01
背景介绍
折反式光学系统已经在航空测量与遥感等领域获得广泛应用。随着航空科技的迅速发展，灵巧型、轻质和高分辨率已经成为机载光电遥感设备的折反式光学系统的发展方向，这就对折反式光学系统中反射镜等光学元件的体积、重量等提出了更高的要求。
碳化硅、微晶和金属合金等材料是折反式光学系统中反射镜的常用材料。
碳化硅材料是航空领域光电载荷中最常用的反射镜材料。碳化硅材料具备比刚度高和热稳定性好等优点，可以加工获得高面形精度。但是碳化硅反射镜制备周期较长，工艺路线繁琐且成本较高。另外，轻小型碳化硅反射镜的粘接设计也是制备流程的难点之一。
微晶玻璃材料反射镜也可以获得良好的面形精度，但是由于材料脆，大口径反射镜实现高轻量化率难度较大。另外热导率较低，高低温环境适应性差。因此，微晶材料在大口径反射镜中的应用较少，而是常用于制备透射镜组中的折转镜等光学元件。
目前，铝合金反射镜已经在折反式光学系统中获得了应用。铝合金材料具有加工周期短，加工工艺性好和成本低等优势。但是铝合金材料的广泛应用也存在制约因素。铝合金反射镜对材料基体的选择有着严格的要求，需要材料本身致密无缝隙，满足光学级尺寸稳定性的铝合金材料需要通过进口获得。另外，由于材料比刚度差和传统机械加工方式的限制，很难兼顾大口径和高轻量化率。传统铝合金金属反射镜的轻量化方式需要考虑结构完整性和易加工性，对反射镜进行机械加工去除的上限接近60%，极难同时满足高刚度和高度轻量化。
随着对光电设备光学系统的实用性和快速制备要求越来越高，研究能够满足轻质、高刚度和宽环境适应性的铝合金反射镜变得越来越重要。为了弥补铝合金材料比刚度差的问题，许多学者开始尝试使用增材制造技术SLM工艺制备金属反射镜。使用SLM工艺，反射镜的支撑结构和框架结构可以选择与增材制造反射镜基体同种的材料，相同的热膨胀系数使系统具有更宽范围的环境适应性、可靠性及稳定性。
相关技术可以拓展至激光通信、光学遥感、测绘等多种领域，具有重要的理论意义，具有广泛的应用前景。基于增材制造的金属反射镜技术的研究也已经成为了当今金属反射镜制备领域的前沿研究课题之一。
02
反射镜基体的设计与制备
国外在2015年开始计划将增材制造技术应用于铝合金反射镜的制备中。美国硅谷的航天生产企业利用增材技术生产反射镜和桁架梁结构等航天器结构元件，来探索其应用效果。目前，已经有装备3D打印零部件的航天器投入运行。
2015年，美国康宁公司应用增材制造技术制造了一个背部蜂窝状轻质高性能铝合金反射镜。该反射镜采用传统的背部六边形蜂窝状轻量化构造形状，通过增材制造工艺直接成形，省略了轻量化孔铣磨成形时间，提高了基体成形效率。该研究开启了利用增材制造技术制备金属反射镜的先河。
德国弗劳恩霍夫激光技术研究所提出了一种金属反射镜的概念设计，可以通过增材制造来制备实现。在反射镜的增材制造成形过程中，在内部预留出定制的流道。流道可以呈盘旋分布，使其可以应用于水冷镜等领域。在传统成形工艺中，可以通过焊接工艺过程实现，但是工艺复杂。采用增材制造方法制备后，成形效率可以获得极大的提高，并减小了焊接过程中的焊接应力。同时，其设计了近似全封闭式金属反射镜，内部为六边形蜂窝状轻量化结构。在六边形蜂窝状轻量化结构的加强筋上设计排粉孔，连通所有蜂窝状空间，可以实现排粉工作。与传统金属反射镜的背部轻量化形式相比，反射镜的刚度获得了极大地提高。
2015年，Sweeney等研究学者经过大量实验，总结了增材制造技术应用于金属反射镜制造的优势。增材制造技术可以大大缩短加工时间，节省加工材料，同时拥有与锻造相同的尺寸稳定性和均匀性，其可以通过进一步的精加工和热处理，保证应用于光学领域的尺寸稳定性。金属反射镜通过增材制造技术制备，反射镜采用45°成形，实现了反射镜内部支撑筋的自支撑，减少了零件每层的熔融面积，减小了残余内应力。反射镜成形后，经过传统机械加工和单点金刚石车削，获得的金属反射镜面形RMS为0.043μm。
2017年，美国国家航空航天局在可见/红外望远镜的先进光学系统和制造技术的报告中提出了利用增材制造技术制备高轻量化的非球面镜。其通过激光选区烧结AlSi10Mg粉末制备口径500mm的反射镜，对基体进行了单点金刚石车削加工。其应用领域为深空光通信（DSOC）、类地行星搜索等，也可以应用在其他需要低造价高轻量化光学元件的科学领域。
2017年，Hilpert等人为了探寻最优化的增材制造反射镜结构形式，对比分析了实体结构、侧面钻孔结构、背板封闭式蜂窝结构、背板开放式蜂窝结构和背板封闭式中空结构5种结构形式的金属反射镜，最终确定背板封闭式蜂窝结构反射镜为最优结构，并制备成形。反射镜材料为AlSi12，口径为86mm，最终实现了63.5%的轻量化率。为了测试增材制造反射镜面形精度的稳定性，将反射镜在恒温条件下保存2年，面形精度RMS值从12.5nm变化为12.4nm，保证了良好的稳定性。
2019年，Hilpert等人在蜂窝状轻量化方式的基础上，利用了增材制造技术成形复杂结构的优势，对反射镜的轻量化形式进行局部优化。为了提高对位支撑结构的连接强度，在连接支撑结构的区域进行加密处理，实现了60.5%的轻量化。
德国Hartung等人根据离轴三反光学系统的设计结果，经过合理设计布局，将主镜和三镜设置在同一个光学元件上，通过增材制造技术进行制备。反射镜采用反射镜镜体和支撑结构一体化结构形式，内部采用复杂的垂直加强筋结构形式，获得了更高的轻量化率。
美国Roulet等人通过增材制造技术制备应用于航空领域的金属反射镜。针对内部弓形轻量化结构通过CAD仿真软件设计优化。以金属反射镜的镜面法向位移为约束，仿真对比弓形轻量化结构金属反射镜与传统蜂窝轻量化结构，弓形金属反射镜可以获得更优结果，面形精度更高。同时，为了实现不同轻量化率，对内部的弓形支撑柱结构的尺寸参数进行拓扑优化。这种方法可以应用于金属反射镜轻量化结构设计，具有良好的理论应用价值。
Atkins和Mici等人对基于增材制造技术的拓扑优化进行了研究。其充分利用增材制造技术的成形优势，提出了一种将沃罗诺伊细胞（VoronoiCells）形式应用于反射镜的轻量化形式，下图为设计的沃罗诺伊细胞轻量化结构的二维视图。靠近反射镜镜面结构紧凑，远离反射镜镜面一侧结构疏松，可以实现轻量化程度和刚度两者的平衡。
Brunelle等人通过3D打印成形了圆形反射镜，主要应用于红外波段。反射镜采用FeNi36材料，线膨胀系数很低，适和在低温光学等领域应用。对反射镜镜面进行了微观扫描，发现表面有孔隙缺陷，孔洞尺寸接近9μm，没有达到完全致密。这种孔隙缺陷会影响光学成像效果，需要采用后处理措施来消除。
03
后处理工艺的研究
2014年，美国康宁公司公开了一种基于6061-T6材料的金属反射镜基体表面改性工艺专利。该专利提供了包括由基板支撑的性能增强涂层的光学元件以及制造该光学元件的方法。改性层材料可以包括Al或Al的合金，改性后表面RMS粗糙度小于4nm。该专利为铝合金反射镜的改性层材料选择提供了借鉴。
Hilpert等人提出了一种制备可见光波段光学研究的工艺流程，即机械加工-单点金刚石车削-表面改性-磁流变抛光和光学机械抛光，为反射镜基体的后处理工艺提供了思路。单点车加工过程中的反射镜表面粗糙度为0.4nm，面形RMS值为12.5nm，获得了良好的面形精度和表面粗糙度。
2015年，美国亚利桑那大学的Herzog等人认为能够利用热等静压技术来改善金属反射镜致密度，并在反射镜表面直接实施了单点车和抛光等后处理加工工艺，反射镜光学抛光后，获得表面粗糙度RMS值为22nm，PV值为255nm。该反射镜采用机械加工-单点金刚石车削-抛光工艺的流程制备，由于没有进行表面镀膜改性，表面粗糙度较差。
2018年，Atkins等人通过结构优化算法设计的AlSi10Mg金属反射镜，反射镜通过增材制造技术制备，直径为40mm，高度为6mm。为了实现光学表面的高光洁度，采用镀镍磷合金来进行镜面改性处理，通过改性抛光后制备的增材制造反射镜总重量为11.7g，面形精度RMS值优于31nm。
对国外部分6061铝合金和增材制造铝合金的反射镜获得的面形精度和表面粗糙度进行总结如下。
通过总结增材制造金属反射镜基体后处理工艺上的研究进展可以发现，增材制造金属反射镜基体具有良好的机械加工性能，AlSi10Mg等增材制造铝合金材料是可热处理强化合金，可以在反射镜表面通过单点金刚石车削工艺直接加工出光学镜面。针对增材制造会造成孔洞等缺陷的问题，在反射镜表面镀改性层再进一步光学加工是获得良好的表面粗糙度的优选方案。
04
综上所述
国外在增材制造反射镜制备技术方面的研究已经领先于国内，已经获得了面形精度满足红外/可见光学系统要求的金属反射镜。国内对增材制造技术的研究主要集中与激光选区熔化工艺的探索与优化，利用增材制造技术制备的零件也主要应用于支撑结构，用于制备光学元件的应用较少。
增材制造反射镜的优势与特点：
（1）增材制造反射镜基体的机械加工工艺性好，可以直接进行钻孔和攻丝等工序，也可以在表面直接进行单点金刚石车削和抛光等光学加工。
（2）增材制造反射镜基体材料可以通过热处理工艺强化，通过时效处理可以提高材料的力学性能。
（3）增材制造反射镜可以不采用表面改性工艺，通过单点车和抛光工艺加工后，表面粗糙度一般在7~22nm范围内，可以满足红外波段的需要，但是却无法满足可见光波段的需求。
（4）增材制造技术极大的缩减了反射镜结构设计的局限性，可以实现基体结构与支撑结构的一体化设计。
增材制造反射镜存在问题：
（1）由于增材制造反射镜出现的时间较短，反射镜的工艺制备路线仍在摸索阶段，尚未形成统一的工艺流程。
（2）由于增材制造方法存在着各向异性和孔隙率较大的工艺特性，这两个特性会对反射镜的面形精度造成影响。
（3）目前国内外对于实现高轻量化率增材制造反射镜的方法主要是传统轻量化结构和拓扑优化结构，由于增材制造方式加工可以实现复杂结构，如何通过更简单的方法来实现反射镜的超轻量化也值得研究。
随着增材制造技术的进一步发展，在折反式光学系统中，应用增材制造技术制备的金属反射镜作为光学元件将会成为发展方向。
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增材反射镜赏析
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