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，記錄這歷史性瞬間的“眼睛”，它真正的名字是——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。如今，長春光機所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”。

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匯聚光線。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。

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

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。

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。歐美突破該技術后立即進行技術封鎖，中國團隊只能白手起家。

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

征途下一程：從火星到深空

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。

設想一下，當數十塊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

來源：中國科協、長春光機所

編輯：張瑜
初審：張瑜
復審：李沖
終審：王繼峰