自由曲面光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件無法實(shí)現(xiàn)的功能。然而，它們的加工與拋光需要復(fù)雜專業(yè)的加工設(shè)備，制造自由曲面光學(xué)元件的過程困難且價(jià)格昂貴。
以色列理工學(xué)院（Israel Institute of Technology）的研究人員開發(fā)了一種通過塑造大量可固化液體聚合物來制造自由形狀光學(xué)元件的方法，從而實(shí)現(xiàn)具有高表面質(zhì)量的自由形狀部件的快速成型。
該方法是基于控制可固化光學(xué)液體和浸沒液體之間界面的最小能量狀態(tài)，通過指定一個(gè)幾何邊界約束，并提供了一個(gè)給定邊界的解析解，來制造亞納米表面粗糙度的自由曲面組件。
這項(xiàng)工作會使定制光學(xué)元件的樣品制作速度更快，適用于各種應(yīng)用，包括矯正鏡片、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)、自動駕駛汽車、醫(yī)療成像和天文學(xué)。
研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Moran Bercovici表示，該方法可以實(shí)現(xiàn)非常光滑的表面，并且不需要使用復(fù)雜的制造設(shè)備，制造過程也相對容易，我們可以在幾分鐘內(nèi)制造出亞納米表面粗糙度的自由形狀部件。而且，與3D打印等其他原型制作方法不同的是，即使制造組件的體積增加，制造時(shí)間仍然很短。
具有亞納米表面粗糙度的自由曲面光學(xué)元件可以在幾分鐘內(nèi)通過液體體積成型
研究人員Omer Luria說，目前，光學(xué)工程師要為特殊設(shè)計(jì)的自由形狀元件支付數(shù)萬美元，還要等上幾個(gè)月才能拿到，我們的技術(shù)將從根本上減少復(fù)雜光學(xué)原型的等待時(shí)間和成本，這將大大促進(jìn)新型光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展。
研究團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行這項(xiàng)研究的初衷是開發(fā)一種方法來制造矯正眼鏡的鏡片。研究人員Valeri Frumkin說：“我們開始尋找一種簡單的方法來制造高質(zhì)量的光學(xué)組件，不依賴機(jī)械加工或復(fù)雜昂貴的制造設(shè)備。后來，我們發(fā)現(xiàn)，可以擴(kuò)展我們的方法來產(chǎn)生更復(fù)雜和有趣的光學(xué)表面形狀。”
通過固化液體聚合物制造光學(xué)自由曲面的主要挑戰(zhàn)之一是，對于大于2毫米的光學(xué)元件，重力取代了表面力，這會使得液體變平或成為一個(gè)水坑。為了克服這個(gè)問題，研究人員開發(fā)了一種方法，利用浸入另一種液體中的液體聚合物來制造透鏡。浮力抵消了重力，使表面張力占主導(dǎo)地位。在沒有重力的情況下，研究人員可以通過控制透鏡液體的表面形貌來制造光滑的光學(xué)表面。這需要將液體注入到一個(gè)支持框架，使液體濕潤框架的內(nèi)部，并得到一個(gè)穩(wěn)定的配置。一旦達(dá)到所需的形貌，鏡片液體可以通過紫外線照射或其他方法固化，以完成制造過程。
使用流體成形法制造自由形狀光學(xué)元件的工作流程
基于流體整形法，研究人員從簡單透鏡的制造擴(kuò)展到各種幾何形狀的光學(xué)元件，包括環(huán)面（toroid）和三葉草形狀（trefoil），尺寸可達(dá)200毫米，光學(xué)元件的表面質(zhì)量可以與使用最好的拋光技術(shù)處理的表面相媲美，但光學(xué)元件的加工效率得到極大的提升，可以快幾個(gè)數(shù)量級。研究人員進(jìn)一步擴(kuò)展了這種方法，通過修改支撐框架的形狀來創(chuàng)建不同的自由曲面。
研究人員Mor Elgarisi說：“我們發(fā)現(xiàn)，使用我們的方法可以制造無限范圍的可能的光學(xué)表面。”該方法可用于制造任何尺寸的組件，而且由于液體表面自然光滑，不需要拋光。這種方法也與任何可以固化的液體兼容，而且它的優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生任何廢物。
研究人員正在努力實(shí)現(xiàn)制造過程的自動化，以便以精確和可重復(fù)的方式制造各種光學(xué)表面。他們還在評估各種光學(xué)聚合物，以確定哪種聚合物能產(chǎn)生最好的光學(xué)元件。
