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”时祥盛期权，很少有人知道，记录这历史性瞬间的“眼睛”，它真正的名字叫做——离轴三反光学系统。
“天问一号”获取的首幅火星图像 图片来源：中国国家航天局
此前，这项核心技术长期被欧美国家列入“禁止出口”清单，实施严密的技术封锁。而如今，我国的科学家们已突破重重壁垒，使其成为我国空间探索任务中不可或缺的“标准配置”。那么，这项曾被层层封锁的技术，究竟蕴含着怎样的独特魅力与卓越性能呢？
无遮拦的“火眼金睛”
传统天文望远镜通常由物镜（折射式望远镜为透镜，反射式望远镜为凹抛物面主镜）和目镜（凸透镜）组成。这种设计的成像原理是遥远天体的微弱光线首先被大口径物镜收集并汇聚，随后在折射望远镜中，透镜折射光线在焦平面形成实像；反射望远镜则利用凹面主镜反射汇聚光线。最终，位于焦平面后方的目镜如同放大镜，将此实像再次放大形成供人眼观察的虚像，实现目标的视角增大和亮度提升。然而，这种同轴系统有个先天缺陷——次镜和支架会挡住部分入射光线，就像用带黑点的眼镜看世界。
因此，同轴系统存在一个不可调和的矛盾：次镜太小，无法将主镜接收的光线全部反射到后方光路当中去；次镜太大，则会遮住太多的光线，其效果就像月食时月亮的光辉被遮住一样，让我们无法看到完整的“月光”（即光学信息）。进一步讲，次镜所遮拦的光束是正对传感器中心的光束，该区域的光束是成像质量较好的近轴光束，我们希望能够尽可能多保留这部分光束。
为解决这一问题，我国的科学家们制造出离轴三反光学系统，巧妙地将三个反射镜进行离轴排布，打破传统的光学元件从前到后依次排列的传统布局，将部分反射镜安排在光轴之外，能够彻底消除中心遮挡，让每一束光线都畅通无阻地到达“视网膜”。如同擦掉眼镜上的黑点，采用离轴三反光学系统的探测器，其成像对比度相较于同轴系统提升了 30%以上，连火星表面的沟壑纹理都清晰呈现。
“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”之“高分辨率与大视场”兼得
空间遥感领域有个经典难题：想要实现高分辨率（如从太空看清地面车牌），需要增加镜头焦距；想要实现大视场（如从太空拍下整个城市），轴外点光线与光轴的夹角增大，其实际入射角度偏离设计值，会导致衍射光斑扩展，分辨率下降——二者犹如“鱼与熊掌”，不可兼得。而离轴三反光学系统却像一位“魔术师”，能够同时实现高分辨率与大视场。
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]
这种“鱼与熊掌兼得”的奥秘藏在离轴三反光学系统的非对称结构里。离轴三反光学系统能够打破传统同轴系统旋转对称性的几何束缚，将主镜倾斜、次镜与三镜离轴偏置，形成非对称光路。这种几何排布不仅能够彻底消除次镜的中心遮拦，使入射光线得到 100%利用，提高了光学系统的分辨率，还赋予光学设计更多的调控维度——设计师可独立优化每片镜子的倾角、离轴量与曲面参数，为像差校正开辟全新路径。
然而，离轴系统虽然能够解决遮拦问题，却引入了大视场下的离轴像散与彗差。离轴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点位置，导致离轴点光源无法汇聚成单一焦点，而是在空间上形成两条分离且相互垂直的焦线（子午焦线和弧矢焦线）的现象。彗差是指斜入射光束通过光学系统不同环形带区时，其聚焦点离轴的高度不同，导致离轴点光源成像为一个具有方向性的、非对称的彗星状弥散斑（亮斑拖着朝向或背离视场中心的尾巴）的现象。两者都严重影响视场边缘的成像质量，需要尽量消除或减小它们。
长春光机所的张学军院士团队通过高次项数学表达式来动态调整自由曲面的反射镜（如 XY 多项式曲面）镜面曲率祥盛期权，能够实现精准控制不同视场的光线路径，实现了“鱼与熊掌兼得”。
具体而言，团队通过计算全息检测（CGH）技术，将三片非球面镜的离轴量精确控制在微米级，最终实现的视场角达到惊人的 30°×25°，足以在 500 公里高空同时捕捉上海市区和太湖全貌，同时，地面分辨率也高达 2 米——相当于能从长春看清北京街头的一辆轿车。
宽光谱波段的“全能选手”
离轴三反的优越性能还体现在其卓越的光谱适应性上。由于材料的折射率会随光的波长变化而发生色散，因此需通过复杂的透镜组合来校正色差，难以覆盖紫外到红外的宽光谱。而纯反射式的离轴三反只需通过精密的镜面曲率设计和位置排布，即可在紫外到中红外波段（如 100nm-5μm）实现消像差（同时消除色差和单色像差如球差、彗差、像散等），天然适配宽光谱探测。
“天问一号”火星探测器的离轴三反光学系统覆盖紫外-可见光波段，既能通过紫外光谱分析火星大气成分（如臭氧、尘埃颗粒），又能利用可见光拍摄高清地貌，实现“光谱探测+光学成像”的复合功能。类似地，我国“嫦娥”系列月球探测器搭载的离轴三反相机可在紫外-近红外波段（300nm-1000nm）工作，用于月壤成分光谱分析与表面形貌成像。
“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
打破封锁，独立自主
离轴三反光学系统自由曲面反射镜的制造曾被称为“不可能完成的任务”。三片非球面镜不仅形状各异，装调时更要控制 18 个自由度，其难度相当于蒙眼把三块异形积木悬空拼成一座桥。欧美在 90 年代突破该技术后立即进行技术封锁，中国团队只能白手起家。
从 0 到 1 的突围充满故事性。2002 年长春光机所张学军院士团队初创时，曾有人断言：“离轴三反？你们既设计不出，也造不出，更调不好！”如今，这支百人团队已形成“设计-制造-检测-装调”全链条能力，支撑着我国 40%以上的高分辨率遥感卫星。正如团队灵魂人物张学军院士所言：“要形成自己的核心竞争力，不受制于人，我们必须独立自主。”
团队历时十余年，终于研制出具有自主知识产权的第三代大口径非球面数控加工设备，有效打破了国外的设备禁运和技术封锁。
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
在装调方面，张学军院士团队在国际上首次提出了离轴三反光学系统共基准装调技术。该技术将主镜和三镜的检测信息集成于同一块计算全息片（CGH，一种通过计算机设计、微纳加工制造的人工衍射光学元件。其核心原理是利用计算机模拟目标光波与参考光波的干涉过程，计算出对应的复杂干涉条纹图案即全息图；再通过精密刻蚀或光刻技术，将该数字化条纹结构转化为基片表面微浮雕或折射率调制结构。当用特定波长的相干光照射时，该微结构能精确衍射光线，重构出预先设计的任意复杂波前，从而实现复杂光学像差校正、光束整形、三维显示等功能），实现了主镜、三镜的共基准定位，使系统的装调自由度由 18 个降为 6 个，装调效率和精度大幅度提高。其中，基于计算全息技术的第二代共基准装调技术，大幅度拓展了 CGH 的应用领域，能够实现光路自动对齐，装调效率提升 300%，达到了国际领先水平。
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
离轴三反光学系统正如它的名字般特立独行——离轴，是不走寻常路的创新勇气；三反，是光学设计、精密制造、系统装调三位一体协同突破的智慧。
如今，离轴三反光学系统的技术征程已从近地探测迈向深空探索，在长春光机所的实验室里，新一代自由曲面离轴系统正悄然孕育。继“天问一号”任务之后，长春光机所正将科研视野投向更为宏大的空间光学工程——在轨组装空间望远镜。长春光机所已构建起创新技术路径：通过将模块化镜片组件分批送入太空，在轨道环境中完成高精度拼接组装，从根本上突破传统火箭运输对光学口径的尺寸桎梏。
设想一下，当数十乃至上百块光学模块在微重力环境下完成纳米级精度对接，将最终形成百米级口径的空间观测系统。这台具备超深空探测能力的中国“万里眼”有望悬浮苍穹，以超越现有望远镜数倍的集光能力，开启对宇宙暗物质分布、系外行星大气成分及早期星系演化的前沿探索。
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
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