Výhody Fresnelových čoček

Teorie | Výroba | Aplikace

Fresnelovy čočky se skládají z řady soustředných drážek vyleptaných do plastu. Jejich tenká a lehká konstrukce, dostupnost v malých i velkých velikostech a vynikající schopnost shromažďovat světlo je činí užitečnými v různých aplikacích. Fresnelovy čočky se nejčastěji používají v aplikacích shromažďování světla, jako jsou kondenzátorové systémy nebo sestavy emitor/detektor. Lze je také použít jako lupy nebo projekční čočky v osvětlovacích systémech a při tvorbě obrazu.

Fresnelova čočka (vyslovuje se fray-NEL) nahrazuje zakřivený povrch běžné optické čočky řadou soustředných drážek. Tyto obrysy fungují jako jednotlivé lomové plochy a ohýbají rovnoběžné světelné paprsky na společnou ohniskovou vzdálenost (obr. 1). Výsledkem je, že Fresnelova čočka, ačkoli má fyzicky úzký profil, je schopna zaostřit světlo podobně jako běžná optická čočka, ale oproti svému tlustšímu protějšku má několik výhod.

• Obrázek 1: Profil Fresnelovy čočky
• Teorie Fresnelových čoček
• Obrázek 2: Srovnání bočního profilu plano-konvexní (PCX) a Fresnelovy čočky
• VÝROBA FRESNELOVÝCH ČOČEK
• PŘÍKLADY APLIKACE
• Kolimace světla
• Obrázek 3: Kolimace světla bodového zdroje pomocí Fresnelovy čočky
• Sběr světla
• Obrázek 4: Kolimace světla bodového zdroje pomocí Fresnelovy čočky
• Zvětšení

Obrázek 1: Profil Fresnelovy čočky

Teorie Fresnelových čoček

Hlavním principem koncepce Fresnelovy čočky je, že směr šíření světla se v prostředí nemění (pokud není rozptýleno). Místo toho se světelné paprsky odchylují pouze na povrchu prostředí. Výsledkem je, že objem materiálu ve středu čočky slouží pouze ke zvýšení hmotnosti a absorpce uvnitř soustavy.

Aby využili této fyzikální vlastnosti, začali fyzikové 18. století experimentovat s vytvořením toho, co je dnes známo jako Fresnelova čočka. Tehdy se do kusu skla vyřezávaly drážky, aby se vytvořily prstence zakřiveného profilu. Tento zakřivený profil po vytlačení vytvořil běžnou zakřivenou čočku – buď sférickou, nebo asférickou (obrázek 2). Díky této podobné optické vlastnosti ve srovnání s běžnou optickou čočkou může Fresnelova čočka v závislosti na použití nabídnout o něco lepší zaostřovací výkon. Kromě toho vysoká hustota drážek umožňuje kvalitnější obraz, zatímco nízká hustota drážek přináší lepší účinnost (jak je zapotřebí v aplikacích sběru světla). Je však důležité poznamenat, že pokud je vyžadováno vysoce přesné zobrazování, jsou stále nejlepší konvenční singletové, dubletové nebo asférické optické čočky.

Obrázek 2: Srovnání bočního profilu plano-konvexní (PCX) a Fresnelovy čočky

VÝROBA FRESNELOVÝCH ČOČEK

První Fresnelovy čočky se vyráběly zdlouhavým ručním broušením a leštěním skla. Nakonec se roztavené sklo lilo do forem, ale teprve s rozvojem plastů optické kvality a technologie vstřikování ve 20. století se používání Fresnelových čoček v mnoha průmyslových a komerčních aplikacích stalo praktickým.

Fresnelovy čočky lze vyrábět z různých substrátů. Vyrábějí se od akrylu přes polykarbonát až po vinyl, v závislosti na požadované vlnové délce provozu. Akryl je nejběžnějším substrátem díky své vysoké propustnosti ve viditelné a ultrafialové (UV) oblasti, ale polykarbonát je substrátem voleným v náročných podmínkách díky své odolnosti vůči nárazům a vysokým teplotám.

PŘÍKLADY APLIKACE

Francouzský fyzik Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) sice nebyl prvním, kdo vytvořil koncepci Fresnelovy čočky, ale dokázal ji zpopularizovat tím, že ji zabudoval do majáků. Od té doby se Fresnelovy čočky používají v různých aplikacích, od kolimace a sběru světla až po zvětšování.

Kolimace světla

Fresnelova čočka může snadno kolimovat bodový zdroj umístěním o jednu ohniskovou vzdálenost od zdroje. V systému s konečnou konjugací by měla drážkovaná strana Fresnelovy čočky směřovat k delší konjugované straně (obr. 3 – 4), protože tím se dosáhne nejlepšího výkonu.

Obrázek 3: Kolimace světla bodového zdroje pomocí Fresnelovy čočky

Sběr světla

Jednou z nejběžnějších aplikací Fresnelovy čočky je sběr slunečního světla, který se považuje za velmi téměř rovnoběžný (nekonečně konjugovaná soustava). Použití Fresnelovy čočky pro sběr světla je ideální pro soustředění světla na fotovoltaický článek nebo pro ohřev povrchu. Fresnelovu čočku lze použít například pro oblíbenou údržbu domu, jako je vytápění domu nebo bazénu! V těchto případech rozhoduje o množství shromážděného světla celková plocha čočky.

Obrázek 4: Kolimace světla bodového zdroje pomocí Fresnelovy čočky

Zvětšení

Dalším častým použitím Fresnelovy čočky je zvětšení. Lze ji použít jako lupu nebo projekční čočku; to se však vzhledem k vysoké míře zkreslení nedoporučuje. Také kvalita obrazu se vzhledem k míře zkreslení nedá srovnávat s kvalitou obrazu u přesnějších systémů.

Přestože se Fresnelovy čočky běžně používají v solárních aplikacích, jsou ideální pro všechny aplikace vyžadující levné, tenké a lehké pozitivní čočky. Fresnelovy čočky nejsou novou technologií, ale jejich rozšíření se zvýšilo se zdokonalením výrobních technik a materiálů. Fresnelovy čočky jsou skutečně jedinečné optické čočky, které jsou skvělým nástrojem pro řadu zajímavých a zábavných optických konstrukcí.