火星：拍得不错！
出品：科普中国
制作：孟庆宇
监制：中国科学院计算机网络信息中心
本文作者系中国科学院长春光机所副研究员，中科院青年创新促进会会员，“天问一号”高分辨率相机副主任设计师，项目光学系统负责人。
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“天问一号” 获取的首幅火星图像（距离火星约220万公里）
（图片来源：国家航天局）
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火星全色图像（拍摄距离火星表面约330千米-350千米高度，分辨率约0.7米）
（图片来源：国家航天局）
这些照片是用什么相机拍的呢？
答案是：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（简称“中科院长春光机所”）研制的“天问一号”高分辨率相机！
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“天问一号”高分辨率相机
我国第一台为火星拍摄高清图像的相机有多优秀？来看看它的“测评报告”吧。
高分辨率的秘密：长焦距离轴光学系统
“天问一号”高分辨率相机能在距离目标265km处实现0.5m分辨率的光学成像，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”，这首先要得益于先进的光学系统。
光学系统是相机的核心部分，它将远处的景物成像在感光元件上(如胶片、CCD探测器)，实现照相功能。像元分辨率是我们最关注的相机指标，表示照片上的1个像元（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)、焦距与像元尺寸这四个参数构成一个相似三角形的几何关系，如下图所示。从这个关系可以得出，相机分辨率要求越高，光学系统焦距需要越长，相应的镜头口径也需要更大。“天问一号”高分辨率相机要达到如前所述的分辨率，光学系统焦距需要近5米。
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【火星：拍得不错！】物像关系
小型光学系统，如常见的消费级单反镜头、手持望远镜等，基本由光学玻璃制造的透镜组成，特点是焦距短，分辨率低。由于大尺寸的优质光学玻璃难于制造，且光学玻璃自身还具有力学、热学性能欠佳，产生色差等缺点，因此长焦距大口径的光学系统基本采用反射式光学结构设计研制。
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。在大型天文望远镜、高分辨率航天相机中，基本均使用反射式光学系统。
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凸透镜与凹面反射镜
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凹透镜和凸面反射镜
反射式光学系统按照光轴特性可以分为两大类：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，这种特点决定了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，几百年来的大部分反射式光学系统基本均采用同轴结构形式。
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性更为复杂，这种失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。
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同轴反射式光学系统（左）与离轴反射式光学系统（右）
虽然离轴光学系统实现难度大，但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，任何一个反射镜不会对其他反射镜造成孔径遮拦，使光学系统有效口径降低，也就是我们通俗理解的“挡光”。光能量的收集能力（更严格意义的讲应是“光学系统的有效口径”）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，造成的遮挡效应也越大，这种感觉就像在眼镜中心贴上了一片黑色不透光的胶布，影响了本应该被眼睛收集的光能量，同时也造成光学系统分辨率下降。
下图仿真计算了具有相同某个焦距与孔径的同轴光学系统与离轴光学系统的分辨能力对比：没有遮拦的离轴光学系统能够很好地分辨出两个圆点（左图）；而遮拦比达到40%（例如主反射镜口径为100mm，次发射镜口径为40mm）的同轴光学系统对两个圆点的分辨能力下降（右图）。所以，具有相同光学口径的离轴光学系统比同轴光学系统具有更强的分辨能力。
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