蔣莊德（dé）院士：高端光學元件超精密加工技術與裝備發展研究
來源：《中國（guó）工程科學》2023年第1期
作者：蔣莊德，李常勝，孫林，段端誌，康城，陳杉杉，林啟敬，楊樹明
編者按
高端光學元件是決定高端裝備性能水平的核心零件，研究高端光學元（yuán）件超精（jīng）密加（jiā）工技術與（yǔ）裝備發展，對於實施製造（zào）強國戰略、滿足高（gāo）端裝備產業需求具有積極意義。我（wǒ）國高端光學元件超精密製造技術及裝備，相比（bǐ）國際前沿（yán）存在階段性差距，成為製約高端裝備製造業發展（zhǎn）的重大短板。
中國工程院蔣莊（zhuāng）德院士研（yán）究團隊在中國工程院院刊《中國工（gōng）程科學》2023年第（dì）1期發表《高端光學元件超精密加工技術與裝（zhuāng）備發展研究》一文。文（wén）章剖析了光學（xué）元（yuán）件超精密（mì）加工方法（fǎ）與裝備、高性能（néng）基礎部件、超精密光學加工中（zhōng）的測量（liàng）方法與裝備等的發展情況，凝練了精度與尺（chǐ）寸極端化、形狀與性能一體化、加（jiā）工工藝複合化（huà）、加工與檢測一體化、裝備與工藝智能化（huà）等發展（zhǎn）趨勢。通（tōng）過廣泛的行業調研和研（yán）討（tǎo），從需求、目標、產品、關鍵技術（shù）、應用示範、支（zhī）撐保障等（děng）層次著手，形成了（le）麵向（xiàng）2035年我國（guó）高端光學元件超精密製造技術路線圖。針對性提出了優化創新體係設置、組（zǔ）織優勢資源（yuán）成立（lì）技術聯盟，加大（dà）資（zī）源保障力度、布局基礎研（yán）究和技術攻（gōng）關計劃（huá），加強人才培育、構建梯隊並擴大隊伍（wǔ）規模，築牢產業發展（zhǎn）基礎、培育龍頭企業和專精特新“小巨人”企（qǐ）業等發展（zhǎn）建議（yì），以期促進高端光學元件加工產業提升與高質量發展（zhǎn）。
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一、前言
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高端光學元件是決定航空（kōng）航天、國防軍工、先進民用等領域高端裝備性能的關鍵零件，典型應用對象有：高分辨率對地觀測係統、大型天文（wén）望遠鏡、X射線（xiàn）望遠（yuǎn）鏡、激光核聚變裝置、同步輻射裝置等（děng）大科學裝置，紫外 / 極紫外光刻機、精密慣性器件、飛行器光學（xué）導引頭、消費電子產品、醫療器械等設備。重大裝備服役能力不斷提（tí）高，對（duì）高端光學元件性能提出了更高要求；僅以幾何尺寸公差為關注點的（de）傳統設計製造理念難以適應高性能光學元件的製造需求，光學元件的超精密（mì）製造（zào）麵臨技術挑（tiāo）戰。
以（yǐ）慣（guàn）性約束激光核聚變為例，為了實現核聚（jù）變“點火”所（suǒ）需的（de）極端（duān）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為基礎的大口徑平麵、非球（qiú）麵、離軸（zhóu）非球麵等光學元件。我國在“神光”係列裝置上開展了類似研究。目前世界上均未實現（xiàn）核聚變“點火”目標，分析表明，服役在短波長範圍（wéi）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聚變驅動器 ‒ 巨型（xíng）激（jī）光裝置能否成功研製的瓶頸問題。探（tàn）究強激光紫外短波長光學元件超精密製造過程（chéng）中表麵形貌及缺陷的形成、影響機製、抑製方法，可極大節約激光核聚變裝置的運行維護成本、加速新一代激（jī）光核（hé）聚變點火裝置的研（yán）製（zhì）進程（chéng）。
空間X射（shè）線探測是脈（mò）衝（chōng）星全自主計時（shí）導航、X射線通信、空（kōng）間環境監測等工程應用，天文觀測、太陽X射線探測等空間科學探（tàn）測的關鍵技術。空間X射線反（fǎn）射鏡由（yóu）多層輕質薄壁複雜曲麵鏡片經同軸共焦精密裝配而成（chéng），要求（qiú）加工至亞納米表麵粗糙度、微弧度級（jí）斜率偏差、極少的（de）加工缺陷。目（mù）前，相比發（fā）達國家X射（shè）線多層嵌套反射鏡加工技術，我（wǒ）國在反射鏡（jìng）層數、分辨率方麵差距明顯，研製高靈敏度空間X射線（xiàn）探測係統亟需解決相關難題。突破多層嵌（qiàn）套（tào）式X射線（xiàn）空間反射鏡（jìng）製造新工藝的基礎理論與工藝方（fāng）法（fǎ），對推動新一代航（háng）天器深空全自主導航與通信（xìn）、深（shēn）空探測、空間科學領域發展具有重要的科學意義和工程價值。
在半導體芯片製造（zào）領域，極紫外光刻技（jì）術是國際半導體行業（yè）延續摩爾定（dìng）律、確保光刻分辨率進入（rù）7 nm/5 nm節點的核心關鍵所在。極紫外光刻物鏡需要適應以全頻段、亞納米（mǐ）精度製造為代表的一係列苛刻要求，才能保證光刻性能：采用光學自（zì）由（yóu）曲麵設計，減小光學（xué）係統波前誤差，增大數值孔徑，減少元件數量；使用超低膨脹的微晶玻璃來保證工作穩定性，而這種異質材料的高（gāo）性能超精（jīng）密製（zhì）造具有挑（tiāo）戰性。目前，隻有德國蔡司集團能夠生（shēng）產麵向大規模製造的極（jí）紫外光刻物鏡；我國重點研究的深紫外（wài）光刻物鏡製造技術，與國際先進水平相比差距明顯，是製約極大規模集成電路製造技術（shù）發展的“卡脖子”環（huán）節。
我國高端光學元件（jiàn）超精密製造技術及裝備，相比國際前沿存在階段性差距，成為製約高端（duān）裝（zhuāng）備（bèi）製造業發展（zhǎn）的重大短板。在高新技術領域國際競爭趨於激（jī）烈、一（yī）些國家試圖對我（wǒ）國進（jìn）行科技封鎖的（de）背（bèi）景下，“自主可（kě）控”解決光（guāng）學製造這一“卡脖子”難題顯得尤為迫（pò）切。發展國產高端光學（xué）元件超精密加（jiā）工技術，是實現諸多大（dà）科學（xué）裝置、高端裝備應用突破的（de）必由之路。
中（zhōng）國工程院谘詢項目（mù）“高端光學係統的精密超精密加工技術及裝（zhuāng）備的發展戰略研究”，廣泛開展了文獻（xiàn）調研、現場考察、會議（yì）研討、問卷調查，旨在（zài）推動新形勢下高端光學元件超精密（mì）加工技術與裝備的高質量發展。文（wén）章（zhāng）作為相關谘詢（xún）項目研究成果的學術性展示，梳理光學元件超（chāo）精密加工方法與裝備、高性能基（jī）礎部件、超精密光（guāng）學加（jiā）工相（xiàng）關測量方（fāng）法與（yǔ）裝備的發展現狀，分析理論、工藝、裝備、應用等方麵的瓶頸問題，提煉超精密光學製造技術的發展趨勢，形成麵向2035年高端光（guāng）學元件超精密製造技（jì）術路線圖，以期為我國超精密加工技術領域基礎研究、技（jì）術攻關、裝備應用等研究提供基礎性參考（kǎo）。
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二（èr）、國內外高端光（guāng）學元件（jiàn）超（chāo）精密加工技術與裝備發展現狀
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高端光學元件製（zhì）造的載體是精密 / 超精密光學加工機床。在以“高檔數控機床與基礎製造裝備（bèi）”國（guó）家科技重大專項（簡稱04專項）為代表的國家科（kē）技計劃支（zhī）持下，我國初步形成了超精密（mì）加（jiā）工機床（chuáng）自主研發能力，產品品種基本滿（mǎn）足重點領域需求，數控係統與關鍵功能部件的研發及配套能力基本（běn）形成。以04專項實施完畢（bì）後的狀態來判斷，我國機床行業與國際（jì）先進水平仍有15年左右的差距。
（一）超精密加工方法（fǎ）和裝（zhuāng）備
美國企業在光學元件超精密加工領域起步最早、水平最高，歐（ōu）洲企業緊隨其後，日本企業在中（zhōng）小型民用超（chāo）精密加（jiā）工領域具有獨特優勢；這些企業技術體係（xì）成熟（shú）且注重技術原始創新，占據了大部（bù）分市場份額。近年（nián）來，我國的科研機構和企業在國家重（chóng）大需求的牽引下，積極開展光學元件超（chāo）精（jīng）密加工（gōng）技術研究，但與國外相比存在階段性差距。① 自主研製的超精密加工機床，其數控係統性能（néng）與可靠性、主軸回（huí）轉精度與轉速、溜板直線度（dù）與定位精度、納米級運動控製與補償、加工精度（dù）與範圍等方麵普遍滯後於國際前沿水平；“產學研用”協同創新與要（yào）素融（róng）合不足，基礎研究脫節，應用技術轉化率不高，原（yuán）創技術稀（xī）缺（quē），以跟蹤研究（jiū）為主流。② 在我國（guó）超精密加工機床市場上，國外公司占據主導地位，進口產品擁有多（duō）數份（fèn）額；國（guó）產機床集中在（zài）航空航天（tiān）、國防軍工領域應用，以高端民用為代表（biǎo）的大規模、產業化應（yīng）用尚未展開。③ 國內相關研究（jiū）隊（duì）伍規模（mó）較大，然而具（jù）有國際影響力、引（yǐn）領產業發展的標（biāo）誌性人才稀缺，有關超精密機床（chuáng）製造方麵的基礎研究力量儲備（bèi）薄弱。
（二）數控係統、關鍵功（gōng）能部件和刀具
通過持續努力，我國在超精密機床數控係統、關鍵功能部件、刀（dāo）具等方麵基本具備了自主保障（zhàng）能力。國產高檔數控係統的功（gōng）能（néng）基本接近國外先進係統，高檔數（shù）控係統配套應用超過1500套（tào），中檔數控係統配（pèi）套超過7萬套；高檔數控與伺服驅動係統仍依賴進口。國產（chǎn）功能部件平均無故障工作時間（jiān）超過15 000 h，基本滿足數整機（jī）配套技術要求，但精密（mì）軸承、精密導軌、高精密光柵等基礎部件製造仍是薄弱環（huán）節。國產數控係統、伺（sì）服係統、精密光柵（shān）等核心部件未能形（xíng）成貫通配套，應（yīng）用領域用戶的認（rèn）可度不高。刀具品種數（shù）量豐富（超過45 000種），行業（yè）用刀（dāo）具國產化率提升（shēng）至45%，但用於超精密加工的高性能刀具，在加工效率、使用壽命方麵落後於進口產品。
國產數控係統的市場格局（jú）具有低端快速膨脹、中端進展緩慢、高端依賴進口的特點。國（guó）產高端數控係統的功能、性能、可靠性等（děng）存在明（míng）顯不足，導致高檔數控係統（tǒng）市場（chǎng）90%以上被進口產品占據。機床智能控製係統是新一代機床的重要（yào）組成部分，人（rén）工智能、數字孿生、雲服務等技術是支撐智能控製係統的（de）關鍵，相關研究有待深（shēn）入。
國產主軸的徑向回轉精度約為50 nm，不能（néng）適應超精（jīng）密機床的（de）集成要求：電主軸的電機內（nèi）裝式結構、高轉速下的亞 / 微米級高回轉精度尚未實現，氣體軸承剛度差、承載（zǎi）能力不足且難以保證高轉速下主軸的高回轉（zhuǎn）精度，液體靜壓軸承在油溫控製、油泵減振、油液防泄漏等方麵有待提高。
國產轉台的徑向 / 軸向回轉精度約為（wéi）25 nm，不能完全滿足超精密機床的研製要求。超精密回轉（zhuǎn）工作台存在很多（duō）問題，如液體靜壓轉台的（de）動態特性不穩定，轉台工作精度隨著溫度升高而降低（dī）。
國內導軌加工仍停留在1 m長度、1 μm直線度的水平（píng），相應的超高精度導軌沒有擺脫進口依賴。氣（qì）浮（fú）導軌（guǐ）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，液體靜壓導軌在溫（wēn）升控（kòng）製、流量控製等方麵存（cún）在短板。
國產光柵位移傳感器占據世界市場的50%以上，但以（yǐ）中 / 低檔產品為主；大行程、高（gāo）精度光柵直（zhí）線位移（yí）傳感器，超（chāo）精密圓光柵（shān）角（jiǎo）位移傳（chuán）感器的自主研發與製造能力薄弱，應用於光刻機等高端製造裝備的二維光柵更（gèng）是缺失。從位移傳感器產品（pǐn）的核心性能（néng）角度看，大行程（超過5 m）、高精度（優於±5 μm）封閉式光柵，圓（yuán）光柵編碼器（精度優於±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（hé）使用壽命等，與國外先進水平相比差距明顯。金剛石砂（shā）輪結合劑的耐磨性（xìng）較低，細粒度（dù）金（jīn）剛石砂輪的磨削加工精度低、加工質量（liàng）不穩定。拋（pāo）光工具的平坦度較低，使用壽命較短，缺陷率較高。超高純膠體（tǐ）SiO2等高端原（yuán）材料需要進口。
（三）光學（xué）元件超精密加工中的測量方法與裝備
在機床精度測量方麵，激光（guāng）幹涉儀、電容（róng）傳感器在超精密機床的幾何誤差測量中應用廣（guǎng）泛，但需要配（pèi）備多類標準件（jiàn），成（chéng）本高且操作（zuò）複雜；快速在機誤差測量的儀器、測量方案、測量標準等亟需發展。通過試切法、誤差敏感性（xìng）分析來識別機床幾何誤（wù）差在實際（jì）應用中較為流行，深入研究誤差溯源分析算法並提高分析效率成為熱點。辨（biàn）識超精密機床的幾何誤差與（yǔ）加工（gōng）表麵（miàn）性能之間的（de）關係（xì）及（jí）響（xiǎng）應機理，集成機床精度檢測裝置以匹配自適應 / 智能製造（zào）裝備的研製需求（qiú），是機（jī）床精度檢測技（jì）術的主要發展方向。
光學元件離線檢測設備主要依賴進口，如超精密接（jiē）觸式檢測設備方麵（miàn）的泰勒霍普森、蔡司、馬爾（ěr）等品牌，幹涉（shè）檢測設備方（fāng）麵的ZYGO、QED等品牌。針對非球麵、自（zì）由曲麵的超（chāo）精密測（cè）量是（shì）光學元件檢測的難（nán）點，相應檢測技術發展表現為通用化、高精度兩類方向：前者要求在不對係統進行明顯調整的情況下，快速自動地進行（háng）不同種類光學表麵的（de）檢測；後者要求盡可能地提高（gāo）檢（jiǎn）測精（jīng）度，用於檢測超高精度非球（qiú）麵（麵形（xíng）誤差為納米 / 亞納米量級，補償器精度、係統誤差的校正精度是關鍵）。
在光學元件在位測（cè）量方麵，雖然提出（chū）了加（jiā）工 ‒ 測量一體化理念，成功（gōng）用（yòng）於光學元件的精密（mì）加工過程並取得（dé）了原創性成果，但（dàn）在位測量、加工 ‒ 測量一體化受測量原理、集成機理、技術難度等方麵的製約，很（hěn）難滿足多尺度、高精（jīng）度、高頻響、動態測量、多參量的測量需求。三維複（fù）雜結構表麵具有廣泛應（yīng）用（yòng），相應微表麵形貌的測量不僅涉及粗糙度或瑕疵，而且與輪廓、形狀偏差、位置偏差密切相關（guān）。未來，在位測量需兼具高速性、實時性、高分辨率、大測量縱深、寬測量範圍。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（hé）局部測量 / 全局測量不確（què）定（dìng）度評定、測量單元與運動單元、多源異構數據的（de）測量分析理論與評定方（fāng）法（fǎ）。
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三、高端光學元件超精（jīng）密加工技術與裝備發展趨（qū）勢
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（一）精度與尺寸極端化
極大尺（chǐ）寸、極小尺寸、極高精度（dù）的光學元件（jiàn），市場需求趨於迫切：① 大口（kǒu）徑非球麵光（guāng）學元件廣（guǎng）泛應用於（yú）遙感衛星、空間望遠鏡、地基天文望遠鏡等精密（mì）光學係統，其（qí）單體主鏡口徑為3~7 m；② 微（wēi）結構光學功能元件在（zài）三維成像（xiàng）、光學聚（jù）焦、測量、冷卻、減阻（zǔ）、潤濕等方麵應用廣泛（fàn），相應結構尺寸可達微 / 納米級；③ 在（zài）麵形精度、表麵完整性要求進一步提高後，超精密加工過程中的材料去除量降低至微米、納（nà）米，甚至（zhì）原子量級。此外，原子及近原子尺度製造（zào）將能量直接作用於原子，通過構建（jiàn）原子（zǐ）尺度結構實現特定功能與性能，是新（xīn）一代（dài）製造（zào）技術的趨勢之一，對革新高端光學器件製造具（jù）有積極意義。
在光（guāng）學元件尺寸（cùn）和精度極端化的背（bèi）景下，需要優（yōu）化已有研究規劃，適時布局以極（jí）端精度與尺度製造為代表的新一代製造技術。立足微觀力學、機械製（zhì）造的學科背景，積（jī）極推動機（jī）械、物理、化學、材料等學科交叉，著（zhe）力（lì）開展以下基礎研究：納米及近原子尺度超精密加工的材（cái）料去除與遷移機理、光學材料多能場（chǎng）輔助的超精密加工新原理與新方法、光學材料超精密加工亞表麵損傷的（de）產生機理與抑製方法、光學元件近零（líng）損傷表麵形成機理與工藝（yì）、複雜曲麵光學元件（jiàn）高效超精（jīng）密加工工藝，為高端光學元件超精密加工關鍵技術突破、先進加工工藝與（yǔ）裝備開發築（zhù）牢基礎。
（二）形狀與（yǔ）性能一體（tǐ）化
激光核（hé）聚變裝置、飛行器光學導引頭等光（guāng）學元件的服役性能，既取決於幾何精（jīng）度，也受到表層材料物理、化學、機械性質（zhì）變化的顯著影響。例如，激光核聚（jù）變裝置（zhì）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（jīng）密製造（zào）及其抗強激光（guāng）損傷特性，實際上（shàng）成為製約激光核聚變裝置能否成功研製的瓶頸。
以（yǐ）加工精度作為單一評價指標，已不再滿足高性能光學元件的製造（zào）要求（qiú），需要綜合使用幾（jǐ）何精度、表麵（miàn）完整性（xìng）指標對加工質量進行（háng）全麵評價。超精密光學元件加工由以（yǐ）往的幾何形狀與尺寸精度要求，提升為（wéi）以性能要求為主、性能（néng）與幾何（hé）參數一體化的精密加工要求，此即高性（xìng）能製造。需要建立麵向使役性能要求的形狀 ‒ 性能一體化加工理論、方法（fǎ）以及工藝技術體係，為解決高性能光學元件的製造難題提供新方案（àn）。
（三）加工工藝複合化
高端光學元件苛刻的服役條（tiáo）件以及極高的性能要求，對革新光學製造技術提（tí）出迫切需求。高端光學元件表麵形狀複雜化、表（biǎo）麵結構多樣化和微細化，對加（jiā）工效率、加工質量的要求更高，也提出了綠色低碳（tàn）的（de）環境要求。當（dāng）前主流的加工技術具有局限性，如加工效率偏低、加工精度低不足、表麵質量難保證、加工可達性差、環境汙染風險高等，高質、高（gāo）效、綠色的先進超精密加工（gōng）技術成為研究趨勢。
采用多能場輔助或（huò）者兩（liǎng）種以上加工工藝複合方法，可（kě）取長補短並（bìng）發揮各自優勢，克服上述局限性（xìng）。未來研究重點有：探索新（xīn）型加工工（gōng）具材（cái）料，建立（lì）新型複（fù）合加工係統，深化複合加（jiā）工機理（lǐ）研究，拓展複（fù）合加工技術應用。複合加工技術朝著高精度、微細化方向發展，成為高（gāo）端光學元件超精密加工的重要趨勢；針對性開展（zhǎn）超精密複合加工（gōng）理（lǐ）論與技術創新研究，切實提（tí）升光學製造技術（shù）水平（píng）與市（shì）場競爭力。
（四）加工與（yǔ）檢測一體化
超精密光學製造突出表現在高精度、高性能、高效率的疊加，加工與檢測一體化是解決相應難題的主要手（shǒu）段，針對製造中（zhōng）物理、化學過程的智能化調控（kòng）更顯重要。製造裝備、工具（jù）、工藝、檢測設備等麵臨變革，如製造工具需（xū）在多傳感器參與的感知調控（kòng）下具備材料（liào）去除、添加或改性功能。在檢測方麵，提高精度是關鍵，在（zài）位、高效、穩定仍是主要目標，支持實現高質量綜合評價的多物理量檢測成為新發展方向。
在超精密加工與檢測一（yī）體化方（fāng）麵，重點研究內容有：在線、在位測試與評定新原理和方法，加工（gōng）裝備精度的在線檢測模型（xíng）和係統，超精密加工機（jī）床精度指標的測試與評定係統（tǒng），高精度自由（yóu）曲麵及微細結構測量的新原理與新方法，新型模塊化、可重組、多功能測試裝備技（jì）術，超精密測量誤差多源分離新（xīn）方法。超精密加（jiā）工測量的發展趨勢（shì）表現為：高精度、大量程測量，形狀和位置精度的同步測量，多物理量檢測表征，高性能檢測的計量。
（五）裝備與工藝智（zhì）能化
受高端（duān）光學係統的需求牽引，複雜麵形或難加工（gōng）材料元件的（de）加工效率和精度不（bú）斷突破（pò），衍生出的高端光（guāng）學元件產品在通用（yòng）領域得到更多應用。在通用（yòng）領域中的應用規模拓展後，高端光學元件的規模化、定製化製（zhì）造需求凸顯，從而提出了製造設備的高效率、高精（jīng）度、智能化（huà）加工要（yào）求。在世（shì）界工業（yè）新（xīn）一輪技術（shù）浪潮（cháo）驅動（dòng）下（xià），智能製造成為製造業的主導趨勢；工業強國采取積極行動，促進製造業在（zài）智（zhì）能製造、智慧化生產等方向的革（gé）新發展。
目前，高端光（guāng）學係統的光學元件較多采用定（dìng）製化的（de）設計生產模（mó）式，根據客戶特殊需要“量身定製”解決方案；生產製造（zào）企業需掌握設備生產工藝，將智能製造技術運用到細分市（shì）場產（chǎn）品，進而為各類產品創建自動化解決方案。著（zhe）眼未（wèi）來，智能製造裝備企業應圍繞市場需求，構建高度自動化的生產過程，對各種製造對象、各類製造環（huán）境具有良好（hǎo）的適（shì）應性。裝備與工藝智能化發展，將融合數字孿生、大（dà）數據、人工智能等信息技術，全麵提升並高效（xiào）運用控製、傳感、精密製造、識別（bié）等關鍵技術。
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四、麵向2035年我國高端光學元件超精密加工技術路線圖研（yán）究
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研究和編製高端光（guāng）學（xué）元件超（chāo）精密加工技術路線圖，可直接支撐（chēng）我國在此技術（shù）方向（xiàng）的中長期（qī）發展規（guī）劃、技（jì）術（shù）攻（gōng）關、理論探索。研究依托相關谘詢項目，集聚領域內（nèi）院士、專家、學者的集體智慧，重點完（wán）成兩方麵工作（zuò）：① 開展廣泛的文（wén）獻調研，與航天、航空、船（chuán）舶、兵器、光學（xué）應（yīng）用、機床製造等領域的企業和科研院所實地調（diào）研相結合，全麵把握我國高端光學（xué）元件超精密加工技術方向的發展態勢和需求情況；② 組織召開了近20次研討會，麵向86位（wèi）本領（lǐng）域專家開展問（wèn）卷調查，精準研判高端光學元（yuán）件超（chāo）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（jiàn）議。
以2035年為目標節（jiē）點形成的高端光學元件超精密加工技術（shù）及裝（zhuāng）備發展路線圖（見圖1），包含7個方麵的內容：應（yīng）用需（xū）求，發展目標，重點產品，數控係統、關（guān）鍵功能（néng）部（bù）件和（hé）刀具，測量方法與裝備，光學元件（jiàn）製造共性關鍵（jiàn）技術，應用示範工程。
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圖1 高端光學（xué）元件超精密加工技術及裝備發展路（lù）線圖
（一）應用需求
1. 深入實施製造強國（guó）戰略的需要
國家“十四五”規（guī）劃（huá）綱要提出，深入實施（shī）製造強國戰略。高端光學元件作為製造業（yè）的核心基礎零件，其製造技術研究對加強產業基礎能力建設、推動（dòng）製造業優化（huà）升級意義（yì）重大。X射線望遠鏡、極紫外光刻（kè）機（jī）、激光核聚變裝置、自由電子激光裝置、同步輻射裝置等高端裝備列（liè）為科技前沿領域和重大基礎設（shè）施，關鍵光學元（yuán）件的性能決（jué）定了這些高（gāo）端（duān）裝備的性能，而當前的製造水（shuǐ）平不足以匹配光學元件（jiàn）的高性能（néng）製造需（xū）求。
2. 產業發展需求
消費（fèi）電子、半導體製造、智（zhì）能工業機床、紅外熱成像儀、車載鏡頭等產品，大（dà）量應用光學元件和（hé）組件。2021年（nián），我國光學鏡片（piàn）、鏡頭（tóu）、模組等元器件的市（shì）場規模（mó）為1568億元；技術更新速度快，相應市場規模將進一步擴大。國內從事高端光學元件精密製造（zào）的企（qǐ）業，數量較少且產品集聚在中低端，在高分辨（biàn）率定焦、大倍率變焦、超高清、光學防抖、安防（fáng）監控一（yī）體機鏡頭等中高端光學鏡頭製造方麵的核心技術薄弱甚至部分缺失。開展高（gāo）端光學元件高性能超精密製造（zào）基礎理論與關鍵技術研究，突破國內市場格局並高質量“走出去”，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
對地觀測衛星、精確製導飛行器、高能（néng）激光器等（děng）裝備是（shì）國防裝備信息化和現代化的重要支撐，大口徑（jìng）空間（jiān）反射鏡、飛行器整流罩、折衍混合光學元件、高能激光組件等高端光學元件是（shì）先進裝備的（de）關（guān）鍵零件。這些關鍵零件的製造水平決定了國防裝備的設計（jì）性能與（yǔ）服役規模。然而（ér），國產高端光學元件的超精密加工技術水平依然無法全麵滿足（zú）先進裝備發（fā）展需求，有關技術封鎖和設備禁運也客觀存在（zài），自主攻關高端光學元件超精密加工裝備及其關鍵技術極為迫切。
（二）發展目標
1. 突破超精密加工的共性關鍵技術
圍繞高端（duān）光學元件的超精密製造需求（qiú），重點突破全（quán）頻譜納（nà）米 / 亞納米級精（jīng）度創成、近無缺陷高表麵完整性加工、超精（jīng）密機床正向設計與數據資源建構、超精密智能機床製造（zào）等共（gòng）性關鍵技術，支持光學製造（zào）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（wèi）能實現自主供給商品化、屬於國外禁運的重大裝（zhuāng）備，如4 m及以上口徑光學元件毛坯製造基礎裝備、輕量化及（jí）超精密磨削裝備（bèi）、亞納米（mǐ）級加工裝備、超大口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及以上口徑光學元（yuán）件毛坯製造基礎（chǔ）裝備、輕量化及超精密磨削裝備、原子級加工裝備、超大口徑光學元件超精密（mì）測量儀器、超大尺寸光學（xué）元件修複（fù）裝備、航天器機載光學元件製造及修複裝備（bèi）。
3. 形成超精密製造領軍企業
優化以國（guó）家重點實驗室、國家工程研究中心、省部級重點（diǎn）實驗室為核心的光學（xué）元件超精密製造科（kē）研（yán）體係，引導“產學研”融合發展，推動創新（xīn）資源整合升級。鼓勵（lì）重點方向基礎良好的企業發展成為專精特新“小（xiǎo）巨人”企業，建設示範性智能工廠，實現關鍵技術的裝備應用，提升產業鏈配套供給水平。發展光學元件超精密製造專業技術服務企業，支持形成良好的製造業生態。
4. 提升機床和單（dān）元（yuán）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（chuáng）行業“低端混戰、中端爭（zhēng）奪、高端失守、大而不（bú）強”的競（jìng）爭（zhēng）格局。在國產光學元件超精密製造裝備、高檔數控（kòng）係統、超精密關鍵（jiàn）功能部件方麵，國內市場占有率近期目標均為70%，2035年提升至80%。
（三） 重點產（chǎn）品
1. 超精密車削裝備（bèi）
到2025年，麵（miàn）形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤3 nm。到2030年，麵形誤差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，表麵粗糙度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（cāo）度Ra≤10 nm。到2030年，麵形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表（biǎo）麵粗糙度Ra≤8 nm。到2035年，麵形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤5 nm。
3. 超精密磨（mó）削裝備（bèi）
到2025年，加工口徑≥4 m，麵形誤差PV≤10 μm/m，亞表麵損傷≤35 μm。到（dào）2030年，加工口徑≥5 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞（yà）表麵損傷（shāng）≤25 μm。到2035年，加工口徑≥7 m，麵（miàn）形誤差（chà）PV≤8 μm/m，亞表麵損傷≤15 μm。
4. 超精密拋光裝備
到（dào）2025年，加工口徑≥4 m，麵形誤差RMS≤12 nm。到2030年（nián），加（jiā）工口徑（jìng）≥5 m，麵形誤（wù）差RMS≤8 nm。到2035年，加（jiā）工口徑≥7 m，麵形誤差RMS≤5 nm。
（四）數控係統、關鍵功能部件和（hé）刀具（jù）
1. 數控係統
建立開放式、網絡化的雲架構數控係統，基於雲平台（tái）的智能（néng）數控係統。雲上控製編程處（chù）理靈活，開放（fàng）性（xìng）良好，支持手機、筆記本電腦、工業計算機、虛擬現（xiàn）實等多（duō）種人機交互前端。突破多軸、多通道、納米（mǐ）插補數控加工技術，實現自適應（yīng）加工、刀具壽命管理、在位測量、虛擬現（xiàn）實仿真、自（zì）監控、維護、優化、重組等功能（néng）。
2. 關鍵功能（néng）部件
到2025年，突破超精密動靜壓軸承製造與檢測、超精密反饋元件與運（yùn）動控（kòng）製等技術，具備高精度、高剛度、運動（dòng）平穩的（de）功能部件製（zhì）造能力。到（dào）2030年（nián），突破多物（wù）理量可調運動部件、檢測單元等技術，具備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（liàng）狀態（tài）感知（zhī）、多物理量調（diào）控、精（jīng）度 / 剛度（dù）補償（cháng）等（děng）技術（shù），具（jù）備智能化功能部件製造能力。
3. 刀具
在金剛石砂輪（lún）方麵，近期具備批量（liàng）生產和應用（yòng）細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪的能力，進一步發展超細粒度、高性能（néng）金剛石 / CBN砂輪。在金剛石車 / 銑（xǐ）刀具方麵，著重發展複合納米結構化刀具，解決加工表麵中（zhōng）高頻（pín）誤（wù）差大、加工效率和精度難以兼顧（gù）的難題。在（zài）拋光工具（jù）方麵，近期（qī）發（fā）展多種可控柔體亞納米拋光工具，進一步發展刀具工作狀態智能化監測、刀（dāo）具數字化（huà）設計製造一體化等技術。
（五）測量方法與裝備
1. 機床精度測量
在快速在機誤差測（cè）量（liàng）儀器和標準方麵，開發新一代測（cè）量儀器、方案和標準，破（pò）解激光幹涉儀、電容傳感器價格昂貴，操作複雜等（děng）難題。在超精密機床誤差識（shí）別與實時補償技術方麵，開發誤差溯（sù）源分析算法（fǎ），高（gāo）效識別幾何誤差（chà）；優化機床幾何誤差在機測量的快（kuài）速解算方法，實現誤差（chà）的（de）實時補償。在機床誤差的自適應 / 智能檢（jiǎn）測與評價方麵，探究（jiū）技術機理，揭示超精密機床的幾何誤差與加工表麵質量之間的關係及響應機製。
2. 光學元件在位測量
在光（guāng）學元件的（de）低應（yīng）力、高效（xiào）率、接觸式（shì）測量技術方（fāng）麵，降低接觸應力對光學元件的破壞作用，削弱針尖磨損導致的測量精度退化效應，提升接觸式在位測量的效率。在複（fù）雜光學元件的非接觸式納米 / 亞納米精度測量技術方麵，突破機床溫變、振動（dòng）、汙染條件下複雜光學元件幾何精度的超精密檢測難題。在光學元件的多模態跨尺（chǐ）度形性測量（liàng）技術方麵，實現麵（miàn）形精度、微觀形貌、表麵缺陷、亞表麵損傷、殘（cán）餘應力等多模（mó）態、跨尺度表麵特性與使役性能的（de）快速表征。
3. 光（guāng）學元件離線（xiàn）測量
在複雜光（guāng）學元件亞納米幾何精度測量技術方麵（miàn），突破高（gāo）陡度非球麵、自由（yóu）曲麵的全頻譜亞納米精度檢測難題。在光學元件表麵完整性的多參數、多傳感器協同表征技術方麵，實（shí）現光學元件多參數（shù）表麵完整性的實時定量準確評價，提（tí）升加工（gōng）缺陷的修複精（jīng）度。在光學元件時 ‒ 空域形性參數的跨（kuà）尺度表（biǎo）征與信息融合技（jì）術方麵，麵（miàn）向光學元件（jiàn）使（shǐ）役性能要求，形成形性一體化（huà）製造能力。
（六）光學（xué）元件製造共性關鍵技術
1. 全頻譜納米 / 亞納米級精度創成
複雜光學元件的全頻譜納米 / 亞納（nà）米級精度創成決定了光刻物（wù）鏡、空間光學、強光光學等方麵的應用水平，研究難度表現在：納（nà）米精度要求穩定實現亞納米量級的（de）材料去除；複（fù）雜形狀引起材料去除率（lǜ）變化，需要（yào）進行有效補償；全頻段（duàn）誤差、加工缺陷等影響光學性能（néng），要求（qiú）實現一致收斂和去（qù）除。現（xiàn）有光學加工方法較多基於經驗，具有不確定性，難以克服現代光學零件加工的（de）性能（néng）瓶頸，需要突破異質 / 各（gè）向異性材料（liào）納（nà）米量級可控去除、複雜曲（qǔ）麵可控補償修形、弱剛度光學元件確（què）定性（xìng）去除（chú）、微弧度級斜率誤差抑製、光（guāng）學製（zhì）造裝備運（yùn）動軸性能設計、複雜曲麵全頻段（duàn）超（chāo）精密檢測（cè）等關鍵技（jì）術。
2. 近無缺陷高表麵完整性加工
采用單一物理場的加工方法，很難實現高精度的近零亞表麵損傷加工；原子級多物理場納米加工機理研究匱乏，加工表（biǎo）麵容易出現脆性裂紋、加工缺陷、表層物理和化學（xué）特性變化。研究多能場複合加工中表（biǎo）麵完整性的動態演化過程及其影（yǐng）響因素，辨明實現近無缺陷高表麵完整性加工（gōng）的條件，需要（yào）突破麵向光學元件使役性能（néng）的表麵完整性設計、光學元件控域控量控性、表麵加工缺陷確定性原位（wèi）修複、跨尺（chǐ）度表麵缺陷無損精確表征、多參數表麵完整性多物理場表征等關鍵技術。
3. 超精密數控機床正向（xiàng）設計（jì）與數據資源建構（gòu）
國產（chǎn）精密 / 超精密光學加工機床的精度、可靠性、穩定性，相比國際先進水平存在階（jiē）段性差（chà）距，缺乏麵向機床使役性能的正逆向設計方法是導致上（shàng）述差距的重（chóng）要原因。超精密機床的正向設計，取決於設（shè）計資源數據庫，機床的精度及剛度與機床（chuáng）結（jié）構、零部件（jiàn）精度、控製參數之間的關係（xì）模型（xíng）；需（xū）要突破數控機床的功能設計、構型設計，精（jīng）度設計、靜 / 動剛度設計、熱平衡設（shè）計，包括動（dòng）力學優化、輕量化設計在內的多（duō）學科優化（huà）設計等關（guān）鍵技術；構建開放的工藝軟件與數據庫，集成（chéng）完備的設計規範與標準、知識庫（kù）、案例庫（kù）。
4. 超精密智能機床製（zhì）造
超精密機床製造技術薄弱，是國產光學加工裝備性能落後於進口產品的關鍵因素之一。提高超精密機床製造水平，需兼顧關鍵零部件製造與（yǔ）整機裝（zhuāng）配、智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（zhì）造、工件台納米定位與運動協（xié）同控製（zhì）、超精密（mì）空氣主軸與全約束閉合（hé）式油靜壓導軌製造、自動調平間（jiān）斷式空氣隔振係統製造（zào）、超精密切削與高效低損（sǔn）傷磨拋工具製造等方（fāng）麵的關鍵技術；對於後者，需要突破（pò）高穩定性智能伺服調整、熱變形（xíng）智能控製、加（jiā）工狀態實時智能導航、五軸加工誤差智能調諧、智能實時防碰撞係統、加工過程切削負（fù）載（zǎi）自適應智能控製、機床運行（háng）狀態（tài）智能（néng）診斷與預警（jǐng）等關鍵技術（shù）。
（七）應用示範工程（chéng）
1. 大口徑輕量化空間光學元件製造（zào）
高分辨率對地觀測係統、X射線望遠（yuǎn）鏡等（děng）空間裝備，以大口徑（jìng）光學元件為核（hé）心功能支撐。大口徑光（guāng）學元（yuán）件材料硬脆（cuì）、麵形複雜、極端輕量化，需要實現全頻譜納米級加（jiā）工精度，而國產（chǎn）製造裝備在口徑、精度、效（xiào）率方麵均不能滿足要求。建（jiàn）議實施大口徑輕量化空間光（guāng）學元（yuán）件製造應用示範工程，形成4 m口徑空間光學元（yuán）件的超精密高效率磨削、拋光、修形、檢測技術與國產化裝備。
2. 探測製導光（guāng）學（xué）元件（jiàn）高性能超精密（mì）製造
精密複雜慣性器件、高陡度保形光（guāng）學元件等，較多采用高硬脆性材料，麵臨共形、氣動熱、高（gāo）光譜、高過載等使（shǐ）役（yì）環境挑戰（zhàn）；通過加工精度、材料（liào）特性、結構設計（jì）方麵的耦（ǒu）合調控，才能獲得預期的探測製導性（xìng）能。建議實施麵向使（shǐ）役（yì）性能的光學元件設計 ‒ 加工 ‒ 測量一體化製造應用示範工程，揭示極端服役環境下加工精度對服役性能的影響機製，形成探測製導光學元件的高性能超精密製造技術與國產化加工裝備。
3. 強光光學元件抗輻照損傷製造
激光（guāng）點火裝置、高能激光器（qì）的強光光學元件服役於強（qiáng）激（jī）光環境（jìng），因加工（gōng）缺陷誘導的輻照損傷成為製約相應裝備性能提升的瓶頸。建議實施（shī）強光光學元件抗輻照損傷製造應用示範工（gōng）程，揭示微納米加工（gōng）缺陷對抗輻照損傷（shāng）性能的（de）影（yǐng）響及抑製機理，形成近無缺陷（xiàn）強光元件的高性能製造（zào）技術和國產化磨削、拋光、缺陷抑製裝備。
4. 極紫外光刻機物鏡超精密製造
光刻物鏡的製造水平決定著光刻機的製程精（jīng）度，我國在此方向的技術基（jī）礎薄弱，尚無自主可控的產品可供應用，而進口渠道不可依賴。建議實施極紫外光刻機物鏡超精密製（zhì）造應用示範（fàn）工程，闡明原（yuán）子 / 近原（yuán）子尺度加工機理，形成全頻譜亞納米精度（dù）光刻（kè）物（wù）鏡加工技術與國產化拋光、修形、檢測裝備。
南京糖心影视精密加工（gōng）收集
五、我國（guó）高端（duān）光學元件超精密（mì）加（jiā）工技術與裝備發展（zhǎn）建議
南京糖心影视精密加工收集
（一）優化創新體係設置，組織優勢資源成立技（jì）術聯盟
建議設立國（guó）家超精密加工技術協同創新中心、光學元件超精（jīng）密製造技術創新聯盟。采取“政產學研用”協同創新模式，積極發揮政府引導（dǎo）作用，形成（chéng）市場主導的發展模式。強化用戶工藝主導的主機（jī）研（yán）發理念，突出用戶工藝應用驗證，提（tí）升超精密加工機床（chuáng）的工藝適應性。組織企業（yè）需求對（duì）接、重大項目論證、關鍵技術研討，著力解決機床正向設計與資源構（gòu）建、超精密機床製造、可靠性（xìng）與（yǔ）精度保持（chí）性、納（nà）米 / 亞納米精度創成、近無缺陷加工等關鍵技術（shù）和瓶頸環節（jiē）。
（二）加大資源（yuán）保障（zhàng）力度，布局基礎研究和技術（shù）攻關計劃（huá）
在國家各類科技計（jì）劃中，有層次、有重點地支持光學元件超精密加工技術發展。建議設立“關鍵光學元件高性能製造（zào）基礎”國（guó）家自然科學基金重（chóng）大項目、“光（guāng）學製造基礎（chǔ）”國家自然（rán）科學基（jī）金重大研究計劃，支持突破（pò）光學元件高性能製（zhì）造的基礎理論（lùn）與關鍵技術。建（jiàn）議接續實施“高檔數控機床與基礎（chǔ）製造裝備”國（guó）家科技重大專項，增設（shè）“光學元件高性（xìng）能超精密製造技術與（yǔ）裝備”專題，為超精密（mì）數控機床發展（zhǎn）提供關（guān）鍵（jiàn）支持。建議“高性能製造技術與重（chóng）大裝備”國家重（chóng）點研發計劃項目加（jiā）大對光學元（yuán）件超精密製造技術與裝備的支持力度，推動光學（xué）製（zhì）造共性關鍵技術研發與應（yīng）用示（shì）範。
（三）加強（qiáng）人才培育，構建梯隊並擴大隊伍規模
機床（chuáng）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、具有比較優勢的科研院所，在培養、引進、用好領軍人（rén）才、創新團（tuán）隊方（fāng）麵積極作為。建立高端人才引進通道，完善配（pèi）套政策（cè），運用技術入股、股權激勵、成果轉化收益分配等機製。培育（yù）麵向工業創新需求的工程技術人才（cái）、基礎紮（zhā）實的應用型研發人才，合理擴大隊伍規模。可在各類（lèi）科技計劃中增（zēng）設定向項目，給與專業團隊連續支（zhī）持，保持（chí）研究隊伍穩定。
（四）築牢產業發展基礎，培（péi）育龍頭企（qǐ）業、專精（jīng）特新“小巨（jù）人”企業
建（jiàn）議發布政策並配套保障資（zī）源，支持國產（chǎn）超精密機床、高（gāo）檔數（shù）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（yīng）用，兼顧市場競爭力提升和自主（zhǔ）可控能力增強。培育光（guāng）學製造技術與裝備方麵的龍（lóng）頭企業，鼓勵（lì）關聯企業（yè）發展成為專精特新“小巨人”企（qǐ）業（yè），在財稅、投融資、技術研發（fā）、產品進 / 出口（kǒu）、知識產權、國（guó）際合作等方麵給與重（chóng）點支持。
