Линза Френеля: компактная композитная оптика

Введение

Компактная композитная линза

Линза Френеля (англ. Fresnel lens, /ˈfrɛnəl/, /ˈfreɪnel/ или /frəˈnel/) – тип компактной композитной линзы, который позволяет уменьшить количество необходимого материала по сравнению с традиционной линзой за счет разделения линзы на набор концентрических кольцевых сегментов. Простейшая диоптрическая (только преломляющая) форма линзы была впервые предложена Жоржем Луи Леклерком, графом де Бюффоном, и независимо повторно изобретена французским физиком Огюстеном Жаном Френелем (1788–1827) для использования в маяках. Катадиоптическая форма линзы, полностью разработанная Френелем, имеет внешние призматические элементы, использующие полное внутреннее отражение, а также преломление, для захвата более косого света от источника и направления его в луч, что делает его более заметным на больших расстояниях. Такая конструкция позволяет создавать линзы с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием без значительной массы и объема материала, которые потребовались бы для линзы традиционной конструкции. Линзу Френеля можно сделать значительно тоньше, чем сопоставимую традиционную линзу, и в некоторых случаях она может иметь форму плоского листа. Благодаря использованию в маяках, её называют «изобретением, спасшим миллион кораблей».

Предшественники

Первым человеком, сфокусировавшим луч маяка с помощью линзы, по-видимому, был лондонский стеклорез Томас Роджерс, который предложил эту идею Троицкому Дому в 1788 году. Первые линзы Роджерса, диаметром 53 см и толщиной 14 см в центре, были установлены в Старом Нижнем маяке на Портленд-Билле в 1789 году. За каждой лампой находилось сферическое стеклянное зеркало с задним покрытием, которое отражало излучение обратно через лампу и в линзу. Дополнительные образцы были установлены в Хаут-Бейли, Норт-Форленд и, по крайней мере, в четырех других местах к 1804 году. Однако большая часть света терялась из-за поглощения в стекле. В 1748 году Жорж Луи Леклерк, граф де Буффон, первым заменил выпуклую линзу серией концентрических кольцевых призм, ограненных ступенями в одном куске стекла, чтобы уменьшить вес и поглощение. В 1790 году (хотя в некоторых источниках указываются даты 1773 или 1788 годы) маркиз де Кондорсе предположил, что было бы проще изготавливать кольцевые секции отдельно и собирать их на раме, но даже это оказалось непрактичным в то время. Эти конструкции предназначались не для маяков, а для линз для фокусировки солнечного света. Однако Дэвид Брюстер предложил систему, аналогичную системе Кондорсе, в 1811 году, и к 1820 году выступал за ее использование в британских маяках.

Публикация и доработка

Французская Комиссия по маякам (Commission des phares) была учреждена Наполеоном в 1811 году и находилась в ведении работодателя французского физика Огюстена Жана Френеля, Корпуса мостов и дорог. Поскольку члены комиссии были заняты другими делами, в первые годы она мало чего достигла. Однако 21 июня 1819 года, через три месяца после получения Гран-при Академии наук за свои знаменитые мемуары о дифракции, Френель был «временно» направлен в комиссию по рекомендации Франсуа Араго (член с 1813 года) для изучения возможных улучшений освещения маяков. К концу августа 1819 года, не зная о предложении Бюффона, Кондорсе и Брюстера, Френель представил комиссии свою первую презентацию, рекомендовав то, что он назвал линзами «по ступеням» (lentilles à échelons) для замены тогдашних отражателей, которые отражали лишь около половины падающего света. Другой доклад Френеля, датированный 29 августа 1819 года (Fresnel, 1866–70, том 3, с. 15–21), касается испытаний отражателей и не упоминает ступенчатые линзы, за исключением не относящегося к делу эскиза на последней странице рукописи. Протоколы заседаний Комиссии сохранились лишь с 1824 года, когда Френель сам занял должность секретаря. Таким образом, точная дата, когда Френель официально рекомендовал линзы «по ступеням», неизвестна. К большому смущению Френеля, один из присутствовавших комиссаров, Жак Шарль, вспомнил предложение Бюффона. Линзы Френеля были плоско-выпуклыми и состояли из нескольких призм для облегчения изготовления. Имея официальный бюджет в 500 франков, Френель обратился к трем производителям. Третий, Франсуа Сулей, нашел способ устранить дефекты путем повторного нагрева и переплавки стекла. Араго помог Френелю в разработке модифицированной лампы Арганда с концентрическими фитилями (концепция, которую Френель приписывал графу Румфорду), и случайно обнаружил, что рыбный клей термостоек, что делало его пригодным для использования в линзе. Прототип, завершенный в марте 1820 года, имел квадратную панель линзы размером 55 см со стороны, содержащую 97 многоугольных (не кольцевых) призм, и настолько впечатлил Комиссию, что Френеля попросили изготовить полную версию с восемью панелями. Эта модель, завершенная годом позже, несмотря на недостаточное финансирование, имела панели размером 76 см. В публичной демонстрации вечером 13 апреля 1821 года она была продемонстрирована в сравнении с самыми современными отражателями, которые она мгновенно устарела. Вскоре после этой демонстрации Френель опубликовал идею о том, что свет, включая, по-видимому, неполяризованный свет, состоит исключительно из поперечных волн, и продолжил рассматривать последствия двойного преломления и частичного отражения. Френель признал британские линзы и изобретение Бюффона в мемуарах, представленных 29 июля 1822 года и опубликованных в том же году. Дата этих мемуаров может быть источником утверждения, что пропаганда маяков Френелем началась на два года позже, чем у Брюстера; однако из текста ясно, что участие Френеля началось не позднее 1819 года. Следующей линзой Френеля был вращающийся аппарат с восемью панелями «бычий глаз», изготовленными в виде кольцевых дуг компанией Saint-Gobain. Ниже основных панелей было 128 маленьких зеркал, расположенных в четырех кольцах, сложенных как ламели жалюзи или решетки. Каждое кольцо, имеющее форму усеченного конуса, отражало свет на горизонт, создавая более слабый постоянный свет между вспышками. Официальное испытание, проведенное на недостроенной Триумфальной арке 20 августа 1822 года, было засвидетельствовано Комиссией и Людовиком XVIII с его свитой с расстояния 32 км. Аппарат был хранился в Бордо на зиму, а затем собран заново в маяке Кордуан под наблюдением Френеля, отчасти собственноручно. 25 июля 1823 года был зажжен первый в мире маяк с линзой Френеля. Как и ожидалось, свет был виден на горизонте, на расстоянии более 32 км. За день до испытания кордуанской линзы в Париже комитет Академии наук представил отчет о мемуарах и дополнениях Френеля о двойном преломлении, которые, хотя и менее известны современным читателям, чем его более ранние работы по дифракции, нанесли более решительный удар по волновой теории света. Между испытанием и сборкой в Кордуане Френель представил свои работы по фотоэластичности (16 сентября 1822 года), эллиптической и круговой поляризации и оптическому вращению (9 декабря) и частичному отражению и полному внутреннему отражению (7 января 1823 года), по сути завершив реконструкцию физической оптики на основе гипотезы о поперечной волне. Вскоре после зажжения кордуанской линзы Френель начал откашливать кровью. В мае 1824 года Френель был повышен до секретаря Комиссии по маякам, став первым членом этого органа, получающим заработную плату, хотя и одновременно занимая должность главного инженера. Позднее в том же году, из-за ухудшающегося здоровья, он сократил свои фундаментальные исследования и ушел с сезонной работы экзаменатором в Политехнической школе, чтобы сохранить оставшееся время и энергию для работы над маяками. В том же году он разработал первую неподвижную линзу — для равномерного рассеивания света по горизонту, минимизируя потери над или под ним. В идеале изогнутые преломляющие поверхности должны были быть сегментами тороидов вокруг общей вертикальной оси, чтобы диоптрическая панель выглядела как цилиндрический барабан. Если это было дополнено отражающими (катодными) кольцами над и под преломляющими (диоптрическими) частями, весь аппарат выглядел бы как улей. Второй линзой Френеля, поступившей в эксплуатацию, действительно была неподвижная линза третьего порядка, установленная в Дюнкерке к 1 февраля 1825 года. Однако из-за трудности изготовления больших тороидальных призм этот аппарат имел 16-гранный многоугольный план. В 1825 году Френель расширил конструкцию неподвижной линзы, добавив вращающийся массив снаружи неподвижного массива. Каждая панель вращающегося массива должна была преломлять часть неподвижного света из горизонтальной вееры в узкий луч. Также в 1825 году Френель представил Carte des Phares («карту маяков»), призывающую к системе из 51 маяка плюс небольшие портовые огни, в иерархии размеров линз, называемых «порядками» (первый — самый большой), с различными характеристиками для облегчения распознавания: постоянный свет (от неподвижной линзы), одна вспышка в минуту (от вращающейся линзы с восемью панелями) и две в минуту (16 панелей). В конце 1825 года, чтобы уменьшить потери света в отражающих элементах, Френель предложил заменить каждое зеркало кадиоптической призмой, через которую свет будет проходить путем преломления через первую поверхность, затем полного внутреннего отражения от второй поверхности, затем преломления через третью поверхность. Результатом стала линза маяка, которую мы знаем сегодня. В 1826 году он собрал небольшую модель для использования на канале Сен-Мартен, но не дожил до того, чтобы увидеть полноразмерную версию: он умер 14 июля 1827 года в возрасте 39 лет.

The French Commission des phares (France) (Commission of Lighthouses) was established by Napoleon in 1811, and placed under the authority of French physicist Augustin Jean Fresnel's employer, the Corps of Bridges and Roads. As the members of the commission were otherwise occupied, it achieved little in its early years. However, on 21 June 1819—three months after winning the physics Grand Prix of the Academy of Sciences for his celebrated memoir on diffraction—Fresnel was "temporarily" seconded to the commission on the recommendation of François Arago (a member since 1813), to review possible improvements in lighthouse illumination. By the end of August 1819, unaware of the Buffon Condorcet Brewster proposal, Fresnel made his first presentation to the commission, recommending what he called lentilles à échelons ('lenses by steps') to replace the reflectors then in use, which reflected only about half of the incident light. Another report by Fresnel, dated 29 August 1819 (Fresnel, 1866–70, vol. 3, pp. 15–21), concerns tests on reflectors, and does not mention stepped lenses except in an unrelated sketch on the last page of the manuscript. The minutes of the meetings of the Commission go back only to 1824, when Fresnel himself took over as Secretary. Thus the exact date on which Fresnel formally recommended lentilles à échelons is unknown. Much to Fresnel's embarrassment, one of the assembled commissioners, Jacques Charles, recalled Buffon's suggestion. Fresnel's was plano convex and made of multiple prisms for easier construction. With an official budget of 500 francs, Fresnel approached three manufacturers. The third, François Soleil, found a way to remove defects by reheating and remolding the glass. Arago assisted Fresnel with the design of a modified Argand lamp with concentric wicks (a concept that Fresnel attributed to Count Rumford), and accidentally discovered that fish glue was heat resistant, making it suitable for use in the lens. The prototype, finished in March 1820, had a square lens panel 55cm on a side, containing 97 polygonal (not annular) prisms—and so impressed the Commission that Fresnel was asked for a full eight panel version. This model, completed a year later in spite of insufficient funding, had panels 76cm square. In a public spectacle on the evening of 13 April 1821, it was demonstrated by comparison with the most recent reflectors, which it suddenly rendered obsolete. Soon after this demonstration, Fresnel published the idea that light, including apparently unpolarized light, consists exclusively of transverse waves, and went on to consider the implications for double refraction and partial reflection. Fresnel acknowledged the British lenses and Buffon's invention in a memoir read on 29 July 1822 and printed in the same year. The date of that memoir may be the source of the claim that Fresnel's lighthouse advocacy began two years later than Brewster's; but the text makes it clear that Fresnel's involvement began no later than 1819. Fresnel's next lens was a rotating apparatus with eight "bull's eye" panels, made in annular arcs by Saint Gobain, Below the main panels were 128 small mirrors arranged in four rings, stacked like the slats of a louver or Venetian blind. Each ring, shaped like a frustum of a cone, reflected the light to the horizon, giving a fainter steady light between the flashes. The official test, conducted on the unfinished Arc de Triomphe on 20 August 1822, was witnessed by the Commission—and by Louis XVIII and his entourage—from 20 mile (32 km) away. The apparatus was stored at Bordeaux for the winter, and then reassembled at Cordouan Lighthouse under Fresnel's supervision—in part by Fresnel's own hands. On 25 July 1823, the world's first lighthouse Fresnel lens was lit. As expected, the light was visible to the horizon, more than 20 mile (32 km) out. The day before the test of the Cordouan lens in Paris, a committee of the Academy of Sciences reported on Fresnel's memoir and supplements on double refraction—which, although less well known to modern readers than his earlier work on diffraction, struck a more decisive blow for the wave theory of light. Between the test and the reassembly at Cordouan, Fresnel submitted his papers on photoelasticity (16 September 1822), elliptical and circular polarization and optical rotation (9 December), and partial reflection and total internal reflection (7 January 1823), essentially completing his reconstruction of physical optics on the transverse wave hypothesis. Shortly after the Cordouan lens was lit, Fresnel started coughing up blood. In May 1824, Fresnel was promoted to Secretary of the Commission des Phares, becoming the first member of that body to draw a salary, albeit in the concurrent role of Engineer in Chief. Late that year, being increasingly ill, he curtailed his fundamental research and resigned his seasonal job as an examiner at the École Polytechnique, in order to save his remaining time and energy for his lighthouse work. In the same year he designed the first fixed lens—for spreading light evenly around the horizon while minimizing waste above or below. Ideally the curved refracting surfaces would be segments of toroids about a common vertical axis, so that the dioptric panel would look like a cylindrical drum. If this was supplemented by reflecting (catoptric) rings above and below the refracting (dioptric) parts, the entire apparatus would look like a beehive. The second Fresnel lens to enter service was indeed a fixed lens, of third order, installed at Dunkirk by 1 February 1825. However, due to the difficulty of fabricating large toroidal prisms, this apparatus had a 16 sided polygonal plan. In 1825 Fresnel extended his fixed lens design by adding a rotating array outside the fixed array. Each panel of the rotating array was to refract part of the fixed light from a horizontal fan into a narrow beam. Also in 1825, Fresnel unveiled the Carte des Phares ('lighthouse map'), calling for a system of 51 lighthouses plus smaller harbor lights, in a hierarchy of lens sizes called "orders" (the first being the largest), with different characteristics to facilitate recognition: a constant light (from a fixed lens), one flash per minute (from a rotating lens with eight panels), and two per minute (16 panels). In late 1825, to reduce the loss of light in the reflecting elements, Fresnel proposed to replace each mirror with a catadioptric prism, through which the light would travel by refraction through the first surface, then total internal reflection off the second surface, then refraction through the third surface. The result was the lighthouse lens as we now know it. In 1826 he assembled a small model for use on the Canal Saint Martin, but he did not live to see a full sized version: he died on 14 July 1827, at the age of 39.

После Френеля

Первый этап разработки маяковых линз после смерти Огюстена Френеля состоял в реализации его конструкций. Это было отчасти обусловлено его младшим братом Леонаром, который, как и Огюстен, был обучен как инженер-строитель, но, в отличие от Огюстена, обладал сильными организаторскими способностями. Леонар поступил на службу в Комиссию по маякам в 1825 году и сменил Огюстена на посту секретаря. Первая фиксированная линза, изготовленная с использованием тороидальных призм, была линзой первого порядка, разработанная шотландским инженером Аланом Стивенсоном под руководством Леонара Френеля и изготовленная компанией Isaac Cookson & Co. с использованием французского стекла; она была введена в эксплуатацию на острове Мэй, Шотландия, 22 сентября 1836 года. Первые большие катадиоптрические линзы были изготовлены в 1842 году для маяков в Гравилине и на острове Вирж, Франция; это были фиксированные линзы третьего порядка, чьи катадиоптрические кольца (изготовленные из сегментов) имели диаметр один метр. Линза Skerryvore Стивенсона первого порядка, зажженная в 1844 году, была лишь частично катадиоптрической; она была похожа на линзу Кордуан, за исключением того, что нижние планки были заменены французскими катадиоптрическими призмами, в то время как в верхней части были сохранены зеркала. Первая полностью катадиоптрическая линза первого порядка, установленная в Пуант-д’Эйли в 1852 году, также давала восемь вращающихся лучей плюс фиксированный свет внизу; но в верхней части были восемь катадиоптрических панелей, фокусирующих свет примерно на 4 градуса впереди основных лучей, чтобы удлинить вспышки. Первая полностью катадиоптрическая линза с чисто вращающимися лучами – также первого порядка – была установлена в Сен-Клемен-де-Бален в 1854 году и ознаменовала завершение оригинальной Карты маяков Огюстена Френеля. Томас Стивенсон (младший брат Алана) пошел дальше Френеля с его «голофотальной» линзой, которая фокусировала свет, излучаемый лампой, почти во всех направлениях, вперед или назад, в один луч. Первая версия, описанная в 1849 году, состояла из стандартной линзы Френеля «бычий глаз», параболоидального отражателя и заднего полусферического отражателя (функционально эквивалентного зеркалу Роджерса 60-летней давности, за исключением того, что оно охватывало целое полушарие). Свет, излучаемый в переднее полушарие, но не попадающий в линзу «бычий глаз», отклонялся параболоидом в параллельный луч, окружающий линзу «бычий глаз», в то время как свет, излучаемый в обратное полушарие, отражался обратно через лампу сферическим отражателем (как в конструкции Роджерса), чтобы быть собранным передними компонентами. Первый агрегат был установлен в Северной гавани, Питерхед, в августе 1849 года. Стивенсон назвал эту версию «катадиоптрическим голофотом», хотя каждый из его элементов был либо чисто отражающим, либо чисто преломляющим. Во второй версии концепции голофота линза «бычий глаз» и параболоидный отражатель были заменены катадиоптрической линзой Френеля, как это было задумано Френелем, но расширены, чтобы охватить все переднее полушарие. Третья версия, которую Стивенсон смутно назвал «диоптрическим голофотом», была более инновационной: она сохранила катадиоптрическую линзу Френеля для переднего полушария, но заменила задний полусферический отражатель полусферическим массивом кольцевых призм, каждая из которых использовала два полных внутренних отражения, чтобы повернуть свет, отклоняющийся от центра полушария, обратно к центру. В результате получился полностью стеклянный голофотоскоп, без потерь от металлических отражений. Джеймс Тимминс Ченс модифицировал голофотальную конструкцию Томаса Стивенсона, расположив двойные отражающие призмы вокруг вертикальной оси. Прототип был показан на Международной выставке 1862 года в Лондоне. Позже, для облегчения производства, Ченс разделил призмы на сегменты и расположил их в цилиндрическую форму, сохраняя при этом свойство отражать свет из одной точки обратно в эту точку. Отражатели этой формы, парадоксально называемые «диоптрическими зеркалами», оказались особенно полезными для возвращения света с береговой стороны лампы на морскую сторону. По мере того как маяки становились все более распространенными, их стало труднее отличить друг от друга, что привело к использованию цветных фильтров, которые растрачивали свет. В 1884 году Джон Хопкинсон устранил необходимость в фильтрах, изобретя линзу «группового вспышки», в которой диоптрические и/или катадиоптрические панели были разделены таким образом, чтобы давать несколько вспышек, позволяя идентифицировать маяки не только по частоте вспышек, но и по их множественности. Двойные вспышки были установлены на маяках Тампико (Мексика) и Литтл Бассес (Шри-Ланка) в 1875 году, а тройные вспышки – на маяке Каске (Канал острова) в 1876 году. Пример, показанный (справа), – это двойная вспышка маяка Пойнт-Арена, которая была в эксплуатации с 1908 по 1977 год. Разработка гиперрадиальных линз была отчасти обусловлена необходимостью в более крупных источниках света, таких как газовые лампы с несколькими горелками, которым требовалась большая фокусная длина для заданной ширины луча, а следовательно, и большая линза для сбора заданной доли генерируемого света. Первая гиперрадиальная линза была построена для Стивенсонов в 1885 году компанией F. Barbier & Cie из Франции и испытана на маяке Саут-Форленд с различными источниками света. Компания Chance Brothers (работодатели Хопкинсона) затем начала строить гиперрадиалы, установив первый на маяке Бишоп-Рок в 1887 году. В том же году Barbier установила гиперрадиальную линзу на острове Тори. Но в эксплуатацию вступило всего около 30 гиперрадиальных линз, прежде чем разработка более компактных ярких ламп сделала такие большие оптические системы ненужными (см. Гиперрадиальную линзу Френеля). Производство цельных ступенчатых диоптрических линз – примерно как это представлял себе Бюффон – стало возможным в 1852 году, когда Джон Л. Гиллиланд из Brooklyn Flint Glass Company запатентовал метод изготовления линз из прессованного и формованного стекла. Компания производила небольшие линзы «бычий глаз» для использования на железных дорогах, пароходах и доках; такие линзы были распространены в Соединенных Штатах к 1870-м годам. В 1858 году компания произвела «очень небольшое количество прессованных кремниевых линз шестого порядка» для использования в маяках – первые маячные линзы Френеля, изготовленные в Америке. К 1950-м годам замена стекла пластиком сделала экономически выгодным использование линз Френеля в качестве конденсоров в проекторах.

The first stage of the development of lighthouse lenses after the death of Augustin Fresnel consisted in the implementation of his designs. This was driven in part by his younger brother Léonor—who, like Augustin, was trained as a civil engineer but, unlike Augustin, had a strong aptitude for management. Léonor entered the service of the Lighthouse Commission in 1825, and went on to succeed Augustin as Secretary. The first fixed lens to be constructed with toroidal prisms was a first order apparatus designed by the Scottish engineer Alan Stevenson under the guidance of Léonor Fresnel, and fabricated by Isaac Cookson & Co. using French glass; it entered service at the Isle of May, Scotland, on 22 September 1836. The first large catadioptric lenses were made in 1842 for the lighthouses at Gravelines and Île Vierge, France; these were fixed third order lenses whose catadioptric rings (made in segments) were one metre in diameter. Stevenson's first order Skerryvore lens, lit in 1844, was only partly catadioptric; it was similar to the Cordouan lens except that the lower slats were replaced by French made catadioptric prisms, while mirrors were retained at the top. The first fully catadioptric first order lens, installed at Pointe d'Ailly in 1852, also gave eight rotating beams plus a fixed light at the bottom; but its top section had eight catadioptric panels focusing the light about 4 degrees ahead of the main beams, in order to lengthen the flashes. The first fully catadioptric lens with purely revolving beams—also of first order—was installed at Saint Clément des Baleines in 1854, and marked the completion of Augustin Fresnel's original Carte des Phares. Thomas Stevenson (younger brother of Alan) went a step beyond Fresnel with his "holophotal" lens, which focused the light radiated by the lamp in nearly all directions, forward or backward, into a single beam. The first version, described in 1849, consisted of a standard Fresnel bull's eye lens, a paraboloidal reflector, and a rear hemispherical reflector (functionally equivalent to the Rogers mirror of 60 years earlier, except that it subtended a whole hemisphere). Light radiated into the forward hemisphere but missing the bull's eye lens was deflected by the paraboloid into a parallel beam surrounding the bull's eye lens, while light radiated into the backward hemisphere was reflected back through the lamp by the spherical reflector (as in Rogers' arrangement), to be collected by the forward components. The first unit was installed at North Harbour, Peterhead, in August 1849. Stevenson called this version a "catadioptric holophote", although each of its elements was either purely reflective or purely refractive. In the second version of the holophote concept, the bull's eye lens and paraboloidal reflector were replaced by a catadioptric Fresnel lens—as conceived by Fresnel, but expanded to cover the whole forward hemisphere. The third version, which Stevenson confusingly called a "dioptric holophote", was more innovative: it retained the catadioptric Fresnel lens for the front hemisphere, but replaced the rear hemispherical reflector with a hemispherical array of annular prisms, each of which used two total internal reflections to turn light diverging from the center of the hemisphere back toward the center. The result was an all glass holophote, with no losses from metallic reflections. James Timmins Chance modified Thomas Stevenson's all glass holophotal design by arranging the double reflecting prisms about a vertical axis. The prototype was shown at the 1862 International Exhibition in London. Later, to ease manufacturing, Chance divided the prisms into segments, and arranged them in a cylindrical form while retaining the property of reflecting light from a single point back to that point. Reflectors of this form, paradoxically called "dioptric mirrors", proved particularly useful for returning light from the landward side of the lamp to the seaward side. As lighthouses proliferated, they became harder to distinguish from each other, leading to the use of colored filters, which wasted light. In 1884, John Hopkinson eliminated the need for filters by inventing the "group flashing" lens, in which the dioptric and/or the catadioptric panels were split so as to give multiple flashes—allowing lighthouses to be identified not only by frequency of flashes, but also by multiplicity of flashes. Double flashing lenses were installed at Tampico (Mexico) and Little Basses (Sri Lanka) in 1875, and a triple flashing lens at Casquets Lighthouse (Channel Islands) in 1876. The example shown (right) is the double flashing lens of the Point Arena Light, which was in service from 1908 to 1977. The development of hyper radial lenses was driven in part by the need for larger light sources, such as gas lights with multiple jets, which required a longer focal length for a given beam width, hence a larger lens to collect a given fraction of the generated light. The first hyper radial lens was built for the Stevensons in 1885 by F. Barbier & Cie of France, and tested at South Foreland Lighthouse with various light sources. Chance Brothers (Hopkinson's employers) then began constructing hyper radials, installing their first at Bishop Rock Lighthouse in 1887. In the same year, Barbier installed a hyper radial at Tory Island. But only about 30 hyper radials went into service before the development of more compact bright lamps rendered such large optics unnecessary (see Hyperradiant Fresnel lens). Production of one piece stepped dioptric lenses—roughly as envisaged by Buffon—became feasible in 1852, when John L. Gilliland of the Brooklyn Flint Glass Company patented a method of making lenses from pressed and molded glass. The company made small bull's eye lenses for use on railroads, steamboats, and docks; such lenses were common in the United States by the 1870s. In 1858 the company produced "a very small number of pressed flint glass sixth order lenses" for use in lighthouses—the first Fresnel lighthouse lenses made in America. By the 1950s, the substitution of plastic for glass made it economic to use Fresnel lenses as condensers in overhead projectors.

Дизайн

Линза Френеля уменьшает количество необходимого материала по сравнению с обычной линзой, разделяя её на набор концентрических кольцевых секций. Идеальная линза Френеля имела бы бесконечное число секций. В каждой секции общая толщина уменьшена по сравнению с эквивалентной простой линзой. Это эффективно разделяет непрерывную поверхность стандартной линзы на набор поверхностей с одинаковой кривизной, с дискретными переходами между ними. В некоторых линзах изогнутые поверхности заменяются плоскими, с различным углом в каждой секции. Такую линзу можно рассматривать как массив призм, расположенных по окружности, с более крутыми призмами по краям и плоским или слегка выпуклым центром. В первых (и самых больших) линзах Френеля каждая секция фактически представляла собой отдельную призму. Позже были созданы "цельные" линзы Френеля, которые используются в автомобильных фарах, тормозных огнях, указателях поворота и т.д. В настоящее время для изготовления более сложных линз могут применяться фрезерные станки с компьютерным управлением (CNC) или 3D-принтеры. Конструкция линзы Френеля позволяет существенно уменьшить толщину (и, следовательно, массу и объем материала) за счет некоторого снижения качества изображения, поэтому для точных задач, таких как фотография, обычно по-прежнему используются более крупные обычные линзы. Линзы Френеля обычно изготавливаются из стекла или пластика; их размер варьируется от больших (старые исторические маяки, размером с метр) до средних (устройства для чтения книг, проекторы для прозрачных пленок) до малых (экраны дальномерных и зеркальных камер, микрооптика). Во многих случаях они очень тонкие и плоские, почти гибкие, с толщиной в определенном диапазоне. Большинство современных линз Френеля состоят только из преломляющих элементов. Однако линзы маяков, как правило, включают в себя как преломляющие, так и отражающие элементы, причем последние расположены за пределами металлических колец, видимых на фотографиях. Внутренние элементы представляют собой секции преломляющих линз, а внешние – отражающие призмы, каждая из которых выполняет два преломления и одно полное внутреннее отражение, избегая потерь света, возникающих при отражении от серебряного зеркала.

The Fresnel lens reduces the amount of material required compared to a conventional lens by dividing the lens into a set of concentric annular sections. An ideal Fresnel lens would have an infinite number of sections. In each section, the overall thickness is decreased compared to an equivalent simple lens. This effectively divides the continuous surface of a standard lens into a set of surfaces of the same curvature, with stepwise discontinuities between them. In some lenses, the curved surfaces are replaced with flat surfaces, with a different angle in each section. Such a lens can be regarded as an array of prisms arranged in a circular fashion with steeper prisms on the edges and a flat or slightly convex center. In the first (and largest) Fresnel lenses, each section was actually a separate prism. 'Single piece' Fresnel lenses were later produced, being used for automobile headlamps, brake, parking, and turn signal lenses, and so on. In modern times, computer controlled milling equipment (CNC) or 3 D printers might be used to manufacture more complex lenses. Fresnel lens design allows a substantial reduction in thickness (and thus mass and volume of material) at the expense of reducing the imaging quality of the lens, which is why precise imaging applications such as photography usually still use larger conventional lenses. Fresnel lenses are usually made of glass or plastic; their size varies from large (old historical lighthouses, meter size) to medium (book reading aids, OHP viewgraph projectors) to small (TLR/SLR camera screens, micro optics). In many cases they are very thin and flat, almost flexible, with thicknesses in the range. Most modern Fresnel lenses consist only of refractive elements. Lighthouse lenses, however, tend to include both refracting and reflecting elements, the latter being outside the metal rings seen in the photographs. While the inner elements are sections of refractive lenses, the outer elements are reflecting prisms, each of which performs two refractions and one total internal reflection, avoiding the light loss that occurs in reflection from a silvered mirror.

Размеры линз маяка

Френель разработал шесть размеров линз маяка, разделенных на четыре порядка в зависимости от их размера и фокусного расстояния. Третий и четвертый ордена были подразделены на "большие" и "малые". В современном использовании ордена классифицируются как первый – шестой порядки. Позже был добавлен промежуточный размер между третьим и четвертым порядком, а также размеры выше первого порядка и ниже шестого. Линза первого порядка имеет фокусное расстояние и стоит около высокого и широкого. Наименьший (шестой) порядок имеет фокусное расстояние и высоту. Наибольшие линзы Френеля называются гиперрадиантными (или гиперрадиальными). Одна из таких линз была под рукой, когда было решено построить и оснастить маяк Макапуу-Пойнт на Гавайях. Вместо того чтобы заказывать новую линзу, там использовали огромную оптическую конструкцию высотой 4 метра и с более чем тысячей призм.

+ Ордена линз маяка

Современный порядок | Орден Френеля | Фокусное расстояние (мм) | Высота (м) | Год первой установки | Применение
---|---|---|---|---|---
Гиперрадиантный | 1330 | 3.76 | 1887 | Основные маяки для определения местоположения судна ("приземляющиеся" маяки)
Мезорадиальный | 1125 | 3.20 | 1909 | Два бразильских маяка
1-й | 1-й | 920 | 2.59 | 1823 | Большие маяки на морском побережье
2-й | 2-й | 700–750 | 2.07 | Маяки на Великих озерах, морские побережья, острова, проливы
3-й | 3-й (большой) | 500 | 1.58 | 1825 | Маяки в морских проливах, устья рек, заливы, каналы, маяки-ориентиры
3 1/2 | | 375 | 1.09 | |
4-й | 3-й (малый) | 250 | 0.722 | | Мели, рифы, гавани, острова в реках и портах
5-й | 4-й (большой) | 187.5 | 0.541 | | Волнорезы, маяки на реках и каналах, небольшие острова в проливах
6-й | 4-й (малый) | 150 | 0.433 | | Маяки на пирсах и волнорезах в гаванях
7-й | | 100–140 | 0.165 | | Используются в Шотландии и Канаде
8-й | | 70–75 | 0.0826 | | Используются в Шотландии и Канаде

Освещение

Высококачественные стеклянные линзы Френеля использовались в маяках, где они считались передовыми в конце 19-го и вплоть до середины 20-го веков; большинство маяков теперь вывели стеклянные линзы Френеля из эксплуатации и заменили их гораздо менее дорогими и более прочными аэросигналами, которые сами по себе часто содержат пластиковые линзы Френеля. Системы линз Френеля маяков обычно включают дополнительные кольцевые призматические элементы, расположенные в граненом куполе над и под центральной плоской линзой Френеля, чтобы улавливать весь свет, излучаемый источником света. Оптический путь света через эти элементы может включать внутреннее отражение, а не простое преломление в плоской линзе Френеля. Эти линзы предоставили множество практических преимуществ проектировщикам, строителям и пользователям маяков и их освещения. Среди прочего, линзы меньшего размера могли помещаться в более компактные пространства. Улучшенная светопередача на большие расстояния и различные световые рисунки позволяли триангулировать местоположение. Возможно, наиболее широкое применение линз Френеля на некоторое время было в автомобильных фарах, где они формируют приблизительно параллельный луч от параболического отражателя для соответствия требованиям к ближнему и дальнему свету, часто в одном и том же блоке фары (например, европейская конструкция H4). По причинам экономии, веса и ударопрочности новые автомобили отказались от стеклянных линз Френеля, используя многогранные отражатели с простыми поликарбонатными линзами. Однако линзы Френеля по-прежнему широко используются в автомобильных задних, габаритных и фонарях заднего хода. Стеклянные линзы Френеля также используются в осветительных приборах для театра и кино (см. Френельский прожектор); такие приборы часто называют просто Френелями. Весь прибор состоит из металлического корпуса, отражателя, ламповой сборки и линзы Френеля. Многие приборы Френеля позволяют перемещать лампу относительно фокусной точки линзы, чтобы увеличивать или уменьшать размер светового пучка. В результате они очень гибкие и часто могут создавать луч шириной от 7° до 70°. Линза Френеля создает очень мягкий край светового пучка, поэтому часто используется в качестве заливающего света. Держатель перед линзой может удерживать цветную пластиковую пленку (гель) для окрашивания света или проволочные сетки или матовый пластик для его рассеивания. Линза Френеля полезна при создании кинофильмов не только благодаря своей способности фокусировать луч ярче, чем обычная линза, но и потому, что свет имеет относительно постоянную интенсивность по всей ширине светового пучка. Авианосцы и военно-морские авиационные станции обычно используют линзы Френеля в своих оптических системах посадки. Световой указатель помогает пилоту поддерживать правильный угол снижения для посадки. В центре расположены янтарные и красные огни, состоящие из линз Френеля. Хотя огни всегда включены, цвет и положение видимого света определяются углом линзы с точки зрения пилота. Если огни появляются выше зеленой горизонтальной полосы, пилот находится слишком высоко. Если они ниже, пилот слишком низко, а если огни красные, пилот очень низко. Линзы Френеля также часто используются в прожекторах, софитах и фонарях.

High quality glass Fresnel lenses were used in lighthouses, where they were considered state of the art in the late 19th and through the middle of the 20th centuries; most lighthouses have now retired glass Fresnel lenses from service and replaced them with much less expensive and more durable aerobeacons, which themselves often contain plastic Fresnel lenses. Lighthouse Fresnel lens systems typically include extra annular prismatic elements, arrayed in faceted domes above and below the central planar Fresnel, in order to catch all light emitted from the light source. The light path through these elements can include an internal reflection, rather than the simple refraction in the planar Fresnel element. These lenses conferred many practical benefits upon the designers, builders, and users of lighthouses and their illumination. Among other things, smaller lenses could fit into more compact spaces. Greater light transmission over longer distances, and varied patterns, made it possible to triangulate a position. Perhaps the most widespread use of Fresnel lenses, for a time, occurred in automobile headlamps, where they can shape the roughly parallel beam from the parabolic reflector to meet requirements for dipped and main beam patterns, often both in the same headlamp unit (such as the European H4 design). For reasons of economy, weight, and impact resistance, newer cars have dispensed with glass Fresnel lenses, using multifaceted reflectors with plain polycarbonate lenses. However, Fresnel lenses continue in wide use in automobile tail, marker, and reversing lights. Glass Fresnel lenses also are used in lighting instruments for theatre and motion pictures (see Fresnel lantern); such instruments are often called simply Fresnels. The entire instrument consists of a metal housing, a reflector, a lamp assembly, and a Fresnel lens. Many Fresnel instruments allow the lamp to be moved relative to the lens' focal point, to increase or decrease the size of the light beam. As a result, they are very flexible, and can often produce a beam as narrow as 7° or as wide as 70°. The Fresnel lens produces a very soft edged beam, so is often used as a wash light. A holder in front of the lens can hold a colored plastic film (gel) to tint the light or wire screens or frosted plastic to diffuse it. The Fresnel lens is useful in the making of motion pictures not only because of its ability to focus the beam brighter than a typical lens, but also because the light is a relatively consistent intensity across the entire width of the beam of light. Aircraft carriers and naval air stations typically use Fresnel lenses in their optical landing systems. The "meatball" light aids the pilot in maintaining proper glide slope for the landing. In the center are amber and red lights composed of Fresnel lenses. Although the lights are always on, the angle of the lens from the pilot's point of view determines the color and position of the visible light. If the lights appear above the green horizontal bar, the pilot is too high. If it is below, the pilot is too low, and if the lights are red, the pilot is very low. Fresnel lenses are also commonly used in searchlights, spotlights, and flashlights.

Образование изображений

Линзы Френеля используются в качестве простых ручных луп. Они также применяются для коррекции различных нарушений зрения, включая расстройства моторики глаз, такие как косоглазие. Линзы Френеля использовались для увеличения визуального размера экранов ЭЛТ в карманных телевизорах, в частности Sinclair TV80. Они также используются в светофорах. Линзы Френеля устанавливаются в европейских грузовиках с левым рулем при въезде в Великобританию и Ирландию (и наоборот, в ирландских и британских грузовиках с правым рулем при въезде в континентальную Европу) для устранения слепых зон, возникающих из-за расположения водителя на неправильной стороне кабины относительно стороны дороги. Они крепятся к пассажирскому боковому окну. Еще одно применение линз Френеля в автомобилях – это улучшитель обзора в задней части, поскольку широкий угол обзора линзы, установленной на заднем стекле, позволяет более эффективно оценивать ситуацию позади транспортного средства, особенно высокого или с массивным задним концом, чем только с помощью зеркала заднего вида. Линзы Френеля также находят применение в сфере развлечений. Британский рок-исполнитель Питер Габриэль использовал их в своих ранних сольных выступлениях, чтобы визуально увеличить размер головы по сравнению с остальным телом, создавая драматический и комический эффект. В фильме Терри Гиллиама "Бразилия" пластиковые экраны Френеля предстают как увеличители для небольших ЭЛТ-мониторов, используемых в офисах Министерства информации. Однако они иногда появляются между актерами и камерой, искажая масштаб и композицию сцены для достижения комического эффекта. В мультфильме Pixar "ВАЛЛ-И" линза Френеля используется в сценах, где главный герой смотрит мюзикл "Hello, Dolly!", увеличенный на экране iPod. Гарнитуры виртуальной реальности, такие как Meta Quest 2 и HTC Vive Pro, используют линзы Френеля, поскольку они обеспечивают более тонкий и легкий форм-фактор по сравнению с обычными линзами. Более новые устройства, такие как Meta Quest Pro, перешли на конструкцию линз типа "панкейк" благодаря их меньшему размеру и меньшей хроматической аберрации по сравнению с линзами Френеля. Мультифокальные линзы Френеля также используются в камерах для идентификации по радужной оболочке глаза, где они создают несколько изображений объекта фиксации, находящихся в фокусе и вне фокуса. Для подавляющего большинства пользователей хотя бы одно из изображений будет в фокусе, что обеспечивает правильное выравнивание глаз. Canon и Nikon использовали линзы Френеля для уменьшения размеров телеобъективов. Фотографические объективы, включающие элементы Френеля, могут быть значительно короче, чем традиционные объективы с аналогичными характеристиками. Nikon называет эту технологию "Phase Fresnel". Камера Polaroid SX 70 использовала отражатель Френеля в своей системе визирования. Фотокамеры с большим форматом могут использовать линзу Френеля в сочетании с матовым стеклом для увеличения воспринимаемой яркости изображения, проецируемого объективом на матовое стекло, что облегчает настройку фокуса и композиции.

Fresnel lenses are used as simple hand held magnifiers. They are also used to correct several visual disorders, including ocular motility disorders such as strabismus. Fresnel lenses have been used to increase the visual size of CRT displays in pocket televisions, notably the Sinclair TV80. They are also used in traffic lights. Fresnel lenses are used in left hand drive European lorries entering the UK and Republic of Ireland (and vice versa, right hand drive Irish and British trucks entering mainland Europe) to overcome the blind spots caused by the driver operating the lorry while sitting on the wrong side of the cab relative to the side of the road the car is on. They attach to the passenger side window. Another automobile application of a Fresnel lens is a rear view enhancer, as the wide view angle of a lens attached to the rear window permits examining the scene behind a vehicle, particularly a tall or bluff tailed one, more effectively than a rear view mirror alone. Fresnel lenses have also been used in the field of popular entertainment. The British rock artist Peter Gabriel made use of them in his early solo live performances to magnify the size of his head, in contrast to the rest of his body, for dramatic and comic effect. In the Terry Gilliam film Brazil, plastic Fresnel screens appear ostensibly as magnifiers for the small CRT monitors used throughout the offices of the Ministry of Information. However, they occasionally appear between the actors and the camera, distorting the scale and composition of the scene to humorous effect. The Pixar movie Wall E features a Fresnel lens in the scenes where the protagonist watches the musical Hello, Dolly! magnified on an iPod. Virtual reality headsets, such as the Meta Quest 2 and the HTC Vive Pro use Fresnel lenses, as they allow a thinner and lighter form factor than regular lenses. Newer devices, such as the Meta Quest Pro, have switched to a pancake lens design due to its smaller form factor and less chromatic aberration than Fresnel lenses. Multi focal Fresnel lenses are also used as a part of retina identification cameras, where they provide multiple in and out of focus images of a fixation target inside the camera. For virtually all users, at least one of the images will be in focus, thus allowing correct eye alignment. Canon and Nikon have used Fresnel lenses to reduce the size of telephoto lenses. Photographic lenses that include Fresnel elements can be much shorter than corresponding conventional lens design. Nikon calls the technology Phase Fresnel. The Polaroid SX 70 camera used a Fresnel reflector as part of its viewing system. View and large format cameras can utilize a Fresnel lens in conjunction with the ground glass, to increase the perceived brightness of the image projected by a lens onto the ground glass, thus aiding in adjusting focus and composition.

Проекция

Использование линз Френеля для проецирования изображения снижает качество изображения, поэтому они обычно применяются там, где качество не критично или где габариты цельной линзы были бы слишком велики. Недорогие линзы Френеля могут быть изготовлены штамповкой или формованием из прозрачного пластика и используются в кодоскопах и проекционных телевизорах. Линзы Френеля с различными фокусными расстояниями (один коллиматор и один коллектор) применяются в коммерческих и самодельных проекционных системах. Коллиматорная линза имеет меньшее фокусное расстояние и располагается ближе к источнику света, а коллекторная линза, которая фокусирует свет на объектив (например, тройной линзе), располагается после формируемого изображения (активная матричная ЖК-панель в ЖК-проекторах). Линзы Френеля также используются в качестве коллиматоров в кодоскопах.

Солнечная энергия

Поскольку пластиковые линзы Френеля можно изготавливать большего размера, чем стеклянные, а также они значительно дешевле и легче, их используют для концентрации солнечного света для нагрева в солнечных плитах, солнечных горнах и солнечных коллекторах, применяемых для нагрева воды в бытовых целях. Их также можно использовать для генерации пара или для привода двигателя Стирлинга. Линзы Френеля способны концентрировать солнечный свет на солнечные элементы в соотношении почти 500:1. Это позволяет уменьшить площадь активной поверхности солнечных элементов, снижая стоимость и давая возможность использовать более эффективные элементы, которые в противном случае были бы слишком дорогими. В начале XXI века фреснельские отражатели стали применяться на солнечных электростанциях концентрирующего типа (CSP) для концентрации солнечной энергии. Одним из применений стало предварительное нагревание воды на угольной электростанции Лидделл в долине Хантер, Австралия. Линзы Френеля можно использовать для спекания песка, что позволяет осуществлять 3D-печать из стекла.