研究人员已经开发出一种通过塑造一定体积的可固化液态聚合物来制造自由形状光学元件的方法。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。

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。（图片：Technion – 以色列理工学院）

来自以色列理工学院 Technion 的研究团队负责人 Moran Bercovici 说，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，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Optica（“通过流体成形制造自由曲面光学元件”），Optica 出版集团的高影响研究期刊中，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元件。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。该论文的撰稿人之一 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。

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。首先在 Bercovici 实验室开发该方法的 Valeri Frumkin 表示，他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，然后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，重力在表面力上占主导地位，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。

自由曲面光学元件

研究人员使用他们的新方法制造具有各种几何形状（包括环形和三叶形形状）和尺寸高达 200 毫米以及自由曲面的光学元件。镜片的表面质量与可用的最佳抛光技术相似，同时制作起来更快、更简单几个数量级。（图片：Technion – 以色列理工学院）

由于重力不在图片中，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的光学元件——包括环形和三叶形——尺寸可达 200 毫米。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，同时制作速度和制作简单几个数量级。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

该论文的第一作者 Mor Elgarisi 说，我们确定了可以使用我们的方法制造的无限可能的光学地形。该方法可用于制造任何尺寸的组件，并且由于液体表面自然光滑，因此无需抛光。该方法还适用于任何可以固化的液体，并且具有不产生任何废物的优势。

研究人员现在正在努力使制造过程自动化，以便可以以精确和可重复的方式制作各种光学形貌。他们还在试验各种光学聚合物，以找出哪些能生产出最好的光学元件。