Các thiết bị phổ biến như kính đeo mắt hoặc camera sử dụng thấu kính, những thành phần quang học có bề mặt hình cầu hoặc hình trụ, hoặc những cấu hình bề mặt độ lệch nhỏ so với cấu hình cơ bản. Nhưng các thiết bị có những chức năng quang học tiên tiến hơn có thể có các bề mặt có cấu hình phức tạp. Hiện nay, chế tạo quang học cấu hình bề mặt tự do rất khó và tốn kém do phải sử dụng những thiết bị chuyên dụng xử lý cơ học và đánh bóng bề mặt.

Các nhà khoa học phát triển thành công một phương pháp chế tạo các thành phần quang học dạng tự do bằng phương pháp định hình một thể tích polyme lỏng có thể cứng hóa. Phương pháp mới cho phép chế tạo nhanh các thành phần quang học tùy chỉnh cho những ứng dụng như thấu kính hiệu chỉnh, kính thực tế ảo tăng cường, camera cho xe ô tô tự hành, camera y tế và thiên văn học.

Moran Bercovici, trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ Technion - Israel cho biết, phương thức tiếp cận mới có thể chế tạo các thấu kính quang học dạng tự do, có bề mặt cực kỳ nhẵn, sử dụng các thiết bị cơ bản, tìm thấy trong hầu hết các phòng thí nghiệm. Ưu thế này cho phép công nghệ rất dễ thực hiện ngay cả đối với các cơ sở trang bị đơn giản nhất.

Trong một bài viết đăng trên tạp chí Optica, chuyên sâu nghiên cứu các vật liệu quang học chịu tác động cao của Optica Publishing Group, nhóm nghiên cứu Bercovici cho biết, kỹ thuật mới do nhóm sáng tạo có thể được sử dụng để chế tạo những thấu kính quang học dạng tự do với độ nhám bề mặt dưới nanomet chỉ trong vài phút. Không giống như các phương pháp tạo mẫu khác như cắt CNC hoặc in 3D, thời gian chế tạo rất ngắn đối với bất cứ khối lượng và kích thước nào của chi tiết quang học.

Theo Omer Luria, đồng tác giả nghiên cứu, hiện nay các kỹ sư quang học phải trả hàng chục nghìn USD cho các kính quang học cấu hình tự do, thiết kế đặc biệt và đợi hàng tháng trời để có được sản phẩm, công nghệ của nhóm nghiên cứu giảm rất lớn thời gian chờ đợi và chi phí cho các nguyên mẫu quang học phức tạp, đẩy nhanh quá trình phát triển những thiết kế trang thiết bị quang học mới.

Valeri Frumkin, tác giả của phương pháp chế tạo kính quang học bề mặt tự do trong phòng thí nghiệm của Bercovici cho biết, đây là phương pháp chế tạo kính quang học chất lượng cao đơn giản, không sử dụng quy trình gia công cơ học với cơ sở hạ tầng phức tạp và đắt tiền. Phương pháp này cho phép chế tạo những thấu kính quang học có cấu hình bề mặt phức tạp và những chức năng đặc biệt.

Một trong những khó khăn chính trong quy trình chế tạo chi tiết quang học bằng phương pháp đóng rắn polyme lỏng khi kích thước lớn hơn khoảng 2 mm là trọng lực mạnh hơn so với lực liên kết bề mặt, khiến chất lỏng ép phẳng thành vũng.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu phát triển một kỹ thuật chế tạo thấu kính mới, sử dụng polyme lỏng đặt chìm trong một chất lỏng khác. Lực đẩy nổi sẽ chống lại lực hấp dẫn, cho phép sức căng bề mặt chiếm ưu thế.

Giải quyết được vấn đề trọng lực với chất lỏng, nhóm nghiên cứu có thể kiểm soát được cấu hình bề mặt chất lỏng thấu kính để chế tạo kính quang học có độ nhẵn cao nhất.

Nhóm nghiên cứu sử dụng một khung dưỡng hỗ trợ, bơm chất lỏng thấu kính vào bên trong dưỡng hỗ trợ, chất lỏng giãn ra thành cấu hình ổn định. Sau khi đạt được bề mặt theo yêu cầu, chất lỏng của thấu kính được cứng hóa bằng chiếu xạ tia cực tím hoặc một số phương pháp khác, hoàn tất quá trình chế tạo.

Sau khi sử dụng phương pháp chế tạo thấu kính hình cầu đơn giản bằng chất lỏng, các nhà khoa học mở rộng sang các chi tiết quang học với nhiều hình dạng khác nhau như như hình xuyến và hình tam giác với kích thước lên đến 200 mm. Những thấu kính thu được có chất lượng bề mặt tương tự như những công nghệ đánh bóng tốt nhất hiện có, nhưng quy trình chế tạo nhanh hơn và đơn giản hơn gấp nhiều lần. Phương pháp này cho phép tạo các bề mặt thấu kính dạng tự do, chỉ cần thay đổi hình dạng của khung dưỡng hỗ trợ.

 

Các thấu kính thể hiện chất lượng bề mặt tương tự như nhưng công nghệ đánh bóng tốt nhất hiện, phương pháp chế tạo nhanh và đơn giản. Ảnh: Technion - Viện Công nghệ Israel

Phương pháp mới cho phép chế tạo các định dạng cấu trúc bề mặt kính quang học khác nhau, bất kỳ kích thước nào do bề mặt chất lỏng mịn tự nhiên, không cần đánh bóng. Phương pháp này cũng tương thích với bất kỳ chất lỏng nào có thể đóng cứng và không tạo ra rác thải.

Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu giải pháp tự động hóa quy trình chế tạo, cho phép tạo ra các cấu hình bề mặt kính quang học khác nhau một cách chính xác theo phương thức in 3D và có thể thực hiện nhiều lần. Nhóm cũng đang thử nghiệm những polymer quang học khác nhau, xác định loại polymer quang học nào có thể chế tạo thấu kính tốt nhất theo yêu cầu cụ thể của sản phẩm.