自哈勃空间望远镜睁开“眼睛”，看到模糊的宇宙以来，望远镜光学界就围绕着对每一个可能细节进行双重检查。为了看清，望远镜的镜子必须完美无瑕，以绝对精确的精度弯曲和反射光子。在寻找修复哈勃糟糕视力的方法时，丹·尼尔和他的同事们意识到，另一种光学系统也能从完美设计的矫正镜片中受益：我们的眼睛。
现在，一项旨在防止哈勃事件重演的系统，正被用于制造更好的隐形眼镜，并确保更精确的激光手术。这是美国宇航局技术转化为新消费产品的众多方式之一，但它是少数几种至少部分源于该航天机构一项最大失误的技术之一。
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哈勃空间望远镜，可以说是人类有史以来构思出的最伟大的天文观测设备，是现代科学的辉煌成就之一。但它最初的太空时光却不那么光彩。早在 20 世纪 80 年代，负责制造哈勃主镜的公司就无法测试自己的测试设备，而且设备最终被不当使用，导致镜子变形。
这段如今已成为传奇的经历源于一种称为“零点校正器”的工具中的一个定位杆，该工具用于创建一个光学模板，类似于研磨望远镜 96 英寸主镜的地图。其他测试被认为不足以精确测量镜子的完美角度，因此镜子制造商 Perkin Elmer 公司着手设计一个完美的零点校正器。这个零点校正器中的一根杆被装反了，改变了其定位光束反射光的角度。这根杆看起来比实际要高——如果你愿意这样理解的话，镜子里的物体可能比它们看起来更近。当工人为此调整镜子研磨时，结果是镜子曲率出现了 1.3 毫米的误差。
哈勃受到了球差的影响，这意味着从镜子边缘反射的光与从镜子中心反射的光聚焦在不同的点上。美国宇航局的工程师们弄清楚了问题发生的原因，并在哈勃发射三年后，通过太空行走的宇航员安装了矫正光学器件，解决了这个问题。
如果你要把一个太空望远镜送上百万英里远的太空，并且永远无法再见到它，那它必须是完美的。对人类来说也是如此。如果你要为某人进行激光手术，并且正在操作他们的眼睛，那它也必须是完美的。
这对于哈勃的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜来说是不可能的。JWST 位于地月日三体引力平衡点，距离地球一百万英里，这将永远无法进行太空维修。它必须一次性成功；它需要一个完美的地图来研磨一面完美的镜子。这就是丹·尼尔发挥作用的地方。
JWST 如此之大，其主镜实际上是由 18 个独立的铍六边形组成，这些六边形组合成一个巨大的、闪亮的表面。每个镜片段都以粗糙的形状铸造，然后进行机械加工和完美的研磨。尼尔解释说，镜片段最初有几千分之一英寸的偏差，但必须研磨到光学公差范围内，变化幅度在微米级别。
“存在一个计量学的鸿沟。你可以用机械方法测量较大的物体，但当你需要达到 0.1 微米时——这是从 40 微米的误差到 0.1 微米，”他说。“测量技术对于中间的尺寸并不存在，所以我们不得不发明它们。”
尼尔是雅培医疗光学公司的一名研究员，曾是桑迪亚国家实验室的工程师，曾参与哈勃矫正光学器件的工作。之后，他共同创立了桑迪亚的一家衍生公司 WaveFront Sciences，该公司从事硅晶圆的光学测量等项目。经过漫长的分包商链条，该公司与 JWST 产生了联系。（WaveFront 后来被雅培收购。）在两年多的工程和测试中，WaveFront 的工程师开发了一种名为红外扫描沙克-哈特曼传感器的测量工具，该工具可以在镜子研磨完成后立即对其表面进行测试。
该系统将红外激光扫描整个镜面表面，以 3 x 4 厘米的斑块捕捉图像。它在镜面表面捕获了一百万个点，形成了一张高分辨率地图，指导研磨和抛光以完善镜子。尼尔说，在此方法之前，镜子制造商会尽力研磨，然后进行抛光——这需要大约一个月的时间——然后进行测试。
“如果他们发现一个坏点，他们就必须回到研磨阶段，全部打磨掉，再次抛光并重新测试。如果每次都必须这样做，制造这些镜子可能要花费数年时间，”他说。
该系统能够精确测量粗糙的镜坯，尼尔和他的同事们意识到它也可以测量其他粗糙的光学表面。
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尽管我们的眼睛表面看起来光滑，但实际上拥有丰富的地形，有凹陷、凸起、角膜隆起等等。眼科医生使用波前传感器来测量这些眼部像差，但可能需要数小时的 painstaking 工作才能处理这些情况。这对于诸如验配隐形眼镜和绘制激光手术眼部地形图等程序非常重要：为 JWST 开发的高灵敏度、高精度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。
“为美国宇航局做事和为医疗病人做事有相似之处，也有不同之处。相似之处在于，它必须是正确的，”尼尔说。“如果你要把一个太空望远镜送上百万英里远的太空，并且永远无法再见到它，那它必须是完美的。对人类来说也是如此。如果你要为某人进行激光手术，并且正在操作他们的眼睛，那它也必须是完美的。”
不同之处在于？眼睛同时也是一个透镜和一个探测器，是一个完整的集成光学系统。JWST 扫描仪最初只用于观察镜面的表面，这可以类比于角膜——而探测器则是完全不同的东西。尼尔和雅培的其他科学家不得不重新设计系统，以检查整个眼睛，包括泪液。
“如果你要进行 LASIK 手术或验配隐形眼镜，你必须测量整个光学系统，”他说。
利用相同的技术，雅培的员工开发了一个新系统，可以将近红外光点投射到视网膜上。光线的散射被晶状体和角膜收集，然后仪器分析这些散射光。它甚至能考虑眼睛的泪膜，这是一种不断变化的覆盖层，其厚度受从你的水分水平到房间温度的一切因素影响。
经过六年多的开发，雅培于 2012 年发布了其眼部映射技术。尼尔说，iDesign Advanced WaveScan Studio 已于去年夏天获得欧洲批准，目前仍在等待美国食品药品监督管理局的批准。它能够创建眼睛的详细地图，考虑近视、远视、散光和其他问题。这些信息被传输到激光器，然后执行手术。
尼尔本人戴眼镜，并且几年前曾发生过视网膜脱落，这使他无法亲自使用这项技术。但他妻子和儿子都做过 LASIK 手术，而且他的儿子参与了 iDesign 的临床试验，他说。
下一步是开发一种能够绘制白内障密度图的传感器，并改进白内障手术，他说。
“我们认为我们可以用它来对眼睛进行精确测量，以规划白内障手术；你所做的就是选择合适的镜片。一旦选择了合适的镜片，取出它就会非常侵入，”他说。“所以，再一次，你希望第一次就做对。”
