Advantages of Fresnel Lenses

理論｜製造｜応用

フレネルレンズとは、プラスチックにエッチングした同心の溝が連なっているレンズのことです。 薄くて軽い構造、小型から大型までのサイズ、および優れた集光能力により、さまざまなアプリケーションで使用できます。 フレネルレンズは、集光用としてコンデンサーシステムやエミッター/ディテクターシステムなどによく使用される。 また、照明装置や画像形成において、拡大鏡や投影レンズとして使用されることもあります。

フレネルレンズは、従来の光学レンズの曲面を、一連の同心円状の溝で置き換えたものです。 これらの溝は個々の屈折面として機能し、平行光線を曲げて共通の焦点距離にします(図1)。 その結果、フレネルレンズは、物理的に細いプロファイルでありながら、従来の光学レンズと同様に光を集めることができ、厚みのある対応するレンズよりもいくつかの利点を備えています。

フレネルレンズの理論

フレネルレンズを考案した原動力は、光の伝播方向が媒質内で（散乱しない限り）変化しないことである。 その代わり、光線は媒質の表面で偏向するだけである。 この物理的特性を利用するために、18世紀の物理学者たちは、今日フレネルレンズとして知られているものを作る実験を開始しました。 当時は、ガラスに溝を切り、湾曲した輪郭の環状リングを作った。 これを押し出すと、球面や非球面といった従来の曲面レンズができあがる（図2）。 このように、フレネルレンズは従来の光学レンズと同様の光学特性を持つため、用途に応じて若干優れた集光性能を発揮することができる。 また、溝密度が高いほど高画質、溝密度が低いほど高効率（集光用途に必要）である。 図2：平凸レンズ（PCX）とフレネルレンズの側面比較

フレネルレンズの製造

最初のフレネルレンズは、ガラスを手でコツコツと削って研磨して作られたものでした。 最終的には、溶けたガラスを型に流し込みましたが、多くの産業および商業用途でフレネルレンズの使用が実用化されたのは、20世紀になって光学品質のプラスチックと射出成形技術が開発されてからのことです。 希望する動作波長に応じて、アクリル、ポリカーボネート、ビニールなどから製造されます。 アクリルは可視および紫外線（UV）領域での透過率が高いため、最も一般的な基板ですが、ポリカーボネートは衝撃や高温への耐性があるため、過酷な環境下で選択される基板です。 それ以来、フレネルレンズは、光の平行化や集光、拡大などさまざまな用途に活用されてきました。

Light Collimation

フレネルレンズは、光源から1焦点距離離せば、点光源を簡単に平行化することができます。 有限共役系では、フレネルレンズの溝のある側を共役の長い方に向けると（図3-4）、最も良い性能が得られます。

集光

フレネルレンズの最も一般的なアプリケーションの1つは、非常に平行に近いと考えられる太陽光の集光（無限共役系）である。 集光にフレネルレンズを用いると、太陽電池への集光や表面の加熱に最適です。 例えば、家庭やプールの暖房など、人気の高いホームメンテナンスにフレネルレンズを利用することができます このような場合、レンズの全体表面積が集光量を決定します。

Magnification

フレネルレンズのもう一つの一般的な用途は拡大です。 拡大鏡や投影レンズとして使用できますが、歪曲収差が大きいため、あまりお勧めできません。

フレネルレンズはソーラー用で一般的ですが、安価で薄くて軽い正レンズが必要なあらゆるアプリケーションで理想的なレンズと言えます。 フレネルレンズは新しい技術ではないが、製造技術や材料の向上により、その普及率は高まっている。 フレネルレンズは、実にユニークな光学レンズであり、さまざまな興味深く楽しい光学設計のための素晴らしいツールです。