研究人员通过流体成形制造自由曲面光学元件

以色列理工学院的研究人员展示了塑造液体体积并将其固化成所需的自由形式组件的能力，从而能够快速制作具有高表面质量的自由形式组件。相关研究发表在《Optica》上。

图1，研究人员使用他们的新方法来制造具有各种几何形状的光学元件，包括环形和三叶形，尺寸可达 200 毫米，以及自由曲面。 这种镜片的表面质量与现有可用的最佳抛光技术相似，但制作起来更快、更简单。来源：Technion – 以色列理工学院。

该方法基于通过指定几何边界约束来控制可固化光学液体和浸没液体之间界面的最小能量状态。研究人员为给定预定义边界的最终形貌提供了解析解，并演示了在几分钟内制造具有亚纳米表面粗糙度的自由曲面组件。这种允许快速制作高质量组件原型的制造能力有可能满足光学设计行业未满足的需求，使研究人员和工程师能够快速测试自由形式的设计概念。可以进一步设想将其扩展到工业规模，从而实现自由曲面光学的无模具制造。这种新方法有望为各种应用（包括矫正镜片、增强现实和虚拟现实、自动驾驶汽车、医学成像和天文学）更快地制作定制光学组件的原型。

眼镜或相机等常见设备依赖于镜头，具有球面或圆柱面，或与此类形状略有偏差的光学元件。然而，可以从具有复杂形貌的表面获得更先进的光学功能。目前，由于机械加工和抛光其表面所需的专用设备，因此制造这种自由曲面光学器件非常困难且昂贵。

“我们制造自由曲面的方法可以实现极其光滑的表面，并且可以使用大多数实验室中都可以找到的基本设备来实现，”以色列理工学院的研究团队负责人莫兰·贝尔科维奇 (Moran Bercovici) 说。 “这使得该技术非常易于使用，即使在资源匮乏的环境中也是如此。”

在 论文《Optica》 中， Bercovici 及其同事表明，他们的新技术可用于在短短几分钟内制造出具有亚纳米表面粗糙度的自由曲面组件。与 3D 打印等其他原型制作方法不同，即使制造部件的体积增加，制造时间仍然很短。

“目前，光学工程师为专门设计的自由曲面组件支付数万美元，然后等待数月才能到货，”该论文的作者Omer Luria 说。 “我们的技术有望从根本上减少复杂光学原型的等待时间和成本，这可以大大加快新光学设计的开发。”

图2，通过塑造液体体积，可在几分钟内制造出具有亚纳米表面粗糙度的自由曲面光学元件。来源：Technion – 以色列理工学院。

从眼镜到复杂的光学

在了解到全球有 25 亿人无法获得矫正眼镜后，研究人员决定开发这种新方法。 “我们着手寻找一种简单的方法来制造高质量的光学元件，该方法不依赖于机械加工或复杂且昂贵的基础设施，”首先在 Bercovici 实验室开发该方法的 Valeri Frumkin 说。 “然后我们发现可以扩展我们的方法来产生更复杂和有趣的光学地形。”

通过固化液态聚合物制造光学器件的主要挑战之一是对于大于约 2 毫米的光学器件，重力主导表面力，这会导致液体变平成水坑。 为了克服这个问题，研究人员开发了一种使用浸没在另一种液体中的液态聚合物制造镜片的方法。 浮力抵消重力，使表面张力占主导地位。

研究人员可以通过控制镜片液体的表面形貌来制造光滑的光学表面。这需要将镜片液体注入支撑框架中，以便镜片液体润湿框架内部，然后松弛成稳定的结构。一旦达到所需的形貌，镜片液体就可以通过紫外线照射或其他方法固化，以完成制造过程。

在使用液体制造方法制造简单的球面透镜后，研究人员扩展到具有各种几何形状（包括环形和三叶形形状）和尺寸高达 200 毫米的光学组件。他们表明，由此产生的镜片表现出与可用的最佳抛光技术相似的表面质量，同时制造起来更快、更简单。在 《Optica》上发表的工作中，他们通过修改支撑框架的形状进一步扩展了创建自由曲面的方法。

无限可能

论文的主要作者莫尔·埃尔加里西（Mor Elgarisi）说：“我们确定了无限范围的可能的光学地形图，可以用我们的方法制作。”。该方法可用于制造任何尺寸的部件，由于液体表面自然光滑，无需抛光。该方法也适用于任何可固化的液体，并具有不产生任何废物的优点。

研究人员现在正致力于自动化制造过程，以便能够以精确和可重复的方式制作各种光学地形图。他们还对各种光学聚合物进行了实验，以找出哪种聚合物生产的光学元件最好。