蔣莊德院士：高端光學（xué）元件超精密加工技術與（yǔ）裝備發展研究
來源：《中國工程（chéng）科學》2023年第1期
作者：蔣莊德，李常勝，孫林，段端誌，康（kāng）城（chéng），陳杉杉，林（lín）啟敬，楊樹明
編者按
高端光學（xué）元件是決定高端（duān）裝備（bèi）性能（néng）水平的核心零件，研究高端光學元（yuán）件超精密加工技術與裝備發展，對於實施製造強國（guó）戰略、滿足高端裝備產業需求具有積極意義。我國高端光學元件超精密製（zhì）造技術及裝備，相比國（guó）際前沿存在階段性差距，成為製約高（gāo）端（duān）裝備製造業發（fā）展的重大短板。
中國工程院蔣莊德（dé）院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2023年第1期發表《高端光學元件超（chāo）精密加工技術與裝備（bèi）發展研究》一文。文章剖析了光學（xué）元件超精密加工（gōng）方法與（yǔ）裝備、高性能基礎部件、超精密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（yǔ）性能一體化、加工工藝複合化、加工與檢測一體化、裝備（bèi）與（yǔ）工（gōng）藝智能化等發展趨勢。通過廣泛的行（háng）業調研和研（yán）討，從需求、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（le）麵向2035年我國高端光學元（yuán）件超精（jīng）密製造技術路線圖。針對性提出了優化創新體（tǐ）係設置、組織優勢資（zī）源（yuán）成立技（jì）術聯盟，加大資源保障力度、布局基礎研究和技術攻關計劃，加強人（rén）才培育、構建梯隊並擴（kuò）大隊伍（wǔ）規模，築牢產業發展基礎、培育（yù）龍頭企業和專精特新“小（xiǎo）巨（jù）人”企業等發展建議，以期促進高端光學元件加工產業（yè）提升與高質量發展。
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一、前言
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高端光學元件是決（jué）定航空航天、國防軍工、先進民用等領域高端裝備性能的關鍵零件，典（diǎn）型應用對象有：高（gāo）分辨率對地觀測係統、大型天文望遠鏡、X射線望遠鏡、激光核聚變裝（zhuāng）置、同步輻射裝置等大科學裝置，紫外 / 極（jí）紫外光刻機（jī）、精密慣性器件、飛行器光學導引頭、消費（fèi）電子（zǐ）產品、醫療器械等設備。重大裝備（bèi）服役能力不斷提高，對高端光學元件性能提出了更高要求；僅以幾何（hé）尺寸公差為關注點的傳統設計製造理念難以適應（yīng）高性能光學元件的製造需（xū）求，光學元件的超精密製造麵（miàn）臨技術挑戰（zhàn）。
以慣（guàn）性約束激光核聚（jù）變為例，為了實現核聚變“點火”所需的（de）極端苛刻條件，美（měi）國國家點（diǎn）火裝置大規模采用了以熔石英、磷酸二氫鉀晶體材料為（wéi）基礎的大（dà）口徑平麵、非球麵、離軸非球麵等光學元件（jiàn）。我國在（zài）“神光（guāng）”係列裝置上開展了類似（sì）研究。目前世界上均未實現核聚變“點火”目標，分析表明，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聚變驅動器 ‒ 巨型激光裝置能否成功研製（zhì）的瓶（píng）頸問題。探（tàn）究強激（jī）光紫外短波長光學元件超精密製造過程中表麵形（xíng）貌及缺陷的形成、影響機製、抑製方法，可極大節約激光（guāng）核聚變裝置的（de）運行維護成本（běn）、加速新一代激光核聚變點火裝置的研（yán）製進程（chéng）。
空間X射線探測是脈衝星全自主計時導航、X射（shè）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測的關鍵技術。空間X射線反射（shè）鏡由（yóu）多層輕質薄壁複（fù）雜曲麵鏡片（piàn）經同（tóng）軸共焦精密裝配而（ér）成，要（yào）求加工至亞納米表麵粗糙度、微弧（hú）度級斜率偏差、極少（shǎo）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技術，我國在反射鏡層數、分辨（biàn）率方麵差距明（míng）顯，研製高靈敏度空間X射線探測係統亟需（xū）解決相關難題。突破多層嵌套式X射線空間反射（shè）鏡製造新工藝的基礎理論與工藝方法，對推動新一代航天器深空（kōng）全自主導航與通信、深空探測、空間科學（xué）領域發展具有重要的科學意義和工（gōng）程價值（zhí）。
在半導體芯片製造領域，極紫外光刻技術是國際半導體行業延續（xù）摩爾定律、確保光刻分辨率進入7 nm/5 nm節（jiē）點的核心關鍵所在。極紫外光刻物鏡需要適應以全頻段、亞納米精度製造（zào）為代表的一係列苛刻要求，才能保證光刻性能：采用光學自由曲（qǔ）麵（miàn）設計，減（jiǎn）小光學係統（tǒng）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（jīng）玻璃來保證工作穩定性，而這種異質材料的高（gāo）性能超精密（mì）製造具有挑戰性。目前，隻有（yǒu）德國蔡司集團能夠生產麵向大規（guī）模製造的極紫外光刻物鏡；我國重點研（yán）究的深紫外光刻物鏡製造（zào）技術，與（yǔ）國際先進水（shuǐ）平相比差距明顯，是製約極大規模集成電路製造技術發展的“卡脖子”環節。
我國高端光學元件超精密製造技（jì）術及裝備，相比國際前沿存在階段性差距，成為製（zhì）約高端裝備（bèi）製造業發展（zhǎn）的重大短板。在高新技術領域國際競（jìng）爭趨於激烈、一些國家試圖對我國進行科技封鎖（suǒ）的背景下，“自主可控”解決光學製造這一（yī）“卡脖子（zǐ）”難題顯得尤為迫切。發展國（guó）產高端（duān）光學元件超精密加（jiā）工技術，是實現諸多大科學裝置、高端裝備應用突破的（de）必由之路。
中國工程院谘詢項目“高端光學（xué）係統（tǒng）的精（jīng）密超精密加工技術及裝（zhuāng）備的發展戰略（luè）研究”，廣泛開展了文獻調研、現場考察、會議研討、問卷調查，旨在推動新形勢下高端光學元件超精密加工技術與裝備的高質量發（fā）展。文章作為相關谘詢項目（mù）研究成果的學術性展示，梳理光學元件超精密加工方法與裝備、高性能基礎部件、超（chāo）精密光（guāng）學加工（gōng）相關測量方法與裝備的發展現狀，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（shì），形成麵（miàn）向2035年高端光學元件超精密製造技術（shù）路線（xiàn）圖，以期為我國超精密加工技術（shù）領域基礎研究、技（jì）術攻關、裝（zhuāng）備應（yīng）用等研究提供基礎性參考。
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二、國內外高端光學元件超（chāo）精密加工技術與裝（zhuāng）備發展現狀
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高端光學元件製造的載體（tǐ）是精密 / 超精密（mì）光學加工機床。在以“高檔數控機床與基礎製造裝備”國家科技（jì）重大專項（簡稱04專項）為代表（biǎo）的國家科技計劃支持下，我國初步形成了超精密加工機床自主研發能力，產品品種（zhǒng）基本滿足重點領域需求，數控係統（tǒng）與關鍵功能（néng）部件的研發及配（pèi）套能力基本形（xíng）成。以04專項實施完畢後的狀態來判斷，我國機床（chuáng）行業與國際先進水平仍有15年左右的差距。
（一）超精密加工方法和裝備（bèi）
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（shì）；這些企業（yè）技術體係成熟且（qiě）注重（chóng）技術原始創新，占據了大部分市場份額。近年來，我國的科研機構和企業在國（guó）家重大需求的牽引下，積極開展光學元（yuán）件超精（jīng）密（mì）加工技術研究，但（dàn）與國外相比存在階段性差距。① 自主研製的超精密（mì）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（bǎn）直（zhí）線（xiàn）度與定（dìng）位精度、納米級運動控製與補償、加工精度（dù）與（yǔ）範圍等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（bú）足，基礎研究脫節，應用技術轉化率不高，原創技術稀缺，以跟（gēn）蹤研究（jiū）為（wéi）主流。② 在我國超精密加工機床市（shì）場上（shàng），國外公司占據主導（dǎo）地位，進口產品擁有多數份額；國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、產業化應用尚未展（zhǎn）開。③ 國（guó）內（nèi）相關研究隊伍規模（mó）較大，然而具有國際影響力、引領（lǐng）產業發展的標誌性人才稀缺，有（yǒu）關超精密機床製（zhì）造方麵的基礎研究力量（liàng）儲備薄弱。
（二）數（shù）控係統、關鍵功能部件和刀具
通過持續努（nǔ）力（lì），我國在超精密機床數控（kòng）係統、關鍵功能部件、刀（dāo）具等方麵基本具備了自主保障能力。國產（chǎn）高檔數控係統的功能基（jī）本接近（jìn）國外先（xiān）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過7萬套；高檔數（shù）控與伺服驅動係統仍依賴進口。國產功能部件（jiàn）平均無故障工作時（shí）間超過（guò）15 000 h，基本滿足數整機配套技術要（yào）求（qiú），但精密軸承、精密導軌、高精密光柵等基礎（chǔ）部件製造（zào）仍是薄弱環（huán）節。國產數控係統、伺（sì）服係統、精密光柵等核心部件未能形成（chéng）貫通配（pèi）套，應（yīng）用領域用戶的認可度不高。刀具品種（zhǒng）數量豐富（超過45 000種），行業用刀具國產化（huà）率提升至45%，但用於超精密加工的高性能刀具（jù），在（zài）加（jiā）工效率、使用壽命方麵落後於進口產品。
國產數控係統的市（shì）場格局（jú）具有低端快速膨脹、中端進展緩慢、高端依（yī）賴進口的特點。國產高端數控係統的功能、性（xìng）能、可靠性等存在（zài）明顯不足，導致高檔數控係統市場90%以上被進口產品占據。機床智能控製（zhì）係統是新一代機床的重要（yào）組成部分，人工智能、數字孿（luán）生、雲服務等技術是支（zhī）撐智能控製係（xì）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（chāo）精密機床的（de）集成要求：電主軸的電機內裝式結構、高轉速下的亞（yà） / 微米級高回轉精度尚未實（shí）現（xiàn），氣體軸承（chéng）剛度差、承載能（néng）力不足且難（nán）以保證高轉速下主軸（zhóu）的高回轉精度，液體靜壓軸（zhóu）承在油溫控製、油泵減（jiǎn）振、油（yóu）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25 nm，不能完全滿（mǎn）足（zú）超精密機床的研（yán）製要求。超精（jīng）密回轉工作台存在很多問題，如液體靜壓轉台的動態特性不（bú）穩定（dìng），轉台工作精度隨著溫度升高而降低。
國內導軌（guǐ）加工仍停留在1 m長度（dù）、1 μm直（zhí）線度的水平，相應的超高精（jīng）度導軌沒有擺脫進口依賴。氣浮導（dǎo）軌承載力低（dī）、穩定性差，精密滾動導軌副的抗振性欠佳、機械磨損大，液體靜壓導軌在溫升控製、流量控製等方麵存在短板（bǎn）。
國產光柵位移傳（chuán）感器占據世界市場的50%以上，但以中（zhōng） / 低檔產品為主；大行程、高精度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（zhǔ）研發與製造（zào）能力（lì）薄弱，應用於光刻機等高端製造裝備的二維光柵更是缺失。從位移傳感器產品的核（hé）心性能角度看，大行程（超過5 m）、高精度（dù）（優於±5 μm）封閉式光柵，圓光柵編碼器（精度優於±1″）等高端產品被國外企業壟（lǒng）斷。
國（guó）產超硬車銑刀具（jù）的精度和使用壽命等，與（yǔ）國外先進水平相比差距明顯（xiǎn）。金剛石砂輪結合劑的耐磨性較低，細粒（lì）度金剛石砂輪的磨削加工精度低、加工質量不穩定。拋光工具的平（píng）坦度較低，使用壽命較短，缺陷率（lǜ）較高。超高純膠體SiO2等高端原材料需要進（jìn）口（kǒu）。
（三）光學元件超（chāo）精密加工中的測量方法與裝備
在機床精度測量方麵，激光幹涉儀、電容傳感器在超精密機床的（de）幾何誤（wù）差測量中應用廣（guǎng）泛，但需（xū）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（yí）器、測量方案、測量標（biāo）準等亟需發展。通過試切法、誤（wù）差敏感性分（fèn）析來識別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點。辨（biàn）識超精（jīng）密機床的（de）幾何誤差與加（jiā）工表麵性能之間的關係及響應機（jī）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。
光學元件離線檢測設備主要依賴（lài）進口，如超（chāo）精密接觸式檢測設備方（fāng）麵的泰勒霍普森、蔡司、馬爾（ěr）等品牌，幹涉檢測設備方麵（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通用化、高（gāo）精（jīng）度（dù）兩類方（fāng）向：前者要求在不對（duì）係統（tǒng）進行明顯調整（zhěng）的情況下，快速自動地（dì）進行不同種類光學（xué）表麵的檢測；後者（zhě）要求盡可能（néng）地提高檢（jiǎn）測（cè）精度，用於檢測超高精度（dù）非球麵（麵形誤差為納米 / 亞納（nà）米（mǐ）量級，補償器精度、係統誤差的校正精度是（shì）關鍵（jiàn））。
在（zài）光學元件在位測量（liàng）方麵，雖然提出了加工 ‒ 測量一（yī）體化理念，成功用於（yú）光學元件的精密加工（gōng）過程並取得了（le）原創性成果，但在位測量、加工 ‒ 測量一體化受測量原理、集成機理（lǐ）、技術難度等方麵（miàn）的（de）製約，很難滿足多尺度、高精度、高頻響、動態測量（liàng）、多參量的測量需求。三維複雜結構表麵具（jù）有（yǒu）廣泛（fàn）應用，相應微表麵形貌的測量不僅涉及粗糙（cāo）度或（huò）瑕疵，而且與輪廓、形（xíng）狀偏差、位置偏（piān）差密切相關。未來，在位測量需兼具高速（sù）性、實時性（xìng）、高分辨率、大測量縱深（shēn）、寬測量範圍。實現在位測量高（gāo）精度信息獲取、高效率數據處理，關鍵在於融合（hé）局部測量 / 全局測量不確定度評定、測量單元與運動單元、多（duō）源異（yì）構數據的測量分析理（lǐ）論與（yǔ）評定方法。
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三、高端光學元件超精密加（jiā）工技術與裝備發展趨勢
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（一）精度與尺寸極（jí）端化
極大尺寸、極小尺寸、極高精度的光（guāng）學（xué）元件（jiàn），市場需求趨於迫切：① 大口徑非球麵光學元（yuán）件廣泛應用於遙感衛星、空間（jiān）望遠（yuǎn）鏡、地基天文望遠（yuǎn）鏡等精密光學係統（tǒng），其單體主鏡口（kǒu）徑為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（lěng）卻、減阻、潤濕等方麵應（yīng）用（yòng）廣泛，相應結構尺寸可（kě）達微 / 納米級（jí）；③ 在麵形精度、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（mǐ）、納米，甚至原（yuán）子量級（jí）。此外，原子及近原子尺度製造將能量直接作用於原子，通（tōng）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（gāo）端光學器件製造具有積極意義。
在（zài）光學元件尺寸（cùn）和精度極端化的背景下，需要優化已有研究規劃，適時布（bù）局以極端精度（dù）與尺度製造為代表的新一代製造（zào）技術。立足微（wēi）觀力學、機械製造的學科背景，積極推動機（jī）械、物理、化學、材料等學科（kē）交叉，著力開（kāi）展以下基礎研究：納（nà）米及近原子尺度超精密加工的材料（liào）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、光學材料超精密加工亞表麵損傷的產生機理與抑製方法、光學元件（jiàn）近零損傷表麵形成機理與工藝、複雜曲麵光學元件高效超精密加工工藝，為（wéi）高端光學元件超精密加工關鍵技術突（tū）破、先進加工工藝與裝備（bèi）開發築牢基礎。
（二）形狀與性能（néng）一（yī）體化
激光核聚變裝置、飛行器光學導引頭等光（guāng）學元件的服役性能，既（jì）取決於（yú）幾何精度，也受到表層（céng）材料（liào）物理、化學、機（jī）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（huǒ）”目標，重要原（yuán）因在於加工缺陷抑製水平不能滿足係（xì）統對輻照損傷的要求。紫外光學元件高（gāo）性能超精密製造及其抗強激光損傷特（tè）性，實際上成為製約激光核聚變裝置能否成功（gōng）研製的瓶頸。
以加工精度作為單一評價（jià）指（zhǐ）標，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（wán）整性指標對加工（gōng）質量進行全麵評價。超精（jīng）密光學元件加工由以往的幾何形狀與尺寸精度要求，提升為以性能要求為主、性能與幾何參數一體化的精密加工（gōng）要求，此即高性能製造。需要建立麵向使役性能要求的形狀 ‒ 性能一體化加（jiā）工理論、方法以及工藝技術（shù）體係，為解決高性能光學元件的製造難題提供（gòng）新方（fāng）案。
（三）加工工藝複合（hé）化
高端光學元（yuán）件苛刻的服役條（tiáo）件以及極高的性能要求（qiú），對革新光學製造技術提出迫切需求。高端光學（xué）元件表麵形狀複雜化、表麵結構（gòu）多樣化（huà）和微細化，對加工效率、加工質（zhì）量的要求更高，也提出了綠色低碳（tàn）的環境要求。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（zhì）、高效、綠色的先進超精密加工技術成為研（yán）究趨勢。
采用多能場（chǎng）輔助或者兩種以上加工工（gōng）藝複（fù）合（hé）方（fāng）法，可取長補短並發揮各自優勢，克服上述局限性。未來研究重點有：探（tàn）索新型加工工具材料，建立新型複合加工（gōng）係統，深化複合加工機理研（yán）究，拓展複合加工技（jì）術應用（yòng）。複合加工技術朝著高精度、微細化方向發展，成（chéng）為高端光學元件超精密加工的重要（yào）趨勢；針對性開展超（chāo）精密複合加工（gōng）理論與技術創新研究，切實提升光學製造技術水平與市場競爭力。
（四）加工與檢（jiǎn）測一體化
超精密光學製造（zào）突（tū）出表現在高精度、高性能、高效率的疊（dié）加，加工與檢測一體（tǐ）化是解決相應（yīng）難題的主要手段，針對製造中（zhōng）物理、化學過程（chéng）的智能化調控更顯（xiǎn）重要。製造裝備、工具（jù）、工藝、檢測設備（bèi）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（cái）料去除（chú）、添加或（huò）改性功能（néng）。在檢測方麵，提高精度是關鍵，在位、高效、穩定仍是（shì）主要（yào）目標，支（zhī）持實現高質量綜合評價的多物理（lǐ）量檢（jiǎn）測成為（wéi）新發展方向。
在超精密加工與檢測一體化方麵，重（chóng）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（bèi）精（jīng）度的在（zài）線檢測模（mó）型和係統，超精密加工機床精度指標（biāo）的測試與評定係統，高精度自由（yóu）曲麵及（jí）微細結構測量的新（xīn）原理與新方法，新（xīn）型模塊化、可重組、多功能測試裝備技術，超精密測（cè）量誤差多源分離新方法。超精密加工測（cè）量的發展趨勢表現為：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（cè）表征，高性能檢測的（de）計量。
（五）裝備與工藝智能化
受高端光學係統的需求牽引，複雜麵形或難加工材料元件的加工效率和（hé）精度不（bú）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，高端光學元（yuán）件的規（guī）模化、定（dìng）製化製造需（xū）求凸顯，從而提出（chū）了製造設備的高（gāo）效率（lǜ）、高精度、智能化加工要求。在（zài）世界工業新一輪技（jì）術浪潮驅動下，智能製造成為（wéi）製造（zào）業的主導趨勢；工業（yè）強（qiáng）國采取積極行動，促進製造業在智能（néng）製造、智（zhì）慧化生產等方向的（de）革新發展。
目前，高端光學係統的光學元件較多采用定製化的（de）設計生產模式，根據客戶特（tè）殊需要“量身（shēn）定製”解決方案；生產製造企業（yè）需掌（zhǎng）握（wò）設備生（shēng）產工藝（yì），將智能製造技術運用到（dào）細分市場產品，進而為各類產品創建自動化解決方案。著眼未來（lái），智能製造裝備企業應圍繞市場需求，構建高度自動化（huà）的生產過（guò）程，對各種（zhǒng）製造對象、各類製造環境（jìng）具有良好的適（shì）應性。裝備與工藝（yì）智能化發展，將融合數字孿生、大數據、人工智能等信息（xī）技術，全麵提升（shēng）並高效運用控製、傳感（gǎn）、精密製造、識別等關鍵技術。
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四、麵向2035年我國高端光學元件超精密加工技（jì）術路線（xiàn）圖（tú）研究
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研究和編製高端光學元件超精密加工技術（shù）路（lù）線圖，可直接支撐我國在此技術方向的中長期發展規劃、技術攻（gōng）關（guān）、理論（lùn）探（tàn）索。研究依托相關谘詢項（xiàng）目，集聚領域內院士、專家、學者的集體智慧，重點完成兩方麵（miàn）工作：① 開展（zhǎn）廣泛的文獻調研，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（diào）研相結（jié）合，全麵把握我（wǒ）國高端光學元件（jiàn）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位本（běn）領域專家開展問（wèn）卷調查，精（jīng）準研判高端（duān）光學元件超精密加工技術方向（xiàng）的發展趨勢，形成我國技術發展布局建議。
以2035年為目標節點形成的高端光學元件超精密加工（gōng）技術（shù）及裝備（bèi）發展路線圖（見（jiàn）圖1），包含7個方麵（miàn）的內容：應（yīng）用需求，發展目標，重點產品，數控係統、關鍵功能部（bù）件和刀具，測量方法與裝備，光學元件製（zhì）造共性關鍵技術，應用（yòng）示範工程。
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圖1 高端光學（xué）元件（jiàn）超精密加工技術及裝（zhuāng）備發（fā）展路線圖
（一）應用需求
1. 深入實施製造強國戰略的需要
國家“十四五”規劃綱要提出，深入實施製造強（qiáng）國戰略。高端光學（xué）元件作為製造（zào）業的核心基礎零件，其製造技術研（yán）究（jiū）對（duì）加強產業基（jī）礎能力建設、推動製造業優化升級意義重大。X射線望遠鏡、極紫外（wài）光刻機、激光核聚變裝置、自由電子激光裝（zhuāng）置、同（tóng）步輻射（shè）裝置等高端（duān）裝備列為科技前沿領（lǐng）域和重大基（jī）礎設施，關鍵（jiàn）光學元件的性（xìng）能決（jué）定了這些高端裝備的性能，而當前的製造水平不足以匹配光學元件（jiàn）的高性能（néng）製造（zào）需求。
2. 產業（yè）發展需（xū）求
消費電子、半導體製造、智能工業機床、紅外熱成像儀、車載鏡頭等產品，大量應用光學元件（jiàn）和（hé）組件。2021年，我國光學鏡片、鏡頭、模組等元器件的市場規模為1568億（yì）元；技術更（gèng）新速度快，相應市場規（guī）模（mó）將進一步擴大。國內從（cóng）事高端光（guāng）學元件精密製造的企業，數量較（jiào）少且產品集聚（jù）在中低端（duān），在高分辨率定焦、大（dà）倍（bèi）率（lǜ）變焦、超高清、光（guāng）學防抖、安防監控一體機鏡頭等中高端光學鏡頭製造方麵的核心（xīn）技術薄弱甚至部分缺失。開展高端光學（xué）元件高性能超精密製造基礎理論與關鍵技（jì）術研究，突（tū）破（pò）國內市場格（gé）局並高質量“走出去”，是國內企業和科研機（jī）構的發（fā）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（qì）、高能激光器等裝備是國防裝（zhuāng）備信息化（huà）和現代化（huà）的重要支撐，大口徑空間反射鏡、飛行器整流（liú）罩、折衍混合光學元件、高能激光組件（jiàn）等高端光學元件是先（xiān）進裝備的關鍵零件。這些關鍵零件的製（zhì）造水平決定了國（guó）防裝備的設計（jì）性能與服役規（guī）模（mó）。然而（ér），國產高端光學元件的超精（jīng）密加（jiā）工技術水平依（yī）然無法全麵滿足（zú）先進裝備發展需（xū）求，有關技（jì）術封鎖和設備禁運（yùn）也客觀存（cún）在，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（zhǎn）目標
1. 突破超精密加工的（de）共性關鍵（jiàn）技術
圍（wéi）繞高端光學元件（jiàn）的超精密（mì）製造需求，重（chóng）點突破全（quán）頻譜納米 / 亞納米級（jí）精度創成、近無缺陷高表麵完整性加工、超精密機床正向設計與（yǔ）數（shù）據資源建構、超精密智能（néng）機床製造等共性關鍵（jiàn）技術，支持光學（xué）製造技術應（yīng）用（yòng）從高精度提升至（zhì）高性能。
2. 研發和應用關鍵（jiàn）超精密加工裝備
在近（jìn）期，重點研（yán）發應用亟需但未能實現自主（zhǔ）供給商品化（huà）、屬於國（guó）外禁運（yùn）的重大（dà）裝備，如4 m及以上（shàng）口徑光學元件毛坯製（zhì）造基礎裝備、輕量化及（jí）超精密磨（mó）削裝備、亞納米級加工裝備、超大口徑光學元件超精密測量儀器。在此（cǐ）基礎上，進一（yī）步提升重大裝備（bèi）性能並擴充種（zhǒng）類，如7 m及以上（shàng）口徑光學元件毛坯製造基礎裝備、輕量（liàng）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（chāo）精密（mì）測量儀器、超（chāo）大尺寸光（guāng）學元件修複裝備、航天器機（jī）載光學元件製造及修複裝備。
3. 形成超精密製造領軍企（qǐ）業
優化以國家（jiā）重（chóng）點實驗室、國（guó）家工程研究中心、省部級重點實驗室為核心的光學元件超精密製造科研體（tǐ）係（xì），引導“產學研”融合發展（zhǎn），推動創新資源整合升級。鼓勵重點方向基礎（chǔ）良好的企業發展成為專精特新“小巨人（rén）”企業，建設示範性智能工廠，實現關鍵技術（shù）的裝備應用，提升產業鏈配套（tào）供給（gěi）水平。發展光學元件超精密製造（zào）專業技術服務企業，支持形（xíng）成（chéng）良好的製造業生態。
4. 提升機床和單元部件的自主化率及市場占有率（lǜ）
打破我國光學元件加工（gōng）機床行業“低端混戰、中（zhōng）端爭奪、高（gāo）端失守、大而不強”的競爭格局。在國產光學元（yuán）件超精（jīng）密製造裝備、高檔數控係統、超（chāo）精密關鍵功能部件方麵，國（guó）內市場占有率近期目標均為70%，2035年（nián）提升至80%。
（三） 重點（diǎn）產品
1. 超精密車削裝備
到2025年，麵（miàn）形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表（biǎo）麵粗糙度Ra≤3 nm。到2030年（nián），麵形誤（wù）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（miàn）粗糙度Ra≤1.5 nm。
2. 超精密銑削（xuē）裝備
到2025年，麵形誤差PV≤0.3 μm/75 mm，表（biǎo）麵粗糙度Ra≤10 nm。到2030年，麵（miàn）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（dù）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，亞表麵損傷≤35 μm。到2030年，加工口徑≥5 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞表（biǎo）麵損傷≤25 μm。到（dào）2035年（nián），加工口徑≥7 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞表（biǎo）麵損傷≤15 μm。
4. 超精密拋光裝備
到2025年，加工口徑≥4 m，麵形誤差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≥7 m，麵形誤差RMS≤5 nm。
（四）數控係統、關鍵功能部件和刀具
1. 數控係統
建立開放式、網絡（luò）化的雲架構數（shù）控（kòng）係（xì）統，基於雲平（píng）台的智能數控係統。雲上控製編程處理靈活，開放性良好，支持手機、筆記本電腦、工業計算機、虛擬現實（shí）等多種人（rén）機交互前端（duān）。突（tū）破（pò）多軸、多通道、納米插（chā）補數控加工技術，實現自適應加工、刀具壽命管理、在位測量、虛擬現實仿真、自監控、維護、優（yōu）化、重（chóng）組等功能。
2. 關鍵功能部件
到2025年，突破超（chāo）精密動靜壓軸承製造與檢測、超精密反饋元（yuán）件與運動控製等技術，具備高精度、高剛度、運動平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，具備高性能功能部（bù）件（jiàn）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（wù）理量調控、精度 / 剛度（dù）補償等技術，具備智能化功能部（bù）件製造能力。
3. 刀具
在金剛石砂輪方麵，近期具備批量生產和應用細粒度、高性能金（jīn）剛石 / CBN砂輪的能力，進一步發展超（chāo）細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪。在金剛石車 / 銑刀具方麵，著重發展複合納米結構化刀具，解決加工表（biǎo）麵中（zhōng）高頻誤差大、加工（gōng）效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（róu）體亞（yà）納米拋光工具，進一（yī）步發展刀具工作狀態智能化監測、刀具數字化設計製造一體（tǐ）化（huà）等（děng）技術。
（五）測量方法與裝備
1. 機床精度測量
在快速在機誤差測量儀器和標準方麵，開發新一代測量儀器、方案和標準（zhǔn），破解（jiě）激光幹涉儀、電容（róng）傳感器價（jià）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，開發誤差溯源分析算法，高效（xiào）識別幾何誤差；優化機床幾（jǐ）何（hé）誤差在機測量的快速解算方法，實現誤差的實時補償。在機（jī）床誤差的自（zì）適應 / 智能檢測與評（píng）價方麵，探究（jiū）技術機理，揭示超（chāo）精密機床的幾何誤差與加工表麵質量之（zhī）間的關係及響應機製。
2. 光學（xué）元件在位測量
在光學元件的低應力（lì）、高效率、接觸式測量技術方麵，降（jiàng）低（dī）接觸應力對光學元件的破壞（huài）作（zuò）用，削弱針尖磨損導致的測量精度退化效應，提升接觸（chù）式在（zài）位測量的效率。在複雜光學元件的非接觸式納米 / 亞（yà）納米（mǐ）精度測量技術（shù）方麵，突（tū）破機（jī）床溫變、振（zhèn）動、汙染條件下複雜光學元件幾何（hé）精度的超（chāo）精密檢（jiǎn）測難題。在光（guāng）學元件的多模態（tài）跨尺度形性測量技術（shù）方麵，實現麵形精度、微觀形貌、表麵缺陷、亞表麵損傷、殘（cán）餘應力等多（duō）模態、跨尺度表（biǎo）麵特性與（yǔ）使役性能的快（kuài）速表征（zhēng）。
3. 光學元件離線測量
在複雜光學元件亞納（nà）米幾何精度測量技術方麵，突破高陡度非（fēi）球麵、自由曲麵的全頻譜亞納米（mǐ）精度檢測難題。在光學元（yuán）件表麵完整性的多參（cān）數、多傳感器協同表征技（jì）術方麵，實現光學元件（jiàn）多參數表麵（miàn）完整（zhěng）性的實時定量準確評價，提升加工缺（quē）陷的修複（fù）精度。在光學元件時 ‒ 空域形性（xìng）參數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（néng）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 / 亞納米級精度創成
複雜光學元件的全頻譜（pǔ）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水平，研究難度（dù）表現在：納米精度要求穩定實現亞納米量（liàng）級的材料去除；複雜形狀引起材料去除率變化，需要進行有效補償；全頻段誤差、加工缺陷等影響光學性能，要求實（shí）現一致收斂和去除（chú）。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性能瓶頸，需要突破（pò）異質 / 各向異性材料納米量級可控去除、複雜曲麵（miàn）可控補償修形（xíng）、弱剛度光學元件確定性去除、微弧度級斜率誤差抑製、光學製造裝備運（yùn）動軸性能設計、複雜曲（qǔ）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
采用單一物理（lǐ）場的（de）加工（gōng）方（fāng）法，很難實現高精度的（de）近零（líng）亞表麵損傷加工；原子（zǐ）級多物理場（chǎng）納米加工（gōng）機理（lǐ）研究匱乏，加（jiā）工表麵容易出現脆性裂紋、加工（gōng）缺（quē）陷、表層物理和（hé）化（huà）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其影響因素，辨明實現近無缺陷（xiàn）高表（biǎo）麵完整（zhěng）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（zhěng）性設計、光學元（yuán）件控域控量控性、表麵加工缺陷確定性原位修複、跨尺（chǐ）度表麵缺陷無損精確表征、多參數表麵（miàn）完整（zhěng）性多物理場表征等關鍵技術。
3. 超精密數控（kòng）機床（chuáng）正向設計與數據（jù）資源建構
國產精密 / 超精密光學加工機床的精度、可靠性、穩定性（xìng），相比國際先進（jìn）水平存（cún）在（zài）階段性差距，缺乏麵向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因。超精密機床的正向設計（jì），取決於（yú）設計資源數（shù）據庫，機床的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（yào）突破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（xué）優化、輕量化（huà）設計在內的多學科優化設計等關鍵技術；構建開放的工藝（yì）軟（ruǎn）件與數據庫，集成完（wán）備的設計規範（fàn）與標準、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（shù）薄（báo）弱，是國產光學加工裝備性能落後（hòu）於進口產品的關（guān）鍵因素之一。提高超精密機（jī）床製造水（shuǐ）平（píng），需兼顧關鍵零部件製造與整機裝配、智能機（jī）床係統與技術的發展：對（duì）於前者，需要（yào）突破基（jī）礎結（jié）構件低應力製造、高分（fèn）辨率納米 / 亞納米（mǐ）運（yùn）動伺服進給係統製造、工件台納（nà）米定位與運（yùn）動協同控製（zhì）、超（chāo）精密空氣主軸（zhóu）與（yǔ）全約束閉合式油靜壓導軌製造、自動調平間斷式空（kōng）氣隔振係統製造、超精（jīng）密切（qiē）削與高效低損傷（shāng）磨拋工具製造等方麵的關鍵技術；對（duì）於後者，需要突破（pò）高穩定性智能伺服調整、熱變形（xíng）智（zhì）能控製、加工狀態實時智能導航、五軸加工（gōng）誤差智能調諧（xié）、智能實時防碰撞係統、加（jiā）工過程切削（xuē）負載自適應智能控製、機床運（yùn）行狀態（tài）智能診斷與預警等關鍵技術。
（七）應（yīng）用示範工程（chéng）
1. 大口徑輕量化空（kōng）間光學元（yuán）件（jiàn）製造
高分辨率對地觀測係統、X射線望遠鏡等空間（jiān）裝備，以大口徑光學元件為核心功能支撐。大（dà）口徑（jìng）光學元件材料硬（yìng）脆、麵形複雜（zá）、極端輕量化，需要實現全（quán）頻譜納米級加（jiā）工精度，而（ér）國產（chǎn）製造裝備在口徑、精度、效率方（fāng）麵均不（bú）能滿足要（yào）求。建議實（shí）施大口徑輕量化空間光（guāng）學（xué）元件製造應用示（shì）範工程，形成4 m口徑空間光學元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（cè）製（zhì）導光學元件（jiàn）高性能超精密製（zhì）造
精密複雜慣（guàn）性器件、高陡度（dù）保形（xíng）光學元件等，較多采（cǎi）用高硬脆（cuì）性材料，麵臨共形、氣動熱、高光譜、高過載等使役環境挑戰；通（tōng）過加工（gōng）精度、材料特性、結構設計方麵的耦合調控，才能獲得預期的探測製導（dǎo）性能。建議實施麵向使役性能的光學元件設計 ‒ 加工（gōng） ‒ 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（guāng）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（xué）元件抗輻照損傷製造（zào）
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（jiā）工缺陷誘導的輻照損傷成為（wéi）製約相（xiàng）應裝備性能（néng）提升的瓶頸。建議實施強光光學元件抗輻照損（sǔn）傷製造應用示範工程，揭示微納米加工缺陷（xiàn）對抗輻照損傷性能的影響及抑製（zhì）機理，形成近（jìn）無缺（quē）陷強光元件的高性能製造技術（shù）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（zào）
光刻物鏡的製造水平（píng）決定著光刻機的製程精度（dù），我（wǒ）國在（zài）此方向的技術基礎薄（báo）弱，尚無自主可控的產品可供應用，而進口渠道不（bú）可依賴。建議實施極紫外光刻機物鏡超精密製造（zào）應用示範工程，闡明原子 / 近原子尺度加工機理，形成全頻譜亞納米精度光刻物鏡加工技術（shù）與國產化拋光、修形、檢測裝備。
南京能看正能量的短视频app精密（mì）加工收集
五、我國高端光學元件超精密加工技術（shù）與裝備發展建議（yì）
南京（jīng）能看正能量的短视频app精密加工收（shōu）集
（一）優化創新體係設置，組織優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新中心、光（guāng）學元件超精（jīng）密製造技術（shù）創新聯盟。采取“政產學研用（yòng）”協同創新模式（shì），積極發揮政府引導（dǎo）作用，形（xíng）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，突出用（yòng）戶工藝應用驗（yàn）證，提升超精密加工機（jī）床的工藝適應性。組織企業需求對接、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（chāo）精密機床製造、可靠（kào）性與精度保持性、納米 / 亞納米精度創成、近無（wú）缺陷（xiàn）加工等關鍵技術（shù）和瓶頸環節。
（二）加大資源（yuán）保障（zhàng）力度，布局基礎研（yán）究和技術攻關計劃
在國家各類科技計劃中（zhōng），有層次、有（yǒu）重點地支持光學元（yuán）件（jiàn）超精密加工技術發展。建議設立（lì）“關鍵光學元件高性能製造基礎”國家自然科學（xué）基金重大項目、“光學製造基礎”國家自然科學基金重大研究計劃，支持突破光（guāng）學（xué）元（yuán）件高性能製造的基礎理（lǐ）論與關鍵技術。建議接續實施“高檔數控機床與基（jī）礎製造裝備”國家科技重大專項，增設“光學元件高性能超精密製造技術與裝備（bèi）”專題，為超精密數（shù）控機床發（fā）展提（tí）供關鍵支（zhī）持。建議“高性能製造技術（shù）與重（chóng）大裝備”國家重點研發計劃項目加大對光學元件超精密製造技術與裝備的支持力度，推動光學製造（zào）共性關鍵技術（shù）研發與應用示範。
（三）加強人才培育，構建梯隊並擴大隊伍規模
機床領域相對“冷門”，在高（gāo）校中（zhōng）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（yī）托創新（xīn）型領軍企業、具有比較優勢的科研院所（suǒ），在培養、引進（jìn）、用好領軍人才、創新團隊方麵積極作為。建立高端人才引進通道（dào），完善配套政策（cè），運用技術入股、股權（quán）激勵、成果轉化收益分配等（děng）機（jī）製。培育麵向工（gōng）業創新需求的工程技術（shù）人才、基礎紮實的（de）應用型研發人才，合理（lǐ）擴大隊伍規（guī）模。可在各類科技計劃中增設定（dìng）向項目，給與專業（yè）團隊連續支持，保持研究隊伍穩定。
（四）築牢產業發展（zhǎn）基礎，培育龍頭企業、專精（jīng）特（tè）新“小巨人”企業
建議發布政策並配套保障資源，支持國產（chǎn）超精密機床、高檔數控係統、高性能關鍵功能（néng）部件、高性能刀具的產品研發與示範應用，兼顧市（shì）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（zhuāng）備方麵的龍（lóng）頭企業，鼓勵（lì）關聯企業發展成為專精特新“小巨人”企業，在財稅、投融資、技術（shù）研發（fā）、產品進 / 出口、知識產（chǎn）權、國際合作（zuò）等方麵（miàn）給與重點支持。
