2021年，中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在距離地球220萬(wàn)公里的茫茫深空，傳回了首張高清火星照片，讓我們?nèi)绱饲逦乜吹搅诉@顆紅色星球的面容。而定格這一歷史性瞬間的“眼睛”，正是名為“離軸三反光學(xué)系統(tǒng)”的精密設(shè)備。

然而，這項(xiàng)為"天問(wèn)"打造"火眼金睛"的關(guān)鍵技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)卻被歐美嚴(yán)密封鎖，禁止我國(guó)染指。那么，這項(xiàng)技術(shù)究竟有何特別之處？歐美為何要長(zhǎng)期嚴(yán)防死守呢？

光學(xué)系統(tǒng)革新

傳統(tǒng)的大型空間望遠(yuǎn)鏡或高分辨率的相機(jī)，大多都采用的是同軸光學(xué)系統(tǒng)。它們的主鏡，次鏡等光學(xué)元件都排列在同一條光軸上，這樣就會(huì)造成一個(gè)麻煩問(wèn)題：即位于主鏡前方的次鏡及其支撐結(jié)構(gòu)，會(huì)無(wú)可避免地遮擋一部分本該進(jìn)入鏡頭的光線。

這就好比你戴了一副眼鏡，鏡片上卻有個(gè)無(wú)法消除的黑點(diǎn)，時(shí)刻干擾視線。這種遮擋不僅減少了進(jìn)光量，還會(huì)降低成像對(duì)比度，導(dǎo)致畫面細(xì)節(jié)變得模糊。雖然可以通過(guò)縮小次鏡來(lái)減少遮擋，但這又會(huì)造成主鏡邊緣光線的損失，形成"漏光"現(xiàn)象。

那么有沒(méi)有更好的解決方案呢？離軸三反光學(xué)系統(tǒng)就是為此而生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。這項(xiàng)技術(shù)的精妙之處在于，它打破了光學(xué)元件必須沿中心軸排列的傳統(tǒng)思路，通過(guò)讓主鏡、次鏡和反射鏡偏離中心軸的特殊排布，徹底消除了中心遮擋，實(shí)現(xiàn)了100%的光線利用率。

這意味著來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的每一縷微弱星光都能被充分利用，大幅提升了圖像的純凈度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。實(shí)測(cè)表明，其成像對(duì)比度比傳統(tǒng)同軸系統(tǒng)高出30%以上。

此外，這種純反射式設(shè)計(jì)還避免了折射透鏡因材料特性導(dǎo)致的色差問(wèn)題，使其能夠完美適配從紫外到可見(jiàn)光再到紅外的寬光譜范圍。

這一特性對(duì)深空探測(cè)尤為重要，因?yàn)椴煌ǘ蔚墓鈹y帶不同的信息：紫外光可分析大氣成分，可見(jiàn)光展現(xiàn)地貌特征，而紅外光則能探測(cè)溫度分布和特定分子存在。有了這樣的技術(shù)，科學(xué)家們便可以更清晰地感知深邃的宇宙。

破解封鎖密碼

正因這一技術(shù)如此關(guān)鍵，歐美國(guó)家在上世紀(jì)90年代掌握后，立即將其列入了嚴(yán)格的“封鎖清單”。相關(guān)設(shè)備的制造和裝調(diào)，一度被西方專家稱為“不可能完成的任務(wù)”。

這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面：首先，系統(tǒng)需要三面形狀各異，精度要求極高的非球面反射鏡，它們必須采用特殊的碳化硅（SiC）材料制成。這種材料輕且性能優(yōu)越，但加工極其困難。其次，如何實(shí)現(xiàn)將這三面鏡子的精準(zhǔn)定位和調(diào)整，同樣是一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)。

在如此高精度的光學(xué)領(lǐng)域，哪怕微米級(jí)的誤差都可能導(dǎo)致最終成像天差地別。但是，我們科學(xué)家們沒(méi)有退縮，而是迎難而上，一步步啃下了這兩塊硬骨頭。

在制造工藝上，長(zhǎng)春光機(jī)所的張學(xué)軍院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十余年攻關(guān)，在完全獨(dú)立自主的情況下，成功研發(fā)出了三代大口徑的非球面數(shù)控加工設(shè)備，成功制造出了符合要求的碳化硅自由曲面反射鏡。

更關(guān)鍵的突破是在調(diào)試技術(shù)上。張學(xué)軍團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了"共基準(zhǔn)裝調(diào)技術(shù)"，采用了一種獨(dú)特的"計(jì)算全息片"(CGH)，這個(gè)神奇的元件就像一個(gè)精密的"數(shù)字光學(xué)模型"，利用計(jì)算機(jī)精確模擬光線傳播和設(shè)備參數(shù)，為系統(tǒng)調(diào)試提供了精準(zhǔn)的定位基準(zhǔn)。

借助這項(xiàng)技術(shù)，可以在同一個(gè)高精度基準(zhǔn)下同時(shí)調(diào)整兩面鏡子的相對(duì)位置。這一創(chuàng)新將原本復(fù)雜得令人頭疼的18個(gè)調(diào)試參數(shù)，大幅減少到相對(duì)容易控制的6個(gè)，不僅簡(jiǎn)化了操作步驟，更顯著提高了調(diào)試的精度和效率。

正是憑借這種"設(shè)計(jì)+工藝"的雙重突破，我國(guó)科學(xué)家最終破解了離軸三反系統(tǒng)的"光學(xué)密碼"，將曾經(jīng)被封鎖的"不可能"變成了掌握在自己手中的"國(guó)之重器"。

深空未來(lái)展望

2021年，"天問(wèn)一號(hào)"成功進(jìn)入距火星表面265公里的工作軌道，其搭載的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越性能，以0.5米的精準(zhǔn)分辨率捕捉到了火星表面的細(xì)節(jié)。傳回的圖像中，火星上著名的水手谷，阿茜達(dá)利亞平原等地貌清晰可見(jiàn)，甚至連隕石坑邊緣的細(xì)節(jié)都一覽無(wú)余。

這樣出色的成像能力，展現(xiàn)了我國(guó)空間光學(xué)技術(shù)的頂尖水平。此外，系統(tǒng)成像系統(tǒng)和光譜系統(tǒng)相配合，還可以有效地分析火星大氣中的臭氧分布和塵埃含量，讓科學(xué)家們通過(guò)一次拍攝就能獲得多重科學(xué)數(shù)據(jù)，大大提升了探測(cè)效率。

當(dāng)然，我們的技術(shù)并不會(huì)止步于此。目前，我國(guó)的科學(xué)家正在研發(fā)一項(xiàng)更具雄心的技術(shù)：在軌組裝空間望遠(yuǎn)鏡。傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡受限于火箭的運(yùn)載能力，口徑很難突破4米。

我國(guó)這項(xiàng)新設(shè)想，將采用"化整為零"的策略：先把模塊化的鏡片組件分批送入太空，再在軌道上進(jìn)行納米級(jí)精度的拼接組裝。這種創(chuàng)新方式可以徹底擺脫火箭整流罩的尺寸限制，未來(lái)有望建造口徑達(dá)百米級(jí)的超大型空間望遠(yuǎn)鏡。

這樣的超級(jí)望遠(yuǎn)鏡將帶來(lái)革命性的觀測(cè)能力，可能是哈勃望遠(yuǎn)鏡的上百倍，能夠探測(cè)到更暗弱的天體信號(hào)?？茖W(xué)家們期待用它來(lái)研究暗物質(zhì)的分布特征，分析系外行星的大氣成分，甚至觀測(cè)宇宙早期星系的形成過(guò)程。

結(jié)尾

天問(wèn)一號(hào)拍攝的火星影像，可不僅僅是簡(jiǎn)單的一張照片，背后更藏著我國(guó)科學(xué)家們十幾年的“硬核”攻關(guān)。他們從零開(kāi)始，把歐美封鎖的“黑科技”變成了我們的國(guó)之重器，讓中國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域綻放耀眼光芒。

我們的探索永遠(yuǎn)不會(huì)停駐。正在推進(jìn)的在軌組裝望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，將在浩瀚太空中構(gòu)建新的“中國(guó)視界”。這項(xiàng)技術(shù)所帶來(lái)的將不僅觀測(cè)能力的躍升，更是人類探索暗物質(zhì)，解析系外行星，追溯宇宙起源的"天眼"。未來(lái)，中國(guó)智慧一定會(huì)為這部宇宙史詩(shī)寫下新的注腳。