У цьому інтерв'ю з доктором Логаном Родрігесом Грейвсом ми дізнаємося про те, як виготовляються величезні дорогі дзеркала в обсерваторійних телескопах, медичні зображення та інші речі, які ви можете зробити зі ступенем оптичних наук.

Медичні візуалізації для діагностики раку товстої кишки

Будучи студентом, Грейвз працював у групі Університету Аризони , яка досліджувала нові методи візуалізації раку товстої кишки. «Традиційний» спосіб візуалізації нутрощів зазвичай включає вживання нудотної рідкої рідини, яка викликає флуоресценцію. Не питайте мене, чому я достеменно знаю, як це — пити цю гидоту.

Дослідники, з якими працював Грейвс, придумали нові способи подивитись там без цього напою. По -перше, вони виявили, що ураження та ракові тканини в товстій кишці можна виділити, потрапивши на них певною довжиною хвилі світла - коктейль не потрібен.

Грейвз розповів нам про інші дослідження шлунково-кишкового тракту, виконані командою Університету Аризони, до якої входили доктори Бхаскар Банерджі та «Рон» Лянґ. Вони розробили оптичний пристрій , який міг одночасно дивитися вперед і назад у товстій кишці. Таким чином, жодні ракові маси не могли сховатися! Технологію було виділено в компанію під назвою Omniscient Imaging, Inc.

Магія оптики вищого рівня

Докторська дисертація Логана Грейвса включала метрологічні методи, що використовуються при виготовленні та верифікації величезних дзеркал. Зокрема, Грейвс допоміг виміряти поверхню дзеркала, яке врешті -решт буде встановлено у сонячному телескопі Даніеля К. Інує, або скорочено “DKIST”.

Цей телескоп встановлений у Мауї, Гаваї, і на даний момент є найбільшим сонячним телескопом у світі. Хоча основне дзеркало всередині нього зараз насолоджується тропічними канікулами, воно народилося в лабораторії в Арізоні.

4.26-метровий телескоп становить близько 14 футів по-американськи, або розмір великого відкритого батута.

Оскільки ця річ зображує сонце , виникли деякі додаткові інженерні труднощі. Як ви, можливо, знаєте, сонце дуже яскраве. Воно також дуже гаряче. Тож, щоб телескоп не деформувався, не розплавився і не підсмажився, як мураха під дитячою лупою в сонячний день, потрібно було винайти новий матеріал.

Підкладку для дзеркала потрібно було створити з чогось, що не сильно розширюватиметься під впливом сонячного світла. Це пояснюється тим, що навіть якщо вона не загориться, надмірне розширення все одно може спотворити зображення, отримане DKIST. Саме тому компанія SCHOTT втрутилася та розробила новий склокерамічний матеріал під назвою ZERODUR® . Його надзвичайно низький коефіцієнт теплового розширення робить ZERODUR® особливим.

Чому метрологія на багатомільйонному дзеркалі телескопа настільки складна

Коли Логан Грейвс з’явився на борту DKIST, дизайн телескопа та вигадливого нового матеріалу вже були встановлені, але методи виготовлення потребували певної любові. Адже ця споруджена річ мала стати найбільшим телескопом у світі у своєму роді!

Щоб відшліфувати дзеркало до остаточної, відполірованої форми, були потрібні різні етапи виготовлення. Усі ці етапи вимагали вимірювання. Оскільки матеріал зішкріб, повинен бути спосіб перевірити, скільки ще потрібно зняти і скільки вже видалено.

Все це виглядає досить просто, але оскільки кінцева програма-це багатомільйонний телескоп, вимоги до метрології стають дещо складнішими. По -перше, багато мільйонів доларів - це великі гроші! Тому краще не робити помилок. Не одна помилка. Не один. Для роботи вам потрібен той, який ви робите, на відміну від виробництва з великим обсягом виробництва, де ви очікуєте відсоток невдач.

Ще одна річ, яку слід пам’ятати, це те, що, як і з будь-якою прецизійною оптикою, до неї не можна торкатися. На неї не можна дихати, не кажучи вже про те, щоб тягнути по її поверхні механічний профілометр. Тому вам потрібно робити високоточні та безпомилкові вимірювання, не торкаючись дзеркала.

Плюси і мінуси інтерферометрії

Такий спосіб "золотого стандарту" вимірювання дзеркальної поверхні-це інтерферометрія, яка є точним, безконтактним методом вимірювання. З іншого боку, це також надзвичайно дорого і вимагає від вас створення ідеальної фізичної опорної форми. Потім ви виміряли частину, яку ви створюєте, і опорну форму, а різниця між вимірами - це помилка.

З увігнутим дзеркалом DKIST цей процес був особливо складним. Для одного був величезний розмір, але форма також була поза віссю і параболічною. Якщо б форма вирізу була кулястою, ви могли б вирівняти її за допомогою спінінгової сфери. Однак, оскільки це хитромудро, виготовлення та тестування є набагато складнішим.

Іншим недоліком інтерферометрії є те, що при вимірюванні великих поверхонь зазвичай не можна вимірювати всю поверхню одночасно. Замість цього вам може знадобитися зробити кілька вимірів і зшити їх разом. Ці ділянки, що перекриваються, схильні до помилок, і знову ж таки, з багатомільйонними віджетами помилка погана.

Ще один мінус використання виключно інтерферометрії полягає в тому, що вона працює лише тоді, коли форма, яку ви вимірюєте, досить близька до еталонної. Отже, якщо ви знаходитесь на тих грубих, початкових етапах шліфування дзеркала, інтерферометрія матиме обмежену користь.

Що таке дефлектометрія?

На відміну від інтерферометрії, дефлектометрію можна легше використовувати на початкових етапах вирізання дзеркала. Це також дешевше, оскільки не вимагає створення опорної форми.

Натомість використано посилання - це джерело, можливо, цифровий дисплей із тестовим зразком відомих розмірів. Якщо ви освітлите це джерело на дзеркалі та зобразите відображення, то ви можете визначити, як виглядає дзеркало, за тим, як зображення спотворилося.

Наприклад, подумайте про деформоване дзеркало для дому. Якщо ви бачите зображення себе заввишки 3 фути з обличчям, більшим за задню частину, але знаєте, що ви маєте розмір 5’10 дюймів з ножем нормального розміру, ви можете сказати, як ця відбивна поверхня вигинається. Як тільки ви пройдете початковий шок, ви зможете побачити спотворене зображення не як спотворену людину, а як брижі в алюмінію.

Якщо ви хочете глибше розібратися в дефлектометрії та є прихильником «Матриці», ознайомтесь із захистом докторської дисертації Грейвса. Він пояснює дефлектометрію зображенням червоно -синіх таблеток, відображених у сонцезахисних окулярах Морфея.

Фаза подрібнення

Рання стадія процесу виготовлення дзеркала - це «стадія шліфування». Тут телескопські гноми перенесуть дзеркальну поверхню, схожу на матову фарбу під час сутенерської їзди, до того, де ви зможете побачити відображення. У порівнянні з останнім етапом полірування, на цій частині процесу відбувається розрізання великої кількості матеріалу.

Процес шліфування використовує роботизовану руку для пресування та віджимання суспензії, до якої додається шліфувальна крупа. Це виглядає занадто брудно, щоб мати можливість точного шліфування за допомогою ІЧ -дефлектометрії, і вони змогли виміряти та стежте за цією шорсткою поверхнею. Інтерферометрія та видима дефлектометрія також були використані для підтвердження вимірювань ІЧ -дефлектометрії.

Використовуючи ІЧ -дефлектометрію в цій частині процесу, команда змогла заощадити багато часу на виготовлення.

Було легше побачити, де вони могли б витягти великі шматки з матеріалу, які не були близько до торцевої поверхні. Це, у свою чергу, дозволило виготовити дзеркало DKIST трохи більше ніж за рік, що, за словами Логана, за стандартами обсерваторської оптики є вражаюче швидким часом.

«Супер гладке дзеркало»

"Супер гладке дзеркало" - це насправді категорія дзеркал. Це те, що ви зараз знаєте. Після завершення найвищого рівня полірування дзеркало DKIST мало шорсткість близько 19 нм по всій поверхні. Якщо ви подивитесь на відхилення на меншій площі поверхні приблизно 2х3 мм, воно буде ще меншим при менш ніж 0.7 нм, що дорівнює «супергладкому».

Але що насправді означає шорсткість поверхні 19 нм? Під час захисту дисертації Грейвса він пояснив, що це відхилення 19 нм можна порівняти з топографічним відхиленням між 2 місцями по всьому місту, що становить половину ширини людського волосся. Отже, будь -який пагорб або вибоїна між вами та певною точкою за кілька миль від вас повинні бути не вище або нижче половини людського волосся.

Гаразд, реквізит, док!

Щоб перевірити поверхню дзеркала на завершальній стадії, важливо було виміряти не тільки форму, але і шорсткість поверхні. Для остаточної перевірки поверхні для сканування поверхні використовували кілька типів дефлектометрів та інтерферометрів. Потім усі ці виміри перехресно перевірили, щоб переконатися, що всі вони узгоджені.

Грейвс як вільний оптичний вчений

Після закінчення навчання Грейвс був зайнятий безліччю різних проектів. Разом зі своїм партнером, доктором Ісааком Трампером, він виконував випадкові позаштатні роботи з оптичної інженерії у їхній компанії «Інтуїтивна оптична конструкція». Вони консультувалися з невеликих проектів запуску обладнання, щоб допомогти розробити системи LIDAR з нуля.

В ELE Optics він також працює над програмним забезпеченням для проектування, яке спеціально призначене для вирішення проблем, пов'язаних з передачею даних оптичної інженерії. Коли ми, інженери-оптики, працюємо в команді розробників, наша конструкторська робота ненавмисно приховується від інших інженерів у чорній скриньці. Саме так працює наше програмне забезпечення! Мені цікаво побачити, що їхня команда досліджень і розробок вигадає в майбутньому, щоб зменшити цю проблему.

Форум оптики та подкаст

На ELE Optics є й інші корисні ресурси, зокрема форум спільноти оптичної науки та інженерії . Це чудовий ресурс для пошуку спеціалістів та задавання складних для пошуку в Google технічних питань щодо оптики та оптичного програмного забезпечення.

Там також можна знайти подкаст Spotlight Report , який мені особисто подобається (і я був у ньому як гість). Цей подкаст традиційно містить інтерв'ю переважно з фанатами оптики, але Логан вітає як гостей усіляких інженерів та науковців.

Хочете порад від доктора Логана Родрігеса Грейвса? Замовляйте його на OddEngineer.com!

Якщо ви хочете, щоб Логан Грейвз надав вам рекомендації щодо метрологічних методів для вашої заявки, ви можете безпосередньо записатися на прийом до нього на Odd Engineer за цим посиланням.

Немає потреби питати його про його вільний час ! Просто натисніть кнопку « Запланувати зустріч » , забронюйте та оплатіть будь-який зручний для вас час і день. Якщо вам потрібно, щоб він підписав угоду про нерозголошення для вашої зустрічі, ви можете завантажити підписану копію під час бронювання. Після цього ви отримаєте електронний лист із посиланням на зустріч у Zoom.

Повне інтерв'ю з доктором Логаном Грейвсом у подкасті "Незвичайний інженер"

Хочете почути повну, нескорочену версію цього інтерв'ю? Перегляньте подкаст Odd Engineer, щоб отримати поради та більше деталей щодо метрологічних методів і проєкту DKIST.