قام فريق بحثي من جامعة خليفة باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد بهدف تطوير عدسات فرينل خماسية الأبعاد وإضافة خاصية تغيير اللون وانحراف الضوء ثلاثي الأبعاد، حيث ضم الفريق كلًا من الدكتور حيدر بات، أستاذ مشارك ومراد علي، طالب دكتوراه والدكتور فهد علم، باحث دكتوراه وجميعهم من قسم الهندسة الميكانيكية. نشر الفريق نتائجه البحثية في المجلة الدولية "إيه سي إس ماتيريالز".
تساهم العدسات الكروية ونصف الكروية، في سياق التصاميم البصرية، بتشكيل الأشعة وتوجيه مسارها. وتتميز العدسات نصف الكروية بسطحها المعقد الذي يجعل عملية صناعتها صعبة، لكن يمكن لواحدة منها أن تحل محل نظام أكثر تعقيدًا من العدسات المتنوعة.
تقوم عدسات فرينل بتركيز الضوء بالاعتماد على سطح قادر على كسر الضوء كقدرة عدسة زجاجية سميكة، حيث تمت صناعة تلك العدسات من مجموعة حلقات مركزية تساهم كل واحد منها بكسر الضوء أكثر نسبيًا من الحلقة التي تسبقها لتظهر الأشعة بشكل متكامل ومتوازٍ.
من جانبه، قال الدكتور حيدر: "تعتبر عدسات فرينل عدسات كروية مبتكرة تتميز بموادها المحسنة. وفي حين أن استخدامات عدسات فرينل في السابق بدأت في المنارات، إلا أنها اليوم تدخل في العديد من المجالات التي تشمل العدسات المكبرة والهواتف الذكية والألواح الكهروضوئية وأجهزة الموجات الفوق صوتية ومقياس الطيف المصغر وغير ذلك".
ويهدف استخدام عدسات فرينل في المنارات إلى تكوين حزم فعالة من الأشعة التي تمتد لمسافات طويلة جدًا، على نقيض العدسات التقليدية المتوفرة في التلسكوبات. ويمكن أيضًا صناعة عدسات فرينل من البلاستيك كالأكريليك والمواد متعددة الكربونات والزجاج، الأمر الذي يجعل من عملية التصنيع عملية اقتصادية وسهلة.
وأضاف الدكتور حيدر: "تتسم مادة الأكريليك بخصائص بصرية متميزة، خاصة في الأنظمة الكهروضوئية المركزة، كما يمكن الاستفادة من عدسات فرينل المصنوعة من السيليكون في التطبيقات المتعلقة بالفضاء كأجهزة تجميع الطاقة الشمسية المحمية بالزجاج، حيث يمكن إنتاجها بسهولة من خلال صبها وتشكيلها بالحقن والضغط".
وفي إطار استخدام عدسات فرينل في مجال جمع الأشعة الضوئية عن بعد مسافات لتكوين صورة واضحة، لا بد من توفر عملية التصنيع الدقيق، حيث ينتج عن تصنيع عدسات فرينل بأقل تكلفة ممكنة عدسات ذات صور ضعيفة الجودة نظرًا للانحراف الكروي الذي يؤدي إلى انتقال الأشعة الضوئية إلى زوايا مختلفة في العدسة وبالتالي عدم وضوح الصورة.
لذلك، من الضروري تعديل الزوايا في عدسات فرينل للحد من الانحرافات.
وفي هذا الصدد، قال الدكتور حيدر: "ساهمت الطابعات ذات الفعالية العالية في تسهيل إمكانية طباعة أجزاء ميكروية نانوية بصرية ثلاثية الأبعاد قادرة على القيام بعمليات بصرية صعبة. فعلى سبيل المثال، تُعرف موجهات الموجات البصرية في العدسات بأنها أجهزة توجه مسارات الضوء من خلال الاستعانة بأشكال هندسية معقدة مدمجة مع ألياف بصرية وغاز ومستشعرات وموائع بصرية. ومن ناحية أخرى، ساهمت التطورات في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد في تعزيز أداء الأجهزة الضوئية والبصرية من خلال التركيز على التصاميم الهندسية".
تتيح عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد إمكانية كبيرة في التحكم بالتصميم وتطوير عدسات فرينل، حيث أنها سريعة ومرنة وغير مكلفة من الناحية الاقتصادية، كما أنها توفر دقة وفعالية في الأبعاد وجودة أفضل. وفي هذا البحث، تم تصميم عدسة بـ 15 حلقة وعرض ثابت بمقدار 0.833 ملم فقط.
وأضاف الدكتور حيدر: "تعتبر الطباعة ثلاثية الأبعاد تقنية واعدة تساهم في استكشاف استراتيجيات التصاميم ودرجة التعقيد في عدسات فرينل، كما تتيح هذه التقنية إنتاج عدسات متعددة المواد بهدف الاستشعار ولأغراض بصرية متعددة الوظائف. واعتمدنا في هذا المشروع البحثي على التصنيع بطريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث طورنا عدسات فرينل خماسية الأبعاد ليقوم البعدين الرابع والخامس بأداء وظائف الاستشعار الحراري ثلاثي الأبعاد".
تتعرض المواد الصبغية الحرارية لعمليات التلوين وإزالة اللون في درجات حرارة معينة، فعندما تصل درجة الحرارة لقيمة محددة يتغير اللون. ولإضافة الاستشعار الحراري للعدسات لتكون رباعية الأبعاد، يُضاف مسحوق الكروم الحراري الذي يساهم في تغيير لون العدسة من خلال صبغة لونية.
ويتمثل البعد الخامس في عدسات فرينل بإدخال أنماط ميكروية ثلاثية الأبعاد إلى جهة واحدة في العدسة تساهم في تركيز الضوء في العدسة وفي نفس الوقت توفر تأثيرات بصرية ثلاثية الأبعاد تعزز فعاليتها، إضافة إلى أنها تضيف عنصرًا جماليًا للعدسة.
قال الدكتور حيدر: "تتميز العدسات التي طورناها بخصائص بصرية فريدة، لكن نسعى إلى القيام بالمزيد من التطورات للحد من سمك كل طبقة في العدسة لتحسين الأداء البصري وإضافة المزيد من الليونة على سطح العدسات من خلال الاستعانة بمختلف تقنيات المعالجة. ومن جهة أخرى، تمكن بحثنا من إظهار قدرات الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع الأجزاء البصرية الدقيقة التي يمكن الاستفادة منها في التطبيقات الواعدة في مجالات الاستشعار والاتصال".