линза Френеля

Вращающаяся катадиоптическая линза Френеля первого порядка, датированная 1870 годом, выставлена ​​в Национальном морском музее в Париже. В этом случае диоптрические призмы (внутри бронзовых колец) и катадиоптрические призмы (снаружи) расположены так, чтобы концентрировать свет центрального фонаря в четыре вращающихся луча, которые моряки видят как четыре вспышки за оборот. Высота сборки составляет 2,54 метра (8,3 фута), а вес - около 1,5 тонны (3300 фунтов).

Линза Френеля ( / ˈfrenel -nəl , n / или ; -əl -nəl / , FRAY , ; / ˈfrenel , -əl ​ nɛl / -əl/ FREN - ; or el freɪ - nel ​​​​​​​​ˈ n e l / fray- NEL ) — это тип композитной компактной линзы , которая уменьшает количество требуемого материала по сравнению с обычной линзой за счет разделения линзы на набор концентрических кольцевых секций.

Более простая диоптрическая (чисто рефракционная ) форма линзы была впервые предложена Жоржем-Луи Леклерком, графом де Бюффоном. и независимо заново изобретен французским физиком Огюстеном-Жаном Френелем (1788–1827) для использования в маяках . Катадиоптрическая а (сочетающая преломление и отражение) форма линзы, полностью изобретенная Френелем, имеет внешние призматические элементы, которые используют полное внутреннее отражение, также преломление, чтобы улавливать больше наклонного света от источника света и добавлять его к лучу, делая его видимым. на больших расстояниях.

Конструкция позволяет создавать объективы с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием без массы и объема материала, которые потребовались бы для объектива традиционной конструкции. Линзу Френеля можно сделать намного тоньше, чем аналогичную традиционную линзу, в некоторых случаях принимая форму плоского листа.

Из-за его использования в маяках его назвали «изобретением, которое спасло миллион кораблей».

История

Предтечи

Первым, кто сфокусировал луч маяка с помощью линзы, по-видимому, был лондонский стеклорез Томас Роджерс, который предложил эту идею Тринити-хаусу в 1788 году. Первые линзы Роджерса   диаметром 53 см и   толщиной в центре 14 см были установлены на Старом Нижнем маяке в Портленд-Билле в 1789 году. За каждой лампой находилось сферическое стеклянное зеркало с тыльной стороной, которое отражало заднее излучение обратно через лампу. и в объектив. К 1804 году дополнительные образцы были установлены в Хоут-Бейли , Норт-Форленд и как минимум в четырех других местах. Но большая часть света терялась впустую из-за поглощения стеклом.

В 1748 году Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, первым заменил выпуклую линзу серией концентрических кольцевых призм, отшлифованных в виде ступеней в одном куске стекла. для уменьшения веса и абсорбции. В 1790 году (хотя во вторичных источниках указана дата 1773 г.). или 1788 год ), маркиз де Кондорсе предположил, что проще было бы сделать кольцевые секции отдельно и собрать их на раме; но даже это было непрактично в то время. Эти конструкции предназначались не для маяков, но для сжигания очков . Дэвид Брюстер , однако, предложил систему, аналогичную системе Кондорсе в 1811 году. и к 1820 году пропагандировал его использование в британских маяках.

Публикация и доработка

Поперечное сечение линзы маяка Френеля первого поколения с наклонными зеркалами m, n выше и ниже преломляющей панели RC (с центральным сегментом A ). Позднее конструкция была улучшена за счет замены зеркал отражающими призмами для уменьшения потерь. Если поперечное сечение лампы L в каждой вертикальной плоскости одинаково (цилиндрическая симметрия), свет распространяется равномерно по горизонту.

Французская комиссия des Phares (Комиссия маяков) была основана Наполеоном в 1811 году и передана в ведение французского физика Огюстена-Жана Френеля Корпуса мостов и дорог, нанимателя . Поскольку члены комиссии были заняты другими делами, в первые годы своего существования она мало чего добилась. Однако 21 июня 1819 года — через три месяца после получения Гран- при Академии наук по физике за свои знаменитые мемуары о дифракции — Френель был «временно» откомандирован в комиссию по рекомендации Франсуа Араго (член с 1813 года), чтобы рассмотреть возможные улучшения освещения маяка.

К концу августа 1819 года, не зная о предложении Бюффона-Кондорсе-Брюстера, Френель сделал свою первую презентацию комиссии. рекомендуя то, что он назвал lentiles à échelons («ступенчатые линзы»), для замены использовавшихся тогда отражателей, которые отражали только около половины падающего света. Другой отчет Френеля от 29 августа 1819 г. (Fresnel, 1866–70, том 3, стр. 15–21) касается испытаний отражателей и не упоминает ступенчатые линзы, за исключением несвязанного эскиза на последней странице рукописи. . Протоколы заседаний Комиссии относятся лишь к 1824 году, когда пост секретаря занял сам Френель. Таким образом, точная дата, когда Френель официально рекомендовал чечевицу в виде эшелонов, неизвестна. К большому смущению Френеля, один из собравшихся членов комиссии, Жак Шарль , вспомнил о предложении Бюффона. Однако, хотя версия Бюффона была двояковыпуклой и цельной, Френеля была плоско-выпуклой и состояла из нескольких призм для облегчения конструкции.

Имея официальный бюджет в 500 франков, Френель обратился к трем производителям. Третий, Франсуа Солей, нашел способ устранить дефекты путем повторного нагревания и переформовки стекла. Араго помогал Френелю в разработке модифицированной лампы Арганда с концентрическими фитилями (концепция, которую Френель приписывал графу Рамфорду). ) и случайно обнаружил, что рыбий клей термостойкий, что делает его пригодным для использования в линзах. Прототип, завершенный в марте 1820 года, имел квадратную линзовую панель   со стороной 55 см, содержащую 97 многоугольных (не кольцевых) призм, и настолько впечатлил Комиссию, что у Френеля попросили полную версию с восемью панелями. Эта модель, завершенная годом позже, несмотря на недостаточное финансирование, имела панели   площадью 76 см2. На публичном спектакле вечером 13 апреля 1821 года он был продемонстрирован в сравнении с новейшими отражателями, которые внезапно устарели.

Вскоре после этой демонстрации Френель опубликовал идею о том, что свет, включая явно неполяризованный свет, состоит исключительно из поперечных волн , и продолжил рассматривать последствия двойного лучепреломления и частичного отражения.

Френель высоко оценил британские линзы и изобретение Бюффона в мемуарах, прочитанных 29 июля 1822 года и напечатанных в том же году. Дата этих мемуаров может быть источником утверждения о том, что пропаганда маяка Френеля началась на два года позже, чем Брюстера; но из текста ясно, что участие Френеля началось не позднее 1819 года.

Следующей линзой Френеля был вращающийся аппарат с восемью панелями типа «бычий глаз», выполненными Сен-Гобеном в виде кольцевых дуг . дающий восемь вращающихся лучей, которые моряки воспринимают как периодическую вспышку. Над и позади каждой основной панели находилась наклонная панель трапециевидного контура меньшего размера с трапециевидными элементами. Это преломляло свет к наклонному плоскому зеркалу, которое затем отражало его горизонтально, на 7 градусов впереди основного луча, увеличивая продолжительность вспышки. Под главными панелями располагались 128 маленьких зеркал, расположенных четырьмя кольцами, сложенными, как планки жалюзи или жалюзи . Каждое кольцо, имеющее форму усеченного , отражало конуса свет к горизонту, давая более слабый устойчивый свет между вспышками. Официальное испытание, проведенное на недостроенной Триумфальной арке 20 августа 1822 года, было засвидетельствовано Комиссией, а также Людовиком XVIII и его окружением на расстоянии 32 километров (20 миль). Аппарат хранился в Бордо на зиму, а затем снова собирался на маяке Кордуан под наблюдением Френеля - частично собственными руками Френеля. 25 июля 1823 года была зажжена первая в мире маячная линза Френеля. Как и ожидалось, свет был виден до горизонта, на расстоянии более 32 километров (20 миль).

За день до испытания линзы Кордуана в Париже комитет Академии наук сообщил о мемуарах Френеля и приложениях по двойному лучепреломлению, которые, хотя и менее известны современным читателям, чем его ранние работы по дифракции, нанесли более решительный удар. для волновой теории света. Между испытанием и повторной сборкой в ​​Кордуане Френель представил свои статьи по фотоупругости (16 сентября 1822 г.), эллиптической и круговой поляризации и оптическом вращении (9 декабря), а также частичному и полному внутреннему отражению (7 января 1823 г.). по существу завершая реконструкцию физической оптики на основе гипотезы поперечных волн . Вскоре после того, как линза Кордуана была зажжена, Френель начал кашлять кровью.

В мае 1824 г. Френель был назначен секретарем Комиссии по фарам , став первым членом этого органа, получившим зарплату. хотя и в должности главного инженера по совместительству. В конце того же года, становясь все более больным, он свернул свои фундаментальные исследования и уволился с сезонной работы экзаменатором в Политехнической школе , чтобы сэкономить оставшееся время и энергию для работы на маяке.

В том же году он разработал первую фиксированную линзу, позволяющую равномерно распределять свет по горизонту и минимизировать потери сверху или снизу. В идеале изогнутые преломляющие поверхности должны представлять собой сегменты тороидов вокруг общей вертикальной оси, так что диоптрийная панель будет выглядеть как цилиндрический барабан. Если бы это было дополнено отражающими ( катоприческими ) кольцами над и под преломляющими (диоптрийными) частями, то весь аппарат выглядел бы как улей. Вторая линза Френеля, поступившая на вооружение, действительно была фиксированной линзой третьего порядка, установленной в Дюнкерке 1 февраля 1825 года. Однако из-за сложности изготовления крупных тороидальных призм этот аппарат имел 16-гранный многоугольный план.

В 1825 году Френель расширил свою конструкцию с фиксированной линзой, добавив вращающуюся решетку за пределами фиксированной матрицы. Каждая панель вращающейся решетки должна была преломлять часть фиксированного света от горизонтального веера в узкий луч.

Также в 1825 году Френель представил Carte des Phares («карта маяков»), призывая к созданию системы из 51 маяка плюс меньших портовых огней в иерархии размеров линз, называемых «порядками» (первый из них является самым большим), с различными характеристиками. для облегчения распознавания: постоянный свет (от фиксированной линзы), одна вспышка в минуту (от вращающейся линзы с восемью панелями) и две вспышки в минуту (16 панелек).

В конце 1825 г. Чтобы уменьшить потери света в отражающих элементах, Френель предложил заменить каждое зеркало катадиоптрической призмой, через которую свет будет проходить путем преломления через первую поверхность, затем полного внутреннего отражения от второй поверхности, затем преломления через третью поверхность. . Результатом стала линза маяка, какой мы ее знаем сейчас. В 1826 году он собрал небольшую модель для использования на канале Сен-Мартен . но он не дожил до полноразмерной версии: он умер 14 июля 1827 года в возрасте 39 лет.

После Френеля

Первый этап развития линз-маяков после смерти Огюстена Френеля заключался в реализации его разработок. Частично этому способствовал его младший брат Леонор, который, как и Огюстен, получил образование инженера-строителя, но, в отличие от Огюстена, имел сильные способности к менеджменту. Леонор поступила на службу в Маячную комиссию в 1825 году и сменила Огюстена на посту секретаря.

Первой фиксированной линзой, состоящей из тороидальных призм, был аппарат первого порядка, разработанный шотландским инженером Аланом Стивенсоном под руководством Леонора Френеля и изготовленный компанией Isaac Cookson & Co. с использованием французского стекла; он вступил в строй на острове Мэй , Шотландия, 22 сентября 1836 года. Первые большие катадиоптрические линзы были изготовлены в 1842 году для маяков в Гравелине и Иль-Вьерже , Франция; это были фиксированные линзы третьего порядка, катадиоптрические кольца которых (сделанные из сегментов) имели диаметр один метр. первого порядка Стивенсона Линза Скерривора , освещенная в 1844 году, была лишь частично катадиоптрической; он был похож на линзу Кордуана, за исключением того, что нижние планки были заменены катадиоптрическими призмами французского производства, а зеркала были сохранены наверху. Первая полностью катадиоптрическая линза первого порядка, установленная в Пуэнт-д'Айи в 1852 году, также давала восемь вращающихся лучей плюс фиксированный свет внизу; но его верхняя часть имела восемь катадиоптических панелей, фокусирующих свет примерно на 4 градуса впереди основных лучей, чтобы удлинить вспышки. Первая полностью катадиоптрическая линза с чисто вращающимися лучами - также первого порядка - была установлена ​​в Сен-Клеман-де-Балене в 1854 году и ознаменовала завершение оригинальной Carte des Phares Огюстена Френеля .

Томас Стивенсон (младший брат Алана) пошел на шаг дальше Френеля со своей «голофотольной» линзой, которая фокусировала свет, излучаемый лампой, почти во всех направлениях, вперед или назад, в единый луч. Первая версия, описанная в 1849 году, состояла из стандартной линзы Френеля, параболоидного отражателя и заднего полусферического отражателя (функционально эквивалентного зеркалу Роджерса 60 лет назад, за исключением того, что оно охватывало целое полушарие). Свет, излучаемый в переднее полушарие, но не попадающий в линзу «яблочко», отклонялся параболоидом в параллельный луч, окружающий линзу «яблочко», тогда как свет, излучаемый в заднюю полусферу, отражался обратно через лампу сферическим отражателем (как в случае с Роджерсом расположение), чтобы собраться передними компонентами. Первая установка была установлена ​​в Норт-Харборе, Питерхед , в августе 1849 года. Стивенсон назвал эту версию «катадиоптрическим голофотом», хотя каждый из ее элементов был либо чисто отражающим, либо чисто преломляющим. Во второй версии концепции голофота линза «яблочко» и параболоидный отражатель были заменены катадиоптрической линзой Френеля - по замыслу Френеля, но расширенной, чтобы покрыть все переднее полушарие. Третья версия, которую Стивенсон ошибочно назвал «диоптрическим голофотом», была более инновационной: она сохранила катадиоптрическую линзу Френеля для передней полусферы, но заменила задний полусферический отражатель полусферической решеткой кольцевых призм, в каждой из которых использовалась два полных внутренних отражения, которые направляют свет, расходящийся от центра полушария, обратно к центру. В результате получился полностью стеклянный голофото без потерь от металлических отражений.

Джеймс Тимминс Ченс модифицировал цельностеклянную голофотонную конструкцию Томаса Стивенсона, расположив призмы с двойным отражением вокруг вертикальной оси. Прототип был показан на Международной выставке 1862 года в Лондоне. Позже, чтобы упростить производство, Ченс разделил призмы на сегменты и расположил их в цилиндрической форме, сохранив при этом свойство отражать свет из одной точки обратно в эту точку. Отражатели этой формы, парадоксально названные «диоптрическими зеркалами», оказались особенно полезными для возврата света со стороны лампы, обращенной к суше, на сторону, обращенную к морю.

Линза Френеля с групповым мерцанием первого порядка, выставленная в Музее маяка Пойнт-Арена, маяк Пойнт-Арена , округ Мендосино, Калифорния . Три диоптрийные панели (внутри латунных колец) и три катадиоптрические панели (снаружи) частично разделены на две части, что дает три двойных вспышки за один оборот.

По мере распространения маяков их становилось все труднее отличать друг от друга, что привело к использованию цветных фильтров, которые тратили свет впустую. В 1884 году Джон Хопкинсон устранил необходимость в фильтрах, изобретя линзу с «групповым мерцанием», в которой диоптрийные и/или катадиоптрические панели были разделены так, чтобы давать несколько вспышек, что позволяло идентифицировать маяки не только по частоте вспышек. , но и кратностью вспышек. Линзы с двойным миганием были установлены в Тампико (Мексика) и Литтл-Бассе (Шри-Ланка) в 1875 году, а линзы с тройным миганием — на маяке Каскетс ( Нандмейские острова ) в 1876 году. Показанный пример (справа) представляет собой линзу с двойным миганием устройства Point Arena Light , находившегося на вооружении с 1908 по 1977 год.

Разработка гиперрадиальных линз была частично вызвана необходимостью в более крупных источниках света, таких как газовые фонари с несколькими струями, которые требовали большего фокусного расстояния для заданной ширины луча, а следовательно, и линзы большего размера для сбора заданной доли света. генерируемый свет. Первая гиперрадиальная линза была построена для Стивенсонов в 1885 году компанией F. Barbier & Cie французской и испытана на маяке Саут-Форленд с различными источниками света. Затем компания Chance Brothers (работодатели Хопкинсона) начала строить гиперрадиалы, установив первую из них на Бишоп-Рок в 1887 году. маяке В том же году Барбье установил гиперрадиал на острове Тори . Но на вооружение поступило всего около 30 гиперрадиалов до того, как разработка более компактных ярких ламп сделала такую ​​большую оптику ненужной (см. Гиперизлучающую линзу Френеля ).

Производство цельных ступенчатых диоптрийных линз — примерно так, как предполагал Бюффон — стало возможным в 1852 году, когда Джон Л. Гиллиланд из Brooklyn Flint-Glass Company запатентовал метод изготовления линз из прессованного и формованного стекла. Компания производила небольшие линзы «яблочко» для использования на железных дорогах, пароходах и доках; такие линзы были распространены в Соединенных Штатах к 1870-м годам. В 1858 году компания произвела «очень небольшое количество линз шестого порядка из прессованного бесцветного стекла» для использования в маяках — первые линзы Френеля для маяков, изготовленные в Америке. К 1950-м годам замена стекла пластиком сделала экономически выгодным использование линз Френеля в качестве конденсаторов в диапроекторах.

Дизайн

1: Поперечное сечение линзы Бюффона/Френеля. 2: Поперечное сечение обычной плоско-выпуклой линзы эквивалентной оптической силы. (Версия Бюффона была двояковыпуклой . )

Крупным планом плоская линза Френеля показывает концентрические круги на поверхности.

Линза Френеля уменьшает количество требуемого материала по сравнению с обычной линзой за счет разделения линзы на набор концентрических кольцевых секций. Идеальная линза Френеля имела бы бесконечное количество секций. В каждой секции общая толщина уменьшена по сравнению с эквивалентной простой линзой. Это эффективно делит непрерывную поверхность стандартной линзы на набор поверхностей одинаковой кривизны со ступенчатыми разрывами между ними.

В некоторых линзах изогнутые поверхности заменены плоскими поверхностями с разным углом в каждой секции. Такую линзу можно рассматривать как набор призм, расположенных по кругу, с более крутыми призмами по краям и плоским или слегка выпуклым центром. В первых (и крупнейших) линзах Френеля каждая секция фактически представляла собой отдельную призму. Позже были произведены «монолитные» линзы Френеля, которые использовались в автомобильных фарах, линзах тормозов, парковочных сигналов и указателей поворота и так далее. В наше время фрезерное оборудование с компьютерным управлением (ЧПУ) или 3D-принтеры могут использоваться для изготовления более сложных линз.

Конструкция линзы Френеля позволяет существенно уменьшить толщину (и, следовательно, массу и объем материала) за счет снижения качества изображения линзы, поэтому в приложениях для точных изображений, таких как фотография, обычно по-прежнему используются обычные линзы большего размера.

Линзы Френеля обычно изготавливаются из стекла или пластика; их размеры варьируются от больших (старые исторические маяки, метровый размер) до средних (пособия для чтения книг, проекторы для просмотра изображений) и маленьких ( экраны камер TLR / SLR , микрооптика). Во многих случаях они очень тонкие и плоские, почти гибкие, толщиной в Диапазон от 1 до 5 мм ( от 1 ⁄ 32 до 3 ⁄ дюйма ).

Большинство современных линз Френеля состоят только из преломляющих элементов. Однако линзы маяка, как правило, включают в себя как преломляющие, так и отражающие элементы, причем последние находятся за пределами металлических колец, видимых на фотографиях. В то время как внутренние элементы представляют собой секции преломляющих линз, внешние элементы представляют собой отражающие призмы, каждая из которых выполняет два преломления и одно полное внутреннее отражение , что позволяет избежать потери света, возникающей при отражении от посеребренного зеркала.

Размеры линз маяка

Описание заказов на линзы от Block Island Southeast Light , Род-Айленд.

Макапуу Пойнт Лайт

Прогулка вокруг линзы Френеля, выставленной в Тибе , Япония .

Френель разработал шесть размеров маяковых линз, разделенных на четыре порядка в зависимости от их размера и фокусного расстояния. 3-й и 4-й порядки подразделялись на «большие» и «малые». В современном использовании заказы классифицируются с первого по шестой порядок. Позже был добавлен промежуточный размер между третьим и четвертым порядком, а также размеры выше первого порядка и ниже шестого.

Линза первого порядка имеет фокусное расстояние 920 mm (36+1⁄4 in) and stands about 2.59 m (8 ft 6 in) high, and 1.8 m (6 ft) wide. The smallest (sixth) order has a focal length of 150 mm (6 in) and a height of 433 мм ( 17 + 1 / 16 дюйма).

Самые большие линзы Френеля называются гиперрадиантными (или гиперрадиальными). Одна из таких линз была под рукой, когда было решено построить и оснастить маяк Макапуу Пойнт на Гавайях. Вместо того, чтобы заказывать новый объектив, там была использована огромная оптическая конструкция высотой 3,7 метра (12 футов) с более чем тысячей призм.

Заказ линз маяка

Современный порядок	порядок Френеля	Фокусное расстояние (мм)	Высота (м)	Впервые установлен	Приложение
Гиперрадиальный		1330	3.76	1887	Основные маяки выхода на берег
Мезорадиальный		1125	3.20	1909	Два бразильских маяка
1-й	1-й	920	2.59	1823	Большие морские огни
2-й	2-й	700–750	2.07		Маяки Великих озер , морские побережья, острова, звуки
3-й	3-й (большой)	500	1.58	1825	Звуки побережья, вход в реку, бухты, каналы, дальние огни
3 + 1 ⁄ 2		375	1.09
4-й	3-й (маленький)	250	0.722		Мелки, рифы, портовые огни, острова в реках и гаванях.
5-е место	4-й (большой)	187.5	0.541		Волнорезы, огни рек и каналов, Маленькие острова в звуках
6-е место	4-й (маленький)	150	0.433		Огни пристаней и волноломов в гаванях
7-е место		100–140	0.165		Используется в Шотландии и Канаде.
8-е место		70–75	0.0826		Используется в Шотландии и Канаде.

• 
  Объектив первого порядка.
• 
  Объектив первого порядка ( Маяк Кейп-Мирес )
• 
  Объектив первого порядка с острова Разрушения, штат Вашингтон, построенный во Франции в 1888 году. В настоящее время находится в Морском музее Вестпорта.
• 
  Крупный план линзы второго порядка.
• 
  Линза третьего порядка ( St. Simons Island Light ).
• 
  Линза четвертого порядка (маяк Сэкидзаки, Оита , Япония).
• 
  Линза четвертого порядка с маяка на мысе Араго. В настоящее время находится в Историческом музее Куса.
• 
  Линза пятого порядка на маяке Ки-Уэст.
• 
  Линза шестого порядка ( Ponce de Leon Inlet Light )
• 
  Сравнение линз первого и четвертого порядка (Маяк Ки-Уэст)

Типы

Существует два основных типа линз Френеля: формирующие и неотображающие . В линзах Френеля для формирования изображений используются сегменты с изогнутым поперечным сечением, которые создают резкие изображения, в то время как в линзах без формирования изображений используются сегменты с плоским поперечным сечением, и они не создают резких изображений. По мере увеличения количества сегментов два типа линз становятся более похожими друг на друга. В абстрактном случае бесконечного числа сегментов разница между изогнутыми и плоскими сегментами исчезает.

Линзы для визуализации можно разделить на:

сферический

Сферическая линза Френеля эквивалентна простой сферической линзе , в которой используются кольцеобразные сегменты, каждый из которых является частью сферы, которые фокусируют свет в одной точке. Этот тип линзы дает четкое изображение, хотя и не такое четкое, как эквивалентная простая сферическая линза, из-за дифракции на краях выступов. Этот тип иногда называют киноформой , когда гребни микроскопические в масштабе длины волны.

Цилиндрический

Цилиндрическая линза Френеля эквивалентна простой цилиндрической линзе , в которой используются прямые сегменты круглого сечения, фокусирующие свет на одной линии. Этот тип дает четкое изображение, хотя и не такое четкое, как эквивалентная простая цилиндрическая линза, из-за дифракции на краях выступов.

Невизуальные линзы можно разделить на:

Место

В точечной линзе Френеля, не создающей изображения, используются кольцеобразные сегменты с поперечным сечением, которые представляют собой прямые линии, а не дуги окружности. Такая линза может фокусировать свет в небольшом пятне, но не дает резкого изображения. Эти линзы применяются в солнечной энергетике, например, для фокусировки солнечного света на солнечной панели. Линзы Френеля могут использоваться в качестве компонентов осветительной оптики Келера, в результате чего получаются очень эффективные неотображающие оптические концентраторы солнечной энергии Френеля-Келера (FK).

Линейный

Линейная линза Френеля, не создающая изображения, использует прямые сегменты, поперечные сечения которых представляют собой прямые линии, а не дуги. Эти линзы фокусируют свет в узкую полосу. Они не создают резкого изображения, но могут использоваться в солнечной энергии, например, для фокусировки солнечного света на трубе и нагрева воды внутри.

Использование

Освещение

Линза маяка Инчкейт и приводной механизм в Национальном музее Шотландии

Высококачественные стеклянные линзы Френеля использовались в маяках, где они считались современными в конце 19 - середине 20 веков; большинство маяков уже вывели из эксплуатации стеклянные линзы Френеля и заменили их гораздо менее дорогими и более прочными аэромаяками , которые сами часто содержат пластиковые линзы Френеля. Системы линз Френеля для маяков обычно включают дополнительные кольцевые призматические элементы, расположенные в граненых куполах выше и ниже центрального плоского Френеля, чтобы улавливать весь свет, излучаемый источником света. Путь света через эти элементы может включать внутреннее отражение , а не простое преломление в плоском элементе Френеля. Эти линзы принесли много практических преимуществ проектировщикам, строителям и пользователям маяков и их освещения. Помимо прочего, линзы меньшего размера могут поместиться в более компактные пространства. Большая передача света на большие расстояния и разнообразные узоры позволили триангулировать положение.

Возможно, наиболее широкое применение линзы Френеля какое-то время имели место в автомобильных фарах , где они могли формировать примерно параллельный луч параболического отражателя для удовлетворения требований по диаграмме направленности ближнего и дальнего света, часто в одной и той же фаре (например, как европейский дизайн H4 ). Из соображений экономии, веса и ударопрочности в новых автомобилях отказались от стеклянных линз Френеля, используя многогранные отражатели с простыми линзами из поликарбоната . Тем не менее, линзы Френеля по-прежнему широко используются в автомобильных задних фонарях, габаритных фонарях и фонарях заднего хода.

Фонарь Френеля с открытой линзой, чтобы показать гребни.

Стеклянные линзы Френеля также используются в осветительных приборах для театра и кино (см. Фонарь Френеля ); такие инструменты часто называют просто Френелями . Весь прибор состоит из металлического корпуса, отражателя, лампового узла и линзы Френеля. Многие инструменты Френеля позволяют перемещать лампу относительно фокуса линзы , чтобы увеличить или уменьшить размер светового луча. В результате они очень гибкие и часто могут создавать луч шириной от 7° до 70°. Линза Френеля дает луч с очень мягкими краями, поэтому ее часто используют в качестве заливающего света. Держатель перед линзой может содержать цветную пластиковую пленку ( гель ) для тонирования света или проволочные экраны или матовый пластик для его рассеивания. Линза Френеля полезна при создании кинофильмов не только из-за ее способности фокусировать луч ярче, чем обычная линза, но и потому, что свет имеет относительно постоянную интенсивность по всей ширине светового луча.

Оптическая система посадки на авианосец ВМС США USS Dwight D. Eisenhower

Авианосцы и военно-морские аэродромы обычно используют линзы Френеля в своих оптических системах посадки . Фонарь «фрикадельки» помогает пилоту поддерживать правильную глиссаду для приземления. В центре расположены янтарные и красные огни, состоящие из линз Френеля. Хотя огни всегда включены, угол линзы с точки зрения пилота определяет цвет и положение видимого света. Если огни появляются над зеленой горизонтальной полосой, пилот находится слишком высоко. Если он ниже, пилот находится слишком низко, а если огни красные, пилот находится очень низко.

Линзы Френеля также широко используются в прожекторах , прожекторах и фонариках .

Визуализация

Пластиковая линза Френеля, продаваемая как устройство для увеличения экрана телевизора.

Линза Френеля, используемая в портативном ЭЛТ-телевизоре Sinclair FTV1 , увеличивает только вертикальный аспект дисплея.

Линзы Френеля используются как простые ручные лупы . Они также используются для коррекции некоторых нарушений зрения, в том числе нарушений подвижности глаз, таких как косоглазие . Линзы Френеля использовались для увеличения визуального размера ЭЛТ- дисплеев в карманных телевизорах , особенно в Sinclair TV80 . Они также используются в светофорах .

Линзы Френеля используются в европейских грузовиках с левосторонним управлением , въезжающих в Великобританию и Ирландию (и наоборот, в ирландских и британских грузовиках с правосторонним управлением, въезжающих в материковую Европу), чтобы преодолеть слепые зоны, вызванные водителем, управляющим грузовиком во время движения. сидящий не с той стороны кабины по отношению к обочине дороги, на которой находится автомобиль. Они крепятся к окну со стороны пассажира.

Еще одним автомобильным применением линзы Френеля является усилитель заднего обзора, поскольку широкий угол обзора линзы, прикрепленной к заднему стеклу, позволяет рассматривать сцену позади транспортного средства, особенно высокого или с тупым хвостом, более эффективно, чем объектив заднего вида. зеркало одно. Линзы Френеля использовались в дальномерном оборудовании и на экранах проецируемых карт .

Линзы Френеля также использовались в сфере популярных развлечений. Британский рок-исполнитель Питер Гэбриэл использовал их в своих первых сольных выступлениях, чтобы увеличить размер своей головы по сравнению с остальным телом для драматического и комического эффекта. В Терри Гиллиама фильме «Бразилия» пластиковые экраны Френеля якобы используются в качестве увеличителей для небольших ЭЛТ-мониторов, используемых в офисах Министерства информации. Однако время от времени они появляются между актерами и камерой, искажая масштаб и композицию сцены до юмористического эффекта. Pixar « В фильме Валл-И» линза Френеля используется в сценах, где главный герой смотрит мюзикл « Привет, Долли!». увеличено на iPod .

В гарнитурах виртуальной реальности , таких как Meta Quest 2 и HTC Vive Pro, используются линзы Френеля. поскольку они имеют более тонкий и легкий форм-фактор, чем обычные линзы. Новые устройства, такие как Meta Quest Pro , перешли на блинной линзы. конструкцию из-за меньшего форм-фактора и меньшей хроматической аберрации, чем у линз Френеля.

Мультифокальные линзы Френеля также используются в составе камер идентификации сетчатки , где они обеспечивают множественные изображения в фокусе и вне фокуса объекта фиксации внутри камеры. Практически для всех пользователей хотя бы одно изображение будет в фокусе, что позволит правильно расположить глаза.

Canon и Nikon использовали линзы Френеля, чтобы уменьшить размер телеобъективов. Фотообъективы, включающие элементы Френеля, могут быть намного короче, чем соответствующие линзы традиционной конструкции. Nikon называет эту технологию Phase Fresnel . Камера Polaroid SX-70 использовала отражатель Френеля как часть системы обзора. Камеры View и широкоформатные камеры могут использовать линзу Френеля в сочетании с матовым стеклом , чтобы увеличить воспринимаемую яркость изображения, проецируемого объективом на матовое стекло, тем самым помогая регулировать фокус и композицию.

Проекция

Использование линз Френеля для проекции изображения снижает качество изображения, поэтому они, как правило, возникают только там, где качество не имеет решающего значения или где размер твердой линзы был бы непомерно высок. Дешевые линзы Френеля могут быть отштампованы или отлиты из прозрачного пластика и используются в диапроекторах и проекционных телевизорах .

Линзы Френеля с разным фокусным расстоянием (один коллиматор и один коллектор) используются в коммерческой и домашней проекции. Коллиматорная линза имеет меньшее фокусное расстояние и располагается ближе к источнику света, а коллекторная линза, фокусирующая свет в триплетную линзу, располагается после проецируемого изображения ( ЖК-панель с активной матрицей в ЖК-проекторах ). Линзы Френеля также используются в качестве коллиматоров в диапроекторах .

Солнечная энергия

Поскольку пластиковые линзы Френеля могут быть больше стеклянных линз, а также намного дешевле и легче, их используют для концентрации солнечного света для нагрева в солнечных плитах , солнечных кузницах и в солнечных коллекторах, используемых для нагрева воды для бытовых нужд. Их также можно использовать для выработки пара или для приведения в действие двигателя Стирлинга .

Линзы Френеля могут концентрировать солнечный свет на солнечных элементах в соотношении почти 500:1. Это позволяет уменьшить активную поверхность солнечных элементов, снижая стоимость и позволяя использовать более эффективные элементы, которые в противном случае были бы слишком дорогими. В начале 21 века отражатели Френеля начали использоваться на станциях концентрации солнечной энергии (CSP) для концентрации солнечной энергии. Одним из применений был предварительный нагрев воды на угольной электростанции Лидделл в Хантер-Вэлли, Австралия.

Линзы Френеля можно использовать для спекания песка, что позволяет 3D-печать на стекле.

См. также

• имидж-сканер Френеля
• Зонная пластина Френеля
• Двояковыпуклая линза
• Линейный отражатель Френеля
• Призматическое освещение

Библиография

• М. Борн и Э. Вольф, Принципы оптики , 7-е изд., Кембридж, 1999.
• Г.-А. Бутри, 1948, «Огюстин Френель: его время, жизнь и работа, 1788–1827», Science Progress , vol. 36, нет. 144 (октябрь 1948 г.), стр. 587–604; jstor.org/stable/43413515 .
• Дж. З. Бухвальд, 1989, Возникновение волновой теории света: оптическая теория и эксперимент в начале девятнадцатого века , University of Chicago Press, ISBN   978-0-226-07886-1 .
• Дж. Элтон, 2009 г., «Свет, который осветит нашу тьму: оптика маяка и последующее развитие революционной преломляющей линзы Френеля 1780–1900 гг.», Международный журнал истории техники и технологий , том. 79, нет. 2 (июль 2009 г.), стр. 183–244; дои : 10.1179/175812109X449612 .
• А. Френель, 1822 г., «Mémoire sur un nouveau système d'éclairage des phares», прочитано 29 июля 1822 г.; переиздано во Френеле, 1866–1870, т. 1, с. 3, стр. 97–126 ; переведен Т. Тэгом как «Мемуары о новой системе освещения маяков» , Общество маяков США, по состоянию на 26 августа 2017 г.; Архивировано 19 августа 2016 г. (Номера страниц относятся к переводу.)
• А. Френель (изд. Х. де Сенармон, Э. Верде и Л. Френель), 1866–1870, Полное собрание сочинений Огюстена Френеля (3 тома), Париж: Imprimerie Ipériale; полет. 1 (1866) 1 (1866) , , т. т. 1. 2 (1868) , т. 2 (1868) , т. 2. 3 (1870 г.) .
• Т.Х. Левитт, 2013, Короткая яркая вспышка: Огюстен Френель и рождение современного маяка , Нью-Йорк: WW Norton, ISBN   978-0-393-35089-0 .
• Т. Янг (редактор Г. Пикок), 1855, Разные произведения покойного Томаса Янга , Лондон: Дж. Мюррей, том. 1 .

Дальнейшее чтение

• «Линза Френеля», Журнал хранителя , зима 1985 г., стр. 12–14.
• Береговая охрана США , Средства навигации , Вашингтон, округ Колумбия: Типография правительства США , 1945 год.
• Береговая охрана США, маяки, линзы, осветительные приборы, техника и Огюстен Френель: историческая библиография работ, опубликованных до 2007 года .

Внешние ссылки

• Общество маяков США , особенно « Линзы Френеля, заархивированные 2 марта 2021 года в Wayback Machine ».
• В.А. Бриттен, «Линза Френеля» (с фотографиями).
• Дж. Фрэнсис, «Линза Френеля — моделирование Максвелла» , 13 апреля 2009 г.
• Дж. Хэйр, «Как работает линза Френеля» (5-минутное видео), Vega Science Trust, 2008.
• Т. Пеппер, «Видеть свет: Маяки на западе Великих озер» , заархивировано из оригинала 30 января 2008 года .
• Линза Френеля: изобретение, которое спасло 1000 кораблей