研究人員已經開發出一種方法，通過塑造可固化液體聚合物的體積來製造自由形狀的光學元件。 這種新方法有望為各種應用實現更快的定製光學元件原型製作，包括矯正鏡片、增強和虛擬實境、自動駕駛汽車、醫療成像和天文學。

眼鏡或相機等普通設備依賴於鏡片–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，更先進的光學功能可以從具有複雜地形的表面獲得。 目前，由於機械加工和拋光表面所需的專業設備，製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：”我們製造自由形態光學器件的方法實現了極其光滑的表面，並且可以使用在大多數實驗室都可以找到的基本設備來實現。 這使得該技術非常容易獲得，即使是在缺少資源的環境下。 ”

在Optica出版集團的高影響力研究雜誌《Optica》上，Bercovici及其同事展示了他們的新技術可用於在短短幾分鐘內製造出具有亞納米表面粗糙度的自由形態部件。 與其他原型製作方法（如3D列印）不同，即使製造的部件體積增加，製造時間仍然很短。

論文作者之一Omer Luria說：「目前，光學工程師為專門設計的自由形態部件支付了數萬美元，並等待數月後才到達。 我們的技術準備從根本上減少複雜光學原型的等待時間和成本，這可以大大加快新光學設計的開發。 ”

從眼鏡到複雜的光學器件

研究人員在瞭解到全世界有25億人沒有機會獲得矯正眼鏡后，決定開發這種新方法。 Valeri Frumkin說：”我們著手尋找一種製造高品質光學元件的簡單方法，這種方法不依賴機械加工或複雜而昂貴的基礎設施，”他首先在Bercovici的實驗室開發了這種方法。 “我們隨後發現，我們可以擴大我們的方法，以產生更複雜和有趣的光學拓撲結構。”

通過固化液體聚合物製造光學器件的主要挑戰之一是，對於大於約2毫米的光學器件，重力比表面力佔主導地位，這導致液體變平成為一個水坑。 為了克服這個問題，研究人員開發了一種使用浸沒在另一種液體中的液體聚合物製造鏡片的方法。 浮力抵消了重力，使表面張力佔主導地位。

隨後研究人員可以通過控制透鏡液體的表面形貌來製造出光滑的光學表面。 這需要將透鏡液體注入一個支援性框架，使透鏡液體浸潤框架的內部，然後放鬆到一個穩定的配置。 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，以完成製造過程。

在使用液體製造方法製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，由此產生的透鏡表現出與現有最好的拋光技術相似的表面質量，同時在數量級上更快，製作更簡單。 在《Optica》上發表的工作中，他們進一步擴展了該方法，通過修改支援性框架的形狀，創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構，可以用我們的方法來製造。 該方法可用於製造任何尺寸的部件，而且由於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相容，並具有不產生任何廢物的優勢。 ”

研究人員現在正在努力使製造過程自動化，以便能夠以精確和可重複的方式製造各種光學拓撲結構。 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生最好的光學元件。