Voordelen van Fresnel Lenzen

Theorie | Fabricage | Toepassingen

Fresnel lenzen bestaan uit een serie concentrische groeven die in kunststof zijn geëtst. Hun dunne, lichtgewichtbouw, beschikbaarheid in kleine zowel als grote grootte, en uitstekend licht het verzamelen vermogen maken hen nuttig in een verscheidenheid van toepassingen. Fresnellenzen worden het vaakst gebruikt in lichtverzamelende toepassingen, zoals condensatorsystemen of zender/detectoropstellingen. Zij kunnen ook worden gebruikt als vergrotings- of projectielenzen in verlichtingssystemen, en beeldformulering.

Een Fresnel (spreek uit: fray-NEL) lens vervangt het gebogen oppervlak van een conventionele optische lens door een reeks concentrische groeven. Deze contouren fungeren als afzonderlijke brekingsoppervlakken, waardoor parallelle lichtstralen worden afgebogen tot een gemeenschappelijke brandpuntsafstand (figuur 1). Dientengevolge is een Fresnel-lens, hoewel fysiek smal van profiel, in staat om licht te focussen vergelijkbaar met een conventionele optische lens, maar heeft verschillende voordelen ten opzichte van zijn dikkere tegenhanger.

DE THEORIE VAN DE FresNEL-LENS

Het principe achter het ontwerp van een Fresnel-lens is dat de voortplantingsrichting van licht in een medium niet verandert (tenzij het verstrooid wordt). In plaats daarvan worden lichtstralen alleen aan de oppervlakken van een medium afgebogen. Dientengevolge dient de bulk van het materiaal in het centrum van een lens slechts om de hoeveelheid gewicht en absorptie binnen het systeem te vergroten.

Om van deze fysische eigenschap te profiteren, begonnen 18e-eeuwse natuurkundigen te experimenteren met de schepping van wat tegenwoordig bekend staat als een Fresnel-lens. In die tijd werden groeven in een stuk glas gesneden om ringvormige ringen met een gebogen profiel te maken. Wanneer dit gebogen profiel werd geëxtrudeerd, vormde het een conventionele, gebogen lens – sferisch of asferisch (figuur 2). Door deze vergelijkbare optische eigenschap in vergelijking met een conventionele optische lens, kan een Fresnel-lens, afhankelijk van de toepassing, iets betere scherpstelprestaties bieden. Bovendien maakt een hoge groefdichtheid beelden van hogere kwaliteit mogelijk, terwijl een lage groefdichtheid een betere efficiëntie oplevert (zoals nodig bij lichtverzamelingstoepassingen). Het is echter belangrijk op te merken dat wanneer beeldvorming met hoge precisie vereist is, conventionele singlet, doublet, of asferische optische lenzen nog steeds het beste zijn.

FABRICAAT VAN FRESNEL LENSEN

De eerste Fresnel lenzen werden gemaakt door moeizaam glas met de hand te slijpen en op te poetsen. Uiteindelijk werd gesmolten glas in mallen gegoten, maar pas met de ontwikkeling van kunststoffen van optische kwaliteit en spuitgiettechnologie in de 20e eeuw werd het gebruik van Fresnel-lenzen in veel industriële en commerciële toepassingen praktisch.

Fresnel-lenzen kunnen worden vervaardigd uit een verscheidenheid van substraten. Zij worden vervaardigd van acryl tot polycarbonaat tot vinyl, afhankelijk van de gewenste golflengte van de werking. Acryl is het meest voorkomende substraat wegens zijn hoge transmissie in de zichtbare en ultraviolette (UV) gebieden, maar polycarbonaat is het substraat van keus in ruwe milieu’s wegens zijn weerstand tegen effect en hoge temperature.

APPLICATIEVOORBEELDEN

Hoewel de Franse fysicus Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) niet de eerste was om een Fresnel-lens te conceptualiseren, was hij in staat om het te populariseren door het in vuurtorens te integreren. Sindsdien zijn Fresnel lenzen gebruikt in een verscheidenheid van toepassingen, van lichtcollimatie en lichtverzameling tot vergroting.

Lichtcollimatie

Een Fresnel lens kan gemakkelijk een puntbron collimeren door hem één brandpuntsafstand van de bron te plaatsen. In een eindig-conjugaatsysteem moet de gegroefde zijde van de Fresnel-lens naar de langere conjugaat zijn gericht (figuren 3 – 4), omdat dit de beste prestaties oplevert.

Lichtverzameling

Eén van de meest voorkomende toepassingen van een Fresnel-lens is het verzamelen van zonlicht, dat als zeer bijna parallel wordt beschouwd (een oneindig-conjugaat systeem). Het gebruik van een Fresnel-lens voor het opvangen van licht is ideaal voor het concentreren van licht op een fotovoltaïsche cel of voor het verwarmen van een oppervlak. Een Fresnel-lens kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor populair woningonderhoud zoals het verwarmen van een huis of zwembad! In deze gevallen bepaalt de totale oppervlakte van de lens de hoeveelheid opgevangen licht.

Vergrotings

Een andere veel voorkomende toepassing van een Fresnel-lens is vergroting. De lens kan worden gebruikt als vergrotings- of projectielens; vanwege de grote mate van vervorming is dit echter niet aan te bevelen. Ook is de beeldkwaliteit niet te vergelijken met die van een systeem met een hogere precisie, gezien de hoeveelheid vervorming.

Hoewel Fresnel-lenzen vaak worden aangetroffen in zonne-energietoepassingen, zijn ze ideaal voor elke toepassing waarbij goedkope, dunne, lichtgewicht positieve lenselementen nodig zijn. Fresnel-lenzen zijn geen nieuwe technologie, maar ze zijn alomtegenwoordig geworden door verbeteringen in fabricagetechnieken en materialen. Fresnel lenzen zijn werkelijk unieke optische lenzen, waardoor ze een geweldig hulpmiddel zijn voor een reeks interessante en leuke optische ontwerpen.