航天光学遥感探测器滤光片环境考核方法

常君磊，李庆林，李富强，武永见，范俊杰，康少英，窦莲英，魏学敏

（北京空间机电研究所 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100076）

0 引言

光学遥感器在军事、农业、国土资源、气象各领域应用广泛，多光谱带探测器的使用需求越来越多[1-2]。目前国内外遥感技术竞争激烈；探测器属于核心器件，从国外采购非常困难，自主研发生产是必经之路。滤光片则是探测器的关键部件，直接影响探测器成像系统的光谱响应性能。因此要求滤光片在经历了地面存储、运输，直至发射、在轨运行等各种环境条件后，仍能保持环境稳定性，具有良好的光谱特性和膜层牢固度，这对探测器乃至整个遥感载荷都至关重要[3-7]。

本文提出了一套针对航天光学遥感探测器滤光片的环境考核方法，将理论标准和实际使用需求相结合，在发射及在研遥感相机滤光片产品上实施且得到了试验验证，具有实际参考价值。

1 滤光片特点

滤光片是航天光学遥感相机上的特殊部件，既属于光学元件又属于电子元器件，其除了要满足光学元件的膜层性能要求外，还要能承受电子元器件级别的环境考核。滤光片与探测器光敏芯片之间通过特制的结构件或探测器封装进行配准黏结。对滤光片的黏结强度，滤光片与探测器封装间的密封漏率都有严格要求。目前滤光片的安装黏结多采用高强度的光学结构胶，黏结后的拆卸过程对探测器和滤光片都是破坏性的。而滤光片和探测器是遥感相机上的核心部件，研制加工难度大，生产周期长、成本高，尤其是多谱带长线阵型滤光片和探测器，目前在我国还处于研制起步阶段，大部分产品来自国外。因此，由滤光片质量问题造成的探测器或系统级质量问题的修复过程需要付出很大代价。特别是在相机完成了焦面拼接配准或定焦装配之后，如果因滤光片质量问题影响了成像质量，修复相机系统的时间和经济成本会很高，造成的损失不可估量[8-10]。综上，航天光学遥感滤光片的诸多特性决定了对其环境考核的重要性。

2 考核依据

针对滤光片的环境考核，与之相关联的，国内有对航天器组件、军用设备、电子元器件、星载CCD相机、光学膜层等的环境考核依据，国外也有类似的对滤光膜、发射类光学设备、光学膜层测试、航天器等环境考核的相关标准依据[3-8]。但目前国内外均没有专门针对航天光学遥感探测器滤光片的环境考核标准或文献依据。

滤光片的环境考核与遥感相机不同，考核项目需覆盖其从生产、筛选、元器件级别考核至电子组件级考核的整个过程范围，同时还要考虑其在系统级测试、转运存储及卫星发射过程中所受的环境影响[4-6,11-14]。故滤光片环境考核除了热循环、热真空、辐照等常规试验项目，还需要进行热存储、湿度等存储环境考核。高低温循环试验是滤光片最基础的考核项目，其考核条件的严苛程度高于其他项目，目的在于考核滤光片的温度耐受性和性能稳定性，充分暴露产品的批次缺陷。热真空试验的目的是检验滤光片承受热真空环境的能力，暴露其材料及镀膜工艺的缺陷。辐照试验是对滤光片基底材料最直接的考核手段，可依此来判断滤光介质的可靠性[15]。热存储和湿度试验的目的是考核滤光片承受极端存储和发射场环境的能力。

表1列出了遥感相机滤光片与探测器封装黏结之后须经历的相关各级环境考核项目及试验条件。

表1 典型的航天光学遥感探测器滤光片相关的环境考核项目及试验条件Table 1 Typical environmental assessment conditions for filter of the space optical remote-sensing camera

表1的数据源自现有标准及遥感型号，均为典型项目和条件，可作为绝大部分可见光遥感相机滤光片的考核参考。实际考核过程中，项目种类及试验条件原则上需涵盖表1所列范围，可针对不同型号探测器的实际使用条件做相应调整。

3 考核条件制定

本文根据表1中的典型考核项目及条件，按照项目全覆盖、条件更严格的原则制定了航天光学遥感探测器滤光片的环境考核项目及条件，基本满足大多数滤光片产品的考核需求，具体实施过程中可根据实际滤光片产品状态或试验设备做适量调整。

1）高低温循环试验

环境压力：常压；相对湿度：＜10%；温度范围：-40～85 ℃；循环次数：25个循环；温升要求：dT/dt＜2 ℃/min；高低温保持时间：2 h。

2）热真空试验

①工况a

环境压力：≤6.65×10-3Pa。温度范围：-40～65 ℃；循环次数：15个循环；温升要求：dT/dt＜2 ℃/min；高低温保持时间：2 h。

②工况b

环境压力：≤6.65×10-3Pa。温度范围：-100～105 ℃；循环次数：10个循环；温升要求：dT/dt＜2 ℃/min；高低温保持时间：4 h。

热真空试验设置了 2个工况，工况 a覆盖了表1中的热真空试验条件，工况b是对工况a的补充，起到老炼考核的目的。试验时2个工况依次进行，工况a完成后对滤光片进行测试检查，无异常后继续实施工况b的考核。实际试验时可根据滤光片的批次成熟程度决定是否增加工况b考核。

3）热存储试验

温度：150 ℃；相对湿度：35%～55%；保持时间：4 h。

4）湿度试验

相对湿度：95%；温度：40 ℃；保持时间：24 h。

5）辐照试验

辐射源：60Co γ射线源，剂量参考值50 krad(Si)。

4 测试方法

光谱特性和膜层牢固度是滤光片的 2个重要特性[16-17]。光谱特性是滤光片的基本光学参数，直观反映其滤光能力。膜层牢固度是滤光片的重要物理特性，对于有掩膜（相邻滤光膜之间的黑色漆质膜层，多采用丝网印刷工艺，起到谱带隔离作用）的多谱带滤光片，若掩膜在轨脱落，会造成遥感相机图像中出现大面积黑色遮挡[8,18-20]，因此对滤光片膜层牢固度进行测试非常必要。每项环境考核后都需要对滤光片的光谱特性和膜层牢固度进行测试，并与环境试验前的测试数据进行纵向对比，依此来判断环境试验对滤光片的影响。

光谱特性测试即利用分光光度计测试滤光片各谱带的透过率数据曲线，得到谱带透过率、定位波长、带宽、陡度、带外积分响应等参数。

膜层牢固度包括膜层附着力和膜层耐擦拭性。膜层附着力测试时，首先使用3M胶带（黏结强度为2～4 N/cm）将其胶面贴在滤光片抽样件膜层表面，排出所有气泡（胶带粘贴处距膜层边缘有约1 mm间隙）；然后拉起胶带一端，以垂直于膜层表面的力迅速拉开；最后检查滤光片表面是否有脱膜迹象。膜层耐擦拭性测试时，将抽样件在丙酮或者酒精和乙醚混合液中超声洗20 min后，用蘸有酒精和乙醚混合液的脱脂纱布对该滤光片抽样件反复擦拭20次，检查其表面是否有脱膜迹象。

5 考核流程设计

滤光片的环境考核包括高低温热循环、热真空、热存储、湿度、辐照共5项，考核后的测试包括光谱特性测试和膜层牢固度测试2项。完成整个考核测试的周期长，使用的试验及测试设备多，因此制定合理的考核测试流程以提高测试效率非常必要。图1是本文提出的考核测试流程，流程中的考核项目按其重要程度先后进行。首先进行热循环，通过最严苛的基础考核充分暴露产品缺陷，排除不合格产品批次，避免后续不必要的考核流程。将热存储与热循环试验合并，以提高考核效率。热循环考核通过后依次进行热真空、湿度、辐照考核，每项考核后进行光谱特性和膜层牢固度测试，一旦发现不合格即中止考核流程。只有经历所有考核项目并且通过所有测试的产品批次才被认定为合格。

图1 滤光片环境考核及测试流程Fig.1 Environmental assessment and test process for filter

流程说明：

1）第1步是产品的初次光谱特性测试，数据留存，作为后续光谱测试的数据对比参考；

2）每项环境试验后，先对滤光片外观进行目视检查，无异常后再进行相关测试；

3）每项环境试验后，产品需在实验室静置24 h之后再进行光谱特性测试和膜层牢固度测试；

4）光谱特性和膜层牢固度这2项测试不能在产品的同一区域实施，以免影响光谱特性测试的准确性（对于尺寸较小的滤光片，可增加考核样本数量或采用随炉试片）；

5）具体实施时，需考虑产品的生产厂家、批次、工艺成熟度等因素，在确保考核充分的前提下对考核项目进行删减和调整。

6 考核实例

图2为某遥感相机滤光片产品，共有4个多光谱带，其中B1谱带光谱特性设计值及初次测试结果（对应考核流程的第1步）如表2所示。图3为该产品在按照环境考核流程进行各考核项目之后的透过率曲线叠加图。该批次产品经历了完整的考核流程后，测试结果符合设计容差，为合格品。产品在后续地面试验测试及在轨期间运行稳定，证明了本文考核方法的有效性。

图2 某多谱带滤光片示意Fig.2 Sketch of a color filter

表2 某滤光片B1谱带光谱特性技术要求及初次测试结果Table 2 Design and measured spectral-characteristic values for band B1 of a filter

图3 滤光片经历各项环境考核之后的透过率曲线叠加图Fig.3 Transmittance curves of band B1 of the fliter after the environmental assessment tests

7 结束语

本文提出了一套用于航天光学遥感探测器滤光片环境考核的方法，能够对滤光片进行全面的环境考核，充分暴露产品质量缺陷，确保产品在轨运行期间的环境适应性和稳定性。对考核测试流程进行了优化，提高了效率，降低了成本。该考核方法已在发射和在研遥感相机上得到试验验证，可作为滤光片环境考核参考。

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