Teoría | Fabricación | Aplicaciones
Las lentes Fresnel consisten en una serie de ranuras concéntricas grabadas en plástico. Su construcción fina y ligera, su disponibilidad en tamaños pequeños y grandes y su excelente capacidad de captación de luz las hacen útiles en una gran variedad de aplicaciones. Las lentes Fresnel se utilizan sobre todo en aplicaciones de captación de luz, como los sistemas de condensadores o las configuraciones de emisores/detectores. También pueden utilizarse como lupas o lentes de proyección en sistemas de iluminación y formulación de imágenes.
Una lente Fresnel (se pronuncia fray-NEL) sustituye la superficie curva de una lente óptica convencional por una serie de ranuras concéntricas. Estos contornos actúan como superficies refractantes individuales, curvando los rayos de luz paralelos a una distancia focal común (Figura 1). Como resultado, una lente Fresnel, aunque físicamente tiene un perfil estrecho, es capaz de enfocar la luz de forma similar a una lente óptica convencional, pero tiene varias ventajas sobre su homóloga más gruesa.
- Figura 1: Perfil de una lente de Fresnel
- LA TEORÍA DE LAS LENTES DE FRESNEL
- Figura 2: Comparación del perfil lateral de una lente planoconvexa (PCX) y una lente Fresnel
- FABRICACIÓN DE LENTES FRESNEL
- EJEMPLOS DE APLICACIÓN
- Colimación de la luz
- Figura 3: Colimación de luz de una fuente puntual con una lente de Fresnel
- Colección de luz
- Figura 4: Colimación de la luz de una fuente puntual con una lente de Fresnel
- Ampliación
Figura 1: Perfil de una lente de Fresnel
LA TEORÍA DE LAS LENTES DE FRESNEL
El principio impulsor de la concepción de una lente de Fresnel es que la dirección de propagación de la luz no cambia dentro de un medio (a menos que se disperse). En cambio, los rayos de luz sólo se desvían en las superficies de un medio. Como resultado, el grueso del material en el centro de una lente sólo sirve para aumentar la cantidad de peso y absorción dentro del sistema.
Para aprovechar esta propiedad física, los físicos del siglo XVIII comenzaron a experimentar con la creación de lo que hoy se conoce como lente de Fresnel. En aquella época, se cortaban ranuras en un trozo de vidrio para crear anillos anulares de perfil curvo. Este perfil curvo, al ser extruido, formaba una lente convencional y curvada, ya fuera esférica o asférica (figura 2). Debido a esta propiedad óptica similar a la de una lente óptica convencional, una lente Fresnel puede ofrecer un rendimiento de enfoque ligeramente mejor, dependiendo de la aplicación. Además, una alta densidad de ranuras permite obtener imágenes de mayor calidad, mientras que una baja densidad de ranuras produce una mayor eficiencia (como se necesita en las aplicaciones de captación de luz). Sin embargo, es importante tener en cuenta que cuando se requieren imágenes de alta precisión, siguen siendo mejores las lentes ópticas convencionales de tipo singlete, doblete o asférico.
Figura 2: Comparación del perfil lateral de una lente planoconvexa (PCX) y una lente Fresnel
FABRICACIÓN DE LENTES FRESNEL
Las primeras lentes Fresnel se fabricaban esmerilando y puliendo tediosamente el vidrio a mano. Con el tiempo, el vidrio fundido se vertía en moldes, pero sólo con el desarrollo de los plásticos de calidad óptica y la tecnología de moldeo por inyección en el siglo XX se hizo práctico el uso de las lentes Fresnel en muchas aplicaciones industriales y comerciales.
Las lentes Fresnel pueden fabricarse a partir de una variedad de sustratos. Se fabrican desde el acrílico hasta el policarbonato y el vinilo, dependiendo de la longitud de onda deseada. El acrílico es el sustrato más común debido a su alta transmitancia en las regiones visible y ultravioleta (UV), pero el policarbonato es el sustrato de elección en entornos difíciles debido a su resistencia a los impactos y a las altas temperaturas.
EJEMPLOS DE APLICACIÓN
Aunque el físico francés Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) no fue el primero en conceptualizar una lente de Fresnel, logró popularizarla al integrarla en los faros. Desde entonces, las lentes de Fresnel se han utilizado en una gran variedad de aplicaciones, desde la colimación y la captación de la luz hasta la ampliación.
Colimación de la luz
Una lente de Fresnel puede colimar fácilmente una fuente puntual colocándola a una distancia focal de la fuente. En un sistema de conjugación finita, el lado acanalado de la lente de Fresnel debe estar orientado hacia la conjugación más larga (Figuras 3 – 4) porque esto produce el mejor rendimiento.
Figura 3: Colimación de luz de una fuente puntual con una lente de Fresnel
Colección de luz
Una de las aplicaciones más comunes para una lente de Fresnel es la recolección de luz solar, que se considera muy casi paralela (un sistema de conjugado infinito). El uso de una lente de Fresnel para la captación de luz es ideal para concentrar la luz en una célula fotovoltaica o para calentar una superficie. Por ejemplo, una lente de Fresnel puede utilizarse para el mantenimiento popular del hogar, como la calefacción de una casa o una piscina. En estos casos, la superficie total de la lente determina la cantidad de luz recogida.
Figura 4: Colimación de la luz de una fuente puntual con una lente de Fresnel
Ampliación
Otra aplicación común para una lente de Fresnel es la ampliación. Se puede utilizar como lente de aumento o de proyección; sin embargo, debido al alto nivel de distorsión, esto no se recomienda. Además, la calidad de la imagen no es comparable a la de un sistema de mayor precisión dada la cantidad de distorsión.
Aunque se encuentran comúnmente en aplicaciones solares, las lentes de Fresnel son ideales para cualquier aplicación que requiera elementos de lente positivos baratos, delgados y ligeros. Las lentes Fresnel no son una tecnología nueva, pero su penetración ha aumentado con las mejoras en las técnicas de fabricación y los materiales. Las lentes Fresnel son lentes ópticas realmente únicas que las convierten en una gran herramienta para una serie de diseños ópticos interesantes y divertidos.
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