小烏來天空步道」嶄立在風動石旁並懸空於小烏來瀑布上方。步道外觀設計簡約大方，採幾何線條配置，在森林景觀中有了點衝突的美；底部為強化玻璃的建築結構，凌空伸出11公尺的廊道，距離瀑布底約有70公尺高，走在步道橋面玻璃平台上，彷彿漫步在雲端，360度視野欣賞小烏來秀麗溪谷及氣勢磅礡的瀑布景觀。
聊聊詹姆斯韦伯望远镜背后的光学[烟花]
最近詹姆斯韦伯望远镜挺热的，大家都在关注它复杂的展开过程。直到今天，所有的部件展开均已完成，一个月后望远镜将点火进入晕轨道。接下来就是漫长的调试过程，而产出第一批数据则要在半年后了。
调啥呢？ 要花这么久？嗐，都是追求大口径惹的麻烦。
光学系统的分辨率都有极限。几何光学里点状物能成点状像，但波动光学告诉你实际上点状光源因为衍射只能成一个亮斑（艾里斑）。所以，两个靠近的点光源最后形成的像也是两个紧挨着的亮斑。如果两个物点挨得太近，像斑几乎融合在一起，我们就说这两点不可分辨，也就是分辨率。【图1. 艾里斑与分辨能力】
显然，点光源所成的艾里斑越小，我们能分辨出的距离也就越小，光学系统的分辨率就越高。那该怎么提高极限分辨率呢？光学工作者会告诉你：扩大口径。
如果你看过显微镜/望远镜的分辨率公式，应该会注意到口径越大分辨力越高。至于原因，波动光学会用复杂的公式求解艾里斑的具体形状（工程中则求解点扩散函数），然后告诉你口径越大，艾里斑越小，所以分辨率就高。【图2. 分辨率公式】
但比起让人头秃的公式，我最喜欢的永远是傅里叶光学和美图秀秀的视角：空间频率与信息光学。
为啥点光源不能成点像，而只能成为一个弥散的斑？傅里叶光学告诉你：因为有关这个物体“边缘的信息”丢失了，所以我们不确定像的边缘在哪，不确定它究竟是一个点还是一个有大小的圆，故而像边界变得弥散。
为啥“边缘的信息“丢失了？因为光学系统的大小有限，必然无法采集光源向四面八方放出的所有光。漏走的那部分光，恰恰携带了物体的高空间频率信息。这部分信息，对应的是细节，是边缘，是一张图片里最微小的结构。【图3. 无法采集的，高传播角的光携带了高空间频率部分】
好比一张肖像，你主动把高空间频率的部分滤掉，也就去掉了脸部细节信息（痘坑，痘印）。这便是美图秀秀”磨皮“的原理。而边缘检测则是反过来，滤掉低空间频率的部分即可。【图4. 高/低空间频率在一张图上对应什么？】
所以，想提高分辨率，就要少漏走信息，就要多集光。（不少人说到集光，就会想到像的明暗。其实明暗和极限分辨率没有关系。）想多集光，就要把光学系统做大——最好是大到把整个光源包裹起来，一丝光（信息）也不漏走。你要真有这神通，点光源就能成点像！
当然了，望远镜可没法把星星包起来……不过显微镜倒是能试试。近场光学显微镜和4pi显微镜就代表了这样的努力。
所以，詹姆斯韦伯的拼接镜就是为了追求大口径。但想让数个子镜融为一体可不那么简单，这也是调试的难点。
首先，子镜的焦点要重合，即共焦条件。如果是不共焦的子镜，它们对同一颗星星所成的像并不重合。所以共焦是基础——看不清没关系，起码别重影啊！
但共焦终归只是基础，真正的难关在于之后的共相。各子镜产生的像场必须具有相同的相位，才能在艾里斑中心互相增强。否则，拼接镜空有大口径带来的亮度增强，分辨率（艾里斑尺寸）却仍然与子镜相同！
高中物理都学过，共相位的难度直接取决于波长。在实际应用中，要求共相精度至少为波长的 1 /10。对于波长仅为数百纳米的可见光，几十纳米共相拼接难于登天。事实上，目前世界上还没有一架望远镜做到。
我国目前最高水平的”大天区面积多目标光纤光谱望远镜“（LAMOST）只做到了可见光波段的共焦拼接。而背后的南京天光所也仅能在实验室条件下实现250mm的正六边形子镜在可见光波段的共相拼接。【图5. LAMOST】
但对于波长更长的红外光波段，共相还是能够做到的。这次的詹姆斯韦伯主力工作波段在10微米左右，最大观测波段远达28微米，已至远红外。因此1微米的拼接精度尚在工程实现范围内。即便如此，一套流程走下来几个月也过去了。【图6. 詹姆斯韦伯的调试流程】
再想到《三体3》里的林格-斐兹罗观测站采用延绵二十五千米的透镜组，子镜直径2000米[跪了]，靠离子推进器实现共焦。我只能说：我靠……
既然拼接镜那么麻烦，有没有别的途径能扩大望远镜的共相口径呢？
我个人比较看好旋转液体镜面望远镜（https://t.cn/A6JUnws3）。虽然由于进动的影响，它没法作为太空望远镜，也没法追踪目标。但它可以布设在月球上，以极低的成本实现超大口径（90米！！）下的天顶巡天观测。
当然，如果有一天电浸润技术发展了，不必再通过旋转控制液体镜面形状，我们也能造出凝视成像的大型液体镜面太空望远镜。想想用100米口径盯着星星看……[色]
最近詹姆斯韦伯望远镜挺热的，大家都在关注它复杂的展开过程。直到今天，所有的部件展开均已完成，一个月后望远镜将点火进入晕轨道。接下来就是漫长的调试过程，而产出第一批数据则要在半年后了。
调啥呢？ 要花这么久？嗐，都是追求大口径惹的麻烦。
光学系统的分辨率都有极限。几何光学里点状物能成点状像，但波动光学告诉你实际上点状光源因为衍射只能成一个亮斑（艾里斑）。所以，两个靠近的点光源最后形成的像也是两个紧挨着的亮斑。如果两个物点挨得太近，像斑几乎融合在一起，我们就说这两点不可分辨，也就是分辨率。【图1. 艾里斑与分辨能力】
显然，点光源所成的艾里斑越小，我们能分辨出的距离也就越小，光学系统的分辨率就越高。那该怎么提高极限分辨率呢？光学工作者会告诉你：扩大口径。
如果你看过显微镜/望远镜的分辨率公式，应该会注意到口径越大分辨力越高。至于原因，波动光学会用复杂的公式求解艾里斑的具体形状（工程中则求解点扩散函数），然后告诉你口径越大，艾里斑越小，所以分辨率就高。【图2. 分辨率公式】
但比起让人头秃的公式，我最喜欢的永远是傅里叶光学和美图秀秀的视角：空间频率与信息光学。
为啥点光源不能成点像，而只能成为一个弥散的斑？傅里叶光学告诉你：因为有关这个物体“边缘的信息”丢失了，所以我们不确定像的边缘在哪，不确定它究竟是一个点还是一个有大小的圆，故而像边界变得弥散。
为啥“边缘的信息“丢失了？因为光学系统的大小有限，必然无法采集光源向四面八方放出的所有光。漏走的那部分光，恰恰携带了物体的高空间频率信息。这部分信息，对应的是细节，是边缘，是一张图片里最微小的结构。【图3. 无法采集的，高传播角的光携带了高空间频率部分】
好比一张肖像，你主动把高空间频率的部分滤掉，也就去掉了脸部细节信息（痘坑，痘印）。这便是美图秀秀”磨皮“的原理。而边缘检测则是反过来，滤掉低空间频率的部分即可。【图4. 高/低空间频率在一张图上对应什么？】
所以，想提高分辨率，就要少漏走信息，就要多集光。（不少人说到集光，就会想到像的明暗。其实明暗和极限分辨率没有关系。）想多集光，就要把光学系统做大——最好是大到把整个光源包裹起来，一丝光（信息）也不漏走。你要真有这神通，点光源就能成点像！
当然了，望远镜可没法把星星包起来……不过显微镜倒是能试试。近场光学显微镜和4pi显微镜就代表了这样的努力。
所以，詹姆斯韦伯的拼接镜就是为了追求大口径。但想让数个子镜融为一体可不那么简单，这也是调试的难点。
首先，子镜的焦点要重合，即共焦条件。如果是不共焦的子镜，它们对同一颗星星所成的像并不重合。所以共焦是基础——看不清没关系，起码别重影啊！
但共焦终归只是基础，真正的难关在于之后的共相。各子镜产生的像场必须具有相同的相位，才能在艾里斑中心互相增强。否则，拼接镜空有大口径带来的亮度增强，分辨率（艾里斑尺寸）却仍然与子镜相同！
高中物理都学过，共相位的难度直接取决于波长。在实际应用中，要求共相精度至少为波长的 1 /10。对于波长仅为数百纳米的可见光，几十纳米共相拼接难于登天。事实上，目前世界上还没有一架望远镜做到。
我国目前最高水平的”大天区面积多目标光纤光谱望远镜“（LAMOST）只做到了可见光波段的共焦拼接。而背后的南京天光所也仅能在实验室条件下实现250mm的正六边形子镜在可见光波段的共相拼接。【图5. LAMOST】
但对于波长更长的红外光波段，共相还是能够做到的。这次的詹姆斯韦伯主力工作波段在10微米左右，最大观测波段远达28微米，已至远红外。因此1微米的拼接精度尚在工程实现范围内。即便如此，一套流程走下来几个月也过去了。【图6. 詹姆斯韦伯的调试流程】
再想到《三体3》里的林格-斐兹罗观测站采用延绵二十五千米的透镜组，子镜直径2000米[跪了]，靠离子推进器实现共焦。我只能说：我靠……
既然拼接镜那么麻烦，有没有别的途径能扩大望远镜的共相口径呢？
我个人比较看好旋转液体镜面望远镜（https://t.cn/A6JUnws3）。虽然由于进动的影响，它没法作为太空望远镜，也没法追踪目标。但它可以布设在月球上，以极低的成本实现超大口径（90米！！）下的天顶巡天观测。
当然，如果有一天电浸润技术发展了，不必再通过旋转控制液体镜面形状，我们也能造出凝视成像的大型液体镜面太空望远镜。想想用100米口径盯着星星看……[色]
290-花儿英语-25 ,高中词汇1期共16次讲（1）
297-ti方在梯线方在线初三一模二模几何证明抛物线压轴动点压轴题（上海自招）
53、开课吧名企项目培养计划计算机视觉与图像处理算法工程师
196-小学数学思维双师课傲德数学6年级小升初寒春暑秋四期全套
22、【马士兵】大数据全栈工程师【更新完】【金牌大课】
225-2021年暑假爱培优冲刺强基计划集训营-高中化学课程+全真模拟化学
2、拉勾大数据开发高薪训练营超推荐大佬
009-上海名师顾老师《奥孚培优中考作文满分特训营》15次课【中考语文21期完结】
奈学大数据架构师五期
259-2020春学而思六年级数学全国兴趣1-1班Xes兴趣小组初中数学竞赛完整体系
093-上海名师王琳外刊首字母 2021寒春（完结）
152-九年级学而思初中语文阅读写作班寒春暑秋四期
297-ti方在梯线方在线初三一模二模几何证明抛物线压轴动点压轴题（上海自招）
53、开课吧名企项目培养计划计算机视觉与图像处理算法工程师
196-小学数学思维双师课傲德数学6年级小升初寒春暑秋四期全套
22、【马士兵】大数据全栈工程师【更新完】【金牌大课】
225-2021年暑假爱培优冲刺强基计划集训营-高中化学课程+全真模拟化学
2、拉勾大数据开发高薪训练营超推荐大佬
009-上海名师顾老师《奥孚培优中考作文满分特训营》15次课【中考语文21期完结】
奈学大数据架构师五期
259-2020春学而思六年级数学全国兴趣1-1班Xes兴趣小组初中数学竞赛完整体系
093-上海名师王琳外刊首字母 2021寒春（完结）
152-九年级学而思初中语文阅读写作班寒春暑秋四期
✋热门推荐