火星：拍得不错！( 二 )
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孔径遮拦对分辨率的影响：无遮拦（左）遮拦比40%（右）
“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，设计焦距4640mm，由三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。
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“天问一号”高分辨率相机光学系统
光学系统焦距长，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三个非球面反射镜采用了高陡度大偏离量的高次非球面。项目团队克服了光学系统设计、加工与检测等重重困难，最终使光学系统主反射镜与次反射镜之间的距离不到750mm，这对于焦距为4640mm，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。
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光学系统的主镜、次镜、三镜与调焦平面镜实物图
同时，为了使光学系统在具有良好成像质量的同时尽可能保证较为宽松的装配公差，光学系统设计过程中应用了项目组提出的低敏感度光学系统设计方法，更有利于光学系统面向可实现性。
超轻量化&超稳定性的诀窍：全碳化
光机结构是相机的“骨骼”，为光学、电子学和热控等系统提供支撑，更重要的作用是确保光学系统位置状态的稳定。空间相机的光学系统极为精密，光学反射镜需要按照设计位置高精度安放，才能保证光学系统的良好成像质量。
火星探测器发射时，对相机的冲击振动极大，光机结构需要在剧烈变化的力学环境中保障相机中每个光学元件的位置稳定性，每个元件的位置变动要保证在5微米内，角晃动量要在几个角秒内，这就需要相机的“骨骼”极为强壮，专业术语称为结构应具有高刚度。
以下是“刚度”的示意图：小鸟虽轻，但是身下的杆子刚度很弱，轻易就被压弯了；大象虽然沉重，但是身下的杆子刚度很高，依然坚挺支撑着大象的身躯。
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低刚度 VS 高刚度（素材来源于veer图库）
但是，深空探测重量可分配资源极为有限，这台焦距近5m的相机可设计质量仅为43kg，如何使光机结构设计的既“身轻如燕”又“稳如泰山”，是一项极具挑战的任务。经过多年论证，项目组提出了“全碳化”相机的设计理念。
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相机轻量化设计理念
在光学反射镜材料上，主反射镜与三反射镜均使用了具有低密度、高弹性模量、高热导率和低热膨胀系数的碳化硅材料。通过设计，反射镜在87%轻量化率的情况下，仍能保证良好的力学性能。
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碳化硅主镜背部
相机结构的框架由碳化硅铝基复合材料制成，通过优化设计确定框架的材料分布，形成加强筋与薄板组合的轻量化结构，轻量化率达到90%以上，且具有很高的结构刚度。连接框架的支撑杆，由高模量碳纤维复合材料制成，每根近1m长的支撑杆，重量仅500g左右。
这样高轻量化的光机结构，在火箭发射冲击振动等严苛力学环境下，可以保证光学反射镜的间距最大变动量不超过5微米，对于750mm左右的反射镜设计间距来讲，相对变化量不到十万分之一，真正算得上是“稳如泰山”。
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高分辨率相机桁架结构
一机完成多种任务的关键：两种“视网膜”
焦面成像探测器是相机的“视网膜”，光学系统将景物成像在探测器上，完成拍摄。为了获得更多的科学产出，高分辨率相机规划了多种科学目标：包括对火星表面重点区域精细观测、长期重访覆盖观测，对着陆区域高分辨率观测，对火星天气现象的动态观测等。不同的科学目标需要用到的“视网膜”并不相同。
高分辨率相机充分利用2°×0.7°的光学视场，在一个像面上巧妙地设置了两种类型的成像探测器：多光谱TDI-CCD探测器和全色面阵CMOS探测器。3片多光谱TDI-CCD探测器呈“品”字形布局在像面，2片全色面阵CMOS探测器分布在像面两端。
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高分辨率相机焦面探测器布局图(上) 焦面探测器集成工作图（下）
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