Avantajele lentilelor Fresnel

Teorie | Fabricație | Aplicații

Lentilele Fresnel constau dintr-o serie de caneluri concentrice gravate în plastic. Construcția lor subțire și ușoară, disponibilitatea atât în dimensiuni mici, cât și în dimensiuni mari, precum și capacitatea excelentă de colectare a luminii le fac utile într-o varietate de aplicații. Lentilele Fresnel sunt utilizate cel mai adesea în aplicații de colectare a luminii, cum ar fi sistemele de condensare sau configurațiile emițător/detector. Ele pot fi, de asemenea, utilizate ca lentile de mărire sau de proiecție în sistemele de iluminare și de formulare a imaginilor.

O lentilă Fresnel (pronunțat fray-NEL) înlocuiește suprafața curbată a unei lentile optice convenționale cu o serie de caneluri concentrice. Aceste contururi acționează ca suprafețe refractare individuale, curbând razele de lumină paralele la o distanță focală comună (figura 1). Ca urmare, o lentilă Fresnel, deși are un profil fizic îngust, este capabilă să focalizeze lumina în mod similar cu o lentilă optică convențională, dar are mai multe avantaje față de omologul său mai gros.

• Figura 1: Profilul unei lentile Fresnel
• TEORIA LENTILOR FRESNEL
• Figura 2: Comparație între profilul lateral al unei lentile Plano-Convexe (PCX) și al unei lentile Fresnel
• Fabricarea lentilelor Fresnel
• EXEMPLE DE APLICAȚII
• Colimarea luminii
• Figura 3: Colimarea luminii unei surse punctiforme cu o lentilă Fresnel
• Colectarea luminii
• Figura 4: Colimarea luminii unei surse punctiforme cu o lentilă Fresnel
• Magnificare

Figura 1: Profilul unei lentile Fresnel

TEORIA LENTILOR FRESNEL

Principiul care stă la baza conceperii unei lentile Fresnel este acela că direcția de propagare a luminii nu se modifică în interiorul unui mediu (cu excepția cazului în care este dispersată). În schimb, razele de lumină sunt deviate doar la suprafețele unui mediu. Ca urmare, grosimea materialului din centrul unei lentile servește doar la creșterea cantității de greutate și absorbție în cadrul sistemului.

Pentru a profita de această proprietate fizică, fizicienii din secolul al XVIII-lea au început să experimenteze crearea a ceea ce este cunoscut astăzi sub numele de lentilă Fresnel. La acea vreme, canelurile erau tăiate într-o bucată de sticlă pentru a crea inele inelare cu profil curbat. Acest profil curbat, atunci când era extrudat, forma o lentilă convențională, curbată – fie sferică, fie asferică (figura 2). Datorită acestei proprietăți optice similare în comparație cu o lentilă optică convențională, o lentilă Fresnel poate oferi o performanță de focalizare ușor mai bună, în funcție de aplicație. În plus, o densitate ridicată a canelurilor permite obținerea unor imagini de calitate superioară, în timp ce o densitate scăzută a canelurilor oferă o eficiență mai bună (așa cum este necesar în aplicațiile de colectare a luminii). Cu toate acestea, este important de reținut că, atunci când sunt necesare imagini de mare precizie, lentilele optice convenționale singlet, dublet sau asferice sunt în continuare cele mai bune.

Figura 2: Comparație între profilul lateral al unei lentile Plano-Convexe (PCX) și al unei lentile Fresnel

Fabricarea lentilelor Fresnel

Primele lentile Fresnel au fost realizate prin șlefuirea și lustruirea plictisitoare a sticlei manual. În cele din urmă, sticla topită a fost turnată în matrițe, dar numai odată cu dezvoltarea materialelor plastice de calitate optică și a tehnologiei de turnare prin injecție în secolul al XX-lea, utilizarea lentilelor Fresnel în multe aplicații industriale și comerciale a devenit practică.

Lentilele Fresnel pot fi fabricate dintr-o varietate de substraturi. Ele sunt fabricate din acrilic, policarbonat sau vinil, în funcție de lungimea de undă de funcționare dorită. Acrilicul este cel mai comun substrat datorită transmitanței sale ridicate în regiunile vizibilă și ultravioletă (UV), dar policarbonatul este substratul preferat în mediile dure datorită rezistenței sale la impact și la temperaturi ridicate.

EXEMPLE DE APLICAȚII

Deși fizicianul francez Augustin-Jean Fresnel (1788 – 1827) nu a fost primul care a conceptualizat o lentilă Fresnel, el a reușit să o popularizeze integrând-o în faruri. De atunci, lentilele Fresnel au fost utilizate într-o varietate de aplicații, de la colimarea și colectarea luminii până la mărire.

Colimarea luminii

O lentilă Fresnel poate colima cu ușurință o sursă punctiformă prin plasarea ei la o distanță focală de sursă. Într-un sistem cu conjugare finită, partea canelată a lentilei Fresnel trebuie să fie orientată spre conjugatul mai lung (figurile 3 – 4), deoarece astfel se obțin cele mai bune performanțe.

Figura 3: Colimarea luminii unei surse punctiforme cu o lentilă Fresnel

Colectarea luminii

Una dintre cele mai comune aplicații pentru o lentilă Fresnel este colectarea luminii solare, care este considerată foarte aproape paralelă (un sistem cu conjugare finită). Utilizarea unei lentile Fresnel pentru colectarea luminii este ideală pentru concentrarea luminii pe o celulă fotovoltaică sau pentru a încălzi o suprafață. De exemplu, o lentilă Fresnel poate fi utilizată pentru întreținerea populară a locuinței, cum ar fi încălzirea unei case sau a unei piscine! În aceste cazuri, suprafața totală a lentilei determină cantitatea de lumină colectată.

Figura 4: Colimarea luminii unei surse punctiforme cu o lentilă Fresnel

Magnificare

O altă aplicație comună pentru o lentilă Fresnel este mărirea. Ea poate fi utilizată ca o lentilă de mărire sau de proiecție; cu toate acestea, din cauza nivelului ridicat de distorsiune, acest lucru nu este recomandat. De asemenea, calitatea imaginii nu se compară cu cea a unui sistem de precizie mai mare, având în vedere gradul de distorsiune.

Deși se găsesc în mod obișnuit în aplicațiile solare, lentilele Fresnel sunt ideale pentru orice aplicație care necesită elemente de lentilă pozitive ieftine, subțiri și ușoare. Lentilele Fresnel nu sunt o tehnologie nouă, dar omniprezența lor a crescut odată cu îmbunătățirea tehnicilor de fabricație și a materialelor. Lentilele Fresnel sunt lentile optice cu adevărat unice, ceea ce le face un instrument excelent pentru o serie de modele optice interesante și distractive.