完美人类视觉工具是如何从 NASA 最大的失误中诞生的

自从哈勃太空望远镜闪烁着打开并看到模糊的天空的那一天起，望远镜光学领域就一直围绕着对每一个可能的细节进行仔细检查。为了看得清楚，望远镜的镜子必须完美无瑕，以绝对完美的精度弯曲和反射光子。在研究如何修复哈勃望远镜视力不佳的问题时，丹·尼尔和他的同事们意识到另一个光学系统可以从完美设计的矫正镜片中受益：我们的眼睛。

现在，一个旨在确保哈勃望远镜不再发生故障的系统正被用于制造更好的隐形眼镜，并确保更精确的激光手术。这是 NASA 将技术转化为新消费产品的众多方式之一，但它是少数几个至少部分源于该航天局最大失误之一的成果之一。

…

哈勃太空望远镜可以说是有史以来最伟大的天文台，是现代科学的最高成就之一。但它在太空中的最初几天并不光彩。早在 20 世纪 80 年代，承包建造哈勃主镜的公司没有办法测试自己的测试设备，最终使用不当，导致镜子变形。

这个传奇故事源于一种名为“零点校正器”的工具中的定位杆，该工具用于创建光学模板，有点像如何研磨望远镜的 96 英寸主镜的地图。其他测试被认为不够精确，无法测量镜子的完美角度，因此镜子制造商 Perkin Elmer Corp. 着手设计一种完美的零点校正器。此零点校正器中的一根杆被倒置安装，改变了其定位光束反射光线的角度。这根杆看起来比实际要高——如果你愿意的话，镜子中的物体可能比它们看起来的更近。当工人们改变镜面研磨来补偿这个问题时，结果镜子的曲率出现了 1.3 毫米的误差。

哈勃望远镜存在球面像差，也就是说从镜子边缘反射的光线与从镜子中心反射的光线聚焦在不同的点上。NASA 工程师能够弄清楚这是怎么发生的，哈勃望远镜发射三年后，太空行走的宇航员安装了矫正光学系统，解决了这个问题。

如果你把太空望远镜放在一百万英里的高空，并且再也看不到它，那么它就必须是正确的。对人而言也是如此。如果你在为某人做激光手术，而且你正在治疗的是他们的眼睛，那么它就必须是正确的。
哈勃的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜则不可能做到这一点。詹姆斯·韦伯太空望远镜位于地球、月球和太阳的引力三角区，距离地球 100 万英里，因此永远无法进行太空维修。它必须第一次就做对；它需要一张完美的地图来磨出一面完美的镜子。这就是丹·尼尔的用武之地。

JWST 非常大，其主镜实际上是 18 个独立的铍六边形，它们组合在一起形成一个巨大而闪亮的表面。每个部分都铸造成粗糙的形状，经过机械加工，然后打磨至完美。尼尔解释说，这些部分一开始会有几千分之一英寸的偏差，但必须打磨到光学公差，误差只有几分之一微米。

“存在计量方面的差距。你可以用机械方法测量更大的物体，但当你需要达到 0.1 微米时，误差就会从 40 微米降到 0.1 微米，”他说。“中间的物体不存在测量技术，所以我们必须发明这些技术。”

Neal 是雅培医疗光学公司的研究员，也是桑迪亚国家实验室的前工程师，曾参与哈勃望远镜的矫正光学研究。后来，他与他人共同创办了桑迪亚的衍生公司 WaveFront Sciences，该公司从事硅片光学测量等项目。该公司通过一系列分包商与 JWST 建立了合作关系。（WaveFront 后来被雅培收购。）在两年的工程和测试过程中，WaveFront 工程师开发了一种称为红外扫描 Shack-Hartmann 传感器的测量工具，该传感器可在研磨后立即测试镜子表面。

该系统用红外激光扫描整个镜子表面，以 3 厘米 x 4 厘米为单位拍摄快照。它捕获了镜子表面的一百万个点，从而生成了一张非常详细的地图，标明了需要在哪里打磨和抛光才能使镜子变得完美。尼尔说，在使用这种方法之前，镜子制造商会尽其所能地打磨镜子，然后抛光（大约需要一个月）并进行测试。

“如果他们发现一个不好的地方，他们就必须重新打磨，把它全部拆下来，再抛光，然后重新测试。如果每次都要这样做，那么制造这些镜子可能真的要花好几年的时间，”他说。

该系统擅长测量粗糙的镜面毛坯，尼尔和他的同事意识到它也可以测量其他粗糙的光学表面。

…

尽管我们的眼睛表面看起来很光滑，但实际上却拥有丰富的地形，包括凹陷、凸起、角膜凸起等等。眼科医生使用波前传感器来测量这些眼部像差，但要解释这些像差可能需要数小时的艰苦工作。这对于配戴隐形眼镜等程序以及为激光手术绘制眼睛地形图非常重要。为 JWST 开发的高灵敏度、精确的扫描技术是一项重大改进：它可以在几秒钟内扫描整个眼睛。

“为 NASA 做事和为医疗患者做事既有相同之处，也有不同之处。相同之处在于，事情必须正确，”尼尔说。“如果你把太空望远镜放在一百万英里的高空，并且再也看不到它，那么事情必须正确。对人而言也是如此。如果你在为某人做激光手术，而且你正在治疗的是他们的眼睛，那么事情必须正确。”

区别是什么？眼睛既是晶状体又是探测器，是一整套光学系统。JWST 扫描仪仅用于检查镜子表面，您可以将其与角膜进行比较——探测器则完全是另一回事。尼尔和雅培的其他科学家不得不重新设计系统来检查整个眼睛，包括泪液等。

他说：“如果你要做激光手术或者配戴隐形眼镜，你必须测量整个光学系统。”

利用同样的技术，雅培的工作人员开发出了一种新系统，可以将近红外光投射到视网膜上。这种光的散射被晶状体和角膜收集，分析光的仪器可以测量散射。它甚至可以解释眼睛的泪膜，这是一种不断变化的涂层，其厚度受到从水分含量到室内温度等所有因素的影响。

经过六年多的研发，雅培于 2012 年发布了眼部测绘技术。尼尔表示，iDesign Advanced WaveScan Studio 去年夏天在欧洲获准使用，目前仍在等待美国食品药品管理局的批准。它可以绘制详细的眼部地图，涵盖近视、远视、散光和其他问题。这些信息被传输到执行手术程序的激光仪上。

尼尔本人戴眼镜，几年前视网膜脱落，无法亲自使用这项技术。但他说，他的妻子和儿子都做过激光近视手术，他的儿子也参与了 iDesign 的临床试验。

他说，下一步是开发一种可以绘制白内障密度图的传感器，并改善白内障手术。

“我们认为我们可以用它来对眼睛进行良好的测量，以便规划白内障手术；你所做的就是选择合适的晶状体。一旦你选择了合适的晶状体，取出它就会非常具有侵略性，”他说。“所以，你还是希望第一次就做对。”