蔣莊德院士：高端光學元件超精密加工技術與裝備發展研（yán）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，康城，陳杉（shān）杉，林啟敬，楊樹明
編者按
高端光學（xué）元件是（shì）決定高（gāo）端（duān）裝備性能水平的核心零（líng）件，研究高端光學元件超精密加工技術與裝備發展，對於實施製造強國戰（zhàn）略、滿足高端裝（zhuāng）備產業需求具有積極意義。我國高端光學元件超精密製造技術及（jí）裝備（bèi），相比國際前沿存在階段性差距，成為（wéi）製約高端（duān）裝備製造業發展的重大（dà）短板。
中國（guó）工（gōng）程院蔣莊德院士（shì）研究團隊在中國工程院院刊《中國工（gōng）程科學》2023年第1期發表《高端光學元件超（chāo）精密加工技（jì）術與裝備發展研究》一文。文章剖析了光學元（yuán）件超精密加工方法與裝備、高性能基礎部件、超精密（mì）光學加工中的測量方法（fǎ）與裝（zhuāng）備等的發展情況，凝練了精（jīng）度與尺寸極端化、形狀與性能一體化（huà）、加工工藝複合化、加工與檢測一體化、裝備與工藝智能化（huà）等發展趨勢。通過（guò）廣泛的行業（yè）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（wǒ）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（tǐ）係（xì）設（shè）置、組織優勢資源成立技術聯盟，加大資源保（bǎo）障（zhàng）力（lì）度、布局基礎研究和技術攻關計劃，加強（qiáng）人才培育、構建梯（tī）隊並擴大隊伍規模，築牢產（chǎn）業發展基礎、培育（yù）龍頭企業和專精特新“小巨人”企業等發展建議，以期促進高端光學元件加工產業提升與高（gāo）質量發展。
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一、前言
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高（gāo）端光學元件是決定航空航（háng）天、國防軍工、先進（jìn）民用等領域高端裝備性能的關鍵（jiàn）零（líng）件，典型（xíng）應用對象有：高分辨（biàn）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（tóng）步輻射裝置等大科學裝置，紫外 / 極紫外光刻機、精密慣性器件、飛行器光學導引頭、消費（fèi）電子產品、醫療器械等設備。重大裝（zhuāng）備服役能力不斷提高，對（duì）高端光學元件性能提出了更（gèng）高要求；僅（jǐn）以幾何尺寸公差（chà）為關注點的傳統設計製造理念難以（yǐ）適應（yīng）高性能光學元件的製造需求（qiú），光學元件的超精密製造麵臨技術挑戰。
以慣性約束激光核聚變為例，為了（le）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（róng）石英、磷酸二氫鉀晶體材料為基（jī）礎的大口徑平麵、非球麵、離軸非球麵等光學元件。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核聚變“點（diǎn）火（huǒ）”目標，分析表明，服役在短波長範圍的高性能光學元（yuán）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（qū）動器 ‒ 巨型激光（guāng）裝置能否成功研製的瓶頸問題。探究強激光紫外短波長（zhǎng）光學（xué）元件超精（jīng）密製（zhì）造過程中表麵形貌及缺陷的形成、影響機製、抑製方法，可極大（dà）節（jiē）約激光核聚變裝置的運行維護成本、加（jiā）速新一代激光核聚變點火（huǒ）裝置的研製進程。
空間（jiān）X射線探測是（shì）脈衝星全自主計時導航、X射線通信、空間環境監測等工程（chéng）應用（yòng），天文觀測、太陽X射線探（tàn）測等空間科學探測的關鍵技術。空間（jiān）X射線反射（shè）鏡由多層輕質薄壁複雜曲麵鏡片經同軸共（gòng）焦（jiāo）精密裝（zhuāng）配而成，要求加工至亞納米表麵粗糙（cāo）度（dù）、微弧度級斜（xié）率偏差、極少的加工缺陷。目前，相比（bǐ）發達國家X射線多層嵌套（tào）反射鏡加工技術，我國在反射（shè）鏡層數、分辨率方麵差距明顯，研製高靈敏度空間X射（shè）線探測係統亟需解決相關難題（tí）。突破多層嵌套式X射線（xiàn）空間反射鏡（jìng）製造（zào）新工藝的（de）基礎理論與工藝（yì）方法，對推動新一代航天器深空全自主導航與通信、深空探測、空間科學領域發展具有重要（yào）的科學意（yì）義和工程價值。
在半導體芯片製造領域，極紫（zǐ）外光刻技（jì）術是國際半導體行業延續摩爾定律、確保（bǎo）光（guāng）刻分辨率進入7 nm/5 nm節點（diǎn）的核（hé）心關鍵（jiàn）所在。極紫外光刻物鏡需要（yào）適（shì）應以（yǐ）全頻段、亞納米精度製造為代表的一係列苛刻要求（qiú），才能保證光刻性能：采用光學（xué）自由（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（lái）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戰性。目前，隻有德（dé）國蔡司集團能夠生產麵向大規模（mó）製（zhì）造的極（jí）紫外光刻物鏡；我國重點研究的深紫外光刻物鏡製造技術，與國際先（xiān）進水平相比差距明顯，是製約極大規模集成電路製造技術發展的“卡脖子（zǐ）”環節。
我國高（gāo）端光學元件超精密製造技術及裝備，相比國際前沿（yán）存在階段性差距，成為製約高端裝（zhuāng）備（bèi）製造（zào）業（yè）發展的重大（dà）短板。在高（gāo）新技術領域（yù）國際（jì）競爭（zhēng）趨於激烈、一些國家試（shì）圖（tú）對我國進行科技封鎖的背（bèi）景下（xià），“自主可控（kòng）”解（jiě）決光學製造這一“卡脖（bó）子”難題顯得尤為迫切（qiē）。發展國產高端光學元件超精密加工（gōng）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（xì）統（tǒng）的精密超精密加（jiā）工技術及（jí）裝（zhuāng）備的發展戰略研究”，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（dòng）新形（xíng）勢下高端（duān）光（guāng）學元件超精密加工技（jì）術與裝備的高質量發展。文章（zhāng）作為相關（guān）谘詢（xún）項目研究成果的學術（shù）性展示，梳理光學元件超精（jīng）密加工方法與裝備（bèi）、高性能（néng）基礎部件、超精密光學加工（gōng）相（xiàng）關測量方法與裝備的發展現（xiàn）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（nián）高端光學元件超精（jīng）密製造（zào）技術路線（xiàn）圖，以期（qī）為（wéi）我國（guó）超精密加工技術領域基礎研究、技術攻關（guān）、裝備應（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精密（mì）加工（gōng）技術（shù）與裝（zhuāng）備發展現（xiàn）狀
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高端光學元件製造的載體是精密 / 超精密光學（xué）加（jiā）工機床。在以（yǐ）“高檔數（shù）控機床與基礎製造裝備”國家科技重（chóng）大專（zhuān）項（xiàng）（簡稱04專項）為代表的國家科（kē）技計劃支持下，我國初（chū）步形成了超精密加工機床自主研發能力，產（chǎn）品品種基本滿足重點領域需求，數控係（xì）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來判斷，我國機床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（fāng）法和裝（zhuāng）備
美國企業在光學元件超精密加工領（lǐng）域起步（bù）最早（zǎo）、水平最高，歐洲企業緊隨其後，日本企業在中小型民（mín）用超精密加工領域具有（yǒu）獨特優勢；這（zhè）些企業技術體係成熟且注重技術原（yuán）始創新，占據了大部分市場份額（é）。近年來，我國的科研機構和企（qǐ）業在（zài）國（guó）家重大需求（qiú）的牽引下（xià），積極開展光（guāng）學元件超精密加工技術（shù）研究，但與國外相（xiàng）比存在階段（duàn）性差距。① 自主研製的（de）超精密加工機床，其數（shù）控係統性能與可靠性、主軸（zhóu）回轉（zhuǎn）精度與轉速、溜板直線（xiàn）度與定位精度、納米級（jí）運動控製與補償、加工精度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（xīn）與要素融合不足，基（jī）礎研究脫節，應用技術轉化率不高，原創（chuàng）技（jì）術稀缺，以跟（gēn）蹤研究為主（zhǔ）流。② 在我國超（chāo）精密加工機（jī）床市（shì）場上，國（guó）外公司占據主導地位，進（jìn）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（duān）民用為代（dài）表（biǎo）的（de）大規模、產業化應用尚未（wèi）展開。③ 國內相（xiàng）關研究（jiū）隊伍規模較大，然而具有（yǒu）國際影（yǐng）響力、引領產業發展的標誌性人才稀缺，有關超精密機床製（zhì）造方麵的基礎研究力量儲備薄弱。
（二）數控（kòng）係統、關鍵功能部（bù）件和刀具
通過持續努力，我（wǒ）國在超精密機床數控係統、關鍵功能部件、刀具等方麵基本具備了自（zì）主保障（zhàng）能力。國產高檔數控係統（tǒng）的功能基本接（jiē）近國外（wài）先（xiān）進係（xì）統，高檔數（shù）控係統配套應（yīng）用（yòng）超過1500套，中檔數控（kòng）係統配套超過7萬套；高檔數控與伺服驅動係統仍依賴進口。國產功能部（bù）件平均無故障工作時（shí）間超過15 000 h，基本滿足數整機配（pèi）套技術要求，但精密軸承（chéng）、精密導軌、高精密光柵等基礎部件製造（zào）仍是薄弱環節。國（guó）產數控係統、伺服係統、精密光（guāng）柵等核心部件未能形成貫通（tōng）配套，應（yīng）用領域用戶的認可度不高。刀具品種數量豐（fēng）富（超過45 000種（zhǒng）），行業用刀具國產化率提升至45%，但用於超精密加工的高性能刀具，在加工效率（lǜ）、使用壽命方麵落後於進口產（chǎn）品。
國產數控係統的市場格局具有低端快速膨脹、中端（duān）進展緩慢、高端依賴（lài）進口的特（tè）點。國產高（gāo）端數控係統的功能、性能、可靠性等存在明顯不足，導致高檔數控係統（tǒng）市場90%以上被進口（kǒu）產品占據。機床智能控製係統是新一代機床的重要組成部（bù）分，人工（gōng）智能、數字孿生、雲服務等技（jì）術是支撐智能控製係統的關鍵，相（xiàng）關研究有待（dài）深入。
國產主軸的徑向回轉精度約為50 nm，不（bú）能適（shì）應超精（jīng）密機床的集成要求：電主軸的電機（jī）內裝式結構、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、承載能力不足且難以保證高轉速下主軸的高回轉精度，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（tái）的徑向 / 軸向回轉精度約為25 nm，不能（néng）完全滿（mǎn）足超精密機床的研（yán）製要求。超精密回轉工作台存（cún）在很多問題（tí），如液體（tǐ）靜壓轉台的動（dòng）態特性不（bú）穩（wěn）定，轉（zhuǎn）台工作精度隨著（zhe）溫度升高而降低。
國（guó）內導軌加工仍停留在1 m長度、1 μm直線度的水平，相應的超高精度導軌沒有擺脫進（jìn）口依賴。氣浮導軌承（chéng）載力低、穩定性差，精密滾（gǔn）動導軌副的抗振性（xìng）欠佳、機械磨損（sǔn）大，液體靜壓導軌在溫升（shēng）控製、流量控製等方麵存在短板。
國產光（guāng）柵位（wèi）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（shān）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（fā）與製造能力薄弱，應用於光刻機等高端製造裝備的（de）二維光柵更是（shì）缺失。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，圓光柵編碼器（精度優於±1″）等高端產品被國外企（qǐ）業（yè）壟斷。
國產超硬車銑刀具的精度和使用壽命等，與國外先（xiān）進水平相比差距（jù）明顯。金剛石砂輪結合劑的耐磨性（xìng）較低，細粒度（dù）金剛石（shí）砂輪的磨削加（jiā）工精度低、加（jiā）工質量不穩定。拋光工具的平坦度較低，使用（yòng）壽命較短，缺陷（xiàn）率較高。超高純膠體SiO2等高端原材料需要進口。
（三）光學元件超（chāo）精密加工中的測量（liàng）方法與（yǔ）裝備
在機床精（jīng）度測量方麵，激光幹涉儀、電容傳感器在超精密機床的幾何誤差測量中應用廣泛，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（cè）量的儀器、測量方案、測量標準等亟需發（fā）展。通過試切法、誤差敏感性分析來識別機床幾何誤差在實（shí）際應用中較為（wéi）流行，深入（rù）研究誤差溯源分（fèn）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（zhì）能製（zhì）造裝備的研製（zhì）需求，是機床（chuáng）精度檢測技術的主（zhǔ）要發展（zhǎn）方向。
光學元件（jiàn）離（lí）線檢測（cè）設備主要依賴進口，如超精密（mì）接觸式檢測設備方麵的泰勒霍（huò）普森、蔡（cài）司、馬爾等品牌，幹涉檢測設備方麵的ZYGO、QED等品牌。針對非球麵（miàn）、自由曲麵的超精密測量是光（guāng）學元件檢測的難點，相應檢測技（jì）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（xiǎn）調整的情況下，快速自動（dòng）地進行不（bú）同種類光學表麵的檢測；後者要求盡可（kě）能地提高檢測精度，用於檢測超（chāo）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）。
在光學元件在位測量方麵，雖然提出了加工 ‒ 測量一體（tǐ）化理念，成（chéng）功用於光學元件的精密（mì）加工過（guò）程（chéng）並取得了原創性成果，但在位測量、加（jiā）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，很難滿足多尺度、高精度、高頻響、動態（tài）測量、多參量的測量需求。三維複雜（zá）結構表麵具（jù）有廣泛應用，相應微表麵形貌的測量不僅涉及粗糙度或瑕疵，而（ér）且與輪（lún）廓、形狀偏差、位置偏差密切相關。未來，在位測量需兼具高速性、實時性、高分辨率、大測（cè）量縱深、寬（kuān）測量（liàng）範圍。實現在位測量高精度信息獲取、高效率數（shù）據（jù）處理，關鍵在（zài）於融合局部測量 / 全局測（cè）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理論與評定方法。
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三、高端光學元件超精密加工技術與裝備發展趨勢
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（一）精度與尺寸極端化
極（jí）大尺寸、極小尺寸、極（jí）高精度的光學元件，市場需求趨於迫切：① 大口徑非球麵光（guāng）學元件廣泛應用於遙感衛星（xīng）、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（kǒu）徑為3~7 m；② 微結（jié）構光學功能元件在三維成像、光學聚焦、測量、冷卻、減阻（zǔ）、潤濕等方麵（miàn）應用（yòng）廣泛，相應結構尺（chǐ）寸可（kě）達（dá）微 / 納米（mǐ）級（jí）；③ 在麵形（xíng）精度、表麵完整性要求進一步提高後，超（chāo）精密加工過程中的（de）材料去除量降低至微米、納米，甚至原子（zǐ）量級。此外（wài），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（dù）結構實現特定功能與（yǔ）性能，是新一代製造技術的趨勢之一（yī），對革新高端光學器件製造具（jù）有積極意義。
在（zài）光學元件尺寸（cùn）和精度極（jí）端化的背景下，需要優化已有研究規劃，適時布局以極端精度與尺度（dù）製造為代（dài）表的新一代製造技術。立足微觀力學、機械製造的學科背景，積（jī）極推動機械、物（wù）理、化學、材（cái）料等學科交叉，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機（jī）理、光學材料多能場輔助的超精密加工新原理（lǐ）與（yǔ）新（xīn）方法、光學（xué）材料（liào）超精密（mì）加工亞表麵損傷的產生機理（lǐ）與抑製方法、光學（xué）元件近零損傷表麵（miàn）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（jīng）密加（jiā）工關鍵技（jì）術突破、先（xiān）進加工工藝與裝備開發築牢（láo）基（jī）礎。
（二）形狀與性能一體化
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，也受到表層材料（liào）物理、化學（xué）、機械（xiè）性質變化（huà）的顯著影響。例如，激光核聚變裝（zhuāng）置未能實現預期的“點火”目標，重要原因在於加工（gōng）缺陷抑製水平不能滿足係統對輻照（zhào）損傷的要（yào）求。紫外光學（xué）元件高性能（néng）超精密製造及其抗強激（jī）光損傷特性，實際上成為製（zhì）約激光核聚變裝置能否（fǒu）成功研製的瓶頸。
以加工精度作為單一評（píng）價指（zhǐ）標（biāo），已不再滿足高性能光學元件的製造要求，需要綜合（hé）使（shǐ）用（yòng）幾何精度、表（biǎo）麵（miàn）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（zhuàng）與尺寸精度要（yào）求，提升為以性能要求為主、性能與幾何參數一體化（huà）的精密加工要求，此即高性能製造。需要建立麵向使役性能要求（qiú）的形狀 ‒ 性能一（yī）體（tǐ）化加工理論、方法以及工（gōng）藝技術體係，為解決高性能光學元件的製造難題提供新方（fāng）案。
（三）加工工藝複合化
高端光學元件苛刻的服役條件以及極高的性能要求，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（duō）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。當前主流（liú）的加工技術具有局限性，如（rú）加工效率偏低、加工精度低（dī）不足、表麵質量難（nán）保證、加工可達性差、環境（jìng）汙染風險高等，高（gāo）質、高效、綠色的（de）先進超精密加（jiā）工（gōng）技術成為研究趨勢。
采用多能場輔助或者兩（liǎng）種以上加工工藝複合方（fāng）法，可取長補短（duǎn）並發揮各自優勢，克服（fú）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（xīn）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（jì）術應用。複合加工技術朝著高精度、微細化方向發展，成為高端光學元件超精密（mì）加工的重要趨勢；針對性開（kāi）展超（chāo）精密複合加工理論與技術創新研究，切實提升（shēng）光學製造技術（shù）水平與市場競爭力。
（四）加工與（yǔ）檢測（cè）一體化
超精密光學製造突出表現（xiàn）在高精度、高性能、高效（xiào）率（lǜ）的疊加，加工（gōng）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（xué）過程（chéng）的智能化調控更顯重要。製造裝（zhuāng）備、工具、工藝、檢測設備等麵臨變革，如製造工具需在多傳（chuán）感器參與（yǔ）的感知調控下具備材料去除、添加或改（gǎi）性功能。在檢測方麵，提高精度是關鍵，在位、高效、穩定仍（réng）是主要目（mù）標（biāo），支持實現高質（zhì）量綜合評（píng）價的多物理量檢測（cè）成為新發（fā）展方向。
在超精密加工與檢測一體化方麵，重（chóng）點研究內容（róng）有：在線、在位測（cè）試與評定新原理和方法，加工裝備精度的在線檢測模型和係統，超精密加工機床精（jīng）度指標的（de）測試與評定係統，高精度自由曲麵（miàn）及微（wēi）細結構（gòu）測量的新原理與新方法，新型模塊化、可重組、多功能測（cè）試裝（zhuāng）備技術，超精密測量誤差多源分離新方法。超（chāo）精（jīng）密加工測量的發展趨勢表（biǎo）現為：高精度、大量程測（cè）量，形狀和位置精度的同（tóng）步測量（liàng），多物理量檢測表征，高性能檢測的計量。
（五（wǔ））裝備與（yǔ）工（gōng）藝智能化
受高端光學係統的（de）需求（qiú）牽引，複雜麵形或難加工材（cái）料元件的加（jiā）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（lǐng）域中的應用規模拓展後，高端光學元（yuán）件的（de）規模化、定製化製造需求（qiú）凸顯（xiǎn），從而提出了製造設備的高效率、高精度、智能化加工要求。在世界工業新一輪技術浪潮驅動下，智能製造成為製造業（yè）的主（zhǔ）導趨勢；工業強國采（cǎi）取積極行動，促進製造（zào）業在智能製造、智慧化生產等方向的革新發展。
目前，高端光學係統的光學元件較多采用定製化的設計生產模式（shì），根據（jù）客戶特殊需要“量身（shēn）定製”解決方案；生產製造企業需掌握設（shè）備生（shēng）產工藝，將智能製造技術運用到細分市場產品，進而為各類產品創建（jiàn）自動化解決方案。著眼（yǎn）未來，智能製造裝（zhuāng）備企業應圍繞市場需求，構建高度（dù）自動化的生產過程（chéng），對各種製造對象、各（gè）類製造環境具有（yǒu）良（liáng）好的適應性。裝備與工藝智能化發展，將融合數（shù）字孿生、大（dà）數據、人（rén）工智能等信息技術，全麵提升並高效運用控製、傳感、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術路（lù）線圖研究
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研究和編製高（gāo）端光學元件超精密加工技（jì）術路線圖（tú），可直接（jiē）支撐（chēng）我國（guó）在（zài）此技術（shù）方向（xiàng）的中長期發展規劃、技術（shù）攻關、理論探索。研究依托（tuō）相關谘詢項目，集聚領域內院士、專家（jiā）、學者的集（jí）體（tǐ）智慧，重點完成兩方麵工作：① 開展廣泛的文獻調研，與航天、航空、船舶、兵器（qì）、光學應用、機（jī）床製（zhì）造（zào）等領（lǐng）域的企業和科研院所實地調研相結合，全麵把握我國高端光學元件（jiàn）超精密加工技術方向的發展態（tài）勢和需求情況；② 組織召開（kāi）了近20次研討會，麵向86位本領域（yù）專家開展問卷調查，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（chéng）我國技（jì）術發展（zhǎn）布局建議。
以2035年為目標節點形成（chéng）的高（gāo）端光學元件（jiàn）超精密加工技術及裝備發（fā）展路線圖（見圖（tú）1），包含7個方麵的內容（róng）：應用需求，發展目標，重點產（chǎn）品，數控係（xì）統、關鍵功能部（bù）件和刀具，測量方法與裝備，光學元（yuán）件製（zhì）造共性關鍵技術，應用示範（fàn）工程。
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圖1 高（gāo）端（duān）光學元（yuán）件超（chāo）精密加工技術及裝備發展路線圖
（一）應用需求
1. 深入實施（shī）製造強國戰（zhàn）略的需要
國家“十四五”規劃綱要提出，深入實（shí）施製（zhì）造強國戰略。高（gāo）端光學（xué）元件作為製造業的核心基礎（chǔ）零件（jiàn），其（qí）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（yì）義重大。X射線望遠鏡、極紫外光刻機（jī）、激光核（hé）聚變裝置、自由電子激光裝置、同步輻射裝置等高端裝備（bèi）列為科技前沿領域和重大基（jī）礎設施，關鍵光學元件的性（xìng）能決定了這些（xiē）高端裝備的性能，而當前的製造水平不足以匹配（pèi）光學元件的高性能製造需求。
2. 產業（yè）發展需求
消費電子、半導體（tǐ）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（guó）光學鏡片、鏡頭、模組等元器件的市場（chǎng）規模為（wéi）1568億元；技術更新速度快（kuài），相應市場規模將進一步擴大。國內從事高端（duān）光學元件（jiàn）精密製造的（de）企業，數量較少且產品（pǐn）集聚在中低端，在高分辨率定（dìng）焦（jiāo）、大倍率變焦（jiāo）、超（chāo）高清、光（guāng）學防抖、安防監控一（yī）體機鏡頭等（děng）中高（gāo）端光學鏡頭製造方（fāng）麵的核心技術薄弱甚（shèn）至部分缺失。開展高端光學元件高性能超精密製（zhì）造基礎理論與（yǔ）關鍵技（jì）術研（yán）究，突（tū）破國內市場格局並高質量“走出（chū）去”，是國內（nèi）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、精確製導飛行器、高能（néng）激光器等裝備是國防裝備信（xìn）息化和現代化的重要支撐，大口徑空間反射鏡、飛行器整（zhěng）流罩、折衍混合光學元件、高能激光（guāng）組件等高端光學元件是先進裝備的關鍵零件（jiàn）。這些關鍵零件的製造水（shuǐ）平決定了國防裝備的設計性能與服役規（guī）模。然而，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先進裝備發展需求，有關技（jì）術封鎖和設備禁運也客觀存在，自主攻關高端光學元件超精（jīng）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（jiàn）技術
圍繞（rào）高端光學元件的超精密製造需求，重點（diǎn）突破全頻譜納（nà）米 / 亞（yà）納米級精度創成、近無（wú）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（jīng）密智能機床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（xìng）能。
2. 研發（fā）和應（yīng）用關鍵超精密加工裝備
在近期，重點研發應用亟需但（dàn）未能（néng）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（máo）坯製造基礎（chǔ）裝備（bèi）、輕量（liàng）化及超精密磨削裝（zhuāng）備（bèi）、亞納米級加工裝備、超大口徑光學元件超精密測量儀器。在此基（jī）礎上，進一步提升重大裝備性能（néng）並擴充種類，如7 m及以上口徑光學元（yuán）件毛坯（pī）製造基礎裝備、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（jiàn）超精密測量儀器、超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. 形成超精（jīng）密製造領軍企業
優（yōu）化以國家重點實驗室、國家工程研究中心、省（shěng）部級重點實驗室為核心的光學元件超精密製造科研體係，引導“產學研”融合發展，推動創新資源整合升級。鼓勵重（chóng）點（diǎn）方向基礎良（liáng）好的企業發（fā）展成為（wéi）專精特新“小巨人”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（gěi）水（shuǐ）平（píng）。發展光學元件超精密製造專業技（jì）術服務企業，支持形成良好的（de）製造業生態。
4. 提（tí）升機床和單元部（bù）件的自主化率（lǜ）及市場占有率
打破我國光學元件加工機（jī）床行業“低（dī）端混（hún）戰、中端爭奪（duó）、高端失守、大而不強”的競爭格局。在國（guó）產光（guāng）學（xué）元件超精密製造裝備、高檔數控（kòng）係統、超（chāo）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） 重點產品
1. 超精密車削裝備
到2025年，麵形誤差（chà）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（biǎo）麵粗糙度Ra≤2 nm。到2035年，麵形（xíng）誤差（chà）PV≤0.1 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤1.5 nm。
2. 超精密銑削裝（zhuāng）備
到2025年，麵形誤差PV≤0.3 μm/75 mm，表麵粗糙度（dù）Ra≤10 nm。到2030年，麵（miàn）形（xíng）誤差（chà）PV≤0.2 μm/75 mm，表麵（miàn）粗糙度Ra≤8 nm。到（dào）2035年，麵形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤5 nm。
3. 超精密磨削裝備
到2025年，加工口徑≥4 m，麵（miàn）形誤差PV≤10 μm/m，亞表麵損傷≤35 μm。到2030年（nián），加工口徑≥5 m，麵形誤差（chà）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≤15 μm。
4. 超精密拋光（guāng）裝備
到2025年，加工口徑≥4 m，麵形誤差（chà）RMS≤12 nm。到（dào）2030年，加工口徑≥5 m，麵形（xíng）誤（wù）差RMS≤8 nm。到2035年，加工口徑≥7 m，麵形誤差RMS≤5 nm。
（四）數（shù）控係統、關鍵功能部件和刀具
1. 數控係統
建立開放式（shì）、網絡化的雲架構數控係統，基於雲（yún）平台的智（zhì）能數控係統。雲上控製編（biān）程處理靈活，開放性良好，支持手機、筆記本電腦、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（cè）量、虛擬現實仿真、自監控、維護、優化、重組等（děng）功能。
2. 關鍵功能部件
到2025年，突破超精密動靜壓軸承製造（zào）與檢測、超精密反饋元件與運（yùn）動控製等技術，具備高精度、高剛度、運動（dòng）平穩的功能（néng）部（bù）件製造能力。到2030年，突破多物理量可調運動部件、檢測單元等技（jì）術（shù），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狀態（tài）感知、多物（wù）理量調控、精度 / 剛度補償等技術，具備智（zhì）能化功能部件製造能力。
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、高性能金剛（gāng）石 / CBN砂輪的能力，進一（yī）步發展超細粒度、高性能金剛石（shí） / CBN砂輪（lún）。在金剛石車 / 銑刀具方麵，著重發展複合納米（mǐ）結構化刀（dāo）具，解決加工表麵中高頻誤差大、加工效（xiào）率和精度難以兼顧的難（nán）題。在拋光工具方麵，近期發展多（duō）種可控柔體亞納米拋（pāo）光工（gōng）具，進一步（bù）發展刀具工作狀態智（zhì）能（néng）化監測、刀具數字（zì）化設（shè）計製造（zào）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（wù）差測量儀器（qì）和標準方麵，開發新一代測量儀器、方案和標準，破解激光幹涉儀、電容傳感器價格昂貴，操作複雜等難題。在超精密機床（chuáng）誤差（chà）識（shí）別與實（shí）時補償技術方麵，開發誤差溯源分析算法，高效識別幾（jǐ）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（fāng）麵，探究技術（shù）機理，揭示超精（jīng）密機床的幾何誤差與加（jiā）工表麵質量之間的關係及響應機製。
2. 光（guāng）學（xué）元件在位（wèi）測（cè）量
在光學元件（jiàn）的低應力、高效率、接觸式測（cè）量技術方麵，降低接觸應力對光學元件的破壞作（zuò）用，削弱（ruò）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、汙染條件下（xià）複（fù）雜光學元（yuán）件幾何精度的超精密檢測難題（tí）。在光學元件的多模態跨尺度形性測量技術方麵（miàn），實現麵形精度、微觀形貌、表麵缺陷、亞表麵損傷、殘餘應力等（děng）多模態、跨尺度表麵特性與使役性能的快（kuài）速表征。
3. 光學元件離線測（cè）量
在複雜光學元件亞納米幾何精度（dù）測量技術方麵，突（tū）破高陡度非球麵、自由曲麵的全頻譜亞納米精度檢（jiǎn）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，實現光學元件多參（cān）數表麵完整性（xìng）的實時定量準確評價，提升加（jiā）工缺（quē）陷的修複精（jīng）度。在光學元件時 ‒ 空域形性參（cān）數的跨尺度表（biǎo）征與信息融合技術方麵，麵向（xiàng）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（zào）共（gòng）性關鍵技術（shù）
1. 全頻譜納米 / 亞納米級精度創成
複雜光學元件（jiàn）的全（quán）頻譜納（nà）米 / 亞納米級精度創（chuàng）成決定了光刻物鏡、空間光學、強光光學等方麵（miàn）的應用水平，研（yán）究（jiū）難度（dù）表現在（zài）：納米精度要求（qiú）穩定實現亞納（nà）米量級的材料去除；複雜形（xíng）狀引起（qǐ）材（cái）料去除率（lǜ）變化，需要進行有效補償；全頻段誤差、加工缺陷等影（yǐng）響光學性能，要求實現（xiàn）一致（zhì）收斂和去除。現有光學加工方法較多基（jī）於（yú）經驗，具有不確定性，難以克服現代光學零件加工（gōng）的性能（néng）瓶頸，需要突破異質（zhì） / 各向（xiàng）異性材料納米量級可控去除、複（fù）雜曲麵可控補償修形、弱（ruò）剛度光學元件確定性去除、微弧度級斜率誤差抑製、光學製造裝備運動軸（zhóu）性能設計、複雜曲麵全（quán）頻段超精密檢測等關鍵技術。
2. 近無缺（quē）陷高表麵完整性加工
采用單（dān）一物理場（chǎng）的加（jiā）工方法，很難實現高精度的近零（líng）亞表（biǎo）麵損傷加工；原子（zǐ）級多物理場納米加工（gōng）機理研究（jiū）匱乏，加工表麵容（róng）易出現脆性裂紋、加工缺陷、表層物理（lǐ）和化學特性（xìng）變化。研（yán）究多能場複合加工中（zhōng）表麵完整（zhěng）性的動態演（yǎn）化過程及其影響因素，辨明實現近無缺陷高表麵完整性加（jiā）工的條件，需要（yào）突破（pò）麵向光學元件使役性能的表（biǎo）麵完整性設計、光（guāng）學（xué）元件控域控量（liàng）控性、表麵加工（gōng）缺陷（xiàn）確定性原位修複（fù）、跨尺度表麵缺陷無（wú）損精確表征、多參（cān）數表麵完整性多物理場（chǎng）表征等關鍵技術。
3. 超精密數控（kòng）機床正向設計與數據資源建構
國產精密 / 超精密光學加工機床的精度、可靠性、穩定性，相比國際先進水（shuǐ）平存在階段性差距，缺乏麵（miàn）向機床使役性能（néng）的正逆（nì）向設計方法是導致上述差距的重（chóng）要原因。超精密機床的正向設計，取決於設計資（zī）源數據庫，機床的精度及剛度與機床結（jié）構、零部件精度、控製（zhì）參（cān）數之間的關係模型；需要突破數控機床的功能設（shè）計、構型設計，精（jīng）度設計（jì）、靜 / 動剛度設計、熱平衡設計，包括動力學優化、輕量化設計在內的多學科優化設（shè）計（jì）等關（guān）鍵技術；構建開放的工藝軟件與數據（jù）庫（kù），集成完備的設計規範與標（biāo）準、知識庫、案例庫（kù）。
4. 超精密智能機床製造
超精密機床製造技術薄弱，是國產光（guāng）學加工裝備性能落後於進口產品的關鍵因素之一。提高超（chāo）精密機床製造水平（píng），需兼顧關（guān）鍵零部件製造與整（zhěng）機裝配（pèi）、智能機床係統與技術的發展：對於前（qián）者，需要突破基（jī）礎結構件低應力製造、高分（fèn）辨率納米 / 亞納（nà）米運動伺服進給係統製造、工件台納米（mǐ）定位與運動協同（tóng）控製、超精密空氣主軸與全約束閉合（hé）式油靜壓導軌製造、自動調平間斷式空氣隔（gé）振係統（tǒng）製造（zào）、超精密切削與高效（xiào）低損傷磨拋工具製造等方麵的關鍵技術；對（duì）於後（hòu）者，需要突破高穩定性智能伺服調整、熱變形智能控（kòng）製（zhì）、加工狀態（tài）實時智能導航、五（wǔ）軸加工誤差智能調諧、智能實（shí）時防碰（pèng）撞係統（tǒng）、加工過程切削負載自適（shì）應（yīng）智能控（kòng）製、機床運行狀態智能診斷與預（yù）警等關鍵技術。
（七）應用示範工程
1. 大口（kǒu）徑輕量化空間光學元件製造
高分辨率對地觀測係統、X射線望遠鏡等空間裝備，以大口徑光（guāng）學元件（jiàn）為核心功（gōng）能支撐。大（dà）口徑光學元件材料硬（yìng）脆、麵（miàn）形複雜、極端輕量化，需要實現全頻譜納米（mǐ）級加工精度，而國（guó）產製造裝（zhuāng）備在口徑、精（jīng）度、效率方麵均不能滿足（zú）要求。建議（yì）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. 探測製導光學元件高性能超精（jīng）密製造
精密複雜慣性器件、高陡度保形光學元（yuán）件（jiàn）等，較多采用高（gāo）硬脆（cuì）性材料，麵臨共形、氣動熱、高光譜、高過載等使（shǐ）役環境挑戰；通過加工精度、材料特性、結構設計方（fāng）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（de）光學元件設計 ‒ 加（jiā）工 ‒ 測量一體化製造應用示範（fàn）工（gōng）程，揭示極端服役環境下（xià）加工精度對服役性能的（de）影響機製，形成探測製導光學元件的高性能（néng）超精密製造技（jì）術與國產化加工裝備（bèi）。
3. 強光光學（xué）元件抗輻照損（sǔn）傷製造
激光點火裝置（zhì）、高能激光器的強光光學（xué）元件服役於強激光環境，因加工缺陷誘導的輻照損傷成為製約相應裝備性能提升的瓶頸。建議實施強光（guāng）光（guāng）學元件抗輻照損傷製造（zào）應用（yòng）示範（fàn）工（gōng）程（chéng），揭示微納米加工缺陷對（duì）抗輻照損傷（shāng）性能的影響及抑製機理，形成（chéng）近無缺（quē）陷強光元件的高性能製造技術和國產化磨削、拋光、缺陷抑製裝備。
4. 極紫（zǐ）外光刻機物鏡（jìng）超精密製造
光刻物鏡的製造水平決定著光刻機的製程（chéng）精度，我國在此方向的技術基（jī）礎（chǔ）薄（báo）弱，尚無自主可控（kòng）的產品可供應用（yòng），而進口渠道（dào）不可依賴。建議（yì）實施極紫外光刻機物鏡超精密製造應用示（shì）範工（gōng）程，闡明原子 / 近原子（zǐ）尺度加工機理，形成全頻譜亞納米精度光刻物（wù）鏡加工技術與國產化拋光、修形、檢測裝備。
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五、我國高端光學元件超精密加工技術與裝備發展建議
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（一（yī））優化創新體係設置，組（zǔ）織優勢（shì）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（zhōng）心（xīn）、光學元件超精密製造技術創新聯盟（méng）。采取“政產學（xué）研用”協同創新模式，積極發揮政（zhèng）府引導作用，形成市場主導的（de）發展模式。強化用戶工藝主導（dǎo）的主（zhǔ）機研發理念，突出用戶（hù）工藝應用驗證，提升超精密加工機床的工藝適應性。組織企業（yè）需求對接、重大項目論證、關鍵技術研討（tǎo），著力解決機床正向設計與資源構建、超精密機（jī）床製造、可靠性與精度保持性、納米 / 亞納米精度創成（chéng）、近無缺陷加工等關鍵技術和瓶（píng）頸環節（jiē）。
（二（èr））加大資源（yuán）保障力度，布局基礎（chǔ）研究和技術攻關計劃
在（zài）國家各類科技（jì）計劃中，有層次（cì）、有（yǒu）重（chóng）點地支持光學（xué）元件超精密加工技（jì）術發展。建議設立“關（guān）鍵光學元件高性能製造（zào）基礎”國家自然科學基金（jīn）重大項目、“光學製造基礎（chǔ）”國家自然（rán）科學基金重大研究計劃，支持（chí）突破（pò）光學元件高性能（néng）製造的基礎理論與關（guān）鍵技術。建議接續實施（shī）“高檔數控機床與基礎製造裝備”國（guó）家科技重大（dà）專項，增設“光學元件高性能超精密製造技術與裝備”專題（tí），為超精密數控機床（chuáng）發展提供關（guān）鍵支持（chí）。建議“高性能製造（zào）技術與重（chóng）大裝備”國家重點研（yán）發計劃項目加大對光學元（yuán）件（jiàn）超精密製造技術與裝備的支持力（lì）度（dù），推動光學製造（zào）共性關鍵技術研發與應用示範。
（三）加強人才培育，構（gòu）建（jiàn）梯隊並擴大隊伍規模（mó）
機床（chuáng）領域相對（duì）“冷門”，在高校中的（de）學科地位被弱化，高（gāo）端人才流失現象嚴重，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，需要依托創新型（xíng）領軍企業、具有（yǒu）比較優勢的科研院（yuàn）所，在培養、引進、用好領軍人才、創新團（tuán）隊方麵積極作為。建立高（gāo）端人才引進通道，完善配（pèi）套（tào）政策，運用（yòng）技術入股（gǔ）、股權激勵、成果轉化收益（yì）分配等機製。培育麵向工業創新需求（qiú）的工程技術人才、基礎紮實的應用型研（yán）發人才，合理擴大（dà）隊伍規模（mó）。可在（zài）各類科技計劃中增設定向項目，給與專業團隊連續（xù）支持（chí），保持研（yán）究隊伍穩（wěn）定。
（四）築（zhù）牢產業發展基礎，培（péi）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，支持國產超精密機（jī）床、高檔數控係統（tǒng）、高（gāo）性能（néng）關鍵功能部件、高性能刀具的產品研發（fā）與示範（fàn）應（yīng）用，兼（jiān）顧（gù）市場競爭力提（tí）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（yè），鼓勵關聯企業發展成為專精（jīng）特新“小巨（jù）人”企業，在財稅、投融資、技術研發、產品進 / 出口、知識產權、國際合作等方麵（miàn）給與重點支持。
