蔣莊德院士：高端光學(xué)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(xué)》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(xué)元件是決定高端裝備性能水平的核心零件，研究高端光學(xué)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(xué)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(xué)》2023年第1期發(fā)表《高端光學(xué)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(xué)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(xué)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(fù)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)裝置，紫外 / 極紫外光刻機、精密慣性器件、飛行器光學(xué)導(dǎo)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(xué)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(xué)元件的制造需求，光學(xué)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)槔瑸榱藢崿F(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(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)探測的關(guān)鍵技術(shù)。空間X射線反射鏡由多層輕質(zhì)薄壁復(fù)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(dǎo)航與通信、深空探測、空間科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和工程價值。
在半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域，極紫外光刻技術(shù)是國際半導(dǎo)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(xué)自由曲面設(shè)計，減小光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)元件超精密加工技術(shù)，是實現(xiàn)諸多大科學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)術(shù)性展示，梳理光學(xué)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(xué)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(xué)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，形成面向2035年高端光學(xué)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(xué)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(xué)元件制造的載體是精密 / 超精密光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌沒有擺脫進口依賴。氣浮導(dǎo)軌承載力低、穩(wěn)定性差，精密滾動導(dǎo)軌副的抗振性欠佳、機械磨損大，液體靜壓導(dǎo)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(xué)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(fù)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(fù)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(xué)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(xué)元件，市場需求趨于迫切：① 大口徑非球面光學(xué)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(xué)系統(tǒng)，其單體主鏡口徑為3~7 m；② 微結(jié)構(gòu)光學(xué)功能元件在三維成像、光學(xué)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(xué)器件制造具有積極意義。
在光學(xué)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(xué)、機械制造的學(xué)科背景，積極推動機械、物理、化學(xué)、材料等學(xué)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(xué)材料多能場輔助的超精密加工新原理與新方法、光學(xué)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(xué)元件近零損傷表面形成機理與工藝、復(fù)雜曲面光學(xué)元件高效超精密加工工藝，為高端光學(xué)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(xué)導(dǎo)引頭等光學(xué)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(xué)、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(yù)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)元件的制造難題提供新方案。
（三）加工工藝復(fù)合化
高端光學(xué)元件苛刻的服役條件以及極高的性能要求，對革新光學(xué)制造技術(shù)提出迫切需求。高端光學(xué)元件表面形狀復(fù)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(dāng)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(fēng)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(fù)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(fù)合加工系統(tǒng)，深化復(fù)合加工機理研究，拓展復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)用。復(fù)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(xué)元件超精密加工的重要趨勢；針對性開展超精密復(fù)合加工理論與技術(shù)創(chuàng)新研究，切實提升光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)系統(tǒng)的需求牽引，復(fù)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(xué)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(xué)元件的規(guī)?；?、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(dǎo)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(xué)系統(tǒng)的光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)元件的性能決定了這些高端裝備的性能，而當(dāng)前的制造水平不足以匹配光學(xué)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(dǎo)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(xué)元件和組件。2021年，我國光學(xué)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(xué)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(xué)防抖、安防監(jiān)控一體機鏡頭等中高端光學(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)元件、高能激光組件等高端光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)元件超精密測量儀器、超大尺寸光學(xué)元件修復(fù)裝備、航天器機載光學(xué)元件制造及修復(fù)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(xué)元件超精密制造科研體系，引導(dǎo)“產(chǎn)學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(fù)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(fù)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(xué)元件在位測量
在光學(xué)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(xué)元件的破壞作用，削弱針尖磨損導(dǎo)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(fù)雜光學(xué)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(fù)雜光學(xué)元件幾何精度的超精密檢測難題。在光學(xué)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(xué)元件離線測量
在復(fù)雜光學(xué)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(xué)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(xué)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(fù)精度。在光學(xué)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(xué)元件使役性能要求，形成形性一體化制造能力。
（六）光學(xué)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(fù)雜光學(xué)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(xué)、強光光學(xué)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(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、加工缺陷等影響光學(xué)性能，要求實現(xiàn)一致收斂和去除?，F(xiàn)有光學(xué)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(xué)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(fù)雜曲面可控補償修形、弱剛度光學(xué)元件確定性去除、微弧度級斜率誤差抑制、光學(xué)制造裝備運動軸性能設(shè)計、復(fù)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(xué)特性變化。研究多能場復(fù)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(xué)元件使役性能的表面完整性設(shè)計、光學(xué)元件控域控量控性、表面加工缺陷確定性原位修復(fù)、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(xué)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(dǎo)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(xué)優(yōu)化、輕量化設(shè)計在內(nèi)的多學(xué)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)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(xué)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(xué)元件為核心功能支撐。大口徑光學(xué)元件材料硬脆、面形復(fù)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(xué)元件制造應(yīng)用示范工程，形成4 m口徑空間光學(xué)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(dǎo)光學(xué)元件高性能超精密制造
精密復(fù)雜慣性器件、高陡度保形光學(xué)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(yù)期的探測制導(dǎo)性能。建議實施面向使役性能的光學(xué)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(dǎo)光學(xué)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(xué)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(xué)元件服役于強激光環(huán)境，因加工缺陷誘導(dǎo)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(xué)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。
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五、我國高端光學(xué)元件超精密加工技術(shù)與裝備發(fā)展建議
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（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(xué)元件超精密制造技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。采取“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新模式，積極發(fā)揮政府引導(dǎo)作用，形成市場主導(dǎo)的發(fā)展模式。強化用戶工藝主導(dǎo)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(xué)元件超精密加工技術(shù)發(fā)展。建議設(shè)立“關(guān)鍵光學(xué)元件高性能制造基礎(chǔ)”國家自然科學(xué)基金重大項目、“光學(xué)制造基礎(chǔ)”國家自然科學(xué)基金重大研究計劃，支持突破光學(xué)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(xué)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(xué)元件超精密制造技術(shù)與裝備的支持力度，推動光學(xué)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(xué)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(xué)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。
