En aquesta entrevista amb el Dr. Logan Rodriguez Graves, coneixem com es fabriquen miralls enormes i cars en telescopis d’observatori, imatges mèdiques i altres coses que podeu fer amb una llicenciatura en ciències òptiques.
Imatges mèdiques per al diagnòstic del càncer de còlon
Com a estudiant universitari, Graves treballava a Universitat d'Arizona grup que va investigar nous mètodes per a la imatge del càncer de còlon. La forma “tradicional” d’imaginar les seves entranyes normalment inclou beure un fang líquid nauseabund que faci fluir les coses. No em pregunteu per què sé íntimament com és beure aquesta brossa.
Els investigadors amb els quals va treballar Graves van trobar noves maneres de ficar-s’hi sense aquesta beguda. Per una banda, van trobar que les lesions i els teixits cancerosos del còlon es poden ressaltar colpejant-los amb certes longituds d'ona de llum, sense necessitat de còctel.
Graves ens va parlar d’altres treballs d’imatge GI que va fer un equip de la Universitat d’Arizona que incloïen els doctors. Bhaskar Banerjee i "Ron" Liang. Ells va desenvolupar un dispositiu òptic que podria mirar cap endavant i cap enrere en un còlon alhora. D’aquesta manera, cap massa cancerosa es pot amagar! La tecnologia es va derivar en una empresa anomenada Omniscient Imaging, Inc..
Magia d’òptica de nivell superior
La tesi doctoral de Logan Graves va incloure mètodes de metrologia utilitzats en la fabricació i verificació de grans miralls. Concretament, Graves va ajudar a mesurar la superfície del mirall que finalment s’instal·laria al telescopi solar Daniel K. Inouye, o “DKIST”, en definitiva.
Aquest telescopi s’instal·la a Maui, Hawaii, i actualment és el telescopi solar més gran del món. Tot i que el mirall principal que hi ha ara gaudeix d’unes vacances tropicals, va néixer en un laboratori d’Arizona.
El telescopi de 4.26 metres mesura 14 peus en parla americana, o la mida d’un trampolí exterior gran.
Perquè aquesta cosa imatges el sol, hi havia alguns reptes d’enginyeria addicionals. Com ja sabreu, el sol és molt brillant. També fa molta calor. Per tant, per assegurar-se que el telescopi no es deformés, no es fongués ni es fregís com una formiga sota la lupa d’un nen en un dia assolellat, calia inventar un nou material.
El substrat del mirall havia de ser creat a partir d’alguna cosa que no s’expandiria molt quan es va colpejar amb la llum solar. Això es deu al fet que, fins i tot si no es va disparar, expandir-se massa podria distorsionar la imatge capturada per DKIST. Per això, SCHOTT va intervenir i va sortir amb un nou material vitroceràmic anomenat ZERODUR®. El seu coeficient d'expansió tèrmica extremadament baix és el que fa que ZERODUR® sigui especial.
Per què és tan difícil la metrologia en un mirall de telescopi multimilionari?
Quan Logan Graves va pujar a la construcció de DKIST, el disseny del telescopi i el nou material de luxe ja estava definit, però els mètodes de fabricació necessitaven una mica d’amor. Al cap i a la fi, aquesta cosa que es construïa estava a punt de convertir-se en el telescopi més gran del món d’aquest tipus.
Per moldre el mirall fins a la seva forma final i polida, es necessitaven diferents etapes de fabricació. Totes aquestes etapes requereixen una mesura. A mesura que es raspa el material, cal que hi hagi una manera de comprovar quant encara s’ha de treure i quant ja s’ha eliminat.
Tot plegat sembla prou senzill, però com que l’aplicació final és un telescopi de diversos milions de dòlars, els requisits de metrologia són una mica més complicats. Per una banda, molts milions de dòlars són molts diners! Per tant, és millor que no cometeu cap error. Ni un error. Ni una. Necessiteu el que feu per funcionar, a diferència de la fabricació amb gran volum, on espereu un percentatge de fallades.
Una altra cosa a tenir en compte és que, com passa amb totes les òptiques de precisió, no es pot tocar. No s’hi pot respirar i encara menys arrossegar un perfilòmetre mecànic per la seva superfície. Per tant, heu de fer mesures altament precises i infal·libles sense tocar el mirall.
Pros i contres de la interferometria
La manera “estàndard d’or” de mesurar una superfície de mirall com aquesta és mitjançant la interferometria, que és un mètode de mesura de precisió sense contacte. A l’inconvenient, també és extremadament car i requereix que tingueu una forma de referència física perfecta. A continuació, mesuraríeu la part que esteu creant i la forma de referència i la diferència entre les mesures és l’error.
Amb el mirall concavi DKIST, aquest procés va ser especialment difícil. Hi havia una mida enorme per a un, però també la forma era fora de l’eix i parabòlica. Si la forma del retall fos esfèrica, podríeu esborrar-la amb una esfera giratòria. No obstant això, com que és molest, fer i provar la cosa és molt més complex.
Un altre inconvenient de la interferometria és que, en mesurar superfícies grans, normalment no es pot mesurar tota la superfície al mateix temps. En lloc d’això, és possible que hàgiu de prendre diverses mesures i unir-les. Aquestes àrees de superposició són propenses a errors i, de nou, amb ginys de milions de dòlars, l’error és dolent.
Un altre inconvenient d’utilitzar exclusivament la interferometria és que només funciona quan la forma que mesureu és bastant propera a la forma de referència. Per tant, si us trobeu en aquestes etapes difícils i inicials de rectificar el mirall, la interferometria tindrà una utilitat limitada.
Què és la deflectometria?
A diferència de la interferometria, la deflectometria es pot utilitzar amb més facilitat en les etapes inicials de tall del mirall. També és més barat, ja que no requereix una forma de referència per construir.
En canvi, la referència utilitzada és una font, potser una pantalla digital, amb un patró de prova de dimensions conegudes. Si il·lumineu aquesta font al mirall i l’imageu el reflex, podreu saber com és el mirall per la forma en què es distorsiona la imatge.
Per exemple, penseu en un mirall de diversió deformat. Si veieu una imatge vostra de més de 3 peus d’alçada amb una cara més gran que la part posterior, però sabeu que sou de 5’10 ”amb un noggin de mida normal, podeu saber com aquesta superfície reflectant es dobla fora de forma. Un cop superat el xoc inicial, es pot veure la imatge distorsionada no com un ésser humà destrossat, sinó com ondulacions a l’alumini.
Si voleu entendre la deflectometria més a fons i sou fan de The Matrix, consulteu la defensa de la tesi doctoral de Graves. Explica la deflectometria amb la imatge de les pastilles vermelles i blaves reflectides a les ulleres de sol de Morpheus.
La fase de mòlta
Una etapa inicial del procés de fabricació de miralls és la "fase de mòlta". Aquí és on els gnoms del telescopi agafarien la superfície del mirall de semblar pintura mate en un viatge proxenetitzat a alguna cosa on es pugui començar a veure un reflex. En comparació amb el pas final de polit, aquesta part del procés és on es tallarien càrregues de material.
El procés de mòlta utilitza un braç robòtic per prémer i fer girar un purí que tingui barrejat el gra de poliment. Sembla massa desordenat per poder fer una mòlta precisa, però, amb l’ajut de la deflectometria IR, van ser capaços de mesurar i vigileu aquesta superfície rugosa. La interferometria i la deflectometria visible també es van utilitzar per corroborar les mesures de deflectometria IR.
En utilitzar la deflectometria IR en aquesta part del procés, l’equip va poder estalviar molt de temps de fabricació.
Era més fàcil veure on podien treure grans trossos del material que no estava a prop de la superfície final. Això, al seu torn, va permetre fabricar el mirall DKIST en poc més d’un any, cosa que Logan ens diu, segons els estàndards d’òptica de l’observatori, és sorprenentment ràpid.
"Mirall súper llis"
Un "mirall súper llis" és en realitat una categoria de mirall. Això és una cosa que ja sabeu. Un cop acabat el nivell més alt de poliment, el mirall DKIST tenia aproximadament 19 nm de rugositat a tota la superfície. Si observem la desviació en una superfície més petita d’uns 2x3 mm, és fins i tot inferior a menys de 0.7 nm, la qual cosa equival a “súper llisa”.
Però, què significa realment una rugositat superficial de 19 nm? Durant la defensa de la dissertació de Graves, va explicar que aquesta desviació de 19 nm és comparable a una desviació topogràfica entre 2 llocs de la ciutat que és la meitat de l’amplada d’un cabell humà. Per tant, qualsevol turó o clot entre vosaltres i algun punt a diversos quilòmetres de distància hauria de ser ni més alt ni inferior a la meitat d’un cabell humà.
D’acord, atrezzo, doc!
Per comprovar la superfície del mirall a l'etapa final, cal mesurar no només la forma, sinó la rugositat de la superfície. Es van utilitzar diversos tipus de deflectòmetres i interferòmetres per escanejar la superfície com a comprovació final. Tot seguit, es van comprovar totes aquestes mesures per assegurar-se que totes estaven d'acord.
Graves com a científic òptic d’agent lliure
Des que es va graduar, Graves ha estat ocupat amb molts projectes diferents. Amb el seu soci, el doctor Isaac Trumper, ha realitzat treballs d’enginyeria òptica autònoms a la seva empresa, Intuitive Optical Design Lab. Han consultat petits projectes d’inici de maquinari fins a ajudar a desenvolupar sistemes LIDAR des de zero.
Més en Optptica ELE, també treballa en programari PM per abordar específicament els reptes relacionats amb la comunicació de dades d'enginyeria òptica. Quan els enginyers òptics treballem en un equip de desenvolupament, el nostre treball de disseny s’amaga involuntàriament a altres enginyers en una caixa negra. Així és com funciona el nostre programari. Em fa il·lusió veure amb què es planteja el seu equip d’R + D en el futur per fer que això sigui menys un problema.
Icsptica Fòrum i Podcast
Hi ha altres avantatges a ELE Optics, inclosos un fòrum de la comunitat de ciències i enginyeria òptica. Aquest és un recurs excel·lent per trobar especialistes i fer preguntes tècniques difícils de fer sobre Google sobre òptica i programari òptic.
Vostè pot trobar el Informe Spotlight també hi podcast, que personalment gaudeixo (i he estat com a convidat). Aquest podcast ha inclòs tradicionalment entrevistes a nerds òptics, però Logan dóna la benvinguda a tota mena d’enginyers com a científics com a convidats.
Voleu orientació del doctor Logan Rodriguez Graves? Reserveu-lo a OddEngineer.com.
Si voleu que Logan Graves us doni orientacions sobre mètodes de metrologia per a la vostra aplicació, podeu fer-ho reservar directament una cita amb ell a Odd Engineer en aquest enllaç.
Hi no cal preguntar-li sobre la seva disponibilitat! Només cal que feu clic a "Planifiqueu la cita" i reserveu i pagueu el temps i el dia disponibles per a vosaltres. Si el necessiteu per signar una NDA per a la vostra reunió, podeu penjar-ne una còpia signada quan reserveu. A continuació, rebreu un correu electrònic amb un enllaç de reunió Zoom.
Entrevista completa amb el Dr. Logan Graves al Podcast de Odd Engineer
Voleu escoltar la versió llarga i sense abreviatura d’aquesta entrevista? Fes una ullada Podcast de Odd Engineer per obtenir consells i més detalls sobre mètodes de metrologia i el projecte DKIST.
