望遠鏡鏡片大改觀

傳統光學鏡片(左)和自由曲面光學鏡片(右)
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。美國太空總署見識到洋芋片形這樣的不對稱光學(asymmetrical optics)的好處,美國太空總署所屬哥達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的光學工程師約瑟·霍華德(Joseph Howard)和加勒特·威斯(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。 霍華德表示:如果你要將望遠鏡裝近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。 霍華德目前正在近一個項目,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1/10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1/5以上,而且所獲得的影像品質還比原來的更好。 霍華德等人計畫明年要繼續測試雙面鏡儀器,其中包含以立體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。美國太空總署科學家之前也曾利用立體印表機製作望遠鏡的各個零件,而霍華德等人的這項計畫更深入,連鏡片都以立體列印方式製作。如同立體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家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,所以美國太空總署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。 【圖、文:節錄自台北天文館之網路天文館網頁;新聞訊息由林景明提供】

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