徐子奇,高明輝

(1.長春電子科技學(xué)院,吉林 長春 130114;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所空間光學(xué)一部,吉林 長春 130033)

1 引 言

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展,空間光學(xué)遙感系統(tǒng)在地球觀測、資源調(diào)查、環(huán)境檢測和城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。反射鏡高反膜是空間遙感光學(xué)系統(tǒng)中的重要光學(xué)元件。為了觀測到更多的目標(biāo)、獲取更多的地球以及空間觀測信息,對空間光學(xué)遙感系統(tǒng)的反向射膜提出了更高要求,即要求有更高的反射率,還要提升基底光學(xué)性能,降低空間環(huán)境對高反膜性能的影響以及降低薄膜應(yīng)力等[6-7]。

20世紀(jì)50年代,英國雷丁大學(xué)率先開始從事空間紅外光學(xué)薄膜技術(shù)的研究工作[8]。我國以中國科學(xué)院長春精密機(jī)械研究所、浙江大學(xué)等為代表的單位,承擔(dān)了大量空間光學(xué)遙感系統(tǒng)光學(xué)薄膜產(chǎn)品的研制工作[9-10]。目前空間光學(xué)系統(tǒng)反射鏡鏡體的首選材料是表面改性碳化硅,碳化硅與金屬材料比較具有機(jī)械強(qiáng)度高,剛性好、硬度大,耐磨損、密度小、耐高溫,熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)高和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空、航天、國防等領(lǐng)域[11-14]。

本文根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)完成了對空間光學(xué)遙感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和薄膜制備等工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出鋁基碳化硅鍍膜后,1064±5 nm處R=98.878%,膜層穩(wěn)定性好,通過了環(huán)境適應(yīng)性要求。

2 空間光學(xué)遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間光學(xué)遙感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示,設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。其工作原理為:第一主反射鏡將入射光束進(jìn)行會聚,使光束口徑變小;第二次反射鏡將第一主反射鏡會聚的光束進(jìn)行折轉(zhuǎn),并校正由第一主反射鏡產(chǎn)生的部分球差和彗差;第三反射鏡將第二次反射鏡折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn);第四反射鏡將第三反射鏡折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn),并校正第二次反射鏡引入的像散和場曲,并使光束最終成像在焦面上。其中第一主反射鏡(拋物面凹面鏡)與第二次反射鏡(凸面鏡)的頂點(diǎn)在該反射式光學(xué)系統(tǒng)的光軸上,以作離軸使用。第一主反射鏡的通光口徑為126.0 mm用于將入射光束進(jìn)行會聚,使光束的口徑變小,并將會聚后的光束射入第二次反射鏡。第二次反射鏡的通光口徑為33.7 mm用于將所述第一主反射鏡會聚的光束進(jìn)行折轉(zhuǎn)至第三反射鏡,并校正由所述第一主反射鏡產(chǎn)生的部分球差和彗差。第三反射鏡(平面反射鏡)的通光口徑為30.5 mm,用于將所述第二次反射鏡所折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)至第四反射鏡,以使所述反射式光學(xué)系統(tǒng)緊湊,進(jìn)一步使得該反射式光學(xué)系統(tǒng)具有小型化和輕量化的特點(diǎn)。第四反射鏡(雙曲面鏡)的通光口徑為94.8 mm,用于將第三反射鏡所折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn)至,并校正第二次反射鏡引入的像散和場曲,并使光束最終成像在焦面上。 第四反射鏡將第三反射鏡折轉(zhuǎn)的光束繼續(xù)折轉(zhuǎn),并校正第二次反射鏡引入的像散和場曲,并將校正后的光束折轉(zhuǎn)至光闌面,再由光闌面將第四反射鏡所折轉(zhuǎn)的光束折射至焦面,以使光束在焦面上成像。

圖1 空間光學(xué)遙感系統(tǒng)

表1 空間光學(xué)遙感系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

該反射式光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為2,入瞳直徑為125 mm,像方視場全高為12.3 mm,畸變小于0.5%,點(diǎn)列圖均方根直徑小于5 μm。具體地,各反射鏡的具體參數(shù)如表2所示。

表2 空間光學(xué)遙感系統(tǒng)具體參數(shù)

3 鋁基碳化硅表面反射膜設(shè)計(jì)

鋁基碳化硅的表面改性是在其表面鍍鎳層,采用鍍鎳的方式可保證鎳層的線膨脹系數(shù)與鋁基碳化硅復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)相同,避免了鎳層在溫度變化時與基體熱性能不匹配而出現(xiàn)翹曲等現(xiàn)象,使鎳層與基體具有非常好的溫度匹配和結(jié)合力。在光學(xué)加工方面,單點(diǎn)金剛石車削可以直接對表面的鎳層進(jìn)行加工,加工后具有較好的面形質(zhì)量和表面光潔度。鋁基碳化硅表面改性后在改性的鎳層再鍍反射膜需要考慮反射膜層的附著性和牢固度,避免結(jié)合力不致密導(dǎo)致膜層脫落。本文采用在反射膜系設(shè)計(jì)中采用粘結(jié)層+金屬膜+介質(zhì)膜+保護(hù)膜的方式。

根據(jù)空間光學(xué)遙感系統(tǒng)對成像光譜范圍的要求,反射膜在1064±5 nm處,反射率高于98.5%。依據(jù)物理氣象沉積的基礎(chǔ)理論,對于k(k=1,2,3,…) 層膜結(jié)構(gòu),膜層與基片的特征矩陣為:

(1)

式中,ηj為第j層薄膜材料的有效導(dǎo)納;ηg為基底材料的有效導(dǎo)納;σj為第j層膜的位相厚度,薄膜反射率為:

(2)

式中,η0為入射介質(zhì)的有效導(dǎo)納。

綜合考慮光學(xué)薄膜在面形精度、附著力、溫度、濕度和反射率方面的要求,選擇n=2.27@1064 nm的TiO2,n=1.46@1064 nm的SiO2,n=0.82@1064 nm的Al為反射膜材料。用Essential Macleod膜系設(shè)計(jì)軟件對光學(xué)薄膜進(jìn)行仿真模擬,軟件優(yōu)化后得到的理論設(shè)計(jì)曲線如圖2所示,1064±5nm處R=99.147%。

圖2 反射膜的理論設(shè)計(jì)曲線

3 反射膜的制備

該實(shí)驗(yàn)是在OZZSQ900型箱式真空鍍膜機(jī)上完成的,具體工藝流程如下:

(1)當(dāng)真空度達(dá)到2.5×10-3Pa時開離子源清潔基底表面30 min;

(2)關(guān)閉離子源在Ni上用電子束蒸發(fā)方式沉積178.17 nm的粘結(jié)層(SiO2);

(3)在SiO2上用熱蒸發(fā)方式沉積144.48 nm的Al;

(4)在Al上用電子束蒸發(fā)SiO289 nm后開啟離子源輔助沉積SiO2和TiO2介質(zhì)堆,TiO2和SiO2沉積工藝參數(shù)如表3所示。

表3 TiO2和SiO2沉積工藝參數(shù)

鍍膜樣品的反射光譜采用島津UV-2600i光譜儀進(jìn)行測試,樣品反射率測試結(jié)果如圖3所示。實(shí)測值在1064±5 nm處反射率為98.967%比理論值低0.18%。誤差主要來源于薄膜的吸收損耗,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 樣品反射率測試曲線

將鍍膜樣品進(jìn)行環(huán)境測試,測試結(jié)果如下:在附著力試驗(yàn)中,以2 cm寬的膠帶紙,剝離強(qiáng)度不小于2.6 N/cm,粘在鍍膜樣品表面垂直迅速拉起,無脫膜現(xiàn)象。在溫度試驗(yàn)中,將測試片放入溫控柜內(nèi),由室溫降到-30 ℃,保持12個小時;再將溫度緩慢升到30 ℃,保持12個小時,膜層無脫膜、裂紋、起泡現(xiàn)象。在濕度實(shí)驗(yàn)中,鍍膜樣品件在相對濕度為80%～95%的條件下保持48 h無脫膜、裂紋、起泡現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種空間光學(xué)遙感系統(tǒng),該系統(tǒng)通過將第一主反射鏡和第二次反射鏡為共軸系統(tǒng)離軸使用,即使用主次鏡的部分光學(xué)口徑,達(dá)到消除常規(guī)共軸系統(tǒng)存在中心遮攔的目的,從而進(jìn)一步提高了集光能力且易于裝調(diào),以及通過利用第三反射鏡折轉(zhuǎn)光路,使整個光路空間結(jié)構(gòu)緊湊,從而有效保證了該系統(tǒng)小型化和輕量化的特點(diǎn),以及通過所述反射式光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)為2,入瞳直徑為125 mm,出瞳直徑為39 mm,畸變小于0.5%,點(diǎn)列圖均方根直徑小于5微米,從而使得相比較普通離軸三反系統(tǒng),成像質(zhì)量大幅提高,進(jìn)一步有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的孔徑小、集光能力弱、系統(tǒng)笨重的不足。 并采用Essential Macleod膜系設(shè)計(jì)軟件對空間光學(xué)遙感系統(tǒng)中的高反射膜進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在OZZSQ900型箱式真空鍍膜機(jī)上完成了薄膜的制備,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在1064±5 nm處R=98.878%,滿足技術(shù)指標(biāo)要求并通過了環(huán)境測試。