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”，它真正的名字是——離軸三反光學(xué)系統(tǒng)。

此前，這項核心技術(shù)長期被歐美國家列入“禁止出口”清單，實施嚴密的技術(shù)封鎖。如今，我國的科學(xué)家們已突破重重壁壘，使其成為我國空間探索任務(wù)中不可或缺的“標準配置”。

無遮攔的“火眼金睛”

傳統(tǒng)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(shè)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(xiàn)目標的視角增大和亮度提升。然而，這種同軸系統(tǒng)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(xué)家們制造出離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，巧妙地將三個反射鏡進行離軸排布，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阻地到達“視網(wǎng)膜”。如同擦掉眼鏡上的黑點，采用離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的探測器，其成像對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)。

“魚與熊掌”之“高分辨率與大視場”兼得

空間遙感領(lǐng)域有個經(jīng)典難題：想要實現(xiàn)高分辨率（如從太空看清地面車牌），需要增加鏡頭焦距；想要實現(xiàn)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(shè)計值，會導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)卻像一位“魔術(shù)師”，能夠同時實現(xiàn)高分辨率與大視場。

離軸三反光學(xué)系統(tǒng)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(shù)，將三片非球面鏡的離軸量精確控制在微米級，最終實現(xiàn)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(qū)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(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(shù)后立即進行技術(shù)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(chǎn)權(quán)的第三代大口徑非球面數(shù)控加工設(shè)備，有效打破了國外的設(shè)備禁運和技術(shù)封鎖。

征途下一程：從火星到深空

如今，離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)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(tǒng)正悄然孕育。繼“天問一號”任務(wù)之后，長春光機所正將科研視野投向更為宏大的空間光學(xué)工程——在軌組裝空間望遠鏡。

設(shè)想一下，當數(shù)十塊乃至上百塊光學(xué)模塊在微重力環(huán)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(tǒng)。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(xiàn)有望遠鏡數(shù)倍的集光能力，開啟對宇宙暗物質(zhì)分布、系外行星大氣成分及早期星系演化的前沿探索。

原標題：《“歐美長期嚴密封鎖”，中國科學(xué)家突破！》

欄目主編：秦紅 文字編輯：盧曉川