高端光（guāng）學元（yuán）件超精密加工技（jì）術（shù）與裝備發展研究丨中國工程科學
高端光學（xué）元件是決定高端裝備性能水平（píng）的核心零件，研究高端光學元件超精密加工技術與裝備發展（zhǎn），對於實施製造強國戰略、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（chāo）精密製造技術及裝備，相比國際（jì）前沿存在階（jiē）段性差距，成為製約高端裝備製造（zào）業（yè）發展的重大短板。
中國工程院蔣莊德院士研究團隊在中國（guó）工程院院刊《中（zhōng）國工程（chéng）科學（xué）》2023年第1期發表《高端光學元（yuán）件超精（jīng）密加（jiā）工（gōng）技（jì）術與裝備發（fā）展研究》一文。文章剖析了光學元件超精密加工方法與裝備、高性能基礎（chǔ）部件、超精（jīng）密光學（xué）加工中（zhōng）的測量方法（fǎ）與裝備等的發展情況，凝練了精度與尺寸極端化、形狀（zhuàng）與性能一體化、加工工藝複（fù）合化、加工與檢測一體化、裝備與工藝智能化等發展趨勢。通過廣泛的（de）行（háng）業調（diào）研和研討，從需求（qiú）、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（jiàn）超精密（mì）製造技（jì）術（shù）路線圖。針對性提出了優化創新體（tǐ）係（xì）設置、組織優勢資源成立技術聯盟，加大資（zī）源保障力度、布局（jú）基礎研究和技術攻關計劃，加強人才培育、構建梯（tī）隊並擴大隊伍規模，築牢產業發（fā）展基礎、培育龍頭企業（yè）和專精特新“小巨人”企業等（děng）發（fā）展（zhǎn）建議，以期促進高端光學元件加工產業提升與高（gāo）質量發展。
高端光（guāng）學元（yuán）件是決定航空航天、國防軍工、先進民用等領域高端（duān）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、大型天文望（wàng）遠鏡、X射線望遠鏡、激光核聚變裝置、同步輻射裝置等大科學裝置，紫外（wài） / 極紫外光刻機、精密慣性器件、飛行器光（guāng）學導引頭、消費電子產品、醫療器（qì）械等設備。重大裝備服役能力不斷提高，對高端光學元件性能提出了更高要求；僅以（yǐ）幾何尺寸公差為關注點的傳統設計製（zhì）造理念難（nán）以適應高性（xìng）能光學元件的（de）製造需求，光（guāng）學元件的超精密製造麵（miàn）臨技（jì）術挑戰。
以慣（guàn）性約束激光核聚（jù）變為例（lì），為了實現核聚變“點火”所需的極端（duān）苛刻條件（jiàn），美國國家點火裝（zhuāng）置大（dà）規模采用了以（yǐ）熔石英、磷（lín）酸二氫鉀晶體材料為（wéi）基礎的大口徑平麵、非球麵、離軸非球麵等光（guāng）學元件。我國在“神光”係列裝置（zhì）上開展了類似研究。目前世界上均未實現核聚變“點火”目標，分析表（biǎo）明，服役（yì）在短（duǎn）波（bō）長範圍的高性（xìng）能光學元件超精密製造及其抗強激光損傷（shāng）特性（xìng）成為製約激光（guāng）核聚變驅動器 ‒ 巨型激光裝（zhuāng）置（zhì）能否成功研製（zhì）的瓶頸問題。探究強激光紫外短波長光學元（yuán）件超精密製造（zào）過程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（háng）維護成本、加速（sù）新一代激（jī）光核（hé）聚變點火裝置的研製進程。
空間X射線探測是脈衝星全（quán）自主計（jì）時導航、X射線通（tōng）信（xìn）、空間環境監測等（děng）工程應用，天（tiān）文觀測、太陽X射線探測（cè）等空間科學探測的關鍵技術。空間X射（shè）線反射鏡（jìng）由多層輕質薄壁複雜曲麵鏡（jìng）片經（jīng）同軸共焦精密（mì）裝配而成，要（yào）求（qiú）加工至亞（yà）納米表麵粗糙度、微弧度級斜率偏差、極少的加工（gōng）缺陷。目前，相比發達國家（jiā）X射線多（duō）層嵌套反射（shè）鏡（jìng）加工技術，我國在反（fǎn）射鏡（jìng）層數（shù）、分辨率方麵差距明顯，研製高靈（líng）敏度空間X射（shè）線探測係統亟（jí）需解決相關難題。突破多層嵌（qiàn）套式X射線空間（jiān）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（háng）天器深空全自主導（dǎo）航與通信、深空探測、空間科學領域發展具有重要的科學意義和工程價值。
在半導體芯片製造領域，極紫外（wài）光刻技術是國際（jì）半導體行業延續摩爾定律（lǜ）、確保光刻（kè）分辨率進入7 nm/5 nm節點的核（hé）心關（guān）鍵所（suǒ）在。極紫外光刻物鏡需要適應以全頻段、亞納米精度製造為代表的一係列苛刻要求，才能保證光刻性能：采用光學自由曲麵設計，減小光學係統波（bō）前誤差，增大數值（zhí）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性能超精密製造具有挑（tiāo）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；我國重點研究的深紫外光刻物鏡（jìng）製造技術（shù），與國際先進水平相比差距（jù）明顯（xiǎn），是製約極（jí）大規模集成電路製造技術（shù）發展的“卡脖子”環節。
我（wǒ）國高（gāo）端光學元件超精密製造技術及裝備，相比國際前沿存在階段性差距，成為製約高端裝備製造業發展的重大短板。在高新技術領域國際競爭趨（qū）於激烈、一些國家試圖對我國（guó）進行科技封（fēng）鎖的背景下，“自主可控”解決光學製造這一“卡脖子”難題（tí）顯得尤為迫切。發展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（zhuāng）備應用突破的（de）必由之路（lù）。
中國工程（chéng）院谘詢項目（mù）“高端光學係統的（de）精密超精（jīng）密加工（gōng）技（jì）術及裝備的發展戰略研（yán）究”，廣泛開展了文獻調研、現場（chǎng）考察、會議研討、問（wèn）卷調查（chá），旨在推動新形勢下高端（duān）光學（xué）元件超精密加工技術與裝備的高（gāo）質量發展。文章作為相關谘詢項目研究成果的（de）學術性展示，梳理光（guāng）學元件超精密加工方法與裝備（bèi）、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（lǐ）論、工（gōng）藝、裝備、應用等方麵（miàn）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（chāo）精密（mì）製造技術路線圖，以期為我國超精密加工技術領域基礎研究、技術攻關、裝備應（yīng）用等研（yán）究提（tí）供基礎性參考。
二、國內外高端光學元件超（chāo）精密加工技術與裝備發展現狀
高端光（guāng）學元件製（zhì）造的載體是精密 / 超精密光學加工（gōng）機床。在（zài）以“高檔數控機床與基礎製造裝備”國家科技重大專項（簡稱04專項）為代表的（de）國家（jiā）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，產品品種基本滿足重點領域（yù）需求，數控係統與關鍵功能部件的研發及配套能力基本形成。以04專項實施完（wán）畢後的（de）狀態來判斷（duàn），我國機床（chuáng）行（háng）業與（yǔ）國際先進水平仍有15年左右（yòu）的差距。
（一）超精密加工方法和裝備
美國企業在光學元件超精密加工領域起步最早、水（shuǐ）平最高，歐洲企業緊隨其後，日本企業在中小型民（mín）用超（chāo）精密加（jiā）工領域具有獨特優勢；這些企業技術體係成熟且注重（chóng）技術原始（shǐ）創新，占據了大部分市（shì）場份（fèn）額。近年來，我國的科研機構和企業在國家重大需求的牽引下，積極開展光學元件超精（jīng）密（mì）加工技術研究，但與國外相比存在階段性差距。① 自（zì）主研（yán）製的超精密（mì）加工機床，其數控係統（tǒng）性能與可靠性、主軸回轉精度與轉速、溜板直（zhí）線度與定位精度、納米級運動（dòng）控製與補償、加工精度（dù）與範圍等方麵普遍滯後於（yú）國際前沿水平；“產學研（yán）用（yòng）”協同創新與（yǔ）要素融合不足，基礎研究脫節，應用技術轉化率不高，原（yuán）創技術稀缺，以（yǐ）跟蹤研究（jiū）為主流。② 在我（wǒ）國超精（jīng）密加工機床市場上，國外（wài）公司占據主導地位，進口產品擁有多（duō）數份額；國產機床集中在（zài）航空航天、國防軍工（gōng）領域（yù）應用，以高端民用為代（dài）表的大規模、產業化應用尚未展開。③ 國內（nèi）相關研究隊伍規模較（jiào）大，然而具有國際影響力、引領產業發展的標誌（zhì）性人才稀缺，有關超精密機床製造方麵（miàn）的基礎研（yán）究力量儲備薄弱。
（二）數控係統、關鍵功能部件和刀具
通過持續（xù）努力，我國在超精密（mì）機（jī）床數控係統、關鍵功能部件、刀具等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（xiān）進係統，高檔數控係統配套（tào）應用超（chāo）過1500套，中檔數控係統配套超過（guò）7萬套；高檔數控與伺服驅動係統仍依（yī）賴進口。國產功能部件平均無（wú）故障工作時間超過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（gāo）精密光柵等（děng）基礎部件製造仍是薄弱環節。國產（chǎn）數控係統、伺服係統、精密光柵等（děng）核心部件未能形成貫（guàn）通配套，應用領域用戶的認可度不（bú）高。刀具品種數量豐（fēng）富（超過45 000種），行業用刀具國產化率（lǜ）提（tí）升至45%，但用於超精密加工的高性能（néng）刀具，在加工效率、使用壽命方麵（miàn）落後於進口產品。
國產數控係統的市場格局具有低端快速膨脹、中端進展緩慢、高端依賴進口的特點。國產高端數控係統的（de）功能、性能、可（kě）靠性（xìng）等存在明顯不足，導致高檔數控係統市場（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組成部分，人工智能、數字孿生、雲服務等技術是支（zhī）撐智能控製係（xì）統的關（guān）鍵（jiàn），相關研究有待深（shēn）入。
國產主軸的徑向回（huí）轉精度約為（wéi）50 nm，不能適應超精密機床（chuáng）的（de）集成要求（qiú）：電主軸的電（diàn）機內裝式結（jié）構、高轉速下的亞 / 微米級高回轉精度尚未（wèi）實（shí）現，氣體軸承剛度差、承（chéng）載能力不足且難以保證高轉速下主軸的高回轉精度（dù），液體（tǐ）靜壓軸（zhóu）承在油溫控製、油泵（bèng）減振（zhèn）、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25 nm，不能完全（quán）滿足超精密機床的研製（zhì）要求（qiú）。超精密回轉工作台存在很多問題，如液體靜壓轉台的動態（tài）特性不穩定，轉台（tái）工作精度隨著溫度（dù）升高而降低。
國內導軌加工仍停留在1 m長度（dù）、1 μm直線（xiàn）度的水（shuǐ）平（píng），相應的超高精度導（dǎo）軌沒有擺脫進口依（yī）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）、機械磨損大，液（yè）體靜壓導軌在溫升控製、流量控製等（děng）方麵存在短（duǎn）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（zhǔ）；大行程、高（gāo）精（jīng）度光柵直線位移傳感器（qì），超（chāo）精密（mì）圓光柵角位移（yí）傳感器的自主研發與製造能（néng）力薄弱，應用（yòng）於光刻機等高端（duān）製造裝備（bèi）的二維光柵更是缺失。從位移傳感器產品的核心性能角度看，大行程（超過5 m）、高精度（優於±5 μm）封閉式光柵，圓光柵（shān）編碼器（精度優於±1″）等高端（duān）產品被國外企業壟（lǒng）斷。
國產超硬車銑刀具的精度和使用（yòng）壽命等，與國外先進水（shuǐ）平相（xiàng）比差距明顯。金剛石砂輪結合劑的（de）耐磨性（xìng）較低，細粒度金剛石砂輪（lún）的磨削加工精度低、加工質量不穩定。拋（pāo）光工具的平坦度較低，使用壽命較短，缺陷率較高。超高（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（jī）床精度測量（liàng）方麵，激光（guāng）幹涉儀（yí）、電容傳感器在超精密機床（chuáng）的幾何誤差測量中應用廣（guǎng）泛，但需要配（pèi）備（bèi）多類標準件，成本高且操作複雜（zá）；快（kuài）速在機誤差測量的儀器、測（cè）量方案、測量標準等亟需發展。通過試切法、誤差敏感性分析來識別機床（chuáng）幾何誤差在實際應用中較（jiào）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。辨識超精密機床（chuáng）的（de）幾何（hé）誤（wù）差（chà）與加工表麵性能之間的關係及響應機理，集成機床精（jīng）度檢測裝（zhuāng）置以匹配自適應 / 智（zhì）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（yuán）件離線檢測設備主（zhǔ）要依（yī）賴進口，如超精密接（jiē）觸式檢測設備方麵的泰勒霍普森、蔡司、馬爾等品牌，幹（gàn）涉檢測設備方麵的ZYGO、QED等品牌。針對非球麵、自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（yòng）化、高精度兩類方向：前者要（yào）求在不對係統進（jìn）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檢測；後者要求盡可能地提高檢測精度，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（tǒng）誤差（chà）的校正精度是關鍵）。
在光學（xué）元件在位（wèi）測量方麵，雖然提出（chū）了加工 ‒ 測（cè）量一（yī）體化理念，成功用於光學元件的（de）精密加工過程並取得了原創性成果，但在位測量、加工 ‒ 測量一體化受測量原理（lǐ）、集成（chéng）機（jī）理、技術難度等方麵的（de）製約，很難滿（mǎn）足多尺度、高精度、高頻響、動態測量、多參量的測量需求。三（sān）維複雜結構表麵具有廣泛應用（yòng），相應（yīng）微表麵形貌的測量不僅涉及（jí）粗糙度或瑕疵，而且與輪廓、形狀偏差、位（wèi）置偏差密切相（xiàng）關。未來，在位測量需兼具高速性、實時性、高分辨率、大測（cè）量縱深、寬（kuān）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（róng）合局部測量 / 全局測（cè）量不確定度評定、測量（liàng）單元（yuán）與運動單元、多源異（yì）構數據的測量分析理論與評定方法（fǎ）。
三、高端光（guāng）學元件超精密加工（gōng）技術與裝（zhuāng）備發展趨勢
（一）精度與尺寸極端化
極（jí）大尺寸、極小尺寸、極高精度的光學元件，市場需求趨於迫切：① 大口徑（jìng）非球麵光學（xué）元件廣泛應（yīng）用於遙感衛星、空間望遠鏡、地基天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、測量、冷卻、減阻、潤濕等方麵應用廣泛，相應結構尺寸可達（dá）微 / 納米級；③ 在麵形精度、表麵完整（zhěng）性要求進一步提高後（hòu），超精密加工過（guò）程中的材料去除（chú）量降低至微米（mǐ）、納米，甚至原子量級。此外，原子（zǐ）及近原子尺度製造（zào）將能量直接作用於原子，通過構（gòu）建原子尺度結構實現特定功能與性能，是新一代製（zhì）造技術的趨勢之（zhī）一，對革（gé）新（xīn）高端光學器件製造具（jù）有（yǒu）積極意義。
在光學元件尺寸和精度極端化（huà）的背景下，需要優化已有研究規（guī）劃（huá），適時（shí）布局以極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、機械製造的學（xué）科背景，積極（jí）推動機械、物理、化學（xué）、材料等學科交叉，著力開展以下基礎研究：納米及近原子尺度（dù）超精密加工的材料去除與遷移（yí）機（jī）理、光學材料多能場輔助的超精密加工新原理與（yǔ）新方法（fǎ）、光學材料超精密加（jiā）工（gōng）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、複雜曲麵光學元件高效超精密加工工藝，為（wéi）高端光學（xué）元件超精（jīng）密加工關鍵技（jì）術突破、先（xiān）進加工工藝與（yǔ）裝（zhuāng）備開發築牢基礎。
（二）形狀與（yǔ）性能一體化
激光核聚變裝置、飛行器光學（xué）導引頭等光學元件的服役性能，既取決於幾何精度，也（yě）受到表層材料（liào）物（wù）理、化學、機械性質變化的顯著影響。例（lì）如，激光核聚（jù）變裝置未能實現預期的“點火”目標（biāo），重（chóng）要原因在於（yú）加工缺陷抑製水平不能滿足係統對輻照（zhào）損傷的要求。紫外光學元（yuán）件高性能超精密製造及其抗強激光損傷特性，實際上成為製約激光核聚變裝置（zhì）能否成功研製的瓶頸。
以加工精度作為單一（yī）評價指標，已不（bú）再滿足高性（xìng）能光學元件的製造要求，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（dù）要求，提升為以性能要求為（wéi）主、性能與幾何參數一體化的精密加（jiā）工要求，此即高性（xìng）能製造。需要建立麵向使役性能（néng）要求的形狀 ‒ 性能一體化加工理論、方法以及工藝（yì）技術體係，為解決（jué）高性能光學元件的製（zhì）造難題提供新方（fāng）案。
（三）加工工藝複合化
高端光學元（yuán）件苛（kē）刻的服役條件以及極高的性能要求（qiú），對革新光學（xué）製造技術提出迫切需求。高端光學元件表麵形（xíng）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，也提出了綠色低碳的環境要求。當前主（zhǔ）流的加工技術（shù）具有局（jú）限（xiàn）性（xìng），如加工效率偏（piān）低、加工精（jīng）度低不足、表麵質量難保證、加（jiā）工可達性差、環境汙染風險（xiǎn）高等，高質、高效、綠色的（de）先進超精密（mì）加工技術成為研（yán）究趨勢。
采用多能場輔助（zhù）或者兩種以上加工工藝複（fù）合方法，可取長補短並發揮各自優勢（shì），克服上述局（jú）限性（xìng）。未來研究重點有（yǒu）：探索（suǒ）新型加工工具材料，建立新型複合加工係統，深化（huà）複合加工機理研究，拓展複（fù）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（xiàng）發展，成為高端光學元（yuán）件超精密加工的重要趨勢；針對性開展超精密複（fù）合（hé）加工理論與技術創（chuàng）新研究（jiū），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（tí）的主要手段，針對製造中物理、化學過程的智能化調控更顯重要。製造裝備、工具、工藝、檢測設備等麵臨變（biàn）革，如（rú）製造（zào）工具需在多傳感器參與的（de）感知調控下具備材料去除、添加或改性功能。在檢測方麵（miàn），提高精度是關鍵，在位、高效、穩定仍是主要目標，支持實現高質量綜合評（píng）價的多物理（lǐ）量檢測（cè）成為新發展方向。
在超精密加工與檢測一體化方麵，重點研究內容有：在線、在位測（cè）試與（yǔ）評（píng）定新原理和方法，加（jiā）工裝備精度的在線檢測模型和係統（tǒng），超精密加工機（jī）床精度指標的測試與評定係統，高精度自（zì）由曲麵及（jí）微細（xì）結構測量的新原理與新方法，新型模塊化、可重組、多功能測試裝備技術，超精（jīng）密測量誤（wù）差多源分離新方法。超精密加工測量的發展趨勢表現為（wéi）：高精度、大量程測量，形狀和位置精度的同步（bù）測量，多物理量檢測表征，高性能檢測（cè）的計量。
（五）裝備與工藝智能化
受高端光學係統的需求牽引，複雜麵形或難加工材料元（yuán）件（jiàn）的加工效率和精度不斷突破，衍生（shēng）出的高端光學元件產品在通用領域得（dé）到更多應用。在（zài）通用領域中的應（yīng）用規模拓（tuò）展後，高（gāo）端光學元件的規模化、定製化製造需求凸顯，從而提出了製（zhì）造設備的高效率、高精度、智能化加工要求（qiú）。在世界工業新一輪技術浪潮驅動下，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（cù）進製造業在智能製造、智慧化生產等方向的革新發展。
目前（qián），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，根據客戶特殊需要“量身定製”解決方案；生產製（zhì）造（zào）企業（yè）需掌握（wò）設備生產工藝，將智能製（zhì）造技術運（yùn）用（yòng）到細分市（shì）場產品（pǐn），進而為各類產品創建自動化解決方案。著眼未來，智能製造裝備（bèi）企業應（yīng）圍繞市場需求，構建高度自動化的生（shēng）產過程，對各種製造對象、各類（lèi）製造環境具（jù）有良好的適應性。裝備與（yǔ）工藝（yì）智能化發展，將融合數字孿生、大數據、人工智能等信息技術，全麵提升並高效運（yùn）用控製、傳感、精密（mì）製造、識別等關鍵技術。
四、麵向2035年我國高（gāo）端光學元件超精密加工技術路線圖研究
研究和編製高端光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期發展規劃、技術（shù）攻關、理論探索。研究依托相關谘詢項（xiàng）目，集聚（jù）領域內院士、專家、學者的集體智慧，重點完成兩方麵工作（zuò）：① 開（kāi）展（zhǎn）廣泛的文獻（xiàn）調研，與航天、航空、船舶、兵器、光學（xué）應用、機床製造等領域的企業和科研院所實地調研相結合，全麵把（bǎ）握（wò）我國高端光學元件超精密加工技術方向的（de）發展態勢和需求情況；② 組織召開了（le）近20次研討會，麵向86位本領域專家（jiā）開展問卷調（diào）查，精準研（yán）判高端光學元件超精密加工技術方向的發展趨（qū）勢，形成我國技術發展布局建議。
以2035年為目（mù）標節點形成的高端光（guāng）學元件超精密加工技術及裝備（bèi）發展路線圖（見圖1），包（bāo）含7個（gè）方麵的內容（róng）：應用需求，發展目標，重點產品，數控係統、關（guān）鍵功能部件和刀具，測量方法與（yǔ）裝備（bèi），光學元件製造共性關鍵技術，應用（yòng）示範工程。
高端光（guāng）學元件超精密加工（gōng）技術及裝備發展路線圖
（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（zào）強國戰略。高端光（guāng）學元件作為製（zhì）造業的核心基（jī）礎（chǔ）零件，其製造技術研究對（duì）加強產業基礎能力建設、推（tuī）動製（zhì）造業優化（huà）升級意義重大。X射線（xiàn）望（wàng）遠鏡、極紫外光刻機、激光核聚變裝置（zhì）、自由電子激光裝置、同步輻射裝置等高（gāo）端裝備列為科技前（qián）沿領域和重大基礎設施，關鍵光學元件（jiàn）的性能決定了這些高端裝（zhuāng）備的性能，而當前的製造水平不足以（yǐ）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、半導（dǎo）體製造、智能工（gōng）業機床、紅外熱成像（xiàng）儀、車載鏡頭等產品，大量應用（yòng）光學元件和（hé）組件。2021年，我國光學鏡片、鏡頭、模組等元器件（jiàn）的（de）市場規模為1568億元；技術更（gèng）新速度快，相應市場規模將（jiāng）進一步擴大。國內從事高端光學元件（jiàn）精密製造的企業，數量較少且產品集聚在中低（dī）端，在高分辨率定焦、大倍率變焦、超高（gāo）清、光學防抖、安防監（jiān）控一體機鏡頭等中高端光學鏡頭製造方麵的核心技術薄（báo）弱甚至部分缺失。開展高端光學元（yuán）件高性（xìng）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（dǎo）飛行器、高能激（jī）光（guāng）器等裝備是國防裝備信息化（huà）和現代化的重要支撐，大口徑空（kōng）間反射鏡、飛行器整流罩、折衍混合光學元件、高能激光組件等高（gāo）端光學（xué）元件是先進裝備的關鍵零件。這些關鍵（jiàn）零件的製（zhì）造水平決定（dìng）了國防裝備的設計性能與服役規模。然而，國（guó）產高端光（guāng）學元件（jiàn）的超精密加工技術水平依然無（wú）法全麵滿足先進裝備（bèi）發展需求，有關技術封（fēng）鎖和（hé）設備禁運也客觀存在，自主攻（gōng）關高端（duān）光學元件超精密加工（gōng）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
圍繞高端光學元件的超精密製造需求，重點突破全頻譜納米 / 亞納米級精度創成、近（jìn）無缺（quē）陷高表麵完整性加工、超精密（mì）機床正向設計與數據資源建（jiàn）構、超精密智能（néng）機床製造等共性關鍵技（jì）術，支持光學製造技術應用從（cóng）高精度提升至高性能。
2. 研（yán）發和（hé）應用關鍵超精密加工裝備
在近期，重點研（yán）發應（yīng）用亟需但未能實現自主供給商品化、屬於（yú）國外禁運（yùn）的重大（dà）裝備，如4 m及以上口徑光學元件毛坯製造基礎裝備、輕量化及超精密磨削（xuē）裝備、亞納米級加工裝備、超大（dà）口徑光學元件超精密測量儀器。在此基礎上，進一步提升（shēng）重大（dà）裝備性能（néng）並擴充種類，如7 m及以上口徑光學元件（jiàn）毛坯（pī）製造基礎裝備、輕量化（huà）及超精密磨削裝（zhuāng）備、原子級加（jiā）工裝備、超大口徑光（guāng）學元件超精密（mì）測（cè）量儀器、超大尺寸光學元件修複（fù）裝備、航天（tiān）器機（jī）載光學元件製造及修複裝備。
3. 形成超精密製造（zào）領（lǐng）軍企業
優化以國家重點（diǎn）實驗室、國（guó）家工程研究中心、省部（bù）級重點實驗室為核心的光學元件超精密製造科研體（tǐ）係，引導“產學研”融合發（fā）展，推動創新資源整（zhěng）合升（shēng）級。鼓勵重點方向基礎（chǔ）良好的（de）企業發展成為專精（jīng）特新“小巨（jù）人”企業，建設示（shì）範（fàn）性智能工廠（chǎng），實現關鍵技術的裝備（bèi）應用（yòng），提升產業鏈（liàn）配套供給（gěi）水平。發展光學元件超精密製造專業（yè）技術服務企業，支持形成（chéng）良好（hǎo）的製造業（yè）生態。
4. 提升機床和單元部件的自主化率及市場占有率
打（dǎ）破我國光學（xué）元件加工機床行（háng）業“低端混戰、中端爭奪（duó）、高端失守、大而不強”的競爭格（gé）局。在國產光學元件超精密製（zhì）造裝備、高檔數控係統、超精密關鍵功能（néng）部件方麵，國內市場占有率近期目標均為70%，2035年（nián）提升至80%。
（三） 重點產品（pǐn）
1. 超精密車削裝備
到2025年（nián），麵形（xíng）誤（wù）差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵（miàn）粗糙度（dù）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（mì）銑削裝備（bèi）
到2025年（nián），麵形誤差PV≤0.3 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤10 nm。到2030年（nián），麵（miàn）形誤差（chà）PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤8 nm。到2035年，麵形誤（wù）差PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤5 nm。
3. 超精密磨削裝（zhuāng）備（bèi）
到2025年，加工口徑≥4 m，麵形誤差（chà）PV≤10 μm/m，亞表麵損傷≤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（jìng）≥7 m，麵形誤（wù）差PV≤8 μm/m，亞表麵損傷（shāng）≤15 μm。
4. 超精密拋光裝備
到2025年（nián），加工口徑≥4 m，麵形誤差RMS≤12 nm。到2030年，加（jiā）工口徑≥5 m，麵形誤差（chà）RMS≤8 nm。到2035年，加工口徑≥7 m，麵形誤差RMS≤5 nm。
（四）數（shù）控係（xì）統、關鍵（jiàn）功能部件和刀具
1. 數控係統
建立開放式、網絡化的雲架構（gòu）數控係統，基於雲平台的智能數控係統。雲上控製編程處理靈活，開放性（xìng）良好，支持手機、筆記本電腦、工業計（jì）算機、虛擬現實等多種人機交互前端。突破多軸、多（duō）通道、納米插補數控加工技術，實現（xiàn）自（zì）適（shì）應加工、刀具壽命管理、在位（wèi）測量、虛擬現實仿真、自監控、維護（hù）、優化、重（chóng）組等功能。
2. 關鍵功能部件
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動控製等技術（shù），具備高精度（dù）、高剛度、運動平穩的功能部件製造能力。到2030年，突破多物（wù）理（lǐ）量可調運動（dòng）部件、檢測單元等技術，具備高性能功能部件製（zhì）造能（néng）力。到2035年，突破（pò）關鍵功能部件多物（wù）理量狀態感知、多（duō）物理量調控、精（jīng）度 / 剛度補償等技術，具備（bèi）智能化（huà）功（gōng）能部件（jiàn）製造能力。
3. 刀具
在金剛（gāng）石砂輪方麵，近期具備批量（liàng）生產和應用細粒度、高性（xìng）能金剛石 / CBN砂（shā）輪的能力，進一步發展超細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪。在金（jīn）剛石車（chē） / 銑刀具方（fāng）麵，著重發展複合納米結（jié）構（gòu）化刀具，解決加工表麵中高頻誤差大、加工效率（lǜ）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（yà）納（nà）米拋光工具，進一步發展刀具工作狀態智能化監測、刀具數字化設計製造（zào）一體化等技術。
（五）測量方法（fǎ）與裝備
1. 機床精度測量
在快速在機誤差測（cè）量儀器和標準方麵，開發新一（yī）代測量儀器、方案和標準，破解激光幹涉儀、電容傳感器價格昂貴，操作複（fù）雜等難（nán）題。在超精密機床誤差識（shí）別與實時補償技術方麵，開發誤差溯源分析算法，高效識別幾何誤差；優化機床幾何誤差在機測量的快速解算方法，實現誤差的實時補償。在機床誤差的自適應 / 智能檢測與評價方麵，探（tàn）究技術（shù）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（yīng）機製（zhì）。
2. 光學元（yuán）件在（zài）位測量
在（zài）光學元件（jiàn）的低應力、高效率、接觸式測量技術方麵（miàn），降低接觸應力（lì）對光學元件的破壞作（zuò）用，削（xuē）弱針尖磨（mó）損導（dǎo）致的測量精度（dù）退化（huà）效應，提升接觸式在位測量的效率。在複雜光學（xué）元件的非接觸式納米 / 亞（yà）納（nà）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度的超精密檢測難題。在光學（xué）元件的多模（mó）態跨尺度形性測量技術方麵，實現麵形精（jīng）度、微觀形貌（mào）、表麵缺陷、亞（yà）表麵損（sǔn）傷、殘餘應力等多模態、跨尺度表麵特性與使役性能的快速表征。
3. 光學元件離線測量
在複雜光（guāng）學元件亞納米幾何精度測量技術方麵，突破高陡度非球麵、自由曲麵（miàn）的全頻譜亞納米精度檢測難題。在光學元件表麵完整性（xìng）的多參數、多傳感器協同表征技術方（fāng）麵，實現（xiàn）光（guāng）學元件多參數表麵（miàn）完整性的實時定量準確評價，提升（shēng）加工（gōng）缺陷的修複精度。在光學元件（jiàn）時 ‒ 空域形性參數的跨（kuà）尺度表征與信息融合技術方麵，麵向光學元件使（shǐ）役性能（néng）要求，形成形（xíng）性一體（tǐ）化製造能力。
（六）光學元件製造共性關鍵技術（shù）
1. 全頻譜納米 / 亞納米級精（jīng）度創成
複雜光學元件（jiàn）的全頻譜納米 / 亞納米級（jí）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（yán）究難度表現在（zài）：納米精度要求穩定實現亞納米量級的材料去除；複（fù）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（yǐng）響光（guāng）學性能，要求實現一致收斂和去除。現有光學加（jiā）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（píng）頸，需要突破異質 / 各向異（yì）性材料納（nà）米量級可控去除、複雜曲麵可控補（bǔ）償修形、弱剛度光學元件確定性去除、微弧度級斜率誤差抑製、光（guāng）學製造裝備運動（dòng）軸（zhóu）性能設計、複雜曲麵全頻段超精密檢（jiǎn）測等關鍵技術。
2. 近無缺陷（xiàn）高表麵完整性加工
采用單一物理場的加工方法，很難實現（xiàn）高精度（dù）的近（jìn）零亞表（biǎo）麵（miàn）損傷加工；原（yuán）子（zǐ）級多物理場納米加工機理研（yán）究匱乏，加工表麵容易（yì）出現脆性裂紋、加工缺陷、表層物理和（hé）化學特性變化。研究多能場（chǎng）複合加工中表麵完整性的動態演化過程（chéng）及其影響因素，辨明實（shí）現近無缺陷高（gāo）表（biǎo）麵完整性加工（gōng）的條件，需要突破麵向（xiàng）光學元件（jiàn）使役性能的表麵完整性設計、光學元件控域控（kòng）量控性、表麵加工缺陷確定性原位修複、跨尺度表麵缺（quē）陷無損精確表征（zhēng）、多參數表麵完整性多物理（lǐ）場表征等關鍵技術。
3. 超（chāo）精密（mì）數控機床正向設計與數據資源建構（gòu）
國產精密 / 超精密光學加工機床的（de）精度、可靠性、穩定（dìng）性，相比國際先進水平存在階段性差距，缺乏麵向機床使役性能的正逆向設計方法是導致（zhì）上述差距（jù）的重要原因。超精密機床（chuáng）的正（zhèng）向設計，取決於設計資源數據庫，機床的精度及（jí）剛度與機床結構、零部件精度、控製參數之間的關係模型；需要突破數控機床（chuáng）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、輕量化設計在（zài）內的多學科（kē）優化設計等關鍵技術；構建開放（fàng）的工藝軟（ruǎn）件與數據（jù）庫，集成（chéng）完備的設計規範與標準、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薄（báo）弱，是（shì）國產光學加工裝備性能落後於進口產品的關鍵因素（sù）之（zhī）一。提高超精密機床製造水平，需兼顧關鍵零部件製造與整機裝配（pèi）、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（lì）製造、高（gāo）分辨率（lǜ）納米（mǐ） / 亞納米運動伺服進（jìn）給係統製造、工（gōng）件台納（nà）米定位與運（yùn）動協同控製、超（chāo）精密空氣主軸與全約束閉合（hé）式油靜壓（yā）導軌製造、自（zì）動調平間斷式空氣隔振係統（tǒng）製造、超精密切削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（yào）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、五軸加工誤（wù）差智能調諧、智能實時（shí）防碰（pèng）撞（zhuàng）係統、加工過程切削負載自（zì）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）應用示範工程
1. 大口徑輕量（liàng）化空間光學元件製造
高分辨率對地觀測係統、X射線望遠（yuǎn）鏡等空間裝備，以大口（kǒu）徑光學元件為核心功能支撐。大口徑光學元件材料硬脆、麵形複雜（zá）、極端輕量化，需要（yào）實現全頻譜（pǔ）納（nà）米級加工精度，而（ér）國產製造裝備在口徑、精（jīng）度、效率方麵均不能（néng）滿足要求。建議實施大口徑輕（qīng）量化空間光（guāng）學元件製造應用示範工程，形成4 m口徑空（kōng）間（jiān）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（zhuāng）備。
2. 探測製導光學元件高性能超精密製造
精密複雜慣性器件、高陡度保形光學元件等（děng），較多采用高硬脆性材料，麵臨共形、氣動熱、高光譜、高過載等使役環境挑（tiāo）戰（zhàn）；通過加工精度、材（cái）料特性、結構設計方（fāng）麵的耦合調控，才能獲得預期的探測製導性能。建議實施（shī）麵向使役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（zhì），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（zhuāng）備（bèi）。
3. 強光光學元件抗輻照損傷製造
激光點火裝置、高能激光器的（de）強（qiáng）光光學元（yuán）件（jiàn）服役於強激光（guāng）環境，因加工缺陷誘導的輻照損傷成（chéng）為製約相應（yīng）裝備性能提升的瓶頸。建（jiàn）議實施強（qiáng）光光學元件抗（kàng）輻照損傷製造應用示範工程，揭示微納米加工缺陷對（duì）抗輻照損傷（shāng）性能的影響及（jí）抑製機理，形成近無缺陷強光元件的高（gāo）性能製造技術和國產（chǎn）化磨削、拋光、缺陷抑製裝備。
4. 極紫外光刻機物（wù）鏡超精密製造
光刻物鏡的製造水平決定著光刻機（jī）的製程精度，我國在此（cǐ）方向的技術基礎薄弱，尚無自主可控的產品可供應用，而（ér）進口渠道（dào）不可（kě）依賴。建議實施極紫外光刻機物鏡超精（jīng）密（mì）製造（zào）應用示範工程，闡明原子 / 近原子尺度加工機（jī）理，形成全頻譜亞納米精度光刻物鏡（jìng）加工技術與國產化（huà）拋光、修（xiū）形、檢測裝備。
五、我國高端光學元件超精密加（jiā）工技（jì）術與裝備發展建議
（一）優化創新體係設置，組織優勢資源成立技（jì）術聯盟（méng）
建議設立國家（jiā）超精密加工技術協同創新中心、光學元件超精密製造（zào）技術創新聯盟。采取“政產學研用”協（xié）同創新模式，積極發揮政（zhèng）府引導作用，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，突出用戶工藝應用驗證，提升超精密加工機床的工藝（yì）適應性。組織企業需求對接、重大項目論證、關（guān）鍵技（jì）術研討，著力解決機床（chuáng）正向設計與資（zī）源（yuán）構建、超精密機床製造、可（kě）靠（kào）性與精度保持性、納米 / 亞納米精度創成、近無缺（quē）陷加工等關鍵技術和瓶頸環節。
（二）加大資源保障力度，布（bù）局基礎研究和技術攻關計劃
在國家各類（lèi）科技計劃中（zhōng），有層次、有重點地支持光學（xué）元件超精密加工技術（shù）發展（zhǎn）。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（chóng）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（pò）光學元件高性能製造的基礎理論與關鍵技術。建議接續（xù）實（shí）施“高檔數控機床與基礎製造裝備”國家科技（jì）重大專項，增設“光學元件高（gāo）性（xìng）能超精密（mì）製造技術與裝（zhuāng）備”專題，為超精密數控機（jī）床發展提供關鍵支持。建議“高性能製（zhì）造技術與重大裝備”國家重（chóng）點研發計劃（huá）項目加大對光學元件超精密（mì）製造技術與裝備的支持力度，推動光學製造共性（xìng）關鍵技術研發與應用示範。
（三）加強人才培育，構建梯（tī）隊並擴大隊伍規模
機床領域相對“冷門”，在高校中的學（xué）科地位被弱化，高端人才流（liú）失現象嚴重，人才梯隊建（jiàn）設較為滯後。構建本領域的國家戰略科技力量，需要（yào）依托創新型領軍企業、具有比較優勢（shì）的（de）科研院所，在培養、引進、用好領軍人才、創新團隊方麵（miàn）積極作為。建（jiàn）立高端人才引進通道，完善（shàn）配套政策，運用（yòng）技術入股、股權激勵、成果轉化收益分配等（děng）機製。培（péi）育麵向工業創新需求的工程（chéng）技術人才、基礎紮實的應用（yòng）型研發人才，合理擴大（dà）隊伍規模。可在各類科技計劃中增設定向（xiàng）項目，給與專業團隊（duì）連續支持，保（bǎo）持（chí）研究隊伍穩（wěn）定。
（四）築牢產業發展基礎，培育龍（lóng）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，支持國產（chǎn）超精密機床、高檔數控係統、高性能關鍵（jiàn）功能（néng）部件、高性能刀具的產品研（yán）發與示範應用，兼顧市場競（jìng）爭力提升和自主可控能力增強。培育（yù）光學製造技術與裝備方麵的龍頭企業，鼓勵關（guān）聯企（qǐ）業發展成為專精（jīng）特新（xīn）“小巨人”企業，在財稅、投融資、技術（shù）研（yán）發、產品進 / 出口、知識產權、國際合作等方麵給與重點支持。
