＂天问一号＂拍火星的相机不一般
文章插图
图为“天问一号”高分辨率相机。
●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，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，因此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，同时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。
另外，为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，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、电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。
火星探测器发射时，对相机的冲击震动极大，光机结构需要在剧烈变化的力学环境中，使相机中每个光学元件保持位置稳定性，确保每个元件的位置变动在5微米内。这就需要相机的“骨骼”极为强壮，也就是专业上所说的“结构应具有高刚度”。
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