从“中国魔镜”到“卫星上的镜子”

近日，中科院西安光学精密机械研究所自主研发的“全铝自由曲面相机”在轨测试取得圆满成功，获得了首批高质量对地观测和夜间观星图像，国内首次实现了“全铝光机+全自由曲面”新型光学成像体制的在轨演示验证。“全铝光机”即光学镜片和机械结构都采用同一种铝合金材料，替代传统“玻璃镜片+选配结构”的光机构型模式。什么是全自由曲面？它的优势到底有哪些？

▲从铝材到光学镜片的过程

我国北宋著名科学家沈括在《梦溪笔谈》中描述了一种神奇的透光镜，被称之为“中国魔镜”，这算得上是“全自由曲面相机”的鼻祖。这种铜镜正面光亮照人，背面是文字及图案，当光束照射到镜面并被反射投到墙壁上时，本应是一个平淡无奇的圆形光斑，然而这个光斑内会呈现背面的文字及图案，好像透过来似的，因此称之为透光镜。西方科学家于18世纪发现这个透光镜后，自19世纪至今，经过中西方学者的大量研究，透光镜“透光”的谜底才渐渐浮出水面。

▲全铝自由曲面相机

▲西安光机所空间光子信息技术研究室副主任 全铝自由曲面相机研发团队带头人 毛祥龙

西安光机所空间光子信息技术研究室副主任，全铝自由曲面相机研发团队带头人毛祥龙：“镜子表面每个点的变化，它会受到背部的这个图形的影响，产生了一个选择性的一个变形，所以就会导致了它对光的这个控制，就会跟背部的这个图形建立一个联系。”

▲全铝自由曲面相机从太空拍摄到的渭河和咸阳机场图片

1993年，自由曲面光学元件就被用于修复哈勃望远镜，由航天员携带到太空并安装到哈勃望远镜中，成功解决了哈勃望远镜因主镜加工误差导致的图像模糊问题，治疗了哈勃望远镜的“近视眼”，避免了巨大的灾难性损失，自由曲面技术也因而得名。

▲全铝自由曲面相机研究现场  光机所提供

毛祥龙：“自由曲面，它通常指的就是这种任意不规则的曲面，就跟我们吃的这个薯片，或者我们见到这个哈哈镜一样。哈哈镜它跟咱球面镜不一样的地方在于，它每一个点它的这个曲率都是不一样的，相当于一个不规则的这个面，我们就叫做自由曲面。”

普通相机里面经常用到的球面透镜，它的最大好处是容易加工，但对光的调控自由度有限。自由曲面透镜最大的特点就是“不对称”，它的表面变化没有规则，却有一个好处，毛祥龙：“比如我一束光过来之后，我可以把这个一束光聚的更小。更小的意思就是说分辨率可以更高，拍出来的图像更加清晰。”

▲全自由曲面光学元件的应用场景

自由曲面的这种“不规则”的特性，可以在一个镜面折射出多个角度的光线，更容易根据需要选择不同角度光线成像，为实际应用提供了多种便利。原来需要几组球面透镜相互补充、配合完成的工作，现在可能只需要一、两面全自由曲面透镜，就可以达到同样甚至更优化的成像效果。

因此，在成像光学领域，自由曲面的使用，可以大幅减少手机镜头数量、提升手机镜头拍摄质量；可以实现汽车抬头显示的功能，司机只要抬头就可以看到导航等信息与道路融合，为下一步的智能网联汽车发展，提供了技术支撑；还可以减轻VR头戴显示的重量；将投影距离从十几米缩短到几十厘米等。

除此之外，自由曲面还被广泛应用到激光匀化整形、LED道路/室内照明、LED车灯、太阳能光伏等，特别是带动了整个半导体照明行业向终端应用的跨越式发展。自由曲面在航天航空领域也具有重要的应用前景，被业界广泛认为是一种革命性光学技术。

毛祥龙：“美国宇航局、欧洲航空间局，都在去部署自由曲面的事情。他们也在思考，在詹姆斯韦博望远镜之后，他们应该再推一个什么样的新的这样一个相机，目前他们的很多方案里都是把自由曲面这一块加进去了。”

毛祥龙说“天上十分钟，地上十年功”，正是由于西安光机所在全自由曲面领域，持续不断地进行了近十年的技术研发，才有了在2021年时间紧、任务重的情况下，仅用了半年时间，全铝自由曲面相机研发团队就完成了相机的研制，实现了我国“全铝自由曲面相机”应用基础研究向航天工程应用从0到1的重大突破。

毛祥龙带领的研发团队只有4名成员，平均年龄33岁，科研攻关最关键的时候，他们吃住在单位，顾不上照顾家里，为了弥补这份亏欠，他们做了一个特别的决定。

西安光机所全铝自由曲面相机研发团队结构负责人高荣：“团队负责人毛博士就说，我们不如把娃的姓名就刻在这个相机的底板上，每个家长在这个地方把娃的名字都刻上去，到时候等相机发上去了之后，我们也可以指着这个（卫星）对他说，你看，这个卫星上面有你的名字哎。”

起点新闻记者：刘洁

编辑：王迪