高端光（guāng）學元件超精密加工技術與裝備發展研究丨中國工程科學
高端光學元件是決定高端裝備性能水平的核（hé）心零件，研究（jiū）高端光學元件超精密加工技（jì）術與裝備發展，對於（yú）實施製造（zào）強（qiáng）國戰略、滿足（zú）高端（duān）裝備產業需求具有積極（jí）意義。我國高端（duān）光學元件超精密製造技術及裝備，相（xiàng）比國際前（qián）沿存在階段性差距（jù），成為（wéi）製約高端裝備製造業（yè）發展的重大短板。
中國工程（chéng）院蔣莊德院士研究團隊在中國工（gōng）程院院（yuàn）刊《中（zhōng）國工程科（kē）學》2023年第1期發表《高端光學元件超精密加工（gōng）技術與裝備發展研究（jiū）》一文。文章剖析了光學元件超精密加（jiā）工方（fāng）法（fǎ）與裝備、高性能基礎部件、超精（jīng）密（mì）光學（xué）加工中的測量方法與裝（zhuāng）備等的發展情（qíng）況，凝練了精度與尺寸極端化、形狀與（yǔ）性能一體化、加工工藝複合化（huà）、加工與檢測一體化、裝備與工藝智能化等（děng）發展趨勢。通過廣泛的行業調研和研討，從需求、目（mù）標、產（chǎn）品、關鍵技術、應用示範、支撐保障等層次著手，形成了麵向2035年我國高端（duān）光學元（yuán）件超精密製造技術路線圖。針對性提出了優化創（chuàng）新體係設置、組織優勢資源成（chéng）立技術聯盟，加大資源保障力度（dù）、布局基礎研究和技術攻關計劃，加強人才培育、構建梯（tī）隊（duì）並擴大隊（duì）伍規模，築（zhù）牢（láo）產業發展基礎、培育龍頭企業和專精特新“小巨人”企業等發展建議，以期促進高（gāo）端（duān）光學（xué）元件（jiàn）加工產（chǎn）業提升與高質（zhì）量（liàng）發展。
高端（duān）光學元件是決（jué）定航空航天、國防軍工、先進民用等領域高（gāo）端裝（zhuāng）備性能（néng）的關鍵零件，典型應用對象有：高分辨率對地觀測係（xì）統、大型天文望遠鏡、X射線望遠鏡、激光（guāng）核聚變裝置（zhì）、同步輻（fú）射裝（zhuāng）置等大科學裝置，紫外 / 極紫外光刻機、精密慣性器（qì）件（jiàn）、飛行器光學導引頭、消費電（diàn）子產品、醫療器械等設備。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（cùn）公差為關注點的傳統（tǒng）設計製造理念難以適應高性能光（guāng）學元件的（de）製造需求（qiú），光學元件的超精密製造麵（miàn）臨技術挑戰。
以（yǐ）慣性約束激光核聚變為例，為了實現核聚變“點火”所需的極端苛刻條件，美國國家點火裝置大規模采用（yòng）了以熔石英、磷酸二氫鉀晶體材料為基礎的大口徑平麵、非球（qiú）麵、離軸非（fēi）球麵等光學元（yuán）件。我國在“神光”係列裝置上開展了類似研究。目（mù）前世界上均未實現核（hé）聚變“點火”目標，分析表明（míng），服役在短波長範圍的高性能（néng）光學元件超精密（mì）製造及其抗強激光損傷特性成為製約激光核聚變驅動器 ‒ 巨型激（jī）光裝置（zhì）能否（fǒu）成功（gōng）研製的瓶頸問題。探（tàn）究強激光紫外短波長（zhǎng）光學元（yuán）件超精密製（zhì）造過程中（zhōng）表麵（miàn）形貌及缺陷（xiàn）的形成、影響機製、抑製方法，可極大節約激光核聚變裝置的運行維護成（chéng）本、加速新一代激（jī）光核聚變點火裝置的研製進程。
空間X射線探測是脈衝星全自主計時導航、X射線通信、空間環境監測等工程應用，天文觀測、太陽X射線探測等（děng）空間科（kē）學探測的關鍵技術。空間X射線反射（shè）鏡由多層輕質薄壁複雜曲麵鏡片經同軸共焦精密裝（zhuāng）配而成，要（yào）求加工至（zhì）亞納米表麵粗糙度、微弧度級斜率偏差、極少的加工缺陷。目前，相比發達國家X射線多層嵌套反射鏡（jìng）加工（gōng）技術，我國在反（fǎn）射（shè）鏡層數、分辨率方麵（miàn）差距明顯，研製高靈敏度空間（jiān）X射（shè）線探測係統亟需解決相關難題。突破多層嵌套式X射線空（kōng）間反射鏡製造新（xīn）工藝的基礎理論（lùn）與工藝方法，對推動新一代航天器深空（kōng）全自主導航與通信、深空探測、空間科學（xué）領域發展具（jù）有重要的科學意義和工程價值（zhí）。
在半導體芯片製造領（lǐng）域，極紫外光刻技術是國際半導體行業延續摩爾定律（lǜ）、確（què）保光刻分辨（biàn）率進入7 nm/5 nm節點的核心關鍵所在。極紫外（wài）光刻（kè）物鏡（jìng）需要適應以全頻段、亞（yà）納米精度製造為代表的一係列苛刻（kè）要求，才能保證光刻性（xìng）能：采用光學自由曲麵設計，減小光學（xué）係統波（bō）前（qián）誤差，增大數值孔（kǒng）徑（jìng），減少元件數量；使用超低膨脹的微晶玻璃來保證工作（zuò）穩定性，而這種（zhǒng）異質材料（liào）的高性能超精密製造具有（yǒu）挑戰性。目（mù）前，隻有德國蔡司集團能夠生（shēng）產麵向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（shù）發展的“卡脖子（zǐ）”環節。
我國高端光學元件超精密製造技術及裝（zhuāng）備，相比國際前沿存在階段性（xìng）差距，成為製約高端裝備製造業發展的重大短板。在（zài）高新技（jì）術領域國際競爭趨於激烈、一些國（guó）家試圖對我國進行科技封鎖的背景下，“自主可（kě）控”解決光學製造這一“卡脖（bó）子”難題顯得尤為迫切。發展國產（chǎn）高端光學（xué）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（zhī）路。
中國工程院谘詢項目“高端光學係統的精密超精密加工技術及裝備的發展（zhǎn）戰（zhàn）略研究”，廣泛開展了文獻調研、現場考察、會議研討、問（wèn）卷調查，旨在推動新（xīn）形（xíng）勢下高端光學元件超精密加工技（jì）術與裝備的高質（zhì）量發展。文章作為相關（guān）谘詢（xún）項目研（yán）究成果的學術性展示，梳理光學（xué）元件超精密加工方法與裝備、高（gāo）性能基礎部件、超（chāo）精密光學加工相關測量方法與裝備的（de）發展現狀，分析理論、工藝、裝（zhuāng）備、應用等方麵的（de）瓶頸問題，提煉超精密（mì）光學製造技術的發展趨勢，形成麵向（xiàng）2035年高（gāo）端光學元件超精密製造（zào）技術（shù）路線圖，以期為我國超（chāo）精密加工（gōng）技術領（lǐng）域基礎研究、技（jì）術攻關、裝備（bèi）應用等研究提供基礎性參考。
二、國內外高端光學元件超精密（mì）加工技術（shù）與裝備發展現狀
高端光學元件製造的載體是精密 / 超精（jīng）密光學加（jiā）工機床。在以“高檔（dàng）數控機床與基礎製造（zào）裝備（bèi）”國家科技重大專（zhuān）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，產品品種基本滿（mǎn）足重點領（lǐng）域需求，數控係統與關鍵（jiàn）功能部件的研發及配套能力基本（běn）形成。以04專項實施完畢（bì）後的狀態來（lái）判斷，我國機床（chuáng）行業與國際先進水平仍有15年左右的差（chà）距。
（一）超精密加工方法和裝備
美國（guó）企業在光學元件超精密加工領域（yù）起步最早、水（shuǐ）平最高，歐（ōu）洲企業緊隨其後，日本企業在中小型民用（yòng）超（chāo）精密加工領域具有（yǒu）獨特優勢；這些企（qǐ）業技術體（tǐ）係成熟且注重技術原始（shǐ）創新，占據（jù）了大部分市場份額。近年來，我國的科研機構（gòu）和企業在國（guó）家重大需求的牽引下，積極開展光學元（yuán）件超精密加工技術研究，但與國外相比存在階段性差距。① 自主研製的超精密加工機床，其數控係統性能與可靠性、主軸回轉精度與轉速、溜板直線（xiàn）度與定位精（jīng）度、納（nà）米級運動控製與（yǔ）補償、加（jiā）工（gōng）精度與範圍（wéi）等方麵普遍滯後於國際前沿水平；“產學研用”協同創新與要素融合不足，基礎研究脫節，應用技術轉化率不高，原創（chuàng）技術稀缺，以跟蹤研究（jiū）為主流（liú）。② 在我國（guó）超精密加工機床市場上，國外公（gōng）司占（zhàn）據主導地位，進口產品擁（yōng）有多數份額；國產機床集中在（zài）航空航天、國防軍工（gōng）領域應用，以高端民用為代表的大規模、產業化應用尚未展開。③ 國內相關（guān）研究隊伍（wǔ）規（guī）模較大，然而具（jù）有國際影響力、引領產業（yè）發展的標誌性人才稀缺，有關超精密機床（chuáng）製造方麵的基礎研究力量儲（chǔ）備薄弱。
（二）數控係統、關鍵功能部件和刀具
通過持續努力，我國在超精密機床數控係統、關鍵功能（néng）部件、刀具等方麵基本具備了自主保障能力。國產高檔數控係統的功能（néng）基本接近國外先進係統，高檔數控係統配套應用超過（guò）1500套，中檔數控係統配套（tào）超過（guò）7萬套；高（gāo）檔數控與伺（sì）服驅動係統仍依賴進口。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，但精密軸承、精密導軌、高精密光柵（shān）等基礎部件製造（zào）仍是薄弱環節。國產數控係統、伺服係統、精密光（guāng）柵等核心部件未能形成貫（guàn）通配套，應用領域用戶的認可度（dù）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（chāo）精（jīng）密加工的高性能刀具，在加工效率、使用壽命方麵落後於進口產品。
國（guó）產數控係（xì）統的市場格局具有低端快速膨脹、中端進（jìn）展緩慢、高端依賴（lài）進口的特點。國產高端數控（kòng）係統的功（gōng）能、性能、可靠性等存在明顯不足，導致高檔數控係（xì）統市場90%以上被進口產品占據。機床智能控製（zhì）係統是新一代機床的重要組（zǔ）成部（bù）分，人工智能、數字孿（luán）生、雲服務等技術是支撐智能控製係統的關鍵，相關研究有待（dài）深入。
國產主（zhǔ）軸的徑向回轉（zhuǎn）精度約為50 nm，不能適（shì）應超精密機床的集成要求：電主軸的電機（jī）內裝式結構、高轉速下（xià）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（yǐ）保證高轉速下主軸的高回轉精度，液體靜壓軸承（chéng）在油溫控製、油泵減振、油液防泄漏等方麵有待提高。
國產轉台的徑向 / 軸（zhóu）向回轉精度約為25 nm，不能完全滿足超（chāo）精密機（jī）床的（de）研製（zhì）要求。超精密回（huí）轉工作台存在很多問題，如液體（tǐ）靜壓（yā）轉台（tái）的動態特性不穩定，轉台工作精度隨（suí）著溫度升高而降低。
國內導軌加工仍停留在1 m長度、1 μm直線度的（de）水平，相應（yīng）的（de）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，精密滾動導軌副的抗振性欠佳（jiā）、機（jī）械磨損大，液體靜壓導軌在溫升控製、流量控製等方麵（miàn）存在短板。
國產光柵位移傳感（gǎn）器占據世界市場的50%以上，但以中 / 低檔產品為主；大行程、高精度光柵直線位移傳感器，超精密圓（yuán）光柵（shān）角位移傳感器的自主研（yán）發與製造能力薄弱，應用於光刻（kè）機等高端製造裝備的二維光柵更（gèng）是缺失。從位移傳感器產品的（de）核心性能角度看（kàn），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（děng）高端產品被國外企業壟斷。
國產超硬車銑刀（dāo）具的精度（dù）和使用（yòng）壽命等，與國（guó）外先（xiān）進水平相比差距明顯。金剛石砂輪結合劑的耐磨性（xìng）較低，細粒度金剛石砂輪的磨削（xuē）加工精度低、加工質量不穩定。拋光工具（jù）的平坦度（dù）較低，使用壽命（mìng）較短，缺（quē）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（liàng）方法與裝備
在機床精度測量方麵，激光幹涉儀、電容傳感（gǎn）器在（zài）超精密機床的幾何（hé）誤差測量中應用廣（guǎng）泛，但需要（yào）配備多類標（biāo）準件，成（chéng）本高且操作複雜；快（kuài）速（sù）在機誤差測量的儀器、測量方案、測量（liàng）標準等亟需發展。通過試切法、誤差敏感性分（fèn）析來識（shí）別機（jī）床幾何（hé）誤差在實際應用中較為流行，深入研究誤差溯源（yuán）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響應機理，集（jí）成機床精度檢測裝置以匹配自（zì）適應 / 智能製（zhì）造裝（zhuāng）備的（de）研製需求，是機床精（jīng）度檢測技術的主要發展方向。
光（guāng）學元件離線檢測設備主要依賴進口，如超（chāo）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（shè）備方麵的ZYGO、QED等品牌。針（zhēn）對非球（qiú）麵、自由曲（qǔ）麵（miàn）的超精密測量（liàng）是光學元件（jiàn）檢測的難點，相應檢測技術發展表現（xiàn）為通用（yòng）化、高精度兩類方向：前者要求在不對係統進行明顯調整（zhěng）的情況下，快速自動（dòng）地進行不同（tóng）種類光學表麵的檢測；後者要求盡可（kě）能地提（tí）高檢測精（jīng）度，用（yòng）於檢測超高精（jīng）度非球麵（麵（miàn）形誤差為納米 / 亞納米量級，補償器精度（dù）、係統誤差（chà）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 ‒ 測量一體化理念，成功用於光學元件的精密加工過程並取得了（le）原創性成果，但在位（wèi）測（cè）量、加工 ‒ 測量（liàng）一體化受（shòu）測量原（yuán）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、動態測量、多參量的（de）測（cè）量需（xū）求。三維複雜結構（gòu）表麵（miàn）具有廣泛應（yīng）用，相應微（wēi）表麵形貌的測（cè）量（liàng）不僅涉及粗糙度或瑕疵，而且與輪廓、形（xíng）狀偏差、位置偏差密切相關。未來，在位測量（liàng）需兼具高速性（xìng）、實時性、高分辨率、大測量縱深、寬測量範圍。實現在位測量高精度信（xìn）息獲取、高效率數據（jù）處理，關（guān）鍵在於融合局部測量 / 全局測量不（bú）確定度評定、測量單元與（yǔ）運（yùn）動單元、多源異構數（shù）據的測量分析理論與評定方法。
三、高端光學元件超精密加工技術與裝備發（fā）展趨（qū）勢
（一）精（jīng）度與尺寸極端化
極大尺寸（cùn）、極小尺寸、極高精度的光（guāng）學元件，市場需求趨於迫切（qiē）：① 大口徑非球麵光學元件廣泛應（yīng）用於遙感衛星、空（kōng）間望遠鏡（jìng）、地基天文望遠鏡等精密（mì）光學係統，其（qí）單體主鏡口徑為3~7 m；② 微結構光學（xué）功能元件在三維成像、光學聚焦、測（cè）量、冷卻、減阻、潤（rùn）濕等方麵應用廣（guǎng）泛，相應結構尺寸可達微 / 納（nà）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（dù）製造（zào）將能量直接作用於原子，通過構建原子尺度結構實現特定功能與性能，是新（xīn）一代（dài）製造技術（shù）的趨勢之一，對（duì）革新高端（duān）光學器件製造具有積極意義。
在光學元件尺寸和精度極端化的背景下（xià），需要優化已有研究規（guī）劃，適時布局（jú）以極端（duān）精（jīng）度與尺度製造為代表的新一代製造技術。立足微觀力學、機（jī）械（xiè）製造的學科背景，積極推動機械、物理、化學、材料等學科交叉，著力（lì）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理、光學材料多能場輔助（zhù）的超精密加工（gōng）新原理與新方（fāng）法、光學材（cái）料超精密加工亞表麵損傷的產生機（jī）理與（yǔ）抑製方法、光學元件（jiàn）近零（líng）損傷表麵形成機理（lǐ）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（jī）礎。
（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（yuán）件的服役性能，既取決於幾何（hé）精（jīng）度，也受到表層材料物理、化學、機械性質變化的顯著影響。例如，激光核聚變裝置未能實現預期的“點火”目標，重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。紫外（wài）光（guāng）學元件高性能超精密製造及其抗強激（jī）光損傷特性（xìng），實際上成為製約激光核聚變裝置能否成功研（yán）製的（de）瓶頸。
以加（jiā）工精度作為單（dān）一評價指標，已不再（zài）滿足高性（xìng）能光學元件的製造要求，需要綜合使用幾何精（jīng）度、表麵完（wán）整性指標對加工（gōng）質量進行全麵評價。超精密光學元件（jiàn）加（jiā）工（gōng）由以往的幾何形狀與尺寸精度（dù）要求，提升為以性能（néng）要求為主、性能與幾何參數一體化的精（jīng）密加工要求（qiú），此即高性能製造。需要建立麵向使役性能要求的形狀 ‒ 性能一體化加工理論、方法以及工藝技術體（tǐ）係，為解決高性能光（guāng）學元件（jiàn）的（de）製造難題（tí）提供新方案。
（三）加工工藝複合化
高端光學元件苛刻的服役條（tiáo）件以及（jí）極高的性能要求，對革新光學製造技術提出迫切（qiē）需求。高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（qián）主流（liú）的加工技術具有局限性（xìng），如加工效率偏低、加工精度低不足、表麵質量難保證、加工可達性差、環境（jìng）汙（wū）染風險高等（děng），高質、高效、綠（lǜ）色的先進（jìn）超精密加工技術成為研究趨勢。
采用多能場（chǎng）輔助或者兩種以上（shàng）加工工藝複合方法（fǎ），可取長補短並發揮各自優勢，克服上述局限性。未來研究重點有（yǒu）：探索新型加工工具材料，建立新型複合加工係統，深化複合加工機理研究，拓展複（fù）合加工技術（shù）應用。複合加工技術朝著高精度（dù）、微細化方向發（fā）展，成為高（gāo）端光（guāng）學元件超精密加工的重（chóng）要（yào）趨勢；針（zhēn）對性開展超精密複合加工（gōng）理論與技術創新研究，切實提升光學製造技術（shù）水平（píng）與市場競爭力。
（四）加工與檢測一體化（huà）
超（chāo）精密光（guāng）學製造突出表現在（zài）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段，針對製造中物理、化學過程的智（zhì）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（qì）參與的感知調控下具備材料去除、添加或改性功能。在檢測方（fāng）麵，提高精度是關（guān）鍵，在位、高效、穩定仍是主要目標，支持實（shí）現高（gāo）質量綜合評價的多物理量檢測成為新發展方向。
在超精密加工（gōng）與（yǔ）檢測一體（tǐ）化方（fāng）麵，重點研究內容有：在線、在位測試與（yǔ）評定新原（yuán）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（jī）床精度指標的測試與評定係統，高精度自由曲麵（miàn）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（bèi）技術，超精密測（cè）量誤差（chà）多源分離新方法。超精密加工測量的發展趨（qū）勢表現為：高精度（dù）、大量程測量，形狀和位置精度（dù）的同步測量，多物理量檢測（cè）表（biǎo）征，高性能檢測的計量（liàng）。
（五）裝備（bèi）與工藝智能化
受高端光學係統的需求牽引，複雜（zá）麵形或難加工材（cái）料元件（jiàn）的加（jiā）工效（xiào）率和精（jīng）度不斷突破，衍生出的高端光學元件產品（pǐn）在通用（yòng）領域得到更多應用。在通用領域中的（de）應用（yòng）規模拓展後，高端光學元件的（de）規模化、定製化製造需（xū）求凸顯，從而（ér）提出了製造設備的高效率、高（gāo）精度、智能化（huà）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的主導趨勢；工業強國采取積極行動，促進製造業在智能製造、智慧化（huà）生產等方向的革新發展（zhǎn）。
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（chǎn）模式，根據客戶特殊需要“量（liàng）身定製”解決方案；生產製造企業需掌（zhǎng）握設備生產工藝，將智能製造（zào）技術運用到細分市場產品，進而為各類產（chǎn）品創（chuàng）建自動化解決方案。著（zhe）眼未（wèi）來，智能製造裝備企業應圍繞（rào）市場需求，構建高度自動化的生產過程，對各種製造對象、各（gè）類製造環境具有良好的（de）適應性。裝備與工藝智能化發展，將（jiāng）融合數字孿生、大數（shù）據、人工智能等信息技（jì）術，全麵提升並（bìng）高效運用（yòng）控製（zhì）、傳感、精密製造、識別等關鍵技術。
四、麵向（xiàng）2035年我國高端光學元件超精密加工技術路線（xiàn）圖研究（jiū）
研究和編製高端光（guāng）學元件超精密加工技術路線圖，可直接支撐我國在此（cǐ）技術方（fāng）向的中長期發展規劃、技術（shù）攻關、理論探索。研究依托相關谘詢項目，集聚領域內院士、專家、學者的集體智慧，重點完成兩方（fāng）麵工作：① 開展廣泛的文獻調研，與航（háng）天、航空（kōng）、船舶（bó）、兵器、光（guāng）學應用、機床製造等領域的企業和科研院所實地調研相結（jié）合，全（quán）麵把握我國高端（duān）光（guāng）學元件超精密（mì）加工技術方向的發展態（tài）勢和需求（qiú）情況；② 組織召開了近20次研討會，麵向86位（wèi）本領域（yù）專家開（kāi）展問卷調查，精準（zhǔn）研判高（gāo）端光（guāng）學元件超（chāo）精密加工技術方向的發（fā）展趨勢，形成我國技術發（fā）展布局建議。
以2035年為目標節（jiē）點形成（chéng）的高端光學元件超精密加工（gōng）技術及裝備發展路線圖（tú）（見圖1），包含7個（gè）方麵的內容（róng）：應用需求，發展目標，重點產品，數控係統（tǒng）、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）關鍵技術，應用示範工程。
高端光學（xué）元件超精密加工技術及裝備發展（zhǎn）路線圖
（一）應用需求
1. 深入實施製造強國戰略的需要
國家“十四五（wǔ）”規劃綱要提出，深入實施製造強國戰略。高端（duān）光學元件作為製造業的核心基礎零件，其製造技術研究對加強產業基（jī）礎能力建（jiàn）設、推動製造業優化升級意義重大。X射線望遠鏡、極紫（zǐ）外光刻機、激光核聚變裝置、自由電（diàn）子激（jī）光裝置、同步輻（fú）射裝置等高端（duān）裝備列為科（kē）技前沿領域和重大（dà）基礎設施，關鍵光學元件的性能決定了這些高端裝備的性能，而（ér）當前的製造水平不足以匹配光學（xué）元件（jiàn）的（de）高性能製造需求。
2. 產業發展需求
消費電子、半導體製造、智能（néng）工（gōng）業機床、紅外熱成像儀、車載鏡頭等（děng）產品，大（dà）量（liàng）應用光學元件和組件。2021年，我（wǒ）國光學鏡片、鏡頭（tóu）、模組（zǔ）等元器件的市場規模為1568億元；技術更新速度快，相應市場規（guī）模將進一步擴大。國（guó）內從事高（gāo）端光學（xué）元件精密製造的企業，數量較少且（qiě）產品集聚在中低（dī）端，在高分辨（biàn）率定焦、大倍率變焦、超高清、光學防抖、安防監控（kòng）一體（tǐ）機鏡頭等中高（gāo）端（duān）光學鏡頭製造方麵的核心技術薄弱甚至部分缺失。開（kāi）展高端光學元件高性能超精密製造基礎理論與關鍵技術（shù）研究，突破國（guó）內市場格局並高質量“走出去”，是國內企業（yè）和科研機構的發展亟（jí）需。
3. 國防裝備發展需（xū）求
對地觀測衛星、精確製導飛（fēi）行器（qì）、高能激光器等裝備是國防（fáng）裝備信息化和現代化的重要支撐，大口徑空間反射鏡、飛行器整流罩、折衍混合光學元件、高能（néng）激光組（zǔ）件等高端光（guāng）學元件是先進裝備的關鍵零件（jiàn）。這些關鍵（jiàn）零件的製造水平決定了國防（fáng）裝備的設計性能與服（fú）役規模。然（rán）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，有關技術封鎖（suǒ）和設備禁運也客（kè）觀存在，自主攻關高端光學（xué）元件（jiàn）超精密加工裝備及（jí）其關鍵（jiàn）技術極為迫切。
（二）發展目（mù）標
1. 突破超精密加工的共性關鍵技術
圍繞高端光學元件的超精密（mì）製造需求，重點突破全頻譜納米 / 亞納米級精度創成（chéng）、近無缺陷高表麵完整性加工、超精密機床正（zhèng）向（xiàng）設計與數據資源建構、超精密智能機床製造等共性關鍵技術，支持光學製造技（jì）術應用從高精度提升（shēng）至高性能。
2. 研發和應用關鍵超精密加工裝備
在近期，重點研發應用亟需但未能實現自主供給（gěi）商品化、屬（shǔ）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（zhì）造基礎裝備（bèi）、輕量化及超精密磨削（xuē）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。在此基礎上，進一步提升重（chóng）大裝備（bèi）性能並擴充種類（lèi），如（rú）7 m及以（yǐ）上口徑光學（xué）元件毛坯製造基礎裝備（bèi）、輕量化及超精密磨削裝備、原子級加工裝（zhuāng）備、超（chāo）大口徑光學元件超精密測量儀器、超大尺寸光學元件（jiàn）修複裝備、航天器機載光學元件製（zhì）造及修複裝備。
3. 形成超精密製造領軍企業
優化以國家重點實驗室、國家工（gōng）程研究中（zhōng）心、省部級（jí）重點實（shí）驗室為核心的光學元件超精（jīng）密製造（zào）科（kē）研體係，引導“產學研（yán）”融合發展，推動（dòng）創新資源整合升級。鼓勵重點方向基礎良好的企（qǐ）業發展成為專精特新“小巨人”企業，建設示（shì）範性智能工廠，實現（xiàn）關（guān）鍵技術的裝（zhuāng）備應用，提升產業鏈配（pèi）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（chí）形成良好的製造業生態（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（chuáng）行（háng）業“低端混戰、中端爭（zhēng）奪、高端失守、大而不強”的競爭格局。在國產光學元件超精（jīng）密製造裝備、高檔數控係統、超精密關（guān）鍵功能部件（jiàn）方麵，國內市場（chǎng）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（bèi）
到2025年，麵形誤差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，表麵粗糙度Ra≤2 nm。到（dào）2035年，麵形誤差（chà）PV≤0.1 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤1.5 nm。
2. 超精密銑削裝備
到2025年，麵形誤（wù）差PV≤0.3 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤10 nm。到（dào）2030年，麵形誤差（chà）PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗（cū）糙度Ra≤8 nm。到2035年，麵形誤（wù）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（sǔn）傷≤35 μm。到（dào）2030年，加工口徑≥5 m，麵形誤差PV≤8 μm/m，亞表麵損（sǔn）傷≤25 μm。到2035年，加（jiā）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（gōng）口徑≥4 m，麵形誤差RMS≤12 nm。到2030年（nián），加工口徑（jìng）≥5 m，麵形誤（wù）差RMS≤8 nm。到2035年（nián），加工（gōng）口徑≥7 m，麵形誤差RMS≤5 nm。
（四）數控係統（tǒng）、關鍵（jiàn）功能部（bù）件（jiàn）和刀具
1. 數控係統
建立開放式、網絡化的雲架（jià）構數控係統，基於雲平台的智能（néng）數控係統。雲上控製編程處理靈（líng）活，開（kāi）放性良好，支持手機、筆記本電腦、工業計算機、虛擬現實等多種人機交互前端。突破（pò）多軸、多通道、納米插補數控加工技術，實現自適應加工（gōng）、刀具壽（shòu）命管理、在位測量、虛擬現實（shí）仿真、自監控、維護、優化、重組等功能。
2. 關鍵功能部件
到2025年，突破（pò）超精密動靜壓軸承製造與檢測、超精密反饋元（yuán）件與運動控製等（děng）技術（shù），具備高精度、高剛度、運動（dòng）平穩的功能部（bù）件製造（zào）能力。到2030年，突破多（duō）物理量可調（diào）運動部件、檢（jiǎn）測單元等技術，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感（gǎn）知、多物理量調控、精度 / 剛（gāng）度補償等技術，具備智能化功能（néng）部（bù）件製造能力。
3. 刀具
在金剛石砂輪方麵，近期具（jù）備批量生產和應用細粒度（dù）、高性能（néng）金剛石 / CBN砂（shā）輪的能力（lì），進一步發展超細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪（lún）。在金剛（gāng）石車 / 銑刀具方麵，著重發展（zhǎn）複合納米結構化刀具，解決加工表麵中高頻誤差大、加工效率和精度難以兼顧的難題。在拋光工具方麵，近期發（fā）展多種可控柔體亞納米（mǐ）拋光工具，進一步發展（zhǎn）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（chuáng）精度測量
在快速在機誤差測量儀器和標（biāo）準方麵，開發新（xīn）一代測量儀器、方案和標準（zhǔn），破解激光（guāng）幹涉儀、電容傳感器價格昂貴，操作複（fù）雜等難題。在超（chāo）精密機床誤差識別與實（shí）時補償技術方麵（miàn），開發誤（wù）差溯源分析算法，高效（xiào）識別幾何誤差；優化機（jī）床幾何誤差在機（jī）測量的快速解算（suàn）方法，實現誤差的實時補（bǔ）償。在機床誤差的自適應 / 智能檢（jiǎn）測與評價方（fāng）麵，探究技術機理（lǐ），揭示超（chāo）精密機床的幾（jǐ）何誤差與加工表麵質量之間的關係及響應機製。
2. 光學元（yuán）件在位測量
在光學元件的低（dī）應力、高（gāo）效率、接觸式測量技術方麵（miàn），降低（dī）接觸應力對光學元（yuán）件的破壞作用，削弱針（zhēn）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（jī）床溫變、振動、汙染條件下複雜光學元件幾何精度的超精密檢測難題（tí）。在光學元件（jiàn）的多模態跨（kuà）尺度形性測量技術方麵，實現（xiàn）麵形（xíng）精度、微（wēi）觀形貌、表麵缺陷、亞表麵損傷、殘餘應力等多模態（tài）、跨（kuà）尺度表麵特性（xìng）與使役性能的快速表征。
3. 光學元件離線測量
在（zài）複雜光學（xué）元件亞（yà）納米幾何精度測量技術方麵，突破高陡度非球麵（miàn）、自由曲麵的（de）全頻譜亞（yà）納米精度檢測難題。在光學元件表麵完整性（xìng）的（de）多（duō）參數、多傳感器協同表征技術方麵，實現光學元件多參數表麵完（wán）整（zhěng）性的實時定量準（zhǔn）確評價，提升加工（gōng）缺陷的修複精度（dù）。在光學元件時 ‒ 空域形性參數的跨尺度表征與信息融合技術方麵，麵向光學元件使役性能要求，形成形性（xìng）一體（tǐ）化製造能力。
（六）光（guāng）學元件製造共性關鍵技術
1. 全頻譜納米 / 亞納米級精度創成
複雜光學元（yuán）件的（de）全頻譜納米 / 亞（yà）納米級精度創（chuàng）成決定了光刻物（wù）鏡、空（kōng）間光學、強光（guāng）光學等方麵（miàn）的應用水平（píng），研（yán）究（jiū）難度表現在：納米精度要求穩定實現亞納（nà）米量級的材（cái）料去除；複雜形狀引（yǐn）起材料去除率變化，需要進行有效補償；全（quán）頻段誤差、加工缺陷等影響光學性能，要求實現一致收斂和去除。現有光學加工方法（fǎ）較（jiào）多基於經驗，具有不（bú）確（què）定性，難以克（kè）服現代（dài）光學零件加工的性能瓶頸，需要（yào）突破異質 / 各向異性材料納米量級可控（kòng）去除、複雜曲麵可控（kòng）補償修形、弱剛（gāng）度（dù）光（guāng）學元件確定性去除、微弧度級（jí）斜率誤差抑製、光學製造裝備（bèi）運動軸性能設計、複雜（zá）曲麵全頻段超精（jīng）密檢測等關鍵技術。
2. 近無缺陷高表麵完整性加（jiā）工
采用單一物理場的加工方法，很難實現高精度的近（jìn）零亞表麵損傷加工；原子級多物理場納米加工機理（lǐ）研究匱（kuì）乏，加工（gōng）表麵容易出現脆性裂紋、加工缺陷（xiàn）、表層物理和化學特性變化。研究多能場複合加工中表麵完整性的動態演化過程及其影響因素，辨（biàn）明實現近無缺陷（xiàn）高表麵完整性加工（gōng）的條件，需要突破麵向（xiàng）光學（xué）元件使役性能的表麵完整性設計（jì）、光學元件控域控量控性、表麵加工缺（quē）陷確定性原位修複、跨尺度表（biǎo）麵缺陷無損精確表征、多參數表麵完整性多物理場表征等關鍵技術。
3. 超精密數控機（jī）床正向設計與數據資源建構
國產（chǎn）精密 / 超精密光學加工（gōng）機床的精度、可靠性、穩定性（xìng），相比國際先（xiān）進（jìn）水平存在階段性差距，缺（quē）乏麵向機床使役性能的正逆向設計方法是（shì）導致上（shàng）述差距的重要原因（yīn）。超精密（mì）機床的（de）正向設（shè）計，取決於設計資源數據庫，機床的（de）精度及剛度與機床結構、零部件精度、控製參（cān）數之間的關係模型；需要突破數控機床的功（gōng）能設計、構型設計，精度設計、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（yōu）化設計等關鍵技（jì）術；構建（jiàn）開（kāi）放的工藝軟件與（yǔ）數據庫，集成完（wán）備的設計規範與（yǔ）標（biāo）準、知識庫、案例庫（kù）。
4. 超精密智能機床製造（zào）
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。提高超精密機（jī）床製造水平，需兼（jiān）顧關鍵零部件製造（zào）與整機裝配、智能機床係統（tǒng）與技術的發展：對於前者，需要（yào）突破（pò）基（jī）礎結構件低應力製造、高分辨率納米 / 亞納米運動伺（sì）服（fú）進給係統製造、工件台納米定位與運動協同控製、超精（jīng）密空氣主（zhǔ）軸與（yǔ）全約（yuē）束閉合式油靜壓導軌製造、自動（dòng）調（diào）平間斷式空氣隔振係統製造、超精（jīng）密切削與高效低損傷磨拋工具製造等方麵（miàn）的（de）關鍵技術；對於後者，需（xū）要（yào）突（tū）破高穩定性智能伺服（fú）調整、熱變形智能控製、加工狀態實時智能導航、五軸加（jiā）工（gōng）誤差智能調諧、智能實時防碰撞係統、加工過程（chéng）切（qiē）削負載自適應智能控（kòng）製、機（jī）床運行狀態智能診斷與預（yù）警等關（guān）鍵技術（shù）。
（七）應用示範工程
1. 大口徑（jìng）輕量化空間光學元件製（zhì）造
高分辨率對地觀測係統、X射線望遠鏡（jìng）等空間裝備，以大口徑光學元件為（wéi）核心功能支撐。大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（pín）譜納（nà）米級加工精度，而國產製造裝備在口徑、精度、效率方麵均不能滿足要求。建（jiàn）議實施大口徑輕量化（huà）空間光學元件製造應用示範（fàn）工程，形成4 m口徑空間光學元件的（de）超精密高效率磨削、拋（pāo）光、修形、檢測技術（shù）與國產化裝備（bèi）。
2. 探（tàn）測製導光學元件高性能超精密（mì）製造
精密複雜慣性器件、高陡度保形（xíng）光學（xué）元件等，較多采（cǎi）用高硬（yìng）脆性材料，麵臨共（gòng）形、氣動熱、高光譜、高過載等使役環境（jìng）挑戰；通過加工精度、材料（liào）特性、結構設計方（fāng）麵的耦合調控，才能獲得預期的（de）探測製導性能。建議實施麵向使役（yì）性能的光學元件設計 ‒ 加工 ‒ 測量（liàng）一體化製造應用示範工程，揭（jiē）示極（jí）端服役環境下加工精（jīng）度對服役性能的影響機製，形成探測製導光學元件（jiàn）的高（gāo）性能超精密製造技術與國產化加工裝備。
3. 強光光學元（yuán）件抗輻照損傷製造
激光點火裝置、高能激光器的強光光學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（xìng）能提升的瓶頸。建議實施強光光學元件抗輻（fú）照損傷製造應用（yòng）示（shì）範工程（chéng），揭示微納（nà）米加工（gōng）缺陷對抗輻照損傷性能的影響及抑製機理，形成近（jìn）無缺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. 極紫外光刻機物（wù）鏡超精密製造
光刻物鏡的製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（chǔ）薄弱，尚無自主可控（kòng）的產（chǎn）品可供應用，而進口渠道不可依賴。建議（yì）實施極紫外光刻機物鏡超精密（mì）製造應用示範工程，闡明原子 / 近原子尺（chǐ）度加工機理，形成全頻譜亞（yà）納米精度光刻物（wù）鏡加工技術與國產化拋光、修形、檢（jiǎn）測裝備。
五、我國高端光學元件（jiàn）超精密加工技術與裝備發展建議
（一）優（yōu）化創新體（tǐ）係設置，組織（zhī）優勢（shì）資源成立技術聯盟
建議設立國家超精（jīng）密加工技術協（xié）同創新中心、光學元（yuán）件（jiàn）超精密製造技術創新聯盟。采取“政產學研用（yòng）”協同創新模式，積極發揮政（zhèng）府（fǔ）引導作用，形成市場主導的發展模式。強化用戶工藝主導的主機研發理念，突出用戶工藝應用驗（yàn）證，提升超精密加工機床的工藝適（shì）應性。組織企業需求對接、重大項目論證、關鍵（jiàn）技術研（yán）討（tǎo），著力解決（jué）機（jī）床正向設計與資源構建（jiàn）、超（chāo）精（jīng）密機床製造（zào）、可靠（kào）性與精度保持性、納（nà）米 / 亞納米精（jīng）度創（chuàng）成、近無缺陷加工等關鍵技術和瓶頸環節（jiē）。
（二（èr））加大（dà）資源保障力（lì）度，布局基礎研究和技術攻關計劃
在國家各類科技計（jì）劃中，有層次、有重點地（dì）支持光學元件超精密加工（gōng）技術發展。建議設立“關鍵（jiàn）光學元件高性能製造基礎”國（guó）家自然科學基金重大項目、“光學（xué）製造基礎”國家自然科（kē）學基（jī）金重大研究計劃，支持突破光學元件高性能製造的基礎理論與關鍵（jiàn）技術。建議接（jiē）續實施“高檔數控機床與（yǔ）基礎製造裝備”國家科技重大專項，增設“光學元件高（gāo）性能超精密製造技術（shù）與裝備”專（zhuān）題（tí），為超精密數控機床發展提供關鍵支持。建議“高性能製（zhì）造技術與重大裝備”國家重點研發計劃項目加大對光學元件超（chāo）精密製造技術與裝備的支持力度，推動（dòng）光（guāng）學製造共性關鍵技術研發與應用示範。
（三）加強人才培育（yù），構建梯隊並擴大隊伍規模
機床領域相對“冷門”，在高校中的學科地位被弱化，高端人才流失現象嚴重，人才梯（tī）隊建設較為滯後。構（gòu）建本領域的國家戰略科技力量，需要依托創新型領軍企業（yè）、具有比較優勢的（de）科研院所，在培養、引進、用好領軍人才、創新（xīn）團隊方麵積極作為。建立高（gāo）端人才引進通道，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。培育麵向工業創新需求的工程技術人才、基礎紮實的應（yīng）用型研發人才，合理擴大隊伍規模。可在各類科技計劃中增設定向項目，給與專業團隊連續支持，保持研（yán）究隊伍穩（wěn）定。
（四）築牢產業發（fā）展基礎，培育龍頭企業、專精特新（xīn）“小巨人”企（qǐ）業
建議（yì）發布政策並配套（tào）保障資源，支持國產超精密（mì）機床、高檔數控（kòng）係統、高性能關（guān）鍵功（gōng）能部件、高性能刀具的產品研發與示（shì）範應用，兼（jiān）顧市（shì）場競爭（zhēng）力提升和自主可控能力增強。培育（yù）光學製造技術與（yǔ）裝備方麵的龍頭企業（yè），鼓勵關（guān）聯企業發展成為專（zhuān）精特新“小巨人”企業，在財稅、投融資、技（jì）術研發、產（chǎn）品進 / 出口（kǒu）、知識產權、國際合作等方麵給與（yǔ）重點支持。
