高端光學元件超精（jīng）密（mì）加工技術與裝備發展研究（jiū）丨中國工程科學
高端光（guāng）學元（yuán）件是決定高端裝備性（xìng）能水平的核心（xīn）零件，研究高端光學元件超精密加工技（jì）術與裝備發展，對於實施製（zhì）造強（qiáng）國戰（zhàn）略、滿足高端裝（zhuāng）備產業需求具有積（jī）極意義。我國高端光學元件超精密製造技術及裝備，相比國際前沿（yán）存在階段性差（chà）距，成為製約（yuē）高端裝備製造業發展的重大短板。
中國工程院蔣莊德院士研究團隊在中國工程院院（yuàn）刊《中（zhōng）國工程科學》2023年第1期發表《高端光學元件超精密加工技術與裝備發展研究》一文。文（wén）章（zhāng）剖析了（le）光學元件超精密加工方法與裝備、高性能基礎部件、超（chāo）精密（mì）光學加工中的測量方法與裝備等的發展情況，凝練了精度與尺寸極端化、形狀與性能一體化、加工工藝複合（hé）化、加工與檢測一體化、裝備與工藝智能化（huà）等發展趨勢。通過廣泛的（de）行業調研和研討，從需求、目標、產品、關鍵技術、應用示範、支撐保障等層次著手，形成了麵向2035年我國高端光學元件超精（jīng）密製造技術路線（xiàn）圖。針（zhēn）對性提出了優化創新體係設置、組織優勢資（zī）源成立技術聯盟，加大（dà）資源保障力（lì）度、布局基礎研（yán）究和技（jì）術攻關計劃，加（jiā）強人才培育、構建梯隊並擴大（dà）隊伍規（guī）模，築牢產業發展基礎（chǔ）、培育龍頭企業和專精特新“小巨人”企業等發展（zhǎn）建議（yì），以期促進高（gāo）端光學元件加工產業提升與高質量發展（zhǎn）。
高端光學元件是決定航空航天、國防軍工、先進民用（yòng）等領（lǐng）域高端裝備性（xìng）能的關鍵零件，典型應用對象有：高分辨率對地觀測係統、大型天文望遠鏡（jìng）、X射線望遠鏡、激光核聚變裝置、同步（bù）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、飛行器光學導引頭、消費電（diàn）子產品、醫療器械等設備。重（chóng）大裝備服役能力不斷提高，對高端光學元件性（xìng）能（néng）提出了更高要（yào）求；僅以幾何尺寸公差為關注點的傳統（tǒng）設計製造理念難以（yǐ）適應高性能光學元件的製造需求，光學元件的超精密製造麵臨技術挑戰（zhàn）。
以慣性約束激光核聚變為例，為了實現核聚變“點（diǎn）火”所需的極端苛刻條件，美國國（guó）家點火（huǒ）裝置大規模采用了以熔石英、磷酸（suān）二氫鉀晶體材料為基礎的（de）大口徑（jìng）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（wèi）實現核聚變“點火”目標，分析表（biǎo）明，服役在短波長範圍的（de）高性能光學元件超精密製造及（jí）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（zhì）能否成（chéng）功研（yán）製的瓶頸問題。探究強激光紫外短波長光學（xué）元（yuán）件超精密製造過（guò）程中表麵形貌及缺（quē）陷（xiàn）的形（xíng）成、影響機製、抑製方法，可極大節約激光核聚變裝（zhuāng）置的運（yùn）行維護成本（běn）、加（jiā）速新一代激光核聚變點火裝置的研製進程（chéng）。
空間X射線探測（cè）是脈衝星全自主計時導航、X射線通信、空間環境監測等工程應（yīng）用，天文觀測、太（tài）陽X射線探測等空（kōng）間（jiān）科學探測的關鍵技術。空間X射線反射鏡由多層輕質薄壁複（fù）雜（zá）曲（qǔ）麵鏡片經同軸共（gòng）焦（jiāo）精密（mì）裝配而成，要求加工至亞納米表麵粗糙（cāo）度、微弧度級斜率偏差（chà）、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加工（gōng）技術，我國在反射鏡層數、分（fèn）辨率方麵差距明顯，研製高靈敏度空間X射線探測係統（tǒng）亟需解決相關難題。突破多層嵌套式（shì）X射線空間反射鏡製（zhì）造新工藝的基礎理論與工藝方法，對（duì）推動新一代航天器深空全自主導航與通信、深（shēn）空探測、空間科學領域發展具有重要的科學意（yì）義和工程價值。
在半（bàn）導（dǎo）體芯片製造領域，極（jí）紫外（wài）光刻技術是國際半導體行業延續摩爾定律、確保光刻分辨率進入7 nm/5 nm節點的（de）核心關鍵所在。極紫外光刻物（wù）鏡需（xū）要適（shì）應以全頻段、亞納米精（jīng）度製造為代表的一係列苛刻要求，才能保證光刻（kè）性能（néng）：采用光學自由曲麵（miàn）設計，減小光學係統波前誤差，增大數（shù）值孔徑，減少元件數量；使（shǐ）用超低膨脹的微晶玻（bō）璃來保證工作穩定（dìng）性，而這種異質材料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（chǎn）麵向大規模製造的極紫外光刻物（wù）鏡（jìng）；我國重點研究的深紫外光刻物鏡製造技術，與國（guó）際先進水平相比差距明（míng）顯，是製約極大規模集成（chéng）電路製造技術發展的“卡脖子”環節。
我國高端光學元件超（chāo）精密（mì）製（zhì）造技術及（jí）裝備，相比（bǐ）國際前沿存在階段性差距，成為（wéi）製約高端裝備製造（zào）業發展的重大短板。在高新技術（shù）領域國際競（jìng）爭趨於激烈、一些國家試圖對我國進行科技封鎖的背景下，“自主可控”解（jiě）決光學（xué）製造這（zhè）一（yī）“卡脖子（zǐ）”難題顯（xiǎn）得尤為迫切。發展（zhǎn）國產高端光學元件超（chāo）精密加工技術，是實現諸多大科學裝置、高端裝備應用突破的必由之路。
中國工程院谘詢項目“高端（duān）光學係統的精密超精密加工技術及裝備的發（fā）展戰略（luè）研究”，廣泛開展了文（wén）獻調研、現場考察、會議研討、問卷調（diào）查（chá），旨在推動新形勢下高端光學元件超精密加工技（jì）術與裝備的高質量發展。文章作為相關谘詢項（xiàng）目研（yán）究成果的學術性展示，梳理光學元件（jiàn）超精密加工方法與裝備、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，提煉超精密光學製造技術的發展趨勢，形成麵向2035年高端光學元件超精密製造技（jì）術路線圖，以期為我國超精密加工（gōng）技術領域基礎（chǔ）研究、技（jì）術攻關、裝備應用等研究（jiū）提供基礎（chǔ）性參（cān）考。
二（èr）、國內外高端光學元件超精密加工技術與裝備發展現狀
高端光學元件製造的載體是精（jīng）密 / 超精（jīng）密光學加工機床。在（zài）以“高檔（dàng）數控機床與（yǔ）基（jī）礎製造裝備（bèi）”國家科技（jì）重大專項（簡稱04專項）為代表的國家科技計劃支持下，我（wǒ）國初步（bù）形成了超精密加工機床自主研發能力，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（yán）發及配套能力基本形成。以04專項實施完畢後的狀態（tài）來判斷，我（wǒ）國機（jī）床（chuáng）行業（yè）與（yǔ）國際先進水平（píng）仍有15年左右（yòu）的差距。
（一）超（chāo）精密（mì）加工方法和（hé）裝備
美國（guó）企業在光學元件超精密加工領（lǐng）域起步最（zuì）早、水平（píng）最高，歐洲企（qǐ）業緊隨其後，日本企業在中小型民用超精密加（jiā）工領域（yù）具有獨特（tè）優勢；這些企（qǐ）業（yè）技術體係成熟且注重技術原始創新，占（zhàn）據了大部分市場份額（é）。近年來，我國的科研機構和企業在（zài）國家重大需求的牽引下，積極開展光學元件超精密加工技術研究，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，其數控係統性能與可靠性、主軸回轉精度與轉速、溜板直線度與定位精度、納米級運動控製與補償、加工精度與範圍等（děng）方麵普遍滯後於國際前沿水（shuǐ）平；“產學研用”協同創新（xīn）與要素融合不足，基礎研究脫節，應用技術（shù）轉化率不高，原創（chuàng）技術稀缺，以跟蹤研究為主流。② 在我國超精密加工機床市場上，國外公司（sī）占據主（zhǔ）導地（dì）位，進口產品擁有多數份額；國（guó）產機床集中在航空航天、國防軍工領域應用，以高端民用為代表的大規模、產業化應用尚（shàng）未展開。③ 國內相關研究隊伍規模較大，然（rán）而具有國際影響力、引領產業發（fā）展（zhǎn）的標誌性人才稀缺，有關超精（jīng）密機床製造方麵的基礎研究（jiū）力量儲備（bèi）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（guó）在超精密機床數控係統、關鍵功能部件、刀具等（děng）方麵基本具備了自主保障能力。國產高檔數控係統的功能基本接近國外先進係統（tǒng），高檔數控係統配套應用超過1500套，中檔數控係統配套超過7萬套；高檔數控與（yǔ）伺服驅（qū）動係統仍（réng）依賴進口。國產功（gōng）能部（bù）件平均無故障工（gōng）作時（shí）間超過15 000 h，基本滿足數整機配套技術要求（qiú），但精密軸承、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（tǒng）、伺（sì）服係統、精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（bú）高。刀具品種數量豐富（超過45 000種），行業用（yòng）刀具國產化率提升至45%，但用於超精密加工（gōng）的高性能刀具，在（zài）加（jiā）工效率、使用壽命方麵落（luò）後（hòu）於進口產品。
國（guó）產（chǎn）數控係統的市場格局具有低端快速膨脹、中端（duān）進展緩（huǎn）慢、高端依賴進口的特點。國產高（gāo）端數控係統的功能（néng）、性能、可靠性等存在（zài）明顯不足，導致高檔數（shù）控係統（tǒng）市場90%以上被進口產品占據。機（jī）床智能控製係統是新一代（dài）機床的重要組成部分，人工智能、數字孿生、雲服務等技術是支撐智能控製係統的關鍵，相關研究有待深入。
國產主軸的徑向回轉精度約為50 nm，不能適應超精密機床的集成要求：電主軸的電機內裝式結構、高（gāo）轉速（sù）下的亞 / 微米級高回轉精度尚（shàng）未實現，氣體軸承剛度差（chà）、承載能力（lì）不足（zú）且難以保證高轉速下主軸的高回（huí）轉精度（dù），液體靜壓軸承在（zài）油溫控製、油泵減振、油液防泄漏等方麵有待提高。
國產轉台（tái）的徑向 / 軸向回轉（zhuǎn）精度約為25 nm，不能完全滿足超精密機床的研製要求。超精密回轉工作台（tái）存（cún）在很多問題，如液體靜壓轉台（tái）的動態特性不穩定，轉台工作精度隨著（zhe）溫度升高而（ér）降低。
國內（nèi）導軌加工仍停留在1 m長度、1 μm直線（xiàn）度的水平，相應的（de）超高精度導軌沒有（yǒu）擺脫進口依賴。氣浮導軌承載力低、穩定性差，精（jīng）密滾動導軌副的抗振性欠佳（jiā）、機械（xiè）磨損大，液體靜壓導軌在溫升控製、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，但以中 / 低檔產品為主；大行程、高精度光柵直線（xiàn）位（wèi）移傳感器，超精密圓光柵角位移傳感器的自主研發與製造能力（lì）薄弱，應用於光刻機等高端製造（zào）裝備的二維光（guāng）柵更（gèng）是缺失（shī）。從位移傳感器產品的核心性能（néng）角度看，大行程（超過5 m）、高精度（優於±5 μm）封閉式光柵，圓光柵編碼（mǎ）器（qì）（精度優於（yú）±1″）等高端產（chǎn）品被國（guó）外企業壟斷。
國產超（chāo）硬車銑刀具的精（jīng）度和使用壽（shòu）命等（děng），與國外先進水平相比（bǐ）差（chà）距明（míng）顯。金剛石砂輪結合劑的（de）耐磨性較低，細粒度（dù）金剛石砂輪的磨削加工精度低、加（jiā）工質量不穩定。拋光（guāng）工具的平坦度（dù）較低（dī），使用壽命較短，缺陷率（lǜ）較高。超（chāo）高（gāo）純膠體SiO2等高端原材料需（xū）要進口。
（三）光學元件超精密加工中的測量方法與裝備
在機床精度測（cè）量方麵（miàn），激（jī）光幹涉儀、電容傳感器在超精密（mì）機床的幾何誤差測量（liàng）中應（yīng）用廣泛，但需要配備多類標準件，成本高且操作複雜；快速在機誤差測量的儀器（qì）、測量方案、測量標準等亟需發展。通（tōng）過試切法、誤差（chà）敏感性分析來識（shí）別（bié）機床幾何誤差在實際應用中較為流行，深入研究誤差溯源分析算法並提高分析效率成為熱（rè）點。辨識超精密機床的幾何誤差與（yǔ）加工表麵性能之間的關係及響應機理，集成（chéng）機床精度檢測（cè）裝置以匹配自適應 / 智能製造裝備的研製（zhì）需求，是機床精度（dù）檢測技術的主（zhǔ）要發展方向。
光學元件（jiàn）離（lí）線檢測設備主要依賴進口，如超精密接觸式檢測（cè）設（shè）備方麵的泰勒霍普森、蔡司、馬爾等品牌，幹（gàn）涉檢測設備方麵（miàn）的ZYGO、QED等品牌。針對非球麵、自（zì）由曲麵的超精密測量是光學元件檢測的難點，相應檢測技術發展表現為（wéi）通用化、高精度兩（liǎng）類方向：前者要求在不對係統進行明顯調整的情況下，快速自動地進行不同（tóng）種類光學表麵的檢測；後者要求盡可能地（dì）提高檢測精度（dù），用於（yú）檢測超高精度非球麵（麵形誤差為（wéi）納米 / 亞納米量（liàng）級，補償（cháng）器精（jīng）度、係統誤差的校正精度是關鍵）。
在光學元件（jiàn）在位測（cè）量方麵，雖然提出了加工 ‒ 測量一體化（huà）理念，成功用於光學元件的精密加工過程並取得了原創性成果，但在位（wèi）測量、加工 ‒ 測量（liàng）一體化受測量原理、集成機理、技術難度等（děng）方麵的製約，很難滿（mǎn）足多（duō）尺度、高精（jīng）度、高頻響、動態測量、多參量的測量需求。三維複雜結構（gòu）表麵具有廣泛應用，相應微表麵（miàn）形貌的測量不僅涉及粗糙度或瑕疵，而且與（yǔ）輪廓（kuò）、形狀（zhuàng）偏差、位置偏差密切相關。未來（lái），在位測量需兼具高速性、實時（shí）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（lǜ）數據處理，關（guān）鍵在於融合局部測量 / 全局測量不（bú）確定度評定、測量單元與運動單元、多源異構數據的測量分析（xī）理（lǐ）論與評定方法。
三（sān）、高端光學元件超精密加工技術與裝備發展趨（qū）勢
（一）精度與尺寸極端化
極大尺寸、極小尺寸、極高（gāo）精度的（de）光學元件，市場需求趨於迫切：① 大口徑非球麵（miàn）光（guāng）學元件廣泛應用於遙感衛星、空間望遠鏡、地基天（tiān）文望遠鏡等精密光學係統，其單體主鏡口徑為3~7 m；② 微結構光學功能元件在三維成像、光學聚焦（jiāo）、測量、冷卻、減阻、潤濕等方麵應用廣（guǎng）泛，相應結構尺寸可達微 / 納米級；③ 在麵形（xíng）精度、表麵完整性要求進一（yī）步提高後，超精密加（jiā）工過程中的材料去除量降低至（zhì）微米、納（nà）米，甚至原子（zǐ）量級。此外，原子及近原子尺度製造將能量直接作用於原子，通過構建原子尺度結構實現特定功能與性能，是新一代製造技術的趨勢之一，對革新高端光學器件製造具有積極意義。
在光學（xué）元件尺（chǐ）寸和精度極端（duān）化的背景（jǐng）下，需要優化已有研究規劃，適時布局以極端精度與尺度製造為代表的新一代製造技術（shù）。立足微觀力學、機械製造的學科背景，積極（jí）推動機械、物理、化學、材料等學科（kē）交叉，著力開展以下基礎研究：納米及近原子尺度超精密加工的材料去除與遷移（yí）機（jī）理、光（guāng）學材料多能場輔助的超精密加工（gōng）新原理與新方法、光（guāng）學材料超精密加工亞表麵損傷的產生機理與抑（yì）製方法、光學元（yuán）件近零損傷（shāng）表（biǎo）麵形成機理與工藝、複雜曲麵光學元件高效超精密加工工藝，為高端光學元件超精密加（jiā）工關鍵技術突破、先進加工工藝與裝備開發築牢基礎。
（二）形狀（zhuàng）與性能一體化
激（jī）光核聚變裝置、飛行器光學導（dǎo）引頭（tóu）等光學元件的服（fú）役性能，既取決於幾何精度，也受到（dào）表層（céng）材料物理、化學、機械性質變化的（de）顯（xiǎn）著影響（xiǎng）。例如，激光核（hé）聚變（biàn）裝置未能實現預期的“點（diǎn）火”目標，重要原因在於加（jiā）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（qí）抗強激光（guāng）損傷（shāng）特性，實際上成為製約激光核聚變（biàn）裝置能否（fǒu）成功研製的瓶頸。
以加工精度作為單一評價指標，已不再滿足高性能光（guāng）學元件的製造要求，需要綜合使用幾何精度、表麵完整性指標對加工質量進行全麵評價。超精密光學元件加工由以往的幾何形狀與尺寸精度要求，提升（shēng）為以性能要求為主、性能與幾何參數一體化的精（jīng）密加工要求，此即高性能製（zhì）造。需要（yào）建立麵向使役性能要求（qiú）的形狀 ‒ 性能一體化加工理論、方法以（yǐ）及（jí）工藝技術體係，為（wéi）解決高（gāo）性能光學元件的製造難題提供新方案。
（三）加工工（gōng）藝複合（hé）化
高端光學元件苛刻的（de）服役條件以及極（jí）高的性能要求，對革新光學製造技術提出迫切需求。高端光學元件表麵形狀複雜化、表麵結構多樣化和微細化，對加工效率、加工質量的要求更高，也提出了（le）綠色低碳的環境要求。當前主流的加工技術具有（yǒu）局限性，如加工效率（lǜ）偏低、加工精度低不足、表麵質量難保證、加工可達性差、環（huán）境汙染風險高等，高質、高效、綠色的先進超精（jīng）密加工技術成為研究趨（qū）勢。
采用多能場輔助或者兩種以上加工工藝複合方法，可取長補短並（bìng）發揮各自優勢，克服上述局限性。未來研究重點有：探索新型加工工具材料（liào），建立（lì）新型複合加工係（xì）統，深化複合加工機理研究，拓展複合加工技術應（yīng）用。複合加工技術朝著高（gāo）精度、微細化方向發展（zhǎn），成（chéng）為高端光學元件超精密加工的重要趨勢；針對性開展超精密複合加工理論與技術（shù）創新研究，切實提升光學製造技術水平與市場競爭（zhēng）力。
（四）加工與檢測一（yī）體化
超精密光（guāng）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段，針對製造中物理、化學過程的智能化調控更顯（xiǎn）重（chóng）要。製造裝備、工具、工藝、檢測設備等麵臨變革，如製造工具需在多傳感（gǎn）器參與的感知調控（kòng）下具備材料去除、添加或改性功能。在檢測方（fāng）麵，提高精（jīng）度是關鍵，在位、高效、穩定仍是主要目標，支持實現（xiàn）高質量綜合評價的多物理（lǐ）量檢測成為（wéi）新發展方向。
在超精（jīng）密加（jiā）工與檢（jiǎn）測一體化方麵，重點研究內容有：在線、在位測試與評定（dìng）新原理和方（fāng）法（fǎ），加（jiā）工裝備精度的在線檢測模型（xíng）和係統，超精密加工機床精度指（zhǐ）標的測試與評定係統，高精度自由曲麵及微細結構測量的（de）新原（yuán）理與新方法，新型模塊（kuài）化、可重組、多功能測試裝備技術，超精密測量誤差多源（yuán）分離新方法。超精密加工測量的發展趨（qū）勢表現為：高精度、大量程測量，形狀和位（wèi）置精度的同步測量，多物理（lǐ）量（liàng）檢（jiǎn）測表征，高性能檢測的計量。
（五（wǔ））裝備與工（gōng）藝智（zhì）能化
受高端光學係統的需（xū）求牽引，複雜麵形或難（nán）加（jiā）工（gōng）材料元件的加工效率（lǜ）和精度不斷突破，衍生（shēng）出的高端光學元件產品在通用領域得到更（gèng）多（duō）應用。在通用領域中的應用規模拓展後，高端光學元件的規模化、定製化製造需求凸顯，從而（ér）提出了製造設（shè）備的高效率、高（gāo）精度、智能化加工要（yào）求。在世界（jiè）工業新一輪技術浪潮驅動下，智能製造成為製造（zào）業（yè）的主（zhǔ）導趨勢；工業強國采取（qǔ）積極行動，促進製造業在智能製造、智慧化生產等方向的革新發展（zhǎn）。
目前，高端光學係統的光學元件（jiàn）較（jiào）多采用定製化的設計生產（chǎn）模（mó）式，根（gēn）據客戶特殊需要“量身定製”解決方案；生產製造企業需掌握設備生產工藝，將智能製造技術運用到細（xì）分市場產品，進而為各類產品創建自（zì）動化解決方案。著眼未來，智（zhì）能製造裝備企業應（yīng）圍繞市場需求，構建高度自動化的（de）生產過程，對各種（zhǒng）製造對象、各類製造環境具有良好（hǎo）的適應性。裝備與（yǔ）工藝智能化發展（zhǎn），將融合數字孿生、大數據、人工智能等信息技術，全麵提（tí）升並高效運（yùn）用控製、傳感、精密製造、識別等關鍵技術。
四、麵向2035年我（wǒ）國高端光學元件超精密加工（gōng）技術路線圖研究
研究和編製高端光（guāng）學元件超精密加工技術路線圖，可直接支撐我國在此技術方向的中長（zhǎng）期發展（zhǎn）規劃、技術攻關、理（lǐ）論探索。研究依（yī）托相（xiàng）關谘詢項目，集聚領域內院士、專家、學（xué）者的集體智慧，重點完成兩方麵工作：① 開展廣泛（fàn）的文（wén）獻調研，與航天、航空、船舶、兵器、光學應用、機床製（zhì）造等（děng）領域的企業和科（kē）研院所實地調研相結合，全麵把握我國高端光學元件超精密加工技術方向的發展態勢和需求情況；② 組（zǔ）織召開（kāi）了近20次研討會，麵向（xiàng）86位本領域專家開展問卷（juàn）調查，精（jīng）準研判高端光學元件超精密加工技術方向的發展趨勢，形（xíng）成我國技術發展布局建議（yì）。
以2035年為（wéi）目標節點形成的（de）高端光學元件超（chāo）精密加工技術及裝備發展路線圖（見圖1），包含7個方麵的內容：應用需求，發展目標，重（chóng）點產品（pǐn），數控係統、關鍵功能部件和刀（dāo）具，測量方法與裝備，光學元件製造共性關鍵技（jì）術，應用示範工程（chéng）。
高端光學元件（jiàn）超精密加工技術及裝備發展路線圖
（一）應用需求
1. 深入實施製（zhì）造強國戰略的需要
國家“十四五”規劃綱要提（tí）出，深入實施製造強國戰略（luè）。高端光學元（yuán）件作為（wéi）製造業的核心基礎零件（jiàn），其製造技術研究對加強（qiáng）產業基礎（chǔ）能力建設、推動製造業優化升級意義（yì）重大。X射線（xiàn）望遠（yuǎn）鏡、極（jí）紫外光刻機、激光核聚變裝置、自由電子激光裝置、同步輻射裝置等高端（duān）裝備列為科技前沿領域和重大基（jī）礎設施，關鍵光學元件的性能決定了這些高端裝備（bèi）的性能（néng），而當前的（de）製造水平不足以匹配光學元件的高性能製（zhì）造需求。
2. 產業（yè）發展需求
消費電子、半導體製造、智能工（gōng）業機床、紅外熱成像儀、車載鏡頭等產品，大量應用光學元件和組件。2021年，我國光學鏡片、鏡（jìng）頭、模組等元器件的市場規模為1568億元；技術更新速（sù）度快，相應市場規模將進一步擴大。國（guó）內從事高端（duān）光學元件精密製造的企業，數量較（jiào）少且產品（pǐn）集聚在中低端，在高分辨率定焦、大倍率變焦、超高清、光學防抖、安防（fáng）監控一體機鏡（jìng）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（shī）。開展（zhǎn）高端光學元（yuán）件高性能超精密製造基礎（chǔ）理論與關鍵技術研究，突破國內市場格局並高質量“走出去”，是國內企業和科研機構的發展亟（jí）需。
3. 國防裝備發（fā）展需求（qiú）
對地觀（guān）測衛星、精確製導飛行器（qì）、高能激光器等裝備是國防裝備信息化和現代化的重要支（zhī）撐，大口徑空間反射鏡、飛行器整流罩、折衍混合光（guāng）學（xué）元件、高能激光（guāng）組件等高端（duān）光（guāng）學元（yuán）件是先進裝備的關鍵零（líng）件。這（zhè）些關（guān）鍵零件的製造水（shuǐ）平決定了（le）國防裝備（bèi）的設計性能與服役規模。然而，國產高端光學元件（jiàn）的超精密加工技術水平依然無法全麵滿足先進裝備發展（zhǎn）需求，有關技術封鎖（suǒ）和設備（bèi）禁（jìn）運也客觀存在，自主攻關高端光學（xué）元件超精密加工裝備及其關鍵（jiàn）技術極為迫切。
（二）發展目標
1. 突破超精密（mì）加工的共性關鍵技（jì）術
圍繞高端光學元件的超精密製造需求，重（chóng）點（diǎn）突破全頻譜納米 / 亞納米級精度創（chuàng）成、近無缺陷高表麵完整性加工、超精密機床正（zhèng）向設計與數據資源建構、超精密智能機床（chuáng）製造等共性關鍵技術，支持光學製（zhì）造技術應用從高精度提升至高性能。
2. 研發和應（yīng）用（yòng）關（guān）鍵超精密（mì）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（pǐn）化、屬（shǔ）於國外禁運的重大裝備，如（rú）4 m及以上口（kǒu）徑光學元件毛坯製造基礎裝備、輕量化及超精密磨削裝備、亞納米級（jí）加工裝備、超大口徑光學元件（jiàn）超精密測量儀（yí）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及以上口徑光學元件毛坯製造基礎裝備、輕量化及超精密磨削裝備（bèi）、原（yuán）子級（jí）加工裝備、超大口徑光學元件超精密測量儀器、超（chāo）大尺寸光學元件修複裝備、航天器機載光學元件製造及修複裝備。
3. 形（xíng）成超精密製造領軍（jun1）企業
優（yōu）化以國家重點實驗室、國家工程研究（jiū）中（zhōng）心、省部級重點實（shí）驗室為核心的光學元件超（chāo）精密製造科研體係，引導“產學研”融合發（fā）展，推動創新資源整合升級。鼓勵重點方向基礎良好的企業發展成為專精特新“小（xiǎo）巨（jù）人”企業（yè），建（jiàn）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（tào）供給水平。發展光（guāng）學元件超精密製造專業（yè）技術服務企業（yè），支持形成良好（hǎo）的製造業生態。
4. 提升（shēng）機床（chuáng）和（hé）單元部件的自主化率及（jí）市場占有率
打破我國光學元件加工機床行業“低端混戰（zhàn）、中端爭奪、高端失守、大而不強”的競爭格局。在國產光學元件超精密製造裝備、高檔數控係統、超精密關鍵功能部件方麵，國內市場占有率近期目標均為（wéi）70%，2035年提升至80%。
（三） 重點（diǎn）產品
1. 超精密車削裝備
到2025年（nián），麵形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表（biǎo）麵（miàn）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（wù）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，表麵粗糙度Ra≤10 nm。到2030年，麵形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗糙度（dù）Ra≤8 nm。到2035年，麵形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表（biǎo）麵粗糙度Ra≤5 nm。
3. 超精密磨削裝備
到2025年，加工口徑（jìng）≥4 m，麵形誤差PV≤10 μm/m，亞表麵（miàn）損（sǔn）傷≤35 μm。到2030年，加（jiā）工口徑≥5 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞表麵損傷≤25 μm。到2035年，加工口徑≥7 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞表麵損傷（shāng）≤15 μm。
4. 超精密拋光裝備
到2025年，加工（gōng）口徑≥4 m，麵（miàn）形誤差RMS≤12 nm。到2030年，加工口徑≥5 m，麵形誤差RMS≤8 nm。到2035年，加工口徑（jìng）≥7 m，麵形誤差RMS≤5 nm。
（四）數控係統、關鍵功（gōng）能部件和刀具
1. 數控係統
建立開放式、網（wǎng）絡化的（de）雲架構數控係（xì）統，基於（yú）雲平台的智能數控係統。雲上控製編程處理（lǐ）靈活，開放性良好，支持手機、筆記本電腦、工業計算機、虛擬現實等多種人機交互前（qián）端。突破多軸、多通（tōng）道（dào）、納米插補數控加工技（jì）術，實現自適應加工、刀具壽命管理、在位測量、虛擬現實（shí）仿真（zhēn）、自監控、維護、優化（huà）、重（chóng）組等功能。
2. 關鍵功能部（bù）件
到2025年，突破超精密動靜壓軸承製造與（yǔ）檢測、超精密反饋元件與運動控製等（děng）技術，具備高（gāo）精度、高剛度、運動平穩的功能部件製造能（néng）力。到2030年，突破多物理量可（kě）調運動（dòng）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（pò）關鍵功能部件多（duō）物（wù）理量狀態感知、多物理（lǐ）量調控、精度 / 剛度補償等技術，具備智能化功能部件製造能力。
3. 刀具
在金剛（gāng）石砂輪方麵（miàn），近期具（jù）備批量（liàng）生產和應用細粒（lì）度、高性能金剛石 / CBN砂輪的能力，進一步發展超細粒度、高性能金剛石 / CBN砂（shā）輪。在金（jīn）剛石車（chē） / 銑刀具方麵，著重發展複合納米結構化刀具，解決加工表麵中高頻誤差大、加工效率和精度難以兼顧的難題。在拋光工具方麵，近期發展（zhǎn）多種可控（kòng）柔體亞（yà）納米（mǐ）拋光工具，進一步發展刀具（jù）工作狀（zhuàng）態智能化監測、刀具數字（zì）化設計（jì）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（kuài）速在機誤差測量儀器和標準方麵，開發新一代測量儀器、方案（àn）和標準（zhǔn），破解激光幹涉儀、電（diàn）容傳感器價格昂貴，操作複（fù）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（hé）誤差；優化機床（chuáng）幾何誤差在機測量的（de）快速解算方（fāng）法，實現誤（wù）差的實時補償。在機床誤（wù）差的自適應 / 智能檢測與（yǔ）評價方（fāng）麵，探（tàn）究技（jì）術機理，揭示超（chāo）精密機床（chuáng）的幾何誤差與加工表麵質量之間的關（guān）係及響應機製。
2. 光學元件在位測量
在光學元件（jiàn）的低應力、高（gāo）效率、接觸式測量技術方麵，降低接觸應力（lì）對光學元件的（de）破壞作用，削弱針尖磨損（sǔn）導致的測量精（jīng）度退化效應，提升接（jiē）觸式在位測量的效率。在複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（chuáng）溫變（biàn）、振動、汙染條件下複雜光學元件幾何精（jīng）度的超精密檢測難題。在光學元件的多（duō）模態跨尺度形性測量技術方（fāng）麵，實現麵形精度、微觀形貌、表麵缺陷、亞表麵損傷、殘餘應力（lì）等多模態、跨尺度表麵特性與（yǔ）使役性能的快速表征。
3. 光學元件離線測量
在複雜光學元件亞納米幾何精度測（cè）量技（jì）術方麵，突破高陡度非球麵、自由曲麵的（de）全頻譜亞（yà）納米精度檢測難題。在光學元（yuán）件表麵完整性的多參數、多傳感器協同表征技術方麵，實現光學元件多參（cān）數表麵完整性的實時定量準確（què）評價，提升加工缺陷的（de）修複精度。在光學元件時 ‒ 空域形性參數的跨尺（chǐ）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（néng）力。
（六）光學元件製造共性關（guān）鍵技術
1. 全頻譜納米 / 亞（yà）納米級（jí）精度創成
複雜光學元件的全頻譜納（nà）米 / 亞納米（mǐ）級精度創（chuàng）成決定了光刻（kè）物鏡、空間（jiān）光學、強光光學（xué）等方（fāng）麵的應用水平，研（yán）究難度（dù）表現在：納米精度（dù）要求（qiú）穩定實現亞納米量級的材料去除；複雜形狀引起材（cái）料去除率變化，需要進行有效補償；全頻段誤差、加工缺陷等影響光學性能，要求實現一致收斂和（hé）去除。現有光學加（jiā）工（gōng）方法較多基（jī）於經（jīng）驗，具有不確定性，難以克服現代光學零件加工的性能（néng）瓶頸，需要突破（pò）異質 / 各向異性材料（liào）納米量級可控去除、複（fù）雜曲麵可控補償修形、弱剛度光學元（yuán）件確定性去除、微弧度（dù）級斜率誤差抑（yì）製、光學製造裝備運動軸性能設計、複雜曲麵全頻段超精（jīng）密檢測等關鍵技術。
2. 近無（wú）缺陷高表麵（miàn）完（wán）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（yà）表麵損（sǔn）傷加工；原子級多物（wù）理場（chǎng）納米加（jiā）工機理研究匱乏，加工表（biǎo）麵容易出現（xiàn）脆（cuì）性裂紋、加工缺陷、表層（céng）物理（lǐ）和化學特性變化。研究多能場複合加（jiā）工中表麵完整性的動態演化過程及其影響因素，辨明實現近無缺陷高表麵完整性加工的條件，需要突破麵向光學元件使役性能的表麵完整性設計、光學元件控域控量控性、表麵加工缺陷確（què）定性原位修複、跨尺度表麵缺陷無損精確表征、多參數表麵完整（zhěng）性多物理場表征等關鍵技術。
3. 超（chāo）精密數控機床正向設計與數據資源（yuán）建構
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段性差距，缺乏麵向（xiàng）機床使役性能的正逆向設計方法是導致上述差距的重要原（yuán）因。超精密機床的正向設計，取決於設計資源數據庫，機床的（de）精度及剛度與機床結構、零部件精度、控製參數之間的關係（xì）模型；需要突破數控機床的功能設計、構型設計（jì），精度設計、靜 / 動剛度設計、熱（rè）平衡設計，包括動力學優化、輕量化設計在內的多（duō）學科優化設計等關鍵技術；構建開放的工藝軟件與數（shù）據庫，集成完備的設計規（guī）範與標（biāo）準、知識庫、案例庫。
4. 超精密智能機床製造
超精密機床製造技術薄弱，是國產（chǎn）光學加工裝備性能（néng）落後（hòu）於進口產（chǎn）品的關鍵因素（sù）之一（yī）。提高超精密機床製造水平，需兼（jiān）顧關鍵零（líng）部件製造與整機裝配、智能機床係統與技術的發展：對於前者（zhě），需要突破基礎結構件低應力製造、高分辨率納（nà）米 / 亞納米運（yùn）動伺（sì）服進給係統製造、工件台納米定位與運動協（xié）同控製、超精密空氣（qì）主軸與全約束閉合（hé）式油靜壓導軌製造、自動調平間斷式空氣隔振係統製造、超精密切削與高效（xiào）低損傷（shāng）磨拋工具製造等方麵的關（guān）鍵技術；對於後（hòu）者，需要突破（pò）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）軸加工誤差（chà）智能（néng）調諧（xié）、智能實時防（fáng）碰撞係統、加工（gōng）過程切削負載（zǎi）自適應智能控製、機床運行狀態智能診斷與預警等關鍵技術。
（七）應用（yòng）示範（fàn）工程
1. 大口徑輕量化空間光學元件製造
高分辨率對地觀測（cè）係統、X射線望遠鏡等（děng）空（kōng）間裝備，以大口徑光學元件為核心功能支撐（chēng）。大口徑光學元件材料硬脆、麵形複雜、極端輕量化，需要實現全頻譜納米級加工（gōng）精度，而國（guó）產製造裝備在口徑、精度、效率（lǜ）方麵均不能（néng）滿足要求。建（jiàn）議實施大口徑輕量化空間光學元（yuán）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（mì）高效率磨削、拋光、修形、檢測（cè）技術（shù）與國產化裝備。
2. 探測（cè）製導光學元件高性能超精密製（zhì）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、氣動熱（rè）、高光譜、高過載等使役環境挑戰；通（tōng）過加工精度、材料特性（xìng）、結構設計方麵的（de）耦合調控，才能獲（huò）得預期的探測製導性能。建議實施麵向使役性能的光學元（yuán）件設計 ‒ 加工 ‒ 測量（liàng）一體化製造應用示範工程，揭示極端服役環境下加（jiā）工精度對服役性能的影響機製，形成（chéng）探測製導光學元件（jiàn）的高性能超（chāo）精密製造（zào）技術與國產化加工裝備。
3. 強光光學元件抗（kàng）輻照損傷製造
激光點火裝（zhuāng）置、高能激光器的強光光學元件服役於強激光環境，因加工缺陷誘導的輻照（zhào）損傷成為（wéi）製約相應裝備性能提升的瓶頸。建議實施強（qiáng）光光學元件抗輻照損（sǔn）傷製造（zào）應用示範工程，揭示微納米加工缺（quē）陷對抗輻照損傷性能（néng）的影響及抑製機（jī）理，形成近無缺陷強光元件的高性能（néng）製造技術和國產化磨（mó）削、拋光、缺陷抑製裝（zhuāng）備。
4. 極紫外光刻機（jī）物鏡超精密製造
光刻物鏡的製造水平決定著光刻（kè）機的製程精度，我國在此方向的技術基礎薄弱，尚（shàng）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（zǐ）外光刻機物鏡超（chāo）精密製造應用（yòng）示範工程，闡明原（yuán）子 / 近原子尺度加工機理，形成全頻譜亞納米精度光（guāng）刻（kè）物鏡加工技術與國產化（huà）拋光（guāng）、修形、檢（jiǎn）測裝備。
五、我國高端光學元件超精密加工技術與裝備發展建議
（一）優化創新體係設置，組織優（yōu）勢資源成立技術聯盟
建議設立國家超精密加工技術協同創（chuàng）新中心、光（guāng）學（xué）元件（jiàn）超精密（mì）製造（zào）技術創新聯盟。采取（qǔ）“政產學研用”協（xié）同創新模式，積極發揮政府引導作用，形（xíng）成（chéng）市場主導的發展（zhǎn）模式。強化（huà）用戶工藝主導的主（zhǔ）機研發理念，突出用戶（hù）工藝應用驗證，提升超精（jīng）密加工機床的工藝適應性。組織企業需求（qiú）對接、重大項目論證、關鍵技術研討，著力解決（jué）機床正向（xiàng）設計與資源構建（jiàn）、超精密機床製造、可（kě）靠性（xìng）與精度保持性、納米 / 亞（yà）納米精度創成、近無缺陷加工等關鍵技術和瓶頸環節。
（二（èr））加大資源保障力度（dù），布局基礎研究和（hé）技術攻關計劃
在國家各類科技計劃中，有層次、有重點地（dì）支持光學元件超精（jīng）密（mì）加工技（jì）術（shù）發展。建議（yì）設（shè）立“關鍵光（guāng）學元件高性（xìng）能製造基礎”國家（jiā）自然科學基金重大項（xiàng）目、“光學製造基礎”國（guó）家自然科學基金重大研（yán）究計劃，支持（chí）突破光學元件高性能製造的基礎理論與（yǔ）關鍵技術。建議接續實（shí）施“高檔數控（kòng）機床與基礎製造裝備”國家科技重大專項，增設“光學（xué）元（yuán）件高性能超精密製造技術與裝備”專（zhuān）題，為超精密數控機床發展提供關鍵支持。建議“高性能製造技（jì）術與重大裝備”國家重點研發計劃項目（mù）加大對光學（xué）元件超精密製（zhì）造（zào）技術與（yǔ）裝備的支持（chí）力度，推動光學製造共性關（guān）鍵技術研發與應用示範。
（三）加強人才培育，構建（jiàn）梯隊並擴大隊伍規模
機床領域相對（duì）“冷門”，在（zài）高校中的學科地位被弱化（huà），高端人才流失現象嚴重，人才梯隊建設較為滯後。構（gòu）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（jiào）優勢的科研院所，在培養（yǎng）、引進、用好（hǎo）領軍人才、創新團隊（duì）方麵積極作為。建立高端人才引進通道，完善配套政策，運用技術入股、股權激勵、成果轉（zhuǎn）化收益分（fèn）配等機製。培育麵（miàn）向工業創新需求的工程技術人才、基礎紮實的應用型（xíng）研發人才，合理擴大隊伍規（guī）模（mó）。可在各類科（kē）技計劃中（zhōng）增設定向項目，給與專（zhuān）業（yè）團（tuán）隊連續支持，保持研究隊伍穩定。
（四）築牢（láo）產業發展（zhǎn）基礎，培育龍頭企業（yè）、專精特新（xīn）“小巨人”企業
建議發布政策並配套保（bǎo）障資源，支持國產（chǎn）超精（jīng）密機床、高檔（dàng）數控係統、高性能關（guān）鍵功能部件、高性能刀具的產品研發（fā）與示範（fàn）應用，兼顧市場競爭力提（tí）升和自主可控能力增強。培（péi）育光學製造技術與裝備方麵的龍頭企業，鼓勵關聯企業發展成為專（zhuān）精特（tè）新“小巨人”企業，在財稅、投融資、技術研發、產品進 / 出口、知識產權、國（guó）際合作（zuò）等方麵給與重點支（zhī）持。
