“天問一號”拍火星的相機不一般

■孟慶宇

●在距目標(biāo)200千米開外即可“明察秋毫”

●憑強壯“骨骼”既身輕如燕又穩(wěn)如泰山

●像拖布定向拖地一樣可實現(xiàn)“推掃成像”

前不久，國家航天局公布了“天問一號”傳回的首幅火星圖像。此圖像是“天問一號”高分辨率相機在距離火星約220萬千米處拍下的。圖中，火星阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑以及最長峽谷——水手谷等標(biāo)志性地貌清晰可見。

圖像一公布，就吸引了全世界的目光。這部高分辨率相機，也一度成為人們眼中的“明星”。

　高分辨率的秘密：長焦距離軸光學(xué)系統(tǒng)

這部高分辨率相機，能在距離目標(biāo)265千米處實現(xiàn)0.5米分辨率的光學(xué)成像。這就如同站在長春市中心觀看沈陽市中心的一臺轎車，甚至可以分辨出是三廂車還是兩廂車，絕對稱得上是“明察秋毫”。具備這一非凡功力，首先要得益于先進的光學(xué)系統(tǒng)。

光學(xué)系統(tǒng)是相機的核心部分，它能將遠(yuǎn)處的景物成像在感光元件上，從而實現(xiàn)照相功能。像素分辨率是我們最關(guān)注的相機性能指標(biāo)，表示照片上的1個像素對應(yīng)遠(yuǎn)處被拍攝景物的尺寸。根據(jù)幾何光學(xué)物像關(guān)系，分辨尺寸、照相距離(衛(wèi)星飛行高度)、焦距、像元尺寸等4個參數(shù)，構(gòu)成一個相似三角形的幾何關(guān)系。從這個關(guān)系可以得出，相機分辨率越高，光學(xué)系統(tǒng)焦距就越長，相應(yīng)的鏡頭口徑就越大。

小型光學(xué)系統(tǒng)，如常見的消費級單反鏡頭、手持望遠(yuǎn)鏡等，基本上由光學(xué)玻璃制造的透鏡組成，其特點是焦距短、分辨率低。由于大尺寸的優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃難以制造，且光學(xué)玻璃自身力學(xué)、熱學(xué)性能欠佳，容易產(chǎn)生色差，因此長焦距大口徑的光學(xué)系統(tǒng)基本采用反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)。

在反射式光學(xué)系統(tǒng)中，透鏡功能由反射鏡代替。其中，可使光線匯聚的凸透鏡由凹面反射鏡代替，可使光線發(fā)散的凹透鏡由凸面反射鏡代替。大型天文望遠(yuǎn)鏡以及高分辨率航天相機中，均使用反射式光學(xué)系統(tǒng)。

反射式光學(xué)系統(tǒng)按照光軸特性可分為兩大類：同軸光學(xué)系統(tǒng)和離軸光學(xué)系統(tǒng)。

同軸光學(xué)系統(tǒng)中，每個反射鏡都是旋轉(zhuǎn)對稱的。這一特點，使得反射鏡的加工難度與光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)集成難度都相對較小。受限于制造水平，大部分反射式光學(xué)系統(tǒng)基本上采用同軸結(jié)構(gòu)形式。

離軸光學(xué)系統(tǒng)中，大部分反射鏡沒有旋轉(zhuǎn)對稱軸，反射鏡位置的空間布局更為復(fù)雜。這種非對稱光學(xué)系統(tǒng)的反射鏡加工難度與系統(tǒng)裝調(diào)集成難度都很大。

雖然離軸光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)難度大，但其性能有很多過人之處。最重要的一點就是，在離軸光學(xué)系統(tǒng)的成像光路中，任何一個反射鏡都不會對其他反射鏡造成孔徑遮攔，從而使光學(xué)系統(tǒng)有效口徑降低。

光能量的收集能力決定著光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。比如，在同軸系統(tǒng)中，次反射鏡會對主反射鏡造成孔徑遮攔；如果反射鏡數(shù)量增多，造成的遮攔效應(yīng)也越大。這種感覺就像在眼鏡中心貼上一片黑色不透光的膠布，不僅影響了本應(yīng)該被眼睛收集的光能量，同時也造成光學(xué)系統(tǒng)分辨率下降。具有相同光學(xué)口徑的離軸光學(xué)系統(tǒng)，比同軸光學(xué)系統(tǒng)有更強的分辨能力。

“天問一號”高分辨率相機的光學(xué)系統(tǒng)，采用了不具有孔徑遮攔的長焦距離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，由3個具有光焦度的反射鏡和一個不具有光焦度的平面反射鏡組成。

光學(xué)系統(tǒng)焦距拉長，鏡頭尺寸也隨之增長。為了壓縮體積尺寸，適應(yīng)深空探測任務(wù)中相機重量資源極為有限的條件，高分辨率相機光學(xué)系統(tǒng)中的3個非球面反射鏡，采用了高陡度大偏離量的高次非球面。項目團隊克服光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、加工與檢測等重重困難，最終將光學(xué)系統(tǒng)主反射鏡與次反射鏡之間的距離縮小至750毫米以內(nèi)。這對于焦距為4640毫米、視場角為2°的離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)，體積尺寸表現(xiàn)極為優(yōu)秀。

另外，為使光學(xué)系統(tǒng)在具有良好成像質(zhì)量的同時，盡可能保證較為寬松的裝配公差，項目團隊在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)用了低敏感度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法。

　超輕量化與超穩(wěn)定性的訣竅：全碳化

光機結(jié)構(gòu)是相機的“骨骼”，為光學(xué)、電子學(xué)和熱控等系統(tǒng)提供支撐，確保光學(xué)系統(tǒng)位置狀態(tài)的穩(wěn)定。由于空間相機的光學(xué)系統(tǒng)極為精密，光學(xué)反射鏡需要按設(shè)計位置高精度安放，才能確保光學(xué)系統(tǒng)良好的成像質(zhì)量。

火星探測器發(fā)射時，對相機的沖擊震動極大，光機結(jié)構(gòu)需要在劇烈變化的力學(xué)環(huán)境中，使相機中每個光學(xué)元件保持位置穩(wěn)定性，確保每個元件的位置變動在5微米內(nèi)。這就需要相機的“骨骼”極為強壯，也就是專業(yè)上所說的“結(jié)構(gòu)應(yīng)具有高剛度”。

但是，深空探測重量可分配資源極為有限。這部焦距近5米的相機，可設(shè)計質(zhì)量僅為43千克，如何使光機結(jié)構(gòu)設(shè)計得既“身輕如燕”又“穩(wěn)如泰山”，是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。經(jīng)過科學(xué)論證，項目組提出了“全碳化”相機的設(shè)計理念。

在光學(xué)反射鏡材料上，主反射鏡與三反射鏡均使用了具有低密度、高彈性模量、高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)的碳化硅材料。通過設(shè)計，反射鏡在87%輕量化率的情況下，仍能保證良好的力學(xué)性能。

相機結(jié)構(gòu)的框架，由碳化硅鋁基復(fù)合材料制成。通過優(yōu)化設(shè)計，確定框架的材料分布，形成加強筋與薄板組合的輕量化結(jié)構(gòu)，輕量化率達到90%以上，且具有很高的結(jié)構(gòu)剛度。連接框架的支撐桿，由高模量碳纖維復(fù)合材料制成，每根近1米長的支撐桿，重量僅500克左右。

這樣高輕量化的光機結(jié)構(gòu)，在火箭發(fā)射沖擊振動等嚴(yán)苛力學(xué)環(huán)境下，可保證光學(xué)反射鏡的間距最大變動量不超過5微米。對于750毫米左右的反射鏡設(shè)計間距來講，相對變化量不到十萬分之一，真正算得上是“穩(wěn)如泰山”。

　一機完成多種任務(wù)的關(guān)鍵：兩種“視網(wǎng)膜”

焦面成像探測器是相機的“視網(wǎng)膜”，光學(xué)系統(tǒng)將景物成像在探測器上，從而完成拍攝。

為了獲得更多的科學(xué)產(chǎn)出，高分辨率相機規(guī)劃了多個科學(xué)目標(biāo)：包括對火星表面重點區(qū)域精細(xì)觀測、長期重訪覆蓋觀測，對著陸區(qū)域高分辨率觀測，對火星天氣現(xiàn)象動態(tài)觀測等。不同的科學(xué)目標(biāo)，需要用到的“視網(wǎng)膜”也不相同。

高分辨率相機充分利用獨特的光學(xué)視場，在一個像面上巧妙地設(shè)置了兩種類型的成像探測器：多光譜TDI-CCD探測器和全色面陣CMOS探測器。3片多光譜TDI-CCD探測器呈“品”字形布局在像面，2片全色面陣CMOS探測器則分布在像面兩端。

TDI-CCD探測器是一種線陣成像的探測器，成像時通過景物與探測器的相對運動而不斷輸出圖像。這種成像方式叫作“推掃成像”，其工作原理就像拖布定向拖地一樣，所拖過的區(qū)域是完成的成像區(qū)域，拖布的寬度就是成像的幅寬。這類似于我們拍大合影時的轉(zhuǎn)機照相，照片的長度方向是TDI-CCD“推掃成像”方向，也是相機和衛(wèi)星的飛行方向，照片寬度則是成像幅寬。

高分辨率相機的TDI-CCD探測器配置有全色、彩色(紅、綠、藍)與近紅外5個成像譜段，可以同時推掃出全色圖像、RGB彩色圖像、近紅外圖像。“天問一號”高分辨率相機在距火星表面約330～350千米高度拍攝的0.7米分辨率全色圖像，即是應(yīng)用TDI-CCD探測器推掃拍攝的。

全色面陣CMOS探測器與我們?nèi)粘Ｊ褂玫膯畏聪鄼C的探測器功能一樣，既可實現(xiàn)畫幅面陣成像，又可實現(xiàn)視頻成像。“天問一號”高分辨率相機在距離火星約220萬千米處拍攝的首幅火星圖像，就是全色面陣CMOS探測器的杰作。

(作者系中國科學(xué)院長春光機所副研究員、“天問一號”高分辨率相機副主任設(shè)計師)