10月23日，上海市科學技術獎再度揭曉。胸懷“國之大者”，堅持“四個面向”，一大批標志性成果競相涌現(xiàn)，為正處于關鍵躍升期的上海國際科技創(chuàng)新中心建設增添底色和亮度。

2023年度上海市科學技術一等獎獲獎項目優(yōu)秀創(chuàng)新成果來啦！本欄目以“強國復興有我”為主題，重點圍繞項目要解決的問題、取得的重要創(chuàng)新、實際應用效果等方面，向社會公眾作科普宣傳。

本期“檔案”大揭秘

項目名稱：超高精度大口徑絕對面形光學標準計量關鍵技術及儀器

第一完成單位：上海理工大學

第一完成人：韓森

獎勵等級：科技進步獎一等獎

21世紀世界高端制造業(yè)將產(chǎn)品表面性能推進到近原子尺度，尖端測量儀器對前沿科學研究及重大物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)發(fā)揮著不可估量的作用。我國正面臨著諸多大型戰(zhàn)略性工程項目需要應對標準化超高精度計量各種光滑元件表面形貌的嚴峻挑戰(zhàn)。因此，攻克在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下超高精度標準計量關鍵技術和創(chuàng)制高端儀器是我們這一代科技工作者責無旁貸的義務。

針對上述發(fā)展需求，本項目突破諸多關鍵技術挑戰(zhàn)，攻克大量復雜工程和工藝難題，打碎光機電軟系統(tǒng)集成優(yōu)化瓶頸，創(chuàng)制了一系列特別的“超級尺子”，并進行了全方位的科技升級。它們涉及到參考鏡絕對面形校準的數(shù)學解析和數(shù)值相移的精確校準算法，就像用數(shù)學方法給鏡子做一個精確的“整形”；一體式大口徑系統(tǒng)的光學像差校正（極大減小分離系統(tǒng)對接偏心、偏角和混合誤差），就像把拼圖拼得更加精準；光源波長的穩(wěn)定性和溯源、超重載荷機械相移的力學機理，就像是給儀器做了一個體檢，看它“肌肉”有多穩(wěn)定和強壯；非穩(wěn)環(huán)境影響測量誤差的物理模型，就像是給儀器穿上了“防護服”，不管環(huán)境怎么變，它都能正常工作；物象關系X/Y軸對應的幾何光學原理、參考鏡TF和反射鏡RF固化裝配和精密旋轉(zhuǎn)的應力分布邊緣條件設定、超高精度測量重復性隨測量次數(shù)和環(huán)境影響（溫度、濕度、振動、氣流）的最佳函數(shù)值、非連續(xù)區(qū)域數(shù)據(jù)斷裂的數(shù)值濾波方法、超ppm量級光學均勻性絕對測量的物理邏輯，就像是給儀器裝上了一個“大腦”，讓它更加聰明、更加高效；使用國產(chǎn)高端儀器參與全球大口徑平面平晶國際計量比對、國際ISO標準的引進和國標規(guī)范的創(chuàng)建，這樣大家在做精密測量時，就有了更加準確和統(tǒng)一的“尺子”。

項目面向國家戰(zhàn)略性科技需求，立足突破國外高科技壟斷和打碎高技術瓶頸，自主研發(fā)了超高精度大口徑絕對面形光學標準計量關鍵技術。從光學干涉基本原理出發(fā)，集成計量溯源的光源波長、數(shù)字化相移技術、計算機技術于一體，創(chuàng)新實現(xiàn)納米精度的非接觸式光學測量，開發(fā)了相關的系列光學測量儀器，解決了超精密光學標準計量難題，服務于國家大科學裝置及工程、高端工業(yè)檢測領域。關鍵技術自主創(chuàng)新點包括：項目技術突破了標準計量經(jīng)典極限，提出大口徑絕對面形自校準算法和一體式小像差光學設計方法，使絕對面形測量精度比國家一等平面平晶提高了6倍，PV值最高精度達到λ/120（λ=632.8nm），參與德國計量院主導的300mm平面平晶國際比對；發(fā)明了三點集束式PZT大出力（1000公斤級）微驅(qū)動相移技術，突破了重載荷機械相移測量瓶頸；創(chuàng)新研發(fā)了光學均勻性絕對測量技術，精度達到8*10-7量級；開發(fā)了抗擾動性強的QHL檢測技術，破解了測量環(huán)境不穩(wěn)定對檢測數(shù)據(jù)的干擾難題，使測量重復性精度提高10倍以上；突破了高精度參考面水平放置時產(chǎn)生自重變形對絕對測量結(jié)果的巨大限制，10根條紋時重復性精度比國外同類產(chǎn)品提高了3.3倍，實現(xiàn)了無應力平面絕對測量。本項目就像是給光學測量裝上了一雙更明亮的眼睛和更強壯的四肢，讓我們能看到更細微的世界，測量得更精準、更穩(wěn)定。

圖1 532nm波長超高精度激光干涉儀

532nm波長超高精度激光干涉儀實現(xiàn)用低精度參考平晶測量高精度平晶平面度的目標，突破一等平面平晶溯源的瓶頸限制，達到了測量精度PV值λ/120，即6倍提升，這一測量精度在國產(chǎn)大科學儀器裝置的“高精度干涉儀研制”項目中得到驗證。

圖2 450/100mm大口徑雙光路一體式激光干涉儀

450/100mm大口徑激光干涉儀采用雙光路系統(tǒng)設計，既能使用100mm通光口徑滿足中小尺寸光學元件的檢測需求，又能使用450mm通光口徑實現(xiàn)大尺寸光學平面面形檢測的需要。一體式光學設計結(jié)構(gòu)能使儀器光學系統(tǒng)像差最小化、裝調(diào)簡單、方便操作，提高測量精準度，適用于高精度的大口徑光學檢測。

本項目經(jīng)中國儀器儀表學會和中國計量測試學會組織的項目科技成果鑒定會鑒定，形成鑒定結(jié)論：“本項目總體技術達到了國際先進水平，核心技術指標PV值測量準確度和RMS測量重復性達到國際領先水平。”

項目知識產(chǎn)權(quán)包括發(fā)明專利18項、實用新型專利17項，學術論文152篇，論文文集21部，軟件著作權(quán)5項，主要起草和參與起草平面相移干涉儀國家行業(yè)標準、平晶檢定規(guī)程和數(shù)字式球面干涉儀校準規(guī)范、大尺寸平面平晶檢定規(guī)程等標準規(guī)范19項。

項目實現(xiàn)了超高精度數(shù)字化激光干涉儀的工程化和產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)新成果創(chuàng)制的系列儀器設備被廣泛應用在國家級計量機構(gòu)、科研院所、大科學裝置、高端工業(yè)檢測等領域中, 創(chuàng)造了上億元直接和間接經(jīng)濟效益，帶動了國內(nèi)相關上市企業(yè)的產(chǎn)值，減少了計量單位和科研高效的科研成本，滿足國家重大科研工程中的高精密光學元件測量需求，拉動上下游行業(yè)發(fā)展，促進光電產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高市場競爭能力。推動了企業(yè)產(chǎn)品標準化和中國品牌建設的發(fā)展，獲得了高新技術企業(yè)資質(zhì)、獲得ISO質(zhì)量管理體系和“蘇州制造”品牌認證。促進產(chǎn)學研合作，成立了三個聯(lián)合實驗室，培養(yǎng)博士后2名，博士研究生7名，碩士研究生55名，以技術研發(fā)和人才培養(yǎng)培訓為目標，不斷開發(fā)新技術、推廣新工藝、推出新產(chǎn)品。促進了高端光電儀器國產(chǎn)化，打破了國外技術封鎖和壟斷，助推了國家標準計量行業(yè)科技進步。推動我國向精密光學強國邁進。