研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法，通過塑造可固化液體聚合物的體積來制造自由形狀的光學元件。這種新方法有望為各種應(yīng)用實現(xiàn)更快的定制光學元件原型制作，包括矯正鏡片、增強和虛擬現(xiàn)實、自動駕駛汽車、醫(yī)療成像和天文學。

眼鏡或相機等普通設(shè)備依賴于鏡片--具有球形或圓柱形表面或略微偏離這些形狀的光學元件。然而，更*的光學功能可以從具有復雜地形的表面獲得。目前，由于機械加工和拋光表面所需的專業(yè)設(shè)備，制造這種自由形狀的光學元件是非常困難和昂貴的。

來自以色列理工學院的研究小組負責人Moran Bercovici說：“我們制造自由形態(tài)光學器件的方法實現(xiàn)了極其光滑的表面，并且可以使用在大多數(shù)實驗室都可以找到的基本設(shè)備來實現(xiàn)。這使得該技術(shù)非常容易獲得，即使是在缺少資源的環(huán)境下。”

在Optica出版集團的高影響力研究雜志《Optica》上，Bercovici及其同事展示了他們的新技術(shù)可用于在短短幾分鐘內(nèi)制造出具有亞納米表面粗糙度的自由形態(tài)部件。與其他原型制作方法（如3D打印）不同，即使制造的部件體積增加，制造時間仍然很短。

論文作者之一Omer Luria說：“目前，光學工程師為專門設(shè)計的自由形態(tài)部件支付了數(shù)萬美元，并等待數(shù)月后才到達。我們的技術(shù)準備從根本上減少復雜光學原型的等待時間和成本，這可以大大加快新光學設(shè)計的開發(fā)。”

從眼鏡到復雜的光學器件

研究人員在了解到有25億人沒有機會獲得矯正眼鏡后，決定開發(fā)這種新方法。 Valeri Frumkin說：“我們著手尋找一種制造高質(zhì)量光學元件的簡單方法，這種方法不依賴機械加工或復雜而昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，”他首先在Bercovici的實驗室開發(fā)了這種方法。“我們隨后發(fā)現(xiàn)，我們可以擴大我們的方法，以產(chǎn)生更復雜和有趣的光學拓撲結(jié)構(gòu)。”

通過固化液體聚合物制造光學器件的主要挑戰(zhàn)之一是，對于大于約2毫米的光學器件，重力比表面力占主導地位，這導致液體變平成為一個水坑。為了克服這個問題，研究人員開發(fā)了一種使用浸沒在另一種液體中的液體聚合物制造鏡片的方法。浮力抵消了重力，使表面張力占主導地位。

隨后研究人員可以通過控制透鏡液體的表面形貌來制造出光滑的光學表面。這需要將透鏡液體注入一個支持性框架，使透鏡液體浸潤框架的內(nèi)部，然后放松到一個穩(wěn)定的配置。一旦達到所需的形貌，就可以通過紫外線照射或其他方法使鏡片液體凝固，以完成制造過程。

在使用液體制造方法制造簡單的球形透鏡后，研究人員擴展到具有各種幾何形狀的光學元件--以及高達200毫米的尺寸。他們表明，由此產(chǎn)生的透鏡表現(xiàn)出與現(xiàn)有拋光技術(shù)相似的表面質(zhì)量，同時在數(shù)量級上更快，制作更簡單。在《Optica》上發(fā)表的工作中，他們進一步擴展了該方法，通過修改支持性框架的形狀，創(chuàng)造出自由形狀的表面。

無限的可能性

論文的主要作者Mor Elgarisi說：“我們確定了一個無限的可能的光學拓撲結(jié)構(gòu)，可以用我們的方法來制造。該方法可用于制造任何尺寸的部件，而且由于液體表面是自然光滑的，因此不需要進行拋光。該方法也與任何可凝固的液體兼容，并具有不產(chǎn)生任何廢物的優(yōu)勢。”

研究人員現(xiàn)在正在努力使制造過程自動化，以便能夠以精確和可重復的方式制造各種光學拓撲結(jié)構(gòu)。他們還在對各種光學聚合物進行實驗，以找出哪種聚合物能產(chǎn)生光學元件。