Wady soczewek Fresnela

Teoria | Produkcja | Zastosowania

Soczewki Fresnela składają się z serii koncentrycznych rowków wytrawionych w plastiku. Ich cienka, lekka konstrukcja, dostępność zarówno w małych, jak i dużych rozmiarach oraz doskonała zdolność gromadzenia światła sprawiają, że są one przydatne w wielu zastosowaniach. Soczewki Fresnela są najczęściej używane w zastosowaniach wymagających zbierania światła, takich jak systemy kondensorowe lub układy emiter/detektor. Mogą być również używane jako lupy lub soczewki projekcyjne w systemach oświetleniowych oraz do tworzenia obrazów.

Soczewka Fresnela (wymawiana jako fray-NEL) zastępuje zakrzywioną powierzchnię konwencjonalnej soczewki optycznej serią koncentrycznych rowków. Te kontury działają jak indywidualne powierzchnie załamujące, zaginając równoległe promienie świetlne do wspólnej ogniskowej (rysunek 1). W rezultacie soczewka Fresnela, choć fizycznie wąska w profilu, jest w stanie skupiać światło podobnie jak konwencjonalna soczewka optyczna, ale ma kilka zalet w porównaniu ze swoim grubszym odpowiednikiem.

• Rysunek 1: Profil soczewki Fresnela
• TEORIA SOCZEWEK FRESNELA
• Ilustracja 2: Porównanie profilu bocznego soczewki plano-wypukłej (PCX) i soczewki Fresnela
• WYTWARZANIE SOCZEWEK FRESNELA
• PRZYKŁADY PRZYKŁADÓW
• Kolimacja światła
• Ilustracja 3: Kolimacja światła źródła punktowego za pomocą soczewki Fresnela
• Zbieranie światła
• Ilustracja 4: Kolimacja światła źródła punktowego za pomocą soczewki Fresnela
• Powiększenie

Rysunek 1: Profil soczewki Fresnela

TEORIA SOCZEWEK FRESNELA

Zasadą leżącą u podstaw koncepcji soczewek Fresnela jest to, że kierunek rozchodzenia się światła nie zmienia się w danym ośrodku (chyba że jest rozproszony). Zamiast tego promienie świetlne są odchylane tylko na powierzchniach ośrodka. W rezultacie masa materiału w środku soczewki służy jedynie zwiększeniu masy i absorpcji w systemie.

Aby wykorzystać tę właściwość fizyczną, fizycy z XVIII wieku zaczęli eksperymentować z tworzeniem tego, co dziś znane jest jako soczewka Fresnela. W tym czasie, rowki zostały wycięte w kawałku szkła w celu utworzenia pierścieni o zakrzywionym profilu. Ten zakrzywiony profil, po wytłoczeniu, tworzył konwencjonalną, zakrzywioną soczewkę – sferyczną lub asferyczną (rysunek 2). Ze względu na tę podobną właściwość optyczną w porównaniu z konwencjonalną soczewką optyczną soczewka Fresnela może oferować nieco lepsze parametry ogniskowania, w zależności od zastosowania. Ponadto duża gęstość rowków umożliwia uzyskanie obrazów o wyższej jakości, natomiast mała gęstość rowków zapewnia większą wydajność (co jest konieczne w zastosowaniach wymagających zbierania światła). Należy jednak pamiętać, że gdy wymagana jest wysoka precyzja obrazowania, nadal najlepsze są konwencjonalne soczewki jednokrotne, dwukrotne lub asferyczne.

Ilustracja 2: Porównanie profilu bocznego soczewki plano-wypukłej (PCX) i soczewki Fresnela

WYTWARZANIE SOCZEWEK FRESNELA

Pierwsze soczewki Fresnela były wykonywane przez żmudne ręczne szlifowanie i polerowanie szkła. W końcu roztopione szkło zaczęto wlewać do form, ale dopiero wraz z rozwojem tworzyw sztucznych o jakości optycznej i technologii formowania wtryskowego w XX wieku soczewki Fresnela zaczęto wykorzystywać w wielu zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych.

Soczewki Fresnela można wytwarzać z różnych materiałów. Są one produkowane z akrylu, poliwęglanu i winylu, w zależności od pożądanej długości fali roboczej. Akryl jest najbardziej popularnym podłożem ze względu na wysoką przepuszczalność w zakresie światła widzialnego i ultrafioletu (UV), ale poliwęglan jest wybierany w trudnych warunkach ze względu na odporność na uderzenia i wysoką temperaturę.

PRZYKŁADY PRZYKŁADÓW

Mimo że francuski fizyk Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) nie był pierwszym, który stworzył koncepcję soczewki Fresnela, udało mu się ją spopularyzować dzięki zastosowaniu jej w latarniach morskich. Od tego czasu soczewki Fresnela były wykorzystywane w wielu zastosowaniach, od kolimacji światła i zbierania światła po powiększanie.

Kolimacja światła

Soczewka Fresnela może łatwo kolimować źródło punktowe, umieszczając ją w odległości jednej ogniskowej od źródła. W układzie o skończonej koniugacji, rowkowana strona soczewki Fresnela powinna być skierowana w stronę dłuższej koniugacji (Rysunki 3 – 4), ponieważ daje to najlepsze wyniki.

Ilustracja 3: Kolimacja światła źródła punktowego za pomocą soczewki Fresnela

Zbieranie światła

Jednym z najczęstszych zastosowań soczewki Fresnela jest zbieranie światła słonecznego, które jest uważane za bardzo prawie równoległe (układ nieskończenie sprzężony). Wykorzystanie soczewki Fresnela do zbierania światła jest idealne do skupiania światła na ogniwie fotowoltaicznym lub do ogrzewania powierzchni. Na przykład, soczewka Fresnela może być używana do popularnych prac domowych, takich jak ogrzewanie domu lub basenu! W tych przypadkach całkowita powierzchnia soczewki decyduje o ilości zebranego światła.

Ilustracja 4: Kolimacja światła źródła punktowego za pomocą soczewki Fresnela

Powiększenie

Innym powszechnym zastosowaniem soczewki Fresnela jest powiększanie. Można jej używać jako lupy lub soczewki projekcyjnej; jednak ze względu na wysoki poziom zniekształceń nie jest to zalecane. Ponadto jakość obrazu nie jest porównywalna z jakością systemu o wyższej precyzji ze względu na poziom zniekształceń.

Soczewki Fresnela są powszechnie stosowane w systemach słonecznych, ale idealnie nadają się do wszelkich zastosowań wymagających niedrogich, cienkich i lekkich elementów soczewek pozytywowych. Soczewki Fresnela nie są nową technologią, ale ich powszechność wzrosła wraz z udoskonaleniem technik produkcji i materiałów. Soczewki Fresnela są naprawdę unikalnymi soczewkami optycznymi, co czyni je doskonałym narzędziem dla wielu interesujących i zabawnych projektów optycznych.