天问一号拍火星的相机不一般：200千米开外明察秋毫

不久前，国家航天局发布了“天问一号”传到的首幅火花图象。此图象是“天问一号”高分辨率照相机在间距火花约220万千米处拍下的。图上，火花阿茜达利亚平原区、克律塞平原区、子午高原地区、斯基亚帕雷利坑及其最多大峡谷——海员谷等代表性地形地貌清楚可见。

　　图象一发布，就吸引住了全球的眼光。这一部高分辨率照相机，也一度变成大家眼里的“大牌明星”。

　　高分辨率的密秘：长焦镜头间距轴光学系统

　　这一部高分辨率照相机，能在间距总体目标265公里处完成0.5米屏幕分辨率的电子光学成像。这就好似立在长春管理中心收看沈阳市中心的一台小汽车，乃至能够辨别出是三厢车或是两箱车，肯定称之为是“独具慧眼”。具有这一不凡功底，最先要归功于优秀的光学系统。

　　光学系统是照相机的关键一部分，它能将远方的景色成像在感光元件上，进而完成拍照作用。清晰度屏幕分辨率是大家最关心的照相机性能参数，表明相片上的一个清晰度相匹配远方被拍攝景色的规格。依据几何光学虚像关联，辨别规格、拍照间距(通讯卫星飞机飞行高度)、镜头焦距、像元规格等4个主要参数，组成一个相似三角形的几何图形关联。从这一关联能够得到，相机分辨率越高，光学系统镜头焦距就越长，相对应的摄像镜头规格就越大。

　　中小型光学系统，如普遍的消費级单反镜头、手执望眼镜等，大部分由光学镜片生产制造的镜片构成，其特性是镜头焦距短、屏幕分辨率低。因为大容量的高品质光学镜片无法生产制造，且光学镜片本身结构力学、热力学特性较差，非常容易造成偏色，因而长镜头焦距大口径的光学系统基本上选用双光束电子光学构造。

　　在双光束光学系统中，镜片作用由反射镜替代。在其中，可使光源聚集的凸透镜由球面反射镜替代，可使光源散发的凹透镜由凸形反射镜替代。大中型天文望远镜及其高分辨率航空航天照相机中，均应用双光束光学系统。

　　双光束光学系统依照直线光轴特点可分成两类：同轴线光学系统和离轴光学系统。

　　同轴线光学系统中，每一个反射镜全是旋转对称的。这一特性，促使反射镜的生产加工难度系数与光学系统的装调遣成难度系数都相对性较小。受制于生产制造水准，绝大多数双光束光学系统大部分选用同轴线结构形式。

　　离轴光学系统中，绝大多数反射镜沒有转动中心对称，反射镜部位的功能分区更加繁杂。这类非对称加密光学系统的反射镜生产加工难度系数与系统软件装调遣成难度系数都非常大。

　　尽管离轴光学系统完成难度系数大，但其特性有很多独到之处。最重要的一点便是，在离轴光学系统的成像激光光路中，一切一个反射镜都不容易对别的反射镜导致直径遮掩，进而使光学系统合理规格减少。

　　光动能的搜集工作能力决策着光学系统的屏幕分辨率。例如，在同轴线系统软件中，次反射镜会对主反射镜导致直径遮掩；假如反射镜总数增加，导致的遮掩效用也越大。这种感觉如同在近视眼镜管理中心贴上一片灰黑色不透的胶带，不但危害了本应当被双眼搜集的光动能，另外也导致光学系统屏幕分辨率降低。具备同样电子光学规格的离轴光学系统，比同轴线光学系统有更强的辨别工作能力。

　　“天问一号”高分辨率照相机的光学系统，选用了不具备直径遮掩的长焦镜头间距轴三反射镜光学系统，由3个具备光焦度的反射镜和一个不具备光焦度的平面图反射镜构成。

　　光学系统镜头焦距变长，摄像镜头规格也随着提高。为了更好地缩小容积规格，融入深空探测每日任务中照相机净重資源极其比较有限的标准，高分辨率照相机光学系统中的3个非球面反射镜，选用了高陡度大偏移量的高次非球面。新项目精英团队摆脱光学系统设计方案、生产加工与检验等艰难险阻，最后将光学系统主反射镜与次反射镜中间的间距变小至750mm之内。这针对镜头焦距为4640mm、视场角为2°的离轴双光束光学系统，容积规格主要表现极其出色。

　　此外，为使光学系统在具备优良成像品质的另外，尽量确保比较比较宽松的安装尺寸公差，新项目精英团队在光学系统设计过程中，运用了低敏感性光学系统设计方法。

　　超汽车轻量化与超可靠性的技巧：全炭化

　　铣机构造是照相机的“人体骨骼”，为电子光学、电力电子技术和热控等系统软件出示支撑点，保证 光学系统部位情况的平稳。因为室内空间照相机的光学系统极其高精密，电子光学反射镜必须按设计方案部位高精密放置，才可以保证 光学系统优良的成像品质。

　　火花探测器发送时，对照相机的冲击性振动巨大，铣机构造必须在强烈转变 的结构力学自然环境中，使照相机中每一个光电器件维持部位可靠性，保证 每一个元器件的部位变化在5微米内。这就必须照相机的“人体骨骼”极其健壮，也就是技术专业上常说的“构造应具备高弯曲刚度”。

　　可是，深空探测净重可资源分配极其比较有限。这一部镜头焦距近5米的照相机，可设计方案品质仅为43Kg，如何使铣机总体设计得既“身轻如燕”又“坚如磐石”，是一项具有趣味性的每日任务。历经科学分析论证，团队明确提出了“全炭化”照相机的设计构思。

　　在电子光学反射镜原材料上，主反射镜与三反射镜均应用了具备密度低、高弹性模具、高导热系数和低线膨胀系数的碳碳复合材料原材料。根据设计方案，反射镜在87%汽车轻量化率的状况下，仍能确保优良的物理性能。

　　照相机构造的架构，由碳碳复合材料铝基高分子材料做成。根据可靠性设计，明确架构的原材料遍布，产生筋板与金属薄板组成的汽车轻量化构造，汽车轻量化率做到90%之上，且具备很高的结构弯曲刚度。联接架构的支撑架，由高韧性碳纤维材料高分子材料做成，每根近一米长的支撑架，净重仅1斤上下。

　　那样高汽车轻量化的铣机构造，在火箭升空冲击性震动等苛刻结构力学自然环境下，可确保电子光学反射镜的间隔较大 变化量不超过5微米。针对750mm上下的反射镜设计方案间隔而言，相对性变化量不上十万分之一，真实称得上是“坚如磐石”。

　　一机进行多种多样每日任务的重要：二种“眼底黄斑”

　　焦面成像探测器是照相机的“眼底黄斑”，光学系统将景色成像在探测器上，进而进行拍攝。

　　为了更好地得到大量的科学研究产出率，高分辨率照相机整体规划了好几个科学研究总体目标：包含对火星表面重污染区域细致观察、长期性重访遮盖观察，对降落地区高分辨率观察，对火花自然现象动态性观察等。不一样的科学研究总体目标，必须采用的“眼底黄斑”都不同样。

　　高分辨率照相机灵活运用与众不同的电子光学视场，在一个像表面恰当地设定了二种种类的成像探测器：多光谱仪TDI-CCD探测器和全色面阵CMOS探测器。3片多光谱仪TDI-CCD探测器呈“品”字型合理布局在像面，2片全色面阵CMOS探测器则遍布在像面两边。

　　TDI-CCD探测器是一种线阵成像的探测器，成像时根据景色与探测器的相对速度而持续輸出图象。这类成像方法称为“推扫成像”，其原理如同拖把定项拖地板一样，所拖过的地区是进行的成像地区，拖把的总宽便是成像的宽幅。这类似大家拍团体合影时的转折拍照，相片的长短方位是TDI-CCD“推扫成像”方位，也是照相机和通讯卫星的航行方位，相片总宽则是成像宽幅。

　　高分辨率照相机的TDI-CCD探测器配备有全色、五颜六色(红、绿、蓝)与近红外光谱仪五个成像谱段，能够另外推扫出来全色图象、RGB数字图像、近红外光谱仪图象。“天问一号”高分辨率照相机在距火星表面约330～350公里高宽比拍攝的0.7米屏幕分辨率全色图象，就是运用TDI-CCD探测器推扫拍攝的。

　　全色面阵CMOS探测器与大家日常应用的单反的探测器作用一样，既可完成中画幅面阵成像，又可完成视頻成像。“天问一号”高分辨率照相机在间距火花约220万千米处拍攝的首幅火花图象，便是全色面阵CMOS探测器的作品。