韋伯太空望遠(yuǎn)鏡背后的光學(xué)設(shè)計軟件

昨天，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡回傳了第一組震撼的太空圖片，這是迄今為止最清晰的宇宙紅外圖像。如此清晰的圖像是如何拍攝的呢?作為韋伯太空望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)品集成團(tuán)隊成員，新思科技用其最適合解決光學(xué)建模問題的CODE V光學(xué)設(shè)計軟件，助力韋伯望遠(yuǎn)鏡成功克服在太空中進(jìn)行拍攝的光學(xué)挑戰(zhàn)。

韋伯望遠(yuǎn)鏡：更尖端，更嚴(yán)苛

建造韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的最大挑戰(zhàn)之一是如何將其放置在太空中才能克服地球大氣層對光線的扭曲反射。雖然將其放到離地球表面100萬英里之外能夠解決這個問題，但另一個問題是：溫度不夠低。來自太陽和地球的溫度將影響儀器觀測太空深處物體紅外能量的能力，從而影響圖像質(zhì)量。因此，科學(xué)家們設(shè)計了一個比網(wǎng)球場還大的太陽能遮陽板來遮擋來自太陽的熱量。為了保證遮陽板工作正常，科學(xué)家建造了五層遮陽板，這樣韋伯太空望遠(yuǎn)鏡便可以在高于絕對零度40度的溫度環(huán)境中正常運(yùn)行。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是人類有史以來建造的最大的太空望遠(yuǎn)鏡，其尺寸和復(fù)雜度遠(yuǎn)大于哈勃望遠(yuǎn)鏡。主鏡與一個網(wǎng)球場大小相當(dāng)，可折疊，由18塊六角形反射鏡組成。而哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡只有一塊反射鏡，直徑約為韋伯望遠(yuǎn)鏡的三分之一，且不可折疊。韋伯望遠(yuǎn)鏡的創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在折疊主鏡上，反射鏡的材質(zhì)也是一種創(chuàng)新。反射鏡由鈹制成，鈹是一種相對稀有的金屬，重量是鋁的三分之一，但強(qiáng)度是鋼的六倍。韋伯望遠(yuǎn)鏡還配置了全球首款新的顯微技術(shù)裝置“微型百葉窗”，使望遠(yuǎn)鏡更清楚地觀測到遙遠(yuǎn)的天體和星系。此外，雜散光控制技術(shù)也是此次采用的新技術(shù)。另外，大約有20項全新技術(shù)的等級必須技術(shù)成熟度(TRL)3或4(通過實驗驗證)提升到TRL 6(能在太空低溫環(huán)境下運(yùn)行)，從而確保望遠(yuǎn)鏡能萬無一失的在太空中進(jìn)行工作。

嚴(yán)苛測試保證運(yùn)行

毋庸置疑，測試環(huán)節(jié)是韋伯太空望遠(yuǎn)鏡成功的重要一環(huán)。太空望遠(yuǎn)鏡這樣的大型項目需要進(jìn)行大量測試，以確保正常運(yùn)行。為避免出錯，必須制定有效的測試策略。例如，如果想知道主鏡的形狀，就需要進(jìn)行兩次測試，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果兩次測試結(jié)果不一致，就需要對設(shè)備進(jìn)行診斷，確定正確結(jié)果，盡快解決問題。

新思科技光學(xué)事業(yè)部是韋伯太空望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)品集成團(tuán)隊成員。產(chǎn)品集成團(tuán)隊也稱為PIT小組，小組成員均具有非常豐富的經(jīng)驗，曾為NASA、大型天文臺或軍隊制造過大型望遠(yuǎn)鏡。在制定測試策略時，PIT試圖將所有可能發(fā)生的故障情況都考慮在內(nèi)，盡其所能建立應(yīng)急機(jī)制。即便如此，墨菲定律依然會意想不到的方式出現(xiàn)，所以我們通常會提出一些應(yīng)急問題：

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是否能在17塊反射鏡的情況下工作?

如果其中一個反射鏡無法聚焦光線，該如何獲得較好的成像效果呢?

如果一些關(guān)鍵測試結(jié)果不一致，該怎么辦?我們是否真的知道測試的準(zhǔn)確性?

我們收集了所有必要的診斷措施嗎?

對于每一種測試，我們是否制定了應(yīng)急計劃?我們的B計劃是什么?

我們是否留有足夠的備用時間?

為了降低墨菲定律的影響，我們對每個會影響光學(xué)性能的設(shè)備進(jìn)行了至少兩次已知精度的測試。從測試綜合結(jié)果來看，這些設(shè)備都已達(dá)到在TRL 6的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行的條件，與預(yù)期一致。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡背后的光學(xué)設(shè)計軟件

要建立一個由18塊反射鏡組成的可展開、可調(diào)節(jié)主鏡和次鏡的模型，并確保所有衍射計算都正確，并非易事。這些光學(xué)問題都可以由CODE V來解決，所以我們的任務(wù)是：

讓望遠(yuǎn)鏡在可見光、紅外光…等不同的場景，不同波段范圍都能正常進(jìn)行拍攝工作。

確保波前傳感和控制系統(tǒng)能在聚焦位置不同的情況下，具有準(zhǔn)確的對準(zhǔn)能力。

讓由多塊反射鏡組成的望遠(yuǎn)鏡所產(chǎn)生的影像需要重組起來，使其看起來如同一個完整的、未分割的影像。

新思科技的CODE V光學(xué)設(shè)計軟件是解決光學(xué)建模問題的最合適的工具，因此成為了設(shè)計望眼鏡的主要軟件工具。事實證明，新思科技的光學(xué)設(shè)計軟件、優(yōu)秀的NASA團(tuán)隊以及PIT小組是最佳組合。CODE V不但是大多數(shù)專業(yè)光學(xué)開發(fā)者首選的光學(xué)設(shè)計工具，而且在太空望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計方面也久負(fù)盛名。其參與的設(shè)計項目包括：斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡、露西科學(xué)探測器、OSIRUS-REx航天器、錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡和韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等。此外，CODE V還被用于設(shè)計和驗證哈勃首次維修任務(wù)中的校正光學(xué)系統(tǒng)工具。

CODE V成為首選軟件的主要原因是：當(dāng)在望遠(yuǎn)鏡的不同視角點采集測試數(shù)據(jù)時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在探討如何通過調(diào)整鏡片達(dá)到修正效果、需要多少對準(zhǔn)、哪里需要對準(zhǔn)、哪個方向需要對準(zhǔn)時，CODE V是不二之選。用CODE V對光學(xué)硬件進(jìn)行二次對準(zhǔn)和調(diào)整的便捷性是其他軟件無法比擬的。為專業(yè)人員節(jié)省大量時間，使他們能夠更快準(zhǔn)確的組裝硬件。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)作就像是一支技藝精湛的管弦樂隊，每個團(tuán)隊、每個隊員都發(fā)揮著最佳專業(yè)水準(zhǔn)，使用最好的樂器，奏響一首又一首激蕩人心的交響樂曲。

探索未來技術(shù)：去往更遠(yuǎn)的宇宙空間，窺探更早的宇宙歷史

使用衍射光學(xué)技術(shù)(薄膜型光學(xué)即時成像器(MOIRE))很可能是未來望遠(yuǎn)鏡設(shè)計的一個方向。

MOIRE望遠(yuǎn)鏡主鏡的直徑大約為100米，約有一個足球場那么大。展開時與后像一個旋轉(zhuǎn)的披薩。這種反射鏡是一種平面膜，表面有光衍射納米結(jié)構(gòu)或超材料特性，使其可以像反射曲面鏡一樣工作。該技術(shù)還可以較小規(guī)模用于手機(jī)攝像頭、機(jī)器視覺系統(tǒng)、汽車?yán)走_(dá)、軍事和醫(yī)療光學(xué)等設(shè)備。

MOIRE望遠(yuǎn)鏡上的次鏡可能與韋伯望遠(yuǎn)鏡的大小相似，但該次鏡也是平面的。采用MOIRE技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡非常大，以至于這些反射鏡必須安裝在兩個不同的航天器上?？茖W(xué)家們將采用激光對準(zhǔn)技術(shù)將主鏡和次鏡對準(zhǔn)，保持主鏡和次鏡在兩個航天器上的運(yùn)行一致。

這些巨大的望遠(yuǎn)鏡的開發(fā)需要大約20年，且我們目前所掌握的技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而我們通過部署這些望遠(yuǎn)鏡所取得的進(jìn)步將對醫(yī)療、汽車、機(jī)器人、軍事等各個行業(yè)產(chǎn)生影響。

因此，韋伯望遠(yuǎn)鏡不僅帶我們前往宇宙邊緣，探秘宇宙的起源，讓我們更好地了解生命本身，也在幫助我們創(chuàng)造一個無限可能的未來。這既是時間旅行，也激勵著我們不斷前行。雖然韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將我們帶入一個新的太空探索時代，用更多的知識給我們以啟迪，但為下一代建造太空望遠(yuǎn)鏡也恰逢其時。換句話說，是時候重新起航，向更廣闊的宇宙空間進(jìn)發(fā)了!