当今科技飞速发展的时代，以超精密光刻机、高端飞机舰船为代表的复杂战略性装备制造领域，正面临着前所未有的挑战与机遇。多源、多维、多尺度的测量信息及其融合，已成为实现装备性能优化设计、部件精度检验匹配、制造过程精细调控以及服役状态长期保持的技术，更是推动重大装备迈向 “上水平”“高性能” 的关键内在要素支撑。

然而，随着高端装备性能指标不断逼近理论极限，其结构愈发复杂，尺寸更加极端，材料物化特性更为特殊，多物理场耦合效应也愈发显著。传统基于产品几何精度逐级分解单向传递的制造精度测量理论体系，已难以满足超高性能指标的要求。一方面，几何制造精度对终性能的影响呈现出显著的非线性效应。在零件 — 部件 — 组件 — 整机高度相关的序列制造过程中，单个环节的精度失调失配都会引发耦合发散传递。为避免装备整体性能失控，必须具备大量程、高精度、高动态、全流程实时监控的测量能力，在整体系统层面进行精度协调优化，以保障终制造质量与性能。另一方面，为确保超高性能的稳定实现，必须限度消除内在应力，全面分析材料物性、几何结构、环境工况等要素变化及其相互影响。这就急需突破现有技术条件，通过多源、多维、多尺度测量信息的获取，对制造过程进行全面控制，使整机装备运行于设计状态，从而保证性能表现。

在当前制造智能化升级的大背景下，我国以超高精度光刻机、先进飞机船舶为代表的诸多装备，普遍面临着 “卡脖子” 现象。因此，召集相关领域同行，为我国高端精密装备制造精度测量技术发展把脉选向、凝聚共识，研讨面向高端精密装备制造的高精度测量发展路线，显得尤为迫切和重要。

值得一提的是，9 月 17 日，Keysight 公司将举办一场线上直播，深入探讨《边缘 AI 动态电流的高精度测试》。届时，会展示几种不同的测试手段和方案，详细比较它们的优缺点，以及各自适应的应用场景。

一、高端精密装备精度测量研究现状与挑战

当前，高端装备制造已从传统机械、电子、光学等单一制造领域主导，发展成为创新聚集、信息集成、智慧赋能的多领域综合复杂产业体系，涵盖了从芯片等元件到高端飞机船舶等重大装备的各个方面。高端装备终能够实现的性能，源于对每个环节精度的精细调控，源于对整体状态信息的充分获取，更源于测量理论方法及技术设备的不断完善。探索建立面向复杂装备制造的测量理论、方法与技术，支撑多环节、多层次、高精度的精度匹配调控，已经成为精密复杂装备制造中的重要基础问题，并聚焦于以下四个重要方面：

1.1、极端条件下可直接溯源几何量超精密测量

在高端精密装备制造领域，极端条件下的可直接溯源几何量超精密测量，贯穿了装备零部件制造、整机集成、在役工作、制品质量表征和工艺提升的整个过程，是装备自身精度和装备线工艺质量调控不可或缺的技术基础。可溯源能力将超精密测量结果直接参考到国际计量基准，可为极限测量精度的稳定实现提供根本保证，限度提升装备性能和运行品质，是超精密测量技术的公认发展方向。然而，传统计量溯源体系建立在严格控制、环境稳定的实验室条件下，而高端精密装备制造及运行过程伴随高速运行、严苛环境等极端条件，这对实现可直接溯源的几何量超精密测量提出了严峻挑战。

例如，在光刻机制造领域，基于干涉原理的超精密多轴测量可将测量结果溯源至光波长基准，对提高装备精度性能意义重大。下一代 EUV 光刻机线宽将达到 1 nm，其部件 —— 双工件台的运动速度超过 1 m/s。为在高速运行条件下保证优于 1 nm 的超高定位精度，需要对工件台和曝光镜头进行高达 22 轴的冗余测量。目前，能满足 ASML 光刻机测量要求的高端超精密双频激光干涉仪只有美国 Keysight、ZYGO 等公司生产，“卡脖子” 问题严重。尤其在下一代光刻机开发中，针对更高速、更多轴数的纳米精度测量问题，国内相关技术与装备尚需从光源系统、信号处理系统、光学元件和集成式干涉系统等方面展开全面深入研究，追赶国际先进水平。

在航空航天特种装备领域，其高温、高压、高速、高真空等特殊使用环境也对超精密测量技术提出了极高要求。如航空超高音速飞行器的新型复材的工作温度超过 1600 ℃，准确测量复材热膨胀系数可为飞行器气动外形设计和全周期寿命评估提供重要依据；对地观测用相机的地面装调和在轨工作环境条件完全不同，迫切需要适应真空、超低温且失重环境的在线原位超精密测量技术支持等。我国在极端条件下精密测量方面的研究总体处于起步阶段，相关测量理论、技术装备和实验条件仍不完备，面对国内相关需求的急迫性和普遍性，开展可溯源的极限测量技术攻关，将具有重要战略意义和社会效益。

1.2、多物理场耦合多约束精度调控

高端装备制造与服役环境日益恶劣，性能要求愈发苛刻，智能化要求也更加迫切。复杂恶劣环境下多物理场高精度感知技术、智能在线动态监测技术、测量可靠性与可溯源性，已成为实现高端重大装备智能制造与高可靠服役的驱动技术和本领域前沿热点、难点问题。

国内外学者在多物理场智能感知方面的研究，聚焦于智能制造过程中的多物理场在位测量与重构方法、多物理场动态监测与预测方法、典型构件制造工艺参数调控方法等方向。在工业应用层面，波音、空客等航空公司已应用数字孪生技术初步实现了零构件制造中全局力位状态监测，但当前仍处于系统工程技术探索与优化阶段。我国在装备构件制造及服役过程中的多物理场感知领域亦开展了较深入研究，如在飞机机翼、发动机压缩盘等薄壁件制造中位移 / 应变 / 温度场动态监测与重构、复材构件加工中多物理场多参量监测、装备服役过程温度场、磁场全场感知与动态重构等方面，已形成了系列静 / 动态多物理场全场在线感知与重构方法，但尚未形成完备的理论与技术体系。

面向高端装备制造及服役工况高温、强磁场、狭小空间等极端复杂化的发展新趋势，多参量测量及精度溯源、多物理量强耦合动态演变机制、多物理场全场状态与边界约束映射关系、工艺参数实时调控，以及航空高端装备制造及服役维护性能的高性能动态测量等方面的研究需求将更加迫切。未来需要重点关注复杂物理场耦合原位高精测试、智能制造中的多物理量测量与解耦等相关原理与技术。

1.3、多源、多维、多尺度测量信息高性能传感

半导体芯片产业作为国民经济的关键基础，芯片制造已经上升为国家紧急和重要的战略任务之一。半导体芯片的制造是一项极其复杂的系统性工程，其制造质量高度依赖于高精度检测技术及设备的支持。检测技术呈现出多源、多维、多尺度、高性能感测等突出特点，研发难度大、综合要求高，相关高端仪器装备已成为我国重点 “卡脖子” 问题。

在半导体芯片制造领域，台积电和三星已实现了 5 nm 制程大规模量产并正在开展 3 nm 制程试产，而国内目前 14 nm 以下制程尚未量产。同时，半导体芯片制程已经从二维向三维发展，现有技术难以对具有高深宽比纳米结构的三维芯片进行准确测量，新型测量方法和相关设备的技术革新迫在眉睫。从半导体芯片的发展趋势看，未来在工艺制程中，测量精度必然要求达到亚纳米量级。由于界面效应和尺度效应的影响，在加工过程中材料除了发生几何尺寸变化，还时常伴随着理化属性变化，使得在高功率、高频以及高速运行状态下，芯片热态参数的获取成为技术挑战。

半导体芯片测量技术及装备除了要求具备传统几何量测量能力，还需要具备热、磁、电等多物理场表征能力。亟需开展微观尺度下超越散粒噪声极限的多维 / 多物理场芯片原位测试技术及仪器研究，形成具有自主知识产权的半导体芯片测量方法和技术，解决三维半导体芯片中纳米结构多维多尺度测量难题，推动新一代半导体芯片制造技术的发展，为我国在芯片领域实现 “并跑” 甚至 “领跑” 提供支持。

1.4、智能制造大场景精密测量方法

航空航天大型复杂装备的超高性能必须依靠外形控制来实现，外形尺寸信息是控制制造过程、保证制造质量、提升产品性能的关键条件。目前，以激光跟踪仪为代表的球坐标单站测量仪器仍是该领域主流测量设备。以大飞机机身制造为例，通过一台或多台跟踪仪对大部件关键控制点坐标进行精准测量，为姿态分析、工装协同定位提供基础数据和决策依据，已成为机身数字化对接、总装等环节的标准工艺要求。

作为数字化制造的发展进阶，智能制造将进一步由针对少量工艺控制点的坐标测量定位拓展为对人员、设备、物料、环境等多元实体外形、位姿及相互关系的全面、全程测量感知，测量需求表现出全局、并发、多源、动态、可重构、共融等全新特点。大规模、多层次、实时持续的物理空间数据获取，特别是高精度空间几何量获取是实现复杂装备智能制造的前提和国内外相关研究的关注重点。

虽然新型跟踪仪、激光雷达等通过测距技术创新部分克服了传统跟踪仪遮挡导致断光的问题，提升了测量效率，但单站球坐标测量模式原理上只能实现单点空间坐标顺序测量，视角受限、功能单一，无法满足智能制造现场多目标、多自由度、快节拍的自动化测量需求。以室内 GPS、激光跟踪干涉仪为代表的多站整体测量设备采用空间角度、长度交会约束原理实现大尺度空间坐标测量，具有时间和空间基准统一的突出优势，但系统组成较为复杂，误差因素多，精度控制难度大，简化结构、控制成本、提升动态测量性能是其未来面临的技术挑战。

目前，上述高端仪器大部分处于欧、美、日少数厂商垄断生产状态，针对 “工业 4.0” 等智能制造场景的预研布局也已启动。国内高校及研究机构虽已开展相关仪器研制，还需紧密把握智能制造升级机遇，面向下一代智能制造大场景新需求新特点，持续探索精密测量新体制、新方法、新技术，实现原理、技术、器件、装备系统性突破。

二、高端精密装备精度测量未来发展趋势预测

2.1、极端条件下可直接溯源几何量超精密测量发展趋势

• 测量精度极限进入皮米尺度：当前主流光刻机中平面反射镜面型测量精度优于 1 nm，下一代面型检测重复精度将达到 10 pm，光刻机集成和长期在役工作中超精密运动部件的测量精度正从 1 nm 量级突破至 0.1 nm 量级；硅片光刻过程特征线宽测量精度也已进入原子尺度；空间引力波探测装备中镜片面型检测精度达到 0.1 nm，相对位移测量精度达 10 pm。面向高端装备零部件制造的皮米级超精密测量已成为下一阶段发展必然要求和重点攻关方向。
• 从静态 / 准静态测量向高速高效动态测量发展：超精密机床、光刻机等加工装备中，超精密运动目标的速度从 0.1 m/s 量级逐步提升到 3 m/s 以上；引力波探测中超精密位移测量对象，也将从地面的静止目标转变为 4 m/s 的准静态目标。随着上述动态测量技术和仪器的发展，相应的仪器计量校准装置也需从目前的完全静态计量测试升级到高速率动态计量测试。
• 从一维单参量离线测量转向多维复杂参量在线、在役测量：光刻机、超精密数控机床等先进装备多参量耦合、多轴运动加工的工作特性对传统机床基于单维多步测量的定期校准方式提出巨大挑战，迫切需要嵌入可直接溯源的 7 - 22 轴精密仪器进行在线在役测量。航空发动机叶片测量中，传统离线条件下测量低速转动叶片形状精度已无法满足研制需求，实际高速转动工作状态下对叶片形状进行在线在役的超精密测量成为亟待解决的问题。
• 从传统物理量 / 场精密测试到基于量子传感的超精密测试：先进制造技术与装备在制造过程中需要开展位置、姿态、压力等多维力学量的超精密感知，磁、温、电等多物理场的测量，即高性能高质量信息传感能力。未来亟需突破超高精度、超高分辨传感与溯源等关键技术，不仅需要通过技术和工艺创新，实现传统传感技术的微型化、精密化和智能化，更要开展基于量子信息调控的多场解耦方法与信息解算关键技术研究，研制传感器件与测试仪器，实现传感技术的跨越式发展。

2.2、多物理场耦合测量与精度调控发展趋势

• 面向重大装备的复杂物理场耦合原位高精度测试：重大装备制造、服役过程伴随高温、高压、高转速、高冲击等复杂物理场强耦合作用，常规方法 “测不了”“测不准”“难存活”。聚焦极端环境下感知机理与信号传输、多场环境因子耦合作用机制与抑制、多场耦合环境标定与量值溯源等科学问题，重点研究复杂物理场强耦合环境下传感测试新方法、环境因子作用模型及抑制 / 衰减方法、封装防护、可溯源测试与标校方法等，发展面向精密复杂测量体系的人工智能技术，通过智慧赋能解决复杂物理场耦合环境下超 / 跨量程、大动态范围、高精度测试难题，为原位高精测试开辟新思路。
• 面向高端装备制造的多物理量测量与解耦：高端装备关键部件制造过程待测参量呈多元、高动态、强耦合、表里兼顾等发展新趋势，传统测量方法难以满足。聚焦多物理场敏感机制与一体化传感解耦、多物理场全场状态与边界约束间映射、复杂多因素强耦合测量精度调控等科学问题，强调多源数据的有效集成，重点研究高端装备多参数测量多敏感功能柔性传感器、复杂环境下多物理场全场状态信息智能感知与估算、多参量关联演变下的工艺参数调控等，为保障高端装备制造性能提供理论支撑与技术基础。
• 微纳尺度形态性能多参数测量：微纳制造过程中材料形态、性能参数变化过程相互关联耦合，多参数同时观测是准确揭示制造过程内在规律机理的前提条件。聚焦高空间分辨力激光共焦显微成像、近场光学显微成像和原子力显微成像等原理，重点研究上述显微成像技术与散射光谱、LIBS 光谱和质谱的高效、高分辨率联合测量方法，研究新型光谱 / 质谱信息高灵敏度探测机理与方法，实现微纳米制造中微纳尺度下