多材料3D打印玻璃可用于軍事眼鏡及VR護(hù)目鏡

來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員已使用多種材料的3D打印技術(shù)創(chuàng)建了量身定制的漸變折射率玻璃光學(xué)器件，可以制造出更好的軍事眼鏡和虛擬現(xiàn)實(shí)護(hù)目鏡。該研究成果2020年11月18日發(fā)表在<Science Advances>上。

▲定制GRIN光學(xué)器件的未來自動化生產(chǎn)過程的藝術(shù)性渲染，展示了量身定制的光學(xué)預(yù)制件的多材料3D打印，通過熱處理轉(zhuǎn)換為玻璃，拋光以及檢查表示光學(xué)器件的折射率梯度。圖片來源：Jacob Long和Brian Chavez

常規(guī)的鏡片通常由均勻組成的塊狀材料制成，并且光折射的控制由鏡片的厚度和表面曲率決定。球面、圓柱、非球面和類似的鏡片很容易通過成熟的制造方法來生產(chǎn)，例如基于拋光和基于CNC（計算機(jī)數(shù)控）的精加工。此外，可以制造自由曲面光學(xué)器件，其中包含沒有平移或旋轉(zhuǎn)對稱性的自定義復(fù)雜曲率，但由于對表面拋光精度的嚴(yán)格要求，使用范圍仍然受到限制。

梯度折射率(Gradient refractive index,GRIN)光學(xué)器件提供了傳統(tǒng)成品光學(xué)器件的替代方案。GRIN光學(xué)器件包含材料成分的空間梯度，而空間梯度又提供了材料折射率的梯度，從而改變了光在介質(zhì)中的傳播方式。GRIN透鏡可以具有平坦的表面形狀，但仍具有與等效常規(guī)透鏡相同的光學(xué)功能。

由于眼鏡片的發(fā)展，GRIN光學(xué)器件已經(jīng)存在于自然界中。在大多數(shù)物種中都可以找到例子，其中整個晶狀體的折射率變化受結(jié)構(gòu)蛋白（晶狀體蛋白）濃度變化的影響。在魷魚眼中，不同大小的晶狀蛋白形成不同密度的凝膠。折射率的這種梯度與曲率相結(jié)合，可以使鏡片自然地補(bǔ)償球差。*在空間上控制材料成分的功能以及因此而來的光學(xué)功能為GRIN光學(xué)設(shè)計提供了機(jī)會。例如，可以將多個功能設(shè)計到單個光學(xué)器件中，例如將聚焦與常見光學(xué)像差（球形、彗形、像散等）的校正相結(jié)合。另外，已經(jīng)表明，使用結(jié)合表面曲率和折射率梯度的光學(xué)器件具有減小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和重量的潛力。

已經(jīng)有幾個研究團(tuán)隊證明了透明玻璃的3D打印。然而，大多數(shù)這些技術(shù)尚未證明具有梯度成分和折射率的玻璃的多材料印刷。在該研究中，研究人員能夠通過使用3D打印的直接墨水書寫（DIW）方法，主動控制將兩種不同的玻璃糊或“墨水”的比例直接混合在一起，從而調(diào)整材料成分的梯度。使用DIW制成成分不同的光學(xué)預(yù)成型件后，然后將其致密化為玻璃，并可以使用常規(guī)光學(xué)拋光進(jìn)行精加工。

該研究團(tuán)隊表明可以使用多材料DIW生產(chǎn)GRIN玻璃光學(xué)器件。該系統(tǒng)配備了一個有源微混合器，該混合器能夠在線混合兩種不同的墨水，從而可以對具有成分梯度的生坯進(jìn)行3D打印，然后將其合并為具有定制的折射率空間分布的玻璃光學(xué)器件。

▲圖1.DIW法梯度折射率二氧化硅-二氧化鈦玻璃的添加劑制造工藝。

（A)具有不同二氧化鈦摻雜劑濃度的兩種硅基油墨在微流體噴嘴中在主動剪切下混合。組成由兩種油墨各自的流速決定。（B)對3D打印的生坯進(jìn)行熱處理，以去除所有有‘機(jī)’成分并致密化為玻璃，然后拋光平整。這幅圖像中的粉紅色是一種有‘機(jī)’染料添加到一種墨水中用于可視化的結(jié)果。（C)向石英玻璃中加入二氧化鈦增加了折射率(41,42)；結(jié)果，3D印刷玻璃包含由組成梯度規(guī)定的折射率的空間變化。重量%，重量%；ppm，百萬分之一。（D)可以設(shè)計和生產(chǎn)各種形狀、尺寸和光學(xué)功能的GRIN玻璃光學(xué)器件。所有圖像中的網(wǎng)格間距為1毫米。照片編號:Nikola Dudukovic，勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室。

由摻雜二氧化鈦的石英玻璃制成的一系列拋光3D打印漸變折射率透鏡。網(wǎng)格正方形的每一側(cè)均為1毫米。圖片來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室

通過控制兩種墨水的相對流速，可以將所需的濃度曲線編程到相關(guān)路徑中。這種方法可以打印功能漸變的多材料3D對象。

這項(xiàng)新技術(shù)可以在平板玻璃組件中實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)和非常規(guī)的光學(xué)功能（無表面曲率），從而在環(huán)境穩(wěn)定的玻璃材料中提供了新的光學(xué)設(shè)計多功能性。這項(xiàng)新技術(shù)還可以減輕光學(xué)系統(tǒng)的重量。例如，士兵在戰(zhàn)場上使用的光學(xué)設(shè)備輕便至關(guān)重要。

“這是我們通過3D打印將兩種不同的玻璃材料結(jié)合起來，并展示了它們作為光學(xué)元件的功能。盡管已針對GRIN進(jìn)行了演示，但該方法也可用于定制其他材料或光學(xué)特性，”本研究一作Dylla-Spears說。

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