在對 Logan Rodriguez Graves 博士的採訪中，我們了解了天文望遠鏡中巨大而昂貴的鏡子是如何製造的、醫學成像以及光學科學學位可以做的其他事情。
診斷結腸癌的醫學成像
作為一名本科生，格雷夫斯曾在一家 亞利桑那大學 研究結腸癌成像新方法的小組。 對內臟進行成像的“傳統”方法通常包括飲用令人作嘔的液體污泥，這種液體會使物體發出熒光。 別問我為什麼我非常清楚喝那些垃圾是什麼感覺。
格雷夫斯的研究人員想出了一種新方法，可以在不喝飲料的情況下在裡面閒逛。 一方面，他們發現結腸中的病變和癌組織可以通過用特定波長的光照射來突出顯示——不需要雞尾酒。
格雷夫斯向我們介紹了亞利桑那大學團隊所做的其他胃腸道成像工作，其中包括博士。 巴斯卡·班納吉和“羅恩”梁。 他們 開發了一種光學設備 可以同時在冒號中向前和向後查看。 這樣，癌腫就無法隱藏！ 該技術被分拆成一家名為 全知成像公司.
研究生水平的光學魔法
洛根·格雷夫斯的博士論文涉及用於製造和驗證巨大鏡子的計量方法。 具體來說，格雷夫斯幫助測量了最終安裝在丹尼爾·井上太陽望遠鏡（簡稱“DKIST”）中的鏡面。
該望遠鏡架設在夏威夷毛伊島，是目前世界上最大的太陽望遠鏡。 雖然裡面的主鏡現在正在享受熱帶假期，但它誕生於亞利桑那州的一個實驗室。
這台 4.26 米的望遠鏡在美語中約為 14 英尺，相當於一個大型戶外蹦床的大小。
因為這個東西圖像 太陽，存在一些額外的工程挑戰。 如您所知，陽光非常明亮。 天氣也很熱。 因此，為了確保望遠鏡不會像陽光明媚的日子裡孩子在放大鏡下的螞蟻一樣變形、熔化或煎炸，需要發明一種新材料。
鏡子的基底需要由受到陽光照射時不會膨脹太多的材料製成。 這是因為，即使它沒有著火，膨脹太多仍然會扭曲 DKIST 捕獲的圖像。 這就是肖特介入並出現的原因 採用名為 ZERODUR® 的新型微晶玻璃材料。 ZERODUR® 的特殊之處在於其極低的熱膨脹係數。
為什麼在價值數百萬美元的望遠鏡鏡上進行計量如此困難
當 Logan Graves 登上 DKIST 建造時，望遠鏡的設計和新穎的新材料已經確定，但製造方法需要一些關愛。 畢竟，正在建造的這個東西即將成為世界上同類中最大的望遠鏡！
為了將鏡子磨成最終的拋光形狀，需要不同的製造階段。 所有這些階段都需要測量。 當材料被刮掉時，需要有一種方法來檢查有多少還需要被刮掉，有多少已經被刮掉。
這一切看起來很簡單，但由於最終應用是價值數百萬美元的望遠鏡，計量要求變得有點棘手。 一方面，數百萬美元是一大筆錢！ 所以，你最好不要犯任何錯誤。 沒有一處錯誤。 不是一個。 您需要自己製造的產品才能發揮作用，這與大批量生產不同，在大批量生產中，您預計會有一定比例的失敗。
另一件需要記住的事情是，與所有精密光學器件一樣，您無法觸摸它。 你無法在它上面呼吸，更不用說在它的表面上拖動機械輪廓儀了。 因此，您需要進行高精度、萬無一失的測量 不碰鏡子.
干涉測量的優點和缺點
測量此類鏡面的“黃金標準”方法是乾涉測量法，這是一種精密的非接觸式測量方法。 不利的一面是，它也非常昂貴，並且需要您製作完美的物理參考形狀。 然後，您將測量正在創建的零件和參考形狀，測量值之間的差異就是誤差。
對於 DKIST 凹面鏡，這個過程尤其困難。 其尺寸巨大，但形狀也是離軸和拋物線形的。 如果切口形狀是球形的，那麼您可以用旋轉球體將其拋光。 然而，因為它很不穩定，所以製造和測試它要復雜得多。
干涉測量法的另一個缺點是，在測量大表面時，通常無法同時測量整個表面。 相反，您可能需要進行多次測量並將它們縫合在一起。 這些重疊區域很容易出現錯誤，而且對於價值數百萬美元的小部件來說，錯誤是很糟糕的。
專門使用乾涉測量法的另一個缺點是，它僅在您測量的形狀非常接近參考形狀時才有效。 因此，如果您正處於打磨鏡子的粗略的開始階段，干涉測量法的實用性將受到限制。
什麼是偏轉測量？
與乾涉測量法相比，偏轉測量法在切割鏡子的初始階段可以更容易地使用。 它也更便宜，因為它不需要構建參考形狀。
相反，使用的參考是源，可能是數字顯示器，具有已知尺寸的測試圖案。 如果您將該光源照射在鏡子上並對反射進行成像，那麼您可以通過圖像的扭曲情況來判斷鏡子的外觀。
例如，想像一下扭曲的遊樂場鏡子。 如果您看到自己的圖像，身高 3 英尺，臉部比臀部大，但您知道自己身高 5 英尺 10 英寸，頭部大小正常，您可以看出反射表面是如何彎曲變形的。 一旦你克服了最初的震驚，你會看到扭曲的圖像不是一個被毀壞的人，而是鋁上的波紋。
如果您想更深入地了解偏轉測量並且是《黑客帝國》的粉絲，請查看格雷夫斯的博士論文答辯。 他用墨菲斯太陽鏡中反射的紅色和藍色藥丸的圖像解釋了偏轉測量法。
研磨階段
鏡子製造過程的早期階段是“研磨階段”。 在這裡，望遠鏡侏儒會將鏡子表面從看起來像拉皮條車上的啞光油漆變成可以開始看到反射的東西。 與最終的拋光步驟相比，該過程的這一部分將被切除掉大量材料。
研磨過程使用機械臂按壓並旋轉混合有拋光砂粒的漿料。它看起來太亂了，無法進行精確研磨，但是，在紅外偏轉測量的幫助下，他們能夠測量和監控這個粗糙的表面。 干涉測量和可見光偏轉測量也被用來證實紅外偏轉測量。
通過在這部分過程中使用紅外偏轉測量，該團隊能夠節省大量製造時間。
更容易看出他們可以從不靠近端面的材料中取出大塊。 這反過來又使得 DKIST 鏡子在一年多一點的時間內製造完成，洛根告訴我們，按照天文台光學標準，這是 令人驚訝地 迅速的。
“超光滑鏡子”
“超光滑鏡”實際上是鏡子的一個類別。 這就是你現在知道的事情。 完成最高級別的拋光後，DKIST 鏡面的整個表面粗糙度約為 19 nm。 如果觀察約 2x3mm 的較小表面積，偏差甚至更低，小於 0.7nm，相當於“超光滑”。
但 19nm 的表面粗糙度到底意味著什麼？ 在 Graves 的論文答辯中，他解釋說這個 19nm 的偏差相當於城鎮中兩個地點之間的地形偏差，即人類頭髮寬度的一半。 因此，您與幾英里外的某個點之間的任何山丘或坑洼都需要不高於或低於人類頭髮的一半。
好的，道具，博士！
為了在最後階段檢查鏡子的表面，不僅要測量形狀，而且測量表面粗糙度也很重要。 使用多種類型的偏轉計和乾涉儀來掃描表面作為最終檢查。 然後，對所有這些測量結果進行交叉檢查，以確保它們全部一致。
格雷夫斯作為自由光學科學家
自畢業以來，格雷夫斯一直忙於許多不同的項目。 他與他的合作夥伴 Isaac Trumper 博士在他們的公司 Intuitive Optical Design Lab 中隨機進行了自由光學工程工作。 他們一直為小型硬件初創項目提供諮詢，幫助從頭開始開發激光雷達系統。
在過去 ELE光學此外，他還致力於開發 PM 軟件，以專門解決光學工程數據通信中涉及的挑戰。 當我們光學工程師在開發團隊中工作時，我們的設計工作無意中被隱藏在黑匣子中，遠離其他工程師。 這就是我們的軟件的工作原理！ 我很高興看到他們的研發團隊將來會想出什麼辦法來減少這個問題。
光學論壇和播客
ELE Optics 還有其他好東西，包括 光學科學與工程社區論壇。 這是尋找專家並詢問有關光學和光學軟件的難以通過 Google 搜索的技術問題的絕佳資源。
你可以找到 焦點報告 那裡也有播客，我個人很喜歡（並且一直作為嘉賓觀看）。 這個播客傳統上包括對大多數光學迷的採訪，但洛根歡迎各種工程師和科學家作為嘉賓。
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奇怪工程師播客對 Logan Graves 博士的全面採訪
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