作者：譚久彬，中國工程院院士，哈爾濱工業大學精密儀器工程研究院院長

精密測量——科學探索的“眼睛” 高端制造的“尺子”

科學家門捷列夫說：“科學是從測量開始的?！薄艾F代熱力學之父”開爾文有一條著名結論：“只有測量出來，才能制造出來?！比祟惪茖W研究的革命，工業制造的迭代升級，都離不開測量技術的精進。在當代科技和工業領域，高水平的精密測量技術和精密儀器制造能力，是一個國家科學研究和整體工業領先程度的重要指標，更是發展高端制造業的必備條件。隨著精密測量技術不斷進步，其在科學研究、工程科技、現代工業、現代農業、醫療衛生和環境保護等領域發揮著越來越重要的作用。

精密測量是工業生產的倍增器

精密測量是一個大的泛指的范疇。凡是準確度很高的各類測量，都可稱之為精密測量。在精密和超精密工程領域，精密測量有具體的數量級，是指測量準確度在1微米至0.1微米量級的測量，超精密測量是指測量準確度優于100納米，如10納米、1納米，甚至皮米（千分之一納米）量級的測量。

精密測量興起于工業大生產。規?；笊a是現代工業的重要特征，產業分工與專業化配套越來越細化，地域分布越來越廣，產業鏈遍布全世界。也就是說，一個產品由成百上千甚至成千上萬個零部件組成，這些零部件不可能由一個廠家生產，需要聯合遍布各地的多個優勢廠家。比如一部智能手機有1600多個零件和元器件，由分布在世界上10多個國家和地區的150多家工廠提供。這樣做，能大批量標準化生產，生產效率高、質量高、成本低，優勢明顯。但技術層面存在一個難題——面對如此多零件、元器件，其中任何一個的尺寸精度或其他技術指標不合格，就無法集成到一起。

為解決這類問題，國際標準化組織（ISO）和國際計量局（BIPM）制定了一系列標準與規范。依據這些標準與規范，國際計量局將公認的標準量值傳遞給每一臺測量儀器，以保證這個標準量值在全世界范圍內一致。之后，生產廠商使用測量儀器，對產品的每一個零件和元器件的所有技術參數進行精密測量。這樣才能保證所有的測量儀器都是精確的，測量數據都是精準的，進而成千上萬的零件或元器件具有互換性。通俗地說，就是不同廠商的產品都是合格的、好用的。由此而來，精密測量已成為促進科技發展的新興學科。

精密儀器助力科學新發現

怎樣進行精密測量？這就需要實施精密測量的工具——精密儀器。精密儀器包括各類高端測量儀器、分析儀器、成像儀器、診療儀器和各類實驗儀器等。在幫助工業生產“把關”的同時，精密儀器也是科學研究的有力工具?？v觀各國科技發展歷史，不難發現，科技強國一定是基礎研究強國，基礎研究強國一定是測量與儀器強國。大多數現代科學發現和基礎研究突破，都是借助先進的精密測量方法和尖端測量儀器實現的。引力波探測就是一個典型例子。

引力波探測是直接驗證愛因斯坦廣義相對論、探索宇宙起源和演變的實驗，具有重大科學價值。但引力波信號極其微弱，探測難度極大，采用超高分辨率的遠距離激光干涉測量方法探測，是目前最有優勢的技術途徑。也就是說，激光干涉測量儀的測量準確度，將直接決定探測引力波的極限能力。如果激光干涉測量儀建立在地球上，其互為垂直的兩路激光測量臂長至少要達到4000米。只有滿足這一條件，引力波引起的激光測量臂長極其微小的變化（不超過質子直徑的萬分之一）才能被測量到。如果按比例放大，這一超高分辨率測量相當于在繞地球1000億圈的長度上，檢測出不超過一根頭發絲直徑的長度變化。經各國科學家共同努力，2016年人類首次直接測量到高頻段引力波，3位相關科學家因此項成果獲得諾貝爾物理學獎。

就科學研究而言，這樣的探測還遠遠不夠。為測量到低頻段引力波，必須將激光干涉測量儀建立在太空環境中。這樣，其互為垂直的兩路激光測量臂長才能夠達到數十萬千米到數百萬千米，激光干涉測量儀的測量準確度才有望達到1皮米。

引力波的例子很好地證明了，測量技術有多精密，科學探索就能走多遠。

只有測量出來，才能制造出來

對國家而言，精密測量與裝備制造業水平緊密相關。裝備制造業向中高端跨越的關鍵是提升制造質量，而提升制造質量的關鍵則是提高精密測量能力。只有通過精密測量，才能知道產品哪里不合格；只有通過大量精密測量數據的積累，才能找到產品不合格的根源與規律；只有基于精密測量數據建立起成體系的誤差補償模型，才能有效實現制造精度和產品性能的精確調控，產品質量才能在不斷的精確調控中逐漸提升。

超精密光刻機的研制，很好地證明了這個結論。超精密光刻機被稱為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，挑戰著人類超精密制造的精度和性能極限。超精密光刻機是在超精密量級上把最先進的光機電控等幾十個分系統、幾萬個零部件集成在一起，使其高性能協同工作。它是人類裝備制造史上復雜程度最高、技術難度最大、綜合精度性能最強的尖端裝備之一。它在高速和高加速度下，達到納米級的同步精度、單機套刻精度和匹配套刻精度等，這與傳統的精度提升環境完全不同。超精密光刻機的制造精度已接近現有制造能力的極限，其精度提升一點點，通常都要付出幾倍十幾倍的努力。比如，用于28納米節點制程的DUV光刻機擁有7萬多個光機零件，涉及上游5000多家供應商。這些零部件對精度和穩定性的要求極高，只有發揮供應鏈上所有頂尖制造商的技術優勢，才能全部達到標準，超精密光刻機才能研發成功。

任何一個重要零件的不合格，都會導致超精密光刻機研制失敗。以其中一個構件——激光反射鏡的制造精度為例。它由微晶玻璃制成，有108項尺寸公差和62項形狀、位置、方向公差，還有內部應力等技術要求。要完成這樣一個復雜構件的超精密測量，需要20多種專用超精密測量儀器。而光刻機有7萬多個光機零件，其中80%以上的零件屬于精密和超精密級，需要700多種專用精密和超精密測量儀器。如果沒有成體系的專用超精密測量技術與儀器來管控制造精度，就不可能制造出合格的零件，也就不可能裝配調試出合格的部件與分系統，更不可能制造出合格的光刻機整機。

精密測量技術還推動了各國建立國家測量體系。它能夠有效管控工業測量體系，保障整個制造鏈的質量，賦能高科技產業高質量發展。對大眾而言，直觀感受就是所購買的工業產品質量變好了、更好用了。目前工業發達國家的產品都經歷了從低質量向高質量的曲折發展歷程。正是因為建立起了完整的精密測量體系，培育起了一批頂尖超精密儀器企業，才能對高端裝備制造形成強有力支撐，才能打造出諸多國際馳名品牌。

我國正在向世界科技強國、制造強國和質量強國邁進，構建新一代國家測量體系成為關鍵一環。今年1月，國務院印發《計量發展規劃（2021—2035年）》，明確提出加快構建國家現代先進測量體系，推進計量標準建設。我國精密測量領域科研工作者將繼續勇擔重任，以與時俱進的精神、革故鼎新的勇氣、堅忍不拔的定力，為中國制造備好“尺子”，為科技強國建設不懈奮斗。

推薦讀物：

1.《中國古代計量史》：丘光明著；安徽科學技術出版社出版。

2.《精密激光測量技術與系統》：胡鵬程等編著；科學出版社出版。

3.《精密測量中的誤差補償技術》：譚久彬著；哈爾濱工業大學出版社出版。