NASA の最大の失敗から、完璧な人間の視覚を実現するツールが生まれた

ハッブル宇宙望遠鏡が瞬きしてぼんやりとした空を見た日から、望遠鏡の光学の世界は、あらゆる細部を二重にチェックすることを中心に回ってきました。鮮明に見るためには、望遠鏡の鏡は完璧で、光子を完璧な精度で曲げたり反射したりする必要があります。ハッブルの視力の悪さを直す方法に取り組んでいる間、ダン・ニールと彼の同僚は、完璧に設計された矯正レンズから別の光学システムも恩恵を受けることができることに気付きました。それは、私たちの目です。

現在、ハッブル宇宙望遠鏡のようなことが二度と起こらないように設計されたシステムが、より優れたコンタクトレンズの開発や、より正確なレーザー手術の実現に利用されている。これは、NASA の技術が新たな消費者向け製品に応用される数多くの方法の 1 つだが、少なくとも部分的には、この宇宙機関の最大の失策から生まれた数少ない方法の 1 つでもある。

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ハッブル宇宙望遠鏡は、おそらく史上最高の観測装置であり、現代科学の最高傑作の 1 つです。しかし、宇宙での初日は、決して誇らしいものではありませんでした。1980 年代当時、ハッブルの主鏡の製造を請け負った会社には、自社の試験装置を試験する方法がなく、最終的に不適切に使用され、鏡が変形する結果となりました。

今では伝説となっているこの物語は、「ヌルコレクター」と呼ばれるツールの位置決めロッドに端を発しています。このツールは光学テンプレートを作成するのに使用され、望遠鏡の 96 インチ主鏡を研磨する方法を示す地図のようなものです。他のテストでは鏡の完璧な角度を測定できるほど正確ではないと判断されたため、鏡メーカーのパーキンエルマー社は完璧なヌルコレクターの設計に着手しました。このヌルコレクターのロッドは上下逆さまに設置され、ロケータービームが光を反射する角度が変わりました。ロッドは実際よりも高く見えました。つまり、鏡に映る物体は見た目よりも近くにある可能性があるということです。作業員がこれを補正するために鏡の研磨方法を変更したところ、鏡の曲率に 1.3 ミリメートルの誤差が生じました。

ハッブル望遠鏡は球面収差に悩まされていた。球面収差とは、鏡の端で反射した光が、鏡の中心で反射した光とは異なる点に焦点を合わせる現象だ。NASAのエンジニアたちは、この現象の原因を解明し、ハッブル望遠鏡の打ち上げから3年後、宇宙遊泳中の宇宙飛行士が補正光学系を設置して問題を解決した。

宇宙望遠鏡を 100 万マイル上空に打ち上げ、二度と見ることができないのであれば、望遠鏡は正しくなければなりません。人間についても同じことが言えます。誰かにレーザー手術を施し、その人の目を治療する場合も、望遠鏡は正しくなければなりません。
ハッブルの後継機、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡ではそれは不可能だろう。地球、月、太陽の重力の三角関係にあるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、地球から100万マイル離れた場所に止まり、宇宙からの修理が不可能だ。最初から完璧にできなければならない。完璧な鏡を研磨するには完璧な地図が必要だ。そこでダン・ニールの出番だ。

JWST は非常に大きく、主鏡は実際には 18 個のベリリウム六角形で構成され、1 つの大きな光沢のある表面を形成しています。各セグメントは大まかな形状に鋳造され、機械加工されてから、完璧に研磨されます。セグメントは数千分の 1 インチの偏差から始まりますが、1 ミクロン単位の光学許容差に合わせて研磨する必要があるとニール氏は説明します。

「計測学のギャップがあります。機械的な手段でより大きなものを計測できますが、0.1ミクロンまで計測する必要がある場合、誤差は40ミクロンから0.1ミクロンになってしまいます」と彼は言いました。「その中間のものを計測する技術は存在しないので、私たちはそれを発明しなければなりませんでした。」

ニール氏はアボット メディカル オプティクスの研究員であり、ハッブルの補正光学系に携わったサンディア国立研究所の元エンジニアです。彼は後にサンディア研究所のスピンオフ企業であるウェーブフロント サイエンシズの共同設立者となり、シリコン ウェーハの光学測定などのプロジェクトに携わりました。同社は下請け業者の長い系列を経て JWST に関わるようになりました (ウェーブフロントは後にアボットに買収されました)。2 年間の設計とテストで、ウェーブフロントのエンジニアは赤外線スキャン シャック ハルトマン センサーと呼ばれる測定ツールを開発しました。これにより、研磨直後のミラー表面のテストが可能になります。

このシステムは、赤外線レーザーを鏡の表面全体に照射し、3×4センチのパッチでスナップショットを撮影する。鏡の表面の100万点を捉え、鏡を完璧に仕上げるためにどこを研磨・磨くべきかを示す非常に詳細な地図が作成される。この方法が登場する前は、鏡メーカーはできる限り研磨し、磨き（これには約1か月かかる）、テストしていたとニール氏は言う。

「もし悪い箇所が見つかったら、研磨をやり直し、全て取り外し、再度磨き、再テストしなければなりません。毎回それをやらなければならないとしたら、これらの鏡を作るのに文字通り何年もかかることになるでしょう」と彼は語った。

このシステムは粗いミラーブランクの測定に優れており、ニール氏とその同僚は、他の粗い光学表面も測定できると気付きました。

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目の表面は見た目は滑らかですが、実はへこみや突起、角膜の膨らみなど、さまざまな地形があります。眼科医は波面センサーを使ってこれらの眼の異常を測定しますが、それを考慮するには何時間もの骨の折れる作業が必要です。これはコンタクトレンズの装着やレーザー手術のための眼の地形図作成などの処置には重要です。JWST 用に開発された高感度で正確なスキャン技術は大きな進歩で、数秒で眼全体をスキャンできます。

「NASA​​ のために何かをすることと、医療患者のために何かをすることの間には、類似点と相違点があります。類似点は、それが正しくなければならないということです」とニール氏は言います。「宇宙望遠鏡を 100 万マイル上空に打ち上げ、二度と見ることができないのであれば、それは正しくなければなりません。人間についても同じことが言えます。誰かにレーザー手術を施し、その人の目を治療するのであれば、それは正しくなければなりません。」

違いは何か？ 目はレンズであり検出器でもあり、光学システム全体が一体となっている。JWST のスキャナーは、角膜にたとえられる鏡の表面だけを観察することを目的としていた。検出器はまったく別のものだ。ニール氏とアボットの他の科学者たちは、涙も含めた目全体を検査するためにシステムを再設計しなければならなかった。

「レーシック手術をしたりコンタクトレンズを装着したりする場合には、光学システム全体にわたって測定する必要があります」と彼は語った。

アボット社の研究者たちは、同じ技術を使って、近赤外線の光を網膜に投影できる新しいシステムを開発した。その光の散乱は水晶体と角膜によって集められ、光を分析する機器がその散乱を測定することができる。水分補給レベルから室内温度まで、あらゆるものによって厚さが変化する、常に変化する目の涙液膜まで考慮する。

アボットは 6 年以上の開発期間を経て、2012 年に眼球マッピング技術をリリースしました。iDesign Advanced WaveScan Studio は昨年夏にヨーロッパでの使用が承認されましたが、現在米国食品医薬品局の承認待ちです、とニール氏は語ります。この技術は近視、遠視、乱視などの問題を考慮した眼球の詳細なマップを作成します。この情報は手術を行うレーザーに転送されます。

ニール氏自身は眼鏡をかけており、数年前に網膜剥離を患ったため、この技術を自分で使うことはできない。しかし、彼の妻と息子はレーシック手術を受けており、息子はアイデザインの臨床試験に参加していたと、彼は語った。

次の段階は、白内障の密度をマッピングできるセンサーを開発し、白内障手術を改善することだと彼は語った。

「白内障手術の計画を立てるために、眼の正確な測定にこれを使用できると考えています。必要なのは、適切なレンズを選ぶことだけです。適切なレンズを選んだら、それを取り除くのはかなり侵襲的です」と彼は言いました。「ですから、もう一度言いますが、最初から正しく行う必要があります。」