昨天，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡回傳了第一組震撼的太空?qǐng)D片，這是迄今為止最清晰的宇宙紅外圖像。如此清晰的圖像是如何拍攝的呢?作為韋伯太空望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)品集成團(tuán)隊(duì)成員，新思科技用其最適合解決光學(xué)建模問(wèn)題的CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，助力韋伯望遠(yuǎn)鏡成功克服在太空中進(jìn)行拍攝的光學(xué)挑戰(zhàn)。

韋伯望遠(yuǎn)鏡：更尖端，更嚴(yán)苛

建造韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的最大挑戰(zhàn)之一是如何將其放置在太空中才能克服地球大氣層對(duì)光線的扭曲反射。雖然將其放到離地球表面100萬(wàn)英里之外能夠解決這個(gè)問(wèn)題，但另一個(gè)問(wèn)題是：溫度不夠低。來(lái)自太陽(yáng)和地球的溫度將影響儀器觀測(cè)太空深處物體紅外能量的能力，從而影響圖像質(zhì)量。因此，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)比網(wǎng)球場(chǎng)還大的太陽(yáng)能遮陽(yáng)板來(lái)遮擋來(lái)自太陽(yáng)的熱量。為了保證遮陽(yáng)板工作正常，科學(xué)家建造了五層遮陽(yáng)板，這樣韋伯太空望遠(yuǎn)鏡便可以在高于絕對(duì)零度40度的溫度環(huán)境中正常運(yùn)行。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是人類有史以來(lái)建造的最大的太空望遠(yuǎn)鏡，其尺寸和復(fù)雜度遠(yuǎn)大于哈勃望遠(yuǎn)鏡。主鏡與一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小相當(dāng)，可折疊，由18塊六角形反射鏡組成。而哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡只有一塊反射鏡，直徑約為韋伯望遠(yuǎn)鏡的三分之一，且不可折疊。韋伯望遠(yuǎn)鏡的創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在折疊主鏡上，反射鏡的材質(zhì)也是一種創(chuàng)新。反射鏡由鈹制成，鈹是一種相對(duì)稀有的金屬，重量是鋁的三分之一，但強(qiáng)度是鋼的六倍。韋伯望遠(yuǎn)鏡還配置了全球首款新的顯微技術(shù)裝置“微型百葉窗”，使望遠(yuǎn)鏡更清楚地觀測(cè)到遙遠(yuǎn)的天體和星系。此外，雜散光控制技術(shù)也是此次采用的新技術(shù)。另外，大約有20項(xiàng)全新技術(shù)的等級(jí)必須技術(shù)成熟度(TRL)3或4(通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證)提升到TRL 6(能在太空低溫環(huán)境下運(yùn)行)，從而確保望遠(yuǎn)鏡能萬(wàn)無(wú)一失的在太空中進(jìn)行工作。

嚴(yán)苛測(cè)試保證運(yùn)行

毋庸置疑，測(cè)試環(huán)節(jié)是韋伯太空望遠(yuǎn)鏡成功的重要一環(huán)。太空望遠(yuǎn)鏡這樣的大型項(xiàng)目需要進(jìn)行大量測(cè)試，以確保正常運(yùn)行。為避免出錯(cuò)，必須制定有效的測(cè)試策略。例如，如果想知道主鏡的形狀，就需要進(jìn)行兩次測(cè)試，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果兩次測(cè)試結(jié)果不一致，就需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷，確定正確結(jié)果，盡快解決問(wèn)題。

新思科技光學(xué)事業(yè)部是韋伯太空望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)品集成團(tuán)隊(duì)成員。產(chǎn)品集成團(tuán)隊(duì)也稱為PIT小組，小組成員均具有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，曾為NASA、大型天文臺(tái)或軍隊(duì)制造過(guò)大型望遠(yuǎn)鏡。在制定測(cè)試策略時(shí)，PIT試圖將所有可能發(fā)生的故障情況都考慮在內(nèi)，盡其所能建立應(yīng)急機(jī)制。即便如此，墨菲定律依然會(huì)意想不到的方式出現(xiàn)，所以我們通常會(huì)提出一些應(yīng)急問(wèn)題：

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是否能在17塊反射鏡的情況下工作?

如果其中一個(gè)反射鏡無(wú)法聚焦光線，該如何獲得較好的成像效果呢?

如果一些關(guān)鍵測(cè)試結(jié)果不一致，該怎么辦?我們是否真的知道測(cè)試的準(zhǔn)確性?

我們收集了所有必要的診斷措施嗎?

對(duì)于每一種測(cè)試，我們是否制定了應(yīng)急計(jì)劃?我們的B計(jì)劃是什么?

我們是否留有足夠的備用時(shí)間?

為了降低墨菲定律的影響，我們對(duì)每個(gè)會(huì)影響光學(xué)性能的設(shè)備進(jìn)行了至少兩次已知精度的測(cè)試。從測(cè)試綜合結(jié)果來(lái)看，這些設(shè)備都已達(dá)到在TRL 6的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行的條件，與預(yù)期一致。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡背后的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件

要建立一個(gè)由18塊反射鏡組成的可展開(kāi)、可調(diào)節(jié)主鏡和次鏡的模型，并確保所有衍射計(jì)算都正確，并非易事。這些光學(xué)問(wèn)題都可以由CODE V來(lái)解決，所以我們的任務(wù)是：

讓望遠(yuǎn)鏡在可見(jiàn)光、紅外光…等不同的場(chǎng)景，不同波段范圍都能正常進(jìn)行拍攝工作。

確保波前傳感和控制系統(tǒng)能在聚焦位置不同的情況下，具有準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)能力。

讓由多塊反射鏡組成的望遠(yuǎn)鏡所產(chǎn)生的影像需要重組起來(lái)，使其看起來(lái)如同一個(gè)完整的、未分割的影像。

新思科技的CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件是解決光學(xué)建模問(wèn)題的最合適的工具，因此成為了設(shè)計(jì)望眼鏡的主要軟件工具。事實(shí)證明，新思科技的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件、優(yōu)秀的NASA團(tuán)隊(duì)以及PIT小組是最佳組合。CODE V不但是大多數(shù)專業(yè)光學(xué)開(kāi)發(fā)者首選的光學(xué)設(shè)計(jì)工具，而且在太空望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)方面也久負(fù)盛名。其參與的設(shè)計(jì)項(xiàng)目包括：斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡、露西科學(xué)探測(cè)器、OSIRUS-REx航天器、錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡和韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等。此外，CODE V還被用于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證哈勃首次維修任務(wù)中的校正光學(xué)系統(tǒng)工具。

CODE V成為首選軟件的主要原因是：當(dāng)在望遠(yuǎn)鏡的不同視角點(diǎn)采集測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在探討如何通過(guò)調(diào)整鏡片達(dá)到修正效果、需要多少對(duì)準(zhǔn)、哪里需要對(duì)準(zhǔn)、哪個(gè)方向需要對(duì)準(zhǔn)時(shí)，CODE V是不二之選。用CODE V對(duì)光學(xué)硬件進(jìn)行二次對(duì)準(zhǔn)和調(diào)整的便捷性是其他軟件無(wú)法比擬的。為專業(yè)人員節(jié)省大量時(shí)間，使他們能夠更快準(zhǔn)確的組裝硬件。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)作就像是一支技藝精湛的管弦樂(lè)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)、每個(gè)隊(duì)員都發(fā)揮著最佳專業(yè)水準(zhǔn)，使用最好的樂(lè)器，奏響一首又一首激蕩人心的交響樂(lè)曲。

探索未來(lái)技術(shù)：去往更遠(yuǎn)的宇宙空間，窺探更早的宇宙歷史

使用衍射光學(xué)技術(shù)(薄膜型光學(xué)即時(shí)成像器(MOIRE))很可能是未來(lái)望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的一個(gè)方向。

MOIRE望遠(yuǎn)鏡主鏡的直徑大約為100米，約有一個(gè)足球場(chǎng)那么大。展開(kāi)時(shí)與后像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的披薩。這種反射鏡是一種平面膜，表面有光衍射納米結(jié)構(gòu)或超材料特性，使其可以像反射曲面鏡一樣工作。該技術(shù)還可以較小規(guī)模用于手機(jī)攝像頭、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、汽車?yán)走_(dá)、軍事和醫(yī)療光學(xué)等設(shè)備。

MOIRE望遠(yuǎn)鏡上的次鏡可能與韋伯望遠(yuǎn)鏡的大小相似，但該次鏡也是平面的。采用MOIRE技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡非常大，以至于這些反射鏡必須安裝在兩個(gè)不同的航天器上。科學(xué)家們將采用激光對(duì)準(zhǔn)技術(shù)將主鏡和次鏡對(duì)準(zhǔn)，保持主鏡和次鏡在兩個(gè)航天器上的運(yùn)行一致。

這些巨大的望遠(yuǎn)鏡的開(kāi)發(fā)需要大約20年，且我們目前所掌握的技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而我們通過(guò)部署這些望遠(yuǎn)鏡所取得的進(jìn)步將對(duì)醫(yī)療、汽車、機(jī)器人、軍事等各個(gè)行業(yè)產(chǎn)生影響。

因此，韋伯望遠(yuǎn)鏡不僅帶我們前往宇宙邊緣，探秘宇宙的起源，讓我們更好地了解生命本身，也在幫助我們創(chuàng)造一個(gè)無(wú)限可能的未來(lái)。這既是時(shí)間旅行，也激勵(lì)著我們不斷前行。雖然韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將我們帶入一個(gè)新的太空探索時(shí)代，用更多的知識(shí)給我們以啟迪，但為下一代建造太空望遠(yuǎn)鏡也恰逢其時(shí)。換句話說(shuō)，是時(shí)候重新起航，向更廣闊的宇宙空間進(jìn)發(fā)了!