A Fresnel-lencsék előnyei

elmélet | gyártás | alkalmazások

A Fresnel-lencsék műanyagba maratott koncentrikus barázdák sorozatából állnak. Vékony, könnyű szerkezetük, kis és nagy méretben való elérhetőségük és kiváló fénygyűjtő képességük miatt számos alkalmazásban hasznosak. A Fresnel-lencséket leggyakrabban fénygyűjtő alkalmazásokban, például kondenzátor rendszerekben vagy emitter/detektor elrendezésekben használják. Nagyítóként vagy vetítőlencseként is használhatók megvilágítási rendszerekben és képalkotásban.

A Fresnel-lencse (ejtsd: fray-NEL) a hagyományos optikai lencsék ívelt felületét koncentrikus barázdák sorozatával helyettesíti. Ezek a kontúrok egyedi fénytörő felületként működnek, és a párhuzamos fénysugarakat közös fókusztávolságra hajlítják (1. ábra). Ennek eredményeként a Fresnel-lencse, bár fizikailag keskeny profilú, a hagyományos optikai lencséhez hasonlóan képes a fény fókuszálására, de számos előnnyel rendelkezik vastagabb megfelelőjével szemben.

• 1. ábra: A Fresnel-lencse profilja
• A FRESNEL-lencsék elmélete
• 2. ábra: Egy plano-konvex (PCX) és egy Fresnel-lencse oldalprofiljának összehasonlítása
• Fresnel-lencsék gyártása
• ALKALMAZÁSI PÉLDÁK
• Fénykollimálás
• 3. ábra: Egy pontforrás fénykollimálása Fresnel-lencsével
• Fénygyűjtés
• 4. ábra: Egy pontforrás fénykollimációja Fresnel-lencsével
• Nagyítás

1. ábra: A Fresnel-lencse profilja

A FRESNEL-lencsék elmélete

A Fresnel-lencse koncepciójának mozgatórugója, hogy a fény terjedési iránya egy közegben nem változik (hacsak nem szóródik). Ehelyett a fénysugarak csak a közeg felületeinél térnek el. Ennek eredményeként a lencse közepén lévő anyagtömeg csak arra szolgál, hogy növelje a rendszeren belüli súlyt és elnyelést.

Azért, hogy ezt a fizikai tulajdonságot kihasználják, a 18. századi fizikusok kísérletezni kezdtek a ma Fresnel-lencseként ismert lencse létrehozásával. Ekkor egy üvegdarabba hornyokat vágtak, hogy ívelt profilú, gyűrű alakú gyűrűket hozzanak létre. Ezt az ívelt profilt extrudálva egy hagyományos, ívelt – gömb- vagy aszférikus – lencsét alkottak (2. ábra). A hagyományos optikai lencséhez hasonló optikai tulajdonság miatt a Fresnel-lencse az alkalmazástól függően valamivel jobb fókuszálási teljesítményt tud nyújtani. Ezenkívül a nagy barázdsűrűség jobb minőségű képeket tesz lehetővé, míg az alacsony barázdsűrűség jobb hatékonyságot eredményez (ahogyan az a fénygyűjtő alkalmazásokban szükséges). Fontos azonban megjegyezni, hogy ha nagy pontosságú képalkotásra van szükség, még mindig a hagyományos szingulett, dublett vagy aszférikus optikai lencsék a legjobbak.

2. ábra: Egy plano-konvex (PCX) és egy Fresnel-lencse oldalprofiljának összehasonlítása

Fresnel-lencsék gyártása

Az első Fresnel-lencséket az üveg fáradságos kézi csiszolásával és csiszolásával készítették. Végül az olvadt üveget öntőformákba öntötték, de csak az optikai minőségű műanyagok és a fröccsöntési technológia 20. századi fejlődésével vált a Fresnel-lencsék használata számos ipari és kereskedelmi alkalmazásban praktikussá.

A Fresnel-lencsék többféle alapanyagból is gyárthatók. A kívánt működési hullámhossztól függően gyártják őket akrilból, polikarbonátból vagy vinilből. Az akril a legelterjedtebb szubsztrát a látható és az ultraibolya (UV) tartományban való magas fényáteresztő képessége miatt, de a polikarbonát az ütésállósága és a magas hőmérséklettel szembeni ellenálló képessége miatt a választott szubsztrát a zord környezetben.

ALKALMAZÁSI PÉLDÁK

Míg Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) francia fizikus nem elsőként fogalmazta meg a Fresnel-lencsét, a világítótornyokba való beépítésével sikerült népszerűsítenie azt. Azóta a Fresnel-lencséket számos alkalmazásban használják, a fény kollimálásától a fénygyűjtésen át a nagyításig.

Fénykollimálás

A Fresnel-lencse könnyen kollimálhat egy pontforrást, ha a forrástól egy fókusztávolságra helyezi. Véges konjugált rendszerben a Fresnel-lencse barázdált oldalának a hosszabb konjugált felé kell néznie (3-4. ábra), mert ez adja a legjobb teljesítményt.

3. ábra: Egy pontforrás fénykollimálása Fresnel-lencsével

Fénygyűjtés

A Fresnel-lencse egyik leggyakoribb alkalmazási területe a napfény gyűjtése, amelyet nagyon közel párhuzamosnak tekintünk (végtelen konjugált rendszer). A Fresnel-lencse fénygyűjtésre való használata ideális a fény koncentrálására egy fotovoltaikus cellára vagy egy felület fűtésére. A Fresnel-lencse például népszerű otthoni karbantartásra, például a lakás vagy a medence fűtésére használható! Ezekben az esetekben a lencse teljes felülete határozza meg az összegyűjtött fény mennyiségét.

4. ábra: Egy pontforrás fénykollimációja Fresnel-lencsével

Nagyítás

A Fresnel-lencse másik gyakori alkalmazása a nagyítás. Használható nagyítóként vagy vetítőlencseként; a nagyfokú torzítás miatt azonban ez nem ajánlott. Emellett a képminőség a torzítás mértéke miatt nem hasonlítható össze egy nagyobb pontosságú rendszerével.

Míg a Fresnel-lencsék általában napelemes alkalmazásokban találhatók, ideálisak minden olyan alkalmazáshoz, amely olcsó, vékony, könnyű pozitív lencsetagokat igényel. A Fresnel-lencsék nem új technológia, de elterjedtségük a gyártási technikák és anyagok fejlődésével nőtt. A Fresnel-lencsék valóban egyedi optikai lencsék, ami számos érdekes és szórakoztató optikai tervezéshez teszi őket nagyszerű eszközzé.