何世昆,王 剛,白云立,張繼友,周于鳴,王 利,黃巧林*,李 晟

(1.北京空間機電研究所，北京 100076； 2.山東航天電子技術(shù)研究所，煙臺 264035)

引 言

隨著空間遙感技術(shù)以及火箭運載技術(shù)的發(fā)展，空間光學(xué)系統(tǒng)的口徑得到很大的提升，空間光學(xué)系統(tǒng)的分辨率也隨之大大提升。如今，空間相機已在地質(zhì)、水質(zhì)勘探、農(nóng)業(yè)遙感觀測、地球環(huán)境監(jiān)測、深空探測、軍事偵察等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。

1990年，人類首次成功將大口徑空間望遠鏡——哈勃(Hubble)空間望遠鏡發(fā)射進入太空[1]。直到今天，Hubble太空望遠鏡仍是已發(fā)射上天的最大的一體式主反射鏡的太空望遠鏡。2009年發(fā)射的Herschel赫歇爾空間望遠鏡[2-5]以及一再推遲發(fā)射的JWST詹姆斯韋伯空間望遠鏡[6-9]，主反射鏡均采用了拼接結(jié)構(gòu)。

20世紀八、九十年代是研究大口徑空間相機研究熱點時期，但伴隨著研制周期長、研究費用高昂的缺點，大口徑空間相機的研究熱度逐漸降低[10-11]。近年來，隨著空間遙感，大口徑反射鏡制備技術(shù)以及火箭運載技術(shù)的進步，大口徑空間相機重新走入了人們的視野。目前大口徑空間相機仍面臨更寬的工作譜段、基底光學(xué)性能提升、空間環(huán)境的影響以及薄膜應(yīng)力的影響這幾方面的困難。作者對近年來空間相機大口徑反射鏡高反膜的研究成果,以及科研過程中遇到的問題相對應(yīng)的一些新的解決思路和方法進行了綜述。

1 更寬的工作波段以及更高的反射率

早期空間相機在可見光譜段的工作范圍是450nm～900nm。隨著可觀測對象的增多，400nm～450nm譜段越來越受到重視，在監(jiān)測內(nèi)陸及海洋水質(zhì)、礦物質(zhì)識別、森林植被覆蓋監(jiān)測等研究方向都擁有重要的應(yīng)用[12-15]。表1中列舉了部分該譜段的應(yīng)用領(lǐng)域及譜段中心波長等技術(shù)參數(shù)。

表1 400nm～450nm譜段應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)技術(shù)參數(shù)

目前國外研制的空間光學(xué)相機的光譜指標已經(jīng)由450nm擴展到400nm。表2中為國外部分光學(xué)相機技術(shù)參數(shù)。

對高光譜數(shù)據(jù)進行反演，可獲取到地物反射光譜特性。利用反射光譜特性可進行地球表面物質(zhì)的成分、形態(tài)、分布、含量、動態(tài)變化以及物體分類方面的研究。為了提高近紫外到近紅外譜段光學(xué)系統(tǒng)的觀測成像質(zhì)量，完成近紫外到近紅外譜段范圍光學(xué)儀器共用光學(xué)視窗的研究，在一定程度上減輕觀測設(shè)備的自身重量，使其更為輕巧精密，將工作譜段進一步擴展到了350nm。表3中為幾種典型成像光譜儀的相關(guān)參數(shù)。

空間相機反射鏡高反膜材料一般為金屬材料，增加反射鏡的工作譜段往往需要在金屬膜上鍍制具有一定膜層結(jié)構(gòu)的介質(zhì)膜，這就造成增加空間相機工作譜段范圍的同時引起反射率的降低[16]。另外以前由于材料和科學(xué)技術(shù)的限制，在金屬膜上鍍制滿足空間工作環(huán)境的介質(zhì)膜是十分困難的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前在反射膜的制備上將大口徑空間相機的工作譜段拓寬已經(jīng)可以實現(xiàn)。

由于增加空間相機工作譜段范圍的同時會引起反射率的降低，因此，目前寬譜段大口徑空間相機反射鏡研究工作的重點在于保證空間相機在足夠?qū)挼墓ぷ髯V段范圍內(nèi)都具有足夠高的反射率?，F(xiàn)階段較常采用的方法是在金屬膜上鍍制一定膜系結(jié)構(gòu)的介質(zhì)膜來提升近可見波段的反射率，介質(zhì)膜較常采用的材料有SiO2,Ta2O5,HfO2等。

目前國內(nèi)高分五號衛(wèi)星在400nm～2500nm全譜段平均反射率大于95%。國外在250nm～700nm的工作譜段范圍平均反射率已達到97%以上。北京空間機電研究所WANG研究團隊目前已將空間相機大口徑反射鏡400nm～450nm工作譜段的反射率提升至95%以上，400nm～900nm寬工作譜段平均反射率不低于98%；350nm～1200nm譜段平均反射率提升至97%以上，350nm～500nm工作譜段反射率不低于90%。

表2 部分國外光學(xué)相機技術(shù)參數(shù)

表3 幾種典型的成像光譜儀

2 提升大口徑反射鏡基底的光學(xué)性能

20世紀上半葉，空間相機的主鏡普遍采用如微晶玻璃、熔石英等膨脹系數(shù)比較低的的這一類材料。這類材料能夠很好地滿足空間光學(xué)系統(tǒng)的拋光要求，能夠制造成滿足需要的空間光學(xué)反射鏡基底。但是，這類材料的強度不佳，不滿足抗熱形變方面要求，難以進行輕量化設(shè)計，因此不適用于制備大口徑空間相機主鏡基底。20世紀70年代，碳化硅(SiC)和碳化硅基復(fù)合材料開始應(yīng)用在空間反射鏡領(lǐng)域。碳化硅和碳化硅基復(fù)合材料具有耐銷蝕、耐高溫、強度大、抗沖擊、導(dǎo)熱性能良好等優(yōu)點，可以充分滿足空間相機大口徑反射鏡對于基底材料選擇的要求[17-20]。

但是碳化硅基底的加工效率低，表面較為粗糙，若直接在其上鍍制反射膜會使表面光散射損耗較大，無法滿足空間應(yīng)用的需求，因此，在鍍制反射膜之前需要對碳化硅基底進行改性。

目前常采用的改性方法是在SiC基底上鍍制10μm左右的Si，再對反射鏡表面進行拋光加工，改性后基底表面粗糙度可達到2nm左右。但是這種方法有兩個缺點：一是對鍍有10μm Si膜磨制時有磨漏的風(fēng)險;二是Si膜層應(yīng)力過大[21]。

最近一種新的SiC基底改性方法已被提出[22]，這種方法是在研磨后的SiC表面直接鍍制10nm厚度的Ti成核層，通過這種方法可以避免磨漏的風(fēng)險，同時可在一定程度上對SiC表面粗糙度進行改善。

3 空間環(huán)境對高反膜性能的影響

近地空間[23]一般指從海平面起100km～36000km的球殼狀空間區(qū)域。對航天任務(wù)影響較大的空間環(huán)境因素主要有：真空熱循環(huán)、空間帶電粒子輻射、原子氧、電離層、地磁場以及空間碎片等。圖1為常見的空間環(huán)境。

圖1 常見的空間環(huán)境

由于反射鏡口徑增大所帶來的影響遠小于材料本身所受空間環(huán)境的影響，因此,目前空間環(huán)境對空間反射鏡高反膜影響研究的熱點主要集中在膜層本身所受真空熱循環(huán)、空間帶電粒子輻照和原子氧影響這幾方面。

3.1 真空熱循環(huán)的影響

在真空熱循環(huán)的影響下，光學(xué)元器件主要的損傷表現(xiàn)形式有以下兩種[24]：(1)光學(xué)膜層剝落。由于膜層與基底之間的熱脹系數(shù)存在差異，當經(jīng)過熱循環(huán)過程后，膜層與基底之間由于熱應(yīng)力的影響，會導(dǎo)致膜層的脫落;(2)反射鏡面形的改變。大口徑反射鏡對面形的要求很高，在熱循環(huán)作用的影響下，大口徑反射鏡表面的溫度相對于內(nèi)部的變化更為劇烈，產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，在反射膜材料內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致反射鏡的面形發(fā)生改變。參考文獻[25]中對直徑200mm的反射鏡進行了高低溫試驗，基底材料選擇石英玻璃，實驗結(jié)果如表4所示。表中,λ是波長。

表4 低溫和高溫實驗后石英玻璃反射鏡的面形變化

為了減小真空熱循環(huán)對反射膜的影響，目前較常采用的做法是根據(jù)航天器運行軌道計算每天熱循環(huán)次數(shù)，再根據(jù)航天器的使用壽命計算出壽命周期內(nèi)熱循環(huán)總數(shù)，結(jié)合有限元分析軟件以及試驗檢測來對反射膜的性能進行優(yōu)化。

3.2 空間帶電粒子輻照的影響

QI等人[26-27]對石英基底反射鏡和微晶玻璃基底反射鏡進行高能質(zhì)子、電子輻照試驗。研究結(jié)果表明：MeV以上的高能質(zhì)子和電子輻照對反射鏡光學(xué)性能影響有限。

參考文獻[28]中研究了低能質(zhì)子、電子輻照對鋁膜光學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照會導(dǎo)致反射鏡在200nm ～ 800nm的波段內(nèi)反射率出現(xiàn)下降；隨著輻照強度的增加，反射鏡的反射率下降更為明顯，且出現(xiàn)紅移現(xiàn)象；質(zhì)子輻照對于對于紅外光譜范圍，影響十分有限；隨著輻照強度的增加，損傷具有降低的趨勢。

100keV不同強度電子輻照試驗表明，輻照后反射鏡反射率在200nm～ 210nm譜段稍有下降，其余譜段反射率未出現(xiàn)明顯變化。一定強度的質(zhì)子輻照能會使反射鏡表面起泡。

由于輻照度的影響是一個長期過程[29-30]，目前降低空間粒子輻照對反射膜光學(xué)性能的影響的方法還是使用運用SRIM程序計算不同能量的質(zhì)子在反射鏡表面膜系中進入深度以及能量損失，參照仿真結(jié)果來分析質(zhì)子能量對反射鏡輻照效應(yīng)的影響，并用質(zhì)子輻照試驗對分析結(jié)果進行驗證，以此來調(diào)節(jié)鍍膜參數(shù)，達到降低粒子輻照對反射鏡光學(xué)性能的影響的目的。

3.3 原子氧的影響

原子氧具有極強的氧化性，很容易和作為大口徑反射鏡鍍膜材料的鋁和銀反應(yīng)生成的氧化物，造成反射膜層逐漸剝蝕。同時原子氧還可與鋁、硅等材料形成粘性氧化物，影響光學(xué)系統(tǒng)性能[31]。

參考文獻[32]中研究了原子氧對聚酰亞胺/Al薄膜性能的影響。結(jié)果表明：原子氧的輻照時間與薄膜材料的質(zhì)量損失成正比；進行原子氧輻照時，聚酰亞胺/Al膜的吸收率呈上升趨勢，隨著輻照時間的延長吸收率增幅趨于平穩(wěn)；隨著原子氧作用時間的延長，薄膜材料表面粗糙度也隨之增加。實驗開始后1h～2h時，薄膜材料表面粗糙度變化不大；在2h～12h實驗時間內(nèi)，薄膜材料表面粗糙度變化明顯，材料的吸收率變化較大。

目前減小原子氧[33-34]對反射膜影響的方法是在金屬膜上鍍制厚度足夠的保護層，并且在鍍制保護層時應(yīng)保證保護膜層得到充足的氧化。

4 薄膜應(yīng)力的影響

目前在大口徑基底上鍍制反射膜通常采用熱蒸法或者濺射法。當鍍膜材料在基板上沉積時，這一過程是鍍膜材料從熔融狀態(tài)氣體沉積轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w薄膜的相的變化，另外,在沉積過程中，由于沉積粒子間的拉伸、擠壓，會造成成膜過程產(chǎn)生微孔、缺陷等，進而在鍍膜過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；由于薄膜和基板之間的熱膨脹系數(shù)不同，鍍膜完成后在卻過程中會導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生[35]。

對于薄膜光學(xué)系統(tǒng)來說，其穩(wěn)定性與應(yīng)力大小成反比關(guān)系。

金屬反射膜的應(yīng)力主要來源于從鍍膜溫度冷卻至室溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力[36]，因此,在降低金屬反射膜應(yīng)力方面的研究主要集中于此，通常采用的方法是在鍍膜前對膜層在冷卻過程中的熱應(yīng)力進行有限元分析[37-42]，利用有限元分析的結(jié)果作為參考對鍍膜參量進行調(diào)整。

反射膜的應(yīng)力受到鍍膜工藝參量的影響，通過對鍍膜溫度、氧分壓等工藝參量的調(diào)整可以有效降低薄膜應(yīng)力；另外可以通過對膜系組合優(yōu)化、增加連接層等方式降低多層膜的整體應(yīng)力值；還可以根據(jù)膜層材料的不同選擇合適的退火溫度，同樣可以達到減小應(yīng)力的目的。

5 結(jié)束語

隨著我國近些年的快速發(fā)展，對于大口徑空間相機的科研、軍事需求也越來越強烈。2016年，我國啟動了長征九號重型運載火箭項目研發(fā)，預(yù)計2028年前后具備能力投入使用，其運輸能力可滿足?4m～?7m范圍內(nèi)的一體式天基光學(xué)載荷。得益于此，我國也提出了更大的口徑、更寬的工作波段、更穩(wěn)定的光學(xué)性能等一些參數(shù)要求。在國家的支持下，與之相關(guān)的反射鏡基底研磨技術(shù)、大口徑反射膜鍍制技術(shù)也有了長足進步。但在基底應(yīng)力控制技術(shù)上，如何降低空間環(huán)境對反射膜光學(xué)性能的影響,以及降低反射鏡設(shè)計制備成本等方面仍有很多問題需要解決。相信通過研究人員堅持不懈的努力，可爭取早日將我國自己的大口徑空間相機發(fā)射上天。