鋁合金反射鏡的發(fā)展與應(yīng)用

張東閣，傅雨田

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鋁合金反射鏡的發(fā)展與應(yīng)用

張東閣1,2，傅雨田1,2

（1. 中國科學(xué)院紅外成像與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2. 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

綜述了國內(nèi)外鋁合金反射鏡的發(fā)展現(xiàn)狀，最新應(yīng)用和技術(shù)參數(shù)。首先從鋁合金反射鏡的設(shè)計(jì)、加工、安裝結(jié)構(gòu)和應(yīng)用4個(gè)方面展開論述，然后總結(jié)了鋁合金反射鏡的共同特點(diǎn)和共性技術(shù)。最后對(duì)鋁合金反射鏡的應(yīng)用前景提出了展望。

鋁合金反射鏡；反射光學(xué)系統(tǒng)；拋光；單點(diǎn)金剛石切削；鋁合金輕量化

0 引言

人們很早就開始用金屬材料制作反射鏡，“以銅為鏡，可以正衣冠”就是例證。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，諸如SiC、ULE和Zerodur等新材料紛紛登場(chǎng)[1]，但以鋁合金為代表的金屬反射鏡依然獨(dú)具特色。

鋁合金反射鏡可以用現(xiàn)有的車、銑、磨削等工藝，快速加工制作反射鏡的基體結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮鋁合金材料易于成型的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)利用金剛石單點(diǎn)車削（single point diamond turning，SPDT）工藝加工反射鏡的鏡面，可以直接獲得滿足紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量要求的光滑表面，而且還可以經(jīng)濟(jì)高效地加工非球面[2-3]，更是受到工程光學(xué)領(lǐng)域的青睞。

鋁合金反射鏡與其安裝支撐結(jié)構(gòu)金屬材料的膨脹系數(shù)較為接近，降低了膨脹系數(shù)不匹配的影響，避免了光機(jī)系統(tǒng)材料膨脹系數(shù)不一致帶來的熱應(yīng)力和應(yīng)變，有利于反射鏡面形和光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的長(zhǎng)期保持，特別適合低溫和變溫環(huán)境工作的光學(xué)系統(tǒng)。

本文對(duì)國內(nèi)外鋁合金反射鏡的研究進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，分析國內(nèi)外鋁合金反射鏡的典型應(yīng)用和設(shè)計(jì)參數(shù)、輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工、光滑鏡面加工方法等研究成果，總結(jié)鋁合金反射鏡的共有特點(diǎn)，對(duì)今后鋁合金反射鏡的研究提供借鑒和思考。

1 國內(nèi)研究成果

國內(nèi)鋁合金反射鏡主要是以成都光電所、長(zhǎng)春光機(jī)所、昆明物理研究所和國防科技大學(xué)、北京理工大學(xué)等的研究成果為主，主要集中在全鋁光學(xué)系統(tǒng)的研制和超光滑鋁合金鏡面加工等方面。

2001年中科院成都光電所提出了一種雙反射的全鋁光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[4]，主鏡口徑183mm，主鏡和次鏡都采用柔性環(huán)節(jié)進(jìn)行安裝固定，主要用于低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)。圖1是成都光電所的全鋁光學(xué)系統(tǒng)示意圖，主次鏡的安裝支撐結(jié)構(gòu)也是鋁合金材料。

圖1 成都光電所研制的全鋁光學(xué)系統(tǒng)示意圖

2005年北京理工大學(xué)在文獻(xiàn)中報(bào)道了一個(gè)Cassegrain型式的全鋁光學(xué)系統(tǒng)[5-6]，設(shè)計(jì)波段3.7～4.8mm，工作溫度范圍－30～＋45℃。主鏡口徑240mm，鏡體上設(shè)計(jì)有3個(gè)一體化的柔性安裝結(jié)構(gòu)。

圖2(a)是北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)的全鋁光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和主鏡的實(shí)物圖，圖2(b)顯示了鏡體背部的柔性安裝結(jié)構(gòu)。圖2(b)的反射鏡通過這3個(gè)柔性結(jié)構(gòu)用螺釘固定在圖1(a)的鏡筒上，柔性環(huán)節(jié)卸載了螺釘?shù)陌惭b應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了反射鏡的無應(yīng)力安裝。

圖2 北京理工大學(xué)研制的全鋁光學(xué)系統(tǒng)

2005年成都光電所任棲鋒對(duì)鋁合金光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光機(jī)集成分析[7]，確定了加速度載荷作用下鋁合金反射鏡的面形參數(shù)，光機(jī)集成分析也是驗(yàn)證全鋁光學(xué)系統(tǒng)在高低溫變化環(huán)境下成像質(zhì)量的有效手段。

2014年成都光電所龍波對(duì)薄型鋁合金反射鏡的安裝方法進(jìn)行了研究[8-9]。鏡體背部用單點(diǎn)金剛石車削加工3個(gè)高精度的安裝支耳，用作反射鏡的安裝結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是定位基準(zhǔn)。

在每個(gè)安裝支耳上還設(shè)計(jì)有柔性環(huán)節(jié)，用來卸載安裝支耳與鏡座之間的螺釘預(yù)緊力等載荷，減輕對(duì)反射鏡面面形的影響，這種安裝方法與圖2的鋁合金反射鏡類似。根據(jù)上述文獻(xiàn)，成都光電所對(duì)鋁合金反射鏡有著系統(tǒng)深入的研究，并延續(xù)至今。

2015年長(zhǎng)春光機(jī)所范磊對(duì)口徑316mm的鋁合金反射鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]，反射鏡材料是6061鋁合金，用有限元分析優(yōu)化了反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)和安裝支撐結(jié)構(gòu)。

圖3(a)顯示了離軸鋁合金反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)和安裝定位結(jié)構(gòu)，圖3(b)是裝有鋁合金反射鏡的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖3(a)的鋁合金主反射鏡有300mm的孔徑離軸量，為了減小變形，反射鏡設(shè)計(jì)成等厚的平凹結(jié)構(gòu)。在反射鏡外緣還設(shè)計(jì)有3個(gè)柔性安裝結(jié)構(gòu)，同時(shí)還設(shè)計(jì)了卸載槽，以減小螺釘預(yù)緊力的影響。分析表明圖3(a)的安裝方式，在俯仰角度變化條件下，鏡面面形的變化小于/15（均方根值，＝633nm）。

圖3 長(zhǎng)春光機(jī)所研制的鋁合金反射鏡

Fig.3 Aluminum mirror designed by CIOMP

2015年昆明物理所謝啟明等發(fā)表了口徑235mm非球面鋁合金反射鏡的研制結(jié)果[11]，重點(diǎn)介紹了鋁合金反射鏡的加工方法，圖4是其研制的鋁合金反射鏡及其夾具的示意圖。

作者先通過試切，在模擬工件上進(jìn)行單點(diǎn)金剛石刀具的調(diào)整，然后在鋁合金鏡胚上進(jìn)行正式加工，加工完成后再用清洗劑去除表面的殘留物，最終加工完成的鋁合金反射鏡面形精度均方根值0.13（＝632.8nm），反射鏡鍍膜之后在中波紅外波段的反射率大于99%。

圖4 昆明物理所研制的鋁合金反射鏡及其工裝

國內(nèi)也有學(xué)者對(duì)鋁合金反射鏡光學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理與工藝進(jìn)行的相關(guān)研究，2009年中科院長(zhǎng)春光機(jī)所發(fā)表了有關(guān)鋁合金反射鏡化學(xué)鍍鎳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]。

長(zhǎng)春光機(jī)所制備的反射鏡基底材料是硬鋁2A12，口徑810mm，厚度60mm。經(jīng)過鍍鎳處理后，反射鏡面沉積了一層85mm厚的Ni-P過渡層。然后用古典法對(duì)Ni-P過渡層進(jìn)行拋光，最終得到的反射鏡面形精度0.049（均方根值，＝633nm）。

2014年國防科技大學(xué)張藝報(bào)道了對(duì)6061鋁合金反射鏡進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]，用自制的拋光盤和拋光液，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定了最佳的工藝參數(shù)組合，最終在單點(diǎn)金剛石車削的6061鋁合金鏡面，獲得了表面粗糙度a＝2.6nm（0.94mm×0.7mm局部區(qū)域）。圖5是國防科技大學(xué)用化學(xué)機(jī)械拋光方法得到的鋁合金反射鏡實(shí)物圖。

圖5 國防科技大學(xué)化學(xué)機(jī)械拋光的鋁合金反射鏡

2015年天津大學(xué)房豐洲教授課題組進(jìn)行了鋁合金反射鏡的超精密拋光實(shí)驗(yàn)[14]，目的是研究拋光介質(zhì)和工藝參數(shù)對(duì)鋁合金鏡面超精密拋光的影響。

他們先以口徑20mm的6061鋁合金平片為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油性拋光液和羊毛拋光輪進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)，最終將鋁合金平片的表面粗糙度降到a＝6.03nm。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用實(shí)驗(yàn)獲得的最佳拋光工藝參數(shù)對(duì)一塊鋁合金自由曲面反射鏡進(jìn)行精密拋光，獲得了口徑30mm×35mm的超光滑鏡面，表面粗糙度a＝5.03nm。

2 國外研究進(jìn)展

國外研究機(jī)構(gòu)以德國夫瑯和費(fèi)應(yīng)用光學(xué)和精密機(jī)械研究所（Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering，IOF），美國雷神公司（Raytheon），猶他州立大學(xué)空間動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Utah State University Space Dynamics Lab，SDL）和荷蘭ASTRON公司的研究成果較為豐富，他們?cè)阡X合金材料制備、鏡胚預(yù)處理、超光滑鏡面加工以及空間應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

早在1992年前后，在甚大口徑望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope，VLT）研究初期，英國格林威治天文臺(tái)提出了超大口徑鋁合金反射鏡的設(shè)想[15]，同時(shí)期歐洲南方天文臺(tái)提出了大型鋁合金變形鏡計(jì)劃LAMA（Large Active Mirrors in Aluminum）[16]，類似的還有同時(shí)期口徑1.8m鋁合金反射鏡的文獻(xiàn)記錄[17]。

1998年美國國家光學(xué)天文臺(tái)（National Optical Astronomical Observation，NOAO）為GNIRS（Gemini Near infrared Spectrograph）訂購了44塊鋁合金反射鏡[18]。反射鏡材料是6061鋁合金，經(jīng)過金剛石單點(diǎn)車削加工之后，在鏡面鍍一層無定形狀態(tài)的純鋁（純度＞99.9%），厚度是125mm，然后在純鋁層上再進(jìn)行一次單點(diǎn)金剛石車削加工，獲得最終的光學(xué)鏡面。

NOAO還對(duì)鋁合金反射鏡進(jìn)行了溫度實(shí)驗(yàn)，以確定在變溫環(huán)境下反射鏡的面形穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)以口徑175mm的6061鋁合金反射鏡為樣品，鏡面在鍍純鋁之后，獲得了粗糙度小于5nm的光滑表面，在65～350K的5次高低溫循環(huán)之后，鋁合金反射鏡的面形變化量小于0.05（均方根值，＝633nm），其中還包含了溫控箱窗口玻璃的影響。

2002年美國Swales Aerospace公司和美國宇航局哥達(dá)德飛行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）為可見光/紅外集成輻射計(jì)CVIR（Compact Visible Infrared Radiometer）聯(lián)合研制了一個(gè)基于泡沫鋁合金的輕量化掃描鏡[19]。

泡沫反射鏡是長(zhǎng)軸143mm，短軸110mm，厚度13mm的橢圓形，質(zhì)量0.173kg，等效面密度是14kg/m2，圖6是泡沫鋁合金反射鏡的原理圖，外部有封閉的背部面板3和鏡面1，將泡沫鋁芯2完全包裹。實(shí)測(cè)泡沫鋁合金反射鏡的面形精度0.822（均方根值，＝633nm），表面粗糙度a＝3.7nm。

GSFC利用這個(gè)泡沫鋁合金反射鏡，進(jìn)行了低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)，光學(xué)系統(tǒng)是Offner形式的同心結(jié)構(gòu)。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)件都用鋁合金制作，避免了變溫環(huán)境下材料膨脹系數(shù)不一致帶來的光學(xué)元件失調(diào)問題，實(shí)現(xiàn)了常溫裝調(diào)，低溫工作（“align warm，work cold”）的效果。

2003年美國Swales Aerospace公司又聯(lián)合美國宇航局GSFC研制了紅外多目標(biāo)光譜儀（Infrared Multi-Object Spectrograph，IRMOS）[20]。IRMOS光譜儀的視場(chǎng)0.4°×0.3°，工作波段0.8～2.5mm，光譜分辨率/D＝300～3000，主要用于Kitt Peak天文臺(tái)的Mayall望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)也為JWST紅外光譜儀的研制積累經(jīng)驗(yàn)。

IRMOS的7個(gè)反射鏡和安裝結(jié)構(gòu)都采用6061鋁合金制作，整個(gè)光譜儀的光機(jī)結(jié)構(gòu)沒有膨脹系數(shù)的差異，因而能夠適應(yīng)80～293K（－193～＋20℃）的溫度變化。

IRMOS的鋁合金反射鏡鏡面和安裝基準(zhǔn)都采用單點(diǎn)金剛石車削加工成型，最大的反射鏡尺寸284mm×264mm，最小的反射鏡尺寸92mm×77mm。

IRMOS的鋁合金反射鏡都設(shè)計(jì)了一體化柔性安裝結(jié)構(gòu)，利用柔性環(huán)節(jié)釋放安裝應(yīng)力。圖7是IRMOS口徑最大的反射鏡M2，背部是單點(diǎn)金剛石車削加工的精密安裝基準(zhǔn)面，以及3個(gè)一體化柔性安裝結(jié)構(gòu)。

圖7 美國GSFC和Swales聯(lián)合研制的鋁合金反射鏡

2004年荷蘭ASTRON公司開發(fā)了一種新的輕量化技術(shù)[21-22]，根據(jù)鋁合金材料的特性，可以減輕85～95%的質(zhì)量。

ASTRON公司提出的新型輕量化方法，先在反射鏡基體的背部開小孔，然后利用多軸機(jī)床進(jìn)行銑削，在小孔內(nèi)部不同方向上去除材料，獲得多個(gè)方向的減重效果，原理如圖8(a)所示。

傳統(tǒng)的輕量化方法都是在同一個(gè)方向上去除材料，加強(qiáng)筋在同一個(gè)方向上保持相同的厚度，如圖8(b)所示的結(jié)構(gòu)，這是目前普遍采用的輕量化結(jié)構(gòu)。

ASTRON公司的輕量化方法僅受限于材料的最小壁厚，在鋁合金鏡胚中，加強(qiáng)筋最小厚度可以做到0.3～1mm，這意味著能去除更多材料，大幅度減輕質(zhì)量，而且能制作較大寬厚比的殼體結(jié)構(gòu)，還能保證很高的剛度。

根據(jù)ASTRON公司的測(cè)試結(jié)果，上述新型輕量化方法除了能減輕質(zhì)量，保持較好的力學(xué)性能，而且還具有良好的動(dòng)力學(xué)性能，可以獲得較高的自然頻率。

新型輕量化方法獲得的薄壁殼體結(jié)構(gòu)，還具有極佳的熱力學(xué)性能，導(dǎo)熱的速度和方向可以按照預(yù)定的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣不僅充分利用鋁合金材料導(dǎo)熱率高的優(yōu)點(diǎn)，還能彌補(bǔ)鋁合金膨脹系數(shù)大的不足。

這種輕量化方法的主要難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)和加工相對(duì)復(fù)雜，與傳統(tǒng)的輕量化方法相比，在設(shè)計(jì)階段耗時(shí)增加了20%，在加工階段耗時(shí)增加了50%。

圖8 新型輕量化方法與傳統(tǒng)輕量化方法的對(duì)比

圖9是荷蘭ASTRON公司設(shè)計(jì)的一個(gè)超輕量化鋁合金反射鏡，反射鏡背部是半封閉結(jié)構(gòu)。鏡體背部有6個(gè)工藝孔，通過這些工藝孔對(duì)鏡體內(nèi)部多個(gè)方向進(jìn)行銑削，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，在鏡體外緣還設(shè)計(jì)有一體化柔性安裝環(huán)節(jié)。

為了獲得較高的表面質(zhì)量，鏡面上增鍍一層無定形狀態(tài)的純鋁，再進(jìn)行一次精密拋光獲得最終的光學(xué)表面，這樣就避免了鋁合金反射鏡鍍鎳的雙金屬效應(yīng)。但是純鋁鍍層較軟，不能進(jìn)行多次加工。此外，ASTRON公司還負(fù)責(zé)為JWST的紅外光譜儀研制鋁合金反射鏡。

圖9 荷蘭ASTRON公司設(shè)計(jì)的輕量化鋁合金反射鏡

2005年德國Jena Optronik公司設(shè)計(jì)了JSS-56可見光遙感相機(jī)[23-24]，相機(jī)的相對(duì)口徑1/4.3，視場(chǎng)7.5°，地面像元分辨率6.5m。JSS-56相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)是視場(chǎng)離軸的三反射消像散系統(tǒng)，主鏡尺寸210mm×190mm，次鏡直徑80mm，三鏡尺寸180mm×170mm。三個(gè)反射鏡全都采用6061鋁合金材料，并且都進(jìn)行了輕量化處理。

與以往的輕量化方法不同，JSS-56的輕量化設(shè)計(jì)是在反射鏡的中性面上銑削出深淺不同的減重孔，這樣既能保證反射鏡背部的封閉結(jié)構(gòu)，又能減輕質(zhì)量。

實(shí)測(cè)3個(gè)反射鏡都減輕了超過50%的質(zhì)量。圖10是加工中的主鏡和三鏡，最終加工完成的主鏡面形峰谷值小于140nm（PV＝0.22，＝633nm）。

圖10 德國JenaOptronik研制的鋁合金反射鏡

Fig.10 The light weight aluminum mirrors made by JenaOptronik

P. R. Yoder在其2007年的著作中詳細(xì)總結(jié)了金屬反射鏡設(shè)計(jì)、加工和安裝方法[25]，特別對(duì)鋁合金反射鏡的柔性安裝和金剛石單點(diǎn)加工方法進(jìn)行了論述，同時(shí)也對(duì)1990年前后國外鋁合金反射鏡的研究進(jìn)展做了詳細(xì)說明，這些方法和研究成果對(duì)今后的鋁合金反射鏡研究仍有指導(dǎo)意義。

2011年德國Holota Optics公司和IOF聯(lián)合研制的全鋁離軸反射系統(tǒng)[26]，圖11(a)是光機(jī)結(jié)構(gòu)圖，它的突出特點(diǎn)是充分利用單點(diǎn)金剛石加工的基準(zhǔn)平面，簡(jiǎn)化離軸系統(tǒng)的裝調(diào)過程。

圖11(b)是裝調(diào)完成的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖。反射鏡及其安裝框架都是6061鋁合金，反射鏡及安裝框架的基準(zhǔn)面都采用單點(diǎn)金剛石加工成型。反射鏡也采用了中性面設(shè)計(jì)減重孔的輕量化方式。

主鏡M1的鏡胚較大，先在中性面加工輕量化孔，然后在M1上用單點(diǎn)金剛石加工折疊反射鏡FM的安裝基準(zhǔn)。同樣的，先在三鏡M3的中性面進(jìn)行輕量化，然后在M3上用單點(diǎn)金剛石加工次鏡M2的安裝基準(zhǔn)。折疊反射鏡FM安裝在主鏡M1的基準(zhǔn)平面上，集成在一個(gè)安裝組件M1-A。同時(shí)將M2安裝在M3的安裝基準(zhǔn)上，集成一個(gè)安裝組件M3-A，這時(shí)只需要調(diào)整M1-FM和M2-M3兩個(gè)組件的相對(duì)位置關(guān)系就能完成整個(gè)系統(tǒng)的裝調(diào)。

鋁合金安裝框架上主鏡M1和主鏡M3兩處安裝基準(zhǔn)面也是用單點(diǎn)金剛石加工成型，能夠很好地保證兩處的相對(duì)位置精度，只需要M1-A組件和M3-A組件直接與安裝框架的兩處安裝基準(zhǔn)面對(duì)照安裝，稍作調(diào)整，就能完成整個(gè)系統(tǒng)的裝調(diào)。

這種設(shè)計(jì)方法充分利用了單點(diǎn)金剛石加工精密平面的優(yōu)勢(shì)，大大減少了裝調(diào)自由度，只需要幾個(gè)小時(shí)就能完成整個(gè)系統(tǒng)的裝調(diào)，還能保證成像質(zhì)量，圖11(b)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的波前誤差是/14（均方根值，＝2.5mm）。

（b）裝調(diào)完成的鋁合金光學(xué)系統(tǒng)

按照2011年美國雷神公司的測(cè)算，相同參數(shù)的反射鏡，采用鋁合金作為鏡體材料，只需要玻璃和陶瓷類材料1/20～1/200的成本，并且能簡(jiǎn)化安裝和調(diào)整結(jié)構(gòu)，有利于外場(chǎng)應(yīng)用。

基于上述結(jié)論，雷神公司設(shè)計(jì)了口徑750mm的鋁合金反射鏡，厚度125mm，并以375mm口徑的鋁合金反射鏡進(jìn)行工藝試驗(yàn)[27]。

圖12是雷神公司試制的口徑375mm鋁合金反射鏡及其面型檢測(cè)結(jié)果，鏡體背部設(shè)計(jì)有金剛石單點(diǎn)加工的精密平面，作為安裝和定位的基準(zhǔn)。

圖12 雷神公司口徑375mm鋁合金反射鏡及其干涉圖

由于光學(xué)設(shè)計(jì)方案的更改，雷神公司最終制作了口徑600mm，厚度100mm，質(zhì)量20kg的鋁合金反射鏡，反射鏡的表面粗糙度a＝2nm，面形精度0.2384（均方根值，＝633nm）。

圖13是反射鏡結(jié)構(gòu)的剖視圖。反射鏡采用中心支撐，在徑向設(shè)計(jì)了3個(gè)張緊結(jié)構(gòu)和卸載槽，在鏡體背部設(shè)計(jì)了3個(gè)小凸臺(tái)，作為軸向定位基準(zhǔn)。

在4個(gè)月時(shí)間里，雷神公司加工完成并交付了2個(gè)上述參數(shù)的鋁合金反射鏡。圖14是安裝在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)的600mm鋁合金反射鏡，用作高能激光器的擴(kuò)束鏡，直接暴露在大氣和沙塵環(huán)境中。

圖13 雷神公司600mm口徑鋁合金反射鏡剖視圖

2013年SDL實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的鋁合金反射鏡[28]，采用6061鋁合金制作，采用背部開孔的三角形網(wǎng)格，作為反射鏡的輕量化形式。圖15是其研制的500mm口徑輕量化鋁合金反射鏡實(shí)物

鏡體上設(shè)計(jì)有單點(diǎn)金剛石加工的柔性安裝環(huán)節(jié)，這些柔性環(huán)節(jié)與反射鏡集成一體，既可以消除安裝應(yīng)力，又可用于反射鏡的精密安裝和定位。

圖14 安裝在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)的600mm鋁合金反射鏡

為了獲得致密的反射鏡基體材料，SDL還研制了一種新的鋁合金材料。他們采用粉末冶金的方法制作了6061鋁合金的細(xì)微粉末，這種鋁合金材料被稱作RSA-6061（Rapid Solidification Aluminum）。用熱等靜壓（Hot Isotactic Pressure，HIP）將RSA-6061壓制成型，制作成初始的餅狀鏡胚，目前可以制作直徑1m的鏡胚。

與傳統(tǒng)的6061鋁合金相比較，在進(jìn)行相同的熱處理之后，RSA-6061鋁合金具有更為均勻的彈性模量，更小的斷后伸長(zhǎng)率和更加均勻的硬度分布，特別適合作為反射鏡的基體材料。

SDL在鋁合金反射鏡的設(shè)計(jì)加工和應(yīng)用方面具有豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，他們先后完成了中段試驗(yàn)衛(wèi)星（Mid-course Experiment Satellite，MSX，1996年發(fā)射升空）紅外相機(jī)SPIRIT-III和可見光相機(jī)SBV兩個(gè)全鋁光學(xué)系統(tǒng)的研制[29]，紅外天文衛(wèi)星WISE（Wide-field Infrared Survey Explorer，2009年發(fā)射升空）全鋁光學(xué)系統(tǒng)的研制[30]。

紅外天文衛(wèi)星WISE的10個(gè)反射鏡（powered mirror）和3個(gè)平面鏡（scan/flat mirror）都是鋁合金材料[31]，工作在10K（－263℃）的超低溫環(huán)境。

圖15 美國SDL研制的口徑500mm鋁合金反射鏡

鎳層和鋁合金基體的雙金屬效應(yīng)限制了鋁合金反射鏡的工作溫度和溫度梯度。所謂雙金屬效應(yīng)，就是由于鎳層和鋁合金基體的膨脹系數(shù)不一致（鎳層的膨脹系數(shù)約為（12～13）×10－6/K，6061鋁合金的膨脹系數(shù)是23.5×10－6/K），在溫度變化情況下，鎳層和鋁合金鏡體會(huì)產(chǎn)生不等量伸縮，使鏡面產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，直接影響鋁合金反射鏡的面形精度。

2002年SDL對(duì)鋁合金反射鏡鍍鎳的雙金屬效應(yīng)進(jìn)行了研究[32]，他們?cè)O(shè)計(jì)了一組細(xì)長(zhǎng)的鋁合金鍍鎳懸臂梁，將這個(gè)懸臂梁放置在溫控箱中，用傳感器測(cè)量不同溫度下鋁合金懸臂梁的撓度和轉(zhuǎn)角，根據(jù)雙金屬懸臂梁的變形公式，計(jì)算不同溫度下鎳層的膨脹系數(shù)。

由于雙金屬懸臂梁變形公式對(duì)鎳層的彈性模量和厚度極為敏感，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算相差較大。但根據(jù)鎳層的彈性模量與溫度負(fù)相關(guān)的假設(shè)，再利用上述公式計(jì)算鎳層的膨脹系數(shù)，跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

2005年德國Jena Optronik公司對(duì)鍍鎳鋁合金反射鏡的雙金屬效應(yīng)進(jìn)行了光機(jī)集成分析[23]，定量化研究雙金屬效應(yīng)對(duì)成像質(zhì)量的影響。

由于6061鋁合金的晶粒粗大，不足以獲得超光滑光學(xué)鏡面，因此又在反射鏡表面鍍了一層20mm厚的鎳層，以便進(jìn)行精密拋光。文中沒有給出詳細(xì)的光機(jī)集成分析結(jié)果。

2008年德國IOF對(duì)鋁合金反射鏡的雙金屬效應(yīng)進(jìn)行了研究[33]，對(duì)鍍鎳鋁合金反射鏡在10K溫度變化情況下的面形進(jìn)行了仿真分析。

設(shè)定6061鋁合金反射鏡基底上有50mm的鎳層，雙金屬效應(yīng)將引起的鏡面變形量最大可達(dá)到500nm，除去power之后還有200nm的變形量。而AlSi42材料的膨脹系數(shù)只有6061鋁合金的一半，在10K溫度變化工況下，AlSi42材料鍍鎳只有不到10nm的變形量。圖16是兩種材料變形云圖的對(duì)比。

圖16 德國IOF對(duì)雙金屬效應(yīng)的仿真分析

為了消除鋁合金鍍鎳的雙金屬效應(yīng)，美國雷神公司在2011年進(jìn)行了一種新的嘗試[27]，將反射鏡設(shè)計(jì)成如圖17所示的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩面都鍍鎳，其中一面做精密加工獲得最終鏡面，另一面作為補(bǔ)償面，抵消一部分雙金屬效應(yīng)和熱變形。根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)論，實(shí)際效果并不理想。

圖17 雷神公司提出的對(duì)稱鋁合金反射鏡結(jié)構(gòu)

3 鋁合金反射鏡的共同特點(diǎn)

綜合上述國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，總結(jié)鋁合金反射鏡的技術(shù)參數(shù)，列出表格1，列舉了國內(nèi)外研制的鋁合金反射鏡在安裝方式、工作溫度、輕量化率、加工方法和面形質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)。

根據(jù)上述文獻(xiàn)和表1的數(shù)據(jù)，從鋁合金反射鏡的參數(shù)設(shè)計(jì)和鏡胚預(yù)處理、輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及鏡面加工方法等5個(gè)方面，總結(jié)了國內(nèi)外鋁合金反射鏡的特點(diǎn)和共性技術(shù)。

1）尺寸穩(wěn)定性是鋁反射鏡區(qū)別于其它材料反射鏡的一個(gè)特性，由于鋁合金材料的膨脹系數(shù)比較大，單對(duì)鋁合金反射鏡來講，溫度變化會(huì)導(dǎo)致反射鏡的曲率和面形都發(fā)生變化，通常用光機(jī)熱集成分析以確定其影響程度。

例如成都光電所對(duì)鋁合金光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行的光機(jī)集成分析[7]，以及德國IOF對(duì)鍍鎳鋁合金反射鏡的雙金屬效應(yīng)進(jìn)行的有限元仿真[33]等。

如果鋁合金反射鏡的安裝支撐結(jié)構(gòu)也選用鋁合金材料，就可以消除鋁合金反射鏡受熱膨脹的不利影響，組成所謂的全鋁光學(xué)系統(tǒng)或者全金屬光學(xué)系統(tǒng)。

例如美國MSX衛(wèi)星的可見光相機(jī)（Space Based Visible，SBV）就是全鋁材料的離軸三反射系統(tǒng)[34]，類似的還有德國Holota Optics公司的全鋁光學(xué)系統(tǒng)[26]，成都光電所研制的全鋁光學(xué)系統(tǒng)[4]。

2）國內(nèi)外鋁合金反射鏡大都采用了6系列鋁合金，此系列鋁合金以硅和鎂為主要合金元素，并以Mg2Si作為強(qiáng)化相，初始熱處理狀態(tài)大多是固溶和人工時(shí)效處理。典型牌號(hào)是Al 6061-T6，也有反射鏡采用了2系列鋁合金。

SDL還研究了粉末冶金和熱等靜壓的方法制備RSA-6061鋁合金，以獲得致密而均勻的鋁合金基體材料[28]。

鋁合金反射鏡鏡胚需要采取嚴(yán)格的熱處理措施，以消除材料內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，獲得致密均勻的基體。例如美國NOAO對(duì)鋁合金反射鏡胚進(jìn)行的穩(wěn)定化處理[18]，充分釋放鏡胚的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定鏡胚尺寸。

表1 國內(nèi)外研制的鋁合金反射鏡典型參數(shù)

2013年美國SDL在文獻(xiàn)中總結(jié)了3條獲得高尺寸穩(wěn)定性鋁合金反射鏡的經(jīng)驗(yàn)[28]：①必須徹底消除鏡胚的內(nèi)應(yīng)力；②必須獲得各向同性，硬度和彈性模量等參數(shù)內(nèi)外均勻一致的材料；③鏡胚各部分的強(qiáng)度、剛度和硬度接近一致，否則在機(jī)械加工過程中，會(huì)引入更多的應(yīng)力。

3）鋁合金反射鏡普遍采用高輕量化率的設(shè)計(jì)方案。不同于玻璃陶瓷類材料的硬脆特性，鋁合金是常用的結(jié)構(gòu)材料，具有較好的加工性能，可以充分利用現(xiàn)有的多軸銑削工藝，不僅能快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)常規(guī)減重孔的加工，而且還能實(shí)現(xiàn)一些玻璃陶瓷類材料不能實(shí)現(xiàn)的輕量化手段。

例如2004年荷蘭ASTRON公司開發(fā)的多向輕量化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)85%～95%的減重效果，這種輕量化方法在玻璃和陶瓷類材料中卻難以實(shí)現(xiàn)[21]。

德國JSS-56空間相機(jī)的3個(gè)鋁合金反射鏡，在中性面設(shè)置深淺不同的輕量化孔，減輕了50%的質(zhì)量[23-24]，在玻璃和陶瓷類材料中也不易實(shí)現(xiàn)。

4）鏡面質(zhì)量是鋁合金反射鏡永恒關(guān)注的重點(diǎn)，單點(diǎn)金剛石加工可以直接獲得滿足中長(zhǎng)波紅外波段應(yīng)用的面形和表面質(zhì)量，也可以作為后續(xù)加工的初始面形[11,14,35]。

為了提高鋁合金反射鏡的面形精度，長(zhǎng)春光機(jī)所采用了鋁合金鏡面鍍鎳再拋光[12]，國防科技大學(xué)采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法獲得了較低的表面粗糙度[13]。

德國JSS-56空間相機(jī)的鋁合金反射鏡在單點(diǎn)金剛石加工之后鍍純鋁再進(jìn)行拋光[24]，將原本用在紅外波段的鋁合金反射鏡擴(kuò)展到了可見光波段。

美國Cabot公司采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法[36]，在鋁合金反射鏡面獲得了粗糙度a＝2nm，后續(xù)用雙向散射模型和簡(jiǎn)單散射實(shí)驗(yàn)比較了化學(xué)機(jī)械拋光和單點(diǎn)金剛石加工的表面質(zhì)量，結(jié)果表明化學(xué)機(jī)械拋光的鋁合金反射鏡具有更小的散射特性[37]。

荷蘭ASTRON公司在單點(diǎn)金剛石加工后的鏡面上鍍一層純鋁，在純鋁層上進(jìn)行精密拋光，也獲得了表面粗糙度a＝2nm的光滑表面[22]。

美國II-VI公司為NOAO制作的鋁合金反射鏡，也是采用單點(diǎn)金剛石加工之后鍍純鋁的方法，再進(jìn)行一次單點(diǎn)金剛石加工，得到最終的面形[18]。

5）鋁合金反射鏡的安裝和支撐結(jié)構(gòu)普遍采用了柔性支撐環(huán)節(jié)，用于消除安裝應(yīng)力和熱應(yīng)力。鋁合金反射鏡采用柔性環(huán)節(jié)（柔性鉸鏈或柔性板）安裝，這與傳統(tǒng)的反射鏡安裝方法是相通的[25]。

鋁合金反射鏡可以用單點(diǎn)金剛石車削在背部或外圓加工一個(gè)精密的安裝基準(zhǔn)面，依靠這個(gè)安裝基準(zhǔn)把光學(xué)基準(zhǔn)傳遞到機(jī)械基準(zhǔn)，便于反射鏡的安裝和調(diào)整。

德國Holota Optics公司研制的全鋁光學(xué)系統(tǒng)更是充分利用了單點(diǎn)金剛石車削的加工精度[26]，在反射鏡安裝框架上用單點(diǎn)金剛石車削一次加工成型了2個(gè)反射鏡的安裝基準(zhǔn)，減少了裝調(diào)自由度，降低了離軸系統(tǒng)的裝調(diào)難度。

圖2(b)北京理工大學(xué)研制的鋁合金反射鏡[5]，圖3(a)長(zhǎng)春光機(jī)所設(shè)計(jì)的鋁合金反射鏡[10]，圖7美國IRMOS光譜儀的鋁合金反射鏡[20]以及圖10德國JSS-56空間相機(jī)的鋁合金反射鏡[24]，都是將安裝結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)在鋁合金鏡體上。

由此可見，鋁合金反射鏡能將安裝結(jié)構(gòu)和反射鏡體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，而陶瓷玻璃類反射鏡還要用金屬（殷鋼或鈦合金）襯套作為機(jī)械連接的過渡環(huán)節(jié)。簡(jiǎn)化安裝支撐結(jié)構(gòu)是鋁合金反射鏡的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)鋁合金反射鏡的典型應(yīng)用和研究進(jìn)展，總結(jié)了鋁合金反射鏡的共同特點(diǎn)，為后續(xù)工作提供參考。

鋁合金反射鏡可以借助于現(xiàn)有的機(jī)械加工方法快速制作基體結(jié)構(gòu)，使用金剛石單點(diǎn)車削和化學(xué)機(jī)械拋光等方法的組合加工光學(xué)鏡面，顯著減少加工時(shí)間和成本，同時(shí)獲得滿足寬波段應(yīng)用的光滑鏡面。

另外鋁合金反射鏡能夠進(jìn)行充分的輕量化設(shè)計(jì)，還能設(shè)計(jì)出光學(xué)機(jī)械一體化的安裝和調(diào)整結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)光機(jī)系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)有重要意義。

但是鋁合金反射鏡不一定能夠滿足所有光學(xué)遙感載荷的應(yīng)用需求，在表面質(zhì)量要求極高，質(zhì)量要求苛刻的領(lǐng)域，使用其他材料或許是最佳選擇。例如JWST口徑6.5m的拼接鏡選擇金屬鈹Be作為反射鏡材料[38-39]。

綜合以上分析，在項(xiàng)目成本和時(shí)間進(jìn)度要求驅(qū)動(dòng)下，鋁合金反射鏡具有較大優(yōu)勢(shì)，如光電系統(tǒng)快速原型的研制，或低成本大批量光電系統(tǒng)的制造。

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Development and Application of Aluminum Mirrors in Optical System

ZHANG Dong-ge1, 2，F(xiàn)U Yu-tian1, 2

(1.,,200083,;2.,200083,)

Current applications and the latest situation of the aluminum mirrors in optical system were summarized. The light weight design methods from domestic to abroad were summed up, and the surface processing methods were discussed at the same time. Then the common technologies and features were listed based on practical application of the aluminum mirrors in various aspects. Finally, the future prospects of aluminum mirror were briefly suggested.

aluminum mirror，specular system，surface polishing，SPDT，light weight design of aluminum

TH751，TN216

A

1001-8891(2015)10-0814-10

2015-01-26；

2015-09-11.

張東閣（1986-），男，河南汝州人，博士，助理研究員，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所創(chuàng)新基金，編號(hào)：2014-CX25。