Svantaggi delle lenti di Fresnel

Teoria | Produzione | Applicazioni

Le lenti di Fresnel consistono in una serie di scanalature concentriche incise nella plastica. La loro costruzione sottile e leggera, la disponibilità in dimensioni piccole e grandi, e l’eccellente capacità di raccolta della luce le rendono utili in una varietà di applicazioni. Le lenti di Fresnel sono più spesso utilizzate in applicazioni di raccolta della luce, come i sistemi a condensatore o le configurazioni emettitore/rivelatore. Possono anche essere utilizzati come ingranditori o lenti di proiezione in sistemi di illuminazione e formulazione di immagini.

Una lente Fresnel (pronunciato fray-NEL) sostituisce la superficie curva di una lente ottica convenzionale con una serie di scanalature concentriche. Questi contorni agiscono come superfici rifrangenti individuali, piegando i raggi di luce paralleli ad una lunghezza focale comune (Figura 1). Come risultato, una lente di Fresnel, mentre fisicamente stretta nel profilo, è in grado di focalizzare la luce in modo simile a una lente ottica convenzionale, ma ha diversi vantaggi rispetto alla sua controparte più spessa.

• Figura 1: Profilo di una lente di Fresnel
• LA TEORIA DELLE LENTI DI FRESNEL
• Figura 2: Confronto del profilo laterale di una lente Plano-Convex (PCX) e di una lente Fresnel
• FABBRICAZIONE DELLE LENTI FRESNEL
• ESEMPI DI ESPLICAZIONE
• Collimazione della luce
• Figura 3: Collimazione della luce di una sorgente puntiforme con una lente di Fresnel
• Raccolta della luce
• Figura 4: Collimazione della luce di una sorgente puntiforme con una lente di Fresnel
• Ingrandimento

Figura 1: Profilo di una lente di Fresnel

LA TEORIA DELLE LENTI DI FRESNEL

Il principio guida dietro la concezione di una lente di Fresnel è che la direzione di propagazione della luce non cambia all’interno di un mezzo (a meno che non sia diffusa). Invece, i raggi di luce sono deviati solo alle superfici di un mezzo. Di conseguenza, la massa del materiale al centro di una lente serve solo ad aumentare la quantità di peso e di assorbimento all’interno del sistema.

Per approfittare di questa proprietà fisica, i fisici del XVIII secolo iniziarono a sperimentare la creazione di quella che oggi è conosciuta come una lente di Fresnel. A quel tempo, le scanalature venivano tagliate in un pezzo di vetro per creare anelli anulari di un profilo curvo. Questo profilo curvo, quando estruso, formava una lente curva convenzionale – sferica o asferica (Figura 2). A causa di questa proprietà ottica simile rispetto a una lente ottica convenzionale, una lente di Fresnel può offrire prestazioni di messa a fuoco leggermente migliori, a seconda dell’applicazione. Inoltre, un’alta densità di scanalature permette immagini di qualità superiore, mentre una bassa densità di scanalature offre una migliore efficienza (come necessario nelle applicazioni di raccolta della luce). Tuttavia, è importante notare che quando è richiesto un imaging di alta precisione, le lenti ottiche convenzionali singoletto, doppietto o asferiche sono ancora le migliori.

Figura 2: Confronto del profilo laterale di una lente Plano-Convex (PCX) e di una lente Fresnel

FABBRICAZIONE DELLE LENTI FRESNEL

Le prime lenti Fresnel erano fatte tediosamente macinando e lucidando il vetro a mano. Alla fine, il vetro fuso fu versato in stampi, ma fu solo con lo sviluppo della plastica di qualità ottica e della tecnologia di stampaggio a iniezione nel 20° secolo che l’uso delle lenti Fresnel in molte applicazioni industriali e commerciali divenne pratico.

Le lenti Fresnel possono essere prodotte da una varietà di substrati. Sono prodotte dall’acrilico al policarbonato al vinile, a seconda della lunghezza d’onda desiderata per il funzionamento. L’acrilico è il substrato più comune a causa della sua alta trasmittanza nelle regioni visibili e ultraviolette (UV), ma il policarbonato è il substrato di scelta in ambienti difficili grazie alla sua resistenza agli urti e alle alte temperature.

ESEMPI DI ESPLICAZIONE

Anche se il fisico francese Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) non fu il primo a concettualizzare una lente di Fresnel, fu in grado di renderla popolare integrandola nei fari. Da allora, le lenti di Fresnel sono state utilizzate in una varietà di applicazioni, dalla collimazione della luce e la raccolta della luce all’ingrandimento.

Collimazione della luce

Una lente di Fresnel può facilmente collimare una sorgente puntiforme ponendola a una lunghezza focale dalla sorgente. In un sistema coniugato finito, il lato scanalato della lente di Fresnel dovrebbe essere rivolto verso il coniugato più lungo (figure 3 – 4) perché questo produce le migliori prestazioni.

Figura 3: Collimazione della luce di una sorgente puntiforme con una lente di Fresnel

Raccolta della luce

Una delle applicazioni più comuni per una lente di Fresnel è la raccolta della luce solare, che è considerata molto quasi parallela (un sistema coniugato infinito). L’uso di una lente di Fresnel per la raccolta della luce è ideale per concentrare la luce su una cella fotovoltaica o per riscaldare una superficie. Per esempio, una lente di Fresnel può essere utilizzata per la manutenzione domestica popolare come il riscaldamento della casa o della piscina! In questi casi, la superficie complessiva della lente determina la quantità di luce raccolta.

Figura 4: Collimazione della luce di una sorgente puntiforme con una lente di Fresnel

Ingrandimento

Un’altra applicazione comune per una lente di Fresnel è l’ingrandimento. Può essere usata come lente d’ingrandimento o di proiezione; tuttavia, a causa dell’alto livello di distorsione, questo non è raccomandato. Inoltre, la qualità dell’immagine non è paragonabile a quella di un sistema di maggiore precisione data la quantità di distorsione.

Mentre si trovano comunemente in applicazioni solari, le lenti di Fresnel sono ideali per qualsiasi applicazione che richiede elementi di lenti positive economiche, sottili e leggere. Le lenti di Fresnel non sono una nuova tecnologia, ma la loro pervasività è aumentata con i miglioramenti nelle tecniche di produzione e nei materiali. Le lenti di Fresnel sono lenti ottiche veramente uniche che le rendono un grande strumento per una gamma di progetti ottici interessanti e divertenti.