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背景介紹

折反式光學系統已經在航空測量與遙感等領域獲得廣泛應用。隨著航空科技的迅速發展，靈巧型、輕質和高分辨率已經成為機載光電遙感設備的折反式光學系統的發展方向，這就對折反式光學系統中反射鏡等光學元件的體積、重量等提出了更高的要求。

碳化硅、微晶和金屬合金等材料是折反式光學系統中反射鏡的常用材料。

碳化硅材料是航空領域光電載荷中最常用的反射鏡材料。碳化硅材料具備比剛度高和熱穩定性好等優點，可以加工獲得高面形精度。但是碳化硅反射鏡制備周期較長，工藝路線繁瑣且成本較高。另外，輕小型碳化硅反射鏡的粘接設計也是制備流程的難點之一。

微晶玻璃材料反射鏡也可以獲得良好的面形精度，但是由于材料脆，大口徑反射鏡實現高輕量化率難度較大。另外熱導率較低，高低溫環境適應性差。因此，微晶材料在大口徑反射鏡中的應用較少，而是常用于制備透射鏡組中的折轉鏡等光學元件。

目前，鋁合金反射鏡已經在折反式光學系統中獲得了應用。鋁合金材料具有加工周期短，加工工藝性好和成本低等優勢。但是鋁合金材料的廣泛應用也存在制約因素。鋁合金反射鏡對材料基體的選擇有著嚴格的要求，需要材料本身致密無縫隙，滿足光學級尺寸穩定性的鋁合金材料需要通過進口獲得。另外，由于材料比剛度差和傳統機械加工方式的限制，很難兼顧大口徑和高輕量化率。傳統鋁合金金屬反射鏡的輕量化方式需要考慮結構完整性和易加工性，對反射鏡進行機械加工去除的上限接近60%，極難同時滿足高剛度和高度輕量化。

隨著對光電設備光學系統的實用性和快速制備要求越來越高，研究能夠滿足輕質、高剛度和寬環境適應性的鋁合金反射鏡變得越來越重要。為了彌補鋁合金材料比剛度差的問題，許多學者開始嘗試使用增材制造技術SLM工藝制備金屬反射鏡。使用SLM工藝，反射鏡的支撐結構和框架結構可以選擇與增材制造反射鏡基體同種的材料，相同的熱膨脹系數使系統具有更寬范圍的環境適應性、可靠性及穩定性。

相關技術可以拓展至激光通信、光學遙感、測繪等多種領域，具有重要的理論意義，具有廣泛的應用前景。基于增材制造的金屬反射鏡技術的研究也已經成為了當今金屬反射鏡制備領域的前沿研究課題之一。

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反射鏡基體的設計與制備

國外在2015年開始計劃將增材制造技術應用于鋁合金反射鏡的制備中。美國硅谷的航天生產企業利用增材技術生產反射鏡和桁架梁結構等航天器結構元件，來探索其應用效果。目前，已經有裝備3D打印零部件的航天器投入運行。

2015年，美國康寧公司應用增材制造技術制造了一個背部蜂窩狀輕質高性能鋁合金反射鏡。該反射鏡采用傳統的背部六邊形蜂窩狀輕量化構造形狀，通過增材制造工藝直接成形，省略了輕量化孔銑磨成形時間，提高了基體成形效率。該研究開啟了利用增材制造技術制備金屬反射鏡的先河。

德國弗勞恩霍夫激光技術研究所提出了一種金屬反射鏡的概念設計，可以通過增材制造來制備實現。在反射鏡的增材制造成形過程中，在內部預留出定制的流道。流道可以呈盤旋分布，使其可以應用于水冷鏡等領域。在傳統成形工藝中，可以通過焊接工藝過程實現，但是工藝復雜。采用增材制造方法制備后，成形效率可以獲得極大的提高，并減小了焊接過程中的焊接應力。同時，其設計了近似全封閉式金屬反射鏡，內部為六邊形蜂窩狀輕量化結構。在六邊形蜂窩狀輕量化結構的加強筋上設計排粉孔，連通所有蜂窩狀空間，可以實現排粉工作。與傳統金屬反射鏡的背部輕量化形式相比，反射鏡的剛度獲得了極大地提高。

2015年，Sweeney等研究學者經過大量實驗，總結了增材制造技術應用于金屬反射鏡制造的優勢。增材制造技術可以大大縮短加工時間，節省加工材料，同時擁有與鍛造相同的尺寸穩定性和均勻性，其可以通過進一步的精加工和熱處理，保證應用于光學領域的尺寸穩定性。金屬反射鏡通過增材制造技術制備，反射鏡采用45°成形，實現了反射鏡內部支撐筋的自支撐，減少了零件每層的熔融面積，減小了殘余內應力。反射鏡成形后，經過傳統機械加工和單點金剛石車削，獲得的金屬反射鏡面形RMS為0.043μm。

2017年，美國國家航空航天局在可見/紅外望遠鏡的先進光學系統和制造技術的報告中提出了利用增材制造技術制備高輕量化的非球面鏡。其通過激光選區燒結AlSi10Mg粉末制備口徑500mm的反射鏡，對基體進行了單點金剛石車削加工。其應用領域為深空光通信（DSOC）、類地行星搜索等，也可以應用在其他需要低造價高輕量化光學元件的科學領域。

2017年，Hilpert等人為了探尋最優化的增材制造反射鏡結構形式，對比分析了實體結構、側面鉆孔結構、背板封閉式蜂窩結構、背板開放式蜂窩結構和背板封閉式中空結構5種結構形式的金屬反射鏡，最終確定背板封閉式蜂窩結構反射鏡為最優結構，并制備成形。反射鏡材料為AlSi12，口徑為86mm，最終實現了63.5%的輕量化率。為了測試增材制造反射鏡面形精度的穩定性，將反射鏡在恒溫條件下保存2年，面形精度RMS值從12.5nm變化為12.4nm，保證了良好的穩定性。

2019年，Hilpert等人在蜂窩狀輕量化方式的基礎上，利用了增材制造技術成形復雜結構的優勢，對反射鏡的輕量化形式進行局部優化。為了提高對位支撐結構的連接強度，在連接支撐結構的區域進行加密處理，實現了60.5%的輕量化。

德國Hartung等人根據離軸三反光學系統的設計結果，經過合理設計布局，將主鏡和三鏡設置在同一個光學元件上，通過增材制造技術進行制備。反射鏡采用反射鏡鏡體和支撐結構一體化結構形式，內部采用復雜的垂直加強筋結構形式，獲得了更高的輕量化率。

美國Roulet等人通過增材制造技術制備應用于航空領域的金屬反射鏡。針對內部弓形輕量化結構通過CAD仿真軟件設計優化。以金屬反射鏡的鏡面法向位移為約束，仿真對比弓形輕量化結構金屬反射鏡與傳統蜂窩輕量化結構，弓形金屬反射鏡可以獲得更優結果，面形精度更高。同時，為了實現不同輕量化率，對內部的弓形支撐柱結構的尺寸參數進行拓撲優化。這種方法可以應用于金屬反射鏡輕量化結構設計，具有良好的理論應用價值。

Atkins和Mici等人對基于增材制造技術的拓撲優化進行了研究。其充分利用增材制造技術的成形優勢，提出了一種將沃羅諾伊細胞（VoronoiCells）形式應用于反射鏡的輕量化形式，下圖為設計的沃羅諾伊細胞輕量化結構的二維視圖。靠近反射鏡鏡面結構緊湊，遠離反射鏡鏡面一側結構疏松，可以實現輕量化程度和剛度兩者的平衡。

Brunelle等人通過3D打印成形了圓形反射鏡，主要應用于紅外波段。反射鏡采用FeNi36材料，線膨脹系數很低，適和在低溫光學等領域應用。對反射鏡鏡面進行了微觀掃描，發現表面有孔隙缺陷，孔洞尺寸接近9μm，沒有達到完全致密。這種孔隙缺陷會影響光學成像效果，需要采用后處理措施來消除。

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后處理工藝的研究

2014年，美國康寧公司公開了一種基于6061-T6材料的金屬反射鏡基體表面改性工藝專利。該專利提供了包括由基板支撐的性能增強涂層的光學元件以及制造該光學元件的方法。改性層材料可以包括Al或Al的合金，改性后表面RMS粗糙度小于4nm。該專利為鋁合金反射鏡的改性層材料選擇提供了借鑒。

Hilpert等人提出了一種制備可見光波段光學研究的工藝流程，即機械加工-單點金剛石車削-表面改性-磁流變拋光和光學機械拋光，為反射鏡基體的后處理工藝提供了思路。單點車加工過程中的反射鏡表面粗糙度為0.4nm，面形RMS值為12.5nm，獲得了良好的面形精度和表面粗糙度。

2015年，美國亞利桑那大學的Herzog等人認為能夠利用熱等靜壓技術來改善金屬反射鏡致密度，并在反射鏡表面直接實施了單點車和拋光等后處理加工工藝，反射鏡光學拋光后，獲得表面粗糙度RMS值為22nm，PV值為255nm。該反射鏡采用機械加工-單點金剛石車削-拋光工藝的流程制備，由于沒有進行表面鍍膜改性，表面粗糙度較差。

2018年，Atkins等人通過結構優化算法設計的AlSi10Mg金屬反射鏡，反射鏡通過增材制造技術制備，直徑為40mm，高度為6mm。為了實現光學表面的高光潔度，采用鍍鎳磷合金來進行鏡面改性處理，通過改性拋光后制備的增材制造反射鏡總重量為11.7g，面形精度RMS值優于31nm。

對國外部分6061鋁合金和增材制造鋁合金的反射鏡獲得的面形精度和表面粗糙度進行總結如下。

通過總結增材制造金屬反射鏡基體后處理工藝上的研究進展可以發現，增材制造金屬反射鏡基體具有良好的機械加工性能，AlSi10Mg等增材制造鋁合金材料是可熱處理強化合金，可以在反射鏡表面通過單點金剛石車削工藝直接加工出光學鏡面。針對增材制造會造成孔洞等缺陷的問題，在反射鏡表面鍍改性層再進一步光學加工是獲得良好的表面粗糙度的優選方案。

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綜上所述

國外在增材制造反射鏡制備技術方面的研究已經領先于國內，已經獲得了面形精度滿足紅外/可見光學系統要求的金屬反射鏡。國內對增材制造技術的研究主要集中與激光選區熔化工藝的探索與優化，利用增材制造技術制備的零件也主要應用于支撐結構，用于制備光學元件的應用較少。

增材制造反射鏡的優勢與特點：

（1）增材制造反射鏡基體的機械加工工藝性好，可以直接進行鉆孔和攻絲等工序，也可以在表面直接進行單點金剛石車削和拋光等光學加工。

（2）增材制造反射鏡基體材料可以通過熱處理工藝強化，通過時效處理可以提高材料的力學性能。

（3）增材制造反射鏡可以不采用表面改性工藝，通過單點車和拋光工藝加工后，表面粗糙度一般在7~22nm范圍內，可以滿足紅外波段的需要，但是卻無法滿足可見光波段的需求。

（4）增材制造技術極大的縮減了反射鏡結構設計的局限性，可以實現基體結構與支撐結構的一體化設計。

增材制造反射鏡存在問題：

（1）由于增材制造反射鏡出現的時間較短，反射鏡的工藝制備路線仍在摸索階段，尚未形成統一的工藝流程。

（2）由于增材制造方法存在著各向異性和孔隙率較大的工藝特性，這兩個特性會對反射鏡的面形精度造成影響。

（3）目前國內外對于實現高輕量化率增材制造反射鏡的方法主要是傳統輕量化結構和拓撲優化結構，由于增材制造方式加工可以實現復雜結構，如何通過更簡單的方法來實現反射鏡的超輕量化也值得研究。

隨著增材制造技術的進一步發展，在折反式光學系統中，應用增材制造技術制備的金屬反射鏡作為光學元件將會成為發展方向。

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增材反射鏡賞析