В этом интервью с доктором Логаном Родригесом Грейвсом мы узнаем о том, как создаются гигантские дорогие зеркала в телескопах обсерваторий, о медицинских изображениях и других вещах, которыми можно заниматься, получив степень в области оптики.

Медицинская визуализация для диагностики рака толстой кишки

Будучи студенткой, Грейвс работала в группе в Университете Аризоны , которая занималась исследованием новых методов визуализации рака толстой кишки. «Традиционный» способ визуализации внутренних органов обычно включает в себя употребление тошнотворной жидкой массы, которая заставляет всё флуоресцировать. Не спрашивайте меня, почему я так хорошо знаю, каково это – пить эту гадость.

Исследователи, с которыми работал Грейвс, придумали новые способы ковыряться там без этого напитка. Во-первых, они обнаружили, что поражения и раковые ткани в толстой кишке можно выделить, воздействуя на них светом определенной длины волны - никакого коктейля не требуется.

Грейвс рассказал нам о других исследованиях в области визуализации желудочно-кишечного тракта, проведенных командой из Университета Аризоны, в которую входили доктора Бхаскар Баннерджи и «Рон» Лян. Они разработали оптическое устройство , которое могло одновременно осматривать толстую кишку как вперед, так и назад. Таким образом, никакие раковые образования не могли остаться незамеченными! Эта технология была выделена в отдельную компанию под названием Omniscient Imaging, Inc.

Волшебство оптики для выпускников

Докторская диссертация Логана Грейвса касалась методов метрологии, используемых при изготовлении и поверке огромных зеркал. В частности, Грейвс помог измерить зеркальную поверхность, которая в конечном итоге будет установлена ​​в солнечный телескоп Дэниела К. Иноуе, или сокращенно «DKIST».

Этот телескоп установлен на Мауи, Гавайи, и в настоящее время является самым большим солнечным телескопом в мире. Хотя главное зеркало внутри него сейчас наслаждается тропическим отдыхом, оно было создано в лаборатории в Аризоне.

Размер телескопа 4.26 метра составляет около 14 футов, если говорить по-американски, или размер большого батута на открытом воздухе.

Поскольку этот телескоп снимает Солнце , возникли дополнительные инженерные сложности. Как вы, возможно, знаете, Солнце очень яркое. Оно также очень горячее. Поэтому, чтобы телескоп не деформировался, не расплавился и не сгорел, как муравей под детской лупой в солнечный день, нужно было изобрести новый материал.

Для изготовления подложки зеркала необходимо было использовать материал, который не сильно расширялся бы под воздействием солнечного света. Дело в том, что даже если бы он не загорелся, чрезмерное расширение всё равно могло бы исказить изображение, полученное телескопом DKIST. Именно поэтому компания SCHOTT разработала новый стеклокерамический материал под названием ZERODUR® . Его чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения — вот что делает ZERODUR® особенным.

Почему метрология зеркала телескопа стоимостью в несколько миллионов долларов так сложна

Когда Логан Грейвс прибыл на борт сборки DKIST, дизайн телескопа и новый причудливый материал уже были установлены, но методы изготовления нуждались в некотором внимании. В конце концов, эта строящаяся штука должна была стать самым большим телескопом в мире в своем роде!

Чтобы отшлифовать зеркало до его окончательной полированной формы, потребовались различные этапы изготовления. Все эти этапы требовали измерения. Поскольку материал соскабливается, должен быть способ проверить, сколько еще нужно снять, а сколько уже было удалено.

Все это кажется достаточно простым, но поскольку конечным приложением является телескоп стоимостью в несколько миллионов долларов, метрологические требования становятся немного сложнее. Во-первых, многие миллионы долларов - это большие деньги! Так что лучше не делать ошибок. Ни одной ошибки. Не один. Вам нужен тот, который вы делаете, чтобы работать, в отличие от крупносерийного производства, где вы ожидаете определенного процента отказов.

Ещё один важный момент: как и любую прецизионную оптику, её нельзя трогать. На неё нельзя дышать, не говоря уже о том, чтобы проводить по её поверхности механическим профилометром. Поэтому необходимо проводить высокоточные, безошибочные измерения, не касаясь зеркала.

Плюсы и минусы интерферометрии

«Золотым стандартом» измерения такой зеркальной поверхности является интерферометрия, которая представляет собой прецизионный бесконтактный метод измерения. С другой стороны, это также чрезвычайно дорого и требует от вас идеальной физической формы. Затем вы измеряете деталь, которую создаете, и эталонную форму, и разница между измерениями является ошибкой.

С вогнутым зеркалом DKIST этот процесс был особенно трудным. Для одного был огромный размер, но форма была внеосевой и параболической. Если бы форма выреза была сферической, вы могли бы отполировать ее вращающейся сферой. Однако из-за того, что это непросто, создать и протестировать его намного сложнее.

Еще один недостаток интерферометрии заключается в том, что при измерении больших поверхностей обычно невозможно измерить всю поверхность одновременно. Вместо этого вам может потребоваться снять несколько мерок и сшить их вместе. Эти области пересечения подвержены ошибкам, и, опять же, с виджетами стоимостью в несколько миллионов долларов ошибка - это плохо.

Еще один недостаток использования исключительно интерферометрии заключается в том, что она работает только тогда, когда измеряемая форма довольно близка к эталонной. Итак, если вы находитесь на начальных этапах шлифовки зеркала, интерферометрия будет иметь ограниченную полезность.

Что такое дефлектометрия?

В отличие от интерферометрии, дефлектометрию легче использовать на начальных этапах вырезания зеркала. Это также дешевле, так как не требует создания эталонной формы.

Вместо этого в качестве эталона используется источник, возможно, цифровой дисплей с тестовым шаблоном известных размеров. Если вы направите этот источник на зеркало и отобразите отражение, то вы сможете определить, как выглядит зеркало, по тому, как изображение было искажено.

Например, представьте себе покоробленное зеркало в стиле забавы. Если вы видите свое изображение ростом 3 фута с лицом больше, чем ваша задняя часть, но знаете, что ваш рост 5 футов 10 дюймов с башкой нормального размера, вы можете сказать, как эта отражающая поверхность искривляется по форме. Как только вы преодолеете первоначальный шок, вы увидите искаженное изображение не как искалеченного человека, а как рябь на алюминии.

Если вы хотите глубже понять дефлектометрию и являетесь поклонником «Матрицы», ознакомьтесь с защитой докторской диссертации Грейвса. Он объясняет дефлектометрию изображением красных и синих таблеток, отраженных в солнечных очках Морфеуса.

Фаза измельчения

Ранним этапом процесса изготовления зеркала является «этап шлифования». Именно здесь гномы-телескопы превратят зеркальную поверхность в нечто похожее на матовую краску во время катания на сутенерах и превратят ее в нечто, где можно увидеть отражение. По сравнению с этапом окончательной полировки, на этой части процесса будет обрезаться большое количество материала.

В процессе измельчения используется роботизированная рука для прессования и вращения суспензии, в которую примешана полировальная крошка. Это выглядит слишком грязным, чтобы можно было выполнять точное измельчение, и все же с помощью ИК-дефлектометрии они смогли измерить и наблюдайте за этой шероховатой поверхностью. Интерферометрия и видимая дефлектометрия также использовались для подтверждения измерений ИК-дефлектометрии.

Используя ИК-дефлектометрию на этой части процесса, команда смогла сэкономить много времени на изготовление.

Стало проще определить, где можно было удалить большие куски материала, расположенные не близко к торцевой поверхности. Это, в свою очередь, позволило изготовить зеркало DKIST чуть более чем за год, что, по словам Логана, по меркам оптики обсерваторий — поразительно быстро.

«Супер гладкое зеркало»

«Сверхгладкое зеркало» на самом деле относится к категории зеркал. Это то, что вы теперь знаете. После того, как был закончен самый высокий уровень полировки, зеркало DKIST имело шероховатость около 19 нм по всей поверхности. Если вы посмотрите на отклонение на меньшей площади поверхности около 2x3 мм, оно даже меньше - менее 0.7 нм, что соответствует «супер гладкой».

Но что на самом деле означает шероховатость поверхности 19 нм? Во время защиты диссертации Грейвс объяснил, что это отклонение на 19 нм сравнимо с топографическим отклонением между двумя точками города, которое составляет половину ширины человеческого волоса. Таким образом, любой холм или выбоина между вами и какой-либо точкой в ​​нескольких милях от вас должны быть не выше и не ниже половины человеческого волоса.

Хорошо, реквизит, док!

Чтобы проверить поверхность зеркала на заключительном этапе, важно было измерить не только форму, но и шероховатость поверхности. В качестве заключительной проверки для сканирования поверхности использовались различные типы дефлектометров и интерферометров. Затем все эти измерения были перепроверены, чтобы убедиться, что все они совпадают.

Грейвз как оптический ученый, работающий в свободном режиме

После выпуска Грейвс был занят множеством разных проектов. Вместе со своим партнером доктором Исааком Трампером он выполнял случайную внештатную работу по оптическому проектированию в их компании Intuitive Optical Design Lab. Они консультировали по запуску небольших проектов по запуску оборудования, вплоть до помощи в разработке LIDAR-систем с нуля.

В компании ELE Optics он также работает над программным обеспечением для управления проектами, специально предназначенным для решения проблем, связанных с передачей данных оптической инженерии. Когда мы, инженеры-оптики, работаем в команде разработчиков, наша проектная работа непреднамеренно скрыта от других инженеров в «черном ящике». Так устроено наше программное обеспечение! Мне интересно посмотреть, что придумает их команда разработчиков в будущем, чтобы уменьшить эту проблему.

Форум и подкаст по оптике

На сайте ELE Optics есть и другие полезные ресурсы, в том числе форум сообщества специалистов по оптике и инженерии . Это отличный ресурс для поиска специалистов и задавания сложных технических вопросов по оптике и оптическому программному обеспечению, ответы на которые трудно найти в Google.

Там же вы найдете подкаст Spotlight Report , который мне лично очень нравится (и в котором я сам принимал участие в качестве гостя). Традиционно в этом подкасте брали интервью в основном у специалистов по оптике, но Логан с удовольствием принимает в качестве гостей инженеров и ученых самых разных профессий.

Хотите совета от доктора Логана Родригеса Грейвса? Забронируйте его на OddEngineer.com!

Если вам нужна консультация Логана Грейвса по методам метрологии для вашего проекта, вы можете записаться к нему на прием напрямую через Odd Engineer по этой ссылке.

Нет необходимости спрашивать его о доступности ! Просто нажмите кнопку « Запланировать встречу » , забронируйте и оплатите любое удобное для вас время и день. Если вам нужно, чтобы он подписал соглашение о неразглашении информации (NDA) для вашей встречи, вы можете загрузить подписанную копию при бронировании. После этого вы получите электронное письмо со ссылкой на конференцию Zoom.

Полное интервью с доктором Логаном Грейвсом в подкасте Odd Engineer

Хотите услышать полную, не сокращенную версию этого интервью? Послушайте подкаст Odd Engineer, где вы найдете советы и более подробную информацию о методах метрологии и проекте DKIST.