Vantagens das Lentes Fresnel

Lentes Fresnel consistem numa série de ranhuras concêntricas gravadas em plástico. A sua construção fina e leve, disponibilidade em tamanhos pequenos e grandes, e excelente capacidade de captação de luz tornam-nas úteis numa variedade de aplicações. As lentes Fresnel são mais frequentemente utilizadas em aplicações de recolha de luz, tais como sistemas de condensadores ou configurações de emissores/detectores. Elas também podem ser usadas como lupas ou lentes de projeção em sistemas de iluminação e formulação de imagens.

A lente Fresnel (pronunciada fray-NEL) substitui a superfície curva de uma lente óptica convencional por uma série de ranhuras concêntricas. Estes contornos actuam como superfícies individuais refractárias, dobrando os raios de luz paralelos a uma distância focal comum (Figura 1). Como resultado, uma lente Fresnel, embora fisicamente estreita no perfil, é capaz de focalizar a luz de forma semelhante a uma lente óptica convencional, mas tem várias vantagens sobre a sua contraparte mais espessa.

• Figura 1: Perfil de uma lente Fresnel
• TEORIA DA LENSA FRESNEL
• Figura 2: Comparação de perfil lateral de uma lente Plano-Convex (PCX) e de uma lente Fresnel
• MANUFACTURING FRESNEL LENSES
• EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
• Colimação de luz
• Figura 3: Colimação de luz de uma fonte pontual com uma lente Fresnel
• Recolha de luz
• Figura 4: Colimação de luz de uma fonte de luz com uma lente Fresnel
• Magnificação

Figura 1: Perfil de uma lente Fresnel

TEORIA DA LENSA FRESNEL

O princípio de condução subjacente à concepção de uma lente Fresnel é que a direcção de propagação da luz não se altera dentro de um meio (a não ser que esteja dispersa). Em vez disso, os raios de luz são apenas desviados nas superfícies de um meio. Como resultado, a maior parte do material no centro de uma lente serve apenas para aumentar a quantidade de peso e absorção dentro do sistema.

Para tirar proveito dessa propriedade física, os físicos do século 18 começaram a experimentar a criação do que é conhecido hoje como uma lente Fresnel. Nessa época, ranhuras eram cortadas em um pedaço de vidro para criar anéis anulares de perfil curvo. Este perfil curvo, quando extrudido, formava uma lente curva convencional – esférica ou asférica (Figura 2). Devido a esta propriedade óptica semelhante à de uma lente óptica convencional, uma lente Fresnel pode oferecer um desempenho de focalização ligeiramente melhor, dependendo da aplicação. Além disso, a alta densidade de ranhuras permite imagens de maior qualidade, enquanto que a baixa densidade de ranhuras produz uma melhor eficiência (conforme necessário em aplicações de captação de luz). No entanto, é importante notar que quando é necessária uma imagem de alta precisão, as lentes ópticas convencionais singlet, doublet ou asféricas ainda são melhores.

Figura 2: Comparação de perfil lateral de uma lente Plano-Convex (PCX) e de uma lente Fresnel

MANUFACTURING FRESNEL LENSES

As primeiras lentes Fresnel foram feitas por um vidro tedioso e polido à mão. Eventualmente, o vidro fundido foi vertido em moldes, mas foi apenas com o desenvolvimento de plásticos de qualidade óptica e tecnologia de moldagem por injeção no século 20 que o uso de lentes Fresnel em muitas aplicações industriais e comerciais se tornou prático.

Lentes Fresnel podem ser fabricadas a partir de uma variedade de substratos. São fabricadas de acrílico a policarbonato e vinil, dependendo do comprimento de onda de operação desejado. O acrílico é o substrato mais comum devido à sua alta transmitância nas regiões visível e ultravioleta (UV), mas o policarbonato é o substrato de escolha em ambientes agressivos devido à sua resistência ao impacto e alta temperatura.

EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

Embora o físico francês Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) não tenha sido o primeiro a conceptualizar uma lente Fresnel, ele foi capaz de popularizá-la, integrando-a em faróis. Desde então, as lentes Fresnel têm sido utilizadas em uma variedade de aplicações, desde a colimação e coleta de luz até a ampliação.

Colimação de luz

Uma lente Fresnel pode colimar facilmente uma fonte pontual, colocando-a a uma distância focal da fonte. Num sistema conjugado finito, o lado ranhurado da lente Fresnel deve ficar virado para o conjugado mais longo (Figuras 3 – 4), porque isso produz o melhor desempenho.

Figura 3: Colimação de luz de uma fonte pontual com uma lente Fresnel

Recolha de luz

Uma das aplicações mais comuns para uma lente Fresnel é a recolha de luz solar, que é considerada muito paralela (um sistema conjugado infinito). A utilização de uma lente Fresnel para recolha de luz é ideal para concentrar a luz numa célula fotovoltaica ou para aquecer uma superfície. Por exemplo, uma lente Fresnel pode ser usada para a manutenção de uma casa popular, como por exemplo, para aquecer uma casa ou uma piscina! Nestes casos, a área total da superfície da lente determina a quantidade de luz recolhida.

Figura 4: Colimação de luz de uma fonte de luz com uma lente Fresnel

Magnificação

Outra aplicação comum para uma lente Fresnel é a ampliação. Pode ser usada como lupa ou lente de projeção; entretanto, devido ao alto nível de distorção, isto não é recomendado. Além disso, a qualidade da imagem não se compara à de um sistema de maior precisão, dada a quantidade de distorção.

Apesar de ser comum em aplicações solares, as lentes Fresnel são ideais para qualquer aplicação que necessite de elementos positivos leves, finos e baratos. As lentes Fresnel não são uma tecnologia nova, mas a sua penetração aumentou com melhorias nas técnicas e materiais de fabrico. As lentes Fresnel são lentes ópticas verdadeiramente únicas que as tornam uma excelente ferramenta para uma gama de desenhos ópticos interessantes e divertidos.