Fresnel-linssien edut

Teoria | Valmistus | Käyttökohteet

Fresnel-linssit koostuvat muoviin kaiverretuista samankeskisistä urista. Niiden ohut ja kevyt rakenne, saatavuus sekä pienissä että suurissa kokoluokissa ja erinomainen valon keräyskyky tekevät niistä käyttökelpoisia monissa eri sovelluksissa. Fresnel-linssejä käytetään useimmiten valoa keräävissä sovelluksissa, kuten kondensaattorijärjestelmissä tai säteilijä/ilmaisin-asetelmissa. Niitä voidaan käyttää myös suurennus- tai projektiolinsseinä valaistusjärjestelmissä ja kuvanmuodostuksessa.

Fresnel-linssi (lausutaan fray-NEL) korvaa tavanomaisen optisen linssin kaarevan pinnan sarjalla samankeskisiä uria. Nämä urat toimivat yksittäisinä taittopintoina, jotka taivuttavat yhdensuuntaiset valonsäteet yhteiseen polttoväliin (kuva 1). Tämän seurauksena Fresnel-linssi, joka on fyysisesti kapea profiililtaan, pystyy tarkentamaan valoa samalla tavalla kuin tavanomainen optinen linssi, mutta sillä on useita etuja paksumpaan vastineeseensa verrattuna.

• Kuva 1: Fresnel-linssin profiili
• Fresnel-linssin teoria
• Kuva 2: Sivuprofiilivertailu Plano-konveksin (PCX) ja Fresnel-linssin välillä
• Fresnel-linssin valmistus
• ESIMERKKEJÄ KÄYTÄNNÖSTÄ
• Valon kollimaatio
• Kuva 3: Pistelähteen valon kollimointi Fresnel-linssillä
• Valon kerääminen
• Kuva 4: Pistemäisen lähteen valon kollimointi Fresnel-linssillä
• Suurennus

Kuva 1: Fresnel-linssin profiili

Fresnel-linssin teoria

Fresnel-linssin konseptin kantava periaate on, että valon etenemissuunta ei muutu väliaineessa (ellei se ole sironnut). Sen sijaan valonsäteet poikkeavat vain väliaineen pinnoilla. Tämän seurauksena linssin keskellä oleva massamateriaali palvelee vain painon ja absorption lisäämistä systeemin sisällä.

Hyödyntääkseen tätä fysikaalista ominaisuutta 1700-luvun fyysikot alkoivat kokeilla nykyisin Fresnel-linssinä tunnetun linssin luomista. Tuolloin lasipalaan leikattiin uria, jotta saatiin aikaan kaarevan profiilin omaavia rengasmaisia renkaita. Kun tämä kaareva profiili puristettiin ulos, siitä muodostui tavanomainen kaareva linssi – joko pallomainen tai asfäärinen (kuva 2). Koska Fresnel-linssillä on samanlainen optinen ominaisuus kuin tavanomaisella optisella linssillä, se voi tarjota hieman paremman tarkennustehon sovelluksesta riippuen. Lisäksi suuri uratiheys mahdollistaa laadukkaammat kuvat, kun taas pieni uratiheys tuottaa paremman hyötysuhteen (jota tarvitaan valoa keräävissä sovelluksissa). On kuitenkin tärkeää huomata, että kun tarvitaan erittäin tarkkaa kuvantamista, tavanomaiset singletti-, dubletti- tai asfääriset optiset linssit ovat edelleen parhaita.

Kuva 2: Sivuprofiilivertailu Plano-konveksin (PCX) ja Fresnel-linssin välillä

Fresnel-linssin valmistus

Esimäiset Fresnel-linssit valmistettiin hiomalla ja kiillottamalla lasia vaivalloisella kädellä. Lopulta sulaa lasia kaadettiin muotteihin, mutta vasta optisesti korkealaatuisten muovien ja ruiskuvalutekniikan kehittyessä 1900-luvulla Fresnel-linssien käyttö monissa teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa tuli käytännölliseksi.

Fresnel-linssejä voidaan valmistaa useista eri materiaaleista. Niitä valmistetaan akryylistä polykarbonaattiin ja vinyyliin halutun aallonpituuden mukaan. Akryyli on yleisin substraatti sen korkean läpäisykyvyn vuoksi näkyvällä ja ultraviolettialueella (UV), mutta polykarbonaatti on suosituin substraatti ankarissa ympäristöissä sen iskunkestävyyden ja korkeiden lämpötilojen kestävyyden vuoksi.

ESIMERKKEJÄ KÄYTÄNNÖSTÄ

Vaikka ranskalainen fyysikko Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) ei ollut ensimmäinen, joka konseptoi fresnelin linssin, niin hän pystyi kuitenkin popularisoimaan sitä integroimalla sen majakoihin. Sittemmin Fresnelin linssejä on hyödynnetty monissa eri sovelluksissa valon kollimaatiosta ja valon keräämisestä suurennukseen.

Valon kollimaatio

Fresnelin linssi voi helposti kollimaatioida pistemäisen lähteen sijoittamalla sen yhden polttovälin päähän lähteestä. Äärellisen konjugaatin järjestelmässä Fresnel-linssin uritetun puolen tulisi osoittaa pidempää konjugaattia kohti (kuvat 3 – 4), koska näin saadaan paras suorituskyky.

Kuva 3: Pistelähteen valon kollimointi Fresnel-linssillä

Valon kerääminen

Yksi Fresnel-linssin yleisimmistä käyttökohteista on auringon valon kerääminen, jota pidetään hyvin lähes samansuuntaisena (äärettömän konjugaattisen järjestelmän). Fresnel-linssin käyttäminen valon keräämiseen sopii erinomaisesti valon keskittämiseen aurinkokennoon tai pinnan lämmittämiseen. Fresnel-linssiä voidaan käyttää esimerkiksi suosittuun kodin kunnossapitoon, kuten kodin tai uima-altaan lämmittämiseen! Näissä tapauksissa linssin kokonaispinta-ala määrää kerätyn valon määrän.

Kuva 4: Pistemäisen lähteen valon kollimointi Fresnel-linssillä

Suurennus

Toinen Fresnel-linssin yleinen käyttökohde on suurennus. Sitä voidaan käyttää suurennuslasina tai projektiolinsseinä; suuren vääristymän vuoksi tätä ei kuitenkaan suositella. Myöskään kuvanlaatu ei ole verrattavissa tarkemman järjestelmän kuvanlaatuun, kun otetaan huomioon vääristymän määrä.

Mikäli Fresnel-linssejä käytetään yleisesti aurinkosovelluksissa, ne soveltuvat erinomaisesti kaikkiin sovelluksiin, joissa tarvitaan edullisia, ohuita ja kevyitä positiivisia linssielementtejä. Fresnel-linssit eivät ole uutta teknologiaa, mutta niiden yleisyys on lisääntynyt valmistustekniikoiden ja materiaalien parantumisen myötä. Fresnel-linssit ovat todella ainutlaatuisia optisia linssejä, mikä tekee niistä loistavan työkalun erilaisiin mielenkiintoisiin ja hauskoihin optisiin muotoiluihin.