先进光学制造概论

现代光学制造工程概论

光学制造系统是制造系统在光学领域的具体体现，它唯一不同的在于此处制造系统对象是光学制造工程系统。它具有一切制造系统所拥有的性质，信息特征和性质都有一般制造系统的信息有高度一致性。

现代光学制造工程以信息科学为主导、以现代光科学与制造科学理论与技术为基础，以服务和支撑国家基础研究和战略高科技多科学前沿领域的发展为主旨，以工程科学与系统科学的观点和方法为基点，研究现代光学制造相关科学与技术在更高层次上的应用和集成规律。它是光科学与制造科学的一门交叉学科，侧重于现代光学制造工程学的研究，服务于现代光学制造的建设与发展。

现代光学制造工程具有适用性，集成性，系统性，科学性，创新性等基本特点。现代光学制造具有典型的极端制造特征，“一大一小”形象的概括了现代光学制造工程向两个相反的极端方向上的发展，这同当代科学发展规律相吻合。人类社会对于宇宙和大自然的永无止境的探索牵引了“一大”制造不断发展。不断细化的纳米制造技术，一步步把人类社会带入原子、分子科学技术的“一小”时代。纳米科技的标志性特征定义为0.1~100nm尺度范畴的纳米材料和功能器件制造。“制造”是“一大一小”这两个极端制造领域永恒的主题。

从大制造理论看有包括“自上而下、或自下而上”的光学制造。自下而上制造原理属于一种不断细化的去除或剪裁，以机械制造模式为主流。自下而上属于纳米科技基本概念，强调依靠分子的自组装而实现制造。

超大型、超复杂光学制造工程主要有：天文光学与空间光学大型光学制造工程、惯性约束核聚变大型光学制造工程。

从本质而言，空间望远镜是基地天文望远镜向空间轨道上的延伸。现代天文学已经发展成为一门依托地、空结合的观测手段，覆盖射电、红外、可见、紫外到X射线和 射线等全部电磁辐射波段的全新的宇宙科学，考察到150亿

光年空间深度的天象。大型光学制造工程成为推动天文光学望远镜计划和空间望远镜计划发展的环节，创新是推动大型光学制造工程发展的基本源泉，人类对于宇宙的探索没有终点，大型光学制造工程的发展永无止境。

美国的NIF工程计划相当程度上依托惯性约束聚变光学制造工程的发展和成功。它是迄今世界上规模最大的用于产生清洁能源的“光学系统”，也是世界上难度最大、最具有挑战性的超大型现代光学制造工程之一。整个装置的光学系统将使用7000多件最大口径高精度光学元件以及数以万计各类光学元部件，设计几乎当代一切先进光学制造技术。

超微细光学制造工程可归类为纳米光学制造工程。严格意义上，纳米制造同纳米制造具有不同的物理含义，传统概念上，微米制造侧重于达到微米或亚微米制造精度。而纳米制造被严格定义为纳米制造尺寸数量级的功能器件的技术。最早的微纳米加工技术，是把光的能量载体特性用之于加工，采用光学投影曝光技术和光化学处理技术，把掩膜上的平面图形通过投影光刻系统成像、转移到硅片上。它在以下几个方面不同于传统机械加工：微细结构或线条有光学曝光方法形成，而不是借助加工工具从被加工材料的剥离形成；决定加工分辨率的是曝光波长和光学成像系统性能质量；加工形成的部件结构或图形本身的特征尺寸在为迷惑纳米量级；光科技术通过多层二维结构叠加而形成三维结构；光刻技术一次形成整个系统，而不是传统的机械加工行程单个点、位、零件或部件的集成。

光刻技术大量用于制作微系统，包括微机械、微流体、微光机电和纳米机械等。高密度存储技术、半导体激光与发光器件的制造、微显示与大屏幕显示器件制造、图像传感器制造、光传输与调制器件制造、光子晶体制造，生物芯片或者“芯片实验室”制造技术等都是利用了光刻技术。

纳米技术关心的是纳米结构的形成和应用，集中关心纳米材料与纳米器件

制造。纳米器件是由人类纳米结构形成的功能器件，产生人工纳米结构离不开纳米加工技术，包括“自上而下”与“自下而上”加工技术。纳米技术的关键是人为控制纳米结构的形成。自下而上是指分子自组装技术，即纳米结构是由分子一层一层或一个一个自下而上生长起来。分子自组装技术在大多数情况下也要以来自上而下的微纳米加工技术提供组装平台或控制手段，使分子按照某一特定的排列图形生长。

探针工艺的概念可以说是传统机械加工工艺的延伸，用各种微纳米尺寸探针取代传统的机械切削工具，包括扫面隧道显微探针、原子力显微探针等物理探针，也包括聚焦离子束、激光束、原子束和火花放电等非固态形式的物理探针。这些探针可以直接操纵原子的排列，在基底材料表面形成纳米量级的氧化成结构，或通过“点墨法”将分子液体传递到固体表面次年工程纳米量级的单分子层点阵或图形。

超精密光学制造技术，主要是追求微纳米制造精度。高端光刻机中的投影光刻物镜的光学表面加工涉及当代最陷阱的高端光学制造设备和技术，包括：计算机数控形成技术精度水平约10~5nm；磁流体抛光技术MRF，精度水平1~0.5nm；离子束抛光技术IBF，精度水平0.2~0.1nm；等离子颗粒弹性发射加工EEM，精度水平0.1nm。一般采用以上各种不同类型方法集成以达到最终要求。

在精密光学制造领域一般认为，没有检测就没有加工，检测到多高就能加工到多高。高端光刻机的投影光刻物镜光学表面测试分为球面测试、非球面测试；表面加工的测试；和光学系统组装后整体性能指标测试。对于表面形成误差检测方法仍然使用高精度相移干涉仪和点干涉仪，非球面检测精度达0.2nm。

投影光刻机物镜光学系统测量在模拟光刻系统实际工作环境中进行，这样的检测台几乎可以看成是一个功能略微简化的高端光刻机。检测与系统集成几

乎同步进行。系统装校是系统集成的关键环节，是一项严峻挑战。投影光刻物镜光学系统的设计、制造、检测与集成已经远超出传统静态光学系统概念。设计，制造过程中要预留系统装校所需要的补偿表面，给予对补偿表面的认为制造误差、动态补偿系统那个误差，以改善系统像质。一般还要预留系统镜片总数的1/5~1/6镜片作为可调节，以便能动补偿由于系统性能的热漂移带来的工作过程中分辨率降低。

表面去除加工的分辨率必须达到原子或分子级水平。夏然高端光刻物镜光学设计制造技术已经进入典型的纳米科技范畴，达到自下而上加工原理的极限，即0.1nm。

现代光学制造工程主体技术群应该包括以下学科或专项技术：现代光学制造系统工程技术；现代光学制造控制技术；现代光学制造信息技术；工程创新理论；现代光学工程设计理论；现代光学测试加工；现代光学薄膜工程；现代光电与光子器件；先进制造技术与先进光学制造技术；光学材料技术与工程；现代光学制造工程管理；数字化、网络化、智能化制造等等。

从现代光学制造工程总体集成的角度看，列在“主体技术群”中的各单项专业，有一类来自既有科学，其中比较经典或成熟一些的例如：薄膜光学，光学测试，光学设计，光学材料等。这里，将光学测试专业等提到更高层次的“光学测试工程学”的高度来研究，以便更好的服务于现代大科学工程或极端制造系统工程的发展需要。

现代设计方法是决定工程成败优劣的首要环节，借助计算机辅助设计和系统仿真技术可以在概念设计间断就可以避免大的颠覆性失误，立足于系统工程方法的运筹和优化，有效节约工程造价和资源利用，对于制造工程全过程的通盘考虑具有决定性意义。