转载

望远镜镜片不一定要圆的，自由曲面光学颠覆以往观点

　　英文原文：Out With the Old, In With the New: Telescope Mirrors Get New Shape

　　说到望远镜镜片，一般人都会想像是圆的，可以嵌入圆筒形的镜筒中。不过，这是老观念了，得更新。最新光学技术可以让这些负责收集光线的光学元件，几乎可以做成任何形状，不仅可藉此大大改善视野大一点之后的影像品质，而且这些光学元件体积缩小，可容纳在一个比之前更小的封装（package）内。

　　这个新望远镜镜片光学技术称为“自由曲面光学（freeform optics）”利用电脑来控制制作和测试的过程，已经在光学工程界引起一阵大海啸，并应用在许多光学设计中，例如道路照明等。美国航太总署（NASA）见识到洋芋片形这样的不对称光学（asymmetrical optics）的好处，NASA 所属哥达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的光学工程师 Joseph Howard 和 Garrett West 等人，于是迅速地建立一个自由曲面光学技术团队 FORGE（Freeform Optics Research Group Endeavor）。

　　由于影像品质更好，封装体积更小，对想发展诸如紧密型望远镜（compact telescope）、立方卫星（CubeSat）和其他小型卫星等领域的科学家而言是个天大的好消息，而大型太空任务也可以在配重等问题上获得改善，如此一来产品能更大众化，建造与发射所需的费用降低，成本效益当然比许多传统太空任务更好。

　　Howard 表示：如果你要将望远镜装进一个小一点的盒子里，便得把望远镜镜片弯曲成洋芋片一样的形状。传统的双面镜望远镜（two-mirror telescope）是由一片聚光用的主镜（primary mirror）和小一点、导光至侦测器用的副镜（secondary mirror）所组成。这两片“旋转对称（rotationally symmetric）”的镜片，浅白点说就是圆形的镜片，需要仔细调整它们的光轴才能减少光学像差，避免让影像变模糊。

　　在自由曲面光学技术的协助下，不对称镜片可以更好地校正像差的问题，所以可以让可用的视野变得更大，如此一来便可大大地降低了光径长短，因而得以减少整个封装的体积。

　　Howard 目前正在进行一个项目，评估改造海岸测量仪器的光学系统。这种仪器原本由 9 片对称镜片组成，但利用自由光学技术改造后，仅需 6 片镜片就可以达到效果，更棒的是，仪器的体积只有原来的十分之一而已。

　　此外，他们已经选定一种双镜片自由曲面光学望远镜设计型式，目前正在等候两片自由曲面镜片送抵，待望远镜原型机制作完成后便可进行测试。他们设计研究显示：利用自由曲面光学技术，可将光学仪器的体积缩减为原来的五分之一以上，而且所获得的影像品质还比原来的更好。

　　Howard 等人计划明年要继续测试双面镜仪器，其中包含以 3D 打印机制作的自由曲面镜片，即所谓的“积层制造（additive manufacturing）”打印技术。NASA 科学家之前也曾利用 3D 打印机制作望远镜的各个零件，而 Howard 等人的这项计划更深入，连镜片都以 3D 打印方式制作。如同 3D CAD 模型一样，在自由曲面光学技术之下，利用以电脑控制的激光枪头可精准控制需融化物质的位置，而由于镜片是一层一层叠加打印的方式来制作的，所以可以制造出任何形状的镜片。这些科学家相信这项技术可以改变许多未来的太空任务，包括拍摄系外行星的仪器，所以 NASA 等机构都将从中受惠，天文科学前进的脚步也将更快、更有力了。

正文到此结束