采用流体成形法制造自由曲面光学元件

自由曲面光学元件可以实现传统光学元件无法实现的功能。然而，它们的加工与抛光需要复杂专业的加工设备，制造自由曲面光学元件的过程困难且价格昂贵。

以色列理工学院（Israel Institute of Technology）的研究人员开发了一种通过塑造大量可固化液体聚合物来制造自由形状光学元件的方法，从而实现具有高表面质量的自由形状部件的快速成型。

该方法是基于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，通过指定一个几何边界约束，并提供了一个给定边界的解析解，来制造亚纳米表面粗糙度的自由曲面组件。

这项工作会使定制光学元件的样品制作速度更快，适用于各种应用，包括矫正镜片、增强现实和虚拟现实、自动驾驶汽车、医疗成像和天文学。

研究团队负责人Moran Bercovici表示，该方法可以实现非常光滑的表面，并且不需要使用复杂的制造设备，制造过程也相对容易，我们可以在几分钟内制造出亚纳米表面粗糙度的自由形状部件。而且，与3D打印等其他原型制作方法不同的是，即使制造组件的体积增加，制造时间仍然很短。

具有亚纳米表面粗糙度的自由曲面光学元件可以在几分钟内通过液体体积成型

研究人员Omer Luria说，目前，光学工程师要为特殊设计的自由形状元件支付数万美元，还要等上几个月才能拿到，我们的技术将从根本上减少复杂光学原型的等待时间和成本，这将大大促进新型光学设计的发展。

研究团队开始进行这项研究的初衷是开发一种方法来制造矫正眼镜的镜片。研究人员Valeri Frumkin说：“我们开始寻找一种简单的方法来制造高质量的光学组件，不依赖机械加工或复杂昂贵的制造设备。后来，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表面形状。”

通过固化液体聚合物制造光学自由曲面的主要挑战之一是，对于大于2毫米的光学元件，重力取代了表面力，这会使得液体变平或成为一个水坑。为了克服这个问题，研究人员开发了一种方法，利用浸入另一种液体中的液体聚合物来制造透镜。浮力抵消了重力，使表面张力占主导地位。在没有重力的情况下，研究人员可以通过控制透镜液体的表面形貌来制造光滑的光学表面。这需要将液体注入到一个支持框架，使液体湿润框架的内部，并得到一个稳定的配置。一旦达到所需的形貌，镜片液体可以通过紫外线照射或其他方法固化，以完成制造过程。

使用流体成形法制造自由形状光学元件的工作流程

基于流体整形法，研究人员从简单透镜的制造扩展到各种几何形状的光学元件，包括环面（toroid）和三叶草形状（trefoil），尺寸可达200毫米，光学元件的表面质量可以与使用最好的抛光技术处理的表面相媲美，但光学元件的加工效率得到极大的提升，可以快几个数量级。研究人员进一步扩展了这种方法，通过修改支撑框架的形状来创建不同的自由曲面。 

研究人员Mor Elgarisi说：“我们发现，使用我们的方法可以制造无限范围的可能的光学表面。”该方法可用于制造任何尺寸的组件，而且由于液体表面自然光滑，不需要抛光。这种方法也与任何可以固化的液体兼容，而且它的优点是不产生任何废物。

研究人员正在努力实现制造过程的自动化，以便以精确和可重复的方式制造各种光学表面。他们还在评估各种光学聚合物，以确定哪种聚合物能产生最好的光学元件。