Fördelar med Fresnel-linser

Teori | Tillverkning | Tillämpningar

Fresnel-linser består av en serie koncentriska spår som är etsade i plast. Deras tunna, lätta konstruktion, tillgänglighet i såväl små som stora storlekar och utmärkta ljusinsamlingsförmåga gör dem användbara i en mängd olika tillämpningar. Fresnel-linser används oftast i ljusinsamlingstillämpningar, t.ex. i kondensorsystem eller emitter-/detektoruppsättningar. De kan också användas som förstoringslinser eller projektionslinser i belysningssystem och bildformulering.

En Fresnel-lins (uttalas fray-NEL) ersätter den böjda ytan hos en konventionell optisk lins med en serie koncentriska rännor. Dessa konturer fungerar som individuella brytningsytor och böjer parallella ljusstrålar till en gemensam brännvidd (figur 1). Som ett resultat av detta kan en Fresnel-lins, även om den är fysiskt smal i profilen, fokusera ljus på samma sätt som en konventionell optisk lins, men har flera fördelar jämfört med sin tjockare motsvarighet.

• Figur 1: Profil för en Fresnel-lins
• THEORIN OM FRESNEL-LINSER
• Figur 2: Sidoprofiljämförelse mellan en planokonvex (PCX) och en Fresnel-lins
• FRAMSTÄLLNING AV FRESNEL-LÄNSSOR
• AVSÄTTNINGSBEVIS
• Ljuskollimation
• Figur 3: Ljuskollimation av en punktkälla med en Fresnel-lins
• Ljusinsamling
• Figur 4: Ljuskollimation av en punktkälla med en Fresnel-lins
• Förstoring

Figur 1: Profil för en Fresnel-lins

THEORIN OM FRESNEL-LINSER

Den drivande principen bakom uppfattningen om en Fresnel-lins är att ljusets utbredningsriktning inte förändras i ett medium (såvida det inte sprids). Istället avviker ljusstrålarna endast vid ytorna i ett medium. Som ett resultat av detta tjänar huvuddelen av materialet i mitten av en lins endast till att öka mängden vikt och absorption inom systemet.

För att dra nytta av denna fysikaliska egenskap började fysiker på 1700-talet experimentera med skapandet av det som idag är känt som en Fresnel-lins. På den tiden skar man rännor i en glasbit för att skapa ringformade ringar med en böjd profil. När den böjda profilen strängades ut bildade den en konventionell, böjd lins – antingen sfärisk eller asfärisk (figur 2). På grund av denna liknande optiska egenskap jämfört med en konventionell optisk lins kan en Fresnel-lins ge något bättre fokuseringsprestanda, beroende på tillämpningen. Dessutom ger hög spårtäthet bilder av högre kvalitet, medan låg spårtäthet ger bättre effektivitet (vilket behövs i tillämpningar för att samla in ljus). Det är dock viktigt att notera att när det krävs avbildning med hög precision är konventionella singlet-, doublet- eller asfäriska optiska linser fortfarande bäst.

Figur 2: Sidoprofiljämförelse mellan en planokonvex (PCX) och en Fresnel-lins

FRAMSTÄLLNING AV FRESNEL-LÄNSSOR

De första Fresnel-linserna tillverkades genom att man slitsamt slipade och polerade glas för hand. Så småningom hälldes smält glas i formar, men det var först med utvecklingen av plast av optisk kvalitet och formsprutningsteknik under 1900-talet som användningen av Fresnel-linser i många industriella och kommersiella tillämpningar blev praktisk.

Fresnel-linser kan tillverkas av en mängd olika substrat. De tillverkas av akryl till polykarbonat till vinyl, beroende på önskad våglängd för verksamheten. Akryl är det vanligaste substratet på grund av dess höga transmittans i det synliga och ultravioletta (UV) området, men polykarbonat är det vanligaste substratet i tuffa miljöer på grund av dess motståndskraft mot stötar och höga temperaturer.

AVSÄTTNINGSBEVIS

Då den franske fysikern Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) inte var den förste som konceptualiserade en Fresnel-lins, lyckades han popularisera den genom att integrera den i fyrar. Sedan dess har Fresnel-linser använts i en mängd olika tillämpningar, från ljuskollimation och ljusinsamling till förstoring.

Ljuskollimation

En Fresnel-lins kan enkelt kollimera en punktkälla genom att placera den en brännvidd bort från källan. I ett system med finit konjugat bör Fresnel-linsens räfflade sida vara vänd mot det längre konjugatet (figurerna 3 och 4) eftersom detta ger den bästa prestandan.

Figur 3: Ljuskollimation av en punktkälla med en Fresnel-lins

Ljusinsamling

En av de vanligaste tillämpningarna för en Fresnel-lins är insamling av solljus, som anses vara mycket nära parallellt (ett oändligt konjugerat system). Att använda en Fresnel-lins för ljusinsamling är idealiskt för att koncentrera ljuset till en solcell eller för att värma en yta. En Fresnel-lins kan till exempel användas för populärt hemunderhåll, till exempel för att värma upp ett hem eller en pool! I dessa fall bestämmer linsens totala yta mängden insamlat ljus.

Figur 4: Ljuskollimation av en punktkälla med en Fresnel-lins

Förstoring

En annan vanlig tillämpning för en Fresnel-lins är förstoring. Den kan användas som förstoringsglas eller projektionslins, men på grund av den höga graden av förvrängning rekommenderas inte detta. Dessutom är bildkvaliteten inte jämförbar med den för ett system med högre precision med tanke på mängden distorsion.

Som vanligt förekommande i solcellstillämpningar är Fresnel-linser idealiska för alla tillämpningar som kräver billiga, tunna, lätta positiva linselement. Fresnel-linser är ingen ny teknik, men deras utbredning har ökat i takt med att tillverkningsteknik och material har förbättrats. Fresnel-linser är verkligt unika optiska linser som gör dem till ett utmärkt verktyg för en rad intressanta och roliga optiska konstruktioner.