应用于空间遥感系统的红外光学薄膜研究进展（特邀）

段微波，刘保剑，庄秋慧，蒋林，李大琪，余德明，秦杨，倪榕，李耀鹏，周晟，于天燕，刘定权

（1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083）

（2 重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054）

0 引言

1957 年10 月4 日，世界上第一颗人造地球卫星Sputnik-1 发射入轨，标志着人类航天时代的开始。1958年，美国将Explorer-6 卫星发射入轨，该卫星发回了世界上第1 张从太空拍摄的地球图像，开启了人类卫星光学遥感探测的新一页。1970 年4 月24 日，我国成功发射的东方红一号卫星，开创了中国航天史的新纪元；1975 年11 月26 日，搭载光学遥感相机的返回式卫星0 号成功发射，获得了地物目标照片，由此推动了我国星载光学遥感技术的不断突破与发展。

遥感技术作为现代科学技术的重大成就之一，是人类认知客观世界的有效手段。气象预报、资源勘探、环境监测、灾害评估、深空探测等领域的需求，推动了空间红外遥感技术的飞速发展。在空间红外光学系统中，光学薄膜元件承担着光学能量传递、光学谱段的划分与分配、工作波段的限定与带外抑制、系统偏振灵敏度的调控等功能。

经过100 多年的变革与演化，薄膜光学已经发展成为近代光学的一个重要分支，光学薄膜的制造业已完全成为一个独立的产业。空间光学薄膜技术在理论上并无特殊之处，但薄膜元件工作的特殊环境，对其空间环境适应性和膜层可靠性都提出了较高要求。空间环境中，温度交变、紫外辐照、带电粒子轰击以及原子氧刻蚀与氧化等都会使得光学薄膜材料发生性能改变，从而影响薄膜元件的性能。空间飞行器离地面的距离近则数百公里，远则超过百万公里。迄今为止，除了空间站和哈勃太空望远镜等少数空间仪器有过维修报道，绝大多数空间遥感仪器是难以维修的，因此要求薄膜元件有极高的可靠性。为了保证空间薄膜元件的性能满足使用要求，通常要从设计、工艺、性能测试等多个方面进行严格的控制，还要对其进行严格的空间环境模拟试验和可靠性试验。

早在20 世纪50 年代，国外已有研究机构开始从事空间红外光学薄膜技术的研究工作，以英国雷丁大学红外多层膜实验室［1-3］和美国Viavi Solutions 公司为代表的单位，为美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、欧洲航天局（European Space Agency，ESA）以及其他国家的航天局提供红外光学薄膜解决方案，代表了国际先进水平。我国从事空间红外光学薄膜研究工作可追溯到20 世纪60 年代，以中国航天科工集团津航技术物理研究所［4-5］、中国航天科技集团兰州空间技术物理研究所［6-7］、中国科学院上海技术物理研究所［8-9］等为代表的单位，承担了大量空间红外光学薄膜产品的研制工作，并且各具特色和技术优势。

本文从空间遥感系统对红外光学薄膜的技术要求出发，按照薄膜元件在系统中发挥的作用，分类介绍其在空间光学遥感仪器中的典型应用。结合近年来的新需求、新应用、新进展，对空间红外光学薄膜技术的发展进行展望。

1 空间红外光学薄膜的分类与典型应用

空间光学遥感仪器广泛应用于气象预报、地球测绘、天文观测等领域，因探测距离远、口径大、体积重量受限等原因多采用反射式光学系统。为获取尽可能多的目标信息，其光谱覆盖范围一般都比较宽，工作谱段跨越近紫外到长波红外的情况也较常见。为准确获取目标的细节特征，需要对工作波段的光谱进行精确的限定；此外，为了提高系统信噪比，需要对特定波长的光谱进行高效抑制。基于以上原因，反射镜、分色片、分束器、滤光片、透镜和窗口等是空间光学遥感系统中出现频率较高的光学薄膜元件。

1.1 反射镜

空间光学仪器的探测距离可从百公里延伸至光年，为了提升系统对目标光束能量的收集能力和对目标细节的分辨能力，需要提升光学系统的口径。透射光学元件由于材料均匀性和缺陷等因素的限制，难以实现大尺寸；反射光学系统不存在色差，无二级光谱，更容易实现宽谱段成像；反射系统可利用折转反射镜折叠光路，减小系统体积；大口径反射镜易于进行轻量化处理，可有效降低系统的重量。基于以上原因，反射式结构在航天遥感光学仪器设计中占据主导地位，反射镜也成为系统中不可或缺的光学元件。

反射镜膜层的设计，大致可以分为三种技术路线，分别为：金属反射膜，全介质多层反射膜，以及金属和介质复合的多层反射膜。对于宽谱段工作的空间光学仪器，全介质多层膜由于反射带窄、膜层厚、应力大等技术特点而很少应用，金属膜以及金属加介质的多层复合膜是常用的技术方案。在星载光学仪器中，常用于制备金属反射膜的材料有铝（Al）、银（Ag）、金（Au）等［10-12］。

铝是一种从紫外到红外波段都具有稳定反射率的金属材料，已在多个大口径空间天文望远镜的主镜反射膜制备中获得成功应用。空间应用的铝膜反射镜，通常需要在金属铝膜外层制备保护膜，根据应用需求，保护膜的材料与工艺有所不同。如哈勃太空望远镜，其工作波段为紫外到近红外波段，为了防止铝膜层在空气中氧化而造成紫外波段反射率下降，其采用MgF2薄膜作为保护膜层［13］；工作在红外波段的赫歇尔天文望远镜，选择了SiOx薄膜作为Al 膜的保护膜［14］。

随着空间遥感系统对大口径反射镜光学性能要求的不断提升，铝反射镜的绝对反射率偏低的问题制约了其更广泛的应用，银膜从可见光到长波红外波段均具有高且稳定的反射率，同时银膜具有较小的偏振效应。因此，近年来银膜被广泛应用于大口径空间遥感仪器主镜的制备。

金膜对波长小于600 nm 的光有比较明显的吸收，限制了其在工作谱段涉及可见光的空间遥感仪器中的应用，但对于工作于红外波段的空间遥感仪器，金是制备反射镜膜层的很好选择。首先，金膜层在整个红外波段都具有较高的反射率；其次，金膜层化学性质稳定，几乎不和其他物质发生反应而造成性能衰减，甚至不用制备保护膜层。2021 年底发射的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）就使用Au 来制备其主镜反射膜［15］。表1 给出了4 种有代表性空间遥感仪器主光学反射镜的详细参数。

表1 典型空间遥感仪器光学主镜技术指标Table1 Technical specifications of optical primary mirrors of typical space remote sensing instruments

1.2 增透膜

空间红外光学仪器的主光学系统，通常使用反射式结构设计，而其后光路中，透镜或光学窗口是不可或缺的光学元件。增透膜用于提高光学透镜或窗口的光学传递效率，消除由于光学表面剩余反射引起的“鬼像”［17-18］。用作红外透镜或窗口的光学材料，其折射率跨度较大，以BaF2、MgF2为代表的低折射率材料的折射率不到1.4，而以Si、Ge 为代表的高折射率材料其折射率超过了3.4。根据菲涅尔公式可知，两个光学界面的折射率差异越大，则在界面产生的剩余反射也越高，未做增透的Ge 窗口单面剩余反射达到了36%。在遥感系统中，光学表面越多则光学能量损失也越严重。因此，增透膜对于红外透镜和窗口具有更加重要的意义。

红外增透膜的设计和制备，可供选择的薄膜材料比较有限，且材料或多或少都存在一定的吸收，此外膜层的附着力也相对较差［19-22］。对于空间应用的红外增透膜除了要保证高的光学效率外，还要考虑膜层的可靠性和空间环境的适应性。图1 给出了Ge 光学窗口双面增透光谱曲线，该增透膜系采用Ge、ZnS 和YbF3三种薄膜材料进行设计，Ge 材料采用电子束蒸发沉积，另外两种材料采用电阻蒸发沉积。从图上可以看出，12 μm 以后基底和薄膜材料都出现了不同程度的吸收，导致光学窗口透过率有一定下降。

1.3 分色片

空间光学仪器的工作波长经常覆盖很宽的光谱范围，没有任何一种探测器可以实现紫外、可见、红外等多个谱段的全光谱响应。常用的技术方案是利用一级或多级分色，把不同谱段的光信号高效分离，形成各自的后光路，并被相应谱段的探测器接收。

为提高探测器的性能，空间应用的红外探测器一般都工作在低温环境，一些仪器为降低背景噪声，甚至将整个红外后光路均置于冷箱内，而紫外、可见和近红外波段的探测器则工作于室温区附近。根据光学系统设计需要，第一级分色通常是将可见光近红外波段和短波至长波红外波段的光谱进行分离，一级分色后的光谱其带宽可能仍然不能被单一探测器的响应范围覆盖，需要进行二级、三级甚至是四级以上分色。图2展示了法国第三代气象卫星（Meteosat Third Generation，MTG）上搭载的FCI（Flexible Combined Imager）成像光谱仪的光学结构［23］，其采用了非常复杂的四级分色将可见光、短波红外、中波红外和长波红外的光谱分配到了5 个后光路中。

1.4 滤光片

滤光片是用于实现光学波段选择的一类光学薄膜元件。在传统的多波段空间遥感仪器中，滤光片通常与探测器芯片配合，实现所需工作波段的精确定位［24-25］。随着光栅分光、棱镜分光、干涉式分光等分光方式的成熟与发展，工作波段的细分与选择有了更多的方式，但滤光片仍然扮演着重要的角色［26-27］。图3 为英国雷丁大学多层膜实验室为欧空局EarthCARE 观测卫星多光谱成像仪研制的长波红外滤光片实测光谱曲线［28］。

2 可靠性与空间环境模拟试验

光学薄膜元件的可靠性是指其在工作环境条件下在规定时间内完成规定功能的概率。空间遥感仪器的工作寿命，是其重要的考核指标，根据其所处轨道环境、任务性质、经费预算等的不同，其额定工作寿命也有差异。光学薄膜元件的在轨工作寿命必须要大于仪器的额定使用寿命，且需要一定的冗余度。在地面进行可靠性与空间环境模拟试验，是光学薄膜元件满足在轨运行寿命的重要保证。

2.1 可靠性试验

对于空间红外光学薄膜元件的可靠性试验，国内外都有相关的试验规范和标准。国外以NASA 和ESA为代表的标准具有较高的权威和广泛的参考依据［29-30］，同时国内多个工业部门也制定了相关的标准和通用技术条件。由于这些规范和标准的普适性，一些单位在此基础上，针对产品的技术特点和需要，制定了更为详细和针对性的试验条件，并在一定范围内得到应用和推广。主要的试验项目包括以下几个方面。

2.1.1 薄膜牢固度试验

膜层牢固度是薄膜产品可靠性的重要指标，对于此项性能的测试，主要采用胶带撕拉和泡水试验两种方式。

对于胶带撕拉试验，不同标准对于使用的胶带粘合力、胶带拉起与膜面的夹角、撕拉的速度和频率、撕拉总次数等都做了明确的要求。如QJ1687-1989 标准［31］的附着力试验是采用粘接力为5 000～6 000 N，宽为25 mm 的聚酯胶带进行。把胶带纸的胶面牢牢地贴在膜层表面上，排出所有气泡，拉起胶带的一端，以垂直于膜层表面的力迅速拉开。

对于泡水试验，不同的标准采用的方法也不尽相同。首先是水的选择，通常有纯净水和NaCl 溶液；其次是试验温度，有常温、45℃、沸水等；试验时间也根据试验条件有所不同，通常从数小时到24 h 不等；另外，对一些使用比较苛刻的条件，还对试验的压强提出了要求。

2.1.2 交变湿热试验

将光学薄膜元件或参比片放入一个温度和湿度环境条件可控的试验设备，相对湿度保持在90%～100%，设定温度变化区间，并保持一定的时间，构成一个循环，根据需要可进行多次循环试验。

2.1.3 耐清洗试验

目的在于考察光学薄膜产品的可清洗能力。一般做法是在去掉表面残留污染物的情况下，将测试样品浸泡在有机溶剂（无水酒精、丙酮、乙醚等）中10～15 min，取出后用蘸取清洗液的脱脂棉或纱布擦拭薄膜表面，待膜层表面清洗液挥发后，薄膜表面应满足相关标准要求。

2.1.4 温度交变试验

目的是考察光学薄膜产品适应温度变化的能力。先将样品放入封闭试验空间，使样品按照一定的升温速率升温至指定温度，并保持固定时间，然后按照一定的降温速率，将测试样品降温至指定温度，并保持固定时间，完成一个温度循环，可根据需要进行多个循环试验。

2.1.5 低温冲击试验

空间应用的红外光学薄膜元件，部分工作在低温环境，工作温度可能低至液氮甚至液氦温度。由于制冷机多次开关机，会造成置于杜瓦内的光学薄膜元件受到多次的低温冲击。因此，为了考察光学薄膜抗低温冲击的能力，可进行本项试验。试验中，通常将被测样品在室温环境下直接放入盛有液氮的杜瓦瓶，放置一段时间后取出，自然升温至室温，完成一个循环，可根据实际情况进行多次试验。由于液氦价格昂贵，对于工作温度更低的薄膜元件，通常将样品置于液氦循环制冷机中进行试验。

2.2 空间环境模拟试验

空间光学仪器工作在空间环境中，承受着辐照、空间粒子、冷黑等多种空间环境因素的作用［32-33］。为了保证在空间环境条件下系统的性能，开展空间环境对光学薄膜元件性能影响的研究，对提高空间光学系统在轨服役的可靠性和使用寿命具有十分重要的意义［34-35］。

2.2.1 质子辐照试验

空间环境中的质子对薄膜有一定的作用，试验用于考察质子的影响。如果产品工作在仪器内部，一般不安排此项试验。

按照产品实际工作轨道和设计寿命安排质子辐照试验的总剂量。为缩短试验时间，可以放大辐照剂量率加速试验，加速倍率应控制在350 倍以内。

2.2.2 电子辐照试验

空间环境中的电子对薄膜有一定的作用，试验用于考察电子的影响。如果产品工作在仪器内部，一般不安排此项试验。

按照产品实际工作轨道和设计寿命安排电子辐照试验的总剂量。为缩短试验时间，可以放大辐照剂量率加速试验，加速倍率应控制在350 倍以内。

2.2.3 空间粒子总剂量模拟辐照试验

空间环境中的各种粒子，对光学薄膜元件有一定的综合作用，此试验用来考察空间粒子辐照的综合影响。

用Co60 释放的γ 射线模拟空间粒子辐照的综合效应。按照产品实际工作轨道和设计寿命安排此项辐照试验的总剂量。如果产品工作在仪器内部，试验总剂量按照项目总体给出的数据进行安排。为缩短试验时间，可以放大辐照剂量率加速试验，加速倍率应控制在500 倍以内。

2.2.4 紫外辐照试验

紫外辐照试验是为了测试空间材料对真空-紫外辐照环境的适应性，检验试验材料在太阳紫外辐照环境下，其物理结构和光学特性的稳定性。在试验前后及试验过程中进行实时外观检查并原位测量样品的光谱反射率，获取材料在紫外辐照环境下光谱反射率的衰变数据。

以风云四号气象卫星扫描成像辐射计为例，介绍其反射镜进行的紫外辐照试验过程与结果。按照国军标GJB2502.5-2006［36］规定，进行真空紫外辐照试验及试样反射光谱的测试，试验设备如图4 所示。

选择以JGS-1、Glass、SiC 和Al 为基底材料的反射镜样品，在不同太阳当量小时（Equivalent Sun Hours，ESH）下进行紫外辐照试验。反射镜材料紫外辐照过程的辐照强度为3UVSC（近紫外太阳强度），7VUVSC（远紫外太阳强度），辐照试验过程中分别在0ESH、50ESH、120ESH、300ESH、450ESH、650ESH、900ESH、1200 ESH、1600 ESH、2100 ESH 和2200 ESH 对三个辐照样品进行反射率原位测量。得到的测试光谱如图5 所示，原位测量的反射率值为相对反射，且光谱仪在2 μm 以后接近探测器的响应极限，增益导致噪声增大。

2.2.5 原子氧试验

在约200～700 km 低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）环境中，主要组分为原子氧（Atomic Oxygen，AO）和氮气（N2）。AO 具有高化学活性，其氧化能力远高于分子氧。大量空间飞行实验及地面模拟试验的结果表明，原子氧对航天器表面的高温氧化、高速撞击会使大部分有机材料受到严重侵蚀，产生质量损失、厚度损失，光学、热学、电学及机械参数退化，造成结构材料强度下降、功能材料性能变坏；原子氧氧化侵蚀过程还会造成航天器敏感表面的污染。以上效应会导致航天器性能下降、寿命缩短、系统设计目标失败，对航天器寿命和可靠性带来严重威胁［37-38］。

空间环境中的原子氧对薄膜有一定的作用，试验用于考察原子氧对薄膜的影响。如果产品工作在仪器内部，或工作在高轨道（高度2 000 km 以上），一般不安排此项试验。

按照产品实际工作轨道和设计寿命安排原子氧试验的总剂量。为缩短试验时间，可以放大辐照剂量率加速试验，加速倍率应控制在500 倍以内。

为了验证原子氧对反射镜偏振对比度的影响，工作在量子科学试验卫星“墨子号”上的保偏反射镜，进行了模拟原子氧试验［39］。原子氧试验参照GJB2502.5-2006［40］和Q/W1173-2009［41］进行。

试验条件：模拟试验轨道高度为500 km；反射镜与迎风面夹角为45°；原子氧密度为1.02×1016O Atoms/cm2·S 加速试验，原子氧能量为5 eV；真空度为1.0×10-3Pa，充原子氧后真空度为1.0×10-1Pa。

3 空间红外光学薄膜新进展

从空间遥感仪器诞生起，人类对于其更大的口径、更宽的工作谱段、更高的集成度、更轻的重量等性能指标的追求就从未停止。系统的需求牵引推动了光学薄膜技术的不断进步，一些新型的光学薄膜元件从基础研究走向了空间应用。

3.1 宽光谱红外分色薄膜元件

宽光谱空间遥感仪器虽然光谱覆盖范围很宽，工作波段排布也越来越密集，但第一级分色通常是将可见近红外和红外波段进行分离，因此一级分色的宽光谱分色片需要覆盖仪器的整个工作波段。宽光谱分色片的分色方式一般有两种方式：可见近红外透射/红外反射和可见近红外反射/红外透射。

3.1.1 可见近红外透射/红外反射分色片

这种分色方式一般采用诱导透射的原理，采用介质/金属/介质（D/M/D）的分色片结构形式［42］。考虑到银膜在中远红外的反射率比较高，且在可见区最大势透射率（相同的厚度下）也比常用的铝膜和金膜较高，因此选取银膜作为这一分色片的金属膜。由于在可见光区及近红外区，银膜的消光系数不是很大，其最大透射率可利用介质膜将其诱导出来，而红外区域则依靠其本身的金属特性实现反射。这种设计方案膜系结构相对简单，膜层总厚度小，应力和可靠性容易控制，反射波段的能量传递效率高且稳定，但可见近红外波段的透过率相对比较低，且透射和反射波段的过渡区域比较平缓，处于透反射波段附近的工作波长，光学效率受影响较大。美国GOES-R 气象卫星ABI 成像光谱仪，中国FY-4A/B 气象卫星AGRI 辐射成像仪以及中国FY-3D 气象卫星MERSI-II 中分辨率光谱成像仪均采用了这种分色方式。图6 给出了中科院上海技术物理研究所研制的FY-3D 气象卫星MERSI-II 中分辨率光谱成像仪宽光谱分色片的实测光谱曲线，该分色片以ZnS 和Ag 分别作为介质和金属材料，采用多重诱导透射结构设计来避免透/反射波段过渡区域过于平缓而导致的分色效率降低问题，薄膜材料采用传统的电阻蒸发方式进行制备。从图上可以看出，该分色片在0.4～1.0 μm 的可见近红外波段的平均透过率达到了80%以上，同时在1.36～13.0 μm 的红外反射波段的平均反射率在90%左右。

3.1.2 可见近红外反射/红外透射分色片

随着离轴三反光学系统的广泛应用，要解决这种大视场、长焦距系统的可见光通道的成像质量问题，将具有高精度面形要求的反可见透红外的分色方式用于光路系统中，以简化光路系统结构，保证可见和近红外通道的成像质量。同时这种分色片对于低光照水平下的夜间被动成像系统——可见红外双探测器共孔径成像系统尤其不可或缺。这种分色方式基底材料多用Ge 和Si，主要通过全介质膜系的长波通滤光片倾斜使用来实现。但是要求镀膜材料在可见及红外区都要有很好的透过性能。目前可用的材料在可见区都有不同程度的吸收，导致反射率降低。另外，由于反射区域的工作光谱范围较宽，不得不使用多个反射堆来展宽带宽，膜层数量和总厚度势必会成倍增加，由于红外材料大都存在很大的应力，随着层数增加，厚度增加导致应力增大，可靠性降低［43］。如果要同时实现中长波的宽光谱透射，研制难度将进一步加大。为了进一步提升风云四号气象卫星扫描成像辐射计分色效率，并提高可见近红外波段的成像质量，在C 星阶段采用了这种分色方式。因为薄膜材料要求在整个工作波段透明，Si、Ge、PbTe 等红外波段常用的高折射率材料无法使用，该分色片选择ZnSe 和YbF3分别作为高、低折射率材料，叠加多个中心波长不同的（0.5H L 0.5L）^x对称周期膜堆来构建宽光谱反射堆，并对透射波段的光谱进行优化和平滑。该分色片制备的工艺难点在于YbF3应力控制，首先在设计时给出边界条件严格控制其单层膜的厚度，但是这会对透射波段光谱的平滑程度造成一定影响；另一方面，在制备过程中，反复迭代影响其应力特性的沉积速率、温度场分布以及真空度等工艺参数，找到最佳的制备工艺，其光谱如图7 所示。

3.2 宽光谱红外中性分束薄膜元件

大气垂直探测仪是气象卫星上搭载的主要红外遥感仪器之一，它是利用大气和地球表面的红外辐射性质，在空间探测大气温度、湿度和大气成分的垂直分布，实现大范围、快速、连续和长期的气象观测。不同于传统的光栅、棱镜、滤光片等，这类仪器采用了傅里叶变换和迈克尔逊干涉仪相结合的干涉式分光方式。宽光谱分束器是干涉式大气垂直探测仪光学系统中不可或缺的分光元件［44］。

以美国NOAA 和欧洲METOP 为代表的气象卫星，均搭载了干涉式红外大气垂直探测仪器。我国在干涉式空间红外高光谱探测仪的研制和应用方面，受部分材料和关键技术的制约，发展相对较晚。但随着以宽光谱红外分束器为代表的关键技术突破，我国在该领域迅速崛起并取得了一系列应用进展。风云四号干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）是全球首台地球静止轨道干涉式红外遥感仪器。由于分束器对能量要求较高，尤其是11～15 μm 长波区域，大气在此波段的辐射能量本身就低，如果材料在此有较大的吸收则会进一步降低该波段的效率，因此要尽量选用长波端吸收较小的材料。此外，为了保证成像质量，系统对分束器的光学面形提出了非常严苛的要求，对于膜层应力的控制和匹配也要非常精确。因此需要从材料选择、膜系设计、工艺控制等多方面进行相关研究。分束器的设计采用正面制备中性分光膜系，图8 和图9 分别给出了风云四号A 星大气垂直探测仪用红外分束器的实测光谱和镀膜后的面形测试结果。

3.3 红外双色和多色滤光片

为了同时获取目标多个波长的特征光谱信息，多色探测技术引起了人们的广泛关注，并成功应用于空间遥感光学系统中。在可见光波段，三色以上的滤光技术已有应用的先例；而在红外波段，双色滤光片技术虽然在20 年前已有文献报道，但空间工程应用直到近几年才逐渐走向成熟［45-46］。

双波段红外成像探测系统采用两种红外波段同时对视场内的目标和背景成像，充分利用不同的目标、背景和各种复杂干扰等在两种波段上所呈现的不同辐射率、辐射强度等特性来识别不同的目标和背景。目前，双色红外探测器的研究几乎涵盖了短波红外、中波红外、长波红外的任意组合，还出现了可见-红外、紫外-红外等多光学谱段组合的探测器。双色成像可以获取探测目标在不同波段的特征信息，有效抑制复杂的背景噪声，提升抗诱饵诱骗、反隐身的光电对抗能力，可降低虚假告警等错误识别目标的概率［47-49］。图10给出了应用于空间红外相机的中波红外双色滤光片的实测光谱。

3.4 红外集成滤光片

随着成像光谱仪的不断发展，采用光学薄膜分光的技术也不断进步，由最初的分色片、单通道滤光片等模式已经发展到目前的多通道集成分光模式，先后出现了如组合滤光片［50］、线性渐变滤光片［51-52］、光谱阶跃式［53］等集成光学薄膜技术。国内外相关报道表明，无论采用哪种集成方式，已经成功应用的集成光学薄膜元件，较多的还是集中在可见近红外波段，而在中长波红外波段的报道较少。在红外波段，波长越长，集成光学薄膜元件的难度也越大，主要原因是：1）波长越长，膜系的总厚度也越厚，对于膜层应力、表面缺陷以及可靠性的控制难度也越大；2）中长波红外波段可供选择的薄膜材料比较有限，且材料大多比较软，膜层的结合力相对较差；3）膜层沉积方法以电子束蒸发和热蒸发为主，为避免膜层吸收加重往往不采用离子辅助沉积手段。

系统集成度提升，多个波段集成在同一个光学基片的中长波红外集成滤光片需求日益强烈［54-55］。广目地球科学卫星（CASEarth）搭载的热红外成像仪，三个长波红外通道分别为8～10.5 μm、10.3～11.3 μm 和11.5～12.5 μm，采用了三通道集成的滤光片技术方案，其测试光谱如图11 所示。

3.5 偏振态和位相调控红外薄膜元件

偏振描述光在传播过程中电矢量的振动方式，不同目标表面辐射或反射光的偏振信息存在一定的差异，为空间遥感获取信息提供了一个新的自由度。偏振在空间遥感仪器中已获得了成功的应用。以海洋遥感为代表的空间遥感仪器，由于其探测目标本身带有较强的偏振特性，要求光学系统对自身的线性偏振灵敏度进行调控，如国外的MODIS、SeaWiFS，国内的海洋卫星水色仪等光学遥感仪器的系统线性偏振灵敏度都控制在2%以内［56-57］。系统线性偏振灵敏度的控制，需要光学结构设计和系统中各个薄膜元件协同配合来实现［58］。对于光学结构的设计，在此不展开讨论；对于系统中的各个薄膜元件，需要对其线性偏振灵敏度和位相差进行精确调控，才能保证系统线性偏振灵敏度的实现。2016 年8 月16 日，我国发射了全球首颗量子科学试验卫星“墨子号”，成功实现了星地间量子密钥分发等一系列科学试验。该系统利用光的偏振态来进行量子编码，为了降低偏振编码光子的畸变引起的通信误码率，需要对系统光学薄膜元件的光谱、偏振灵敏度和位相差进行三维一体调控。偏振态和位相调控光学薄膜元件在以上空间遥感系统中获得了成功的应用，但调控的波长主要集成在可见光和近红外波段［59］。

光的偏振受物体表面形状、材料等影响，附加偏振信息的红外成像可以大大提高不同物体之间的对比度，对目标识别有重要价值。利用薄膜元件对红外波段偏振调控，较可见近红外波段难度更大，对薄膜材料、制备工艺、测试表征等各个环节都提出了较大挑战。图12 给出了长波红外波段对45°～65°入射角度（Angle of Incidence，AOI）范围位相差进行调控的薄膜元件的位相差测试结果。

4 展望

需求牵引推动着空间红外光学薄膜技术不断向前发展，更大口径、更宽的光谱范围、更高光学传输效率、更精细分光、更高集成度仍然是光学薄膜研制不懈追求的目标。

自空间光学遥感仪器诞生起，人类对于系统更高光学分辨率的探索就从未停止，光学系统的口径也在不断增大。虽然国内近几年在大口径光学镜片的加工领域取得了一系列重要突破，但在该领域国内外仍然存在一定的差距。早在21 世纪初，美国就制定了星载光学仪器主光学反射镜的发展路线图，如图13 所示［11］。其技术路线分为单一轻量化镜体、多轻量化镜体拼接以及柔性薄膜镜体材料等几个阶段，光学口径也从米级跨越到200 m 以上。以詹姆斯·韦布空间望远镜为代表的折叠式主光学系统在轨成功装配，标志着国外在这一技术领域已走向成熟。在国内，目前已有报道的最大单体主光学镜片为中科院长春光机所研发的4.05 m 口径SiC 反射镜；而在多镜体折叠拼接技术领域，以中科院光电技术研究所为代表的单位，取得了一定进展，但与国际顶级水平尚存差距。在大口径反射膜制备技术方面，国外已具备单体8 m 以上口径反射镜膜层制备技术；而国内的加工能力不超过5 m。为了满足不断提升的光学口径的技术需求，发展自主可控更大口径反射膜制备技术势在必行。

空间光学载荷接收到的光谱蕴含着丰富的目标信息，光谱的利用效率与系统分光元件的性能直接相关。在中长波红外波段，光栅分光、棱镜分光、干涉式分光等分光方式都是可行的技术路线，但这些分光方式也存在一些原理性缺陷，如光谱的分辨率不可调谐，光谱色散只能沿一维方向展开，光谱无法与面阵探测器单个像元直接对应等。集成滤光片技术的出现，则与以上几种分光方式形成了很好的性能互补。与可见光波段的集成滤光片技术相比，红外波段的应用要稍显滞后。在可见近红外波段，直接制备在可见Si 探测器芯片上的多通道滤光微结构已经取得了突破，10 通道以上的星载集成滤光片已经走向了成熟；在中长波红外波段，多通道片上集成的滤光片技术，才刚刚获得航天工程应用。如图14 所示的芯片上集成二维滤光片分光技术，是未来红外集成滤光片努力的方向。

空间红外光学系统集成度提高，薄膜元件承担的功能也从单一化走向多元化。红外光学薄膜除了需要在传统的光学能量传递、光谱调控、偏振位相调制等方面进一步提升性能和集成度，超低吸收损耗、抗强激光损伤、杂散光抑制等需求也对其提出了新的挑战。在进一步挖掘现有的薄膜设计方法和工艺手段潜力的同时，在膜层制备技术和薄膜材料的研发领域期望有新的突破。现有的红外薄膜制备手段，还是以电子束蒸发和电阻蒸发为主导，溅射和化学气象沉积（Chemical Meteorological Deposition，CVD）等方法作为辅助和补充，期待有更高效、缺陷密度更低的红外薄膜制备方法的出现；红外波段可供选择的高折射率薄膜材料有Si、Ge、PbTe 等，低折射率材料主要有硫硒化合物以及稀土氟化物，这些材料的吸收、应力以及高低折射率材料的折射率比值等问题，制约了薄膜元件性能的进一步提升，更高性能红外薄膜材料的研发显得迫切和必要。对于高精度光学膜厚的控制，光学监控手段具有不可替代的优势［60］，目前主流的自动光控系统的监控波长普遍未突破2.5 μm，研发监控波长超过5 μm 的高精度自动光控系统，对于中长波红外光学薄膜性能的提升具有重要的意义。

5 结论

空间遥感技术经过半个多世纪的发展，取得了一系列重要成果，并在天文观测、气象预报、环境监测等领域获得成功应用，反射膜、增透膜、分光膜、滤光膜等种类的高精度光学薄膜元件在空间红外光学系统中发挥着光学能量传递、光学谱段的划分与分配、工作波段的限定与带外抑制、系统偏振调控等不可替代的重要作用。

应用于空间遥感仪器中的红外光学薄膜元件，由于其特殊的工作条件和不可维修性，对于其可靠性验证要更加严苛，地面空间环境模拟试验是验证其空间环境适应性不可或缺的手段。以红外宽光谱分色、多通道集成、位相与偏振调控等为代表的技术，从基础研究走向了空间工程应用，将红外遥感仪器的性能推向了新的高度。不断提升的工程应用需求仍然是空间红外光学薄膜技术不断向前发展的动力。