天问一号拍火星的相机不一般：200千米开外明察秋毫

　　“天问一号”拍火星的相机不一般

　　■孟庆宇

　　●在距目标200千米开外即可“明察秋毫”

　　●凭强壮“骨骼”既身轻如燕又稳如泰山  

　　●像拖布定向拖地一样可实现“推扫成像”

　　前不久，国家航天局公布了“天问一号”传回的首幅火星图像。此图像是“天问一号”高分辨率相机在距离火星约220万千米处拍下的。图中，火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑以及最长峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。

　　图像一公布，就吸引了全世界的目光。这部高分辨率相机，也一度成为人们眼中的“明星”。

　　高分辨率的秘密长焦距离轴光学系统

　　这部高分辨率相机，能在距离目标265千米处实现0.5米分辨率的光学成像。这就如同站在长春市中心观看沈阳市中心的一台轿车，甚至可以分辨出是三厢车还是两厢车，绝对称得上是“明察秋毫”。具备这一非凡功力，要得益于先进的光学系统。

　　光学系统是相机的核心部分，它能将远处的景物成像在感光元件上，从而实现照相功能。像素分辨率是我们最关注的相机性能指标，表示照片上的1个像素对应远处被拍摄景物的尺寸。根据几何光学物像关系，分辨尺寸、照相距离(卫星飞行高度)、焦距、像元尺寸等4个参数，构成一个相似三角形的几何关系。从这个关系可以得出，相机分辨率越高，光学系统焦距就越长，相应的镜头口径就越大。

　　小型光学系统，如常见的消费级单反镜头、手持望远镜等，基本上由光学玻璃制造的透镜组成，其特点是焦距短、分辨率低。由于大尺寸的优质光学玻璃难以制造，且光学玻璃自身力学、热学性能欠佳，容易产生色差，长焦距大口径的光学系统基本采用反射式光学结构。

　　在反射式光学系统中，透镜功能由反射镜代替。其中，可使光线汇聚的凸透镜由凹面反射镜代替，可使光线发散的凹透镜由凸面反射镜代替。大型天文望远镜以及高分辨率航天相机中，均使用反射式光学系统。

　　反射式光学系统按照光轴特性可分为两大类同轴光学系统和离轴光学系统。

　　同轴光学系统中，每个反射镜都是旋转对称的。这一特点，使得反射镜的加工难度与光学系统的装调集成难度都相对较小。受限于制造水平，大部分反射式光学系统基本上采用同轴结构形式。

　　离轴光学系统中，大部分反射镜没有旋转对称轴，反射镜位置的空间布局更为复杂。这种非对称光学系统的反射镜加工难度与系统装调集成难度都很大。

　　虽然离轴光学系统实现难度大，但其性能有很多过人之处。最重要的一点就是，在离轴光学系统的成像光路中，任何一个反射镜都不会对其他反射镜造成孔径遮拦，从而使光学系统有效口径降低。

　　光能量的收集能力决定着光学系统的分辨率。比如，在同轴系统中，次反射镜会对主反射镜造成孔径遮拦；如果反射镜数量增多，造成的遮拦效应也越大。这种感觉就像在眼镜中心贴上一片黑色不透光的胶布，不仅影响了本应该被眼睛收集的光能量，也造成光学系统分辨率下降。具有相同光学口径的离轴光学系统，比同轴光学系统有更强的分辨能力。

　　“天问一号”高分辨率相机的光学系统，采用了不具有孔径遮拦的长焦距离轴三反射镜光学系统，由3个具有光焦度的反射镜和一个不具有光焦度的平面反射镜组成。

　　光学系统焦距拉长，镜头尺寸也随之增长。为了压缩体积尺寸，适应深空探测任务中相机重量资源极为有限的条件，高分辨率相机光学系统中的3个非球面反射镜，采用了高陡度大偏离量的高次非球面。项目团队克服光学系统设计、加工与检测等重重困难，最终将光学系统主反射镜与次反射镜之间的距离缩小至750毫米以内。这对于焦距为4640毫米、视场角为2°的离轴反射式光学系统，体积尺寸表现极为优秀。

　　，为使光学系统在具有良好成像质量的，尽可能保证较为宽松的装配公差，项目团队在光学系统设计过程中，应用了低敏感度光学系统设计方法。

　　超轻量化与超稳定性的诀窍全碳化

　　光机结构是相机的“骨骼”，为光学、网子学和热控等系统提供支撑，确保光学系统位置状态的稳定。由于空间相机的光学系统极为精密，光学反射镜需要按设计位置高精度安放，才能确保光学系统良好的成像质量。