大口徑空間相機反射鏡高反膜研究進展

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.山東航天電子技術研究所，煙臺 264035)

引 言

隨著空間遙感技術以及火箭運載技術的發展，空間光學系統的口徑得到很大的提升，空間光學系統的分辨率也隨之大大提升。如今，空間相機已在地質、水質勘探、農業遙感觀測、地球環境監測、深空探測、軍事偵察等領域都發揮了重要作用。

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

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以及火箭運載技術的進步，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、基底光學性能提升、空間環境的影響以及薄膜應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，在監測內陸及海洋水質、礦物質識別、森林植被覆蓋監測等研究方向都擁有重要的應用[12-15]。表1中列舉了部分該譜段的應用領域及譜段中心波長等技術參數。

表1 400nm～450nm譜段應用領域及相關技術參數

目前國外研制的空間光學相機的光譜指標已經由450nm擴展到400nm。表2中為國外部分光學相機技術參數。

對高光譜數據進行反演，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的成分、形態、分布、含量、動態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系統的觀測成像質量，完成近紫外到近紅外譜段范圍光學儀器共用光學視窗的研究，在一定程度上減輕觀測設備的自身重量，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參數。

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構的介質膜，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技術的限制，在金屬膜上鍍制滿足空間工作環境的介質膜是十分困難的。隨著科學技術的發展，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可以實現。

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寬的工作譜段范圍內都具有足夠高的反射率。現階段較常采用的方法是在金屬膜上鍍制一定膜系結構的介質膜來提升近可見波段的反射率，介質膜較常采用的材料有SiO2,Ta2O5,HfO2等。

目前國內高分五號衛星在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 部分國外光學相機技術參數

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系統的拋光要求，能夠制造成滿足需要的空間光學反射鏡基底。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)和碳化硅基復合材料開始應用在空間反射鏡領域。碳化硅和碳化硅基復合材料具有耐銷蝕、耐高溫、強度大、抗沖擊、導熱性能良好等優點，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險;二是Si膜層應力過大[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的球殼狀空間區域。對航天任務影響較大的空間環境因素主要有：真空熱循環、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為常見的空間環境。

圖1 常見的空間環境

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境的影響，因此,目前空間環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、空間帶電粒子輻照和原子氧影響這幾方面。

3.1 真空熱循環的影響

在真空熱循環的影響下，光學元器件主要的損傷表現形式有以下兩種[24]：(1)光學膜層剝落。由于膜層與基底之間的熱脹系數存在差異，當經過熱循環過程后，膜層與基底之間由于熱應力的影響，會導致膜層的脫落;(2)反射鏡面形的改變。大口徑反射鏡對面形的要求很高，在熱循環作用的影響下，大口徑反射鏡表面的溫度相對于內部的變化更為劇烈，產生邊緣效應，在反射膜材料內產生較大的應力，導致反射鏡的面形發生改變。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對反射膜的影響，目前較常采用的做法是根據航天器運行軌道計算每天熱循環次數，再根據航天器的使用壽命計算出壽命周期內熱循環總數，結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子、電子輻照試驗。研究結果表明：MeV以上的高能質子和電子輻照對反射鏡光學性能影響有限。

參考文獻[28]中研究了低能質子、電子輻照對鋁膜光學性能的影響。發現質子輻照會導致反射鏡在200nm ～ 800nm的波段內反射率出現下降；隨著輻照強度的增加，反射鏡的反射率下降更為明顯，且出現紅移現象；質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明顯變化。一定強度的質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，參照仿真結果來分析質子能量對反射鏡輻照效應的影響，并用質子輻照試驗對分析結果進行驗證，以此來調節鍍膜參數，達到降低粒子輻照對反射鏡光學性能的影響的目的。

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，影響光學系統性能[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。結果表明：原子氧的輻照時間與薄膜材料的質量損失成正比；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；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，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保證保護膜層得到充足的氧化。

4 薄膜應力的影響

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氣體沉積轉變為固體薄膜的相的變化，另外,在沉積過程中，由于沉積粒子間的拉伸、擠壓，會造成成膜過程產生微孔、缺陷等，進而在鍍膜過程中產生內應力；由于薄膜和基板之間的熱膨脹系數不同，鍍膜完成后在卻過程中會導致熱應力的產生[35]。

對于薄膜光學系統來說，其穩定性與應力大小成反比關系。

金屬反射膜的應力主要來源于從鍍膜溫度冷卻至室溫產生的熱應力[36]，因此,在降低金屬反射膜應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力進行有限元分析[37-42]，利用有限元分析的結果作為參考對鍍膜參量進行調整。

反射膜的應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整可以有效降低薄膜應力；另外可以通過對膜系組合優化、增加連接層等方式降低多層膜的整體應力值；還可以根據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力的目的。

5 結束語

隨著我國近些年的快速發展，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，預計2028年前后具備能力投入使用，其運輸能力可滿足?4m～?7m范圍內的一體式天基光學載荷。得益于此，我國也提出了更大的口徑、更寬的工作波段、更穩定的光學性能等一些參數要求。在國家的支持下，與之相關的反射鏡基底研磨技術、大口徑反射膜鍍制技術也有了長足進步。但在基底應力控制技術上，如何降低空間環境對反射膜光學性能的影響,以及降低反射鏡設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射上天。