望遠鏡鏡片不一定要圓的,自由曲面光學顛覆以往觀點

作者 | 發布日期 2015 年 11 月 22 日 0:00 | 分類 天文 follow us in feedly
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說到望遠鏡鏡片,一般人都會想像是圓的,可以嵌入圓筒形的鏡筒中。不過,這是老觀念了,得更新。最新光學技術可以讓這些負責收集光線的光學元件,幾乎可以做成任何形狀,不僅可藉此大大改善視野大一點之後的影像品質,而且這些光學元件體積縮小,可容納在一個比之前更小的封裝(package)內。



台北天文館配圖

這個新望遠鏡鏡片光學技術稱為「自由曲面光學(freeform optics)」利用電腦來控制製作和測試的過程,已經在光學工程界引起一陣大海嘯,並應用在許多光學設計中,例如道路照明等。美國航太總署(NASA)見識到洋芋片形這樣的不對稱光學(asymmetrical optics)的好處,NASA 所屬哥達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的光學工程師 Joseph Howard和Garrett West 等人,於是迅速地建立一個自由曲面光學技術團隊 FORGE(Freeform Optics Research Group Endeavor)。

由於影像品質更好,封裝體積更小,對想發展諸如緊密型望遠鏡(compact telescope)、立方衛星(CubeSat)和其他小型衛星等領域的科學家而言是個天大的好消息,而大型太空任務也可以在配重等問題上獲得改善,如此一來產品能更大眾化,建造與發射所需的費用降低,成本效益當然比許多傳統太空任務更好。

Howard 表示:如果你要將望遠鏡裝進一個小一點的盒子裡,便得把望遠鏡鏡片彎曲成洋芋片一樣的形狀。傳統的雙面鏡望遠鏡(two-mirror telescope)是由一片聚光用的主鏡(primary mirror)和小一點、導光至偵測器用的副鏡(secondary mirror)所組成。這兩片「旋轉對稱(rotationally symmetric)」的鏡片,淺白點說就是圓形的鏡片,需要仔細調整它們的光軸才能減少光學像差,避免讓影像變模糊。

在自由曲面光學技術的協助下,不對稱鏡片可以更好地校正像差的問題,所以可以讓可用的視野變得更大,如此一來便可大大地降低了光徑長短,因而得以減少整個封裝的體積。

Howard 目前正在進行一個項目,評估改造海岸測量儀器的光學系統。這種儀器原本由 9 片對稱鏡片組成,但利用自由光學技術改造後,僅需 6 片鏡片就可以達到效果,更棒的是,儀器的體積只有原來的十分之一而已。

此外,他們已經選定一種雙鏡片自由曲面光學望遠鏡設計型式,目前正在等候兩片自由曲面鏡片送抵,待望遠鏡原型機製作完成後便可進行測試。他們設計研究顯示:利用自由曲面光學技術,可將光學儀器的體積縮減為原來的五分之一以上,而且所獲得的影像品質還比原來的更好。

Howard 等人計劃明年要繼續測試雙面鏡儀器,其中包含以 3D 印表機製作的自由曲面鏡片,即所謂的「積層製造(additive manufacturing)」列印技術。NASA 科學家之前也曾利用 3D 印表機製作望遠鏡的各個零件,而 Howard 等人的這項計畫更深入,連鏡片都以 3D 列印方式製作。如同 3D CAD 模型一樣,在自由曲面光學技術之下,利用以電腦控制的雷射槍頭可精準控制需融化物質的位置,而由於鏡片是一層一層疊加列印的方式來製作的,所以可以製造出任何形狀的鏡片。這些科學家相信這項技術可以改變許多未來的太空任務,包括拍攝系外行星的儀器,所以 NASA 等機構都將從中受惠,天文科學前進的腳步也將更快、更有力了。

(本文由 台北天文館 授權轉載) 

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