隨著科技的不斷進步，中國正努力攻克一系列被外界稱為“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)。超精密拋光技術(shù)作為其中的一項，對于提升我國制造業(yè)水平和實現(xiàn)高端裝備自主化具有重要意義。那么，超精密拋光技術(shù)還要多久才能攻破呢？本文將圍繞這一問題展開探討。
一、超精密拋光技術(shù)的重要性
超精密拋光技術(shù)是制造高精度、高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于光學(xué)、半導(dǎo)體、航空航天等領(lǐng)域。在光學(xué)領(lǐng)域，超精密拋光技術(shù)用于制造高精度光學(xué)元件，如鏡頭、反射鏡等，對于提高光學(xué)儀器的成像質(zhì)量和性能至關(guān)重要。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，超精密拋光技術(shù)則是制造集成電路芯片的必要手段，對于提升半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國際競爭力具有重要意義。
二、超精密拋光技術(shù)的挑戰(zhàn)與突破
盡管我國在超精密拋光技術(shù)方面取得了一定的進展，但與發(fā)達國家相比，仍存在一定的差距。目前，我國在超精密拋光技術(shù)方面面臨的主要挑戰(zhàn)包括：技術(shù)瓶頸、設(shè)備依賴、人才培養(yǎng)等方面。
為了攻破這些技術(shù)難題，我國科研人員和企業(yè)家們正在積極探索和創(chuàng)新。一方面，他們加強與國外先進企業(yè)的合作與交流，引進先進技術(shù)和管理經(jīng)驗；另一方面，他們加大研發(fā)投入，推動超精密拋光技術(shù)的自主研發(fā)和創(chuàng)新。同時，國家也出臺了一系列政策措施，支持超精密拋光技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。
三、超精密拋光技術(shù)的未來展望
雖然超精密拋光技術(shù)的攻破之路充滿挑戰(zhàn)，但隨著我國科技實力的不斷提升和科研人員的不斷努力，相信不久的將來，我國一定能夠在超精密拋光技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破。
展望未來，我國超精密拋光技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢：一是技術(shù)水平不斷提升，逐步實現(xiàn)從跟跑到并跑再到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變；二是應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，不僅局限于光學(xué)和半導(dǎo)體領(lǐng)域，還將拓展到更多高端制造領(lǐng)域；三是產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，形成從原材料、設(shè)備到技術(shù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，提高我國在全球超精密拋光技術(shù)領(lǐng)域的競爭力。
中國“卡脖子”的35項關(guān)鍵技術(shù)，超精密拋光還要多久才能攻破？
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一、超精密加工技術(shù)行業(yè)長期被卡脖子，國產(chǎn)替代需求迫切
超精密加工，指以不改變工件材料物理特性為前提，以獲得極限的形狀精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(無或極少的表面損傷，包括微裂紋等缺陷、殘余應(yīng)力、組織變化)為目標的機械加工。
通常，按加工精度量級可將機械加工分為普通加工、精密加工、超精密加工。
超精密加工技術(shù)成為衡量一個國家先進制造技術(shù)水平的重要指標之一。
長期以來，國外超精密機床的進口受到西方國家的禁運限制，我國超精密加工行業(yè)技術(shù)發(fā)展較慢。
工業(yè)母機在國家戰(zhàn)略意義上的重要十分緊迫，屬于牽一發(fā)而動全身關(guān)鍵領(lǐng)域。
此前國家工信部、科學(xué)技術(shù)部相繼發(fā)布亟待突破“卡脖子”的35項核心技術(shù)，超精密加工及拋光工藝就位列其中。
近年國內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)支持政策不斷出臺；2021年8月19日，國資委擴大會議首次提及工業(yè)母機，并強調(diào)針對工業(yè)母機等領(lǐng)域，加強關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。
-《（中國制造2025）重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》，到2025年，高檔數(shù)控機床國內(nèi)市場占有率超過80%；主軸、絲桿、線軌等中高檔功能部件國內(nèi)市場占有率達到80%；我國高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備要總體進入世界強國行列；
-《產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》強調(diào)機械工業(yè)基礎(chǔ)制造技術(shù)關(guān)鍵零部件的高速高效精密切削等先進基礎(chǔ)制造工藝技術(shù)，提高我國在光學(xué)加工設(shè)備、光學(xué)器件、光學(xué)鏡頭等方面的設(shè)計及整體制造能力；
-《工業(yè)強基工程實施指南（2016-2020年）》指出加快促進工業(yè)基礎(chǔ)能力提升，重點發(fā)展光學(xué)精密及超精密加工工藝，非球表面零件加工工藝；
-《“十三五”先進制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》要求重點發(fā)展精密與超精密加工工藝及裝備，突破高精度光學(xué)元件等精密超精密加工關(guān)鍵技術(shù)。
光學(xué)鏡片按材質(zhì)可分為塑料鏡片和玻璃鏡片，按幾何形狀及制程可分為球面鏡片和非球面鏡片，玻璃非球面鏡片在性能方面優(yōu)于其他鏡片
玻璃相比塑膠具有較高折射率、低吸收率、寬的光透過光譜范圍、高抗變形性、高抗高溫性、高抗?jié)裥?、硬度高及擁有較佳表面抗刮等特性；
非球面相比球面更容易修正影像畸變、色差、彗差等光學(xué)像差，使畫面更加清晰，提高光學(xué)性能，使大光圈和廣角設(shè)計變得簡單；并讓鏡頭的鏡片數(shù)目大幅降低，1片非球面鏡可抵3-5片球面鏡的效果。
玻璃非球面制備工藝
非球面玻璃鏡片制備工藝主要包括傳統(tǒng)磨削工藝、熱加工法-模造法、冷加工法，模造成型工藝高精度、低成本，是制備玻璃非球面透鏡的主流工藝。
模造工藝主要應(yīng)用于車載鏡頭、高清廣角鏡頭、數(shù)位相機鏡頭等。
模造玻璃技術(shù)門檻較高，以往全球僅HOYA（日本）、亞洲光學(xué)（臺灣）等少數(shù)公司可實現(xiàn)量產(chǎn)，隨著海外技術(shù)人才流入國內(nèi)，加上下游需求爆發(fā)，國內(nèi)廠商紛紛入局，目前舜宇光學(xué)、聯(lián)創(chuàng)電子、藍特光學(xué)、聯(lián)合光電等公司均掌握該工藝，近三年持續(xù)擴產(chǎn)。
玻璃非球面熱模造工藝壁壘高，核心難點在于模具加工。
模仁表面加工精度需達納米級別
-玻璃非球面鏡常用的模仁材質(zhì)為碳化鎢和碳化矽，其輪廓必須利用超精密研削機床加工成形，后用超精密拋光機床微加工，模仁表面精度達到納米級別；還需在模仁表面鍍上一層離形膜，以提高模仁的壽命及避免玻璃與模仁表面發(fā)生沾粘，上述工藝要求在千級無塵車間進行。如何確保加工精度的同時最大化加工效率，對模具生產(chǎn)設(shè)備提出巨大挑戰(zhàn)。
加工過程需實時監(jiān)測，測量方法需匹配工藝
-玻璃非球面生產(chǎn)流程檢測要求高，需使用誤差足夠小的精密檢測設(shè)備，并根據(jù)工藝要求選擇合理的測量方法。非球面由于面形復(fù)雜，采用何種表面測量方法，需要綜合考慮待測非球面光學(xué)元件的表面曲率、縱深、表面結(jié)構(gòu)特征、尺寸，以及對測量速度、測量精度的要求。
四、應(yīng)用場景不斷出現(xiàn)，催生玻璃非球面鏡片市場需求
①車載是玻璃非球面目前主戰(zhàn)場。
玻璃非球面鏡片是車載攝像頭最佳解決方案。相較于消費類電子攝像頭，車載攝像頭的工作環(huán)境極度惡劣，如震動、高低溫、雨霧、光線變化劇烈等。車載攝像頭以駕駛安全為目的，塑膠鏡片無法提供穩(wěn)定、可靠、清晰的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，而玻璃非球面鏡片同時具有小型化、輕量化和成像效果佳的優(yōu)勢，已經(jīng)成為高像素車載鏡頭的最佳解決方案。
玻璃非球面鏡片準直性能優(yōu)異成為激光雷達不同技術(shù)路線透鏡的主流選擇。一方面激光器發(fā)射的原始激光存在光斑形狀不規(guī)則、發(fā)散角過大等缺點，要提高測量精度就必須使用準直透鏡將激光準直為平行光線。另一方面激光穿透溫度高，玻璃熱膨脹系數(shù)極低，是準直端透鏡主流選擇材料。
AR-HUD離不開玻璃非球面。為優(yōu)化顯示效果，HUD需要根據(jù)擋風(fēng)玻璃的尺寸和曲率去有針對性地適配高精度非球面反射鏡。
l車載攝像頭
-全球每年銷售8000萬輛汽車，未來3年車載攝像頭滲透率達80%以上，單車平均搭載6顆以上，每顆攝像頭至少4片玻璃非球面，年市場需求量為15.36片。根據(jù)調(diào)研行業(yè)，目前全球玻璃非球面產(chǎn)能約2億片，仍有約13億片的玻璃非球面新增需求。
l激光雷達
-未來3年車載激光雷達滲透率達20%以上，單車平均搭載1個以上，每個激光雷達至少4片玻璃非球面，年市場需求量為0.64億片。目前出貨量很小，激光雷達對玻璃非球面需求預(yù)計有0.64億片的新增空間。
l車載HUD
-未來3年車載HUD滲透率達40%以上，單車平均搭載1個以上，每個匹配1片玻璃非球面/自由曲面，年市場需求量為0.32億片。目前出貨量很小，預(yù)計后續(xù)有0.32億片的新增需求空間。
l車載市場對應(yīng)設(shè)備市場規(guī)模
-玻璃非球面一條年產(chǎn)能1000萬顆產(chǎn)線總投入約1.5億，轉(zhuǎn)換成產(chǎn)線設(shè)備，其中磨削機床2000萬，拋光機床600萬，測量設(shè)備1000萬。
-根據(jù)以上假設(shè)，玻璃非球面車載需求未來三年新增約14億片，考慮設(shè)備稼動率80%，則后續(xù)需新增產(chǎn)能17.5億片。
-未來三年，對應(yīng)磨削機床市場規(guī)模35億，拋光機床市場規(guī)模10.5億，測量設(shè)備市場規(guī)模17.5億，合計約63億元。
?、谥悄苁謾C是玻璃非球面未來巨大的可想象空間。
玻璃非球面上高端手機大勢所趨。從近兩年手機新品來看，攝影/攝像是廠商最看重的性能，越來越多的廠商將高像素、長焦距攝影作為最大賣點，這都離不開玻璃非球面鏡片。如果采用玻璃非球面鏡片，鏡頭的厚度也可明顯減小。
近期市場不斷傳出風(fēng)聲。2023年10月底臺灣《經(jīng)濟日報》，供應(yīng)鏈傳出蘋果明年推出iPhone 16鏡頭將大改版，旗艦款擬搭載更高階的模造玻璃。11月29日，天風(fēng)證券分析師發(fā)文，玻塑混合鏡頭在獲得蘋果與華為采用后將成為鏡頭產(chǎn)業(yè)的新關(guān)鍵趨勢，其他品牌高階機型未來可能會跟進。玻塑混合鏡頭采用模造玻璃，而非效能較差的晶圓級玻璃。
若智能手機相機上玻璃非球面，相關(guān)設(shè)備需求將迎來指數(shù)級增長。
2023年全球手機銷量約12億臺，未來5年玻璃非球面滲透率達35%，每臺手機用2片玻璃非球面，需求量8.4億片，考慮設(shè)備稼動率80%，則需新增產(chǎn)能10.5億片。對應(yīng)磨削機床市場規(guī)模21億，拋光機床市場規(guī)模6.3億，測量設(shè)備市場規(guī)模10.5億，合計約37.8億元。
?、跘RVR、智能家居、安防監(jiān)控等應(yīng)用對光學(xué)鏡片提出更高的性能要求，非球面玻璃鏡片市場不斷增長。
在AR/VR領(lǐng)域，非球面玻璃鏡片和自由曲面鏡片是必不可少的光學(xué)元件。光學(xué)鏡頭是AR/VR的必要組件，被廣泛應(yīng)用于拍照、位置追蹤和環(huán)境映射，以實現(xiàn)對環(huán)境及周圍目標的感知。隨著消費者對成像體驗的要求不斷提升，具備大倍率變焦、高可靠性等特征的玻璃非球面產(chǎn)品在AR/VR領(lǐng)域的應(yīng)用也將持續(xù)加深。
安防領(lǐng)域?qū)h距離大空間場景的監(jiān)控需求催生對玻璃非球面鏡片的需求。一般來說定焦鏡頭可滿足無放大和3X放大鏡頭的基本需求，但在智慧城市發(fā)展背景下，安防對于遠距離大空間場景的監(jiān)控需求不斷提高。根據(jù)沙利文數(shù)據(jù)顯示，定焦鏡頭在全球安防鏡頭占比從2018年的67.4%下降到2023年的59.4%，而變焦鏡頭占比從2018年的32.6%增長到2023年的40.6%。變焦鏡頭必須使用玻璃非球面鏡片才能滿足性能需求，因此玻璃非球面鏡片在安防領(lǐng)域?qū)⒂芯薮笮枨蟆?br /> 制造5G光通信的光纖耦合器和和光纖激光領(lǐng)域也需要用到非球面透鏡。
玻璃非球面鏡片在智能家居不斷衍生新場景，如高端激光電視、掃地機器人、單反相機等。為追求更高的流明和清晰度，激光電視用激光光源進行發(fā)射，投射在鏡片上溫度高，塑膠鏡片難以匹配。掃地機的視覺方案也會選配玻璃非球面。單反相機一直都是標配玻璃非曲面鏡片。
五、國內(nèi)工業(yè)母機廠商加快追趕，在部分領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)替代
①超精密研削加工設(shè)備
目前國產(chǎn)化率小于5%，市場主要被東芝（日本）和Precitech（美國）占據(jù)；
國產(chǎn)僅有北京海普瑞森超精密技術(shù)有限公司和廣州精點科技有限公司小批量送樣。
?、诰苣＞邟伖庠O(shè)備
此前外資壟斷，被黑田精工（日本）和ZEEKO（英國）占據(jù)；
國產(chǎn)有廣州精點科技有限公司通過五年時間，已實現(xiàn)性能和效率全面領(lǐng)先，實現(xiàn)國產(chǎn)替代。下游光學(xué)廠商調(diào)研反饋，目前其占據(jù)該款設(shè)備60%以上市場份額。此外國內(nèi)還有廣東金鼎光學(xué)技術(shù)股份有限公司已小批量送樣。
?、劬芊乔蛎鏈y量設(shè)備
國產(chǎn)化幾乎為0，市場主要被松下（日本）和泰勒霍普森（英國）占據(jù)；
國內(nèi)廠商鮮有出貨。
五、結(jié)尾語
工欲善其事，必先利其器。對于制造業(yè)來說，這個“器”就是機床。“十四五”時期，機床行業(yè)要補短板、鍛長板，任重道遠。我國在精密和超精密制造領(lǐng)域顯著落后于美、日、德等國家，超精密拋光更是被列為35項中國被卡脖子的關(guān)鍵技術(shù)之一，國產(chǎn)替代需求迫切。在高像素車載鏡頭和高端手機將搭載更高階的玻璃非球面鏡片雙重共振下，超精密磨床和拋光機床市場有望迅速放量，在政策和市場的雙重作用下，有望助推我國高端超精密加工機床行業(yè)實現(xiàn)“彎道超車”。
結(jié)語
超精密拋光技術(shù)作為中國“卡脖子”的35項關(guān)鍵技術(shù)之一，其攻破對于提升我國制造業(yè)水平和實現(xiàn)高端裝備自主化具有重要意義。雖然目前我國在超精密拋光技術(shù)方面還存在一定的差距和挑戰(zhàn)，但隨著科技的不斷進步和科研人員的不斷努力，相信我們一定能夠攻克這一難題，實現(xiàn)超精密拋光技術(shù)的重大突破。讓我們期待這一天的到來！
