2021年，當“天問一號”探測器在距火星220萬公里處拍攝下火星的首張高清“肖像”時，很少有人知道，記錄這歷史性瞬間的“眼睛”，它真正的名字叫做——離軸三反光學系統。

“天問一號”獲取的首幅火星圖像

（圖片來源：中國國家航天局）

此前，這項核心技術長期被歐美國家列入“禁止出口”清單，實施嚴密的技術封鎖。而如今，我國的科學家們已突破重重壁壘，使其成為我國空間探索任務中不可或缺的“標準配置”。那么，這項曾被層層封鎖的技術，究竟蘊含著怎樣的獨特魅力與卓越性能呢？

無遮攔的“火眼金睛”

傳統天文望遠鏡通常由物鏡（折射式望遠鏡為透鏡，反射式望遠鏡為凹拋物面主鏡）和目鏡（凸透鏡）組成。這種設計的成像原理是遙遠天體的微弱光線首先被大口徑物鏡收集并匯聚，隨后在折射望遠鏡中，透鏡折射光線在焦平面形成實像；反射望遠鏡則利用凹面主鏡反射會聚光線。最終，位于焦平面后方的目鏡如同放大鏡，將此實像再次放大形成供人眼觀察的虛像，實現目標的視角增大和亮度提升。然而，這種同軸系統有個先天缺陷——次鏡和支架會擋住部分入射光線，就像用帶黑點的眼鏡看世界。

因此，同軸系統存在一個不可調和的矛盾：次鏡太小，無法將主鏡接收的的光線全部反射到后方光路當中去；次鏡太大，則會遮住太多的光線，其效果就像月食時月亮的光輝被遮住一樣，讓我們無法看到完整的“月光”（即光學信息）。進一步講，次鏡所遮攔的光束是正對傳感器中心的光束，該區域的光束是成像質量較好的近軸光束，我們希望能夠盡可能多保留這部分光束。

為解決這一問題，我國的科學家們制造出離軸三反光學系統，巧妙地將三個反射鏡進行離軸排布，打破傳統的光學元件從前到后依次排列的傳統布局，將部分反射鏡安排在光軸之外，能夠徹底消除中心遮擋，讓每一束光線都暢通無阻地到達“視網膜”。如同擦掉眼鏡上的黑點，采用離軸三反光學系統的探測器，其成像對比度相較于同軸系統提升了30%以上，連火星表面的溝壑紋理都清晰呈現。

“天問一號”拍攝的高清火星影像圖

（圖片來源：中國國家航天局）

“魚與熊掌”之“高分辨率與大視場”兼得

空間遙感領域有個經典難題：想要實現高分辨率（如從太空看清地面車牌），需要增加鏡頭焦距；想要實現大視場（如從太空拍下整個城市），軸外點光線與光軸的夾角增大，其實際入射角度偏離設計值，會導致衍射光斑擴展，分辨率下降——二者猶如“魚與熊掌”，不可兼得。而離軸三反光學系統卻像一位“魔術師”，能夠同時實現高分辨率與大視場。

離軸三反光學系統光路圖，M代表反射鏡

（圖片來源：參考文獻[1]）

這種“魚與熊掌兼得”的奧秘藏在離軸三反光學系統的非對稱結構里。離軸三反光學系統能夠打破傳統同軸系統旋轉對稱性的幾何束縛，將主鏡傾斜、次鏡與三鏡離軸偏置，形成非對稱光路。這種幾何排布不僅能夠徹底消除次鏡的中心遮攔，使入射光線得到100%利用，提高了光學系統的分辨率，還賦予光學設計更多的調控維度——設計師可獨立優化每片鏡子的傾角、離軸量與曲面參數，為像差校正開辟全新路徑。

然而，離軸系統雖然能夠解決遮攔問題，卻引入了大視場下的離軸像散與彗差。離軸像散是指斜入射光束在相互垂直的子午面和弧矢面上具有不同焦點位置，導致離軸點光源無法匯聚成單一焦點，而是在空間上形成兩條分離且相互垂直的焦線（子午焦線和弧矢焦線）的現象。彗差是指斜入射光束通過光學系統不同環形帶區時，其聚焦點離軸的高度不同，導致離軸點光源成像為一個具有方向性的、非對稱的彗星狀彌散斑（亮斑拖著朝向或背離視場中心的尾巴）的現象。兩者都嚴重影響視場邊緣的成像質量，需要盡量消除或減小它們。

長春光機所的張學軍院士團隊通過高次項數學表達式來動態調整自由曲面的反射鏡（如XY多項式曲面）鏡面曲率，能夠實現精準控制不同視場的光線路徑，實現了“魚與熊掌兼得”。

具體而言，團隊通過計算全息檢測（CGH）技術，將三片非球面鏡的離軸量精確控制在微米級，最終實現的視場角達到驚人的30°×25°，足以在500公里高空同時捕捉上海市區和太湖全貌，同時，地面分辨率也高達2米——相當于能從長春看清北京街頭的一輛轎車。

寬光譜波段的“全能選手”

離軸三反的優越性能還體現在其卓越的光譜適應性上。由于材料的折射率會隨光的波長變化而發生色散，因此需通過復雜的透鏡組合來校正色差，難以覆蓋紫外到紅外的寬光譜。而純反射式的離軸三反只需通過精密的鏡面曲率設計和位置排布，即可在紫外到中紅外波段（如100nm-5μm）實現消像差（同時消除色差和單色像差如球差、彗差、像散等），天然適配寬光譜探測。

“天問一號”火星探測器的離軸三反光學系統覆蓋紫外-可見光波段，既能通過紫外光譜分析火星大氣成分（如臭氧、塵埃顆粒），又能利用可見光拍攝高清地貌，實現“光譜探測+光學成像”的復合功能。類似地，我國“嫦娥”系列月球探測器搭載的離軸三反相機可在紫外-近紅外波段（300nm-1000nm）工作，用于月壤成分光譜分析與表面形貌成像。

“嫦娥5號”在“日地L1拉格朗日點”拍攝的地月合影

（圖片來源：中國國家航天局）

“嫦娥5號”探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像

（圖片來源：中國國家航天局）

中國的“光路巧匠”：打破封鎖，獨立自主

離軸三反光學系統自由曲面反射鏡的制造曾被稱為“不可能完成的任務”。三片非球面鏡不僅形狀各異，裝調時更要控制18個自由度，其難度相當于蒙眼把三塊異形積木懸空拼成一座橋。歐美在90年代突破該技術后立即進行技術封鎖，中國團隊只能白手起家。

從0到1的突圍充滿故事性。2002年長春光機所張學軍院士團隊初創時，曾有人斷言：“離軸三反？你們既設計不出，也造不出，更調不好！”如今，這支百人團隊已形成“設計-制造-檢測-裝調”全鏈條能力，支撐著我國40%以上的高分辨率遙感衛星。正如團隊靈魂人物張學軍院士所言：“要形成自己的核心競爭力，不受制于人，我們必須獨立自主。”

團隊歷時十余年，終于研制出具有自主知識產權的第三代大口徑非球面數控加工設備，有效打破了國外的設備禁運和技術封鎖。

長春光機所SiC（碳化硅）反射鏡加工研制歷程

（圖片來源：中國激光雜志社）

在裝調方面，張學軍院士團隊在國際上首次提出了離軸三反光學系統共基準裝調技術。該技術將主鏡和三鏡的檢測信息集成于同一塊計算全息片（CGH，一種通過計算機設計、微納加工制造的人工衍射光學元件。其核心原理是利用計算機模擬目標光波與參考光波的干涉過程，計算出對應的復雜干涉條紋圖案即全息圖；再通過精密刻蝕或光刻技術，將該數字化條紋結構轉化為基片表面微浮雕或折射率調制結構。當用特定波長的相干光照射時，該微結構能精確衍射光線，重構出預先設計的任意復雜波前，從而實現復雜光學像差校正、光束整形、三維顯示等功能），實現了主鏡、三鏡的共基準定位，使系統的裝調自由度由18個降為6個，裝調效率和精度大幅度提高。其中，基于計算全息技術的第二代共基準裝調技術，大幅度拓展了CGH的應用領域，能夠實現光路自動對齊，裝調效率提升300%，達到了國際領先水平。

主、三鏡共基準標定檢測原理示意圖

（圖片來源：作者自繪）

采用計算全息法實現離軸三反光學系統主、三鏡的共基準裝調方案

（圖片來源：中國激光雜志社）

征途下一程：從火星到深空

離軸三反光學系統正如它的名字般特立獨行——離軸，是不走尋常路的創新勇氣；三反，是光學設計、精密制造、系統裝調三位一體協同突破的智慧。

如今，離軸三反光學系統的技術征程已從近地探測邁向深空探索，在長春光機所的實驗室里，新一代自由曲面離軸系統正悄然孕育。繼“天問一號”任務之后，長春光機所正將科研視野投向更為宏大的空間光學工程——在軌組裝空間望遠鏡。長春光機所已構建起創新技術路徑：通過將模塊化鏡片組件分批送入太空，在軌道環境中完成高精度拼接組裝，從根本上突破傳統火箭運輸對光學口徑的尺寸桎梏。

設想一下，當數十乃至上百塊光學模塊在微重力環境下完成納米級精度對接，將最終形成百米級口徑的空間觀測系統。這臺具備超深空探測能力的中國“萬里眼”有望懸浮蒼穹，以超越現有望遠鏡數倍的集光能力，開啟對宇宙暗物質分布、系外行星大氣成分及早期星系演化的前沿探索。

在軌組裝空間望遠鏡示意圖

（圖片來源：新聞聯播）

參考文獻：

[1]黃淮,林峰.大對稱視場離軸三反光學系統設計[J].應用光學,2023,44(05):952-958.

出品：科普中國

作者：張宇航（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監制：中國科普博覽