蔣莊德院士：高端光學元（yuán）件超精密加（jiā）工技術（shù）與裝備發展研究
來源（yuán）：《中國（guó）工程科學》2023年第1期
作者：蔣莊德，李常勝，孫林，段端誌，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（líng）件，研究高端光學元件超（chāo）精密（mì）加工（gōng）技術與裝備發展，對於實施製造強國戰略、滿足（zú）高端裝備（bèi）產業需求具有積極（jí）意義（yì）。我國高端光（guāng）學元件超精密（mì）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（gāo）端裝備製（zhì）造業發展（zhǎn）的重大短（duǎn）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期發表《高端光學元件超精（jīng）密加工技術與裝備發展研究》一文。文章（zhāng）剖析（xī）了光學元件（jiàn）超精密加工方法與（yǔ）裝備、高性能基（jī）礎部件、超精密光（guāng）學加工中的測量方法與裝備等的（de）發展（zhǎn）情況，凝（níng）練（liàn）了精度與尺寸極端化、形狀與性能一（yī）體化、加工工藝複合化、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）行業調研和研（yán）討（tǎo），從需求、目標、產品、關鍵技術、應用示範、支（zhī）撐保障等層次著（zhe）手，形成了麵向2035年我國高端光學元件超精密製造技術路線（xiàn）圖。針對性提出（chū）了優化創新體係設置、組織（zhī）優勢資源成立技術聯盟，加大資源保障力度、布局基礎研究和技術（shù）攻關計劃，加強人才培育、構建梯隊並擴大隊伍規模，築牢產業發展（zhǎn）基礎、培育龍頭企業和專精特（tè）新“小巨人”企業等發展建議，以期促進高端光學元件加工產（chǎn）業提升與高質量發展。
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一、前言
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高端光學元件是決定航空（kōng）航天、國（guó）防軍工、先進民用等領（lǐng）域（yù）高（gāo）端裝備性（xìng）能的關（guān）鍵零件，典型應用對象有：高分辨率對地觀測係統（tǒng）、大型天文望遠鏡、X射線望（wàng）遠鏡、激光核聚（jù）變裝置、同步（bù）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、消費電子產品、醫（yī）療器械等設備。重大（dà）裝備服役能力（lì）不斷提高，對高端光學元件性能提出了更高要求（qiú）；僅以幾何尺寸（cùn）公差為關注點的傳統設計（jì）製造理念（niàn）難以適應高性（xìng）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。
以慣性約束激光核聚變為例，為了實現核聚變“點火”所需的極端苛刻條（tiáo）件，美國國家點火裝（zhuāng）置大規模采用了以熔石英（yīng）、磷酸二氫（qīng）鉀晶體材料（liào）為基礎的大口（kǒu）徑平（píng）麵、非（fēi）球麵、離軸非球麵等光學元件（jiàn）。我國在“神光”係（xì）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（biāo），分析表明，服役（yì）在短波長（zhǎng）範圍的高（gāo）性能光學元（yuán）件超精密製造及其抗強激光損傷（shāng）特性成（chéng）為製約激光核聚變驅（qū）動器 ‒ 巨型激光裝置能否成功研製的瓶頸問題。探究強激光紫外短波長光學元件超精（jīng）密（mì）製造過程中（zhōng）表麵（miàn）形貌及缺陷的形成、影響（xiǎng）機製、抑（yì）製方法（fǎ），可極大節約激光核聚變裝置的運（yùn）行維（wéi）護成本、加速新一代激（jī）光核聚（jù）變點火裝置的（de）研製進程。
空間X射線探測是脈衝星全自（zì）主計（jì）時導航、X射線通信、空間環境監測等工程應用，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X射線反射鏡由（yóu）多層輕質薄壁（bì）複雜曲麵鏡片經同（tóng）軸共焦精密裝配而成，要（yào）求加工至亞納米表麵粗糙度、微弧度級斜率（lǜ）偏差、極少的加工缺陷。目前（qián），相比發達（dá）國（guó）家X射線多層（céng）嵌套反射鏡加工技術，我國在反射鏡層數、分辨（biàn）率（lǜ）方麵差距明顯（xiǎn），研製高靈敏度空間X射線探測係統亟（jí）需解決（jué）相關難題。突破多層嵌套式X射線空間反射鏡製造新工藝的基礎理論與工藝方法，對推動（dòng）新一代（dài）航天器深空（kōng）全自主導航與通（tōng）信、深空探測（cè）、空間科學領域發展具有重要的（de）科學意義和工程（chéng）價值。
在半導體芯片製（zhì）造領域，極（jí）紫外光刻（kè）技術是（shì）國際半導體行業延續摩爾定（dìng）律、確（què）保（bǎo）光刻（kè）分辨率（lǜ）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（quán）頻段、亞納米精度製造為代表的一（yī）係列苛（kē）刻要求，才能保證光刻性能（néng）：采用光學自由曲麵設計，減小光學係統波前誤（wù）差，增大數值孔徑，減少元件數量；使用超低（dī）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戰性。目（mù）前，隻有德國蔡司集（jí）團能夠生產麵向（xiàng）大規模製造的極紫外（wài）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（zhǎn）的“卡脖子”環節。
我國高端光學元件超精密製造技術（shù）及（jí）裝備（bèi），相比國際前沿存在階段性（xìng）差距，成（chéng）為製約高端裝備製造（zào）業發展（zhǎn）的重大短板。在（zài）高新技術領域國際競爭趨於激烈、一些國家試圖對我國進行（háng）科技封鎖的背景下，“自主可控”解決光學製造這一（yī）“卡（kǎ）脖子”難題顯得尤為迫切。發展國產高端光學元件超精密加工技術，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（zī）詢（xún）項目“高端（duān）光學係統的精密超精密（mì）加工技術及（jí）裝備的發展戰略研（yán）究”，廣泛（fàn）開（kāi）展了文獻（xiàn）調研、現場（chǎng）考（kǎo）察、會議研討、問卷調（diào）查，旨（zhǐ）在（zài）推動新形勢下高端（duān）光學元件超精（jīng）密加工技術與裝備的高質量發展。文章作（zuò）為相關谘詢項目研究成（chéng）果（guǒ）的學術性展示，梳理光學元件超精密加工方（fāng）法與裝備、高性能基礎（chǔ）部件、超精（jīng）密光學加工相關測量方法（fǎ）與裝備的發展（zhǎn）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（jì）術的發展趨勢，形成麵向2035年高端光學元件超精密（mì）製造技術路線圖，以期為我國超（chāo）精密加工技術領域（yù）基礎研究、技（jì）術攻關、裝（zhuāng）備應用等研究提供基礎性參考（kǎo）。
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二、國內外高（gāo）端光學元件超精密加工技術與裝備發展現狀
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高端光學元件製造的（de）載（zǎi）體是精密 / 超（chāo）精密光學加工機床。在以“高（gāo）檔數控機床與基礎製造（zào）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能力，產品（pǐn）品（pǐn）種基本滿足重點領域需（xū）求，數控係統與關（guān）鍵功能（néng）部件的研發及配套能（néng）力基本形成。以04專項實施完畢（bì）後的狀態（tài）來判（pàn）斷，我國機床行業與國際先進水平仍有15年左右的差（chà）距。
（一）超（chāo）精密（mì）加工方法和裝備
美國企業在（zài）光學元件超精密加工領域起步最早、水平（píng）最高，歐洲（zhōu）企業緊（jǐn）隨其（qí）後，日本企業在中小（xiǎo）型民用超精（jīng）密加工領域具有獨特優勢；這些企業技術體係成熟且注重技術原始創新，占據了（le）大部分市（shì）場份額。近年來，我國（guó）的科（kē）研機構和企業在國家重大（dà）需（xū）求的牽引下，積極開展光學元件超精（jīng）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（chāo）精密加工機床，其數控係統性能（néng）與可靠性（xìng）、主軸回轉（zhuǎn）精度與轉速、溜（liū）板直線度與定位精度、納米級運動控製與補償、加工精度與範圍等方麵（miàn）普（pǔ）遍滯後於國際前（qián）沿水平（píng）；“產學（xué）研（yán）用”協同創新與（yǔ）要素融合不足，基（jī）礎研究脫節，應（yīng）用（yòng）技術轉化率不高，原創技術（shù）稀缺，以跟蹤研究（jiū）為（wéi）主流。② 在我國超精密加工機床市場上，國外（wài）公司占據主導（dǎo）地（dì）位（wèi），進口產品（pǐn）擁（yōng）有多數份額；國產機床集中在航空航天、國防軍工領（lǐng）域應用，以（yǐ）高端民用為代表的大規模、產業化應用尚未（wèi）展開。③ 國內相關研究隊伍規模較（jiào）大，然（rán）而具有國際影響力、引領產業發展的標誌性人才稀缺，有關超精密機床製造（zào）方麵的基礎研究力量儲備薄弱。
（二）數控（kòng）係（xì）統、關（guān）鍵功能部（bù）件和（hé）刀具
通過持續努（nǔ）力，我國（guó）在超精密機床數控係統、關鍵功能部件（jiàn）、刀具等方麵（miàn）基本具備了自主保障能力。國產高檔數控（kòng）係統的功能基本接近國外先進（jìn）係統，高檔數控係統（tǒng）配套應用（yòng）超過1500套，中檔數控係（xì）統配（pèi）套超過7萬套；高檔（dàng）數（shù）控與伺服驅（qū）動係統仍依賴進口。國產功能部件平均無故障工作時間超過15 000 h，基本滿足數整機配套技術要求（qiú），但（dàn）精密軸承、精密導軌、高精密光柵等基礎部件製造仍是薄（báo）弱環節。國產數（shù）控係統、伺服係統、精密光柵等核心部件未能形成（chéng）貫通（tōng）配套，應（yīng）用領（lǐng）域用戶的認可度不高。刀具品種數量豐富（超過45 000種），行業用刀具國產化率提升至45%，但用於超精密加（jiā）工的高性能刀具，在加工效（xiào）率、使用壽命方麵落後於進口產品。
國產數控係統的市場格局具有低端快速膨脹（zhàng）、中端進展緩慢、高端依賴進口的特點。國產高端數控係統的功能、性能、可靠性等存在明顯不足，導致高檔數控係統市場90%以上被進口產品占據（jù）。機床智能控（kòng）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（shēng）、雲服務等技術是支撐（chēng）智能控（kòng）製係統的關鍵，相（xiàng）關研（yán）究有待深入。
國產主軸的（de）徑向回轉精度約為（wéi）50 nm，不能適應超精密機床（chuáng）的集成要（yào）求：電主軸（zhóu）的電機內裝式結構、高轉速下的亞 / 微米級高回（huí）轉精度尚未實現，氣體軸承剛（gāng）度（dù）差、承載能力不足（zú）且難以保證高轉速下主軸的高回轉（zhuǎn）精度，液體靜（jìng）壓軸承在油溫控製（zhì）、油泵減振、油液防泄漏等方麵有待提高。
國產轉台的徑向 / 軸向（xiàng）回轉（zhuǎn）精度約為25 nm，不能（néng）完全（quán）滿足超精密機床的研製要求。超精密回轉工作台存在很多問（wèn）題，如液（yè）體（tǐ）靜壓轉台的動態特性（xìng）不穩定，轉台工作精度隨著溫度（dù）升高而降低。
國內（nèi）導軌加工仍停留（liú）在1 m長度、1 μm直線度（dù）的水平，相應的超高精度導軌沒有擺脫進口依賴。氣浮（fú）導軌承載力低、穩定性差，精密滾動（dòng）導軌副（fù）的抗振性欠佳、機械磨損（sǔn）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（guó）產光柵位移傳感器占據世界（jiè）市場的50%以上，但以中 / 低檔產品為（wéi）主；大行程、高精度光柵直線位移（yí）傳感器，超精密圓光柵角位（wèi）移傳感器的自主研發與製造能力薄弱，應（yīng）用於光刻機（jī）等高端製造裝（zhuāng）備的二維光柵（shān）更是缺（quē）失。從位（wèi）移傳感器產品的核心性（xìng）能角（jiǎo）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（yōu）於±1″）等高端產品被國外企業壟斷。
國產超硬車銑（xǐ）刀（dāo）具（jù）的（de）精（jīng）度和（hé）使用壽命等，與國外先進水平（píng）相比差距明顯。金剛石砂（shā）輪結合劑的耐磨性較低，細粒度（dù）金剛石砂（shā）輪的磨削加工（gōng）精度低、加工（gōng）質量不穩定。拋光（guāng）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（yuán）件超精密加工中的測（cè）量方法與裝備
在機床精度測量方麵，激光幹涉儀、電容傳（chuán）感器在（zài）超精密機床的幾何誤差測量中應用廣泛（fàn），但需要配備多類標準件，成本高且操作複雜；快（kuài）速在機誤差測量（liàng）的儀器、測量方案、測量標準等亟需發展（zhǎn）。通過試切法、誤（wù）差敏感性分析來識（shí）別機床幾何誤差在實際應用中較為流行，深入研（yán）究誤差溯源分析算法並提高分析效率成為熱點。辨識超精密機床的幾何誤差與加工表麵性能之間的關係及（jí）響應（yīng）機理，集成機床（chuáng）精度檢測（cè）裝置以匹配自適應 / 智能製（zhì）造裝備的研製需求，是機床（chuáng）精度檢測（cè）技術的（de）主要發展方向。
光學元件離（lí）線（xiàn）檢測設（shè）備主要依賴進口（kǒu），如超精密接觸式檢測設備方麵的泰勒霍普森、蔡司、馬爾等品牌，幹涉檢測設備方麵（miàn）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（cè）技術發（fā）展表現（xiàn）為通用化、高精度兩類方向：前者要（yào）求在不對係統進行（háng）明顯調整的情況下，快速自動地進行不同種類光學表麵的檢測（cè）；後者要求盡可（kě）能地提高（gāo）檢測精度，用於檢測（cè）超高精度非球麵（麵形誤差（chà）為納米 / 亞納米量級，補償器精度、係統誤差的校正精度（dù）是關鍵）。
在光學元件在位測量方麵，雖然提出了加工 ‒ 測量一體化理（lǐ）念，成功用於光學元件的（de）精密加工過程並取得（dé）了原創性成果，但在位測量（liàng）、加工 ‒ 測量一體（tǐ）化受測量原理、集成（chéng）機理、技術難（nán）度等方麵（miàn）的製約，很難（nán）滿足（zú）多尺度、高精度、高頻響、動態（tài）測量、多參（cān）量（liàng）的（de）測量（liàng）需求。三維（wéi）複雜結構表麵具有廣泛應用，相（xiàng）應微（wēi）表麵形貌的測量不僅涉及（jí）粗糙度（dù）或瑕疵，而且與輪廓、形狀偏（piān）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，關鍵在於融合局部測量 / 全局測量不確（què）定度（dù）評定、測量單（dān）元與運動（dòng）單元、多源（yuán）異（yì）構數據的測量分析理論與評定（dìng）方法。
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三、高端光（guāng）學元件超精密加（jiā）工技術與（yǔ）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、極高精度（dù）的光學元件，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（wèi）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（wēi） / 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（jiā）工過程中的材料去除量降低至微米（mǐ）、納米，甚至原子（zǐ）量（liàng）級。此外，原子及近原子尺度製造將能（néng）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（duì）革新高端光學器件製造具有積極意義。
在光（guāng）學元件尺寸和精（jīng）度極端化（huà）的背景下，需要優化已有研究規劃，適時布局以（yǐ）極（jí）端精度與尺度製造為代表的新一（yī）代製造技術。立足微觀（guān）力學、機械製造的學科背景，積極推動機械、物理、化學、材料（liào）等學科交叉，著力開展以下基礎研究：納米及近原（yuán）子尺度超精密（mì）加工的材料去除與遷移機理、光學材（cái）料多能場輔助的超精密加工新原理與（yǔ）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，為高端光學元件超精密加工關鍵技術突破、先進加工工藝與裝備開發築牢基礎。
（二）形狀與性能一體（tǐ）化
激光核聚變裝置（zhì）、飛行器光學導（dǎo）引頭等光學元件的（de）服役性能，既取決於幾何精度，也受到表層材料（liào）物理、化學、機械性質變化的顯（xiǎn）著影響。例如，激光核聚變裝置未能實現預期的“點火”目標，重（chóng）要原因在於加工缺陷抑製水平不能滿足係統對輻照損傷的要求。紫（zǐ）外光學（xué）元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（jī）光核聚變裝置（zhì）能否成功研（yán）製的瓶頸。
以（yǐ）加工精度作為（wéi）單一評價指標，已不（bú）再滿足高性（xìng）能光學元件（jiàn）的製（zhì）造要求，需要綜合使用幾何（hé）精度、表麵（miàn）完整性指標（biāo）對加工質量進行全麵評價。超精密（mì）光學元件加工由以往的幾何形狀與尺寸精（jīng）度要求，提升為以性能要求為主、性（xìng）能與幾何參數一體化的精密加工要求，此即高性能製造。需要建立麵向（xiàng）使役性能要求的形狀 ‒ 性能一體化加工理論、方法（fǎ）以（yǐ）及工藝技術體（tǐ）係，為解決高性能光學元件的製造難題（tí）提供新方案。
（三）加工工藝複合化（huà）
高端光學元件苛刻的（de）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（qiú）。高（gāo）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（gōng）效率、加工質量的要求（qiú）更高，也提出了綠色低碳的環（huán）境要求。當前主流的加（jiā）工技術具（jù）有局限性，如加工效率偏低、加工精度（dù）低不足、表麵質量（liàng）難保證、加工可達性（xìng）差、環境汙染風險高等，高質、高效、綠色的先進超精密加工技術成為研究趨（qū）勢。
采用多能場輔助或者兩種（zhǒng）以上（shàng）加工工藝複合方法，可取長補短（duǎn）並發揮各自優勢，克服上述局限性（xìng）。未來研（yán）究重點有：探索新型加工工具材（cái）料（liào），建立新（xīn）型複（fù）合加工係統，深化複合加工機理（lǐ）研究，拓展複合加工技術應用（yòng）。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（yuán）件超精密加工的（de）重要趨勢；針對性開展超精密複合加工理論與技術創新研究，切實提升光（guāng）學製造（zào）技術（shù）水平與市場競爭力。
（四）加工與檢測一體（tǐ）化
超精密光學製造突出表現在高精度、高性能、高效率（lǜ）的疊加，加工與檢（jiǎn）測一體化是解決相應難題的主要手（shǒu）段，針對製造中物理、化學（xué）過程的智能化調控更顯重要。製造裝備、工具、工藝、檢測設備等麵臨變革，如製造工具需在多傳感器參與的感知（zhī）調控下具備材料去除、添加（jiā）或改性（xìng）功能。在（zài）檢測（cè）方麵，提（tí）高精度是關鍵，在位、高效、穩定仍是主要目標，支（zhī）持實現高質量綜合評價（jià）的多（duō）物理量檢（jiǎn）測成為新發（fā）展方向。
在超（chāo）精密加工與檢測一體化方麵，重點研究內容有：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係統，超精（jīng）密加工機床精度指標（biāo）的測試與評（píng）定係統（tǒng），高精度自由曲（qǔ）麵及微細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，超精密測量誤差多源分離新方法。超精密加（jiā）工測量的發（fā）展（zhǎn）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，多物理量檢測表征，高性能檢測的計量。
（五）裝備與工藝智能化（huà）
受高端光學（xué）係統的需求牽（qiān）引，複雜麵形或難（nán）加工材料元件的加（jiā）工效率（lǜ）和精度不斷突（tū）破（pò），衍生出的高端光學元件產品（pǐn）在通用領域得到更多應用（yòng）。在通用領域中（zhōng）的應用規模拓展後，高端光學元件的規（guī）模化、定製化（huà）製造需求凸顯，從（cóng）而提出了（le）製造設備的高效率、高精度、智能（néng）化加工要求。在世界工業（yè）新一（yī）輪（lún）技術浪潮驅動（dòng）下，智能製造（zào）成為製造業的主導趨勢；工業（yè）強國采取積極行動，促進製造業在智能製造（zào）、智慧（huì）化生產等方向的革新發展。
目前，高（gāo）端（duān）光學（xué）係統的光學元件較多采用定製（zhì）化的設計生產模式，根據客戶特殊需要“量身定製”解決方案；生產製（zhì）造（zào）企業需掌握（wò）設備生產工藝，將智（zhì）能製造技術運用到（dào）細分市場（chǎng）產品，進而為（wéi）各類（lèi）產品創建（jiàn）自動化解決方案。著眼未來，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（shēng）產過程，對各種製造對象、各類製造環境具有良好的（de）適應性。裝備與工藝智能化（huà）發展（zhǎn），將融合數字孿生、大數據、人工智能等信息（xī）技術，全麵提升並高效運用控製、傳感（gǎn）、精（jīng）密製造、識別等（děng）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（jiā）工技術路線圖研究（jiū）
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研（yán）究和編（biān）製高端光學元件超精密（mì）加工技術路線圖，可直接支（zhī）撐我（wǒ）國在此技術方向的中長期（qī）發（fā）展規劃、技術攻關、理論探索（suǒ）。研究依托相關谘詢項目（mù），集聚領域內院士、專（zhuān）家、學者的集體智（zhì）慧，重點完成兩方麵工作：① 開展廣泛的文獻調研，與（yǔ）航天、航空、船（chuán）舶、兵器、光學應用、機床製（zhì）造（zào）等領域的企業（yè）和科研院所實地調研相（xiàng）結（jié）合，全麵把握（wò）我國高（gāo）端光（guāng）學元件超精密加工技術方向的發（fā）展態勢和（hé）需求情況；② 組織召開了近20次研討會，麵向86位本領域專家開展問卷調查，精準研（yán）判高端光學元件超精密加工技術方向的發展趨勢，形成我國（guó）技術發（fā）展布局建議。
以（yǐ）2035年為目標節點形成的高（gāo）端光學元件超精密加工技術及裝備發展路線圖（tú）（見圖1），包含7個方麵的內容：應用需求，發展目標，重點產品，數控（kòng）係統、關鍵功能部件和刀具，測量方法與裝備，光學元件製造共性（xìng）關鍵技（jì）術，應用示範工程。
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圖1 高端光學元件（jiàn）超（chāo）精密加工技術（shù）及裝備發展路線圖（tú）
（一）應用需（xū）求
1. 深入實施製造強國戰略的（de）需要
國家“十（shí）四五”規劃綱要提（tí）出，深（shēn）入實施製造強國戰略。高端光（guāng）學元件作為製造業的核心基礎零（líng）件，其製造技術研（yán）究對加強產業基礎能力建設、推動（dòng）製造業優化升級意義重大。X射線望遠鏡、極紫外光刻機、激光核聚（jù）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（lǐng）域（yù）和重大基礎設（shè）施（shī），關鍵光學元（yuán）件的性能決定了這些高端裝備的性能，而當（dāng）前的製造水平不足以匹（pǐ）配光（guāng）學元件的高性能製造需求。
2. 產業發（fā）展需求
消費（fèi）電子、半導體製造、智能工業機（jī）床、紅外熱成像儀、車載鏡頭（tóu）等產（chǎn）品（pǐn），大量應用光學元件和組件。2021年，我國光學鏡片、鏡頭、模組等元（yuán）器件的市場規模為1568億元；技術更（gèng）新速度（dù）快（kuài），相應市場規模將進一步擴大（dà）。國內從事高端光學（xué）元件精密製造的企業，數量較少且產品集聚在中低端，在（zài）高分辨率（lǜ）定焦、大倍率變焦、超高清、光學（xué）防抖、安防監控一體機鏡頭等中高端光學鏡（jìng）頭製造方（fāng）麵的核心技（jì）術薄弱甚至部分缺失。開展高端光學元件高性能超精密製造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（gòu）的發展亟需。
3. 國防裝備發展需求
對（duì）地觀測衛星、精確（què）製導（dǎo）飛行器、高（gāo）能激（jī）光器等裝（zhuāng）備是（shì）國防裝備信息化和現代化的重（chóng）要支（zhī）撐，大口徑空間反射鏡、飛行器整流罩、折（shé）衍混（hún）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鍵（jiàn）零件。這些關（guān）鍵零件的製造水平決定了國防裝備的設計性能與服役（yì）規模。然而，國產高端光學元件的超（chāo）精密加工技術水平依然無法（fǎ）全麵滿足（zú）先進裝備發展（zhǎn）需求，有關技術封鎖和設備禁運也（yě）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（mù）標
1. 突破超精密加工的共性關（guān）鍵技術
圍繞高端光學元（yuán）件的（de）超精密製造需求，重點突破全頻譜納米 / 亞（yà）納（nà）米（mǐ）級精度（dù）創（chuàng）成、近無缺陷高表麵完整性加工、超精密（mì）機床正向設計與數（shù）據資源建構、超精密智能機床製造等共性關鍵技（jì）術，支持光（guāng）學（xué）製造技術應（yīng）用從高精度提（tí）升至高性能。
2. 研發和應用關鍵超精密（mì）加工裝備
在近期（qī），重點（diǎn）研發應（yīng）用亟需但未能（néng）實現自主供給商品化、屬於國外禁運的重大裝備，如4 m及以上口徑光學元件毛坯製造基（jī）礎裝備、輕量（liàng）化及超精密磨削裝（zhuāng）備、亞納米級加工裝（zhuāng）備、超大口徑光學元件超精密測量儀器。在此基礎上，進一步提升重（chóng）大裝備性能並擴充種類，如7 m及以（yǐ）上口徑光（guāng）學元件毛坯製造基礎裝備、輕量化及超精密磨削裝備、原子級加工裝備、超大口徑（jìng）光學元件超精密測量儀器、超大尺寸（cùn）光學元（yuán）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業
優化以國家（jiā）重點（diǎn）實（shí）驗室、國家工程研究中心、省部級重點（diǎn）實驗室（shì）為核（hé）心的光學元（yuán）件超精密製造科研體係，引導“產學研”融（róng）合發展（zhǎn），推動創新資源（yuán）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（xīn）“小巨（jù）人”企業，建設示範性智能工廠，實現（xiàn）關鍵技術的裝備應用，提升產業鏈配套供給水平。發展光學元件超精密製造專（zhuān）業技術服務企業，支持形成良好的製造業生態。
4. 提升機床和單元部件（jiàn）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“低端混戰、中端爭奪、高端失（shī）守、大而不強”的競爭格局。在（zài）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（miàn），國內市場占有率近期目標（biāo）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（xíng）誤差（chà）PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗（cū）糙度Ra≤3 nm。到2030年，麵形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗糙度（dù）Ra≤2 nm。到2035年，麵形（xíng）誤差PV≤0.1 μm/75 mm，表麵粗（cū）糙度Ra≤1.5 nm。
2. 超精（jīng）密銑（xǐ）削裝備
到2025年，麵形誤（wù）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（biǎo）麵粗（cū）糙度Ra≤8 nm。到2035年，麵形（xíng）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（nián），加工口（kǒu）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，亞表麵損傷≤25 μm。到2035年（nián），加工口徑≥7 m，麵形（xíng）誤差PV≤8 μm/m，亞表麵損傷≤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（dào）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（miàn）形誤差RMS≤5 nm。
（四）數控係統、關（guān）鍵功能部件和刀具
1. 數控係統
建立開放式、網絡化的雲架構數控係統，基於雲（yún）平台的（de）智能數控係統。雲上控製編程處理靈活，開放（fàng）性良好（hǎo），支持手機、筆（bǐ）記本電腦、工業計算機、虛（xū）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（zì）適應加（jiā）工、刀具壽命（mìng）管理、在位測量、虛擬現實仿真、自監控、維護、優化、重組（zǔ）等功能。
2. 關鍵（jiàn）功能部件
到2025年，突破超精密（mì）動靜壓軸（zhóu）承製造與檢測、超精密反饋元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（bù）件製造能力。到2030年，突破（pò）多物（wù）理量（liàng）可調運動部件、檢測單元等技術，具備高（gāo）性能功能部件製造能力。到2035年，突破關鍵（jiàn）功能部（bù）件（jiàn）多物（wù）理量狀（zhuàng）態（tài）感知、多物理量調控、精度 / 剛度補償等技術，具備智能化功能（néng）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（néng）金剛石 / CBN砂輪的能力，進一（yī）步發展超細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪。在金剛石車 / 銑刀具方麵，著重發展複（fù）合納米結構（gòu）化刀具，解決加工表麵中高頻誤差大、加工效率（lǜ）和（hé）精度難以（yǐ）兼（jiān）顧的難題。在拋光工（gōng）具方麵，近期發展多種可控（kòng）柔體亞納米（mǐ）拋光工具，進一步（bù）發展刀具工作狀態智能化監測、刀具數字化設計製造一體化等技術。
（五）測量方法與裝備
1. 機床精度測量
在快速在機誤差測量（liàng）儀（yí）器和（hé）標準方麵，開（kāi）發新一代測量儀器、方案和標準，破解激光幹涉儀、電（diàn）容傳感器價格昂（áng）貴（guì），操作複雜等（děng）難題。在超精密機床誤（wù）差識別與（yǔ）實時（shí）補償技術方麵，開發誤差溯源（yuán）分析算法，高效識別幾何誤差；優化機床幾何誤差在機（jī）測（cè）量的快（kuài）速解算（suàn）方法（fǎ），實現（xiàn）誤差的（de）實時補（bǔ）償。在機（jī）床誤差的自適應 / 智能檢測與評價方（fāng）麵，探究技術（shù）機（jī）理，揭示超精密（mì）機床的幾何誤差與加工表麵質量之間的關係及響應機製。
2. 光學元件在位測量
在光學元件的低應力、高效率、接觸式測量技術方麵，降低接觸應（yīng）力對光學元件的破壞作用，削弱（ruò）針尖（jiān）磨損導致（zhì）的測量精度退（tuì）化效應，提升接觸式（shì）在位測量的效率。在（zài）複雜光學元件的非接觸式納米 / 亞納米精（jīng）度測（cè）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（jīng）密檢測難題（tí）。在光學元件的多模態跨（kuà）尺度形性測量（liàng）技術方麵（miàn），實（shí）現麵（miàn）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（kuà）尺度表麵特性與使（shǐ）役性能的快速表征。
3. 光學元件離線測（cè）量
在複雜光學元件亞納米幾（jǐ）何精度測量技術方（fāng）麵，突破高陡度非球（qiú）麵、自由曲麵的全頻譜（pǔ）亞納米精度檢測難題（tí）。在光學元件表麵完整性的多參數、多傳感（gǎn）器協同表征技術方麵，實現光學元件多參數表麵完整性的實時定量準確評價，提升加工缺陷的修複精度。在光學元件時 ‒ 空（kōng）域形性參（cān）數的跨尺度表征與信息融合技（jì）術方麵（miàn），麵向光學元（yuán）件使役性能要求，形成形性一體化製造能力。
（六）光學元件製造共性關鍵（jiàn）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（pín）譜納米 / 亞納（nà）米級精度創成決定了光刻物鏡、空間光學（xué）、強光（guāng）光（guāng）學等方麵的應用水平，研究難度表（biǎo）現在：納米精度（dù）要求穩定實現亞納米量級的材料去除；複雜形狀引起材料（liào）去除率變化，需要進行有效（xiào）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。現有（yǒu）光（guāng）學加工方法較（jiào）多基於經驗，具（jù）有不確定性，難（nán）以克服現代光學零件加工的性能瓶頸，需要突破異質 / 各向異性（xìng）材料納米（mǐ）量級可控去除、複雜曲麵可控補償修形（xíng）、弱剛度光學元件確定性（xìng）去除（chú）、微弧度級斜率誤差抑製（zhì）、光學製造裝備運動軸性能設計、複（fù）雜（zá）曲麵全頻段超（chāo）精密檢測等關鍵技術。
2. 近無缺（quē）陷高表麵完整（zhěng）性加工
采用單一（yī）物理場的加工方法，很難實現高精度的近零亞表麵損傷加工（gōng）；原子級（jí）多物理場納米加工機理研究匱乏，加工表麵容易（yì）出現（xiàn）脆性裂紋、加工缺陷、表層物（wù）理和化學特性（xìng）變化。研究（jiū）多能場（chǎng）複合加工中表麵完整性的動態演化過程及其影響（xiǎng）因素，辨明實現近無缺（quē）陷高表麵完整性加工的條件（jiàn），需要突破麵向光學元件使役性能的表麵完（wán）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（biǎo）麵缺陷（xiàn）無損精（jīng）確表征、多參數表麵完整性多物理場表征等關（guān）鍵技術。
3. 超精密數控機床正向設計與數據資源建（jiàn）構
國產精密 / 超精密光（guāng）學加工機床的精度、可（kě）靠性、穩定性（xìng），相（xiàng）比國際先進水平存在階段（duàn）性差距，缺乏麵（miàn）向機床使役性能的正逆向設（shè）計方（fāng）法是導致上述差距（jù）的重要原因。超精密機床的正向設計，取決於設計資源數據庫，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（guān）係模型；需要突破數控（kòng）機床的功能設計、構型設計，精度（dù）設計、靜 / 動剛度設計、熱平衡設計，包括動力學優化、輕量化設（shè）計（jì）在內（nèi）的（de）多學科優化設計（jì）等關鍵技術；構建開放的工藝（yì）軟件與數據庫，集（jí）成（chéng）完備的設計（jì）規範與標準、知識（shí）庫、案（àn）例庫。
4. 超精密智能機床製造
超精密機床製造技術薄弱，是國產光學（xué）加工裝備性能落後（hòu）於進口產品的關鍵因素之一。提高超精密機床製造水平，需兼顧關鍵零部件（jiàn）製造與整機裝配（pèi）、智能機床係統與技（jì）術的發展（zhǎn）：對於前（qián）者，需要（yào）突破基礎結構件低應（yīng）力製造、高分（fèn）辨率納米（mǐ） / 亞納米（mǐ）運動伺服進給係統製造、工（gōng）件台納米定位與運動協同控製、超（chāo）精密空氣主軸與全約束閉合式油靜壓導軌製造（zào）、自動調平間斷（duàn）式空氣隔（gé）振係統製造、超（chāo）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（zhě），需要突破（pò）高穩定性智能伺服調整、熱變形智（zhì）能控製（zhì）、加工狀態實時智能導航、五軸加工誤差智能（néng）調諧、智能實（shí）時防碰撞係統、加工過程切（qiē）削負載自適應（yīng）智能控製、機（jī）床運行狀態智能診斷（duàn）與預警（jǐng）等關鍵技術。
（七（qī））應用示範工（gōng）程（chéng）
1. 大口徑輕量化空間光學元件製造
高分辨率對地觀（guān）測（cè）係統、X射線（xiàn）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（xué）元件材料硬脆、麵形複雜、極端輕量化（huà），需要實現全頻（pín）譜納米級加工精度（dù），而國產（chǎn）製造裝備在口徑、精（jīng）度、效（xiào）率方（fāng）麵均不能滿足要求。建議實施大口徑輕（qīng）量化空間光學元件製造應用（yòng）示範工程，形成4 m口徑空間光學元（yuán）件（jiàn）的超精密高效率磨削、拋光、修形（xíng）、檢測技術（shù）與國產化裝備。
2. 探測製導（dǎo）光學元件高性能超精（jīng）密製造
精密複雜（zá）慣性器件、高陡度保形光學元件（jiàn）等，較多（duō）采用高硬脆性材料，麵臨共形、氣動熱、高光譜、高過（guò）載等使（shǐ）役環境挑（tiāo）戰；通過加工精度（dù）、材料特性、結（jié）構設計（jì）方麵的耦合調控，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（gōng） ‒ 測（cè）量一體化製造應（yīng）用示範工程，揭（jiē）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（zhì）導光學元件的高性能超（chāo）精密製造技術與國產化加（jiā）工裝備。
3. 強光光學元件抗輻照損傷製造
激光點火裝置、高能激（jī）光器的強光光（guāng）學元（yuán）件服役於強激光環境，因加工缺陷誘導的輻照損傷（shāng）成為製約相應裝備性能（néng）提升的瓶（píng）頸（jǐng）。建議實（shí）施強光光學元件抗輻照損傷製造（zào）應用示範工程，揭示微納（nà）米加工缺陷對抗輻照損傷性能的影響（xiǎng）及抑製機理，形成近無缺陷強光元件的高性能製造技術和國產化磨削、拋光（guāng）、缺陷抑製（zhì）裝備。
4. 極紫（zǐ）外光（guāng）刻機物鏡超精密製造
光刻物鏡的製（zhì）造水平決定著光刻機的製程精度，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（bú）可依賴。建議實施（shī）極紫外光（guāng）刻機物鏡超精密製造應用示範工程，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與國產化拋光、修形（xíng）、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（zhǎn）建議
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（一（yī））優化創新體係設置，組織優勢資源成立技術聯盟
建議（yì）設立國家（jiā）超精密加工技術協同創（chuàng）新中心（xīn）、光學元件超精密製造技術創新聯盟。采取“政產（chǎn）學研用”協同創新模式，積（jī）極發揮政府引（yǐn）導作用，形成市場主（zhǔ）導的發展模式。強化（huà）用戶工藝主導的主（zhǔ）機研發理念，突出用戶工藝應用（yòng）驗證，提升超精（jīng）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（jī）床正向設計與資源構建、超精（jīng）密機（jī）床製造、可靠性與精度保持性、納米 / 亞納米精度（dù）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（lì）度，布局基礎研（yán）究和技術攻（gōng）關計劃
在國家（jiā）各類（lèi）科技計劃（huá）中，有層次、有重點地支持光學元件超精密加工技術發展。建議設（shè）立“關鍵光學元（yuán）件高性能製造基礎”國家自然科學基（jī）金（jīn）重大項（xiàng）目、“光學製造基礎”國（guó）家自然科學基金重大研究計劃，支持突破光學元件高性能製造（zào）的基礎理論與關鍵技（jì）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（jì）術與裝備（bèi）”專題，為超精（jīng）密數控機床（chuáng）發展提供關鍵（jiàn）支持。建議（yì）“高性能製造技術與重大裝備”國家重（chóng）點（diǎn）研發計劃項目加大對光學元件超精密製造技術（shù）與裝備的支持力度，推動光（guāng）學製造共性關（guān）鍵技術研發與應用示範。
（三）加（jiā）強人才培育，構（gòu）建梯隊並擴大（dà）隊伍規模
機床領域相對“冷門”，在高校（xiào）中（zhōng）的學科地位被弱化，高端人才流失現（xiàn）象嚴重，人才梯隊（duì）建設較為滯後。構（gòu）建（jiàn）本領域的（de）國家（jiā）戰略科技力量（liàng），需要依托創新型領（lǐng）軍企業（yè）、具有比較優勢的科研院所，在培養、引進、用好領軍人才、創（chuàng）新團隊方麵積極作為（wéi）。建立高端人才引進通道（dào），完善配套政策，運用技術入股、股權激勵、成果轉化收益分配等機製。培育麵（miàn）向工業（yè）創新需求（qiú）的工（gōng）程（chéng）技術人才、基礎紮實的（de）應用型研發人才（cái），合理（lǐ）擴大隊伍規模。可在（zài）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（bǎo）持研究隊伍穩定。
（四）築牢產業發展基礎，培育龍頭企業、專精特新“小巨人”企業
建議發布政策並配套保障資源，支持國產超精密機床、高檔數（shù）控係統、高性能關鍵功能部件、高性能（néng）刀具的產品研發與示範應用，兼顧市場競爭力提升和自（zì）主（zhǔ）可控能力增強。培育光學製造技術與裝備方麵的龍頭企業，鼓勵關聯企業（yè）發展成為專精特新“小巨人”企業，在財稅、投（tóu）融資、技（jì）術研發、產品進 / 出口、知識產權、國際合作等方麵給與重點支持。
