Лампа Френеля
Линза Френеля (Fresnel lens) — важный компонент маяка. Линза Френеля представляет собой оптическую деталь со сложной ступенчатой поверхностью. Она может заменить как сферическую, так и цилиндрическую линзы, а также другие оптические детали, например, призмы. Является частным случаем ступенчатых преломляющих (или отражающих) френелевых поверхностей. Эта линза уменьшает количество необходимого материала по сравнению с обычной линзой за счет разделения линзы на набор концентрических кольцевых секций.
Катадиоптрическая (сочетающая преломление и отражение) форма линзы, полностью изобретенная Френелем, имеет внешние призматические элементы, которые используют полное внутреннее отражение, а также преломление для захвата более косого света от источника света и добавления его к лучу, делая его видимым на больших расстояниях.
Такая конструкция позволяет создавать линзы с большой апертурой и малым фокусным расстоянием без больших затрат массы и объема материала, которые потребовались бы для линз традиционной конструкции. Линза Френеля может быть изготовлена значительно тоньше, чем сопоставимая обычная линза, в некоторых случаях принимая форму плоского листа.
Благодаря его использованию в маяках его называют «изобретением, спасшим миллион кораблей».
История[править]
Первым, кто сфокусировал луч маяка с помощью линзы, был лондонский стеклорез Томас Роджерс, предложивший эту идею Тринити-Хаусу в 1788 году. Первые линзы Роджерса диаметром 53 см (21 дюйм) и толщиной 14 см (5,5 дюйма) в центре были установлены на старом нижнем маяке на мысе Портленд-Билл в 1789 году. За каждой лампой находилось сферическое стеклянное зеркало с задним покрытием, которое отражало излучение с задней стороны обратно через лампу в линзу. Дальнейшие образцы были установлены в Хоут-Бейли, Норт-Фореленде и, по меньшей мере, еще в четырех местах к 1804 году. Но большая часть света терялась из-за поглощения в стекле.
Идея создания более тонкой, более лёгкой линзы в виде серии кольцевых ступеней часто приписывалась Жоржу-Луи Леклерку де Бюффону. В то время как де Буффон предлагал шлифовать такую линзу из одного куска стекла, маркиз де Кондорсе (1743—1794 гг.) предложил изготавливать её с отдельными секциями, установленными в раме. Французскому физику и инженеру Огюстену Жану Френелю чаще всего приписывали разработку многокомпонентной линзы для использования в маяках. Согласно журналу Smithsonian, первая линза Френеля была использована в 1823 году в Кордуанском маяке в устье лимана Жиронды; его свет можно было увидеть с расстояния более 32 км (20 миль). Шотландскому физику сэру Дейвиду Брюстеру приписывали убеждение руководства Британии использовать эти линзы в своих маяках.
Строение[править]
Линза Френеля, заменяющая сферическую линзу, состоит из концентрических колец, каждое из которых представляет собой участок конической поверхности с криволинейным профилем и является элементом поверхности сплошной линзы. Предложена Огюстеном Френелем для морских маяков.
Благодаря такой конструкции линза Френеля имеет малую толщину и вес даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы построены таким образом, чтобы снижалась её сферическая аберрация, и лучи точечного источника, помещённого в фокусе линзы, после преломления в кольцах выходят практически параллельным пучком (в кольцевых линзах Френеля).
Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Кольцевые концентрируют световой поток в одном направлении, поясные — по всем направлениям в определённой плоскости.
Диаметр линзы Френеля может составлять от долей сантиметра до нескольких метров. Крупные линзы, например, маячные, изготавливают сборными из множества отдельных оптических элементов на общем металлическом каркасе.
Френель разработал шесть размеров линз для маяков, разделенных на четыре порядка в зависимости от их размера и фокусного расстояния. 3-й и 4-й порядки были подразделены на «большие» и «малые». В современном использовании порядки классифицируются от первого до шестого порядка. Позже был добавлен промежуточный размер между третьим и четвертым порядками, а также размеры выше первого порядка и ниже шестого.
Применение[править]
Освещение[править]
Высококачественные стеклянные линзы Френеля использовались в маяках, где они считались передовыми в конце XIX и до середины XX веков. Эти системы линз Френеля для маяков обычно включают дополнительные кольцевые призматические элементы, расположенные в граненых куполах над и под центральным плоским элементом Френеля, чтобы улавливать весь свет, излучаемый источником света. Путь света через эти элементы может включать внутреннее отражение, а не простое преломление в плоском элементе Френеля. Эти линзы давали много практических преимуществ проектировщикам, строителям и пользователям маяков и их освещения. Среди прочего, меньшие по размеру линзы могли помещаться в более компактном пространстве. Большая светопропускаемость на большие расстояния и разнообразные схемы рассеивания позволяли триангулировать положение. Начиная с середины 20-го века, большинство маяков вывели из эксплуатации стеклянные линзы Френеля и заменили их гораздо более дешевыми и долговечными аэромаяками или аналогичными системами, включая Vega Industries VRB-25, который содержит пластиковые панели с линзами Френеля.
Возможно, наиболее широкое применение линз Френеля некоторое время наблюдалось в автомобильных фарах, где они могли формировать приблизительно параллельный луч от параболического отражателя в соответствии с требованиями к ближнему и дальнему свету, часто в одном и том же блоке фары (например, европейская конструкция H4). Из соображений экономии, веса и ударопрочности в более новых автомобилях отказались от стеклянных линз Френеля в герметичных блоках фар, вместо этого используя многогранные отражатели с простыми поликарбонатными линзами. Тем не менее, 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. фонарь Френеля); такие приборы часто называют просто линзами Френеля. Весь прибор состоит из металлического корпуса, отражателя, лампового блока и линзы Френеля. Многие приборы Френеля позволяют перемещать лампу относительно фокусной точки линзы, чтобы увеличивать или уменьшать размер светового луча. В результате они очень гибкие и часто могут создавать луч шириной от 7° до 70°. Линза Френеля создает луч с очень мягкими краями, поэтому часто используется в качестве заливающего света. Держатель перед линзой может удерживать цветную пластиковую пленку (гель) для тонирования света или проволочные экраны или матовый пластик для рассеивания света. Линза Френеля полезна при создании кинофильмов не только из-за ее способности фокусировать луч ярче, чем обычная линза, но и потому, что свет имеет относительно постоянную интенсивность по всей ширине светового луча.
Авианосцы и военно-морские авиабазы обычно используют линзы Френеля в своих оптических системах посадки. «Фигулярный» свет помогает пилоту поддерживать правильный угол планирования для посадки. В центре находятся янтарные и красные огни, состоящие из линз Френеля. Хотя огни всегда горят, угол наклона линзы с точки зрения пилота определяет цвет и положение видимого света. Если огни появляются над зеленой горизонтальной полосой, пилот находится слишком высоко. Если они находятся ниже, пилот находится слишком низко, а если огни красные, пилот находится очень низко.
Линзы Френеля также широко используются в прожекторах, точечных светильниках и фонариках. Ещё одно применение таких линз — в кодовых маяках диаметром 300 мм (12 дюймов), устанавливаемых на радио- и телевышках. Количество таких маяков зависит от высоты, как это определено Федеральным управлением гражданской авиации (FAA). Эти маяки содержат две лампы накаливания мощностью 300 Вт. Возможно, в отличие от линз в маяках, эти двухкомпонентные маяки были изготовлены из круглого литого стекла. Новейшая технология заключается в использовании светодиодной оптики в нефренелевской конфигурации для обеспечения необходимых характеристик затенения.
Визуализация[править]
Линзы Френеля используются в качестве простых ручных увеличительных стекол. Они также используются для коррекции ряда нарушений зрения, включая нарушения подвижности глаз, такие как косоглазие. Они также используются в светофорах.
Линзы Френеля используются в европейских грузовиках с левосторонним рулевым управлением, въезжающих в Великобританию и Республику Ирландия (и наоборот, в ирландских и британских грузовиках с правосторонним рулевым управлением, въезжающих в континентальную Европу), чтобы преодолеть слепые зоны, возникающие из-за того, что водитель управляет грузовиком, сидя не с той стороны кабины относительно стороны дороги, по которой движется автомобиль. Они крепятся к окну со стороны пассажира.
Еще одно применение линзы Френеля в автомобиле — улучшение обзора заднего вида, поскольку широкий угол обзора линзы, прикрепленной к заднему стеклу, позволяет более эффективно, чем с помощью одного только зеркала заднего вида, осматривать сцену позади автомобиля, особенно высокого или с тупым хвостом. Линзы Френеля использовались в дальномерном оборудовании и проекционных экранах карт.
Линзы Френеля также использовались в сфере развлечений. Британский рок-исполнитель Питер Гэбриел применял их в своих ранних сольных выступлениях, чтобы увеличить размер своей головы по сравнению с остальной частью тела, для драматического и комического эффекта. Линзы иногда появляются между актерами и камерой, искажая масштаб и композицию сцены для юмористического эффекта. В мультфильме Pixar « ВАЛЛ-И» главный герой смотрит мюзикл «Привет, Долли!» на iPod, увеличенный с помощью линзы Френеля.
Гарнитуры виртуальной реальности, такие как Meta Quest 2 и HTC Vive Pro, используют линзы Френеля, поскольку они позволяют создать более тонкий и легкий форм-фактор, чем обычные линзы.
Многофокальные линзы Френеля также используются в камерах для идентификации сетчатки, где они обеспечивают получение нескольких сфокусированных и несфокусированных изображений объекта фиксации внутри камеры. Практически для всех пользователей хотя бы одно из изображений будет в фокусе, что позволяет правильно выравнивать положение глаз.
Многие камеры оснащены видоискателями, которые проецируют сцену через объектив на матовый экран для фокусировки и композиции, включая видоискатели, двухлинзовые зеркальные и однолинзовые зеркальные камеры; часто на матовое стекло устанавливается конденсорная линза Френеля, чтобы увеличить воспринимаемую яркость проецируемого изображения и сделать освещение более равномерным от центра до углов. Например, камера Polaroid SX-70 использует отражатель Френеля в качестве части своей системы видоискателя.
Проекция[править]
Использование линз Френеля для проекции изображения снижает качество изображения, поэтому они, как правило, используются только там, где качество не имеет решающего значения или где громоздкость цельной линзы была бы неприемлемой. Дешевые линзы Френеля можно штамповать или отливать из прозрачного пластика, и они используются в проекторах и проекционных телевизорах.
В коммерческих и домашних проекционных системах используются линзы Френеля с разным фокусным расстоянием (одна коллиматорная и одна собирающая). Коллиматорная линза имеет меньшее фокусное расстояние и располагается ближе к источнику света, а собирающая линза, которая фокусирует свет в триплетную линзу, располагается после проекционного изображения. Линзы Френеля также используются в качестве коллиматоров в проекторах для демонстрации слайдов.
