值此三八國(guó)際婦女節(jié)之際，我們與公司員工Erin Elliott進(jìn)行了對(duì)話。在2016年加入Zemax之前，她于NASA發(fā)射的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目上工作了十年。她目前是Zemax首席研發(fā)工程師和光學(xué)應(yīng)用開發(fā)工程部負(fù)責(zé)人。本文是關(guān)于她在該具有歷史意義項(xiàng)目中使用Zemax OpticStudio的分享。祝愿各位女性朋友節(jié)日快樂(lè)！

為詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (JWST) 項(xiàng)目工作是我航空航天和光學(xué)設(shè)計(jì)職業(yè)生涯的一個(gè)成長(zhǎng)階段。和許多人一樣，我也在去年12月25日凌晨四點(diǎn)起床見證了這一歷史。一臺(tái)位于平臺(tái)上方的攝像機(jī)捕捉到了展開的太陽(yáng)能電池板反射的第一縷陽(yáng)光，這對(duì)我以及我在JWST的前同事來(lái)說(shuō)是一個(gè)激動(dòng)人心和令人自豪的史詩(shī)時(shí)刻。

這種激動(dòng)人心與我目前日常工作中的動(dòng)力是相似的。現(xiàn)在，我在Zemax工作，我特別欣賞我們的客戶在各種抱負(fù)追求中所付出的辛勤工作和熱情，以及他們追逐成功所需軟件和硬件的獨(dú)特視角。如果沒有Zemax的幫助，我就無(wú)法完成我在JWST所做的工作——而如果沒有在JWST的經(jīng)驗(yàn)，我就不會(huì)像現(xiàn)在這樣積極地構(gòu)建工程師所需要的軟件工具。

JWST的獨(dú)特之處在于其復(fù)雜的多段主鏡，由18塊單獨(dú)的鍍金超輕量鈹鏡片組成。這些鏡片在發(fā)射后展開校準(zhǔn)以充當(dāng)一個(gè)口徑為6.5米（約21英尺）的鏡面。這種空間組裝概念是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的核心，因?yàn)樗纫郧暗耐悆x器可以收集更多的光，它還實(shí)現(xiàn)了為完成JWST任務(wù)目標(biāo)所需的更高水平的分辨率和解析度，包括觀察恒星如何變成行星系統(tǒng)、測(cè)量行星系統(tǒng)的物理和化學(xué)特性、分析星系的形成和演化以及尋找第一個(gè)星系或大爆炸后形成的發(fā)光物體。

當(dāng)時(shí)我在JWST工作時(shí)，就使用Zemax OpticStudio來(lái)幫助設(shè)計(jì)和測(cè)試用于校準(zhǔn)多段主鏡的軟件，并對(duì)校準(zhǔn)過(guò)程中采用的近紅外相機(jī)（NIRCam）的硬件光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)建。

圖 1. JWST反射鏡系統(tǒng)展開過(guò)程的四個(gè)階段，完全展開的望遠(yuǎn)鏡位于右下方

（照片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局）

上個(gè)月，地面控制人員花費(fèi)了兩天時(shí)間展開了這些組件并將它們定位以進(jìn)行最終校準(zhǔn)。一周前，望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)充分冷卻，工作人員打開了NIRCam，它將傳回鏡片校準(zhǔn)過(guò)程的圖像。現(xiàn)在，JWST已經(jīng)開始使用我們的定制波前傳感控制 (WFSC) 軟件來(lái)校準(zhǔn)和控制各個(gè)子反射鏡。一旦這些都到位并且所有的初步測(cè)試都檢查完畢，望遠(yuǎn)鏡將可供研究團(tuán)隊(duì)使用，這些團(tuán)隊(duì)已獲得JWST評(píng)選委員會(huì)的預(yù)約時(shí)間和訪問(wèn)權(quán)限。

圖 2. 這是18個(gè)子鏡的1/6比例模型，位于我們?cè)贘WST設(shè)計(jì)和測(cè)試期間使用的光學(xué)測(cè)試臺(tái)中

（照片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局）

NASA有一句名言：“一邊飛行一邊測(cè)試。” 換句話說(shuō)，在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，如果可能的話應(yīng)該在實(shí)際飛行條件下進(jìn)行測(cè)試。但是，JWST太大而無(wú)法一次全部測(cè)試，我們不得不分段測(cè)試它。因此，基于軟件的仿真對(duì)這一過(guò)程至關(guān)重要。我們可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并使用可以測(cè)試的部件來(lái)驗(yàn)證這些模型。這讓我們相信這些模型正在為真實(shí)在軌條件給出正確的反饋。

對(duì)于WFSC軟件，我們制造了一個(gè)試驗(yàn)用望遠(yuǎn)鏡，它是飛行系統(tǒng)的一個(gè)較小版本。我們?cè)贠pticStudio中對(duì)望遠(yuǎn)鏡和飛行系統(tǒng)進(jìn)行了建模，我們使用這些模型來(lái)研究和設(shè)計(jì)WFSC流程的每個(gè)步驟，然后，我們可以在測(cè)試平臺(tái)中驗(yàn)證每個(gè)步驟。OpticStudio模型還用于將測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換為飛行條件，我們使用飛行模型為每個(gè)校對(duì)步驟創(chuàng)建統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，以便我們知道校對(duì)的每個(gè)主要步驟中的最壞和最好情況。所有這些仿真都為我們建立了信心，即校準(zhǔn)將在軌道上按預(yù)期進(jìn)行。

隨著航空航天研究的不斷發(fā)展，仿真只會(huì)顯得越來(lái)越重要。隨著美國(guó)宇航局和我們其他人繼續(xù)思考“我們的生活空間下一步要去向哪里？”這個(gè)問(wèn)題，我們很快就會(huì)明白JWST的挑戰(zhàn)只是即將發(fā)生的事情的一個(gè)縮影。望遠(yuǎn)鏡會(huì)越來(lái)越大，我們可能需要將其在太空中組裝，而不是在地面上，這意味著我們必須將它們分成多個(gè)部分發(fā)射到太空中；而且它們將更加靈活，因此我們將越來(lái)越依賴像WFSC這樣的軟件來(lái)確保通信和校準(zhǔn)。通過(guò)繼續(xù)發(fā)展Zemax軟件中的仿真功能，我們可以跟上科學(xué)探索的步伐，并滿足NASA等團(tuán)隊(duì)的需求，以不斷建設(shè)更大更好的系統(tǒng)。

克服困難和挑戰(zhàn)，最終為新想法掃清道路，使未來(lái)的挑戰(zhàn)更加可控。我在JWST項(xiàng)目上的經(jīng)驗(yàn)為Zemax構(gòu)建新一代光學(xué)仿真軟件的目標(biāo)提供了幫助，我們?yōu)镴WST所做的所有那些嚴(yán)格的仿真和驗(yàn)證周期，而我的工作，以及Zemax的使命，就是讓越來(lái)越多的科學(xué)家、設(shè)計(jì)師和工程師更輕松地應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

去年發(fā)布的OpticStudio STAR模塊就是一個(gè)很好的例證。JWST項(xiàng)目中，在零重力和40 K的工作溫度下正確模擬系統(tǒng)的熱力和結(jié)構(gòu)載荷至關(guān)重要。行業(yè)內(nèi)，這被稱為結(jié)構(gòu)、熱和光學(xué)性能 (STOP) 分析，如果有一個(gè)軟件工具可以讓我們輕松地將STOP建模結(jié)果傳輸?shù)焦鈱W(xué)模型中，那就太好了。而如今，STAR模塊做到了這一點(diǎn)——它讓光學(xué)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以快速輕松地將結(jié)構(gòu)和熱變形引入光學(xué)元件中，以查看它們對(duì)光學(xué)性能的影響。

我工作中最美好的時(shí)刻是與客戶討論他們喜歡使用OpticStudio的哪些功能，以及他們希望我們可以添加哪些優(yōu)化。在向他們請(qǐng)教并親身了解JWST項(xiàng)目對(duì)STOP分析的迫切需求之后，能夠?qū)TAR模塊交到他們手中真的很令人很是欣慰。這也是Zemax實(shí)現(xiàn)公司使命的一次飛躍，我們每天都在努力朝著這些目標(biāo)前進(jìn)，于我而言這真是一份了不起的工作。