望遠鏡鏡片不一定要圓的，自由曲面光學顛覆以往觀點

作者 台北 天文館 | 發布日期 2015 年 11 月 22 日 | 分類 天文

• 

說到望遠鏡鏡片，一般人都會想像是圓的，可以嵌入圓筒形的鏡筒中。不過，這是老觀念了，得更新。最新光學技術可以讓這些負責收集光線的光學元件，幾乎可以做成任何形狀，不僅可藉此大大改善視野大一點之後的影像品質，而且這些光學元件體積縮小，可容納在一個比之前更小的封裝（package）內。

這個新望遠鏡鏡片光學技術稱為「自由曲面光學（freeform optics）」利用電腦來控制製作和測試的過程，已經在光學工程界引起一陣大海嘯，並應用在許多光學設計中，例如道路照明等。美國航太總署（NASA）見識到洋芋片形這樣的不對稱光學（asymmetrical optics）的好處，NASA 所屬哥達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的光學工程師 Joseph Howard和Garrett West 等人，於是迅速地建立一個自由曲面光學技術團隊 FORGE（Freeform Optics Research Group Endeavor）。

由於影像品質更好，封裝體積更小，對想發展諸如緊密型望遠鏡（compact telescope）、立方衛星（CubeSat）和其他小型衛星等領域的科學家而言是個天大的好消息，而大型太空任務也可以在配重等問題上獲得改善，如此一來產品能更大眾化，建造與發射所需的費用降低，成本效益當然比許多傳統太空任務更好。

Howard 表示：如果你要將望遠鏡裝進一個小一點的盒子裡，便得把望遠鏡鏡片彎曲成洋芋片一樣的形狀。傳統的雙面鏡望遠鏡（two-mirror telescope）是由一片聚光用的主鏡（primary mirror）和小一點、導光至偵測器用的副鏡（secondary mirror）所組成。這兩片「旋轉對稱（rotationally symmetric）」的鏡片，淺白點說就是圓形的鏡片，需要仔細調整它們的光軸才能減少光學像差，避免讓影像變模糊。

在自由曲面光學技術的協助下，不對稱鏡片可以更好地校正像差的問題，所以可以讓可用的視野變得更大，如此一來便可大大地降低了光徑長短，因而得以減少整個封裝的體積。

Howard 目前正在進行一個項目，評估改造海岸測量儀器的光學系統。這種儀器原本由 9 片對稱鏡片組成，但利用自由光學技術改造後，僅需 6 片鏡片就可以達到效果，更棒的是，儀器的體積只有原來的十分之一而已。

此外，他們已經選定一種雙鏡片自由曲面光學望遠鏡設計型式，目前正在等候兩片自由曲面鏡片送抵，待望遠鏡原型機製作完成後便可進行測試。他們設計研究顯示：利用自由曲面光學技術，可將光學儀器的體積縮減為原來的五分之一以上，而且所獲得的影像品質還比原來的更好。

Howard 等人計劃明年要繼續測試雙面鏡儀器，其中包含以 3D 印表機製作的自由曲面鏡片，即所謂的「積層製造（additive manufacturing）」列印技術。NASA 科學家之前也曾利用 3D 印表機製作望遠鏡的各個零件，而 Howard 等人的這項計畫更深入，連鏡片都以 3D 列印方式製作。如同 3D CAD 模型一樣，在自由曲面光學技術之下，利用以電腦控制的雷射槍頭可精準控制需融化物質的位置，而由於鏡片是一層一層疊加列印的方式來製作的，所以可以製造出任何形狀的鏡片。這些科學家相信這項技術可以改變許多未來的太空任務，包括拍攝系外行星的儀器，所以 NASA 等機構都將從中受惠，天文科學前進的腳步也將更快、更有力了。