高端光學元件超精密加工技術與裝備發展研究丨中國工程（chéng）科學
高端光學（xué）元件是決定高端（duān）裝備性能水平的（de）核（hé）心零件，研究高端光學元件超精密加工技術與裝備發展，對（duì）於實（shí）施製造強國戰（zhàn）略、滿足高端裝備產業需求具有積極（jí）意義。我國高端（duān）光學元件超精（jīng）密製造技術及裝備，相比（bǐ）國際前（qián）沿存在階段性（xìng）差（chà）距（jù），成為製約高端裝備製造業發展的重大短板。
中（zhōng）國工程院蔣莊德院士研（yán）究團隊在中國工（gōng）程院（yuàn）院刊《中國工程科學》2023年第1期發表《高端（duān）光學（xué）元件超精（jīng）密加工技術與裝備發展研究》一文。文章剖析（xī）了（le）光學元件超（chāo）精密加工方（fāng）法與裝備、高性能基礎部（bù）件、超精密光學（xué）加工中的測量方法與裝備等（děng）的發展情況，凝練（liàn）了精度與尺寸（cùn）極（jí）端（duān）化、形狀與性能一體化（huà）、加工工（gōng）藝複合化（huà）、加工與檢測（cè）一（yī）體化、裝（zhuāng）備與工（gōng）藝智能化（huà）等發展趨勢。通過廣泛的行業調研和研（yán）討，從需（xū）求、目標、產品、關鍵技（jì）術、應用示範、支撐保障等層次著手，形成了麵向（xiàng）2035年我國高端光學元件超（chāo）精密製造技術路線圖。針對性提出了優化創新體係設置、組織優勢資源成立技術聯盟，加大資源保障力度、布局基（jī）礎研究（jiū）和技術（shù）攻關計劃，加強人才培育、構建梯隊（duì）並擴大隊伍規模，築牢（láo）產業發展基礎、培育龍頭企業和專（zhuān）精特新“小巨人（rén）”企業等發展建議，以期促進高端光（guāng）學（xué）元件加工產業提升與高質量發展。
高端光學元件是決定航空航天、國防軍工、先（xiān）進民用等領域（yù）高（gāo）端裝備性能的關鍵零件，典型應用對象有（yǒu）：高分辨率對（duì）地（dì）觀測係統、大型天文望遠（yuǎn）鏡、X射（shè）線望遠鏡、激光核聚變裝置、同步輻射裝置（zhì）等大科學裝置，紫外 / 極紫外光刻機、精密慣性器件、飛行（háng）器光學導（dǎo）引（yǐn）頭、消費電（diàn）子產品、醫療器械等（děng）設備。重大裝備服（fú）役能力不斷提高，對高端（duān）光學元件性能提（tí）出了更高要求；僅以幾何尺寸公差為關注點的傳統設計製（zhì）造理念難以適應高（gāo）性能光學元件的（de）製造需求，光學元件的超精密製造麵臨技術（shù）挑戰。
以慣性約束激光（guāng）核聚變為例，為了實現核聚變“點火”所需的極端苛刻條件，美國國家點火裝置大規模采用了以熔石英、磷酸二氫鉀晶體材料（liào）為基礎的大口徑平麵、非球麵、離軸非（fēi）球麵等光學元件。我（wǒ）國在（zài）“神光”係列裝置上開展了類似研究。目前世界上均未實現核（hé）聚變“點火”目標，分析表（biǎo）明，服役在短波長範圍的高性能光學元件超精密製造及其抗強激光損傷特性成為製約激光核（hé）聚變驅動器 ‒ 巨型激光裝置能否成功研製的瓶頸問題。探究強激光（guāng）紫外短（duǎn）波長光學元件超精密製造過程中（zhōng）表麵形貌及缺（quē）陷的形成、影響機（jī）製、抑製方法（fǎ），可極大節約激光核聚變裝置的（de）運行（háng）維護（hù）成本（běn）、加速新一代激光核聚變點火裝置的研製進程。
空間X射線探測是脈（mò）衝星全自主計時導航、X射線通信、空間環（huán）境監測等工（gōng）程應用（yòng），天文觀測、太陽X射線探測等空間科學（xué）探測的關鍵技術。空間X射線反（fǎn）射鏡由（yóu）多層輕質薄壁複雜（zá）曲麵鏡（jìng）片經同軸（zhóu）共焦精密裝配而成，要求加工至亞（yà）納米表麵粗糙度、微弧度級斜率（lǜ）偏差、極少的加工缺陷。目前，相比發達國家X射線多層嵌套反射鏡（jìng）加工技術，我國在反射鏡層數、分辨率方麵（miàn）差距明顯，研製高靈（líng）敏度空間X射線探測係（xì）統亟需（xū）解決相（xiàng）關難題（tí）。突破多層嵌（qiàn）套式X射線空間反射鏡製造新工藝的基礎理論與工藝方法，對推動新一代（dài）航天器深空全自主導（dǎo）航（háng）與通信、深（shēn）空（kōng）探測、空間科學領域發展具有重要的科學（xué）意義（yì）和工程價值。
在半導體芯片製造領域，極紫外光刻（kè）技術是（shì）國際半導（dǎo）體行（háng）業延續摩爾定律、確保光刻分辨率進入7 nm/5 nm節點的核（hé）心關鍵所在。極（jí）紫外光刻物鏡（jìng）需要（yào）適應以全（quán）頻段、亞（yà）納米精度製造為代表的一（yī）係（xì）列苛刻要求，才能保證光刻性能：采用光學自由（yóu）曲麵設計（jì），減小光學係統波（bō）前誤差，增（zēng）大數值孔徑，減少元件數量；使用超低膨脹（zhàng）的微晶（jīng）玻璃來保證工作穩定性，而這種（zhǒng）異質材料（liào）的高性能超精密製造具有挑戰性。目前，隻有德國蔡司集團能夠生產麵向大規模製造的極紫外光刻物鏡（jìng）；我國重點研究（jiū）的深紫外光刻物鏡製造技術，與國際先進水平相比差距明顯，是製約極（jí）大規模集成電路製造技術發展的“卡脖子”環節。
我國（guó）高端光學元件超精密製造技術及裝備，相比國際前（qián）沿存在階段性差距，成為製約高端裝備製造業（yè）發展的重大短（duǎn）板。在高新技術領域國際競爭趨於激烈、一（yī）些（xiē）國家試圖對我國進（jìn）行科技封鎖的（de）背景下，“自主可控”解決光學（xué）製造這一“卡脖子”難題顯得尤為迫切。發展國產高（gāo）端（duān）光學元件超精密加工技術，是（shì）實現諸多大科學裝置、高端裝（zhuāng）備應用突破的必由之路。
中國工程院谘詢項目“高端光學係統的精密超（chāo）精密加工技術及裝備的發展戰略（luè）研究（jiū）”，廣泛開展了文獻調研、現場考察、會議研討、問卷調查，旨在推動（dòng）新形勢下高端光學元件超精密加工技術與裝（zhuāng）備的高質量發（fā）展。文章作為相關谘詢項目研究成果的學術性展示，梳（shū）理光學元件超精密加工（gōng）方法與裝備、高性能基礎部件、超精密光學加工相關測量方法與裝備的發展現狀，分析理論、工藝（yì）、裝備、應用等方麵的瓶頸問題，提煉（liàn）超精密（mì）光學製造技術的發展趨勢（shì），形成麵向2035年高（gāo）端光學元件超精密製造技術路線圖，以（yǐ）期為我國超精密加工技術領域基礎研究、技術攻關、裝備應用等研究提供基礎性參考。
二、國內外高端光學元（yuán）件超精密加工技術與裝備發展現狀
高端光學元件製造（zào）的載體是精密 / 超精密（mì）光學加（jiā）工機床（chuáng）。在以“高檔數控機（jī）床與基礎製造（zào）裝備”國家科技重大專（zhuān）項（簡（jiǎn）稱04專項）為代表的（de）國家科技計劃支持下（xià），我國初步形成了超（chāo）精密（mì）加工機床（chuáng）自（zì）主研發能力（lì），產品品種基本滿（mǎn）足重點領域需求，數控係統與關（guān）鍵功能（néng）部（bù）件的研發及配套能力（lì）基本形成。以04專（zhuān）項實施完畢（bì）後的狀態（tài）來判斷，我國機床行業與（yǔ）國際（jì）先進水平仍有15年左右的差距。
（一）超精密加工方法和裝備
美國（guó）企業（yè）在光學元件超精密加工領（lǐng）域起步（bù）最早、水平最高，歐洲企業緊隨其後，日本企業在中小型民用超精密加工領域具有獨特優勢；這些企業技術（shù）體係成熟且注重（chóng）技術原始（shǐ）創新，占（zhàn）據了大部分市場份額。近（jìn）年來，我國的（de）科研機構（gòu）和企業在國家重大需求（qiú）的牽引下，積極開展光學元（yuán）件超精密加工技術研究，但與國外相比存（cún）在階段性差距。① 自（zì）主（zhǔ）研製（zhì）的超精密加工機床，其數控係統性能與（yǔ）可靠性（xìng）、主軸回轉（zhuǎn）精度（dù）與（yǔ）轉速、溜板直線度與定位精度、納（nà）米級運動控製與補償、加工精度與範圍等方麵普遍（biàn）滯後於國際前沿（yán）水平；“產學研用”協同創新與要素（sù）融合不（bú）足，基礎研究脫節，應用技術轉化率不高，原創技術稀缺（quē），以跟蹤研究為主流。② 在我國超精密加工機床市場上，國外公（gōng）司占據主導地位，進口產品擁有多數（shù）份額；國（guó）產機床集中在（zài）航空航（háng）天（tiān）、國防軍工領域應用，以高端民用為代表的大規模、產業化應（yīng）用尚未展開。③ 國（guó）內相關研究隊伍規模（mó）較大，然而（ér）具有國（guó）際影響力、引領產業發展的標誌性人才（cái）稀缺，有關超精密機床製造（zào）方麵的基礎研究力量儲備薄弱。
（二）數（shù）控係統、關鍵功能部件和刀具
通過持續努力，我國在超精密機床數控（kòng）係統、關鍵功能（néng）部件、刀具等方麵基本（běn）具備了自主保障能力。國產高檔（dàng）數控係統的功能基本接近（jìn）國外先進係統，高檔數控係統配套應用超過1500套，中檔數控係統配套超（chāo）過7萬（wàn）套；高檔數控與伺服（fú）驅動係統仍依賴進（jìn）口。國產（chǎn）功能部件平均無故（gù）障工作時間超（chāo）過15 000 h，基本滿足數整（zhěng）機配套（tào）技（jì）術要求，但精密軸承、精密導軌、高精密光柵（shān）等基礎部件製造仍是薄弱環節。國產數控係統、伺（sì）服係（xì）統（tǒng）、精（jīng）密光柵等核心部件未能形成貫通配套，應用領域用戶的認可度不高。刀具品種數量豐富（超過45 000種（zhǒng）），行（háng）業用刀具國產化率（lǜ）提升至45%，但用於超（chāo）精密加工（gōng）的高性能刀具，在加工效率（lǜ）、使用壽命方麵落後於進口產品（pǐn）。
國產（chǎn）數控係統的市場格局具有低端快（kuài）速膨脹、中端進展緩慢、高端依（yī）賴進口的特點。國產高端數控（kòng）係統的功能、性能、可靠性等（děng）存在明顯不足，導致高檔數控係（xì）統市場90%以上（shàng）被（bèi）進（jìn）口產品（pǐn）占據。機床智能控製係統是新一代機床的重要組成部分，人工智能、數（shù）字孿生、雲服務等（děng）技術是支撐智能控製係統的關鍵，相（xiàng）關研究有待深入。
國產主軸的徑向回轉精度約為50 nm，不能適應（yīng）超精密機床的集成要求：電主軸的電機內裝式結構、高轉速下的亞 / 微米級（jí）高回轉精度尚未實現，氣體軸承剛度差、承載能力不足且難以保證高轉速下主（zhǔ）軸的高回轉（zhuǎn）精（jīng）度，液體（tǐ）靜壓（yā）軸承在油溫控製、油泵減振、油液防泄漏等方麵有待提（tí）高。
國產轉台的徑（jìng）向 / 軸向回轉精度約為25 nm，不能完全滿足超精密（mì）機床的研製（zhì）要求。超精密回轉工作台存在很多問題，如液體靜壓（yā）轉台（tái）的動態（tài）特性不穩（wěn）定，轉台工作精度隨著溫度升（shēng）高而降低。
國內導軌加工仍停留在1 m長度、1 μm直線（xiàn）度的水平，相應的超高精（jīng）度導（dǎo）軌沒有擺脫進口（kǒu）依（yī）賴。氣浮導（dǎo）軌承載力低、穩定性差，精密滾動（dòng）導軌副的抗振性欠佳、機械磨損大（dà），液體靜（jìng）壓導軌在溫升控製、流量控製等方（fāng）麵存在短板。
國產（chǎn）光柵位移傳感器占據世界市場的50%以上，但以中 / 低檔產品為主；大行程、高精（jīng）度（dù）光柵直線位移傳感器，超精密圓光柵（shān）角位移傳感器的自主研發與製造能力薄弱（ruò），應用（yòng）於光刻機等高端製造裝備的二維光柵更是缺失（shī）。從位移傳感器產品的（de）核心性能角度看，大行程（超過5 m）、高精度（優於±5 μm）封閉（bì）式光柵，圓光柵編碼（mǎ）器（精度優於（yú）±1″）等高端產品被國外企業壟斷。
國產超（chāo）硬車銑刀具的精度和使用壽命等（děng），與（yǔ）國外先進水平相（xiàng）比差距明顯。金剛石砂輪結合劑的（de）耐磨性較（jiào）低，細粒度金剛石砂輪的磨削加工精度（dù）低、加工（gōng）質量不穩（wěn）定。拋（pāo）光工（gōng）具的平坦度較低，使用壽命較短，缺陷（xiàn）率較高。超高純膠體SiO2等高端原材（cái）料需（xū）要進口。
（三）光學元件超精密加工中（zhōng）的測量方法與（yǔ）裝備
在機床精（jīng）度測量方麵，激光（guāng）幹（gàn）涉儀、電容（róng）傳感器在（zài）超精密機床的幾（jǐ）何誤差測量中應用廣泛，但需要配備多類標（biāo）準件，成本高且操作（zuò）複雜；快（kuài）速在機誤差測量的（de）儀器、測量方案、測量標準等亟需發展。通過試切法、誤差敏感性（xìng）分析來識別機床幾（jǐ）何誤差在實際應用中較為（wéi）流行（háng），深入研究誤差溯源（yuán）分析算法並提高分析效率成為熱點。辨識超精密機床的幾何誤差與加工表麵性能之間的關係及響應機理，集成機床精度檢測裝置以匹配自適應 / 智能製造裝備的研製需求，是機床精度檢測技術的主要發展方向。
光學元件離（lí）線檢測設備主要（yào）依（yī）賴（lài）進口，如超精密接觸（chù）式檢測設備方麵的泰勒霍普森、蔡司、馬爾等品牌，幹涉（shè）檢測設備方（fāng）麵的ZYGO、QED等（děng）品牌。針對非球麵、自由曲麵的超精密測量是（shì）光學元件（jiàn）檢測的難點，相（xiàng）應檢測技術發展表現為通用化、高精度兩類方向：前者要求在不（bú）對係統進行明顯調整的情況下，快（kuài）速自動地進行不同種類（lèi）光學表（biǎo）麵的檢測；後者要求盡可能地提高檢測精度，用（yòng）於檢測超高精度非球（qiú）麵（麵形誤差為納（nà）米 / 亞納米（mǐ）量級，補償器精度、係統誤差的校正精（jīng）度是關鍵）。
在光學元件在位測量方麵，雖然提出了加工 ‒ 測量一體化理（lǐ）念，成功用於光學元（yuán）件的精密加工（gōng）過程並取得了原創（chuàng）性成果，但在（zài）位測量、加工 ‒ 測量一體化受測量原理、集成機（jī）理、技（jì）術難度等方麵的（de）製約，很難滿足多尺（chǐ）度、高精度、高頻響、動態測量、多參量的測（cè）量（liàng）需求。三維複雜結（jié）構表麵具有廣（guǎng）泛應用，相（xiàng）應微表麵形貌的測量（liàng）不僅涉及粗糙度或瑕疵，而且與輪廓、形狀偏差、位置偏差（chà）密切相關。未來，在位測量需兼具高速性、實時性、高分辨率、大測量縱深、寬測量範（fàn）圍（wéi）。實現在位測量高精度信息獲取、高效率數據處理，關鍵在於融合局部測量 / 全局測量不確定度評定、測量單元與運動單元（yuán）、多源（yuán）異構數據的測量分析（xī）理論與評定方法。
三、高端光學元件超精密加工技術與裝備發展趨勢
（一）精度（dù）與尺寸極端（duān）化
極大尺寸、極小尺寸、極高精度的光學元件，市場需求趨（qū）於迫切：① 大口徑非球麵（miàn）光（guāng）學元件廣泛應（yīng）用於遙感衛星、空間望遠鏡、地基天（tiān）文望遠鏡（jìng）等精（jīng）密光學係統，其單體主鏡口徑（jìng）為3~7 m；② 微結構光學功能元件在三維成像、光學聚焦、測量、冷卻、減（jiǎn）阻（zǔ）、潤濕等方麵應用（yòng）廣泛，相（xiàng）應結構尺寸可達微 / 納米級；③ 在麵形精度、表麵完（wán）整性要求進一步提高後，超精密（mì）加工（gōng）過程中的（de）材料去除量降低至微（wēi）米、納米，甚至原子量級。此外，原子及近原子尺（chǐ）度製造將能量直接作（zuò）用於（yú）原子，通過構建原子尺度結構實現特定功能（néng）與（yǔ）性能（néng），是新一代製造技術的趨勢之一，對革新高端光學器件（jiàn）製造具有積極意義。
在光學元件尺寸和精（jīng）度極端化的背景下，需要（yào）優化已有（yǒu）研究規劃，適時布局以極端精度與尺度製（zhì）造（zào）為代表的新一代製（zhì）造技術。立足微觀力（lì）學、機械製造的學科背景，積極推動機械（xiè）、物（wù）理、化（huà）學、材料等學科交叉，著力開展以下基（jī）礎研究：納米及近原子尺度超精密加工的材料去除與遷移機理、光學材料多能場輔助的超精密加工新原理與新方法、光學材料（liào）超精（jīng）密加工亞表麵損傷的產生機理與抑製方法、光學元件近零損傷表麵形成機理與工藝、複雜曲（qǔ）麵光學元件高效（xiào）超精密加工工藝，為高端光學元件超精密加工關鍵技術突破、先進加（jiā）工工藝與裝備開發築牢基礎。
（二）形狀與性能一體化
激（jī）光核聚變裝置、飛行（háng）器（qì）光學導引頭（tóu）等（děng）光（guāng）學元件的服役性能，既（jì）取決於幾何精度，也受到表層材料物理、化（huà）學、機械性質變化的顯著影響。例如，激光核聚變裝置未能實現預期的“點火”目標，重要原因在於加工缺陷抑製水平不能滿足係統對輻照損傷的要求。紫外光學元件高性能超精密製造及其抗強激光損（sǔn）傷特性，實際上成為製約激光核聚（jù）變裝置能否成功研製的瓶頸。
以加工精度作為單一評價指標（biāo），已不再滿足高性能光學元件的製造要求，需要綜合使用幾何精（jīng）度、表麵完整性指（zhǐ）標對（duì）加工質量進行全麵（miàn）評價。超精密（mì）光學元件加工由以往的幾何形狀與尺寸精度要求，提升為以性能要（yào）求為主（zhǔ）、性能與幾何參數一體化（huà）的精密加工要（yào）求，此即高性能製（zhì）造。需要建立麵向使役性能要求（qiú）的形狀 ‒ 性能一體化（huà）加工（gōng）理論（lùn）、方（fāng）法以及工藝（yì）技術體係，為解決高性（xìng）能光學元件的製造難題提供新（xīn）方案。
（三）加工工藝複合化
高端光學元件苛刻的服役（yì）條件以及極高的性能要求，對革新光學製（zhì）造技（jì）術提出迫切需求。高端光學元件表麵形狀複雜化、表麵結構多樣化和微細化，對（duì）加工效率、加工質量的要求更高，也提出了綠色低碳的環（huán）境要求。當前主流的（de）加工技（jì）術具有局限性（xìng），如加工效（xiào）率偏低、加工（gōng）精（jīng）度低（dī）不足、表麵質量難（nán）保證、加工可達性差、環境汙染風險高等，高質、高效、綠色的（de）先進超精密加工技術成為研究（jiū）趨勢。
采用多能場輔（fǔ）助或者（zhě）兩種以上加（jiā）工工藝複合方法，可（kě）取長（zhǎng）補（bǔ）短並發揮各自（zì）優勢，克服上（shàng）述局限性。未來研究（jiū）重（chóng）點有：探索新型加工工具材料，建（jiàn）立新型複合加工係統（tǒng），深化複合加工機理研究，拓展複合加工技（jì）術應用。複合加工技術朝著高精度、微細化（huà）方向發展，成為高端光學元件超精密加工的重（chóng）要趨勢；針對性（xìng）開展超精密複合加工（gōng）理論（lùn）與技術創新（xīn）研究，切實提升光學（xué）製造技術水平與市場競（jìng）爭（zhēng）力。
（四）加工與檢測一體化
超精密光學（xué）製造突出（chū）表現在高精度、高性能、高效率的疊加，加工與檢測一體（tǐ）化（huà）是解決相應難題的主要手段，針對製造中物理、化學過程的智能（néng）化調控更顯重要。製造裝備、工具、工藝、檢測設備等（děng）麵臨變革，如製造工具（jù）需在多（duō）傳感器參與的感知調控下具（jù）備材料（liào）去除、添加或改性功能。在檢測方麵，提高精度（dù）是關鍵，在位、高效、穩定仍是主要目標，支持實現高質（zhì）量綜合評價的多物理量檢測成為新發展方向。
在（zài）超精密加工與檢測（cè）一體化方麵，重點研（yán）究內容有：在線、在位測試與評定新原（yuán）理（lǐ）和方法，加工裝備精度的在線（xiàn）檢測模型和係統，超（chāo）精密（mì）加工機床精度指標的測試與評定係統，高精度（dù）自由曲麵及微細結構測量（liàng）的新原理與新方法，新型模塊化、可重組、多功能（néng）測試（shì）裝備技術（shù），超精密測量誤差多源分離新方法。超精密加工測量的發展趨勢表現為：高精度、大量程測量（liàng），形狀和位置精度的（de）同步測量，多物理量檢測表征，高性能檢測的計量。
（五）裝備與工藝智能化
受高端光學係統的需求牽引，複雜麵形或難加（jiā）工材料元件的加工效率和精度不斷突破，衍生出的高端光學（xué）元件產品在通用領域得到更多應用。在通用領域中的應用規模拓展後，高（gāo）端光學（xué）元件的規模化（huà）、定製化製造需求凸顯，從而提出了製造設備的高效率、高精度、智（zhì）能化（huà）加（jiā）工要求。在（zài）世界工業新一輪技（jì）術浪（làng）潮驅動下，智能製造成為製造業的主（zhǔ）導趨勢；工業強國采取積極行動，促進（jìn）製造業在智能製造、智慧化生產等方向的革新發展。
目前，高端光學係（xì）統的光學元件（jiàn）較多采用定製化的設計生產模式，根據客戶特殊需要“量身定製”解決方案；生產（chǎn）製造企業需掌握設備生產工藝，將智（zhì）能製（zhì）造技術運用到細分市場產品，進而為各類產品（pǐn）創建（jiàn）自動化解決方案。著眼未（wèi）來，智能製造裝備企業應圍繞市場需求，構建（jiàn）高度自動（dòng）化的生產過程，對各種製造對象、各類製造環（huán）境具有良（liáng）好的（de）適應性。裝備與工藝智能化發展（zhǎn），將融（róng）合數字孿生、大數據、人工智能等（děng）信息技術，全麵提升並高效運用控製、傳感、精密製造、識別等（děng）關鍵技術。
四、麵向2035年我國高端光學元（yuán）件超精密加工（gōng）技術路線圖（tú）研究
研究（jiū）和編製高端光學元件超精密加工技術（shù）路線圖，可直接支（zhī）撐我國在此技術方（fāng）向的中長期發展規劃、技術攻關、理論探索。研究依托相關谘（zī）詢項目，集聚領域內院士（shì）、專家（jiā）、學者的集體智慧，重點完成兩方（fāng）麵工作：① 開展廣（guǎng）泛的（de）文獻調研（yán），與航天、航空、船舶、兵器、光學應用、機床製造等領域的企業和科研院所實地調研相（xiàng）結合，全（quán）麵（miàn）把握我國高（gāo）端光學元件超精密加工技術方向的發展態（tài）勢和需求情況；② 組（zǔ）織召開了近20次研討會，麵向86位本領域專家開展問（wèn）卷調（diào）查，精準研判高端光學元件超精密加工技術方向的發展趨勢，形成我（wǒ）國技術發展布局建議（yì）。
以2035年為目標節點形成的高端光學元件超精密加工技術及裝備發展路線（xiàn）圖（見圖1），包含7個方麵的內容：應用需求，發展目標，重點（diǎn）產品，數控係統、關鍵功能部件和刀具，測量方法與裝備，光學元件製造共性關鍵技術，應（yīng）用示範工程。
高端（duān）光學元件超精密加工（gōng）技術及裝備發展（zhǎn）路線圖
（一）應用需求
1. 深入實施製造強（qiáng）國戰略的需要
國家“十四五”規劃綱要提出，深入實施製造強國戰略。高端光學元件作為製造業的核心基礎零（líng）件，其製造技術研究對加強產業基礎能力建設、推動製造業優化升級意義重大（dà）。X射線望（wàng）遠（yuǎn）鏡、極紫外光刻（kè）機（jī）、激光核聚變裝置、自（zì）由電子激光裝（zhuāng）置、同步輻射裝置等高端裝備列為科技前沿領域和重大基礎設施（shī），關鍵光學元件的性能（néng）決定了這些高端裝備的性能，而當前的製（zhì）造水（shuǐ）平不足以匹配光學元件的高性能製造需求。
2. 產業發展需求
消費電子（zǐ）、半導體製造、智能工業機床、紅外熱成像儀、車載鏡頭等產品，大量應用光學元（yuán）件和組件。2021年，我國光學鏡片、鏡頭、模組等（děng）元器件的市場（chǎng）規（guī）模為1568億元（yuán）；技術更新速度快（kuài），相應（yīng）市場規模（mó）將進一（yī）步擴（kuò）大。國內從事（shì）高端光學（xué）元件（jiàn）精密製造（zào）的企業，數（shù）量（liàng）較少且產品集聚（jù）在中低端，在高分辨率定焦、大（dà）倍率變焦、超高清、光學防（fáng）抖、安防監控一體機鏡頭等中高端（duān）光學（xué）鏡頭製造方麵的核心技術薄弱甚至部分缺失。開展高端光學元件高性能超精密製造基（jī）礎理論與關（guān）鍵技（jì）術研（yán）究，突破國內市場格（gé）局並高質量“走出去（qù）”，是國內企（qǐ）業和科研機構的發展亟需。
3. 國防裝備發展需求
對地觀測衛（wèi）星、精確製導飛行器、高（gāo）能激光器等裝備是國防裝備信息化和現代化的（de）重要支（zhī）撐，大口徑空間（jiān）反射鏡、飛行器（qì）整流罩、折衍混合光學元件、高能激光組件等（děng）高端光學元件是先進裝備的關鍵零件。這些關（guān）鍵零件的製造水平（píng）決定了國（guó）防裝備的設計性能與服役規模。然而，國產高端光學元件的超精密加工技術水平（píng）依然（rán）無法全麵滿足先進裝備發（fā）展需求，有關技術封（fēng）鎖和設備禁運也客觀存在，自主攻關高端（duān）光學元件超精密加（jiā）工裝備及其（qí）關鍵技術極為迫切。
（二）發展目標
1. 突破超精密加工的共性關鍵技術
圍繞高端光學元件的超精密（mì）製造需求，重點突破全頻譜納（nà）米 / 亞（yà）納米級精度創成、近無缺陷高表麵完整性加工、超（chāo）精密機床正（zhèng）向設計與數據資源建（jiàn）構、超（chāo）精密智能機床製（zhì）造等共性關鍵技術（shù），支持光學製造技術應用從高精度提升至高性能。
2. 研發和應用關鍵超精密加工裝備
在近期，重點研發應用亟需但未能實現自主供給商品化、屬於（yú）國外禁運的重大（dà）裝備，如4 m及以上口徑光學元件毛坯製（zhì）造基礎裝備、輕量化及超精密磨削裝備、亞納米級加工裝備、超（chāo）大口（kǒu）徑光學元件超精密測量儀器。在此基礎上，進一步提升重大裝備性能並擴充種類，如7 m及（jí）以上口徑光學元（yuán）件毛坯製（zhì）造基礎裝備、輕量化及超精密磨（mó）削裝備、原子級加工裝備、超大口（kǒu）徑光學元件（jiàn）超精密測量儀器（qì）、超大尺寸光學元件修複裝備、航天器（qì）機載光學元（yuán）件製造及修複裝備。
3. 形（xíng）成超精密製造領軍企業
優（yōu）化以國家（jiā）重點實驗室、國家工程研究中心、省部級重點實（shí）驗室為核心的光學元件超精密製造科（kē）研體係，引導“產學研”融合發展，推動創（chuàng）新資源整合升級。鼓勵重點（diǎn）方向基礎良（liáng）好（hǎo）的企業發展成為專精特（tè）新“小巨人”企業（yè），建設示範性智能工廠（chǎng），實現關鍵技術的裝備應用，提升產業鏈配套供給水平。發展光學（xué）元件超精密製造專業技術（shù）服務企業，支持形成良好的製造業生態。
4. 提升機床和（hé）單元部件的自主化率及市場占有率
打破我國光學元件加工機床行（háng）業“低端（duān）混（hún）戰、中端爭奪、高端失守、大而不強”的競爭格局。在國產（chǎn）光學元件超精密製造裝備、高檔數（shù）控係統、超精密關鍵功能部件（jiàn）方麵，國內市場占有率近期目標均為70%，2035年提升至80%。
（三） 重點產品
1. 超精密車削裝備
到2025年，麵形誤（wù）差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵（miàn）粗糙度Ra≤3 nm。到2030年，麵形誤差（chà）PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤2 nm。到2035年，麵形誤差PV≤0.1 μm/75 mm，表（biǎo）麵粗（cū）糙度Ra≤1.5 nm。
2. 超精密銑削裝備
到2025年，麵形誤差PV≤0.3 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤10 nm。到2030年（nián），麵形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤8 nm。到2035年，麵形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表麵（miàn）粗糙度Ra≤5 nm。
3. 超精密磨削裝備
到2025年，加工口徑≥4 m，麵形誤差PV≤10 μm/m，亞（yà）表麵損（sǔn）傷≤35 μm。到2030年，加工口徑≥5 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞表麵損傷≤25 μm。到2035年，加工口（kǒu）徑≥7 m，麵（miàn）形誤差PV≤8 μm/m，亞（yà）表麵損（sǔn）傷≤15 μm。
4. 超（chāo）精密拋光裝備
到2025年，加（jiā）工口徑≥4 m，麵形誤差RMS≤12 nm。到2030年，加工口徑≥5 m，麵形（xíng）誤差RMS≤8 nm。到2035年，加工口徑≥7 m，麵形誤（wù）差（chà）RMS≤5 nm。
（四）數（shù）控係統、關鍵功能部（bù）件和（hé）刀具
1. 數控係統
建立開放式、網絡化（huà）的（de）雲架構數控係統，基於雲平台的（de）智（zhì）能數控係統。雲上控製編程處理靈活，開放性良好（hǎo），支持手機、筆記本電腦（nǎo）、工業（yè）計算機、虛擬現實等多種人機交互前端。突破多軸、多通道、納米插補數控加工技術，實現自適應加工、刀具壽命（mìng）管理、在位測量、虛擬現實仿真、自監控、維護、優化、重組等功（gōng）能。
2. 關鍵功能部（bù）件
到2025年（nián），突破超精密動靜壓軸承製造與檢測（cè）、超精密反饋元件與運動控製等技術，具備高精度、高剛（gāng）度、運動平（píng）穩的功能部件製造能力。到2030年，突破多物理量可調運動部件、檢測單元（yuán）等技術，具備（bèi）高性能功能部件製造能力。到2035年，突破關鍵功能部件多物理量狀態感知、多物理量調控、精度 / 剛度補償等技術，具（jù）備（bèi）智能化功能（néng）部件製造能（néng）力。
3. 刀具
在金剛石砂輪（lún）方麵，近期具備批量生產和應用細粒度、高性能金（jīn）剛石（shí） / CBN砂輪的能力，進（jìn）一步發展超細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪。在金剛石車 / 銑刀具方麵，著重發展複（fù）合納米結構化刀具（jù），解決加工表麵中高（gāo）頻誤差大、加工效（xiào）率和精度難以兼顧的難題。在拋光工具方麵，近期發展多種可控柔體亞納米拋光工具，進一步發展刀具工作狀（zhuàng）態智能化監測、刀具數字化設計製造一體（tǐ）化等技術。
（五）測量方法（fǎ）與（yǔ）裝備
1. 機床精度測量
在快速在機（jī）誤差測量儀（yí）器和標準方麵，開發新一代測量儀器、方案和標準，破（pò）解激光幹涉儀、電容傳感器（qì）價格昂貴，操作複雜等難題。在超精密機床誤差識別與實時補償技術方麵，開發誤差溯源（yuán）分析算法，高效識別幾何誤差；優化機（jī）床幾（jǐ）何誤差在機測量的快速解算方法（fǎ），實現誤差的實時補償。在機床（chuáng）誤差的（de）自適應 / 智能檢測與評價方麵，探（tàn）究技術機理，揭示超精密機床的幾（jǐ）何誤差與加工表麵質量之間的（de）關係及響應（yīng）機製。
2. 光學元件在位測量
在光學元件的低應力、高效（xiào）率、接觸式測量技術方麵，降低接觸應力對光學元（yuán）件的破壞（huài）作用（yòng），削弱（ruò）針尖磨損導致的測量精度退化效應（yīng），提升接觸式在位測量的效率。在複雜光學元件的非接觸式（shì）納米 / 亞納米精度測量技（jì）術方麵，突（tū）破機（jī）床溫變、振動、汙染（rǎn）條件下複雜光學（xué）元件幾何精度的超精密檢（jiǎn）測難題。在光學元件的多模態跨尺度形性測量技術方麵，實現麵形精度、微觀形貌、表麵缺陷、亞表麵損傷、殘餘應力等多模態、跨尺度表麵特性與使役（yì）性能的（de）快速表征。
3. 光學元件離線測量
在複雜光學元件亞納米幾何（hé）精度測量技術方麵（miàn），突破（pò）高陡度非（fēi）球麵、自由（yóu）曲麵的全頻譜亞納米精（jīng）度檢測難題。在光學（xué）元件表麵完（wán）整性的多參數、多傳感器（qì）協同表征技術方麵，實現光學元（yuán）件多（duō）參數表麵完（wán）整性的（de）實時（shí）定量（liàng）準確評價，提升加工缺陷的（de）修複精（jīng）度。在光學元件時 ‒ 空域形性參數（shù）的跨尺度表征與信息融合技術方麵，麵向光學元件使役性能要求，形成形性一體化製造能力。
（六）光學元件製造共性關鍵技術
1. 全頻譜納米（mǐ） / 亞納米級（jí）精度創成
複雜光學元件的全頻譜納米 / 亞納米級精度創成決定了光刻物鏡、空間光學、強光光學等方麵的應用（yòng）水平，研究難度（dù）表（biǎo）現在：納米精度要求（qiú）穩定實現亞納米量級（jí）的材料去（qù）除；複雜形狀引起材料去除率變化，需要進行有效補償；全頻段（duàn）誤差、加工缺陷等影響（xiǎng）光學性能，要求實（shí）現一致收斂和去（qù）除（chú）。現有光學加工方（fāng）法較多基於經驗，具有不確定性，難以克服現代光學零件加工的性能瓶頸，需要突破異質 / 各向異性材料納（nà）米量級可控去除、複雜曲麵可控補償修形、弱剛度光學元件確定性去除、微弧度級（jí）斜率誤差抑製、光學製（zhì）造裝備運（yùn）動（dòng）軸（zhóu）性能設計（jì）、複雜曲麵全頻段超精密檢測等關鍵技術。
2. 近無缺陷高表麵完整性加工
采用單一（yī）物理場的加工（gōng）方法，很難實現高精度的近零亞表（biǎo）麵損傷加工；原子（zǐ）級多物理場納（nà）米（mǐ）加（jiā）工機理研究匱乏，加工表麵容易出現脆性裂紋、加工缺陷、表層物理和化學特性變化。研究多能場複合加工中表麵完整性的動態演化過程及（jí）其影響因素，辨明實現（xiàn）近無缺陷高表麵完整性加工的（de）條（tiáo）件，需要突破麵向光學元件使役性能的表（biǎo）麵完（wán）整性設計、光學元件控域控量控性、表麵加工缺陷確定性原位修複、跨尺度表麵缺陷（xiàn）無損精（jīng）確表征（zhēng）、多參（cān）數表麵完整（zhěng）性（xìng）多物理場（chǎng）表征等關鍵技術。
3. 超精密數控機床（chuáng）正向設計與數據資源建構
國產精（jīng）密 / 超精密光學加（jiā）工機床（chuáng）的（de）精度、可靠性、穩定性，相比國際先進水平存在階段性差距，缺乏（fá）麵向機床使役性能的正逆（nì）向設計方法是導（dǎo）致上述差距的重要原因（yīn）。超精密機床的正向（xiàng）設計，取決於設計資源數據庫，機床的精度及剛（gāng）度與機床結構、零部件（jiàn）精度、控製參數之間的關係（xì）模型；需要突破（pò）數控機床的功能設計、構型設計，精度設計、靜 / 動剛度設計、熱平衡設計，包括動力學優化、輕量化（huà）設計在內的多學科（kē）優化設計等關鍵技術；構建開放的工藝軟件與數據庫，集成完（wán）備的設計規範與標準、知識庫、案例庫。
4. 超精密智能（néng）機床製造
超精密機床製造技術薄弱，是國（guó）產光學加工（gōng）裝備性能（néng）落後於進口（kǒu）產品（pǐn）的（de）關鍵因（yīn）素之一。提高超精密（mì）機床製造水平，需兼顧關鍵（jiàn）零部件製造與整機裝配、智（zhì）能機床係統與技術的發展：對於前者，需要突破基礎結構件低應力製造、高分辨率納米 / 亞納米運動伺服進給係統製造、工件台納米（mǐ）定位與（yǔ）運（yùn）動協同控製、超（chāo）精密空氣主軸與全約束閉合式油靜壓導軌製造、自動調平間斷（duàn）式空氣隔振係（xì）統製造、超精密切削（xuē）與高效低損傷磨拋工具製造等方麵的關鍵技術；對於後者，需要突破高穩定性智能伺服調整、熱變形智能控製、加工狀態實時智能導航、五（wǔ）軸加工（gōng）誤差智能調諧、智能實時防碰撞係統、加工過程切削負（fù）載自適應智能控（kòng）製、機床運行狀態智能診斷與預警等關鍵技術。
（七（qī））應用示範工程
1. 大口徑輕量化（huà）空間光學元件製造
高分（fèn）辨率對地觀測係統、X射（shè）線望遠鏡等（děng）空間裝備，以大口徑光（guāng）學元件（jiàn）為核心功能支撐。大口徑光學元件材料硬脆、麵形複雜、極端輕量化，需要（yào）實現全頻譜納（nà）米級加工精度，而國產製（zhì）造裝備在（zài）口徑、精度、效（xiào）率方麵均不能滿足要求。建議實施大口徑輕量化空間光學元件製造應用示範工程，形成4 m口徑空間光學元件的超精密高（gāo）效率磨削、拋光、修形、檢測技術與國產化裝備。
2. 探（tàn）測製導光學元件（jiàn）高性能超精密製造
精密複雜慣性器件、高陡度保形光學元件等，較多采用高硬脆性材料，麵臨共形（xíng）、氣動熱（rè）、高光譜、高過載等（děng）使役環境挑戰；通過（guò）加工精度（dù）、材料特（tè）性、結構設計方麵的耦（ǒu）合調（diào）控，才能獲得預期的（de）探測製導性能。建議實施麵向使役性能（néng）的光學元件設計 ‒ 加工 ‒ 測量一體化製造應用示範（fàn）工程，揭示極端服役環境下加工精度對服役性能的影（yǐng）響機製，形成探測製導光（guāng）學元（yuán）件的高性能超精密製造技術與國產化加工裝備。
3. 強（qiáng）光光學元件抗輻照損傷製造
激光點火裝置（zhì）、高能激（jī）光器的強光光學元件服役於強激光（guāng）環境，因（yīn）加工缺陷誘導的輻照損傷成為製約相應裝備性能（néng）提升的瓶頸。建議實施（shī）強光光學元（yuán）件抗輻照損傷製造應用示範工程，揭示微納米（mǐ）加工缺陷對抗輻（fú）照損傷性能（néng）的影響及抑製機理，形成近無（wú）缺陷強光元件的高性能（néng）製造（zào）技術和國產化磨削、拋光、缺陷抑製裝備（bèi）。
4. 極紫外光（guāng）刻機物鏡（jìng）超精密製（zhì）造
光刻物（wù）鏡的製造水平決（jué）定著光刻機的製程精（jīng）度，我國在此方向的技術基礎薄弱，尚無自主可控的產品可供應用，而進口渠道不（bú）可依賴。建（jiàn）議實（shí）施極紫外光刻機物鏡（jìng）超精密製造應用示範工程（chéng），闡明原子 / 近原子（zǐ）尺度加工機理，形（xíng）成全頻譜亞納米精度光刻物鏡加工技術與國產化拋（pāo）光、修形、檢測裝（zhuāng）備。
五、我國高端光學元件超精密加工技（jì）術與（yǔ）裝備發展建議
（一）優化（huà）創新體係設置，組織優勢資源成立技術聯盟（méng）
建議（yì）設立國家超精密加工技術協同創新中心、光學元（yuán）件超（chāo）精密製（zhì）造技（jì）術創新聯盟。采取“政產學研用”協同（tóng）創新模式，積極發（fā）揮政府引導（dǎo）作用，形成市場主導的發展模式。強化用戶工藝主導的主機研發理念，突（tū）出用戶工藝應用驗證，提升超精密加工機床的工藝適應性（xìng）。組織企業需求對接、重大項目論證（zhèng）、關鍵技術研討，著力解決機床正向設計與資源構建、超精密機床製造、可靠（kào）性與精度保持（chí）性、納米 / 亞納米精度（dù）創成、近無缺陷加工等關鍵技術和瓶頸環節。
（二）加（jiā）大資源保障力度，布局基礎研（yán）究和技術攻關計（jì）劃
在國家各類科（kē）技（jì）計劃中，有層次、有重點地（dì）支持光學元件超精密加工技術發展。建議設立“關鍵光學元件（jiàn）高性能製造基礎”國家自然科學基金重大項目、“光學（xué）製造基礎”國家自然科學基金重大研究計劃，支持突破光學元件高（gāo）性能製造（zào）的基礎理論（lùn）與關鍵技術。建議接續實施“高（gāo）檔數控機床與基礎（chǔ）製造裝備”國家科技重大專項，增設“光學元件（jiàn）高性能超（chāo）精密製造技術與裝備”專題，為超精密數控機床（chuáng）發展提供關鍵支持。建議“高性能製造技術與重大裝備（bèi）”國家重點研發計劃項（xiàng）目加大對光學元（yuán）件超精密製造（zào）技術與裝備的支持力（lì）度，推動光學製造共（gòng）性關鍵技術研發（fā）與應用示範。
（三（sān））加（jiā）強人才培育，構（gòu）建梯隊並擴大隊伍規（guī）模
機床領域相對“冷門”，在高校中的學科地位被弱化，高端人才流失現象嚴重，人（rén）才梯隊建設較為滯後。構建本領域的國家戰略科技力量，需要依托創新型領軍企業、具（jù）有比較優勢的科（kē）研院所，在培養、引進、用好（hǎo）領軍人才、創新團隊方麵積極作為。建（jiàn）立高端人才引進通道，完（wán）善（shàn）配套政策，運用技（jì）術入股、股權激（jī）勵、成果（guǒ）轉（zhuǎn）化收益分配等機製。培育麵向工業創新需求的工程技（jì）術人才、基（jī）礎紮實的應用（yòng）型研發人才，合理擴大隊伍（wǔ）規模。可在各類科技計（jì）劃（huá）中增設定向項目，給與專業團隊連續支（zhī）持，保持（chí）研究隊伍穩（wěn）定。
（四）築牢產業發展基礎，培育龍頭企業、專精特新“小巨人”企業
建議發布政策並配套保障資源，支持國（guó）產超精密機床、高檔數控係統、高性能關鍵功能部件、高性能刀具的產品研發（fā）與示範應用，兼顧市場競爭力提升和自主可控能力增強。培育光學製造技術與裝備方麵的龍頭企業，鼓（gǔ）勵關聯企業發展成為專精特新“小巨人”企（qǐ）業，在財（cái）稅、投融資、技術研發、產品進 / 出口、知（zhī）識產權、國際合作（zuò）等方麵給與重點支持。
