Vorteile von Fresnel-Linsen

Theorie | Herstellung | Anwendungen

Fresnel-Linsen bestehen aus einer Reihe von konzentrischen Rillen, die in Kunststoff geätzt sind. Ihre dünne, leichte Bauweise, ihre Verfügbarkeit in kleinen und großen Größen und ihr ausgezeichnetes Lichtsammelvermögen machen sie für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich. Fresnellinsen werden am häufigsten in Lichtsammelanwendungen wie Kondensorsystemen oder Emitter-Detektor-Anordnungen eingesetzt. Sie können auch als Lupen oder Projektionslinsen in Beleuchtungssystemen und zur Bildformulierung verwendet werden.

Eine Fresnel-Linse (ausgesprochen fray-NEL) ersetzt die gekrümmte Oberfläche einer herkömmlichen optischen Linse durch eine Reihe konzentrischer Rillen. Diese Konturen wirken wie einzelne brechende Flächen, die parallele Lichtstrahlen auf eine gemeinsame Brennweite beugen (Abbildung 1). Eine Fresnel-Linse hat zwar ein schmales Profil, kann aber Licht ähnlich wie eine herkömmliche optische Linse bündeln, hat aber mehrere Vorteile gegenüber ihrem dickeren Gegenstück.

• Abbildung 1: Profil einer Fresnel-Linse
• DIE THEORIE DER FRESNEL-LINSE
• Abbildung 2: Vergleich des Seitenprofils einer Plan-Konvex- (PCX) und einer Fresnel-Linse
• HERSTELLUNG VON FRESNEL-LINSEN
• ANWENDUNGSBEISPIELE
• Lichtkollimation
• Abbildung 3: Lichtkollimation einer Punktquelle mit einer Fresnel-Linse
• Lichtsammlung
• Abbildung 4: Lichtkollimation einer Punktquelle mit einer Fresnellinse
• Vergrößerung

Abbildung 1: Profil einer Fresnel-Linse

DIE THEORIE DER FRESNEL-LINSE

Das treibende Prinzip hinter der Konzeption einer Fresnel-Linse ist, dass sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts in einem Medium nicht ändert (es sei denn, sie wird gestreut). Stattdessen werden die Lichtstrahlen nur an den Oberflächen eines Mediums abgelenkt. Infolgedessen dient die Masse des Materials in der Mitte einer Linse nur dazu, das Gewicht und die Absorption innerhalb des Systems zu erhöhen.

Um diese physikalische Eigenschaft zu nutzen, begannen Physiker im 18. Jahrhundert mit der Schaffung dessen zu experimentieren, was heute als Fresnel-Linse bekannt ist. Damals wurden Rillen in ein Stück Glas geschnitten, um ringförmige Ringe mit einem gekrümmten Profil zu erzeugen. Dieses gekrümmte Profil bildete, wenn es extrudiert wurde, eine herkömmliche, gekrümmte Linse – entweder sphärisch oder asphärisch (Abbildung 2). Aufgrund dieser ähnlichen optischen Eigenschaft im Vergleich zu einer herkömmlichen optischen Linse kann eine Fresnel-Linse je nach Anwendung eine etwas bessere Fokussierungsleistung bieten. Darüber hinaus ermöglicht eine hohe Rillendichte eine höhere Bildqualität, während eine niedrige Rillendichte eine bessere Effizienz (wie sie bei Lichtsammelanwendungen benötigt wird) bietet. Wenn jedoch eine hochpräzise Abbildung erforderlich ist, sind herkömmliche optische Einzellinsen, Dubletten oder asphärische Linsen immer noch am besten geeignet.

Abbildung 2: Vergleich des Seitenprofils einer Plan-Konvex- (PCX) und einer Fresnel-Linse

HERSTELLUNG VON FRESNEL-LINSEN

Die ersten Fresnel-Linsen wurden durch mühsames Schleifen und Polieren von Glas per Hand hergestellt. Später wurde geschmolzenes Glas in Formen gegossen, aber erst mit der Entwicklung von Kunststoffen in optischer Qualität und der Spritzgusstechnik im 20. Jahrhundert wurde die Verwendung von Fresnel-Linsen in vielen industriellen und kommerziellen Anwendungen praktisch.

Fresnel-Linsen können aus einer Vielzahl von Substraten hergestellt werden. Je nach gewünschter Wellenlänge werden sie aus Acryl, Polycarbonat oder Vinyl hergestellt. Acryl ist aufgrund seiner hohen Durchlässigkeit im sichtbaren und ultravioletten (UV) Bereich das gängigste Substrat, aber Polycarbonat ist aufgrund seiner Stoßfestigkeit und hohen Temperaturbeständigkeit das Substrat der Wahl in rauen Umgebungen.

ANWENDUNGSBEISPIELE

Der französische Physiker Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) war zwar nicht der erste, der eine Fresnel-Linse konzipierte, aber er konnte sie durch den Einbau in Leuchttürme populär machen. Seitdem wurden Fresnel-Linsen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der Lichtkollimation und Lichtsammlung bis hin zur Vergrößerung.

Lichtkollimation

Eine Fresnel-Linse kann eine Punktquelle leicht kollimieren, indem sie eine Brennweite von der Quelle entfernt platziert wird. In einem System mit endlicher Konjugation sollte die geriffelte Seite der Fresnel-Linse der längeren Konjugation zugewandt sein (Abbildungen 3 – 4), da dies die beste Leistung ergibt.

Abbildung 3: Lichtkollimation einer Punktquelle mit einer Fresnel-Linse

Lichtsammlung

Eine der häufigsten Anwendungen für eine Fresnel-Linse ist die Sammlung von Sonnenlicht, das als sehr nahezu parallel betrachtet wird (ein unendlich konjugiertes System). Die Verwendung einer Fresnel-Linse zur Lichtsammlung ist ideal, um das Licht auf eine photovoltaische Zelle zu konzentrieren oder eine Oberfläche zu erwärmen. Eine Fresnel-Linse kann zum Beispiel für die beliebte Hauswartung verwendet werden, um ein Haus oder einen Pool zu beheizen! In diesen Fällen bestimmt die Gesamtoberfläche der Linse die Menge des gesammelten Lichts.

Abbildung 4: Lichtkollimation einer Punktquelle mit einer Fresnellinse

Vergrößerung

Eine weitere häufige Anwendung für eine Fresnellinse ist die Vergrößerung. Sie kann als Lupe oder Projektionslinse verwendet werden, was jedoch aufgrund der starken Verzerrung nicht zu empfehlen ist. Außerdem ist die Bildqualität aufgrund der starken Verzeichnung nicht mit der eines Präzisionssystems vergleichbar.

Fresnel-Linsen werden zwar häufig in der Solartechnik eingesetzt, eignen sich aber auch für alle anderen Anwendungen, bei denen preiswerte, dünne und leichte positive Linsenelemente benötigt werden. Fresnel-Linsen sind keine neue Technologie, aber ihre Verbreitung hat mit der Verbesserung von Herstellungsverfahren und Materialien zugenommen. Fresnellinsen sind wirklich einzigartige optische Linsen, die sie zu einem großartigen Werkzeug für eine Reihe interessanter und unterhaltsamer optischer Designs machen.