空间光学遥感系统设计及反射膜的研制

徐子奇,高明辉

(1.长春电子科技学院,吉林 长春 130114;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学一部,吉林 长春 130033)

1 引 言

随着空间技术的不断发展,空间光学遥感系统在地球观测、资源调查、环境检测和城市规划等领域得到了广泛的应用[1-5]。反射镜高反膜是空间遥感光学系统中的重要光学元件。为了观测到更多的目标、获取更多的地球以及空间观测信息,对空间光学遥感系统的反向射膜提出了更高要求,即要求有更高的反射率,还要提升基底光学性能,降低空间环境对高反膜性能的影响以及降低薄膜应力等[6-7]。

20世纪50年代,英国雷丁大学率先开始从事空间红外光学薄膜技术的研究工作[8]。我国以中国科学院长春精密机械研究所、浙江大学等为代表的单位,承担了大量空间光学遥感系统光学薄膜产品的研制工作[9-10]。目前空间光学系统反射镜镜体的首选材料是表面改性碳化硅,碳化硅与金属材料比较具有机械强度高,刚性好、硬度大,耐磨损、密度小、耐高温,热膨胀系数小、导热系数高和耐腐蚀性好等优点,被广泛应用于航空、航天、国防等领域[11-14]。

本文根据设计指标完成了对空间光学遥感系统的设计方案和薄膜制备等工作。实验结果给出铝基碳化硅镀膜后,1064±5 nm处R=98.878%,膜层稳定性好,通过了环境适应性要求。

2 空间光学遥感系统设计

空间光学遥感系统的设计指标如表1所示,设计结果如图1所示。其工作原理为:第一主反射镜将入射光束进行会聚,使光束口径变小;第二次反射镜将第一主反射镜会聚的光束进行折转,并校正由第一主反射镜产生的部分球差和彗差;第三反射镜将第二次反射镜折转的光束继续折转;第四反射镜将第三反射镜折转的光束继续折转,并校正第二次反射镜引入的像散和场曲,并使光束最终成像在焦面上。其中第一主反射镜(抛物面凹面镜)与第二次反射镜(凸面镜)的顶点在该反射式光学系统的光轴上,以作离轴使用。第一主反射镜的通光口径为126.0 mm用于将入射光束进行会聚,使光束的口径变小,并将会聚后的光束射入第二次反射镜。第二次反射镜的通光口径为33.7 mm用于将所述第一主反射镜会聚的光束进行折转至第三反射镜,并校正由所述第一主反射镜产生的部分球差和彗差。第三反射镜(平面反射镜)的通光口径为30.5 mm,用于将所述第二次反射镜所折转的光束继续折转至第四反射镜,以使所述反射式光学系统紧凑,进一步使得该反射式光学系统具有小型化和轻量化的特点。第四反射镜(双曲面镜)的通光口径为94.8 mm,用于将第三反射镜所折转的光束继续折转至,并校正第二次反射镜引入的像散和场曲,并使光束最终成像在焦面上。 第四反射镜将第三反射镜折转的光束继续折转,并校正第二次反射镜引入的像散和场曲,并将校正后的光束折转至光阑面,再由光阑面将第四反射镜所折转的光束折射至焦面,以使光束在焦面上成像。

图1 空间光学遥感系统

表1 空间光学遥感系统主要技术指标

该反射式光学系统的F数为2,入瞳直径为125 mm,像方视场全高为12.3 mm,畸变小于0.5%,点列图均方根直径小于5 μm。具体地,各反射镜的具体参数如表2所示。

表2 空间光学遥感系统具体参数

3 铝基碳化硅表面反射膜设计

铝基碳化硅的表面改性是在其表面镀镍层,采用镀镍的方式可保证镍层的线膨胀系数与铝基碳化硅复合材料的线膨胀系数相同,避免了镍层在温度变化时与基体热性能不匹配而出现翘曲等现象,使镍层与基体具有非常好的温度匹配和结合力。在光学加工方面,单点金刚石车削可以直接对表面的镍层进行加工,加工后具有较好的面形质量和表面光洁度。铝基碳化硅表面改性后在改性的镍层再镀反射膜需要考虑反射膜层的附着性和牢固度,避免结合力不致密导致膜层脱落。本文采用在反射膜系设计中采用粘结层+金属膜+介质膜+保护膜的方式。

根据空间光学遥感系统对成像光谱范围的要求,反射膜在1064±5 nm处,反射率高于98.5%。依据物理气象沉积的基础理论,对于k(k=1,2,3,…) 层膜结构,膜层与基片的特征矩阵为:

(1)

式中,ηj为第j层薄膜材料的有效导纳;ηg为基底材料的有效导纳;σj为第j层膜的位相厚度,薄膜反射率为:

(2)

式中,η0为入射介质的有效导纳。

综合考虑光学薄膜在面形精度、附着力、温度、湿度和反射率方面的要求,选择n=2.27@1064 nm的TiO2,n=1.46@1064 nm的SiO2,n=0.82@1064 nm的Al为反射膜材料。用Essential Macleod膜系设计软件对光学薄膜进行仿真模拟,软件优化后得到的理论设计曲线如图2所示,1064±5nm处R=99.147%。

图2 反射膜的理论设计曲线

3 反射膜的制备

该实验是在OZZSQ900型箱式真空镀膜机上完成的,具体工艺流程如下:

(1)当真空度达到2.5×10-3Pa时开离子源清洁基底表面30 min;

(2)关闭离子源在Ni上用电子束蒸发方式沉积178.17 nm的粘结层(SiO2);

(3)在SiO2上用热蒸发方式沉积144.48 nm的Al;

(4)在Al上用电子束蒸发SiO289 nm后开启离子源辅助沉积SiO2和TiO2介质堆,TiO2和SiO2沉积工艺参数如表3所示。

表3 TiO2和SiO2沉积工艺参数

镀膜样品的反射光谱采用岛津UV-2600i光谱仪进行测试,样品反射率测试结果如图3所示。实测值在1064±5 nm处反射率为98.967%比理论值低0.18%。误差主要来源于薄膜的吸收损耗,但实验结果仍能满足设计指标要求。

图3 样品反射率测试曲线

将镀膜样品进行环境测试,测试结果如下:在附着力试验中,以2 cm宽的胶带纸,剥离强度不小于2.6 N/cm,粘在镀膜样品表面垂直迅速拉起,无脱膜现象。在温度试验中,将测试片放入温控柜内,由室温降到-30 ℃,保持12个小时;再将温度缓慢升到30 ℃,保持12个小时,膜层无脱膜、裂纹、起泡现象。在湿度实验中,镀膜样品件在相对湿度为80%～95%的条件下保持48 h无脱膜、裂纹、起泡现象。

4 结 论

本文设计了一种空间光学遥感系统,该系统通过将第一主反射镜和第二次反射镜为共轴系统离轴使用,即使用主次镜的部分光学口径,达到消除常规共轴系统存在中心遮拦的目的,从而进一步提高了集光能力且易于装调,以及通过利用第三反射镜折转光路,使整个光路空间结构紧凑,从而有效保证了该系统小型化和轻量化的特点,以及通过所述反射式光学系统的F数为2,入瞳直径为125 mm,出瞳直径为39 mm,畸变小于0.5%,点列图均方根直径小于5微米,从而使得相比较普通离轴三反系统,成像质量大幅提高,进一步有效克服了现有技术中的孔径小、集光能力弱、系统笨重的不足。 并采用Essential Macleod膜系设计软件对空间光学遥感系统中的高反射膜进行了设计。在OZZSQ900型箱式真空镀膜机上完成了薄膜的制备,实验结果表明:在1064±5 nm处R=98.878%,满足技术指标要求并通过了环境测试。