欧美封锁无效！“天问一号”背后的光学系统新突破

2021年，当“天问一号”探测器在距火星220万公里处拍摄下火星的首张高清“肖像”时，很少有人知道，记录这历史性瞬间的“眼睛”，它真正的名字是——离轴三反光学系统。

△“天问一号”获取的首幅火星图像

来源：中国国家航天局

此前，这项核心技术长期被欧美国家列入“禁止出口”清单，实施严密的技术封锁。如今，我国的科学家们已突破重重壁垒，使其成为我国空间探索任务中不可或缺的“标准配置”。

无遮拦的“火眼金睛”

传统天文望远镜通常由物镜（折射式望远镜为透镜，反射式望远镜为凹抛物面主镜）和目镜（凸透镜）组成。这种设计的成像原理是遥远天体的微弱光线首先被大口径物镜收集并汇聚，随后在折射望远镜中，透镜折射光线在焦平面形成实像；反射望远镜则利用凹面主镜反射汇聚光线。最终，位于焦平面后方的目镜如同放大镜，将此实像再次放大形成供人眼观察的虚像，实现目标的视角增大和亮度提升。然而，这种同轴系统有个先天缺陷——次镜和支架会挡住部分入射光线，就像用带黑点的眼镜看世界。

为解决这一问题，我国的科学家们制造出离轴三反光学系统，巧妙地将三个反射镜进行离轴排布，打破传统的光学元件从前到后依次排列的传统布局，将部分反射镜安排在光轴之外，能够彻底消除中心遮挡，让每一束光线都畅通无阻地到达“视网膜”。如同擦掉眼镜上的黑点，采用离轴三反光学系统的探测器，其成像对比度相较于同轴系统提升了30%以上，连火星表面的沟壑纹理都清晰呈现。

“天问一号”拍摄的高清火星影像图

来源：中国国家航天局

“鱼与熊掌”之

“高分辨率与大视场”兼得

空间遥感领域有个经典难题：想要实现高分辨率（如从太空看清地面车牌），需要增加镜头焦距；想要实现大视场（如从太空拍下整个城市），轴外点光线与光轴的夹角增大，其实际入射角度偏离设计值，会导致衍射光斑扩展，分辨率下降——二者犹如“鱼与熊掌”，不可兼得。而离轴三反光学系统却像一位“魔术师”，能够同时实现高分辨率与大视场。

离轴三反光学系统光路图，

M代表反射镜

具体而言，团队通过计算全息检测（CGH）技术，将三片非球面镜的离轴量精确控制在微米级，最终实现的视场角达到惊人的30°×25°，足以在500公里高空同时捕捉上海市区和太湖全貌，同时，地面分辨率也高达2米——相当于能从长春看清北京街头的一辆轿车。

中国的“光路巧匠”：

打破封锁，独立自主

离轴三反光学系统自由曲面反射镜的制造曾被称为“不可能完成的任务”。三片非球面镜不仅形状各异，装调时更要控制18个自由度，其难度相当于蒙眼把三块异形积木悬空拼成一座桥。欧美突破该技术后立即进行技术封锁，中国团队只能白手起家。

团队历时十余年，终于研制出具有自主知识产权的第三代大口径非球面数控加工设备，有效打破了国外的设备禁运和技术封锁。

长春光机所SiC（碳化硅）反射镜加工研制历程

图片来源：中国激光杂志社

征途下一程：从火星到深空

如今，离轴三反光学系统的技术征程已从近地探测迈向深空探索，在长春光机所的实验室里，新一代自由曲面离轴系统正悄然孕育。继“天问一号”任务之后，长春光机所正将科研视野投向更为宏大的空间光学工程——在轨组装空间望远镜。

设想一下，当数十块乃至上百块光学模块在微重力环境下完成纳米级精度对接，将最终形成百米级口径的空间观测系统。这台具备超深空探测能力的中国“万里眼”有望悬浮苍穹，以超越现有望远镜数倍的集光能力，开启对宇宙暗物质分布、系外行星大气成分及早期星系演化的前沿探索。

在轨组装空间望远镜示意图

来源：新闻联播

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