Microgate 的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在深空探索中大顯身手

幾代人對(duì)深空探索充滿了向往，這源于他們對(duì)揭示宇宙起源的強(qiáng)烈渴望。意大利 Microgate公司 及其客戶也在這段旅程中不斷發(fā)現(xiàn)新事物，并獲得靈感。Microgate 由 Vinicio 和 Roberto Biasi 兄弟于 1989 年創(chuàng)立，早期通過為職業(yè)體育賽事和賽車賽事提供高精度計(jì)時(shí)設(shè)備贏得了良好的聲譽(yù)。之后，他們對(duì)極高精度的追求擴(kuò)展到了太空領(lǐng)域，并發(fā)明了用于大型地球望遠(yuǎn)鏡的電機(jī)控制系統(tǒng)。

通過地球上最大的望遠(yuǎn)鏡探索深空

Microgate 與政府間地面天文學(xué)研究組織歐洲南方天文臺(tái)（ESO）合作，打造了用于最新一代極大望遠(yuǎn)鏡（ELT）的自適應(yīng)鏡片。這些望遠(yuǎn)鏡是探索新星系、恒星和行星的重要工具。它們的主要挑戰(zhàn)在于捕捉來自遙遠(yuǎn)距離之外的光，以幫助我們更好地了解宇宙的起源。

圖1 Microgate為ESO的極大望遠(yuǎn)鏡生產(chǎn)出了高度復(fù)雜的自適應(yīng)光學(xué)鏡片。該光學(xué)器件由高密度 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊供電，能夠校正大氣干擾，提取更多光線，從而實(shí)現(xiàn)更高分辨率的成像。

新的 ESO-ELT 望遠(yuǎn)鏡配備了直徑達(dá) 39 米的主鏡，可以收集來自遙遠(yuǎn)恒星和星系的微弱光子。與哈勃或詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡不同的是，這種利用地面望遠(yuǎn)鏡探索宇宙起源的方法有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

• 尺寸大：新的 ELT 望遠(yuǎn)鏡比哈勃望遠(yuǎn)鏡大 23 倍。
• 靈活性高：地面望遠(yuǎn)鏡可以放置在任意地點(diǎn)，易于升級(jí)，而太空望遠(yuǎn)鏡則難以維護(hù)。

ESO 望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)取得了多項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)。例如，天文學(xué)家利用 ESO 的設(shè)施追蹤了銀河系中心極端引力場(chǎng)中恒星的運(yùn)動(dòng)，提供了令人信服的證據(jù)，證明那里存在超大質(zhì)量的黑洞。這一發(fā)現(xiàn)榮獲了 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

利用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)克服大氣波前干擾

當(dāng)光線穿過大氣層時(shí)，會(huì)受到波前像差的干擾，導(dǎo)致能見度下降。Microgate 的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能夠糾正這種干擾現(xiàn)象。捕獲的光線首先由主鏡反射到自適應(yīng)副鏡，該副鏡會(huì)進(jìn)行物理形變，以重建“平面”波前。在 ESO-ELT 項(xiàng)目中，Microgate 提供了所有實(shí)時(shí)控制硬件和軟件，使用復(fù)雜的非接觸式線性電機(jī)對(duì)鏡面進(jìn)行機(jī)械變形，從而從物理上操控入射波前，以校正這些大氣干擾。

圖2 輔鏡是由厚度約 1.9 毫米的特種玻璃制成的自適應(yīng)鏡面。銅色線圈代表線性電機(jī)。

ESO-ELT M4 鏡面直徑為 2.4 米，由厚度約為 1.9 毫米的特種玻璃制成。鏡面采用由精密電流驅(qū)動(dòng)器和一系列共置永磁體驅(qū)動(dòng)的音圈電機(jī)，提供用于鏡面變形的驅(qū)動(dòng)力。這個(gè)過程使用了 5316 個(gè)電機(jī)，均勻分布在鏡子的整個(gè)表面上，每個(gè)電機(jī)的軸間距（即軸距）約為 30 毫米。

自適應(yīng)鏡面懸浮在電機(jī)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)上。通過專用控制電流使鏡面局部變形，并使用相同數(shù)量的高靈敏度電容式傳感器或位置傳感器來校正形狀，精度達(dá)納米級(jí)（百萬分之一毫米）。Microgate 工程師使用以約 100kHz 的頻率運(yùn)行的電子系統(tǒng)，能夠在一毫秒內(nèi)完全重新定義鏡面的形狀。這樣，無需將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空，便可獲得極其清晰和干凈的成像效果。

Vicor 的高密度模塊驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的精確操作和熱管理至關(guān)重要，所有外露表面的溫度必須接近環(huán)境溫度，以避免形成局部湍流。由于空間有限，電源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)變得更加艱巨。

圖3 Microgate 使用 Vicor DCM3623 系列 DC-DC 電源模塊對(duì)鏡面進(jìn)行機(jī)械變形，以校正大氣干擾。該過程對(duì)于提升圖像質(zhì)量至關(guān)重要。

Microgate 選擇使用 Vicor DCM3623 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器電源模塊為這一過程供電。電源系統(tǒng)板安裝在氣冷冷板的底部，每個(gè)模塊最多可為 36 個(gè)電機(jī)通道供電，從而簡(jiǎn)化了復(fù)雜的布線。

Microgate 的硬件工程師 Gerald Angerer 表示：“Vicor 的高效、高功率密度模塊既緊湊又可靠，在電路板上占用的空間很小。這些小型化的電源轉(zhuǎn)換器是我們的最佳選擇。我們已經(jīng)使用了 10 多年，目前還沒有能與之媲美的替代品。”

合作揭示宇宙奧秘

Microgate 致力于通過深空探索揭示宇宙的奧秘，而 Vicor 的高密度電源模塊正在推動(dòng)下一代 ELT 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展。通過與 Vicor 及其他世界級(jí)合作伙伴的緊密合作，Microgate 正在幫助歐洲南方天文臺(tái)等組織探索宇宙的起源，并共同取得改變世界的重大發(fā)現(xiàn)。

關(guān)于 Vicor 公司

Vicor 公司依托一系列專利技術(shù)，設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造并銷售模塊化電源組件和完整的電源系統(tǒng)。公司總部位于馬薩諸塞州安多弗，面向電源系統(tǒng)市場(chǎng)提供產(chǎn)品，涵蓋企業(yè)和高性能計(jì)算、工業(yè)設(shè)備和自動(dòng)化、電信和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、車輛和運(yùn)輸、航空航天和國防等領(lǐng)域。www.vicorpower.com

關(guān)于 Microgate

Microgate位于意大利北部，是一家工程公司，主要從事用于天文和空間應(yīng)用的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)電子元件的開發(fā)。從一開始，Microgate就一直是“非接觸式”自適應(yīng)反射鏡概念發(fā)展的主要貢獻(xiàn)者之一。如今，它們的自適應(yīng)變形鏡是當(dāng)前和未來望遠(yuǎn)鏡最具吸引力的自適應(yīng)校正技術(shù)之一。

責(zé)編：Johnson Zhang