超高精度大口径绝对面形光学标准计量关键技术及仪器｜上海市科学技术奖
强国复兴有我
2023年度上海市科学技术奖
优秀创新成果展示
10月23日，上海市科学技术奖再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。
2023年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众作科普宣传。
本期“档案”大揭秘
项目名称：超高精度大口径绝对面形光学标准计量关键技术及仪器
第一完成单位：上海理工大学
第一完成人：韩森
奖励等级：科技进步奖一等奖
21世纪世界高端制造业将产品表面性能推进到近原子尺度，尖端测量仪器对前沿科学研究及重大物理现象的发现发挥着不可估量的作用。我国正面临着诸多大型战略性工程项目需要应对标准化超高精度计量各种光滑元件表面形貌的严峻挑战。因此，攻克在非稳态环境下超高精度标准计量关键技术和创制高端仪器是我们这一代科技工作者责无旁贷的义务。
针对上述发展需求，本项目突破诸多关键技术挑战，攻克大量复杂工程和工艺难题，打碎光机电软系统集成优化瓶颈，创制了一系列特别的“超级尺子”，并进行了全方位的科技升级。它们涉及到参考镜绝对面形校准的数学解析和数值相移的精确校准算法，就像用数学方法给镜子做一个精确的“整形”；一体式大口径系统的光学像差校正（极大减小分离系统对接偏心、偏角和混合误差），就像把拼图拼得更加精准；光源波长的稳定性和溯源、超重载荷机械相移的力学机理，就像是给仪器做了一个体检，看它“肌肉”有多稳定和强壮；非稳环境影响测量误差的物理模型，就像是给仪器穿上了“防护服”，不管环境怎么变，它都能正常工作；物象关系X/Y轴对应的几何光学原理、参考镜TF和反射镜RF固化装配和精密旋转的应力分布边缘条件设定、超高精度测量重复性随测量次数和环境影响（温度、湿度、振动、气流）的最佳函数值、非连续区域数据断裂的数值滤波方法、超ppm量级光学均匀性绝对测量的物理逻辑，就像是给仪器装上了一个“大脑”，让它更加聪明、更加高效；使用国产高端仪器参与全球大口径平面平晶国际计量比对、国际ISO标准的引进和国标规范的创建，这样大家在做精密测量时，就有了更加准确和统一的“尺子”。
项目面向国家战略性科技需求，立足突破国外高科技垄断和打碎高技术瓶颈，自主研发了超高精度大口径绝对面形光学标准计量关键技术。从光学干涉基本原理出发，集成计量溯源的光源波长、数字化相移技术、计算机技术于一体，创新实现纳米精度的非接触式光学测量，开发了相关的系列光学测量仪器，解决了超精密光学标准计量难题，服务于国家大科学装置及工程、高端工业检测领域。关键技术自主创新点包括：项目技术突破了标准计量经典极限，提出大口径绝对面形自校准算法和一体式小像差光学设计方法，使绝对面形测量精度比国家一等平面平晶提高了6倍，PV值最高精度达到λ/120（λ=632.8nm），参与德国计量院主导的300mm平面平晶国际比对；发明了三点集束式PZT大出力（1000公斤级）微驱动相移技术，突破了重载荷机械相移测量瓶颈；创新研发了光学均匀性绝对测量技术，精度达到8*10-7量级；开发了抗扰动性强的QHL检测技术，破解了测量环境不稳定对检测数据的干扰难题，使测量重复性精度提高10倍以上；突破了高精度参考面水平放置时产生自重变形对绝对测量结果的巨大限制，10根条纹时重复性精度比国外同类产品提高了3.3倍，实现了无应力平面绝对测量。本项目就像是给光学测量装上了一双更明亮的眼睛和更强壮的四肢，让我们能看到更细微的世界，测量得更精准、更稳定。
532nm波长超高精度激光干涉仪实现用低精度参考平晶测量高精度平晶平面度的目标，突破一等平面平晶溯源的瓶颈限制，达到了测量精度PV值λ/120，即6倍提升，这一测量精度在国产大科学仪器装置的“高精度干涉仪研制”项目中得到验证。
450/100mm大口径激光干涉仪采用双光路系统设计，既能使用100mm通光口径满足中小尺寸光学元件的检测需求，又能使用450mm通光口径实现大尺寸光学平面面形检测的需要。一体式光学设计结构能使仪器光学系统像差最小化、装调简单、方便操作，提高测量精准度，适用于高精度的大口径光学检测。
本项目经中国仪器仪表学会和中国计量测试学会组织的项目科技成果鉴定会鉴定，形成鉴定结论：“本项目总体技术达到了国际先进水平，核心技术指标PV值测量准确度和RMS测量重复性达到国际领先水平。”
项目知识产权包括发明专利18项、实用新型专利17项，学术论文152篇，论文文集21部，软件著作权5项，主要起草和参与起草平面相移干涉仪国家行业标准、平晶检定规程和数字式球面干涉仪校准规范、大尺寸平面平晶检定规程等标准规范19项。
项目实现了超高精度数字化激光干涉仪的工程化和产业化，创新成果创制的系列仪器设备被广泛应用在国家级计量机构、科研院所、大科学装置、高端工业检测等领域中,创造了上亿元直接和间接经济效益，带动了国内相关上市企业的产值，减少了计量单位和科研高效的科研成本，满足国家重大科研工程中的高精密光学元件测量需求，拉动上下游行业发展，促进光电产品更新换代，提高市场竞争能力。推动了企业产品标准化和中国品牌建设的发展，获得了高新技术企业资质、获得ISO质量管理体系和“苏州制造”品牌认证。促进产学研合作，成立了三个联合实验室，培养博士后2名，博士研究生7名，硕士研究生55名，以技术研发和人才培养培训为目标，不断开发新技术、推广新工艺、推出新产品。促进了高端光电仪器国产化，打破了国外技术封锁和垄断，助推了国家标准计量行业科技进步。推动我国向精密光学强国迈进。
供稿来源：上海市科学技术奖励中心
供稿：韩森
编辑：拾