金属反射镜及其制造方法

摘要

本发明公开了一种金属反射镜，包括封闭型基体和设置在所述基体一端表面的镜面、内部的夹层轻量化结构和另一端表面的背板；所述镜面包括表面改性层、反射层和保护层，所述保护层为最外层；所述夹层轻量化结构包括多个腔体和通过腔体连接的通孔。采用增材制造加工工艺使得金属反射镜中夹层轻量化结构更灵活，使得金属反射镜不仅满足反射镜的高刚度设计，还因为夹层轻量化结构将金属反射镜轻量化，并且为一体化设计，表面改性层的设计使得精度定义为与理想面的偏离值的RMS值优于1/10λ，λ＝632.8nm；过渡层的设计增强金属反射镜的化学和机械耐久性，并改善金属反射镜基体和表面改性层之间的结合强度。

权利要求

1.一种金属反射镜，其特征在于，包括封闭型基体和设置在所述基体一端表面的镜面、内部的夹层轻量化结构和另一端表面的背板，所述夹层轻量化结构和所述背板一体形成于所述基体；

所述镜面包括表面改性层、反射层和保护层，所述保护层为最外层；所述基体为铝合金材质，所述表面改性层为纯Al材质，表面改性层厚度为5～15μm；所述金属反射镜还包括设置在所述镜面最内层的过渡层，所述过渡层用于增加所述基体和所述表面改性层的结合强度，所述过渡层为Al2O3或者镍，厚度为5‑30nm；

所述夹层轻量化结构包括多个腔体和通过腔体连接的通孔，所述腔体构成三角形蜂窝式结构，所述通孔设置在所述腔体的立面上并且连通形成多条单一路线的排粉通道，所述基体的侧面设置有与各个排粉通道两端一一对应的排粉孔。

2.一种权利要求1所述的金属反射镜的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一，在封闭式基体上对基体进行增材制造，形成镜面、夹层轻量化结构和背板，所述夹层轻量化结构和所述背板一体形成于所述基体；

步骤二，对所述基体进行半精加工，加工所述镜面、所述基体侧面和背板，在各表面预留精加工余量；

步骤三，对所述基体进行精加工，在所述镜面、所述基体侧面和所述背板预留的精加工余量进行精加工；

步骤四，对基体进行高低温循环消应力处理，处理温度为‑55℃～70℃，消除反射镜内部应力和机械加工残余应力；

步骤五，对所述镜面采用单点金刚石车削的方式进行加工；

步骤六，对所述镜面进行改性镀膜，通过真空离子束辅助沉积的方法进行表面改性层的改性处理，表面改性层材料为纯铝，电子束蒸发镀温度为1100℃～1200℃，采用氮化硼坩埚，表面改性层厚度为5～15μm，生长速率为1nm/s～1.2nm/s；

步骤七，对所镜面进行抛光；

步骤八，在基体上镀反射层；

步骤九，在基体上镀保护层；

所述金属反射镜的制造方法还包括对金属反射镜进行过渡层镀膜，过渡层镀膜设置在所述表面改性层镀膜处理前，所述过渡层用于增加所述基体和所述表面改性层的结合强度，所述过渡层为Al2O3或者镍，厚度为5‑30nm。

3.根据权利要求2所述的金属反射镜的制造方法，其特征在于，增材制造的过程包括如下步骤：

步骤一，进行所述基体和用于支撑所述基体的支撑结构的三维设计，并导出STL文件，所述镜面通过支撑结构与基板形成一定夹角；

步骤二，将所述STL文件输入到增材制造设备中，设置激光加工功率为400W，激光光斑直径为100μm～500μm，激光波长为1060nm～1110nm，扫描速度为980mm/s，扫描间隔为

0.11mm，每层打印厚度为60μm～100μm，在增材制造基板上成形基体和支撑结构；

步骤三，对基体进行清理和排粉，通过吹风机进行内部轻量化结构中未熔融粉末的排出；

步骤四，通过线切割分离基体、支撑结构和基板；

步骤五，对所述基体进行热处理。

4.根据权利要求3所述的金属反射镜的制造方法，其特征在于，所述热处理包括固溶处理和时效处理。

说明书

金属反射镜及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及反射镜领域，尤其涉及一种金属反射镜。

背景技术

[0002] 折反式光学系统被广泛应用于航空测量与遥感等领域。随着航空科技的迅速发展，机载光电遥感设备的折反式光学系统向着灵巧型、轻质和高分辨率的方向发展，对折反
式光学系统的体积、重量等提出了更高的要求。随着对折反式光学系统的实用性和快速性
需求的不断提高，研究能够满足在各波段使用的光学元件变得越来越重要。

[0003] 目前，通过传统机械加工方式的中小口径金属反射镜在折反式光学系统中逐渐获得应用，其具有加工工艺性好、材料价格低等优势。但是由于传统机械加工方式的限制，很
难同时满足金属反射镜的轻质和高刚度，使得现有的金属反射镜很难满足在面形精度要求
更严格的可见光光学系统中的应用。

[0004] 现有技术为了解决这一问题，采用在反射镜侧表面加工通孔的方式来进行反射镜的轻量化，其材料为金属材料，当反射镜口径不大时，能够满足反射镜的加工要求。当反射
镜口径较大时，通过在反射镜侧表面加工通孔来进行轻量化的方式加工困难，通孔会出现
锥度。同时该反射镜轻量化结构形式的轻量化率较低。

发明内容

[0005] 本发明创造的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种金属反射镜，通过增材制造的加工工艺使得金属反射镜结构更轻量化，简化金属反射镜的制备
流程。

[0006] 本发明是通过以下的技术方案实现的：

[0007] 一种金属反射镜，包括封闭型基体和设置在所述基体一端表面的镜面、内部的夹层轻量化结构和另一端表面的背板；所述镜面包括表面改性层、反射层和保护层，所述保护
层为最外层；所述夹层轻量化结构包括多个腔体和通过腔体连接的通孔。

[0008] 优选的，还包括设置在所述镜面最内层的过渡层，所述过渡层用于增加所述基体和所述表面改性层的结合强度。

[0009] 优选的，腔体构成三角形蜂窝式结构，所述通孔设置在所述腔体的立面上并且连通形成多条单一路线的排粉通道。

[0010] 优选的，基体的侧面设置有与各个排粉通道两端一一对应的排粉孔。

[0011] 优选的，基体为铝合金材质。

[0012] 优选的，表面改性层为纯Al材质。

[0013] 一种上述金属反射镜的制造方法，包括以下步骤：

[0014] 步骤一，在基板上对基体进行增材制造，形成镜面、夹层轻量化结构和背板；

[0015] 步骤二，对所述基体进行半精加工，加工所述镜面、所述基体侧面和背板，在各表面预留精加工余量；

[0016] 步骤三，对所述基体进行精加工，在所述镜面、所述基体侧面和所述背板预留的精加工余量进行精加工；

[0017] 步骤四，对基体进行高低温循环消应力处理；

[0018] 步骤五，对所述镜面采用单点金刚石车削的方式进行加工；

[0019] 步骤六，对所述镜面进行改性镀膜，通过真空离子束辅助沉积的方法进行表面改性层的改性处理；

[0020] 步骤七，对所镜面进行抛光；

[0021] 步骤八，在基体上镀反射层；

[0022] 步骤九，在基体上度保护层。

[0023] 优选的，增材制造的过程包括如下步骤：

[0024] 步骤一，进行所述基体和用于支撑所述基体的支撑结构的三维设计，并导出STL文件，所述镜面通过支撑结构与基板形成一定夹角；

[0025] 步骤二，将所述STL文件输入到增材制造设备中，设置激光加工功率为400W，激光光斑直径为100μm～500μm，激光波长为1060nm～1110nm，扫描速度为980mm/s，扫描间隔为
0.11mm，每层打印厚度为60μm～100μm，在增材制造基板上成形基体和支撑结构，然后导出
STL格式文件备用；

[0026] 步骤三，对基体进行清理和排粉，通过吹风机进行内部轻量化结构中未熔融粉末的排出；

[0027] 步骤四，通过线切割分离基体、支撑结构和基板；

[0028] 步骤五，对所述基体进行热处理。

[0029] 优选的，热处理包括固溶处理和时效处理。

[0030] 优选的，还包括对金属反射镜进行过渡层镀膜，过渡层镀膜设置在所述表面改性层镀膜处理前。

[0031] 有益效果：采用增材制造加工工艺使得金属反射镜中夹层轻量化结构更灵活，使得金属反射镜不仅满足反射镜的高刚度设计，还因为夹层轻量化结构将金属反射镜轻量
化，并且为一体化设计，表面改性层的设计使得精度定义为与理想面的偏离值的RMS值优于
1/10λ，λ＝632.8nm；过渡层的设计增强金属反射镜的化学和机械耐久性，并改善金属反射
镜基体和表面改性层之间的结合强度。

[0032] 金属反射镜的加工方法使反射镜在成形后，无需进行粗加工工序，缩短了工艺流程。采用特殊改性工艺，在改性镀膜后面形RMS值优于1/10λ，无需进行第二次单点车削加
工，减少了传统铝合金反射镜改性后的第二次单点车削加工，加工工艺简化，节省周期。

附图说明

[0033] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

[0034] 图1为本发明实施例之一的整体及内部示意图；

[0035] 图2为本发明实施例之一的轴测图；

[0036] 图3为本发明实施例之一的正视图；

[0037] 图4a为图3的剖面图；

[0038] 图4b为图4a的排粉结构示意图；

[0039] 图5为本发明实施例之一的结构示意图；

[0040] 图6为本发明实施例之一的基体增材制造示意图；

[0041] 图7为本发明实施例之一的制造方法流程图。

具体实施方式

[0042] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范
围。

[0043] 如图1和图5所示，一种金属反射镜，包括封闭型基体1和设置在所述基体1一端表面的镜面2、内部的夹层轻量化结构和另一端表面的背板4；所述镜面2包括表面改性层11、
反射层12和保护层13，所述保护层13为最外层；所述夹层轻量化结构包括多个腔体31和通
过腔体31连接的通孔32。基体1的外形可以为圆柱状的封闭结构，圆柱的一面为镜面2，另一
面为背板4，基体1的材料可以为AlSi10Mg、AlSi12等金属粉末，或者其他铝合金材质。镜面2
的设置有可以为平面、球面或非球面。为了能扩大本金属反射镜的运用范围，在某些场镜使
用上，由于受外界因素的影响，需要增强基体1与表面改性层11之间粘合度和机械、化学的
耐久性，此时可在基体1上度过渡层14，过渡层14的材质为Al2O3，过渡层14的厚度可设置在
5‑30nm之间。

[0044] 优选的一种实施例，如图1、图4a和图4b所示，所述腔体31构成三角形蜂窝式结构，所述通孔32设置在所述腔体31的立面上并且连通形成多条单一路线的排粉通道。所述基体
1的侧面设置有与各个排粉通道两端一一对应的排粉孔33。三角形蜂窝式腔体31结构使金
属反射镜的刚度更强并且质量更轻；腔体31的截面为三角形，腔体31的空间为三棱柱状，每
组三角形蜂窝结构的横截面为由六个三角形均匀分部组成的六边形，通孔32可以为圆形，
圆状通孔相较于多边形通孔不易在通孔的边角处积压粉末，通孔32也可以为椭圆状；通孔
32的设置使得腔体31间形成单一路线的排粉通道。当然，腔体31也可以为正方体，均匀分布
在基体1中，正方体均匀的多行多列的分部，每行或每列的腔体31间的立面上设置圆状通孔
32，通孔32和腔体31间形成单一路线的排粉通道，然后在对应排粉通道的两端口设置对应
的排粉孔33。图5为排粉通道的走向图，可以是按照箭头标注的方向排粉，也可以是相反方
向，但是每个通道都是单一性通道，不与其他通道复合，避免多个通道的粉末对同一个通孔
32进行挤压堵住通孔32。在此设计下的基体1内部腔体31会出现部分边缘腔体31不在排粉
通道中，这些腔体31可分别直接连通设置在基体1侧面的排粉孔33，在夹层轻量化结构3的
设计上可采用拓扑优化结构，以材料分布为优化对象，以面形精度为优化目标，通过拓扑优
化计算，找到最佳的结构分布方案。优选的一种实施例，表面改性层11采用材料为99.99％
纯铝，镀膜厚度为10μm，纯铝的表面改性层11可实现后续的光学加工并且在改性镀膜后可
实现面形精度RMS值优于1/10λ，λ＝632.8nm。所述基体1为铝合金材质。铝合金材质的基体1
相较于其他材质，其本身就具备高刚度和轻量化的特点。

[0045] 优选的一种实施例，如图1‑7，一种上述金属反射镜的制造方法，所述方法包括以下步骤：

[0046] 步骤一，在基板6上对基体1进行增材制造，形成镜面2、夹层轻量化结构和背板4；此处所说的增材制造就是3D打印技术。

[0047] 步骤二，对所述基体1进行半精加工，加工所述镜面2、所述基体1侧面和背板4，在各表面预留加工余量1mm。

[0048] 步骤三，对所述基体1进行精加工，在所述镜面2、所述基体1侧面和所述背板4预留的精加工余量进行精加工；在镜面2预留0.2mm光学加工余量。

[0049] 步骤四，对基体1进行高低温循环消应力处理；进行3次高低温循环消应力处理‑55℃～70℃，消除反射镜内部应力和机械加工残余应力。

[0050] 步骤五，对所述镜面2采用单点金刚石车削的方式进行加工；使金属反射镜镜面2的面形RMS值达到λ/10，PV值达到λ/2(λ＝632.8nm)。

[0051] 步骤六，对所述镜面2进行改性镀膜，通过真空离子束辅助沉积的方法进行表面改性层的改性处理；表面改性层11材料为99.99％纯铝，采用离子束辅助沉积，电子束蒸发镀
温度为1100℃～1200℃，采用氮化硼坩埚，表面改性层11厚度为5～15μm，生长速率为1nm/s
～1.2nm/s。在改性镀膜后面形RMS值优于1/10λ；若是发现基体1和表面改性层11之间的结
合强度不够，则需要设置过渡层14，过渡层14同样是通过离子束辅助沉积的方法制得；过渡
层14的材质可以为Al2O3或者镍等材质，可以起到连接表面改性层11与基体1的作用，使表面
改性层11能贴合到基体1上；但是一般目前制作的基体1材质为AlSi10Mg、AlSi12等铝合金材
料，可不设置过渡层14，因为纯Al材质可直接作为改性层加工到基体1上并且连接稳定。

[0052] 步骤七，对所镜面2进行抛光；加工面形RMS值优于λ/40、PV值优于λ/8(λ＝632.8nm)。

[0053] 步骤八，在基体1上镀反射层12。

[0054] 步骤九，在基体1上度保护层13。

[0055] 其中反射层1的膜层厚度为210nm～230nm，反射层12材料为Ag、Au或Al等。对于保护层13，膜层厚度为160nm～180nm，保护层13为金属反射镜的最外层，对金属反射镜起到保
护作用。

[0056] 增材制造的过程包括如下步骤：

[0057] 步骤一，进行所述基体和用于支撑所述基体的支撑结构5的三维设计，并导出STL文件，所述镜面2通过支撑结构5与基板6形成一定夹角；

[0058] 步骤二，将所述STL文件输入到增材制造设备中，增材制造设备为EOS3D打印机，设置激光加工功率为400W，激光光斑直径为100μm～500μm，激光波长为1060nm～1110nm，扫描
速度为980mm/s，扫描间隔为0.11mm，每层打印厚度为60μm～100μm，在增材制造基板6上成
形基体1和支撑结构5。

[0059] 如图6所示，这里的支撑结构5为轻量化设计，支撑结构5在基板6上打印，支撑结构5用于支撑基体的表面与基板的水平面成30°，当然可根据使用方便设计，也可以是其他角
度的夹角，基体1的镜面2为远离支撑结构5的面。

[0060] 步骤三，对基体1进行清理和排粉，通过吹风机进行内部轻量化结构中未熔融粉末的排出；

[0061] 步骤四，通过线切割分离基体1、支撑结构5和基板6；

[0062] 步骤五，对所述基体1进行热处理。所述热处理包括固溶处理和时效处理，先进行固溶处理，加热到529℃±5℃，保温2小时，之后进行淬火，10秒内快速放置于淬火液中，固
溶处理后时效处理，时效温度177℃±5℃，保温8小时。

[0063] 还包括对金属反射镜进行过渡层14镀膜，过渡层14镀膜设置在所述表面改性层11镀膜处理前。根据使用粘合强度和耐久性需要，决定是否设置过渡层14，如果设置过渡层
14，在单点金刚石车削加工后和表面改性层镀膜前，在基体1上通过真空离子束辅助沉积的
方法镀过渡层14，过渡层14材料为Al2O3，过渡层14厚度为5～30nm，过渡层14可增强金属反
射镜的化学和机械耐久性，并改善增材制造金属反射镜基体1和表面改性层11之间的结合
强度。

[0064] 本发明因采用的为增材制造的方式，所以可通过夹层轻量化结构3封闭金属反射镜，并且增材制造工艺可根据需求对夹层轻量化结构3靠近反射镜镜面2的部分设计更密
集，靠近另一侧设计的疏松一些，既满足更高的金属反射镜轻量化需求，又满足金属反射镜
的刚度需要。

[0065] 以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明
精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。