Chế tạo các thành phần quang học phức tạp từ chất lỏng – cho kính mắt, máy ảnh và kính thiên văn

Phương pháp không tốn kém, nhanh chóng để tạo ra quang học dạng tự do có thể mang lại lợi ích cho các ứng dụng từ kính mắt đến kính thiên văn.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một cách để tạo ra các thành phần quang học dạng tự do bằng cách định hình một thể tích polyme lỏng có thể chữa được. Phương pháp mới đã sẵn sàng cho phép tạo mẫu nhanh hơn các thành phần quang học tùy chỉnh cho nhiều ứng dụng bao gồm thấu kính hiệu chỉnh, thực tế ảo tăng cường, xe tự hành, hình ảnh y tế và thiên văn học.

Các thiết bị thông thường như kính đeo mắt hoặc máy ảnh dựa vào thấu kính – các thành phần quang học có bề mặt hình cầu hoặc hình trụ, hoặc độ lệch nhỏ so với các hình dạng như vậy. Tuy nhiên, các chức năng quang học tiên tiến hơn có thể thu được từ các bề mặt có địa hình phức tạp. Hiện nay, việc chế tạo quang học dạng tự do như vậy là rất khó và tốn kém vì cần có các thiết bị chuyên dụng để xử lý cơ học và đánh bóng bề mặt của chúng.

Trưởng nhóm nghiên cứu Moran Bercovici từ Viện Công nghệ Technion – Israel cho biết: “Cách tiếp cận của chúng tôi để tạo ra quang học dạng tự do đạt được bề mặt cực kỳ nhẵn và có thể được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị cơ bản có thể tìm thấy trong hầu hết các phòng thí nghiệm. “Điều này làm cho công nghệ rất dễ tiếp cận, ngay cả trong cài đặt tài nguyên thấp.”

Trên tạp chí Optica , tạp chí chuyên về nghiên cứu tác động cao của Optica Publishing Group, Bercovici và các đồng nghiệp cho thấy rằng kỹ thuật mới của họ có thể được sử dụng để chế tạo các thành phần dạng tự do với độ nhám bề mặt dưới nanomet chỉ trong vài phút. Không giống như các phương pháp tạo mẫu khác như in 3D, thời gian chế tạo vẫn ngắn ngay cả khi khối lượng của thành phần được sản xuất tăng lên.

“Hiện tại, các kỹ sư quang học phải trả hàng chục nghìn đô la cho các thành phần dạng tự do được thiết kế đặc biệt và đợi hàng tháng trời để chúng đến,” Omer Luria, một trong những người đóng góp cho bài báo cho biết. “Công nghệ của chúng tôi đã sẵn sàng để giảm triệt để cả thời gian chờ đợi và chi phí của các nguyên mẫu quang học phức tạp, điều này có thể đẩy nhanh sự phát triển của các thiết kế quang học mới”.

Từ kính đeo mắt đến quang học phức tạp

Các nhà nghiên cứu đã quyết định phát triển phương pháp mới sau khi biết rằng 2,5 tỷ người trên thế giới không có kính điều chỉnh. Valeri Frumkin, người đầu tiên phát triển phương pháp này trong phòng thí nghiệm của Bercovici cho biết: “Chúng tôi bắt đầu tìm ra một phương pháp đơn giản để chế tạo các thành phần quang học chất lượng cao mà không dựa vào quá trình gia công cơ học hoặc cơ sở hạ tầng phức tạp và đắt tiền. “Sau đó, chúng tôi phát hiện ra rằng chúng tôi có thể mở rộng phương pháp của mình để tạo ra các bản đồ quang học phức tạp và thú vị hơn nhiều.”

Một trong những thách thức chính trong việc chế tạo quang học bằng cách đóng rắn polyme lỏng là đối với quang học lớn hơn khoảng 2 mm, trọng lực chiếm ưu thế so với lực bề mặt, khiến chất lỏng phẳng thành một vũng nước. Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một cách chế tạo thấu kính bằng cách sử dụng polyme lỏng được đặt chìm trong một chất lỏng khác. Lực nổi chống lại lực hấp dẫn, cho phép sức căng bề mặt chiếm ưu thế.

Khi không có trọng lực trong bức tranh, các nhà nghiên cứu có thể chế tạo bề mặt quang học mịn bằng cách kiểm soát địa hình bề mặt của chất lỏng thấu kính. Điều này đòi hỏi phải bơm chất lỏng thấu kính vào một khung hỗ trợ để chất lỏng thấu kính thấm vào bên trong khung và sau đó giãn ra thành một cấu hình ổn định. Sau khi đạt được địa hình yêu cầu, chất lỏng của thấu kính có thể được làm đông đặc bằng cách tiếp xúc với tia cực tím hoặc các phương pháp khác để hoàn tất quá trình chế tạo.

Sau khi sử dụng phương pháp chế tạo chất lỏng để tạo ra thấu kính hình cầu đơn giản, các nhà nghiên cứu đã mở rộng sang các thành phần quang học với nhiều hình dạng khác nhau – bao gồm hình xuyến và hình tam giác – và kích thước lên đến 200 mm. Chúng cho thấy rằng các thấu kính thu được thể hiện chất lượng bề mặt tương tự như các công nghệ đánh bóng tốt nhất hiện có trong khi chế tạo các đơn hàng về cường độ nhanh hơn và đơn giản hơn. Trong công trình được xuất bản trên Optica , họ đã mở rộng thêm phương pháp tạo các bề mặt dạng tự do, bằng cách sửa đổi hình dạng của khung hỗ trợ.

Khả năng vô hạn

Mor Elgarisi, tác giả chính của bài báo cho biết: “Chúng tôi đã xác định được vô số dạng địa hình quang học có thể được tạo ra bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận của chúng tôi. “Phương pháp này có thể được sử dụng để chế tạo các thành phần ở bất kỳ kích thước nào, và vì bề mặt chất lỏng mịn tự nhiên nên không cần đánh bóng. Phương pháp này cũng tương thích với bất kỳ chất lỏng nào có thể đông đặc và có ưu điểm là không tạo ra bất kỳ chất thải nào ”.

Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để tự động hóa quá trình chế tạo để có thể tạo ra các bản đồ quang học khác nhau một cách chính xác và có thể lặp lại. Họ cũng đang thử nghiệm với các polyme quang học khác nhau để tìm ra loại polyme quang học nào tạo ra các thành phần quang học tốt nhất.

Tham khảo: “Chế tạo các thành phần quang học dạng tự do bằng cách tạo hình chất lỏng” của M. Elgarisi, V. Frumkin, O. Luria, M. Bercovici, 18 tháng 11 năm 2021, Optica .
DOI: 10.1364 / OPTICA.438763

Theo Scitechdaily