空間光學遙感系統設計及反射膜的研制

徐子奇,高明輝

(1.長春電子科技學院,吉林 長春 130114;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所空間光學一部,吉林 長春 130033)

1 引 言

隨著空間技術的不斷發展,空間光學遙感系統在地球觀測、資源調查、環境檢測和城市規劃等領域得到了廣泛的應用[1-5]。反射鏡高反膜是空間遙感光學系統中的重要光學元件。為了觀測到更多的目標、獲取更多的地球以及空間觀測信息,對空間光學遙感系統的反向射膜提出了更高要求,即要求有更高的反射率,還要提升基底光學性能,降低空間環境對高反膜性能的影響以及降低薄膜應力等[6-7]。

20世紀50年代,英國雷丁大學率先開始從事空間紅外光學薄膜技術的研究工作[8]。我國以中國科學院長春精密機械研究所、浙江大學等為代表的單位,承擔了大量空間光學遙感系統光學薄膜產品的研制工作[9-10]。目前空間光學系統反射鏡鏡體的首選材料是表面改性碳化硅,碳化硅與金屬材料比較具有機械強度高,剛性好、硬度大,耐磨損、密度小、耐高溫,熱膨脹系數小、導熱系數高和耐腐蝕性好等優點,被廣泛應用于航空、航天、國防等領域[11-14]。

本文根據設計指標完成了對空間光學遙感系統的設計方案和薄膜制備等工作。實驗結果給出鋁基碳化硅鍍膜后,1064±5 nm處R=98.878%,膜層穩定性好,通過了環境適應性要求。

2 空間光學遙感系統設計

空間光學遙感系統的設計指標如表1所示,設計結果如圖1所示。其工作原理為:第一主反射鏡將入射光束進行會聚,使光束口徑變小;第二次反射鏡將第一主反射鏡會聚的光束進行折轉,并校正由第一主反射鏡產生的部分球差和彗差;第三反射鏡將第二次反射鏡折轉的光束繼續折轉;第四反射鏡將第三反射鏡折轉的光束繼續折轉,并校正第二次反射鏡引入的像散和場曲,并使光束最終成像在焦面上。其中第一主反射鏡(拋物面凹面鏡)與第二次反射鏡(凸面鏡)的頂點在該反射式光學系統的光軸上,以作離軸使用。第一主反射鏡的通光口徑為126.0 mm用于將入射光束進行會聚,使光束的口徑變小,并將會聚后的光束射入第二次反射鏡。第二次反射鏡的通光口徑為33.7 mm用于將所述第一主反射鏡會聚的光束進行折轉至第三反射鏡,并校正由所述第一主反射鏡產生的部分球差和彗差。第三反射鏡(平面反射鏡)的通光口徑為30.5 mm,用于將所述第二次反射鏡所折轉的光束繼續折轉至第四反射鏡,以使所述反射式光學系統緊湊,進一步使得該反射式光學系統具有小型化和輕量化的特點。第四反射鏡(雙曲面鏡)的通光口徑為94.8 mm,用于將第三反射鏡所折轉的光束繼續折轉至,并校正第二次反射鏡引入的像散和場曲,并使光束最終成像在焦面上。 第四反射鏡將第三反射鏡折轉的光束繼續折轉,并校正第二次反射鏡引入的像散和場曲,并將校正后的光束折轉至光闌面,再由光闌面將第四反射鏡所折轉的光束折射至焦面,以使光束在焦面上成像。

圖1 空間光學遙感系統

表1 空間光學遙感系統主要技術指標

該反射式光學系統的F數為2,入瞳直徑為125 mm,像方視場全高為12.3 mm,畸變小于0.5%,點列圖均方根直徑小于5 μm。具體地,各反射鏡的具體參數如表2所示。

表2 空間光學遙感系統具體參數

3 鋁基碳化硅表面反射膜設計

鋁基碳化硅的表面改性是在其表面鍍鎳層,采用鍍鎳的方式可保證鎳層的線膨脹系數與鋁基碳化硅復合材料的線膨脹系數相同,避免了鎳層在溫度變化時與基體熱性能不匹配而出現翹曲等現象,使鎳層與基體具有非常好的溫度匹配和結合力。在光學加工方面,單點金剛石車削可以直接對表面的鎳層進行加工,加工后具有較好的面形質量和表面光潔度。鋁基碳化硅表面改性后在改性的鎳層再鍍反射膜需要考慮反射膜層的附著性和牢固度,避免結合力不致密導致膜層脫落。本文采用在反射膜系設計中采用粘結層+金屬膜+介質膜+保護膜的方式。

根據空間光學遙感系統對成像光譜范圍的要求,反射膜在1064±5 nm處,反射率高于98.5%。依據物理氣象沉積的基礎理論,對于k(k=1,2,3,…) 層膜結構,膜層與基片的特征矩陣為:

(1)

式中,ηj為第j層薄膜材料的有效導納;ηg為基底材料的有效導納;σj為第j層膜的位相厚度,薄膜反射率為:

(2)

式中,η0為入射介質的有效導納。

綜合考慮光學薄膜在面形精度、附著力、溫度、濕度和反射率方面的要求,選擇n=2.27@1064 nm的TiO2,n=1.46@1064 nm的SiO2,n=0.82@1064 nm的Al為反射膜材料。用Essential Macleod膜系設計軟件對光學薄膜進行仿真模擬,軟件優化后得到的理論設計曲線如圖2所示,1064±5nm處R=99.147%。

圖2 反射膜的理論設計曲線

3 反射膜的制備

該實驗是在OZZSQ900型箱式真空鍍膜機上完成的,具體工藝流程如下:

(1)當真空度達到2.5×10-3Pa時開離子源清潔基底表面30 min;

(2)關閉離子源在Ni上用電子束蒸發方式沉積178.17 nm的粘結層(SiO2);

(3)在SiO2上用熱蒸發方式沉積144.48 nm的Al;

(4)在Al上用電子束蒸發SiO289 nm后開啟離子源輔助沉積SiO2和TiO2介質堆,TiO2和SiO2沉積工藝參數如表3所示。

表3 TiO2和SiO2沉積工藝參數

鍍膜樣品的反射光譜采用島津UV-2600i光譜儀進行測試,樣品反射率測試結果如圖3所示。實測值在1064±5 nm處反射率為98.967%比理論值低0.18%。誤差主要來源于薄膜的吸收損耗,但實驗結果仍能滿足設計指標要求。

圖3 樣品反射率測試曲線

將鍍膜樣品進行環境測試,測試結果如下:在附著力試驗中,以2 cm寬的膠帶紙,剝離強度不小于2.6 N/cm,粘在鍍膜樣品表面垂直迅速拉起,無脫膜現象。在溫度試驗中,將測試片放入溫控柜內,由室溫降到-30 ℃,保持12個小時;再將溫度緩慢升到30 ℃,保持12個小時,膜層無脫膜、裂紋、起泡現象。在濕度實驗中,鍍膜樣品件在相對濕度為80%～95%的條件下保持48 h無脫膜、裂紋、起泡現象。

4 結 論

本文設計了一種空間光學遙感系統,該系統通過將第一主反射鏡和第二次反射鏡為共軸系統離軸使用,即使用主次鏡的部分光學口徑,達到消除常規共軸系統存在中心遮攔的目的,從而進一步提高了集光能力且易于裝調,以及通過利用第三反射鏡折轉光路,使整個光路空間結構緊湊,從而有效保證了該系統小型化和輕量化的特點,以及通過所述反射式光學系統的F數為2,入瞳直徑為125 mm,出瞳直徑為39 mm,畸變小于0.5%,點列圖均方根直徑小于5微米,從而使得相比較普通離軸三反系統,成像質量大幅提高,進一步有效克服了現有技術中的孔徑小、集光能力弱、系統笨重的不足。 并采用Essential Macleod膜系設計軟件對空間光學遙感系統中的高反射膜進行了設計。在OZZSQ900型箱式真空鍍膜機上完成了薄膜的制備,實驗結果表明:在1064±5 nm處R=98.878%,滿足技術指標要求并通過了環境測試。