祝賀！長(zhǎng)期被歐美國(guó)家實(shí)施嚴(yán)密封鎖的核心技術(shù)，如今已被我國(guó)科學(xué)家突破！
來(lái)源： 科普中國(guó)
2025-07-19 20:57:00
2021年，當(dāng)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在距火星220萬(wàn)公里處拍攝下火星的首張高清“肖像”時(shí)，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(xué)系統(tǒng)。
“天問(wèn)一號(hào)”獲取的首幅火星圖像 圖片來(lái)源：中國(guó)國(guó)家航天局
此前，這項(xiàng)核心技術(shù)長(zhǎng)期被歐美國(guó)家列入“禁止出口”清單，實(shí)施嚴(yán)密的技術(shù)封鎖。而如今，我國(guó)的科學(xué)家們已突破重重壁壘，使其成為我國(guó)空間探索任務(wù)中不可或缺的“標(biāo)準(zhǔn)配置”。那么，這項(xiàng)曾被層層封鎖的技術(shù)，究竟蘊(yùn)含著怎樣的獨(dú)特魅力與卓越性能呢？
無(wú)遮攔的“火眼金睛”
傳統(tǒng)天文望遠(yuǎn)鏡通常由物鏡（折射式望遠(yuǎn)鏡為透鏡，反射式望遠(yuǎn)鏡為凹拋物面主鏡）和目鏡（凸透鏡）組成。這種設(shè)計(jì)的成像原理是遙遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡中，透鏡折射光線在焦平面形成實(shí)像；反射望遠(yuǎn)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(shí)像再次放大形成供人眼觀察的虛像，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的視角增大和亮度提升。然而，這種同軸系統(tǒng)有個(gè)先天缺陷——次鏡和支架會(huì)擋住部分入射光線，就像用帶黑點(diǎn)的眼鏡看世界。
因此，同軸系統(tǒng)存在一個(gè)不可調(diào)和的矛盾：次鏡太小，無(wú)法將主鏡接收的光線全部反射到后方光路當(dāng)中去；次鏡太大，則會(huì)遮住太多的光線，其效果就像月食時(shí)月亮的光輝被遮住一樣，讓我們無(wú)法看到完整的“月光”（即光學(xué)信息）。進(jìn)一步講，次鏡所遮攔的光束是正對(duì)傳感器中心的光束，該區(qū)域的光束是成像質(zhì)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(wèn)題，我國(guó)的科學(xué)家們制造出離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，巧妙地將三個(gè)反射鏡進(jìn)行離軸排布，打破傳統(tǒng)的光學(xué)元件從前到后依次排列的傳統(tǒng)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(wú)阻地到達(dá)“視網(wǎng)膜”。如同擦掉眼鏡上的黑點(diǎn)，采用離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的探測(cè)器，其成像對(duì)比度相較于同軸系統(tǒng)提升了30%以上，連火星表面的溝壑紋理都清晰呈現(xiàn)。
“天問(wèn)一號(hào)”拍攝的高清火星影像圖 圖片來(lái)源：中國(guó)國(guó)家航天局
“魚與熊掌”之“高分辨率與大視場(chǎng)”兼得
空間遙感領(lǐng)域有個(gè)經(jīng)典難題：想要實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)（如從太空拍下整個(gè)城市），軸外點(diǎn)光線與光軸的夾角增大，其實(shí)際入射角度偏離設(shè)計(jì)值，會(huì)導(dǎo)致衍射光斑擴(kuò)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(xué)系統(tǒng)卻像一位“魔術(shù)師”，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率與大視場(chǎng)。
離軸三反光學(xué)系統(tǒng)光路圖，M代表反射鏡 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]
這種“魚與熊掌兼得”的奧秘藏在離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)里。離軸三反光學(xué)系統(tǒng)能夠打破傳統(tǒng)同軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對(duì)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(duì)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(xué)系統(tǒng)的分辨率，還賦予光學(xué)設(shè)計(jì)更多的調(diào)控維度——設(shè)計(jì)師可獨(dú)立優(yōu)化每片鏡子的傾角、離軸量與曲面參數(shù)，為像差校正開辟全新路徑。
然而，離軸系統(tǒng)雖然能夠解決遮攔問(wèn)題，卻引入了大視場(chǎng)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(diǎn)位置，導(dǎo)致離軸點(diǎn)光源無(wú)法匯聚成單一焦點(diǎn)，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(xiàn)象。彗差是指斜入射光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)不同環(huán)形帶區(qū)時(shí)，其聚焦點(diǎn)離軸的高度不同，導(dǎo)致離軸點(diǎn)光源成像為一個(gè)具有方向性的、非對(duì)稱的彗星狀彌散斑（亮斑拖著朝向或背離視場(chǎng)中心的尾巴）的現(xiàn)象。兩者都嚴(yán)重影響視場(chǎng)邊緣的成像質(zhì)量，需要盡量消除或減小它們。
長(zhǎng)春光機(jī)所的張學(xué)軍院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)高次項(xiàng)數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整自由曲面的反射鏡（如 XY 多項(xiàng)式曲面）鏡面曲率，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制不同視場(chǎng)的光線路徑，實(shí)現(xiàn)了“魚與熊掌兼得”。
具體而言，團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算全息檢測(cè)（CGH）技術(shù)，將三片非球面鏡的離軸量精確控制在微米級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)角達(dá)到驚人的 30°×25°，足以在500公里高空同時(shí)捕捉上海市區(qū)和太湖全貌，同時(shí)，地面分辨率也高達(dá) 2 米——相當(dāng)于能從長(zhǎng)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(yōu)越性能還體現(xiàn)在其卓越的光譜適應(yīng)性上。由于材料的折射率會(huì)隨光的波長(zhǎng)變化而發(fā)生色散，因此需通過(guò)復(fù)雜的透鏡組合來(lái)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(guò)精密的鏡面曲率設(shè)計(jì)和位置排布，即可在紫外到中紅外波段（如 100nm-5μm）實(shí)現(xiàn)消像差（同時(shí)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(cè)。
“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)覆蓋紫外-可見光波段，既能通過(guò)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(shí)現(xiàn)“光譜探測(cè)+光學(xué)成像”的復(fù)合功能。類似地，我國(guó)“嫦娥”系列月球探測(cè)器搭載的離軸三反相機(jī)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(hào)”在“日地 L1 拉格朗日點(diǎn)”拍攝的地月合影 圖片來(lái)源：中國(guó)國(guó)家航天局
“嫦娥5號(hào)”探測(cè)器動(dòng)力下降過(guò)程降落相機(jī)拍攝的圖像 圖片來(lái)源：中國(guó)國(guó)家航天局
中國(guó)的“光路巧匠”：
打破封鎖，獨(dú)立自主
離軸三反光學(xué)系統(tǒng)自由曲面反射鏡的制造曾被稱為“不可能完成的任務(wù)”。三片非球面鏡不僅形狀各異，裝調(diào)時(shí)更要控制 18 個(gè)自由度，其難度相當(dāng)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(shù)后立即進(jìn)行技術(shù)封鎖，中國(guó)團(tuán)隊(duì)只能白手起家。
從0到1的突圍充滿故事性。2002年長(zhǎng)春光機(jī)所張學(xué)軍院士團(tuán)隊(duì)初創(chuàng)時(shí)，曾有人斷言：“離軸三反？你們既設(shè)計(jì)不出，也造不出，更調(diào)不好！”如今，這支百人團(tuán)隊(duì)已形成“設(shè)計(jì)-制造-檢測(cè)-裝調(diào)”全鏈條能力，支撐著我國(guó)40%以上的高分辨率遙感衛(wèi)星。正如團(tuán)隊(duì)靈魂人物張學(xué)軍院士所言：“要形成自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力，不受制于人，我們必須獨(dú)立自主。”
團(tuán)隊(duì)歷時(shí)十余年，終于研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代大口徑非球面數(shù)控加工設(shè)備，有效打破了國(guó)外的設(shè)備禁運(yùn)和技術(shù)封鎖。
長(zhǎng)春光機(jī)所SiC（碳化硅）反射鏡加工研制歷程 圖片來(lái)源：中國(guó)激光雜志社
在裝調(diào)方面，張學(xué)軍院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出了離軸三反光學(xué)系統(tǒng)共基準(zhǔn)裝調(diào)技術(shù)。該技術(shù)將主鏡和三鏡的檢測(cè)信息集成于同一塊計(jì)算全息片（CGH，一種通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、微納加工制造的人工衍射光學(xué)元件。其核心原理是利用計(jì)算機(jī)模擬目標(biāo)光波與參考光波的干涉過(guò)程，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的復(fù)雜干涉條紋圖案即全息圖；再通過(guò)精密刻蝕或光刻技術(shù)，將該數(shù)字化條紋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為基片表面微浮雕或折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)。當(dāng)用特定波長(zhǎng)的相干光照射時(shí)，該微結(jié)構(gòu)能精確衍射光線，重構(gòu)出預(yù)先設(shè)計(jì)的任意復(fù)雜波前，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光學(xué)像差校正、光束整形、三維顯示等功能），實(shí)現(xiàn)了主鏡、三鏡的共基準(zhǔn)定位，使系統(tǒng)的裝調(diào)自由度由 18 個(gè)降為 6 個(gè)，裝調(diào)效率和精度大幅度提高。其中，基于計(jì)算全息技術(shù)的第二代共基準(zhǔn)裝調(diào)技術(shù)，大幅度拓展了 CGH 的應(yīng)用領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)光路自動(dòng)對(duì)齊，裝調(diào)效率提升 300%，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。
主、三鏡共基準(zhǔn)標(biāo)定檢測(cè)原理示意圖 圖片來(lái)源：作者自繪
采用計(jì)算全息法實(shí)現(xiàn)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)主、三鏡的共基準(zhǔn)裝調(diào)方案 圖片來(lái)源：中國(guó)激光雜志社
征途下一程：從火星到深空
離軸三反光學(xué)系統(tǒng)正如它的名字般特立獨(dú)行——離軸，是不走尋常路的創(chuàng)新勇氣；三反，是光學(xué)設(shè)計(jì)、精密制造、系統(tǒng)裝調(diào)三位一體協(xié)同突破的智慧。
如今，離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)征程已從近地探測(cè)邁向深空探索，在長(zhǎng)春光機(jī)所的實(shí)驗(yàn)室里，新一代自由曲面離軸系統(tǒng)正悄然孕育。繼“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)之后，長(zhǎng)春光機(jī)所正將科研視野投向更為宏大的空間光學(xué)工程——在軌組裝空間望遠(yuǎn)鏡。長(zhǎng)春光機(jī)所已構(gòu)建起創(chuàng)新技術(shù)路徑：通過(guò)將模塊化鏡片組件分批送入太空，在軌道環(huán)境中完成高精度拼接組裝，從根本上突破傳統(tǒng)火箭運(yùn)輸對(duì)光學(xué)口徑的尺寸桎梏。
設(shè)想一下，當(dāng)數(shù)十乃至上百塊光學(xué)模塊在微重力環(huán)境下完成納米級(jí)精度對(duì)接，將最終形成百米級(jí)口徑的空間觀測(cè)系統(tǒng)。這臺(tái)具備超深空探測(cè)能力的中國(guó)“萬(wàn)里眼”有望懸浮蒼穹，以超越現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡數(shù)倍的集光能力，開啟對(duì)宇宙暗物質(zhì)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(yuǎn)鏡示意圖 圖片來(lái)源：新聞聯(lián)播
參考文獻(xiàn)
[1]黃淮,林峰.大對(duì)稱視場(chǎng)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué),2023,44(05):952-958.
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出品丨科普中國(guó)
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審校丨徐來(lái)、張林林