蔣莊德院士：高端光學（xué）元件超精密加工技術與裝備發展研（yán）究（jiū）

來源（yuán）：《中國工程科學》2023年第1期

作者：蔣莊德，李常勝，孫（sūn）林，段端誌（zhì），康城，陳杉杉，林啟敬，楊樹（shù）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（jiū）高端光學元件（jiàn）超精密加工技術與裝備（bèi）發展，對於實（shí）施製造強國戰略、滿足高端裝備產業需求具有積極意義。我國（guó）高端光學元件超精密製造技術及裝備，相比國（guó）際前（qián）沿存在階段性差距，成為製約高（gāo）端（duān）裝備製造業發展的重大短板。

中（zhōng）國工程院蔣莊德院士研究團（tuán）隊在中國工程（chéng）院院刊《中國（guó）工程科學》2023年第1期發表《高端光（guāng）學元（yuán）件超精密加工技術與（yǔ）裝備發展研究》一文。文章剖析了光學元件超（chāo）精（jīng）密加工（gōng）方法（fǎ）與裝備（bèi）、高（gāo）性能基（jī）礎部件、超精密光學加工中的測量方法與裝備等的（de）發（fā）展情況，凝練了精（jīng）度與尺寸（cùn）極端化、形狀（zhuàng）與性能一體化（huà）、加工工藝（yì）複合化、加工與檢測一體化、裝備與工藝智（zhì）能化等發展趨勢。通過廣泛的行業（yè）調研和研討，從需求、目標、產品、關鍵技術、應用示範、支撐（chēng）保障等層次著手，形成了麵向2035年我國高端（duān）光學元件超精密製（zhì）造技術路線圖。針對性提出了優（yōu）化創新體係設置、組織優勢資源成立技（jì）術（shù）聯盟，加大資（zī）源保障力度、布局基礎研究和技術攻關（guān）計劃，加強人才培育、構建梯隊並擴大隊伍規模，築牢產業發展基（jī）礎、培育龍頭企業和專精特新“小巨人”企業等發展建議，以期促進高端光學元件加工產（chǎn）業提升與（yǔ）高質量發展。

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一、前言

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高端光（guāng）學元件是決定航空航天、國防（fáng）軍工、先進民（mín）用等領域高端裝備（bèi）性能的關鍵零件，典（diǎn）型應用（yòng）對象（xiàng）有：高分辨率對（duì）地觀測係統、大型（xíng）天文望遠鏡、X射線望遠鏡、激（jī）光核（hé）聚（jù）變裝置（zhì）、同（tóng）步輻射裝置（zhì）等大科學裝（zhuāng）置，紫外 / 極紫外光（guāng）刻機、精（jīng）密慣性器件、飛（fēi）行器光學導引頭、消費電子（zǐ）產品、醫療器械等設備。重大裝備（bèi）服役能力（lì）不斷提高，對高端光學（xué）元件（jiàn）性能提出了更高（gāo）要求；僅以幾何尺（chǐ）寸公差為關注點的傳統設計製造理念難以適應高性能光學元件的製造需（xū）求，光學元件的超精密製造麵臨（lín）技術挑戰。

以慣性約（yuē）束激光核聚變為例，為（wéi）了實現核聚變“點火”所需的極（jí）端苛刻（kè）條件，美（měi）國國家點（diǎn）火裝置大（dà）規模采用了以熔石英、磷酸二氫鉀晶體材料為基礎的大（dà）口徑平（píng）麵、非球（qiú）麵、離軸非球麵等光學元件。我國在“神光”係列裝置上（shàng）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，服役在短波長範圍的高性能光學元（yuán）件超精密製造及（jí）其抗強激光損傷特性成為製（zhì）約激光核聚變驅動（dòng）器 ‒ 巨型激光裝置能否成功（gōng）研製的瓶頸問題。探究強激光紫（zǐ）外短波長光學元件超精密製造過程中表麵（miàn）形貌及（jí）缺陷（xiàn）的形成（chéng）、影響機製、抑製方法，可極大節約激光核聚變裝置的運行維（wéi）護成本、加速新一代激光核聚變點火裝置的（de）研製進程。

空間X射線探測是脈衝星全（quán）自主計時導航、X射線通信、空間環境監（jiān）測（cè）等工程應用，天文觀測、太陽X射線（xiàn）探測等空間科學探測的關（guān）鍵技術。空間X射線反射鏡由（yóu）多層輕（qīng）質薄壁複（fù）雜曲（qǔ）麵鏡片經同軸共焦精密（mì）裝配（pèi）而成，要求加工至亞納米表麵粗糙度（dù）、微弧度級斜率偏差、極少的加工缺陷。目前（qián），相比發達國家X射線多層嵌套反射鏡加工技術，我國在反射鏡層數、分（fèn）辨率（lǜ）方麵差距明顯，研製高（gāo）靈敏度空間X射線探測係統亟需解決相（xiàng）關難題。突破多層嵌套式X射（shè）線空間反射鏡製造新工藝的基礎理論與工藝方（fāng）法，對推動新一（yī）代航天器深空全自主導航與通信（xìn）、深空探測、空間科（kē）學（xué）領域發展具有重要的科學意義和工程價值。

在半導（dǎo）體（tǐ）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、確保光刻分辨率進（jìn）入7 nm/5 nm節點的核心關鍵所在。極紫外光刻物鏡需要適應以（yǐ）全頻段、亞納米精度製（zhì）造為代表的一（yī）係列苛刻要（yào）求，才（cái）能保證光刻性（xìng）能：采用光（guāng）學自由（yóu）曲麵設計，減小光學係統波前誤差，增大數（shù）值孔徑，減少元件數量；使用超低膨脹（zhàng）的微晶玻璃來保證（zhèng）工作穩定性，而這種異質（zhì）材料的高（gāo）性能超精密製造具有挑戰性。目（mù）前，隻有德國蔡司集團能夠生產麵向大規模製（zhì）造的極紫（zǐ）外光刻物鏡；我國重點研究的深紫外光刻物鏡製造技術，與國（guó）際先進水平相比差距明顯（xiǎn），是製約極大（dà）規（guī）模集成電路製造技術發展的“卡脖子”環節。

我國高端光學元件超精（jīng）密製（zhì）造技術及裝備，相（xiàng）比國際前沿存在階段性差距，成為製約高端（duān）裝備製造業發展的重大短板。在高新（xīn）技術領域（yù）國際競爭趨於激烈、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（guāng）學製造這一“卡脖子”難題顯得尤為迫（pò）切。發展國產高端光學（xué）元件超精（jīng）密加工技術，是實現諸多大科學裝置、高端裝備應用突破（pò）的必由之路。

中國工程院谘詢項（xiàng）目“高（gāo）端光學（xué）係統（tǒng）的精密超精密加工技術（shù）及裝備的發展戰略研究”，廣泛開展了文獻調研、現場考察、會議研討、問卷調（diào）查，旨（zhǐ）在推動新形勢下高端光學元件（jiàn）超精密加工技術與裝備的高質量發展。文章作為相關谘詢項目研（yán）究成果的學（xué）術性展（zhǎn）示，梳理光學元件超精密加工方法與裝備、高性能基礎部件、超精密光（guāng）學加工（gōng）相關測量方法與裝備的發展現狀，分析理論、工藝、裝備、應用等方麵的瓶頸問題，提煉（liàn）超（chāo）精密光學（xué）製造技術的發展（zhǎn）趨勢，形成麵向2035年（nián）高端光學元件超精密製造（zào）技（jì）術路線圖，以期為我國超精密加工技術領域基礎（chǔ）研究、技術攻關（guān）、裝備應（yīng）用等（děng）研究提供基礎性參考。

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二、國內外高端（duān）光學元件（jiàn）超精（jīng）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載體是精密 / 超精密光學加工機床。在以“高檔數控機床（chuáng）與基礎製造裝（zhuāng）備”國家科技重大專項（簡（jiǎn）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，產品品種基本滿足重點領域需求，數控係統與關鍵功能部件的研發及配套能力基本形成（chéng）。以04專項實施完畢後的狀態來判斷，我國機床行業與國際先進水平仍有15年左右的差距。

（一）超（chāo）精密加工方法和裝備（bèi）

美國企業在光學元件超精（jīng）密加（jiā）工領域起步最早、水平最高，歐（ōu）洲企業（yè）緊隨其後，日本企業在中小型民用（yòng）超精密（mì）加工領域（yù）具有獨特優勢；這些企業技術（shù）體係成熟且注重技術原始創新，占據了大部分市場份額。近年來（lái），我國的（de）科研機構和企業在國家重大需求（qiú）的牽引下（xià），積極（jí）開展光學元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（qí）數控係統（tǒng）性能與可靠性（xìng）、主軸回轉精度與轉速、溜板直線度與定位精（jīng）度、納米級運動控製與補償、加工（gōng）精度與範圍等方麵普遍滯後於國際前沿水平；“產學（xué）研用”協同創新與要素融合不足，基礎研究脫節，應用技術轉（zhuǎn）化率不高，原（yuán）創技術稀缺，以跟蹤研究為主流。② 在我國超精密加工機床市場上，國外公司占據主導地位，進口產品擁有多數份額（é）；國產機床集中在航空航天、國防軍工領域應用，以高（gāo）端民用為代表的大規模、產業化應用尚未展開。③ 國內相（xiàng）關研究隊伍規模較大，然而具有國際影響力、引領產業發展的標誌性人才稀缺，有關超精密機床製造方麵的基礎研究力量（liàng）儲備薄弱。

（二）數控係統、關鍵功能（néng）部件（jiàn）和刀具

通過持續努力，我國在超精密機床數控係統、關鍵功能部件（jiàn）、刀具等方麵基本具備了自主保障能力。國產（chǎn）高（gāo）檔（dàng）數控係統的功能基本接近國外先進係統，高檔數控（kòng）係統配套應用超過1500套，中檔數控係統配套超過7萬套；高檔數控與伺服驅動係統仍依賴（lài）進口。國產功能部件（jiàn）平均無（wú）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、高精密光柵等基礎部件製造仍是薄弱環節。國產數控係統、伺服係統、精密光柵等核心（xīn）部件未（wèi）能（néng）形成貫（guàn）通配套，應用（yòng）領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（yú）超精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）產數控係統的（de）市場格局具有低端（duān）快速膨脹、中端進展緩慢、高端依賴進口的特點（diǎn）。國產高端數控係統（tǒng）的功能、性能、可靠性等存在（zài）明顯不足（zú），導（dǎo）致高檔數控係統市（shì）場90%以上被進口產（chǎn）品占據。機床智能控製係（xì）統是（shì）新一（yī）代機床的重要組成部分，人工智能、數字孿（luán）生、雲服務等技術是支撐智能（néng）控製係統的關鍵，相關研究有待深（shēn）入。

國產主軸的徑向回轉精度約為50 nm，不能適應超精密機床的集成要（yào）求：電主軸的電機內裝式結構、高轉速下的亞 / 微米級高回轉精度尚未實現，氣體軸承剛度差、承載能（néng）力不足且難以保證高轉（zhuǎn）速下主軸的高回（huí）轉（zhuǎn）精度，液體靜壓軸承在油溫控製、油泵減振、油液（yè）防泄漏等方麵有待提高（gāo）。

國產轉台（tái）的徑向 / 軸向回轉精度約為（wéi）25 nm，不能完全滿足超精密（mì）機床的研製要求（qiú）。超精密回轉工作台存在很（hěn）多問題（tí），如液體靜壓轉台的動態特性不穩定，轉台工作精度隨著溫度升高而降（jiàng）低（dī）。

國內導軌加工仍停留在1 m長度、1 μm直線度的水（shuǐ）平，相（xiàng）應的超高（gāo）精度導（dǎo）軌沒有擺脫進口依賴。氣浮導軌承載力低、穩定性差，精（jīng）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製、流量控製（zhì）等方麵存在（zài）短板。

國（guó）產光（guāng）柵位移傳感器占據世（shì）界市場的（de）50%以上，但以中 / 低檔（dàng）產品為主；大行程、高精度光柵直線位移傳感（gǎn）器，超精密圓光柵角位移傳感器的自主研發與製造能力薄弱，應（yīng）用於光（guāng）刻機等（děng）高端製造裝備的二維光柵更是缺失。從位移傳感器產品的核心性能角度看（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″）等高端產品被國外（wài）企（qǐ）業壟斷。

國產（chǎn）超硬車銑刀（dāo）具的精度和使用壽命等，與國外先進水平相比差距明顯。金（jīn）剛石砂（shā）輪結（jié）合劑（jì）的耐磨性較低，細粒度金剛石砂輪的磨削加工精度低、加工質量不穩定。拋光工具的平坦度較（jiào）低，使用壽命較短，缺陷率較高。超高（gāo）純膠體SiO2等高端原材料需（xū）要進口。

（三）光學元件（jiàn）超精密加工中的測量方法與裝備

在機床精度測量方麵，激光幹（gàn）涉儀、電容傳感器在超精密（mì）機床的（de）幾何誤差（chà）測量中應用廣泛，但需要配備多（duō）類標準件，成本高且操作複雜；快速在機誤差測量的儀器、測量方案、測（cè）量標準等亟需發展。通（tōng）過試切法、誤差敏感（gǎn）性分析來識別機床幾何誤差在實際應用中較為流行，深入研究誤差溯（sù）源分析算法（fǎ）並提高分析效率成為熱點。辨識超精密機床的（de）幾何誤差與（yǔ）加工表麵性能之間的關係及響（xiǎng）應機理，集成機床精度檢測（cè）裝置（zhì）以匹配自適應 / 智能製造裝備的研（yán）製需求，是（shì）機床精度檢測技術的主要（yào）發展方向。

光學元件離線檢測設備主要（yào）依賴進口（kǒu），如超精密接觸式檢測（cè）設備方麵的泰勒霍普森、蔡司、馬爾等品牌，幹涉（shè）檢測設備（bèi）方（fāng）麵的ZYGO、QED等（děng）品牌。針（zhēn）對非球麵、自由曲麵的（de）超精密測（cè）量是光學元件檢（jiǎn）測的難點，相應檢測（cè）技術發展表現為通用化、高精度兩類方向：前者要求在不對係統進行明顯調整的情況下（xià），快速自動（dòng）地（dì）進行（háng）不同種類光學表麵的檢測；後者要求盡可能（néng）地（dì）提高檢（jiǎn）測精度，用（yòng）於檢測超高精度非球麵（麵形誤差為（wéi）納米 / 亞納米量級，補償器（qì）精度、係統誤差（chà）的校正精度是關鍵（jiàn））。

在光學元件在位測量方麵，雖然提出了加工 ‒ 測量一體（tǐ）化理念，成功（gōng）用於光學元件的精密加工過程並取得了原創性成果（guǒ），但（dàn）在位測（cè）量、加工 ‒ 測量一體化受測量原理、集成機（jī）理、技術難度（dù）等方麵的製約，很難滿（mǎn）足多尺度、高精度、高頻響、動態（tài）測量、多參量的測量需求（qiú）。三維複雜結構表麵具有廣泛應用，相應微表麵（miàn）形貌的測量不僅（jǐn）涉及粗糙度或瑕（xiá）疵，而且與輪廓、形狀偏差、位置偏差密切相關。未來，在位測量需（xū）兼具高速性（xìng）、實時性、高分辨率、大測量縱深、寬（kuān）測（cè）量範圍（wéi）。實現在位測量高精度信息獲取、高效率數據處理（lǐ），關鍵在於融合局部測量 / 全局測量（liàng）不確定度評定、測量單元與運（yùn）動單元、多源異構數據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與裝備發展（zhǎn）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，市場需求趨於迫切：① 大口徑非球麵光（guāng）學元件廣泛應用於遙（yáo）感衛星、空間望遠鏡、地（dì）基天文望遠鏡等精密（mì）光學係統，其單體主鏡口徑為（wéi）3~7 m；② 微結構光學功能元件（jiàn）在三維成像、光學聚焦、測量、冷卻、減阻、潤濕等方麵應用廣（guǎng）泛，相應（yīng）結構尺寸可達微 / 納米級；③ 在麵形精度、表麵完整性要求進一步提高後（hòu），超（chāo）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（liàng）級（jí）。此外，原（yuán）子及近原子尺度製造將（jiāng）能量直接作用於原子，通過構建原子尺度結（jié）構實現（xiàn）特定功能與（yǔ）性能，是新（xīn）一代製造技術的趨勢之一，對革新高端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，需要優化已有研究規劃（huá），適（shì）時布局以極（jí）端精（jīng）度與尺度製造為代表的新一代製造技術。立足微（wēi）觀力學（xué）、機械製造的學科背景，積極推動機械、物理、化學、材料等學科交叉（chā），著力開展以下基礎研究（jiū）：納米及近原子尺度（dù）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（fāng）法、光學材料超精密加工亞表麵（miàn）損傷的產（chǎn）生機理與抑製方法、光學元（yuán）件近零損傷表麵形成機理與工藝、複雜曲（qǔ）麵光學元件高效超精密加工工藝，為高端光學（xué）元件超精密加工（gōng）關鍵技術突破、先進加工工藝與裝備開發（fā）築牢基礎。

（二）形狀與性能一（yī）體化

激光核聚變裝置、飛行器光學（xué）導引頭等光學元（yuán）件的服役（yì）性能，既取決於幾何精度（dù），也受到表層材料物理、化學、機械性質（zhì）變化的（de）顯著影響。例如，激光核聚（jù）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。紫外光學元件高性能超（chāo）精密製造及其抗強激光損傷特性，實際上成為製約激光（guāng）核聚變裝置能否成（chéng）功研製的瓶（píng）頸。

以加工精度作為單一評價指標（biāo），已不（bú）再滿足高性能光學元件的製造要求，需要綜合使（shǐ）用幾何（hé）精度、表麵完整（zhěng）性指標對加工質量進行全麵評價。超精密光學（xué）元（yuán）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、性能與幾何參數一體化的精密加工要求，此即（jí）高性能製造（zào）。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係，為解決（jué）高性（xìng）能光學元件（jiàn）的製造難題提供新方案。

（三）加工工藝複合化

高端光學元件苛（kē）刻的服役條件以及極高的性能要求，對革新光學（xué）製造技術（shù）提出迫切需求。高端光學元件表麵形狀複雜化、表麵結構多樣化（huà）和微細化，對（duì）加工效率、加工質量的要求更高，也提出了綠（lǜ）色低碳的環境要求。當前主流的加工（gōng）技（jì）術具有局限性（xìng），如加工效率偏（piān）低、加工精度低不足、表麵質（zhì）量難保證、加工可達（dá）性差、環境汙染風險高等，高質（zhì）、高效、綠色的先進超精密加工技術成為研究趨勢。

采（cǎi）用多能場輔助或者（zhě）兩種以上加工工藝複合方法（fǎ），可取長（zhǎng）補短並發揮各自優勢，克服上述局限性。未來研究重點有：探索新型加工工具材料，建立新型複合加工係統，深化複合加工機理（lǐ）研（yán）究，拓展複合加工技（jì）術（shù）應用。複合（hé）加工技術（shù）朝著高精度、微細化方向發展，成為高端光學元件超精密加（jiā）工的重要趨勢；針對性開展超精（jīng）密複（fù）合加工理論與技術創新研究，切實提升光學（xué）製造技術（shù）水平與（yǔ）市場競爭力。

（四）加工（gōng）與檢測一體化

超精（jīng）密光學製（zhì）造（zào）突出表現在高精度、高（gāo）性能、高（gāo）效率的疊加，加工與檢測一體化是解決相應難題（tí）的主要手段，針對製造中物理、化學過（guò）程的智能化調控更顯重要。製造裝備、工具、工藝、檢測設備等（děng）麵臨變革，如製造工具需在多傳感器（qì）參與的感知（zhī）調控下具備材料（liào）去除、添加或改性功能。在檢測方麵，提高精度是關鍵，在位、高效、穩定仍是主要目標，支持實現高（gāo）質量綜合評價的多物理量檢測成為新（xīn）發展方（fāng）向。

在超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（gōng）裝備精度的在線（xiàn）檢測模型和係統，超精密（mì）加工機床精度指標的（de）測試與評定係統，高精（jīng）度自由曲麵及微細結構測量的新原理與新方法，新型模塊化（huà）、可重組、多功能測試裝備技術，超精密測量誤差多源分離（lí）新方法。超精密加工測量的發展（zhǎn）趨勢表現為（wéi）：高精（jīng）度、大量程測量，形狀和位（wèi）置精度（dù）的同步測量，多物（wù）理量檢測表征，高性能檢測的計量。

（五）裝（zhuāng）備與工藝（yì）智能化

受（shòu）高端（duān）光學係統的需求牽引，複雜麵（miàn）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品在通用領域得到更多應用。在通用領（lǐng）域中（zhōng）的（de）應用規模拓展後，高端光學元件的規模化、定製（zhì）化製造需（xū）求凸顯，從（cóng）而（ér）提出了製造設備的高（gāo）效（xiào）率、高精度、智能化加工要求。在世界工業新一輪技術浪潮驅動下，智能製造成為製（zhì）造業的主（zhǔ）導趨勢；工業（yè）強國采取（qǔ）積（jī）極行動，促（cù）進製造業在智能（néng）製造、智慧化生產等方向的革（gé）新（xīn）發展。

目前，高端光（guāng）學係統的光學元件較多采（cǎi）用（yòng）定製化的設計（jì）生（shēng）產模式，根據客戶特殊需要“量身（shēn）定製”解決方（fāng）案；生產（chǎn）製造企業需掌（zhǎng）握設備生產工藝，將智能製造技術運用到細分市場產品，進而（ér）為各類產品創建自動化解決方案（àn）。著眼未來，智能製造裝備企業應圍繞（rào）市場需（xū）求，構建高度自動化（huà）的生產過（guò）程，對各種製造對象、各（gè）類製造環境（jìng）具有良好的適應性。裝備與工藝智能化發展，將融（róng）合數字孿生、大數據、人工智能等信（xìn）息技術，全麵（miàn）提升並高效運用控製、傳感、精密製造、識別等關鍵技術。

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四、麵向（xiàng）2035年我國高端光學元件超精密加工技術路線圖研究

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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（guó）在此技術方向的（de）中長期發展（zhǎn）規劃、技術攻關、理論探（tàn）索。研究依托（tuō）相關谘詢項目，集聚領域內院士、專家、學者的集體智（zhì）慧，重點完成兩（liǎng）方麵工（gōng）作：① 開展廣泛的文獻調研，與航（háng）天、航空、船舶、兵器、光學應用、機（jī）床製造等（děng）領域的企業和科研院所實地調研相結合，全麵把握我國高端（duān）光學元（yuán）件超精密加工技術方向的發展態（tài）勢和需求（qiú）情況；② 組織召開（kāi）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（jì）術方向（xiàng）的發展（zhǎn）趨勢，形成我國技術發（fā）展布局建議。

以2035年為目標節點形成的高端（duān）光學元（yuán）件超（chāo）精密加工技術及（jí）裝備發展路線圖（見圖1），包含7個方麵的內（nèi）容：應用需求，發展目（mù）標，重點產品，數控係（xì）統、關鍵功能（néng）部（bù）件和刀具，測量方法與（yǔ）裝備，光學（xué）元件製（zhì）造共（gòng）性關鍵技術，應用示範工程。

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圖1  高端光學元件超精密加工技術及裝備發展路線圖

（一）應用需求

1. 深入實（shí）施製造強國戰（zhàn）略的需要

國家“十四五”規劃綱要提出，深（shēn）入（rù）實施製造強國戰略。高端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礎能力建設、推動製造業優化升級（jí）意義重大。X射線望（wàng）遠鏡、極紫外光刻機、激光（guāng）核聚變裝置、自由（yóu）電子激光裝置、同步輻射裝置等高端裝備列為科技前沿領域和（hé）重大基礎設施，關鍵光學元件的性能決定了這些（xiē）高端裝備的性能，而當前的製造水平不足以匹配光學元件的高性能製造需求。

2. 產業發展需求

消費電（diàn）子、半導體製造、智能工業機床、紅外熱成像儀、車載鏡頭等產品，大量應用（yòng）光學元件和組件。2021年，我國（guó）光學鏡（jìng）片、鏡頭、模組等（děng）元器（qì）件的市場規模為1568億元；技（jì）術更新速度快（kuài），相應市場規模將進一步擴大。國內從（cóng）事高端光學元件精密製造的企業，數量較少且產品集（jí）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、安防監控一體機鏡頭等中（zhōng）高端光學鏡頭製造方麵的（de）核心技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（jiū），突破國內市（shì）場格局並高質量“走出去”，是國內企業和科研機構的發展亟需。

 3. 國防裝備發展需求（qiú）

對地觀測衛星、精確製導飛行器、高能激（jī）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（fǎn）射鏡、飛行（háng）器整流罩、折衍混合光學元件、高（gāo）能激光組件等高端光學元件是先進裝（zhuāng）備的關鍵零件。這些關鍵零件的（de）製造水平決定了國防裝備的設計性能與服役規模（mó）。然而，國（guó）產高（gāo）端光學元件的超精密加工（gōng）技術水平依然無法全麵滿足（zú）先進裝備發展（zhǎn）需求，有關技術封鎖和設（shè）備禁運也客觀存在，自主攻關高端（duān）光學元件超精密加工裝備及其關鍵技術極為迫切。

（二）發展目標

1. 突破超（chāo）精密（mì）加工的共（gòng）性關鍵技術

圍繞高端光學元件的超（chāo）精密製造需求，重點突破全頻譜納米 / 亞納米級精度創成、近無缺陷高表麵完整性加（jiā）工、超精（jīng）密（mì）機床正向設計與數據資源建構、超精密智能機床製造等共性關（guān）鍵技術，支持光（guāng）學製造技術應（yīng）用從高精（jīng）度提升至高性能。

2. 研發和（hé）應用關鍵超精密（mì）加工裝備

在近期，重（chóng）點研發應用亟需但（dàn）未能（néng）實現自（zì）主供給商品化、屬於國外禁運（yùn）的重大裝備，如4 m及以上口徑光學元件毛坯製造基礎裝備、輕量化及超精密磨（mó）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（cè）量儀器。在此基礎上，進一步提升重大裝備性能並擴充種類，如7 m及以上口徑光學元件（jiàn）毛（máo）坯製造基礎裝備（bèi）、輕量（liàng）化及（jí）超精密磨削裝備、原子級加（jiā）工裝備、超大口徑（jìng）光學元件超精密測量儀器、超（chāo）大尺寸光學元件修複裝備、航天器機載光（guāng）學元件製造及（jí）修複裝備。

3. 形成超精密製造領軍（jun1）企業

優化以國家重點實驗室、國家工程研究中心、省部（bù）級重點實驗室為核心的光學元件超精密製造（zào）科研體（tǐ）係，引導“產學（xué）研”融合發展，推動創新資源整合升級（jí）。鼓勵重點方向基礎良好（hǎo）的企業（yè）發（fā）展成為專精特新“小巨人（rén）”企業，建設（shè）示範性智能（néng）工廠，實現關鍵技術的裝備應用（yòng），提升產業鏈配套供給水平。發（fā）展光學元件（jiàn）超精密製造專業技術服務企業，支持形成良好的製造業生態。

4. 提升機床和單元部件的（de）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（shǒu）、大而不強”的（de）競爭格局。在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，國內市場占有率（lǜ）近期（qī）目標均為70%，2035年提升至80%。

（三） 重點產品

1. 超精（jīng）密車削裝備

到（dào）2025年，麵形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵（miàn）粗糙度Ra≤3 nm。到（dào）2030年，麵形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗（cū）糙度Ra≤2 nm。到2035年，麵形誤差PV≤0.1 μm/75 mm，表麵粗糙度（dù）Ra≤1.5 nm。

2. 超精密銑削裝備

到2025年，麵形誤差PV≤0.3 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤10 nm。到（dào）2030年，麵形誤差PV≤0.2 μm/75 mm，表麵粗糙度Ra≤8 nm。到2035年，麵形誤差PV≤0.15 μm/75 mm，表麵粗（cū）糙度Ra≤5 nm。

3. 超精密磨（mó）削裝備

到2025年（nián），加（jiā）工口徑≥4 m，麵形誤差（chà）PV≤10 μm/m，亞表麵損傷≤35 μm。到2030年，加工口徑≥5 m，麵形誤（wù）差PV≤8 μm/m，亞表麵損（sǔn）傷（shāng）≤25 μm。到2035年，加工（gōng）口徑≥7 m，麵形（xíng）誤差PV≤8 μm/m，亞表（biǎo）麵損傷≤15 μm。

4. 超精密拋光裝備

到2025年，加（jiā）工口徑≥4 m，麵形誤差RMS≤12 nm。到（dào）2030年，加工口（kǒu）徑≥5 m，麵（miàn）形誤差RMS≤8 nm。到2035年，加工口（kǒu）徑≥7 m，麵形誤差RMS≤5 nm。

（四）數控係統、關（guān）鍵（jiàn）功能部件和刀具

1. 數（shù）控係（xì）統

建立開放式、網（wǎng）絡化的雲架構數控係統，基於雲平台的智能數控係統（tǒng）。雲上（shàng）控製編（biān）程處理靈活，開放性良好，支持手機（jī）、筆記本電腦、工業計算機、虛擬現實等多種人機交互前端。突（tū）破多軸、多通道、納米插補數控（kòng）加工技術，實現自適應加工、刀具壽命管理、在位測量、虛擬（nǐ）現實仿真、自監控、維護、優化、重組等功能。

2. 關鍵功能部件

到2025年，突破超精密（mì）動靜壓軸承製造與檢（jiǎn）測、超精密反饋元（yuán）件與運動控製（zhì）等技術，具備高精度、高剛度、運動平穩的功能部件製造能力。到2030年（nián），突破多物（wù）理量可調運動部件、檢測單元等技（jì）術，具（jù）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知、多物理（lǐ）量調控、精度 / 剛度補償（cháng）等技術，具備智能化功能部件製造能力。

3. 刀具

在金（jīn）剛石砂輪方麵，近期具備批量生產和應用細粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪的能力，進一步發展超細（xì）粒度、高性能金剛石 / CBN砂輪。在金剛石車 / 銑刀具方麵，著重發展複合（hé）納米結構（gòu）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（jiān）顧的難題（tí）。在拋光工具方麵，近期發展多種可（kě）控柔體亞納米拋光工具，進一步發展刀具工作狀態智能化監測、刀具數字化設計製造一（yī）體化等技術。

（五）測量方法（fǎ）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麵，開發新一代測量儀（yí）器、方案和標準，破解激光幹（gàn）涉（shè）儀（yí）、電容傳（chuán）感器價格昂貴，操作複雜等難題。在超精密機床誤差識別與實時補償（cháng）技術方麵，開發誤差溯（sù）源分析算法，高效識別幾何誤差；優化機床幾何（hé）誤差在機測量的快速（sù）解算（suàn）方法，實現誤差的實時補償。在機床誤（wù）差的自適應 / 智能檢測與評價方麵，探究技術機理（lǐ），揭（jiē）示超精（jīng）密機床的幾何誤差與加工表麵（miàn）質（zhì）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（de）低應力、高效率、接觸式測量技術方麵，降低（dī）接觸應力對光學元件的破壞作用，削弱（ruò）針尖磨損導致的測量精度退化效應，提升接觸式在（zài）位測量的效率。在複雜光學元件的非接觸式納米 / 亞納米（mǐ）精度測量技術方麵（miàn），突破機床溫變、振動、汙染條件下（xià）複雜光學元件幾（jǐ）何精度的（de）超精密檢測難題。在光學元件的多模態跨尺度形性測量（liàng）技術方麵，實（shí）現麵形精度、微觀形貌、表麵缺陷、亞表麵損（sǔn）傷、殘餘應力等多模態、跨（kuà）尺度表麵特性與使役性能的快速表征。

3. 光學元件離線測量

在複雜光學元件亞納米幾何精度測量（liàng）技術方麵，突破高陡度非球麵、自由（yóu）曲麵的全頻譜亞納米精度檢測難題。在光學元件表麵完整性的多參數、多傳感器協（xié）同表（biǎo）征技術方麵（miàn），實現光學元（yuán）件多參數表麵完整性的實時定量準確評價，提升加（jiā）工（gōng）缺陷的修複精度。在光學（xué）元件時 ‒ 空域形性參數的跨尺度表征與信息融（róng）合技術方麵，麵向光學元件使役性能要求，形成（chéng）形性一體化製造能力。

（六）光學元件製造共性關鍵技術

1. 全頻譜納米 / 亞納米級精度創（chuàng）成

複雜光學元件的全頻譜納米 / 亞（yà）納米（mǐ）級精度創成決定了光刻物鏡、空間光學、強光（guāng）光學等方麵的應用水平，研究難度表現在：納米精度要求穩定實（shí）現亞納米量級的材料去除；複雜形狀引起（qǐ）材料（liào）去除率變化，需要進行有效補償；全頻段誤差、加工缺陷等影（yǐng）響光學性能（néng），要求實現一致收斂和去除。現有光學加工方法較多基於經驗，具有不確定（dìng）性，難以克服現（xiàn）代光學零件加工的性能瓶（píng）頸，需（xū）要突破異質 / 各向異性材料（liào）納米量級可控去除（chú）、複雜曲麵（miàn）可控補償修形、弱剛度（dù）光學（xué）元件確定性去除、微弧度級斜率誤差抑製、光學製造裝備運動軸性能設計、複雜曲麵全頻（pín）段超精密檢測等關鍵技術。

2. 近無缺陷高表麵完整性加工

采用單一物理場的加（jiā）工方法，很難實現高精度的近零亞表麵損傷加工；原子級多物理（lǐ）場納米加工機理研究匱乏，加工表麵容易出（chū）現脆性（xìng）裂紋、加工缺陷、表層物理和化學特性變化。研究多能場複合加工中（zhōng）表麵完整性的動態演化過程及其影響因素，辨明實現近無缺（quē）陷高表麵完整性加工的條件，需要突破麵向光學元件（jiàn）使役性能的表麵（miàn）完整性設計、光學元件控域控（kòng）量控（kòng）性、表麵加工缺陷確定性原位修複、跨尺度表（biǎo）麵缺（quē）陷無損精確表征（zhēng）、多參數表麵完整性多物理場表征等關鍵技術（shù）。

3. 超精密數控機床正向設計與（yǔ）數據資源建構

國產精密 / 超精密光學加工機床的精度、可靠性、穩定性，相比國際（jì）先進水平存（cún）在階段性差距，缺乏（fá）麵向機床（chuáng）使役性能的正逆向設計（jì）方法是導致上述差距的重要原因。超精密機床的正向設計，取決於設（shè）計資源數據庫，機床的精度及剛（gāng）度與機床結構、零部件精度、控製（zhì）參數之間的關（guān）係模型；需要突破（pò）數控（kòng）機床的功能設計、構型設計，精度設計、靜 / 動剛度（dù）設計、熱（rè）平衡設計，包括動力（lì）學優化、輕量化設計在內的多學科優（yōu）化設計（jì）等關鍵技術；構建（jiàn）開放的工藝軟件與數據庫，集成完備的設（shè）計規範與標（biāo）準、知識庫、案例庫。

4. 超精密智能機床製造（zào）

超（chāo）精密機床製造技術薄弱（ruò），是（shì）國產（chǎn）光學加工裝備性能落後於進口產品的關（guān）鍵因素之一。提高超精密機床（chuáng）製造水平，需兼顧關鍵零部件製造與整機裝配、智能機床係統與技術的發展：對於前者，需要突破基礎結構件低應力製（zhì）造、高分辨率納米 / 亞納米運動伺服進給（gěi）係統製造、工件台納米定位與運動（dòng）協同控製、超精密空（kōng）氣主（zhǔ）軸與全約束閉合式油靜壓導軌製造、自動調平間斷式（shì）空氣隔振係統製造、超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，需要突破高穩定性智能伺服調整、熱變形智能控製、加工（gōng）狀態實時（shí）智能導航、五軸加工誤（wù）差智能調諧、智能實時（shí）防（fáng）碰撞係統、加（jiā）工過程切削負載自適應智能控製、機床運（yùn）行狀態智能診斷與預警等關鍵技術。

（七）應用示範工程

1. 大口徑輕量化空間光學元件製造

高分辨率對地觀測（cè）係統、X射線望遠鏡等空間裝備，以大口徑光（guāng）學（xué）元件（jiàn）為核心功能支撐。大口徑光學元件材料硬脆、麵形複（fù）雜、極端輕量化，需（xū）要實現全頻譜納米級加工精度，而國產製造裝備在口徑、精（jīng）度、效率方麵均不能滿足要求。建議實施大口徑輕量化空間光學元件製造應用示範工程，形成4 m口徑空（kōng）間光（guāng）學元件的超精密高效率（lǜ）磨削、拋光、修形、檢測技術與國產化裝備。

2. 探測製導光學元件高性能超精密製造

精密複雜（zá）慣性器件、高陡度保形光學元件等，較多采用高硬脆性材料，麵臨共（gòng）形、氣動熱、高光譜、高過載等使役環境挑戰；通過加工精度、材料特性、結構設計方麵的耦合調控，才能獲得預期的探測製（zhì）導性能。建議實施（shī）麵向使役性（xìng）能的光學元件設計 ‒ 加工（gōng） ‒ 測量一體化製造應用示範工程，揭示極端服役環境下加工精度（dù）對服役性能的影響機（jī）製，形成探測製導光學元件的高性能超精密製（zhì）造技術與國產化加工裝備。

3. 強光光學元件抗輻照損傷（shāng）製造

激光點火裝置、高能（néng）激（jī）光器的強光光學元件服役於（yú）強激光環境，因加工缺陷誘導的輻照損（sǔn）傷成為製約（yuē）相應裝備性能提（tí）升的瓶頸（jǐng）。建議實施強光光學元件抗輻照損傷製造應用示範工程，揭示微納米加工缺陷對抗輻照損傷性能的影響及抑製機理，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、缺陷抑製裝（zhuāng）備。

4. 極紫外（wài）光刻（kè）機物（wù）鏡（jìng）超精密製造

光刻物鏡的製造（zào）水平（píng）決定著光（guāng）刻機的製程精度，我國在此方向的技術基礎薄弱，尚無自主可控的產品可供應用，而（ér）進口渠道不可依賴。建議實施（shī）極紫外光刻（kè）機物（wù）鏡超精密製（zhì）造應用示範工程，闡明原子（zǐ） / 近原子尺度加工機理，形成全頻譜亞納（nà）米精（jīng）度光刻物鏡加工技（jì）術與國產化拋光、修形、檢測裝備。

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五、我國高端光（guāng）學元件（jiàn）超精密加工技術與裝備發展建（jiàn）議

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（一）優化創新體係設置，組織優勢資源成立技術聯（lián）盟

建議設立國家超精密加工技術（shù）協同創新中心、光學（xué）元件超精密製造技術創新聯盟。采取“政產學研用”協同創新模式，積極發揮政府引導作用，形成市場主導的發展模式（shì）。強化用戶工藝主導的主機研發理念，突出用戶工藝應用驗證，提升超精密加工機床的工藝適應性。組織企業需求對接、重大項目論證、關鍵技術研討，著力解（jiě）決機床正（zhèng）向設計與資源構建、超精密機床製造、可（kě）靠性與精度保持性、納米 / 亞納米精（jīng）度創成、近無（wú）缺陷加工等關鍵技術和瓶頸環節。

（二）加（jiā）大資源保障力度，布局基礎研究和（hé）技術攻關計劃

在國家各類科技計劃中，有層次（cì）、有重點地支持光學元件超精密加工技術發展。建議設立“關鍵光學元件高性能製造基（jī）礎”國家（jiā）自然科學基金重大項目、“光學製造基（jī）礎”國（guó）家自然科學基（jī）金重大研究計劃，支持突破光學元件高性能製造的基礎（chǔ）理論與關鍵技術。建（jiàn）議接續實（shí）施“高檔數控機床與基礎製造裝備（bèi）”國家科技重大專項，增設“光（guāng）學元件高性（xìng）能超精密製造技術（shù）與裝備”專題，為超精密數控機床發展提供關鍵支（zhī）持。建議“高性能製造技術與重大裝備”國家重點研發計劃項目（mù）加大對光學元件超精密製造技（jì）術與裝備的支持力度，推動光學製造（zào）共（gòng）性關鍵技術（shù）研發與應（yīng）用示範。

（三）加強人才培育，構建梯（tī）隊並擴大隊（duì）伍規模

機床領域（yù）相對“冷門”，在（zài）高校（xiào）中的學科地位被弱化，高端人才流（liú）失現象嚴重，人才（cái）梯隊建設較為滯後。構（gòu）建本領域的國家戰略科技力（lì）量，需（xū）要（yào）依（yī）托創新型領軍企業、具（jù）有比較優勢的科研院（yuàn）所，在培養、引進、用好領軍人才、創（chuàng）新團隊方麵積極作為。建立高端人才引進通道，完善配套政策（cè），運用技術入股、股權激（jī）勵、成果轉化收益分（fèn）配等機製。培育麵向工業創新需求（qiú）的工程技術人才、基礎紮（zhā）實的應用型研發人才，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（lián）續支持，保持研究隊（duì）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（yè）

建議發（fā）布政策並配套保障資源，支（zhī）持國產超（chāo）精（jīng）密機床、高檔數控（kòng）係統、高性能關鍵功（gōng）能部件、高性能刀具的產品研發與示範應用，兼顧（gù）市場競爭力提升和自主可控能（néng）力增強。培育光學製造技術與（yǔ）裝備方麵的龍頭企業，鼓勵關聯企業發展成（chéng）為專精特（tè）新（xīn）“小巨人”企業，在財稅、投融資、技術研發、產品進 / 出口、知識產權、國際合（hé）作等方麵給與重點支持。