Avantages des lentilles de Fresnel

Théorie | Fabrication | Applications

Les lentilles de Fresnel consistent en une série de rainures concentriques gravées dans du plastique. Leur construction fine et légère, leur disponibilité en petites comme en grandes tailles et leur excellente capacité de collecte de la lumière les rendent utiles dans une variété d’applications. Les lentilles de Fresnel sont le plus souvent utilisées dans des applications de collecte de lumière, telles que les systèmes de condensateurs ou les montages émetteur/détecteur. Elles peuvent également être utilisées comme loupes ou lentilles de projection dans les systèmes d’éclairage, et de formulation d’images.

Une lentille de Fresnel (prononcée fray-NEL) remplace la surface incurvée d’une lentille optique classique par une série de rainures concentriques. Ces contours agissent comme des surfaces réfractaires individuelles, courbant les rayons lumineux parallèles vers une distance focale commune (figure 1). Par conséquent, une lentille de Fresnel, bien que son profil soit physiquement étroit, est capable de focaliser la lumière de manière similaire à une lentille optique classique, mais présente plusieurs avantages par rapport à son homologue plus épaisse.

• Figure 1 : Profil d’une lentille de Fresnel
• LA THÉORIE DES LENTILLES DE FRESNEL
• Figure 2 : Comparaison du profil latéral d’une lentille plano-convexe (PCX) et d’une lentille de Fresnel
• FABRICATION DE LENTILLES DE FRESNEL
• Exemples d’application
• Collimation de la lumière
• Figure 3 : Collimation de la lumière d’une source ponctuelle avec une lentille de Fresnel
• Collection de la lumière
• Figure 4 : Collimation de la lumière d’une source ponctuelle avec une lentille de Fresnel
• Magnification

Figure 1 : Profil d’une lentille de Fresnel

LA THÉORIE DES LENTILLES DE FRESNEL

Le principe moteur derrière la conception d’une lentille de Fresnel est que la direction de propagation de la lumière ne change pas dans un milieu (sauf si elle est diffusée). Au contraire, les rayons lumineux ne sont déviés qu’au niveau des surfaces d’un milieu. Par conséquent, la masse du matériau au centre d’une lentille ne sert qu’à augmenter la quantité de poids et d’absorption au sein du système.

Pour tirer parti de cette propriété physique, les physiciens du 18e siècle ont commencé à expérimenter la création de ce qui est connu aujourd’hui comme une lentille de Fresnel. A cette époque, des rainures étaient taillées dans un morceau de verre afin de créer des anneaux d’un profil incurvé. Ce profil incurvé, une fois extrudé, formait une lentille conventionnelle incurvée – sphérique ou asphérique (figure 2). En raison de cette propriété optique similaire à celle d’une lentille optique conventionnelle, une lentille de Fresnel peut offrir des performances de focalisation légèrement supérieures, selon l’application. En outre, une densité élevée de rainures permet d’obtenir des images de meilleure qualité, tandis qu’une faible densité de rainures offre une meilleure efficacité (comme cela est nécessaire dans les applications de collecte de lumière). Cependant, il est important de noter que lorsqu’une imagerie de haute précision est requise, les lentilles optiques conventionnelles à simplet, doublet ou asphérique restent les meilleures.

Figure 2 : Comparaison du profil latéral d’une lentille plano-convexe (PCX) et d’une lentille de Fresnel

FABRICATION DE LENTILLES DE FRESNEL

Les premières lentilles de Fresnel étaient fabriquées en meulant et en polissant fastidieusement le verre à la main. Finalement, le verre fondu était versé dans des moules, mais ce n’est qu’avec le développement des plastiques de qualité optique et de la technologie de moulage par injection au 20e siècle que l’utilisation des lentilles de Fresnel dans de nombreuses applications industrielles et commerciales est devenue pratique.

Les lentilles de Fresnel peuvent être fabriquées à partir d’une variété de substrats. Elles sont fabriquées à partir d’acrylique, de polycarbonate ou de vinyle, en fonction de la longueur d’onde de fonctionnement souhaitée. L’acrylique est le substrat le plus courant en raison de sa haute transmittance dans les régions visibles et ultraviolettes (UV), mais le polycarbonate est le substrat de choix dans les environnements difficiles en raison de sa résistance aux chocs et aux températures élevées.

Exemples d’application

Bien que le physicien français Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) n’ait pas été le premier à conceptualiser une lentille de Fresnel, il a pu la populariser en l’intégrant dans des phares. Depuis, les lentilles de Fresnel ont été utilisées dans une variété d’applications, de la collimation de la lumière au grossissement en passant par la collecte de la lumière.

Collimation de la lumière

Une lentille de Fresnel peut facilement collimater une source ponctuelle en la plaçant à une distance focale de la source. Dans un système à conjugaison finie, le côté rainuré de la lentille de Fresnel doit faire face au conjugué le plus long (figures 3 – 4) car cela produit les meilleures performances.

Figure 3 : Collimation de la lumière d’une source ponctuelle avec une lentille de Fresnel

Collection de la lumière

L’une des applications les plus courantes pour une lentille de Fresnel est la collection de la lumière solaire, qui est considérée comme très presque parallèle (un système à conjugaison infinie). L’utilisation d’une lentille de Fresnel pour la collecte de la lumière est idéale pour concentrer la lumière sur une cellule photovoltaïque ou pour chauffer une surface. Par exemple, une lentille de Fresnel peut être utilisée pour l’entretien des maisons populaires, comme le chauffage d’une maison ou d’une piscine ! Dans ces cas, la surface globale de la lentille détermine la quantité de lumière collectée.

Figure 4 : Collimation de la lumière d’une source ponctuelle avec une lentille de Fresnel

Magnification

Une autre application courante de la lentille de Fresnel est la magnification. Elle peut être utilisée comme une loupe ou une lentille de projection ; cependant, en raison du niveau élevé de distorsion, ce n’est pas recommandé. De plus, la qualité de l’image n’est pas comparable à celle d’un système de plus grande précision étant donné le niveau de distorsion.

Bien qu’on les trouve couramment dans les applications solaires, les lentilles de Fresnel sont idéales pour toute application nécessitant des éléments de lentilles positives peu coûteux, minces et légers. Les lentilles de Fresnel ne sont pas une technologie nouvelle, mais leur omniprésence a augmenté avec l’amélioration des techniques de fabrication et des matériaux. Les lentilles de Fresnel sont des lentilles optiques vraiment uniques qui en font un outil formidable pour une gamme de conceptions optiques intéressantes et amusantes.