你是否曾好奇，中国空间探索的辉煌成就背后，隐藏着怎样的技术秘密？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”，正是离轴三反光学系统——一项曾被欧美国家列入“禁止出口”清单、严密封锁的核心技术！
“天问一号”获取的首幅火星图像 图片来源：中国国家航天局
如今，我国科学家已突破重重壁垒，将这项技术变为空间探索的“标准配置”。它究竟有何魅力，能让我们在太空视野上实现逆袭？
无遮拦的“火眼金睛”：清晰度提升30%！
传统天文望远镜就像戴着一副带黑点的眼镜：次镜和支架会遮挡部分光线，影响成像。同轴系统存在先天矛盾——次镜太小，光线无法全部反射；次镜太大，又会遮住关键光束。
我国科学家另辟蹊径，打造出离轴三反光学系统，将三个反射镜离轴排布，彻底消除中心遮挡。就像擦掉眼镜上的污点，成像对比度提升30%以上，连火星表面的沟壑都一览无余！
“天问一号”拍摄的高清火星影像图 图片来源：中国国家航天局
“鱼与熊掌”兼得：高分辨率与大视场完美融合
空间遥感领域长期面临难题：高分辨率与大视场犹如鱼与熊掌，难以兼得。但离轴三反系统像一位魔术师，通过非对称光路设计，同时实现两者。
离轴三反光学系统光路图，M代表反射镜 图片来源：参考文献[1]
其奥秘在于打破旋转对称性，主镜倾斜、次镜与三镜离轴偏置，不仅消除遮拦，还赋予设计师更多调控维度。尽管会引入离轴像散与彗差，但长春光机所张学军院士团队通过自由曲面技术精准控制光线路径，视场角达30°×25°，分辨率高达2米——相当于从长春看清北京街头的车辆！
宽光谱波段“全能手”：从紫外到红外一网打尽
离轴三反系统卓越的光谱适应性，让它成为探测多面手。纯反射式设计无需复杂透镜组合，即可在紫外到中红外波段消像差，天然适配宽光谱探测。
“天问一号”利用它分析火星大气成分并拍摄地貌；“嫦娥”系列则用于月壤成分分析与形貌成像，实现“光谱+光学”复合功能。
“嫦娥5号”在“日地L1拉格朗日点”拍摄的地月合影 图片来源：中国国家航天局
“嫦娥5号”探测器动力下降过程降落相机拍摄的图像 图片来源：中国国家航天局
中国“光路巧匠”：打破封锁，自主创新
离轴三反系统的制造曾被视为“不可能任务”——三片非球面镜装调需控制18个自由度，难度如蒙眼拼异形积木。欧美在90年代突破后立即封锁，中国团队白手起家。
2002年，长春光机所张学军院士团队初创时，有人嘲讽：“你们设计不出、造不出、更调不好！”如今，这支百人团队已形成全链条能力，支撑我国40%以上高分辨率遥感卫星。张学军院士直言：“必须独立自主，形成核心竞争力！”
团队耗时十余年，研制出第三代大口径非球面数控加工设备，打破国外禁运。在装调方面，首创共基准技术，将自由度从18个降为6个，效率提升300%，达国际领先水平。
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
主、三镜共基准标定检测原理示意图 图片来源：作者自绘
采用计算全息法实现离轴三反光学系统主、三镜的共基准装调方案 图片来源：中国激光杂志社
下一站深空：百米级“万里眼”开启宇宙新视野
离轴三反系统正如其名：离轴代表创新勇气，三反象征协同智慧。如今，技术征程已迈向深空——长春光机所正研发在轨组装空间望远镜，通过模块化镜片太空拼接，突破火箭运输尺寸限制。
想象一下，百米级口径的“中国万里眼”悬浮苍穹，以超强集光能力探索暗物质、系外行星和早期星系，开启宇宙新篇章！
在轨组装空间望远镜示意图 图片来源：新闻联播
参考文献
[1]黄淮,林峰.大对称视场离轴三反光学系统设计[J].应用光学,2023,44(05):952-958.
策划制作
出品丨科普中国
监制丨中国科普博览
责编丨一诺
审校丨徐来、张林林
责任编辑：刘帮勇
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