高端光学元件超精密加工技术与装备发展研究.docx

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1、一、前言高端光学元件是决定航空航天、国防军工、先进民用等领域高端装备性能的关键零件，典型应用对象有：高分辨率对地观测系统、大型天文望远镜、X射线望远镜、激光核聚变装置、同步辐射装置等大科学装置，紫外/极紫外光刻机、精密惯性器件、飞行器光学导引头、消费电子产品、医疗器械等设备。重大装备服役能力不断提高，对高端光学元件性能提出了更高要求；仅以几何尺寸公差为关注点的传统设计制造理念难以适应高性能光学元件的制造需求，光学元件的超精密制造面临技术挑战。以惯性约束激光核聚变为例，为了实现核聚变“点火所需的极端苛刻条件,美国国家点火装置大规模采用了以熔石英、磷酸二氢钾晶体材料为基础的大口径平面、非球面、离轴

2、非球面等光学元件。我国在神光系列装置上开展了类似研究。目前世界上均未实现核聚变点火目标，分析表明，服役在短波长范围的高性能光学元件超精密制造及其抗强激光损伤特性成为制约激光核聚变驱动器-巨型激光装置能否成功研制的瓶颈问题。探究强激光紫外短波长光学元件超精密制造过程中表面形貌及缺陷的形成、影响机制、抑制方法，可极大节约激光核聚变装置的运行维护成本、加速新一代激光核聚变点火装置的研制进程。空间X射线探测是脉冲星全自主计时导航、X射线通信、空间环境监测等工程应用，天文观测、太阳X射线探测等空间科学探测的关键技术。空间X射线反射镜由多层轻质薄壁复杂曲面镜片经同轴共焦精密装配而成，要求加工至亚纳米表面粗

3、糙度、微弧度级斜率偏差、极少的加工缺陷。目前.，相比发达国家X射线多层嵌套反射镜加工技术，我国在反射镜层数、分辨率方面差距明显，研制高灵敏度空间X射线探测系统亟需解决相关难题。突破多层嵌套式X射线空间反射镜制造新工艺的基础理论与工艺方法，对推动新一代航天器深空全自主导航与通信、深空探测、空间科学领域发展具有重要的科学意义和工程价值。在半导体芯片制造领域，极紫外光刻技术是国际半导体行业延续摩尔定律、确保光刻分辨率进入7nm/5nm节点的核心关键所在。极紫外光刻物镜需要适应以全频段、亚纳米精度制造为代表的一系列苛刻要求，才能保证光刻性能：采用光学自由曲面设计，减小光学系统波前误差，增大数值孔径，减

4、少元件数量；使用超低膨胀的微晶玻璃来保证工作稳定性，而这种异质材料的高性能超精密制造具有挑战性。目前，只有德国蔡司集团能够生产面向大规模制造的极紫外光刻物镜；我国重点研究的深紫外光刻物镜制造技术，与国际先进水平相比差距明显，是制约极大规模集成电路制造技术发展的“卡脖子环节。我国高端光学元件超精密制造技术及装备，相比国际前沿存在阶段性差距，成为制约高端装备制造业发展的重大短板。在高新技术领域国际竞争趋于激烈、一些国家试图对我国进行科技封锁的背景下，“自主可控解决光学制造这一卡脖子难题显得尤为迫切。发展国产高端光学元件超精密加工技术，是实现诸多大科学装置、高端装备应用突破的必由之路。中国工程院咨询

5、项目“高端光学系统的精密超精密加工技术及装备的发展战略研究，广泛开展了文献调研、现场考察、会议研讨、问卷调查，旨在推动新形势下高端光学元件超精密加工技术与装备的高质量发展。文章作为相关咨询项目研究成果的学术性展示，梳理光学元件超精密加工方法与装备、高性能基础部件、超精密光学加工相关测量方法与装备的发展现状，分析理论、工艺、装备、应用等方面的瓶颈问题，提炼超精密光学制造技术的发展趋势，形成面向2035年高端光学元件超精密制造技术路线图，以期为我国超精密加工技术领域基础研究、技术攻关、装备应用等研究提供基础性参考。二、国内外高端光学元件超精密加工技术与装备发展现状高端光学元件制造的载体是精密/超精

6、密光学加工机床。在以高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项（简称04专项）为代表的国家科技计划支持下，我国初步形成了超精密加工机床自主研发能力，产品品种基本满足重点领域需求，数控系统与关键功能部件的研发及配套能力基本形成。以04专项实施完毕后的状态来判断，我国机床行业与国际先进水平仍有15年左右的差距。（一）超精密加工方法和装备美国企业在光学元件超精密加工领域起步最早、水平最高，欧洲企业紧随其后，日本企业在中小型民用超精密加工领域具有独特优势；这些企业技术体系成熟且注重技术原始创新，占据了大部分市场份额。近年来，我国的科研机构和企业在国家重大需求的牵引下，积极开展光学元件超精密加工技术研究

7、，但与国外相比存在阶段性差距。自主研制的超精密加工机床，其数控系统性能与可靠性、主轴回转精度与转速、溜板直线度与定位精度、纳米级运动控制与补偿、加工精度与范围等方面普遍滞后于国际前沿水平；“产学研用协同创新与要素融合不足，基础研究脱节，应用技术转化率不高，原创技术稀缺，以跟踪研究为主流。（2）在我国超精密加工机床市场上，国外公司占据主导地位，进口产品拥有多数份额；国产机床集中在航空航天、国防军工领域应用，以高端民用为代表的大规模、产业化应用尚未展开。国内相关研究队伍规模较大，然而具有国际影响力、引领产业发展的标志性人才稀缺，有关超精密机床制造方面的基础研窕力量储备薄弱。（二）数控系统、关键功能

8、部件和刀具通过持续努力，我国在超精密机床数控系统、关键功能部件、刀具等方面基本具备了自主保障能力。国产高档数控系统的功能基本接近国外先进系统，高档数控系统配套应用超过1500套，中档数控系统配套超过7万套；高档数控与伺服驱动系统仍依赖进口。国产功能部件平均无故障工作时间超过15OOOh,基本满足数整机配套技术要求，但精密轴承、精密导轨、高精密光栅等基础部件制造仍是薄弱环节。国产数控系统、伺服系统、精密光栅等核心部件未能形成贯通配套，应用领域用户的认可度不高。刀具品种数量丰富（超过45000种），行业用刀具国产化率提升至45%,但用于超精密加工的高性能刀具，在加工效率、使用寿命方面落后于进口产品

9、。国产数控系统的市场格局具有低端快速膨胀、中端进展缓慢、高端依赖进口的特点。国产高端数控系统的功能、性能、可靠性等存在明显不足，导致高档数控系统市场90%以上被进口产品占据。机床智能控制系统是新一代机床的重要组成部分，人工智能、数字李生、云服务等技术是支撑智能控制系统的关键，相关研究有待深入。国产主轴的径向回转精度约为50nm,不能适应超精密机床的集成要求：电主轴的电机内装式结构、高转速下的亚/微米级高回转精度尚未实现，气体轴承刚度差、承载能力不足且难以保证高转速下主轴的高回转精度，液体静压轴承在油温控制、油泵减振、油液防泄漏等方面有待提高。国产转台的径向/轴向回转精度约为25nm,不能完全满

10、足超精密机床的研制要求。超精密回转工作台存在很多问题，如液体静压转台的动态特性不稳定,转台工作精度随着温度升高而降低。国内导轨加工仍停留在Im长度、lm直线度的水平，相应的超高精度导轨没有摆脱进口依赖。气浮导轨承载力低、稳定性差，精密滚动导轨副的抗振性欠佳、机械磨损大，液体静压导轨在温升控制、流量控制等方面存在短板。国产光栅位移传感器占据世界市场的50%以上，但以中/低档产品为主；大行程、高精度光栅直线位移传感器，超精密圆光栅角位移传感器的自主研发与制造能力薄弱，应用于光刻机等高端制造装备的二维光栅更是缺失。从位移传感器产品的核心性能角度看，大行程（超过5m）、高精度（优于5m）封闭式光栅，圆

11、光栅编码器（精度优于等高端产品被国外企业垄断。国产超硬车铳刀具的精度和使用寿命等，与国外先进水平相比差距明显。金刚石砂轮结合剂的耐磨性较低，细粒度金刚石砂轮的磨削加工精度低、加工质量不稳定。抛光工具的平坦度较低，使用寿命较短，缺陷率较高。超高纯胶体Si2等高端原材料需要进口。（三）光学元件超精密加工中的测量方法与装备在机床精度测量方面，激光干涉仪、电容传感器在超精密机床的几何误差测量中应用广泛，但需要配备多类标准件，成本高且操作复杂：快速在机误差测量的仪器、测量方案、测量标准等亟需发展。通过试切法、误差敏感性分析来识别机床几何误差在实际应用中较为流行，深入研究误差溯源分析算法并提高分析效率成为

12、热点。辨识超精密机床的几何误差与加工表面性能之间的关系及响应机理，集成机床精度检测装置以匹配自适应/智能制造装备的研制需求，是机床精度检测技术的主要发展方向。光学元件离线检测设备主要依赖进口，如超精密接触式检测设备方面的泰勒霍普森、蔡司、马尔等品牌，干涉检测设备方面的ZYGO、QED等品牌。针对非球面、自由曲面的超精密测量是光学元件检测的难点，相应检测技术发展表现为通用化、高精度两类方向：前者要求在不对系统进行明显调整的情况下，快速自动地进行不同种类光学表面的检测；后者要求尽可能地提高检测精度，用于检测超高精度非球面（面形误差为纳米/亚纳米量级，补偿器精度、系统误差的校正精度是关键）。在光学元

13、件在位测量方面，虽然提出了加工-测量一体化理念，成功用于光学元件的精密加工过程并取得了原创性成果，但在位测量、加工-测量一体化受测量原理、集成机理、技术难度等方面的制约，很难满足多尺度、高精度、高频响、动态测量、多参量的测量需求。三维复杂结构表面具有广泛应用，相应微表面形貌的测量不仅涉及粗糙度或瑕疵，而且与轮廓、形状偏差、位置偏差密切相关。未来，在位测量需兼具高速性、实时性、高分辨率、大测量纵深、宽测量范围。实现在位测量高精度信息获取、高效率数据处理，关键在于融合局部测量/全局测量不确定度评定、测量单元与运动单元、多源异构数据的测量分析理论与评定方法。三、高端光学元件超精密加工技术与装备发展趋

14、势（一）精度与尺寸极端化极大尺寸、极小尺寸、极高精度的光学元件，市场需求趋于迫切：大口径非球面光学元件广泛应用于遥感卫星、空间望远镜、地基天文望远镜等精密光学系统，其单体主镜口径为37m；（2）微结构光学功能元件在三维成像、光学聚焦、测量、冷却、减阻、润湿等方面应用广泛，相应结构尺寸可达微/纳米级；在面形精度、表面完整性要求进一步提高后，超精密加工过程中的材料去除量降低至微米、纳米，甚至原子量级。此外，原子及近原子尺度制造将能量直接作用于原子，通过构建原子尺度结构实现特定功能与性能，是新一代制造技术的趋势之一，对革新高端光学器件制造具有积极意义。在光学元件尺寸和精度极端化的背景下，需要优化已有

15、研究规划，适时布局以极端精度与尺度制造为代表的新一代制造技术。立足微观力学、机械制造的学科背景，积极推动机械、物理、化学、材料等学科交叉，着力开展以下基础研究：纳米及近原子尺度超精密加工的材料去除与迁移机理、光学材料多能场辅助的超精密加工新原理与新方法、光学材料超精密加工亚表面损伤的产生机理与抑制方法、光学元件近零损伤表面形成机理与工艺、复杂曲面光学元件高效超精密加工工艺，为高端光学元件超精密加工关键技术突破、先进加工工艺与装备开发筑牢基础。（二）形状与性能一体化激光核聚变装置、飞行器光学导引头等光学元件的服役性能，既取决于几何精度，也受到表层材料物理、化学、机械性质变化的显著影响。例如，激光

16、核聚变装置未能实现预期的“点火目标，重要原因在于加工缺陷抑制水平不能满足系统对辐照损伤的要求。紫外光学元件高性能超精密制造及其抗强激光损伤特性，实际上成为制约激光核聚变装置能否成功研制的瓶颈。以加工精度作为单一评价指标，已不再满足高性能光学元件的制造要求,需要综合使用几何精度、表面完整性指标对加工质量进行全面评价。超精密光学元件加工由以往的几何形状与尺寸精度要求，提升为以性能要求为主、性能与几何参数一体化的精密加工要求，此即高性能制造。需要建立面向使役性能要求的形状-性能一体化加工理论、方法以及工艺技术体系，为解决高性能光学元件的制造难题提供新方案。（三）加工工艺复合化高端光学元件苛刻的服役条件以及极高的性能要求，对革新光学制造技术提出迫切需求。高端光学元件表面形状复杂化、表面结构多样化和微细化，对加工效率、加工质量的要求更高，也提出了绿色低碳的环境要求。当前主流的加工技术具有局限性，如加工效率偏低、加工精度低