蔣莊德院士：高端光學元件超精密加工技術(shù)與裝備發(fā)展研究
來源：《中國工程科學》2023年第1期
作者：蔣莊德，李常勝，孫林，段端志，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，研究高端光學元件超精密加工技術(shù)與裝備發(fā)展，對于實施制造強國戰(zhàn)略、滿足高端裝備產(chǎn)業(yè)需求具有積極意義。我國高端光學元件超精密制造技術(shù)及裝備，相比國際前沿存在階段性差距，成為制約高端裝備制造業(yè)發(fā)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刊《中國工程科學》2023年第1期發(fā)表《高端光學元件超精密加工技術(shù)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、超精密光學加工中的測量方法與裝備等的發(fā)展情況，凝練了精度與尺寸極端化、形狀與性能一體化、加工工藝復合化、加工與檢測一體化、裝備與工藝智能化等發(fā)展趨勢。通過廣泛的行業(yè)調(diào)研和研討，從需求、目標、產(chǎn)品、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用示范、支撐保障等層次著手，形成了面向2035年我國高端光學元件超精密制造技術(shù)路線圖。針對性提出了優(yōu)化創(chuàng)新體系設(shè)置、組織優(yōu)勢資源成立技術(shù)聯(lián)盟，加大資源保障力度、布局基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)計劃，加強人才培育、構(gòu)建梯隊并擴大隊伍規(guī)模，筑牢產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)、培育龍頭企業(yè)和專精特新“小巨人”企業(yè)等發(fā)展建議，以期促進高端光學元件加工產(chǎn)業(yè)提升與高質(zhì)量發(fā)展。
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一、前言
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高端光學元件是決定航空航天、國防軍工、先進民用等領(lǐng)域高端裝備性能的關(guān)鍵零件，典型應(yīng)用對象有：高分辨率對地觀測系統(tǒng)、大型天文望遠鏡、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 / 極紫外光刻機、精密慣性器件、飛行器光學導引頭、消費電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械等設(shè)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；僅以幾何尺寸公差為關(guān)注點的傳統(tǒng)設(shè)計制造理念難以適應(yīng)高性能光學元件的制造需求，光學元件的超精密制造面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。
以慣性約束激光核聚變?yōu)槔?，為了實現(xiàn)核聚變“點火”所需的極端苛刻條件，美國國家點火裝置大規(guī)模采用了以熔石英、磷酸二氫鉀晶體材料為基礎(chǔ)的大口徑平面、非球面、離軸非球面等光學元件。我國在“神光”系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，服役在短波長范圍的高性能光學元件超精密制造及其抗強激光損傷特性成為制約激光核聚變驅(qū)動器 ? 巨型激光裝置能否成功研制的瓶頸問題。探究強激光紫外短波長光學元件超精密制造過程中表面形貌及缺陷的形成、影響機制、抑制方法，可極大節(jié)約激光核聚變裝置的運行維護成本、加速新一代激光核聚變點火裝置的研制進程。
空間X射線探測是脈沖星全自主計時導航、X射線通信、空間環(huán)境監(jiān)測等工程應(yīng)用，天文觀測、太陽X射線探測等空間科學探測的關(guān)鍵技術(shù)?？臻gX射線反射鏡由多層輕質(zhì)薄壁復雜曲面鏡片經(jīng)同軸共焦精密裝配而成，要求加工至亞納米表面粗糙度、微弧度級斜率偏差、極少的加工缺陷。目前，相比發(fā)達國家X射線多層嵌套反射鏡加工技術(shù)，我國在反射鏡層數(shù)、分辨率方面差距明顯，研制高靈敏度空間X射線探測系統(tǒng)亟需解決相關(guān)難題。突破多層嵌套式X射線空間反射鏡制造新工藝的基礎(chǔ)理論與工藝方法，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(lǐng)域發(fā)展具有重要的科學意義和工程價值。
在半導體芯片制造領(lǐng)域，極紫外光刻技術(shù)是國際半導體行業(yè)延續(xù)摩爾定律、確保光刻分辨率進入7 nm/5 nm節(jié)點的核心關(guān)鍵所在。極紫外光刻物鏡需要適應(yīng)以全頻段、亞納米精度制造為代表的一系列苛刻要求，才能保證光刻性能：采用光學自由曲面設(shè)計，減小光學系統(tǒng)波前誤差，增大數(shù)值孔徑，減少元件數(shù)量；使用超低膨脹的微晶玻璃來保證工作穩(wěn)定性，而這種異質(zhì)材料的高性能超精密制造具有挑戰(zhàn)性。目前，只有德國蔡司集團能夠生產(chǎn)面向大規(guī)模制造的極紫外光刻物鏡；我國重點研究的深紫外光刻物鏡制造技術(shù)，與國際先進水平相比差距明顯，是制約極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節(jié)。
我國高端光學元件超精密制造技術(shù)及裝備，相比國際前沿存在階段性差距，成為制約高端裝備制造業(yè)發(fā)展的重大短板。在高新技術(shù)領(lǐng)域國際競爭趨于激烈、一些國家試圖對我國進行科技封鎖的背景下，“自主可控”解決光學制造這一“卡脖子”難題顯得尤為迫切。發(fā)展國產(chǎn)高端光學元件超精密加工技術(shù)，是實現(xiàn)諸多大科學裝置、高端裝備應(yīng)用突破的必由之路。
中國工程院咨詢項目“高端光學系統(tǒng)的精密超精密加工技術(shù)及裝備的發(fā)展戰(zhàn)略研究”，廣泛開展了文獻調(diào)研、現(xiàn)場考察、會議研討、問卷調(diào)查，旨在推動新形勢下高端光學元件超精密加工技術(shù)與裝備的高質(zhì)量發(fā)展。文章作為相關(guān)咨詢項目研究成果的學術(shù)性展示，梳理光學元件超精密加工方法與裝備、高性能基礎(chǔ)部件、超精密光學加工相關(guān)測量方法與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，分析理論、工藝、裝備、應(yīng)用等方面的瓶頸問題，提煉超精密光學制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，形成面向2035年高端光學元件超精密制造技術(shù)路線圖，以期為我國超精密加工技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)、裝備應(yīng)用等研究提供基礎(chǔ)性參考。
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二、國內(nèi)外高端光學元件超精密加工技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀
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高端光學元件制造的載體是精密 / 超精密光學加工機床。在以“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項（簡稱04專項）為代表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(fā)能力，產(chǎn)品品種基本滿足重點領(lǐng)域需求，數(shù)控系統(tǒng)與關(guān)鍵功能部件的研發(fā)及配套能力基本形成。以04專項實施完畢后的狀態(tài)來判斷，我國機床行業(yè)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
美國企業(yè)在光學元件超精密加工領(lǐng)域起步最早、水平最高，歐洲企業(yè)緊隨其后，日本企業(yè)在中小型民用超精密加工領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢；這些企業(yè)技術(shù)體系成熟且注重技術(shù)原始創(chuàng)新，占據(jù)了大部分市場份額。近年來，我國的科研機構(gòu)和企業(yè)在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(shù)研究，但與國外相比存在階段性差距。① 自主研制的超精密加工機床，其數(shù)控系統(tǒng)性能與可靠性、主軸回轉(zhuǎn)精度與轉(zhuǎn)速、溜板直線度與定位精度、納米級運動控制與補償、加工精度與范圍等方面普遍滯后于國際前沿水平；“產(chǎn)學研用”協(xié)同創(chuàng)新與要素融合不足，基礎(chǔ)研究脫節(jié)，應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)化率不高，原創(chuàng)技術(shù)稀缺，以跟蹤研究為主流。② 在我國超精密加工機床市場上，國外公司占據(jù)主導地位，進口產(chǎn)品擁有多數(shù)份額；國產(chǎn)機床集中在航空航天、國防軍工領(lǐng)域應(yīng)用，以高端民用為代表的大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚未展開。③ 國內(nèi)相關(guān)研究隊伍規(guī)模較大，然而具有國際影響力、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的標志性人才稀缺，有關(guān)超精密機床制造方面的基礎(chǔ)研究力量儲備薄弱。
（二）數(shù)控系統(tǒng)、關(guān)鍵功能部件和刀具
通過持續(xù)努力，我國在超精密機床數(shù)控系統(tǒng)、關(guān)鍵功能部件、刀具等方面基本具備了自主保障能力。國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的功能基本接近國外先進系統(tǒng)，高檔數(shù)控系統(tǒng)配套應(yīng)用超過1500套，中檔數(shù)控系統(tǒng)配套超過7萬套；高檔數(shù)控與伺服驅(qū)動系統(tǒng)仍依賴進口。國產(chǎn)功能部件平均無故障工作時間超過15 000 h，基本滿足數(shù)整機配套技術(shù)要求，但精密軸承、精密導軌、高精密光柵等基礎(chǔ)部件制造仍是薄弱環(huán)節(jié)。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、精密光柵等核心部件未能形成貫通配套，應(yīng)用領(lǐng)域用戶的認可度不高。刀具品種數(shù)量豐富（超過45 000種），行業(yè)用刀具國產(chǎn)化率提升至45%，但用于超精密加工的高性能刀具，在加工效率、使用壽命方面落后于進口產(chǎn)品。
國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)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(chǎn)高端數(shù)控系統(tǒng)的功能、性能、可靠性等存在明顯不足，導致高檔數(shù)控系統(tǒng)市場90%以上被進口產(chǎn)品占據(jù)。機床智能控制系統(tǒng)是新一代機床的重要組成部分，人工智能、數(shù)字孿生、云服務(wù)等技術(shù)是支撐智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，相關(guān)研究有待深入。
國產(chǎn)主軸的徑向回轉(zhuǎn)精度約為50 nm，不能適應(yīng)超精密機床的集成要求：電主軸的電機內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)、高轉(zhuǎn)速下的亞 / 微米級高回轉(zhuǎn)精度尚未實現(xiàn)，氣體軸承剛度差、承載能力不足且難以保證高轉(zhuǎn)速下主軸的高回轉(zhuǎn)精度，液體靜壓軸承在油溫控制、油泵減振、油液防泄漏等方面有待提高。
國產(chǎn)轉(zhuǎn)臺的徑向 / 軸向回轉(zhuǎn)精度約為25 nm，不能完全滿足超精密機床的研制要求。超精密回轉(zhuǎn)工作臺存在很多問題，如液體靜壓轉(zhuǎn)臺的動態(tài)特性不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)臺工作精度隨著溫度升高而降低。
國內(nèi)導軌加工仍停留在1 m長度、1 μm直線度的水平，相應(yīng)的超高精度導軌沒有擺脫進口依賴。氣浮導軌承載力低、穩(wěn)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制、流量控制等方面存在短板。
國產(chǎn)光柵位移傳感器占據(jù)世界市場的50%以上，但以中 / 低檔產(chǎn)品為主；大行程、高精度光柵直線位移傳感器，超精密圓光柵角位移傳感器的自主研發(fā)與制造能力薄弱，應(yīng)用于光刻機等高端制造裝備的二維光柵更是缺失。從位移傳感器產(chǎn)品的核心性能角度看，大行程（超過5 m）、高精度（優(yōu)于±5 μm）封閉式光柵，圓光柵編碼器（精度優(yōu)于±1″）等高端產(chǎn)品被國外企業(yè)壟斷。
國產(chǎn)超硬車銑刀具的精度和使用壽命等，與國外先進水平相比差距明顯。金剛石砂輪結(jié)合劑的耐磨性較低，細粒度金剛石砂輪的磨削加工精度低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定。拋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SiO2等高端原材料需要進口。
（三）光學元件超精密加工中的測量方法與裝備
在機床精度測量方面，激光干涉儀、電容傳感器在超精密機床的幾何誤差測量中應(yīng)用廣泛，但需要配備多類標準件，成本高且操作復雜；快速在機誤差測量的儀器、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際應(yīng)用中較為流行，深入研究誤差溯源分析算法并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面性能之間的關(guān)系及響應(yīng)機理，集成機床精度檢測裝置以匹配自適應(yīng) / 智能制造裝備的研制需求，是機床精度檢測技術(shù)的主要發(fā)展方向。
光學元件離線檢測設(shè)備主要依賴進口，如超精密接觸式檢測設(shè)備方面的泰勒霍普森、蔡司、馬爾等品牌，干涉檢測設(shè)備方面的ZYGO、QED等品牌。針對非球面、自由曲面的超精密測量是光學元件檢測的難點，相應(yīng)檢測技術(shù)發(fā)展表現(xiàn)為通用化、高精度兩類方向：前者要求在不對系統(tǒng)進行明顯調(diào)整的情況下，快速自動地進行不同種類光學表面的檢測；后者要求盡可能地提高檢測精度，用于檢測超高精度非球面（面形誤差為納米 / 亞納米量級，補償器精度、系統(tǒng)誤差的校正精度是關(guān)鍵）。
在光學元件在位測量方面，雖然提出了加工 ? 測量一體化理念，成功用于光學元件的精密加工過程并取得了原創(chuàng)性成果，但在位測量、加工 ? 測量一體化受測量原理、集成機理、技術(shù)難度等方面的制約，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。三維復雜結(jié)構(gòu)表面具有廣泛應(yīng)用，相應(yīng)微表面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、寬測量范圍。實現(xiàn)在位測量高精度信息獲取、高效率數(shù)據(jù)處理，關(guān)鍵在于融合局部測量 / 全局測量不確定度評定、測量單元與運動單元、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)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(shù)與裝備發(fā)展趨勢
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（一）精度與尺寸極端化
極大尺寸、極小尺寸、極高精度的光學元件，市場需求趨于迫切：① 大口徑非球面光學元件廣泛應(yīng)用于遙感衛(wèi)星、空間望遠鏡、地基天文望遠鏡等精密光學系統(tǒng)，其單體主鏡口徑為3~7 m；② 微結(jié)構(gòu)光學功能元件在三維成像、光學聚焦、測量、冷卻、減阻、潤濕等方面應(yīng)用廣泛，相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸可達微 / 納米級；③ 在面形精度、表面完整性要求進一步提高后，超精密加工過程中的材料去除量降低至微米、納米，甚至原子量級。此外，原子及近原子尺度制造將能量直接作用于原子，通過構(gòu)建原子尺度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)特定功能與性能，是新一代制造技術(shù)的趨勢之一，對革新高端光學器件制造具有積極意義。
在光學元件尺寸和精度極端化的背景下，需要優(yōu)化已有研究規(guī)劃，適時布局以極端精度與尺度制造為代表的新一代制造技術(shù)。立足微觀力學、機械制造的學科背景，積極推動機械、物理、化學、材料等學科交叉，著力開展以下基礎(chǔ)研究：納米及近原子尺度超精密加工的材料去除與遷移機理、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面損傷的產(chǎn)生機理與抑制方法、光學元件近零損傷表面形成機理與工藝、復雜曲面光學元件高效超精密加工工藝，為高端光學元件超精密加工關(guān)鍵技術(shù)突破、先進加工工藝與裝備開發(fā)筑牢基礎(chǔ)。
（二）形狀與性能一體化
激光核聚變裝置、飛行器光學導引頭等光學元件的服役性能，既取決于幾何精度，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，激光核聚變裝置未能實現(xiàn)預期的“點火”目標，重要原因在于加工缺陷抑制水平不能滿足系統(tǒng)對輻照損傷的要求。紫外光學元件高性能超精密制造及其抗強激光損傷特性，實際上成為制約激光核聚變裝置能否成功研制的瓶頸。
以加工精度作為單一評價指標，已不再滿足高性能光學元件的制造要求，需要綜合使用幾何精度、表面完整性指標對加工質(zhì)量進行全面評價。超精密光學元件加工由以往的幾何形狀與尺寸精度要求，提升為以性能要求為主、性能與幾何參數(shù)一體化的精密加工要求，此即高性能制造。需要建立面向使役性能要求的形狀 ? 性能一體化加工理論、方法以及工藝技術(shù)體系，為解決高性能光學元件的制造難題提供新方案。
（三）加工工藝復合化
高端光學元件苛刻的服役條件以及極高的性能要求，對革新光學制造技術(shù)提出迫切需求。高端光學元件表面形狀復雜化、表面結(jié)構(gòu)多樣化和微細化，對加工效率、加工質(zhì)量的要求更高，也提出了綠色低碳的環(huán)境要求。當前主流的加工技術(shù)具有局限性，如加工效率偏低、加工精度低不足、表面質(zhì)量難保證、加工可達性差、環(huán)境污染風險高等，高質(zhì)、高效、綠色的先進超精密加工技術(shù)成為研究趨勢。
采用多能場輔助或者兩種以上加工工藝復合方法，可取長補短并發(fā)揮各自優(yōu)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，建立新型復合加工系統(tǒng)，深化復合加工機理研究，拓展復合加工技術(shù)應(yīng)用。復合加工技術(shù)朝著高精度、微細化方向發(fā)展，成為高端光學元件超精密加工的重要趨勢；針對性開展超精密復合加工理論與技術(shù)創(chuàng)新研究，切實提升光學制造技術(shù)水平與市場競爭力。
（四）加工與檢測一體化
超精密光學制造突出表現(xiàn)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(yīng)難題的主要手段，針對制造中物理、化學過程的智能化調(diào)控更顯重要。制造裝備、工具、工藝、檢測設(shè)備等面臨變革，如制造工具需在多傳感器參與的感知調(diào)控下具備材料去除、添加或改性功能。在檢測方面，提高精度是關(guān)鍵，在位、高效、穩(wěn)定仍是主要目標，支持實現(xiàn)高質(zhì)量綜合評價的多物理量檢測成為新發(fā)展方向。
在超精密加工與檢測一體化方面，重點研究內(nèi)容有：在線、在位測試與評定新原理和方法，加工裝備精度的在線檢測模型和系統(tǒng)，超精密加工機床精度指標的測試與評定系統(tǒng)，高精度自由曲面及微細結(jié)構(gòu)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(shù)，超精密測量誤差多源分離新方法。超精密加工測量的發(fā)展趨勢表現(xiàn)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）裝備與工藝智能化
受高端光學系統(tǒng)的需求牽引，復雜面形或難加工材料元件的加工效率和精度不斷突破，衍生出的高端光學元件產(chǎn)品在通用領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。在通用領(lǐng)域中的應(yīng)用規(guī)模拓展后，高端光學元件的規(guī)模化、定制化制造需求凸顯，從而提出了制造設(shè)備的高效率、高精度、智能化加工要求。在世界工業(yè)新一輪技術(shù)浪潮驅(qū)動下，智能制造成為制造業(yè)的主導趨勢；工業(yè)強國采取積極行動，促進制造業(yè)在智能制造、智慧化生產(chǎn)等方向的革新發(fā)展。
目前，高端光學系統(tǒng)的光學元件較多采用定制化的設(shè)計生產(chǎn)模式，根據(jù)客戶特殊需要“量身定制”解決方案；生產(chǎn)制造企業(yè)需掌握設(shè)備生產(chǎn)工藝，將智能制造技術(shù)運用到細分市場產(chǎn)品，進而為各類產(chǎn)品創(chuàng)建自動化解決方案。著眼未來，智能制造裝備企業(yè)應(yīng)圍繞市場需求，構(gòu)建高度自動化的生產(chǎn)過程，對各種制造對象、各類制造環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。裝備與工藝智能化發(fā)展，將融合數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，全面提升并高效運用控制、傳感、精密制造、識別等關(guān)鍵技術(shù)。
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四、面向2035年我國高端光學元件超精密加工技術(shù)路線圖研究
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研究和編制高端光學元件超精密加工技術(shù)路線圖，可直接支撐我國在此技術(shù)方向的中長期發(fā)展規(guī)劃、技術(shù)攻關(guān)、理論探索。研究依托相關(guān)咨詢項目，集聚領(lǐng)域內(nèi)院士、專家、學者的集體智慧，重點完成兩方面工作：① 開展廣泛的文獻調(diào)研，與航天、航空、船舶、兵器、光學應(yīng)用、機床制造等領(lǐng)域的企業(yè)和科研院所實地調(diào)研相結(jié)合，全面把握我國高端光學元件超精密加工技術(shù)方向的發(fā)展態(tài)勢和需求情況；② 組織召開了近20次研討會，面向86位本領(lǐng)域?qū)＜议_展問卷調(diào)查，精準研判高端光學元件超精密加工技術(shù)方向的發(fā)展趨勢，形成我國技術(shù)發(fā)展布局建議。
以2035年為目標節(jié)點形成的高端光學元件超精密加工技術(shù)及裝備發(fā)展路線圖（見圖1），包含7個方面的內(nèi)容：應(yīng)用需求，發(fā)展目標，重點產(chǎn)品，數(shù)控系統(tǒng)、關(guān)鍵功能部件和刀具，測量方法與裝備，光學元件制造共性關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用示范工程。
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圖1 高端光學元件超精密加工技術(shù)及裝備發(fā)展路線圖
（一）應(yīng)用需求
1. 深入實施制造強國戰(zhàn)略的需要
國家“十四五”規(guī)劃綱要提出，深入實施制造強國戰(zhàn)略。高端光學元件作為制造業(yè)的核心基礎(chǔ)零件，其制造技術(shù)研究對加強產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力建設(shè)、推動制造業(yè)優(yōu)化升級意義重大。X射線望遠鏡、極紫外光刻機、激光核聚變裝置、自由電子激光裝置、同步輻射裝置等高端裝備列為科技前沿領(lǐng)域和重大基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)鍵光學元件的性能決定了這些高端裝備的性能，而當前的制造水平不足以匹配光學元件的高性能制造需求。
2. 產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求
消費電子、半導體制造、智能工業(yè)機床、紅外熱成像儀、車載鏡頭等產(chǎn)品，大量應(yīng)用光學元件和組件。2021年，我國光學鏡片、鏡頭、模組等元器件的市場規(guī)模為1568億元；技術(shù)更新速度快，相應(yīng)市場規(guī)模將進一步擴大。國內(nèi)從事高端光學元件精密制造的企業(yè)，數(shù)量較少且產(chǎn)品集聚在中低端，在高分辨率定焦、大倍率變焦、超高清、光學防抖、安防監(jiān)控一體機鏡頭等中高端光學鏡頭制造方面的核心技術(shù)薄弱甚至部分缺失。開展高端光學元件高性能超精密制造基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，突破國內(nèi)市場格局并高質(zhì)量“走出去”，是國內(nèi)企業(yè)和科研機構(gòu)的發(fā)展亟需。
3. 國防裝備發(fā)展需求
對地觀測衛(wèi)星、精確制導飛行器、高能激光器等裝備是國防裝備信息化和現(xiàn)代化的重要支撐，大口徑空間反射鏡、飛行器整流罩、折衍混合光學元件、高能激光組件等高端光學元件是先進裝備的關(guān)鍵零件。這些關(guān)鍵零件的制造水平?jīng)Q定了國防裝備的設(shè)計性能與服役規(guī)模。然而，國產(chǎn)高端光學元件的超精密加工技術(shù)水平依然無法全面滿足先進裝備發(fā)展需求，有關(guān)技術(shù)封鎖和設(shè)備禁運也客觀存在，自主攻關(guān)高端光學元件超精密加工裝備及其關(guān)鍵技術(shù)極為迫切。
（二）發(fā)展目標
1. 突破超精密加工的共性關(guān)鍵技術(shù)
圍繞高端光學元件的超精密制造需求，重點突破全頻譜納米 / 亞納米級精度創(chuàng)成、近無缺陷高表面完整性加工、超精密機床正向設(shè)計與數(shù)據(jù)資源建構(gòu)、超精密智能機床制造等共性關(guān)鍵技術(shù)，支持光學制造技術(shù)應(yīng)用從高精度提升至高性能。
2. 研發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵超精密加工裝備
在近期，重點研發(fā)應(yīng)用亟需但未能實現(xiàn)自主供給商品化、屬于國外禁運的重大裝備，如4 m及以上口徑光學元件毛坯制造基礎(chǔ)裝備、輕量化及超精密磨削裝備、亞納米級加工裝備、超大口徑光學元件超精密測量儀器。在此基礎(chǔ)上，進一步提升重大裝備性能并擴充種類，如7 m及以上口徑光學元件毛坯制造基礎(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測量儀器、超大尺寸光學元件修復裝備、航天器機載光學元件制造及修復裝備。
3. 形成超精密制造領(lǐng)軍企業(yè)
優(yōu)化以國家重點實驗室、國家工程研究中心、省部級重點實驗室為核心的光學元件超精密制造科研體系，引導“產(chǎn)學研”融合發(fā)展，推動創(chuàng)新資源整合升級。鼓勵重點方向基礎(chǔ)良好的企業(yè)發(fā)展成為專精特新“小巨人”企業(yè)，建設(shè)示范性智能工廠，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的裝備應(yīng)用，提升產(chǎn)業(yè)鏈配套供給水平。發(fā)展光學元件超精密制造專業(yè)技術(shù)服務(wù)企業(yè)，支持形成良好的制造業(yè)生態(tài)。
4. 提升機床和單元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行業(yè)“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(chǎn)光學元件超精密制造裝備、高檔數(shù)控系統(tǒng)、超精密關(guān)鍵功能部件方面，國內(nèi)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
到2025年，面形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表面粗糙度Ra≤3 nm。到2030年，面形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表面粗糙度Ra≤2 nm。到2035年，面形誤差PV≤0.1 μm/75 mm，表面粗糙度Ra≤1.5 nm。
2. 超精密銑削裝備
到2025年，面形誤差PV≤0.3 μm/75 mm，表面粗糙度Ra≤10 nm。到2030年，面形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表面粗糙度Ra≤8 nm。到2035年，面形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表面粗糙度Ra≤5 nm。
3. 超精密磨削裝備
到2025年，加工口徑≥4 m，面形誤差PV≤10 μm/m，亞表面損傷≤35 μm。到2030年，加工口徑≥5 m，面形誤差PV≤8 μm/m，亞表面損傷≤25 μm。到2035年，加工口徑≥7 m，面形誤差PV≤8 μm/m，亞表面損傷≤15 μm。
4. 超精密拋光裝備
到2025年，加工口徑≥4 m，面形誤差RMS≤12 nm。到2030年，加工口徑≥5 m，面形誤差RMS≤8 nm。到2035年，加工口徑≥7 m，面形誤差RMS≤5 nm。
（四）數(shù)控系統(tǒng)、關(guān)鍵功能部件和刀具
1. 數(shù)控系統(tǒng)
建立開放式、網(wǎng)絡(luò)化的云架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，基于云平臺的智能數(shù)控系統(tǒng)。云上控制編程處理靈活，開放性良好，支持手機、筆記本電腦、工業(yè)計算機、虛擬現(xiàn)實等多種人機交互前端。突破多軸、多通道、納米插補數(shù)控加工技術(shù)，實現(xiàn)自適應(yīng)加工、刀具壽命管理、在位測量、虛擬現(xiàn)實仿真、自監(jiān)控、維護、優(yōu)化、重組等功能。
2. 關(guān)鍵功能部件
到2025年，突破超精密動靜壓軸承制造與檢測、超精密反饋元件與運動控制等技術(shù)，具備高精度、高剛度、運動平穩(wěn)的功能部件制造能力。到2030年，突破多物理量可調(diào)運動部件、檢測單元等技術(shù)，具備高性能功能部件制造能力。到2035年，突破關(guān)鍵功能部件多物理量狀態(tài)感知、多物理量調(diào)控、精度 / 剛度補償?shù)燃夹g(shù)，具備智能化功能部件制造能力。
3. 刀具
在金剛石砂輪方面，近期具備批量生產(chǎn)和應(yīng)用細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪的能力，進一步發(fā)展超細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪。在金剛石車 / 銑刀具方面，著重發(fā)展復合納米結(jié)構(gòu)化刀具，解決加工表面中高頻誤差大、加工效率和精度難以兼顧的難題。在拋光工具方面，近期發(fā)展多種可控柔體亞納米拋光工具，進一步發(fā)展刀具工作狀態(tài)智能化監(jiān)測、刀具數(shù)字化設(shè)計制造一體化等技術(shù)。
（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面，開發(fā)新一代測量儀器、方案和標準，破解激光干涉儀、電容傳感器價格昂貴，操作復雜等難題。在超精密機床誤差識別與實時補償技術(shù)方面，開發(fā)誤差溯源分析算法，高效識別幾何誤差；優(yōu)化機床幾何誤差在機測量的快速解算方法，實現(xiàn)誤差的實時補償。在機床誤差的自適應(yīng) / 智能檢測與評價方面，探究技術(shù)機理，揭示超精密機床的幾何誤差與加工表面質(zhì)量之間的關(guān)系及響應(yīng)機制。
2. 光學元件在位測量
在光學元件的低應(yīng)力、高效率、接觸式測量技術(shù)方面，降低接觸應(yīng)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(yīng)，提升接觸式在位測量的效率。在復雜光學元件的非接觸式納米 / 亞納米精度測量技術(shù)方面，突破機床溫變、振動、污染條件下復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(tài)跨尺度形性測量技術(shù)方面，實現(xiàn)面形精度、微觀形貌、表面缺陷、亞表面損傷、殘余應(yīng)力等多模態(tài)、跨尺度表面特性與使役性能的快速表征。
3. 光學元件離線測量
在復雜光學元件亞納米幾何精度測量技術(shù)方面，突破高陡度非球面、自由曲面的全頻譜亞納米精度檢測難題。在光學元件表面完整性的多參數(shù)、多傳感器協(xié)同表征技術(shù)方面，實現(xiàn)光學元件多參數(shù)表面完整性的實時定量準確評價，提升加工缺陷的修復精度。在光學元件時 ? 空域形性參數(shù)的跨尺度表征與信息融合技術(shù)方面，面向光學元件使役性能要求，形成形性一體化制造能力。
（六）光學元件制造共性關(guān)鍵技術(shù)
1. 全頻譜納米 / 亞納米級精度創(chuàng)成
復雜光學元件的全頻譜納米 / 亞納米級精度創(chuàng)成決定了光刻物鏡、空間光學、強光光學等方面的應(yīng)用水平，研究難度表現(xiàn)在：納米精度要求穩(wěn)定實現(xiàn)亞納米量級的材料去除；復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，要求實現(xiàn)一致收斂和去除?，F(xiàn)有光學加工方法較多基于經(jīng)驗，具有不確定性，難以克服現(xiàn)代光學零件加工的性能瓶頸，需要突破異質(zhì) / 各向異性材料納米量級可控去除、復雜曲面可控補償修形、弱剛度光學元件確定性去除、微弧度級斜率誤差抑制、光學制造裝備運動軸性能設(shè)計、復雜曲面全頻段超精密檢測等關(guān)鍵技術(shù)。
2. 近無缺陷高表面完整性加工
采用單一物理場的加工方法，很難實現(xiàn)高精度的近零亞表面損傷加工；原子級多物理場納米加工機理研究匱乏，加工表面容易出現(xiàn)脆性裂紋、加工缺陷、表層物理和化學特性變化。研究多能場復合加工中表面完整性的動態(tài)演化過程及其影響因素，辨明實現(xiàn)近無缺陷高表面完整性加工的條件，需要突破面向光學元件使役性能的表面完整性設(shè)計、光學元件控域控量控性、表面加工缺陷確定性原位修復、跨尺度表面缺陷無損精確表征、多參數(shù)表面完整性多物理場表征等關(guān)鍵技術(shù)。
3. 超精密數(shù)控機床正向設(shè)計與數(shù)據(jù)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(wěn)定性，相比國際先進水平存在階段性差距，缺乏面向機床使役性能的正逆向設(shè)計方法是導致上述差距的重要原因。超精密機床的正向設(shè)計，取決于設(shè)計資源數(shù)據(jù)庫，機床的精度及剛度與機床結(jié)構(gòu)、零部件精度、控制參數(shù)之間的關(guān)系模型；需要突破數(shù)控機床的功能設(shè)計、構(gòu)型設(shè)計，精度設(shè)計、靜 / 動剛度設(shè)計、熱平衡設(shè)計，包括動力學優(yōu)化、輕量化設(shè)計在內(nèi)的多學科優(yōu)化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)；構(gòu)建開放的工藝軟件與數(shù)據(jù)庫，集成完備的設(shè)計規(guī)范與標準、知識庫、案例庫。
4. 超精密智能機床制造
超精密機床制造技術(shù)薄弱，是國產(chǎn)光學加工裝備性能落后于進口產(chǎn)品的關(guān)鍵因素之一。提高超精密機床制造水平，需兼顧關(guān)鍵零部件制造與整機裝配、智能機床系統(tǒng)與技術(shù)的發(fā)展：對于前者，需要突破基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件低應(yīng)力制造、高分辨率納米 / 亞納米運動伺服進給系統(tǒng)制造、工件臺納米定位與運動協(xié)同控制、超精密空氣主軸與全約束閉合式油靜壓導軌制造、自動調(diào)平間斷式空氣隔振系統(tǒng)制造、超精密切削與高效低損傷磨拋工具制造等方面的關(guān)鍵技術(shù)；對于后者，需要突破高穩(wěn)定性智能伺服調(diào)整、熱變形智能控制、加工狀態(tài)實時智能導航、五軸加工誤差智能調(diào)諧、智能實時防碰撞系統(tǒng)、加工過程切削負載自適應(yīng)智能控制、機床運行狀態(tài)智能診斷與預警等關(guān)鍵技術(shù)。
（七）應(yīng)用示范工程
1. 大口徑輕量化空間光學元件制造
高分辨率對地觀測系統(tǒng)、X射線望遠鏡等空間裝備，以大口徑光學元件為核心功能支撐。大口徑光學元件材料硬脆、面形復雜、極端輕量化，需要實現(xiàn)全頻譜納米級加工精度，而國產(chǎn)制造裝備在口徑、精度、效率方面均不能滿足要求。建議實施大口徑輕量化空間光學元件制造應(yīng)用示范工程，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(shù)與國產(chǎn)化裝備。
2. 探測制導光學元件高性能超精密制造
精密復雜慣性器件、高陡度保形光學元件等，較多采用高硬脆性材料，面臨共形、氣動熱、高光譜、高過載等使役環(huán)境挑戰(zhàn)；通過加工精度、材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的耦合調(diào)控，才能獲得預期的探測制導性能。建議實施面向使役性能的光學元件設(shè)計 ? 加工 ? 測量一體化制造應(yīng)用示范工程，揭示極端服役環(huán)境下加工精度對服役性能的影響機制，形成探測制導光學元件的高性能超精密制造技術(shù)與國產(chǎn)化加工裝備。
3. 強光光學元件抗輻照損傷制造
激光點火裝置、高能激光器的強光光學元件服役于強激光環(huán)境，因加工缺陷誘導的輻照損傷成為制約相應(yīng)裝備性能提升的瓶頸。建議實施強光光學元件抗輻照損傷制造應(yīng)用示范工程，揭示微納米加工缺陷對抗輻照損傷性能的影響及抑制機理，形成近無缺陷強光元件的高性能制造技術(shù)和國產(chǎn)化磨削、拋光、缺陷抑制裝備。
4. 極紫外光刻機物鏡超精密制造
光刻物鏡的制造水平?jīng)Q定著光刻機的制程精度，我國在此方向的技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，尚無自主可控的產(chǎn)品可供應(yīng)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制造應(yīng)用示范工程，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(chǎn)化拋光、修形、檢測裝備。
南京藝匠精密加工收集
五、我國高端光學元件超精密加工技術(shù)與裝備發(fā)展建議
南京藝匠精密加工收集
（一）優(yōu)化創(chuàng)新體系設(shè)置，組織優(yōu)勢資源成立技術(shù)聯(lián)盟
建議設(shè)立國家超精密加工技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、光學元件超精密制造技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。采取“政產(chǎn)學研用”協(xié)同創(chuàng)新模式，積極發(fā)揮政府引導作用，形成市場主導的發(fā)展模式。強化用戶工藝主導的主機研發(fā)理念，突出用戶工藝應(yīng)用驗證，提升超精密加工機床的工藝適應(yīng)性。組織企業(yè)需求對接、重大項目論證、關(guān)鍵技術(shù)研討，著力解決機床正向設(shè)計與資源構(gòu)建、超精密機床制造、可靠性與精度保持性、納米 / 亞納米精度創(chuàng)成、近無缺陷加工等關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸環(huán)節(jié)。
（二）加大資源保障力度，布局基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)計劃
在國家各類科技計劃中，有層次、有重點地支持光學元件超精密加工技術(shù)發(fā)展。建議設(shè)立“關(guān)鍵光學元件高性能制造基礎(chǔ)”國家自然科學基金重大項目、“光學制造基礎(chǔ)”國家自然科學基金重大研究計劃，支持突破光學元件高性能制造的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。建議接續(xù)實施“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項，增設(shè)“光學元件高性能超精密制造技術(shù)與裝備”專題，為超精密數(shù)控機床發(fā)展提供關(guān)鍵支持。建議“高性能制造技術(shù)與重大裝備”國家重點研發(fā)計劃項目加大對光學元件超精密制造技術(shù)與裝備的支持力度，推動光學制造共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范。
（三）加強人才培育，構(gòu)建梯隊并擴大隊伍規(guī)模
機床領(lǐng)域相對“冷門”，在高校中的學科地位被弱化，高端人才流失現(xiàn)象嚴重，人才梯隊建設(shè)較為滯后。構(gòu)建本領(lǐng)域的國家戰(zhàn)略科技力量，需要依托創(chuàng)新型領(lǐng)軍企業(yè)、具有比較優(yōu)勢的科研院所，在培養(yǎng)、引進、用好領(lǐng)軍人才、創(chuàng)新團隊方面積極作為。建立高端人才引進通道，完善配套政策，運用技術(shù)入股、股權(quán)激勵、成果轉(zhuǎn)化收益分配等機制。培育面向工業(yè)創(chuàng)新需求的工程技術(shù)人才、基礎(chǔ)扎實的應(yīng)用型研發(fā)人才，合理擴大隊伍規(guī)模?？稍诟黝惪萍加媱澲性鲈O(shè)定向項目，給與專業(yè)團隊連續(xù)支持，保持研究隊伍穩(wěn)定。
（四）筑牢產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，培育龍頭企業(yè)、專精特新“小巨人”企業(yè)
建議發(fā)布政策并配套保障資源，支持國產(chǎn)超精密機床、高檔數(shù)控系統(tǒng)、高性能關(guān)鍵功能部件、高性能刀具的產(chǎn)品研發(fā)與示范應(yīng)用，兼顧市場競爭力提升和自主可控能力增強。培育光學制造技術(shù)與裝備方面的龍頭企業(yè)，鼓勵關(guān)聯(lián)企業(yè)發(fā)展成為專精特新“小巨人”企業(yè)，在財稅、投融資、技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品進 / 出口、知識產(chǎn)權(quán)、國際合作等方面給與重點支持。
