談 婷,裴景洋,趙學敏,丁 琳,童衛(wèi)明,張一凡

(北京空間機電研究所,北京 100094)

1 引 言

自從20世紀60年代起提出多光譜成像技術以來,采用多個光譜通道進行圖像采集、顯示、處理和分析的技術開始廣泛應用在空間相機上[1-2],作為空間相機的重要光學件,紅外微型多譜段集成濾光片可實現(xiàn)光譜細分,近十幾年在各型號得到了廣泛應用[3-5]。多譜段濾光片制作工藝非常復雜,工作條件極為苛刻(需要封裝在探測器低溫杜瓦內(nèi),溫度可至60 K甚至更低),因此對濾光片研制要求較高[6]。

成型的紅外微型集成濾光片主要經(jīng)歷實驗室存儲及測試、封裝后探測器性能測試、空間相機整機性能測試、空間在軌運行等主要工作狀態(tài)。實驗室存儲、測試環(huán)境的溫濕度及潔凈度,封裝后探測器各種環(huán)境考核試驗、整機性能測試時探測器通斷電導致的高低溫沖擊、空間在軌高能帶電粒子、電磁輻射粒子輻射等因素均會導致濾光片穩(wěn)定性及可靠性減弱,包括光譜性能下降及空間結構發(fā)生改變,最終導致相機像質(zhì)惡化。考慮到空間應用的不可維修性,在地面階段對濾光片性能進行全面評價是非常有必要的。

2 濾光片特點及常見質(zhì)量問題

根據(jù)制作工藝差別通常將微型多譜段集成濾光片分為拼接型濾光片、掩膜型濾光片,其特點見表1所示。

表1 不同類型濾光片特點

一般情況下,拼接型濾光片各單通道濾光片尺寸很小,呈長條形,濾光片厚度較薄(通常1 mm左右),通道間拼接采用黑色環(huán)氧膠,將鍍膜后小尺寸的各單通道濾光片沿側面粘接,經(jīng)過特殊處理的環(huán)氧膠可以防止通道側面竄光,然后在真空條件下加熱排氣固化,最終實現(xiàn)濾光片緊密拼接。在滿足力學性能的條件下,應控制拼縫寬度盡可能小,同時在拼接過程中控制拼縫的平行度和直線度,保證兩側膠的厚度均勻一致。圖1(a)所示是一款典型四譜段拼接型濾光片實物放大圖,單個通道寬度約1.2～1.36 mm,拼縫寬度控制在15～20 μm。

掩膜型濾光片通過顯影、定影、曝光等光刻工藝及鍍膜工藝在一塊較大基板的不同區(qū)域鍍制黑色金屬膜和濾光膜,從而實現(xiàn)濾光片多譜段劃分,圖1(b)所示為一款典型雙譜段掩膜型濾光片實物放大圖,該濾光片結構形式復雜,隔離譜段的黑色金屬掩膜寬度約0.2 mm,四個小觀察窗(留白,不鍍膜也不發(fā)黑)內(nèi)分別刻有4個十字刻線,濾光片往探測器內(nèi)封裝時在顯微鏡下通過觀察窗監(jiān)測十字刻線與探測器芯片上刻線的對準精度,黑色金屬區(qū)域外四周白色區(qū)域為封裝粘接區(qū)域,用于涂抹粘接膠將濾光片固定至探測器芯片周圍的凸臺上。

(a)多譜段拼接型濾光片

(b)多譜段掩膜型濾光片

如前所述可知,多譜段集成濾光片制備工藝非常復雜,產(chǎn)品的各環(huán)節(jié)均易出現(xiàn)問題,圖2所示為兩種多譜段濾光片在制備及使用過程中產(chǎn)生的典型質(zhì)量隱患之一即表面瑕疵。圖2(a)兩個小圈處為基片兩處較大邊緣崩邊,該崩邊位于光學視場內(nèi),會遮擋有效像元；左側拼縫間白色物質(zhì)為窄條粘接過程中溢出到光學膜層上的粘接膠,膠和膜層材料間線脹系數(shù)的差異可能會導致溫度沖擊時產(chǎn)生熱應力從而引起光學膜層開裂脫落；圖2(b)所示為圖2(b)中掩膜型濾光片另一面,可以看出經(jīng)過一系列特定環(huán)境試驗后,濾光片四個觀察窗附近區(qū)域黑色金屬膜層掉落,呈現(xiàn)“X”形狀,該面封裝后正對探測器芯片,脫落的金屬碎屑掉落探測器芯片上形成多余物會影響探測器電子學性能。

表面瑕疵問題是多譜段集成濾光片在制備及使用過程中最容易暴露的問題,尤其是工作在紅外譜段的濾光片薄膜層數(shù)較多,膜層較厚,表面質(zhì)量瑕疵往往更明顯。此外,微型多譜段集成濾光片在使用過程中也多次出現(xiàn)其他問題,如光譜性能衰減、粘接膠開裂、振動過程斷裂等,這些均給項目帶來很大損失,因此需制定一套有效的方法,在產(chǎn)品裝機之前全面考核濾光片產(chǎn)品質(zhì)量,確保質(zhì)量萬無一失才能使用,避免給型號使用帶來隱患。

(a)多譜段拼接型濾光片表面質(zhì)量瑕疵

(b)多譜段掩膜型濾光片表面質(zhì)量瑕疵

3 考核項目

針對濾光片的特點及容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題,需要在兩類產(chǎn)品制備的不同階段設置不同考核項目,考核內(nèi)容必須全面覆蓋產(chǎn)品性能指標,測試具有可實施性。結合現(xiàn)有遙感型號研制經(jīng)驗,表2列出一些典型考核項目,所列項目可作為大部分遙感相機微型多譜段濾光片考核的參考條件。

表2 多譜段濾光片考核項目

注:標“√”欄為考核項

現(xiàn)將表2所示各測試項目作如下詳細說明:

A:外觀檢查

通過外觀檢查可以對產(chǎn)品性能有直觀的了解,檢查過程中需規(guī)范操作,并注意保護產(chǎn)品,避免磕碰劃傷。不同檢查時機對兩類濾光片產(chǎn)品外觀檢查的項目及側重點各有不同,大致需包括以下內(nèi)容,在實際中檢測根據(jù)產(chǎn)品合理選擇項目。

(1)在不低于20×放大倍率顯微鏡下檢查產(chǎn)品外觀是否有磕傷、微裂紋等瑕疵(溫度沖擊過程中微裂紋可能會加速放大導致基底開裂掉渣,產(chǎn)生多余物,同時會拉裂光學膜層,嚴重影響探測器性能)；此外對于拼接型濾光片,需測量各通道窄基片的崩邊量是否控制在合理范圍以免遮擋有效像元(在某探測器中拼接濾光片各通道基片崩邊量控制在30 μm以內(nèi),不同探測器可根據(jù)使用需求及光學加工水平調(diào)整崩邊要求)；

(2)光學膜層表面質(zhì)量應滿足GJB2485-1995中3.3節(jié)要求,重點從膜面光整性、外觀、環(huán)境和溶液污染、表面疵病、蒸發(fā)點和針孔等方面逐一進行檢查。對像元尺寸較小的探測器,有效通光區(qū)域內(nèi)光學表面瑕疵需結合探測器盲元率要求共同判定。

(3)產(chǎn)品標識檢查:即探測器封裝時是否可根據(jù)產(chǎn)品所做標識清楚判斷譜段順序、光線入射面及出射面等,標識必須清晰可辨,且不溶于酒精、乙醚等常用清潔溶劑,必要時濾光片研制方需提供一份濾光片產(chǎn)品使用說明詳述標識,以免封裝過程中出現(xiàn)產(chǎn)品極性誤判問題；

(4)有效鍍膜區(qū)域檢查:各通道光學面有效鍍膜區(qū)域需完全覆蓋各面上光線腳印圖,在此基礎上兩個方向均需留有一定調(diào)節(jié)余量；

(5)對準刻線檢查:檢查刻線是否清晰可辨、數(shù)量完整性及形狀殘缺性等,刻線間距需實測,刻線通常為黑色金屬以減少雜光；

(6)掩膜型濾光片需在不低于20×放大倍率顯微鏡下觀察黑色金屬層表面致密度,并逐一檢查是否有起皮、脫膜、裂紋、起泡等金屬化膜層不均勻現(xiàn)象,以免在后續(xù)使用過程中金屬層脫落造成探測器短路；

(7)拼接型濾光片需在不低于20×放大倍率顯微鏡下觀察各通道拼縫處是否有溢出粘接膠,拼接工藝過程粘接環(huán)氧膠是否對光學面造成污染；

B:結構尺寸檢查

用卡尺或顯微鏡等設備對濾光片結構尺寸進行測量；拼接型濾光片需采用專用非接觸式檢測設備測試產(chǎn)品拼接尺寸,包括拼縫寬度、拼縫平行度、濾光片平面度、拼接后的長寬高；掩膜型濾光片需測試各通道有效口徑及掩膜區(qū)域尺寸是否覆蓋有效像元；

C:面形測試

測試有效通光口徑內(nèi)透射波前或反射面面形,并將測試結果代入光學設計中進行仿真模擬,判斷是否滿足系統(tǒng)使用需求；

D:光譜性能測試

光譜性能是濾光片關鍵特性之一,光譜精確性決定相機目標識別是否準確,帶外信噪比抑制是否合理。紅外微型多譜段集成濾光片通常封裝在探測器內(nèi)并在低溫條件下工作,除在實驗室條件下測試常溫光譜外還需測試更具使用意義的低溫光譜。低溫光譜測試需搭建紅外低溫光譜測試系統(tǒng),通常采用低溫杜瓦瓶及控制設備調(diào)節(jié)杜瓦瓶內(nèi)溫度,可測試常溫至77 K各溫度點的光譜。根據(jù)光譜曲線計算平均透過率、帶寬、截止波長、陡度、波紋深度、帶外響應等各項指標。

E:膜層質(zhì)量檢查

膜層控制是濾光片研制的關鍵一環(huán),直接決定產(chǎn)品成敗。膜層質(zhì)量考核也是產(chǎn)品質(zhì)量檢查過程中非常關鍵的步驟。通常參照GJB2485-1995中3.4節(jié)要求,其中“環(huán)境和物理牢固度”、“溫度和清潔牢固性”為必須滿足的要求,“加選牢固性”是為應用在特殊使用條件的濾光片所規(guī)定[7],技術文件中若有相關要求則按標準執(zhí)行即可。所有試驗均參照標準嚴格執(zhí)行。

本文所涉及的膜層質(zhì)量檢查包括光學膜層及黑色金屬膜層。

F:環(huán)境試驗測試

微型多譜段濾光片封裝在探測器杜瓦內(nèi)部,地面性能測試及在軌工作時探測器需開關機通斷電,濾光片不斷處于冷熱交替的工作模式中；這種多次冷熱交替的工作模式會使膜層與基底間、通道拼接膠與基底間熱應力不匹配,可能會造成膜層或粘接膠開裂脫落；此外在軌工作時由于空間環(huán)境的特殊性,外太空各種帶電粒子輻照會對濾光片的光學性能和機械性能會產(chǎn)生不可逆轉的破壞作用[8],因此多譜段濾光片質(zhì)量考核通常包括一系列環(huán)境試驗測試內(nèi)容。

參考某項目,涉及典型環(huán)境試驗項目主要包括:高低溫循環(huán)試驗、抗輻照試驗、熱真空試驗、熱存貯試驗,試驗條件參照如下:

(1)高低溫循環(huán)試驗:

①溫度范圍:77～323 K；

②循環(huán)次數(shù):40次；

③采用液氮制備低溫,將濾光片置于液氮中30 min,取出后置于烘箱中升溫至323 K,保溫1 h,然后再置于液氮中,完成一個循環(huán)；

④環(huán)境壓力:常壓;濕度:<10 %；

⑤每3次循環(huán)檢查膜層外觀和拼接粘膠；每6次循環(huán)抽樣進行試片的光譜性能測試；每12次循環(huán)抽一片試片進行膜層附著力試驗；

⑥直至規(guī)定循環(huán)次數(shù),之后測試常溫及低溫光譜性能,并檢查產(chǎn)品外觀及膜層質(zhì)量。(在每個環(huán)節(jié)留存照片做比對用)。

(2)抗輻照試驗

①60Co γ射線源,劑量參考值:30 krad(Si)；

②輻射劑量率:3 rad(Si)/s；

③每5 krad(Si)對陪爐片的光譜性能進行測試,每20 krad(Si)抽一片陪爐片進行膜層附著力試驗；

試驗結束后測試光譜性能、膜層質(zhì)量。

(3)熱真空試驗

①溫度范圍為:-100～ +105 ℃；

②循環(huán)次數(shù):10個循環(huán)；

③溫升要求:dT/dt<2 ℃/min；

④高低溫保持時間=4 h。

(4)熱存貯試驗

①溫度:150 ℃；

②保持時間:4 h。

注:

①環(huán)境試驗項目可根據(jù)濾光片使用條件做具體設定,試驗條件設置應該根據(jù)濾光片及整機工作狀態(tài)計算；

②為體現(xiàn)外界環(huán)境因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響的疊加效應,所有環(huán)境試驗必須采用同一個產(chǎn)品或陪爐試片,依次逐項進行試驗；

③測試對象:抽測產(chǎn)品或試片；

④環(huán)境試驗后應逐項檢查產(chǎn)品外觀、膜層表面、拼接性能等；

⑤環(huán)境試驗前后,光譜性能的變化應不大于5 %(可根據(jù)項目需求作調(diào)整)；

G:力學性能試驗

測試對象:抽測產(chǎn)品

將濾光片粘接在專用工裝上,并固定至振動試驗臺上,按要求設置試驗條件,驗證產(chǎn)品抗力學能力,試驗結束后在顯微鏡下檢查外觀及膜層質(zhì)量。

A～G為目前常用多譜段濾光片產(chǎn)品質(zhì)量考核涉及到的項目內(nèi)容,具體實施時需確保無漏項。目前該考核方法已經(jīng)在多個遙感型號中得到驗證。

4 考核驗證

采用該套方法考核某四個譜段拼接型長波濾光片產(chǎn)品質(zhì)量,按前述要求分別從產(chǎn)品外觀、結構尺寸、面形、光譜性能、膜層質(zhì)量、拼接尺寸、環(huán)境試驗考核、力學試驗考核等方面逐項檢查,經(jīng)驗證,產(chǎn)品質(zhì)量滿足要求,產(chǎn)品合格,產(chǎn)品后續(xù)地面測試及在軌工作性能穩(wěn)定,證明本套考核方法有效全面。對微型濾光片而言,常規(guī)的性能參數(shù)如外觀、尺寸、面形等后期較為穩(wěn)定,而膜層質(zhì)量及光譜性能則容易受到空間環(huán)境的影響,因此在環(huán)境試驗前后需重點對濾光片光譜性能及膜層質(zhì)量進行測試及檢查,設置合理的試驗參數(shù),經(jīng)相關環(huán)境試驗后四個通道測試光譜曲線如圖3所示,可以看出各通道曲線在試驗前后基本重合,表3給出了試驗前后對應濾光片光譜性能測試數(shù)據(jù)及膜層質(zhì)量檢查表,從表中可以看出空間環(huán)境因素對濾光片膜層光譜性能影響較小,濾光片能夠經(jīng)受較為嚴苛的空間環(huán)境條件,這是產(chǎn)品空間應用的重要前提。

圖3 環(huán)境試驗前后長波四譜段光譜曲線

表3 環(huán)境試驗前后測試結果比對表

采用本套方法全面考核了某型號項目中四譜段拼接型集成濾光片質(zhì)量,預研階段時由于考核項目不全面濾光片在使用中出現(xiàn)脫膜現(xiàn)象,型號階段時一方面改進濾光片鍍膜方案,一方面優(yōu)化考核項目,最終確保了產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結 語

本文總結了微型集成濾光片的產(chǎn)品特點及研制過程暴露出的質(zhì)量問題,在此基礎上提出了一套適用于空間紅外相機的微型集成濾光片產(chǎn)品質(zhì)量考核方法,并在多個項目中按照該方法對多譜段集成濾光片質(zhì)量進行考核驗證,結果表明本文提出的方法內(nèi)容全面有效,濾光片加工方及使用方均可參照該方法對產(chǎn)品質(zhì)量進行全面考核,減小產(chǎn)品后期在軌工作隱患,具有很強的現(xiàn)實意義。