חוקרים מהטכניון פיתחו טכניקה שמאפשרת לייצר רכיבים אופטיים משוכללים בזול ואפילו בלי צורך בליטוש נוסף

רכיבי צורה-חופשית (Freeform optics) הם סוג חדש ומתקדם של רכיבים אופטיים, שמתאפיינים בפני שטח מורכבים שמעצבים את האור שעובר דרכם כדי להשיג אפקטים אופטיים מסובכים. חוקרים מהטכניון פיתחו שיטה חדשה, זולה ואלגנטית במיוחד לייצור רכיבים כאלה, שמתבססת על "עיצוב נוזלים".

בבסיס השיטה עומד פולימר – חומר שמורכב משרשראות ארוכות של אבני בניין קטנות יותר – שמזריקים אותו לתוך מסגרת בתוך אקווריום מלא מים. השילוב של מגבלות המסגרת עם מכלול הכוחות הפיזיקליים שפועלים עליו מעצב את הפולימר לצורה הרצויה. לאחר שהתייצבה צורתו הסופית, חושפים אותו לאור על-סגול, הפולימר מתקשה, ומתקבל רכיב אופטי קשיח וחלק במיוחד. השיטה הפשוטה אך המתוחכמת הזאת מאפשרת לייצר בקלות רכיבים אופטיים מורכבים בגדלים מגוונים בלי צורך במכשירים המורכבים והיקרים הדרושים לייצור מכני של רכיבים אופטיים דומים כיום.

עיצוב נוזלים

תהליך הייצור של רכיבים אופטיים כמו עדשות קמורות רגילות לא השתנה בהרבה במאה השנים האחרונות, והוא דורש שימוש במכונות עיבוד מכני מתקדמות ויקרות. תחילה חוצבים את צורת העדשה מתוך גוש של זכוכית איכותית, שרובו הופך לפסולת. לאחר מכן מלטשים היטב את העדשה הגסה כדי לקבל רכיב אופטי באיכות גבוהה עם פני שטח חלקים שלא מפזרים את האור שעובר בו. מעבר לעלות הגבוהה של המיכון הנחוץ לייצור העדשות וכמויות הפסולת הגדולות שנוצרות בתהליך הייצור הקלאסי, העיבוד המכני מתקשה להתמודד עם ייצור עדשות בצורות מורכבות, והוא מתאים בעיקר לעדשות קמורות קלאסיות כמו אלה שנמצאות בשימוש במשקפי ראייה או בזכוכית מגדלת.

עדשה עם פני שטח מורכבים | צילום: מתוך המאמר
קבוצת המחקר מהטכניון פיתחה שיטה אלגנטית וזולה לייצור רכיבי צורה חופשית. עדשה עם פני שטח מורכבים | צילום: מתוך המאמר

פני השטח של רכיבים אופטיים מהדור החדש מורכבים משלל אזורים קמורים (גבעות) וקעורים (גאיות) שמפוזרים בצורה שנדמית כמעט אקראית. הצורה שמתקבלת מכונה "צורה חופשית", ואפשר לדמות אותה למקבץ רציף של עדשות שונות שמתמרנות יחד את תנועת האור בצורה הרבה יותר מורכבת ממה שאפשר לעשות בעדשות הרגילות. כך יכול רכיב צורה חופשית אחד לתפוס את מקומן של כמה עדשות קלאסיות או אף לעצב את התקדמות האור דרכו בצורה שאי אפשר לעשות בכלל בעדשות רגילות.

קבוצת המחקר של פרופ' מורן ברקוביץ' מהטכניון בחיפה פיתחה שיטה אלגנטית ופשוטה יחסית לעקוף את מגבלות הייצור המכני קלאסיות ולייצר רכיבי צורה חופשית עם פני שטח מורכבים. השיטה מתבססת על עיצוב חומרים נוזליים באמצעות עקרונות פיזיקליים פשוטים יחסית כמו כוח הכבידה ומתח הפנים של הנוזל כדי לעצב פולימר נוזלי לצורה הרצויה. כל שנותר הוא להקשות את הפולימר על ידי חשיפתו לאור על-סגול ולקבל רכיב אופטי מורכב עם פני שטח חלקים במיוחד.

החוקרים פיתחו מודל מתמטי שמאזן בין כוח הכבידה, שטח הפנים של הפולימר והכוחות שפועלים עליו בתוך תווך נוזלי, והשתמשו בו כדי לחזות את הצורה הסופית שיקבל בתוך מסגרת בסיס שתוחמת את הגבולות שבתוכם הפולימר מתעצב. כך הם יכולים לשלוט בצורת הפולימר, בצפיפותו ובנפחו.

ייצור רכיבי צורה חופשית באמצעות "עיצוב נוזלים"

העיצוב האלגנטי של רכיב הצורה החופשית מתאפשר רק כשמזריקים את הפולימר למסגרת הבסיס שלו בתוך מעין אקווריום מלא בנוזל מימי. הפולימר לא מתערבב במים – כמו שמן ומים – כך שהתווך המימי מאזן את כוח הכבידה שפועל על הפולימר בעזרת הכוח הנגדי שהמים מפעילים עליו (כוח הידרוסטטי). איזון הכוחות יכול להיעשות בנפחים קטנים או גדולים כך שלהלכה התהליך אינו מוגבל על ידי גודלו של הרכיב האופטי שרוצים לייצר. אפשר לייצר עדשות בכל גודל שנרצה ועדיין לקבל פני שטח חלקים מאוד בלי צורך בליטוש, שכן מידת החספוס של פני העדשה נובעת משטח המגע החלק להפליא בין המים לפולימר.

החוקרים מתכננים לבדוק את שיטת ייצור הרכיבים בתנאי מיקרו-כבידה בחלל, במסגרת הניסויים שיעשה האסטרונאוט הישראלי איתן סטיבה במשימת "רקיע", בתחנת החלל הבינלאומית. כהכנה לניסויים בחלל ברקוביץ' ועמיתיו, בשיתוף עם סוכנות החלל האמריקאית (נאס"א), ייצרו לאחרונה את העדשות במטוס המייצר תנאי חוסר כבידה לזמן קצר.

השיטה החדשה לייצור עדשות מורכבות ללא מיכון כבד ויקר, וללא כמויות פסולת אדירות, עשויה לשנות את עולם הרכיבים האופטיים בדומה להשפעתן של מדפסות תלת-ממד על ייצור מבנים מורכבים. נראה כי בעתיד יוכל כמעט כל אחד לתכנן, לייצר ולבדוק במהירות אלמנטים אופטיים כדי ליצור מהם את אבות הטיפוס של הרכיבים האופטיים העתידיים.