пучка света от источника, находящегося в фокусе, в параллельный пучок – основано действие прожектора. З., применяемые в сочетании с линзами, образуют обширную группу зеркально-линзовых систем. В лазерах З. применяют в качестве элементов оптических резонаторов. Отсутствие хроматических аберраций обусловило использование З. в монохроматорах (особенно инфракрасного излучения) и многих др. приборах.

  Помимо измерительных и оптических приборов, З. применяют и в др. областях техники, например в гелиоконцентраторах, гелиоустановках и установках для зонной плавки (действие этих устройств основано на свойстве вогнутых З. концентрировать в небольшом объёме энергию излучения). В медицине из З. наиболее распространён лобный рефлектор – вогнутое З. с отверстием посередине, предназначенное для направления узкого пучка света внутрь глаза, уха, носа, глотки и гортани. З. многообразных конструкций и форм применяют также для исследований в стоматологии, хирургии, гинекологии и т.д.

  Лит.: Слюсарев Г. Г., Методы расчёта оптических систем, М. – Л., 1937; Зоннефельд А., Вогнутые зеркала, пер. с нем., М. – Л., 1935; Максутов Д. Д., Астрономическая оптика, М. – Л., 1946; Винокуров В. М., Химические методы серебрения зеркал, М., 1950; Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, ч. 2, М. – Л., 1952; Розенберг Г. В., Оптика тонкослойных покрытий, М., 1958; Данилин Б. С., Вакуумное нанесение тонких пленок, М., 1967; Глюк И., И все это делают зеркала, пер. с англ., М., 1970.

  И. И. Борисова, В. Н. Рождественский.

Настенное зеркало. Стекло, резьба по дереву, золочение. Россия. Середина 18 в. Исторический музей. Москва.

А. Н. Воронихин. Камин с зеркалом в Строгановском дворце в Ленинграде. Конец 18 в.

Тыльная сторона зеркала эпохи Фатимидов. Бронза. 11—12 вв. Музей Бенаки. Афины.

Рис. 2. Спектральные коэффициенты отражения металлических плёнок.

Туалетное зеркало. Стекло, сталь с полировкой и золочением. Тула. Конец 18 в. Павловский парк и дворец-музей художественного убранства русских дворцов 18—19 вв.

Рис. 1 к ст. Зеркало.

Зеркало из Коринфа. Бронза. 6 в. до н. э. Национальный археологический музей. Афины.

Тыльная сторона японского (?) зеркала. Бронза, черный лак, золото, серебро. 8 в. Резиденция Шосоин. Нара.

Тыльная сторона этрусского зеркала. Бронза. 5 в. до н. э. Британский музей. Лондон.

Королевская дорожная шкатулка. Стекло, дерево, кожа, бархат, серебро с золочением. Аугсбург. 1755—57. Музей земли Вюртемберг. Штутгарт.

Туалет-комодик. Стекло, дерево, резьба по кости. Холмогоры. Конец 18 в. Эрмитаж. Ленинград.

Зеркало Марии Медичи. Стекло, золото, камеи, самоцветы. Венеция. Ок. 1600. Лувр. Париж.

Тыльная сторона скифского зеркала из Келермесского кургана. Серебро с золочением. 6 в. до н. э. Эрмитаж. Ленинград.

Ф. О. Шехтель. Камин с зеркалом в особняке Дерожинской в Москве. 1902.

Фарфоровый камин с зеркалом. Вена. Около 1740. Австрийский музей прикладного искусства. Вена.

Зеркало вод

Зе'ркало вод, водная поверхность рек, озёр и др. водоёмов или поверхность подземных ненапорных вод. В последнем случае за З. в. принимается верхняя граница (поверхность) безнапорных подземных вод в водоносном пласте. Зеркало подземных вод наклонено в направлении движения воды и в сглаженном виде отражает рельеф поверхности. В случае, если подземные воды заполняют замкнутые понижения водоупорного ложа, их поверхность принимает горизонтальное положение. Очертания зеркала подземных вод в плане изображаются на карте с помощью гидроизогипс.

Зеркало горения

Зе'ркало горе'ния, поверхность слоя горящего топлива в слоевых топках. Одна из характеристик слоевых топок – количество тепла на 1 м² 3. г. [в современных топках составляет 2,5—6,3 Гдж/м²·ч (600—1500 тыс. ккал/м²·ч)].

Зеркало скольжения

Зе'ркало скольже'ния, гладкая поверхность горных пород, возникающая обычно при тектонических перемещениях и образовании надвигов, сбросов и др. разрывных дислокаций. Кроме полировки, являющейся следствием трения соприкасающихся поверхностей разрыва сплошности пород, на З. с. наблюдаются штрихи и бороздки, расположенные в направлении последнего перемещения по разрыву.

Зеркальная апланатическая антенна

Зерка'льная апланати'ческая анте'нна, двухзеркальная антенна с управляемым изменением (сканированием) направления максимума диаграммы направленности, при котором форма диаграммы направленности остаётся постоянной. З. а. а. применяют преимущественно в радиолокации и радионавигации для волн сантиметрового диапазона. В З. а. а. сканирование осуществляется перемещением облучателя по некоторой оптимальной фокальной кривой при неподвижных зеркалах (рис.). Энергия, подводимая к облучателю, направляется на вспомогательное зеркало, от которого она отражается на главное зеркало. Размеры последнего определяют ширину диаграммы направленности. Вспомогательное зеркало выполняется в виде системы линейных проводов, ориентированных параллельно вектору напряжённости электрической составляющей электромагнитного поля облучателя. Вектор напряжённости электрической составляющей поля, отражённого от главного зеркала, направлен перпендикулярно проводам вспомогательного зеркала и поэтому свободно проходит через него. Такой поворот плоскости поляризации поля, отражённого от главного зеркала, осуществляется соответствующим выполнением последнего. Соотношение фокусных расстояний различных лучей определяет собой степень искажений диаграммы направленности при сканировании. Искажения получаются минимальными (антенна становится апланатической) при одинаковых фокусных расстояниях всех лучей.

  Лит.: Фрадин А. З., Антенны сверхвысоких частот, М., 1957, с. 295—301.

  О. Н. Терёшин, Г. К. Галимов.

Схема хода лучей в зеркальной апланатической антенне: А – облучатель; В – вспомогательное зеркало; С – главное зеркало; B₁, B₂, B₃ – точки отражения лучей от вспомогательного зеркала; C₁, C₂, C₃ – точки отражения лучей от главного зеркала; D₁, D₂, D₃ – точки пересечения продолжений лучей AB₁, AB₂, AB₃ с соответствующими им лучами C₁D₁, C₂D₂, C₃D₃; AD₁, AD₂, AD₃ – фокусные расстояния лучей, определяемых соответственно углами j₁, j₂, j₃; D – фокальная окружность.

Зеркальная лампа

Зерка'льная ла'мпа, лампа накаливания, часть поверхности колбы которой имеет зеркальное покрытие. Форма колбы выбирается такой, чтобы за счёт отражения от зеркального слоя получить требуемое распределение света. Невысокая точность формы колбы, получаемой выдуванием из стекломассы, вызывает ограниченную точность воспроизведения кривой распределения света. Для исключения бликов, особенно заметных при освещении на малых расстояниях, часть колбы, через которую выходит световой поток лампы, делают матовой. Зеркальными выполняют и некоторые специальные лампы, требующие достаточно сложной кривой распределения света.

Зеркальное отражение

Зерка'льное отраже'ние относительно данной плоскости ее, преобразование пространства, при котором точке Р, расположенной по одну сторону от плоскости a, соответствует точка P’, расположенная по др. сторону от a так, что плоскость a перпендикулярна к отрезку PP’ и проходит через его середину. З. о. оставляет неподвижными точки плоскости a. Аналогичным образом определяется З. о. плоскости относительно данной её прямой. См. также Симметрия.

Рис. к ст. Зеркальное отражение.

Зеркально-линзовые системы

Зерка'льно-ли'нзовые систе'мы, катадиоптрические системы, оптические системы, содержащие как отражающие поверхности (зеркала), так и линзы. В некоторых З.-л. с. зеркала выполняют чисто конструктивные функции (изменение направления светового пучка, уменьшение габаритов прибора и т.п.), не влияя на качество изображения. Примером таких систем могут служить зеркально-линзовые конденсоры микроскопов (см. Микроскоп). В др. случаях зеркала играют основную роль в образовании изображений, а линзы служат главным образом для исправления аберраций, вносимых зеркалами (см. Аберрации оптических систем). Оптические свойства зеркал не меняются при изменении длины волны падающего света (т. е. зеркала ахроматичны), поэтому З.-л. с. широко применяются в случаях, когда оптическая система должна обладать большим фокусным расстоянием и большим диаметром (объективы телескопов, длиннофокусные фотографические объективы, геодезические инструменты высокой разрешающей силы).

  Одна из основных областей применения З.-л. с. – астрономия (см. Зеркально-линзовый телескоп, Максутова телескоп, Менисковые системы, Шмидта телескоп, Супер-Шмидт). Сочетание зеркал разной формы и различных комбинаций линзовых компенсаторов позволило создать З.-л. с. с большими углом зрения и светосилой (рис. 1, а, б), уменьшить длину астрономических приборов (рис. 1, в).

  З.-л. с. используются в качестве светосильных (относительное отверстие до 1: 0,8) фотографических объективов (рис. 2, а) и телеобъективов. У этих систем сравнительно небольшое поле зрения, однако их разрешающая способность, как правило, выше, чем у линзовых объективов с такими же характеристиками. Поле зрения может быть несколько увеличено построением объектива по схеме рис. 2, б.

  С середины 20 в. З.-л. с. начали применяться при конструировании объективов микроскопов. Типичные схемы приведены на рис. 3, а, б. Такие объективы обычно взаимозаменяемы с линзовыми, но обладают рядом преимуществ, особенно при исследовании в лучах, находящихся за пределами видимой области спектра (малость остаточной хроматической аберрации З.-л. с., обусловленная ахроматичностью зеркал, позволяет производить фотографирование в ультрафиолетовых лучах по визуальной фокусировке).

  Ахроматичность и высокий коэффициент отражения зеркал в широкой спектральной области обусловили использование З.-л. с. и в др. приборах, работающих в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра (в частности, в спектральных приборах); входящие в состав таких систем линзы изготовляют из специальных материалов (кварц, флюорит, фтористый литий и др.).

  Лит.: Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 2. М. – Л., 1952; Максутов Д. Д., Астрономическая оптика, М. – Л., 1946; Слюсарев Г. Г., Методы расчёта оптических систем, 2 изд., Л., 1969.

  Г. Г. Слюсарев.

Рис. 1. Оптические схемы астрономических зеркально-линзовых систем с линзовыми компенсаторами аберраций: а – сверхсветосильный объектив с большим углом зрения (до 30°), применяемый для фотосъёмки движущихся небесных тел, например метеоров; исправлены все аберрации за исключением кривизны поля изображения; б – телескоп с параболоидальным зеркалом; исправление комы компенсатором У. Росса увеличивает поле зрения системы; в – система Г. Г. Слюсарева и В. С. Соколовой с параболическим большим зеркалом и сферическим малым; исправлены все аберрации, кроме дисторсии: длина системы значительно меньше её фокусного расстояния.

Рис. 2. Оптические схемы зеркально-линзовых фотографических объективов: а – объектив конструкции Д. С. Волосова и Д. Ю. Гальперна с асферическим зеркалом и одним афокальным компенсатором; б – объектив, построенный по усложнённой схеме Кассегрена с двумя сферическими зеркалами и двумя афокальными компенсаторами (один – в параллельном пучке, второй – в сходящемся).

Рис. 3. Оптические схемы иммерсионных зеркально-линзовых объективов микроскопов: а – конструкции В. А. Панова; б – конструкции Д. С. Волосова.

Зеркально-линзовый телескоп

Зерка'льно-ли'нзовый телеско'п, катадиоптрический телескоп, оптический инструмент, в котором изображение строится сложным объективом, содержащим как зеркала, так и линзы. Коррекционные линзы сравнительно небольшого диаметра используются во всех современных рефлекторах для увеличения полезного поля зрения, однако к числу З.-л. т. их не относят. Зеркально-линзовыми принято считать только такие телескопы, в которых линзовые элементы сравнимы по размеру с главным зеркалом и предназначены для коррекции изображения (оно строится главным зеркалом). К З.-л. т. относятся Шмидта телескоп (камера Шмидта,, 1931), Максутова телескоп (менисковый телескоп, 1941) и некоторые др. В телескопе Шмидта аберрации сферического главного зеркала устраняются с помощью специальной коррекционной пластинки сложного профиля, установленной во входном зрачке. В телескопе Максутова аберрации главного сферического или эллиптического зеркала исправляются мениском, установленным перед зеркалом. Для наблюдений метеоров и искусственных спутников Земли применяют З.-л. т. типа супер-Шмидт (1947) – сочетание систем Шмидта с менисковыми системами Максутова.

  В рефлекторах системы Ричи – Кретьена используют сравнительно небольшие линзовые корректоры, устанавливаемые в сходящемся пучке перед фокусом телескопа; впервые такой корректор был предложен в 1935 для 5-метрового рефлектора Маунт-Паломарской астрономической обсерватории (США). Однако в узком понимании термина такие системы не относятся к З.-л. т. См. также Зеркально-линзовые системы.

  Лит.: Максутов Д. Д., Астрономическая оптика, М. – Л., 1946.

  Н. Н. Михельсон.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ЗЕ)"