自從哈伯太空望遠鏡睜開眼睛，看到一片模糊的星空以來，望遠鏡光學領域的工作就圍繞著對每一個細節進行反覆檢查。為了獲得清晰的觀測效果，望遠鏡的鏡片必須完美無瑕，以絕對精確的方式彎曲和反射光子。在研究如何改善哈伯望遠鏡的「視力」時，丹·尼爾和他的同事們意識到，另一個光學系統也能從完美設計的矯正鏡片中受益：那就是我們的眼睛。
如今，一套旨在防止哈伯事件再次發生的系統正被用於製造更優質的隱形眼鏡，並確保雷射手術更加精準。這只是NASA技術衍生出新型消費產品的眾多方式之一，但卻是少數幾個至少部分源自於該航太機構最大失誤的例子之一。
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哈伯太空望遠鏡堪稱有史以來最偉大的天文台，是現代科學的巔峰之作。但它在太空的最初幾天卻並不光彩。在1980年代，承建哈伯主鏡的公司沒有辦法測試自己的測試設備，最終導致設備使用不當，造成了鏡面變形。
這個如今已成傳奇的故事源自於一個名為「零位校正器」的工具中的一根定位桿。該工具用於製作光學模板，類似於一張指導如何研磨望遠鏡96吋主鏡的地圖。由於其他測試方法的精度不足以測量主鏡的理想角度，鏡片製造商珀金埃爾默公司（Perkin Elmer Corp.）著手設計一款完美的零位校正器。然而，這款零位校正器中的一根桿被倒置安裝，改變了其定位光束反射光線的角度。這根桿看起來比實際位置更高——也就是說，鏡中的物體看起來可能比實際距離更近。當工人們調整鏡片研磨以補償此誤差時，結果導致主鏡曲率出現了1.3毫米的誤差。
哈伯望遠鏡有球面像差問題，這意味著從鏡面邊緣反射的光線聚焦在與從鏡面中心反射的光線不同的點上。 NASA的工程師找到了問題所在，並在哈伯發射三年後，透過太空行走，太空人安裝了校正光學元件，解決了這個問題。
如果你要把太空望遠鏡送上百萬英里的高空，而且以後再也看不到它，那麼它就必須精準無誤。對人來說也是如此。如果你要給別人做雷射手術，而且手術部位是眼睛，那麼手術就必須萬無一失。
對於哈伯的繼任者詹姆斯韋伯太空望遠鏡來說，這是不可能的。韋伯望遠鏡位於地球、月球和太陽的引力交匯處，距離地球100萬英里，永遠無法進行太空維修。它必須一次成功；它需要一張完美的地圖來研磨一面完美的鏡片。而這正是丹尼爾發揮作用的地方。
詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）體積龐大，其主鏡實際上是由18個獨立的鈹六角形鏡片拼接而成，形成一個巨大的閃亮鏡面。每個鏡片都先鑄造成粗略形狀，然後經過機械加工和研磨，最終達到完美狀態。尼爾解釋說，鏡片初始尺寸偏差只有幾千分之一英寸，但必須研磨到光學公差級別，誤差控制在微米級以內。
「計量學存在一個空白。你可以用機械方法測量較大的物體，但當你需要達到0.1微米的精度時——誤差就從40微米驟降至0.1微米，」他說。 “目前還沒有測量介於兩者之間的精度的技術，所以我們不得不發明這些技術。”
尼爾是雅培醫療光學公司的研究員，曾是桑迪亞國家實驗室的工程師，參與哈伯望遠鏡校正光學系統的研發。之後，他共同創辦了桑迪亞的衍生公司WaveFront Sciences，該公司致力於矽晶圓光學測量等項目。 WaveFront Sciences透過一系列分包商參與了詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）的建設。 （WaveFront後來被雅培收購。）經過兩年的工程設計和測試，WaveFront的工程師們開發了一種名為紅外線掃描夏克-哈特曼感測器的測量工具，該工具能夠對研磨後的鏡面進行即時測試。
本系統利用紅外線雷射掃描整個鏡面，以3公分×4公分為單位拍攝快照。它採集了鏡面上的100萬個點，從而產生一張高度精細的地圖，指示哪些區域需要打磨和拋光才能達到完美效果。尼爾說，在此方法出現之前，鏡子製造商只能盡力打磨鏡面，然後進行拋光（這大約需要一個月的時間），最後進行測試。
「如果發現瑕疵，他們就得重新打磨，把所有東西都拆下來，再次拋光，然後重新測試。如果每次都要這樣做，製造這些鏡子可能真的需要好幾年時間，」他說。
該系統非常擅長測量粗糙的鏡坯，尼爾和他的同事意識到它也可以測量其他粗糙的光學表面。
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儘管眼球表面看起來光滑，但實際上卻擁有豐富的地形結構，包括凹陷、凸起、角膜隆起等等。眼科醫生使用波前像差感測器來測量這些眼部像差，但這可能需要數小時的細緻工作才能將其考慮在內。這對於驗配隱形眼鏡以及為雷射手術繪製眼部地形圖等操作至關重要。為詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）開發的高靈敏度、高精度掃描技術是一項重大進步：它可以在幾秒鐘內掃描整個眼球。
「為NASA做事和為病人做事既有相似之處，也有不同之處。相似之處在於，都必須做到萬無一失，」尼爾說。 「如果你要把一台太空望遠鏡送上百萬英里的高空，而且以後再也看不到它，那麼它就必須萬無一失。對病人來說也是如此。如果你要給病人做激光手術，而且手術對像是他們的眼睛，那麼手術就必須萬無一失。”
差別在於？眼睛本身就是一個透鏡和探測器，一個完整的光學系統。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的掃描器原本只用於觀察鏡片表面，你可以把它比作角膜——而探測器則完全是另一回事。尼爾和雅培公司的其他科學家必須重新設計這套系統，以便能夠檢查整個眼睛，包括淚液在內。
他說：“如果你要進行雷射手術或驗配隱形眼鏡，你必須測量整個光學系統。”
利用相同的技術，雅培公司的研究人員開發了一種新系統，可以將近紅外線光點投射到視網膜上。水晶體和角膜會收集這些光散射，而分析儀器可以測量這種散射。它甚至考慮到了眼部淚膜的影響——淚膜是一種不斷變化的保護層，其厚度會受到多種因素的影響，從眼部水分含量到室溫都可能影響淚膜的厚度。
經過六年多的研發，雅培公司於2012年發布了其眼部成像技術。尼爾表示，iDesign Advanced WaveScan Studio已於去年夏天獲准在歐洲使用，目前仍在等待美國食品藥物管理局（FDA）的批准。該技術能夠產生詳細的眼部影像，涵蓋近視、遠視、散光和其他眼部問題。這些資訊會傳送到雷射設備，由雷射設備執行手術。
尼爾本人戴眼鏡，幾年前曾患視網膜脫落，使他無法親自使用這項技術。但他表示，他的妻子和兒子都做過雷射手術，他的兒子也參與了iDesign公司的臨床試驗。
他說，下一步是開發一種可以繪製白內障密度圖的感測器，以改善白內障手術。
「我們認為可以利用這項技術對眼睛進行精確測量，以便制定白內障手術方案；手術的關鍵在於選擇合適的人工晶體。一旦選對了人工晶體，取出它就相當有創，」他說。 “所以，我們希望第一次就選對。”
