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，為正處于關鍵躍升期的上海國際科技創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秀創新成果來啦！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將產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象的發現發揮著不可估量的作用。我國正面臨著諸多大型戰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。因此，攻克在非穩態環境下超高精度標準計量關鍵技術和創制高端儀器是我們這一代科技工作者責無旁貸的義務。

針對上述發展需求，本項目突破諸多關鍵技術挑戰，攻克大量復雜工程和工藝難題，打碎光機電軟系統集成優化瓶頸，創制了一系列特別的“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學解析和數值相移的精確校準算法，就像用數學方法給鏡子做一個精確的“整形”；一體式大口徑系統的光學像差校正（極大減小分離系統對接偏心、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”有多穩定和強壯；非穩環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和環境影響（溫度、濕度、振動、氣流）的最佳函數值、非連續區域數據斷裂的數值濾波方法、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范的創建，這樣大家在做精密測量時，就有了更加準確和統一的“尺子”。

項目面向國家戰略性科技需求，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，集成計量溯源的光源波長、數字化相移技術、計算機技術于一體，創新實現納米精度的非接觸式光學測量，開發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、高端工業檢測領域。關鍵技術自主創新點包括：項目技術突破了標準計量經典極限，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；發明了三點集束式PZT大出力（1000公斤級）微驅動相移技術，突破了重載荷機械相移測量瓶頸；創新研發了光學均勻性絕對測量技術，精度達到8*10-7量級；開發了抗擾動性強的QHL檢測技術，破解了測量環境不穩定對檢測數據的干擾難題，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生自重變形對絕對測量結果的巨大限制，10根條紋時重復性精度比國外同類產品提高了3.3倍，實現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通光口徑實現大尺寸光學平面面形檢測的需要。一體式光學設計結構能使儀器光學系統像差最小化、裝調簡單、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。”

項目知識產權包括發明專利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5項，主要起草和參與起草平面相移干涉儀國家行業標準、平晶檢定規程和數字式球面干涉儀校準規范、大尺寸平面平晶檢定規程等標準規范19項。

項目實現了超高精度數字化激光干涉儀的工程化和產業化，創新成果創制的系列儀器設備被廣泛應用在國家級計量機構、科研院所、大科學裝置、高端工業檢測等領域中, 創造了上億元直接和間接經濟效益，帶動了國內相關上市企業的產值，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，拉動上下游行業發展，促進光電產品更新換代，提高市場競爭能力。推動了企業產品標準化和中國品牌建設的發展，獲得了高新技術企業資質、獲得ISO質量管理體系和“蘇州制造”品牌認證。促進產學研合作，成立了三個聯合實驗室，培養博士后2名，博士研究生7名，碩士研究生55名，以技術研發和人才培養培訓為目標，不斷開發新技術、推廣新工藝、推出新產品。促進了高端光電儀器國產化，打破了國外技術封鎖和壟斷，助推了國家標準計量行業科技進步。推動我國向精密光學強國邁進。