Линза Френеля - Fresnel lens

Линза Френеля для маяка первого порядка, выставленная в музее маяков Point Arena, Маяк Point Arena, Округ Мендосино, Калифорния

А Линза Френеля (/ˈжрeɪп-,ˈжрɛп.ɛл,-əl/ ФРЕЙН-, FREN-el, -⁠əl, /жрeɪˈпɛл/ драка-NEL или /ˈжрɛzпəl/ FREZ-nəl ) представляет собой тип составного компакта линза первоначально разработан французским физиком Огюстен-Жан Френель (1788–1827) для маяки.[1][2] Его назвали «изобретением, которое спасло миллион кораблей».[3]

Конструкция позволяет изготавливать линзы большого размера. отверстие и коротко фокусное расстояние без массы и объема материала, которые потребовались бы линзам обычной конструкции. Линзу Френеля можно сделать намного тоньше, чем сопоставимая обычная линза, в некоторых случаях она может иметь форму плоского листа. Линза Френеля может улавливать больше наклонного света от источника света, таким образом позволяя свету от маяка, оборудованного одним, быть видимым на больших расстояниях.

История

Дальнейшая информация: Огюстен-Жан Френель § Маяки и линза Френеля

Идею создания более тонкой и легкой линзы в виде ряда кольцевых ступеней часто приписывают Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон.[4] В то время как Бюффон предлагал шлифовать такую ​​линзу из цельного куска стекла, Маркиз де Кондорсе (1743–1794) предложил сделать его с отдельными секциями, установленными в раме.[5] Французский физик и инженер Огюстен-Жан Френель Чаще всего приписывают разработку многосоставных линз для использования в маяках. Согласно с Смитсоновский институт журнала первая линза Френеля была использована в 1823 г. Кордуанский маяк в устье Устье Жиронды; его свет можно было увидеть с расстояния более 20 миль (32 км).[6] Шотландский физик сэр Дэвид Брюстер Считается, что Соединенное Королевство убедило использовать эти линзы в своих маяках.[7][8]

Описание

Как сферическая линза Френеля коллимирует свет
Как сферическая линза Френеля коллимирует свет
1 Поперечное сечение сферической линзы Френеля, 2 Поперечное сечение обычной сферической линзы
1: Поперечное сечение сферической линзы Френеля.
2: Поперечное сечение обычного сферического плоско-выпуклая линза эквивалентной мощности
Крупным планом плоская линза Френеля показывает концентрические круги на поверхности

Линза Френеля уменьшает количество необходимого материала по сравнению с обычной линзой за счет разделения линзы на набор концентрических кольцевых секций. Идеальная линза Френеля имела бы бесконечное количество секций. В каждой секции общая толщина уменьшена по сравнению с эквивалентной простой линзой. Это эффективно разделяет непрерывную поверхность стандартной линзы на набор поверхностей одинаковой кривизны со ступенчатыми разрывами между ними.

В некоторых линзах изогнутые поверхности заменены плоскими поверхностями с разным углом в каждой секции. Такую линзу можно рассматривать как набор призм, расположенных по кругу, с более крутыми призмами по краям и плоским или слегка выпуклым центром. В первой (и самой большой) линзе Френеля каждая секция представляла собой отдельную призму. Позже были произведены цельные линзы Френеля, которые использовались для автомобильных фар, тормозов, парковочных линз, линз указателей поворота и т. Д. В современности, фрезерное оборудование с компьютерным управлением (ЧПУ) могут использоваться для производства более сложных линз.

Конструкция линзы Френеля позволяет значительно уменьшить толщину (и, следовательно, массу и объем материала) за счет снижения качества изображения объектива, поэтому приложения для точной визуализации, такие как фотография, обычно по-прежнему используют более крупные обычные линзы.

Линзы Френеля обычно изготавливаются из стекла или пластика; их размер варьируется от большого (старые исторические маяки, размер метра) до среднего (средства чтения книг, проекторы видографа OHP) до маленьких (TLR /SLR экраны камер, микрооптика). Во многих случаях они очень тонкие и плоские, почти гибкие, а их толщина составляет от 1 до 5 мм (от 0,04 до 0,2 дюйма).

Современные линзы Френеля обычно состоят из всех преломляющих элементов. Однако многие из маяков имеют как преломляющие, так и отражающие элементы, как показано на фотографиях и диаграммах. То есть внешние элементы являются секциями отражателей, а внутренние элементы - секциями преломляющих линз. Полное внутреннее отражение часто использовался, чтобы избежать потери света при отражении от посеребренного зеркала.

Размеры линз маяка

Макапуу Point Light
Маяк на мысе Мерс; линза Френеля первого порядка

Френель произвел шесть размеров линз для маяков, разделенных на четыре заказы в зависимости от их размера и фокусного расстояния.[9] В современном использовании они классифицируются от первого до шестого порядка. Позднее был добавлен промежуточный размер между третьим и четвертым порядками, а также размеры выше первого и ниже шестого.

Объектив первого порядка имеет фокусное расстояние 920 мм (36 дюймов) и максимальный диаметр 2590 мм (8,5 футов) в высоту. Полная сборка имеет высоту около 3,7 м (12 футов) и ширину 1,8 м (6 футов). Самый маленький (шестого порядка) имеет фокусное расстояние 150 мм (5,9 дюйма) и оптический диаметр в высоту 433 мм (17 дюймов).[9][10][11]

Самые большие линзы Френеля называются гиперрадиантные линзы Френеля. Один такой объектив был под рукой, когда было решено построить и оснастить Макапуу Point Light на Гавайях. Вместо того, чтобы заказывать новый объектив, там была использована огромная оптическая конструкция высотой 3,7 метра (12 футов) с более чем тысячей призм.[12]

Заказ линз для маяков [13]
порядокФокусное расстояние
(мм)		Рост
(м)		Первая установка
Восьмой
Седьмой
Шестой1500.433
Пятый187.50.541
Четвертый2500.722
​3 1⁄2375
В третьих5001.576
Второй7002.069
Первый9202.59
Мезорадиальный1125
Гиперрадиальный13301879

Типы

Есть два основных типа линз Френеля: визуализация и без изображений. В линзах Френеля для визуализации используются сегменты с изогнутыми поперечными сечениями и они создают резкие изображения, в то время как линзы без визуализации имеют сегменты с плоскими поперечными сечениями и не дают четких изображений.[14] По мере увеличения количества сегментов два типа линз становятся более похожими друг на друга. В абстрактном случае бесконечного числа сегментов разница между изогнутыми и плоскими сегментами исчезает.

Изображения

Сферический
Сферическая линза Френеля эквивалентна просто сферическая линза с использованием кольцевых сегментов, каждый из которых является частью сферы, которые фокусируют свет на одной точке. Этот тип линз дает резкое изображение, хотя и не такое четкое, как эквивалентная простая сферическая линза, из-за дифракции на краях выступов.
Цилиндрический
Цилиндрическая линза Френеля эквивалентна простой цилиндрическая линза, используя прямые сегменты с круглым поперечным сечением, фокусируя свет на единой линии. Этот тип дает резкое изображение, хотя и не такое четкое, как у эквивалентной простой цилиндрической линзы, из-за дифракции на краях выступов.

Без изображений

Пятно, место
Точечная линза Френеля без визуализации использует кольцевые сегменты с поперечным сечением, которые представляют собой прямые линии, а не дуги окружностей. Такой объектив может фокусировать свет на небольшом пятне, но не дает четкого изображения. Эти линзы находят применение в солнечной энергии, например, для фокусировки солнечного света на солнечной панели. Линзы Френеля могут использоваться как компоненты Köhler освещение оптика, в результате чего получается очень эффективная не отображающая оптика Солнечные концентраторы Френеля-Келера (FK).[15]
Линейный
Линия Френеля без изображения использует прямые сегменты, поперечные сечения которых представляют собой прямые линии, а не дуги. Эти линзы фокусируют свет в узкую полосу. Они не дают четкого изображения, но могут использоваться в солнечной энергии, например, для фокусировки солнечного света на трубе, чтобы нагреть воду внутри: [1].

Использует

Изображения

Пластиковая линза Френеля продается как устройство увеличения экрана телевизора.
Линза Френеля, использованная в Sinclair FTV1 портативный телевизор с электронно-лучевой трубкой, увеличивающий только вертикальную часть экрана

Линзы Френеля используются как простые ручные лупы. Они также используются для коррекции нескольких нарушений зрения, включая нарушения моторики глаза, такие как косоглазие.[16] Линзы Френеля использовались для увеличения визуального размера ЭЛТ дисплеи в кармане телевизоры, в частности Sinclair TV80. Они также используются в светофор.

Линзы Френеля используются в левосторонних европейских грузовики въезд в Великобританию и Ирландию (и наоборот, ирландские и британские грузовики с правым рулем, въезжающие в континентальную Европу), чтобы преодолеть слепые зоны, вызванные водителем, управляющим грузовиком, сидя с неправильной стороны кабины относительно этой стороны дороги, по которой идет машина. Они крепятся к окну со стороны пассажира.[17]

Еще одно автомобильное применение линзы Френеля - усилитель заднего вида, поскольку широкий угол обзора линзы, прикрепленной к заднему стеклу, позволяет исследовать сцену позади транспортного средства, особенно высокого или с крутым хвостом, более эффективно, чем зеркало заднего вида один.

Многофокальные линзы Френеля также используются в составе идентификация сетчатки камеры, в которых они обеспечивают несколько изображений объекта фиксации внутри камеры в расфокусировке и вне фокуса. Практически для всех пользователей хотя бы одно изображение будет в фокусе, что позволит правильно расположить глаза.

Линзы Френеля также использовались в сфере массовых развлечений. Британский рок-исполнитель Питер Габриэль использовал их в своих ранних сольных живых выступлениях, чтобы увеличить размер своей головы, в отличие от остальной части его тела, для драматического и комического эффекта. в Терри Гиллиам фильм Бразилия пластиковые экраны Френеля якобы представляют собой лупы для небольших ЭЛТ-мониторов, используемых в офисах Министерства информации. Однако иногда они появляются между актерами и камерой, искажая масштаб и композицию сцены до юмористического эффекта. В Pixar кино Валл-И использует линзу Френеля в сценах, где главный герой смотрит мюзикл Привет, Долли! увеличенный на iPod.

Фотография

Canon и Nikon использовали линзы Френеля, чтобы уменьшить размер телеобъективов. Фотографические линзы, содержащие элементы Френеля, могут быть намного короче, чем соответствующие линзы обычной конструкции. Nikon называет свою технологию Фаза Френеля.[18][19]

В Polaroid SX-70 Камера использовала отражатель Френеля как часть своей системы обзора.

Посмотреть и большой формат камеры могут использовать линзу Френеля в сочетании с матовое стекло, чтобы увеличить воспринимаемую яркость изображения, проецируемого линзой на матовое стекло, тем самым помогая настроить фокус и композицию.

Освещение

Линза и привод маяка Инчкейт

Высококачественные стеклянные линзы Френеля использовались в маяках, где они считались ультрасовременными в конце 19 - середине 20 веков; большинство маяков уже сняли их с эксплуатации.[нужна цитата ] Системы линз Френеля для маяков обычно включают дополнительные кольцевые призматический элементы, расположенные в граненых куполах выше и ниже центрального плоского Френеля, чтобы улавливать весь свет, излучаемый источником света. Световой путь через эти элементы может включать внутреннее отражение, а не простой преломление в плоском элементе Френеля. Эти линзы принесли много практических преимуществ дизайнерам, строителям и пользователям маяков и их освещения. Помимо прочего, линзы меньшего размера могут поместиться в более компактное пространство. Лучшее светопропускание на большие расстояния и разнообразные рисунки сделали возможным триангуляцию позиции.[нужна цитата ]

Возможно, наиболее распространенное использование линз Френеля на какое-то время произошло в автомобиль фары, где они могут формировать примерно параллельный луч от параболического отражателя, чтобы соответствовать требованиям для диаграмм направленности ближнего и дальнего света, часто в одном и том же блоке фары (например, в европейском H4 дизайн). Из соображений экономии, веса и ударопрочности в новых автомобилях отказались от стеклянных линз Френеля. многогранные отражатели с простым поликарбонат линзы. Однако линзы Френеля по-прежнему широко используются в автомобильных задних фонарях, габаритных огнях и фонарях заднего хода.

Стеклянные линзы Френеля также используются в осветительных приборах для театр и кинофильмы (увидеть Фонарь Френеля ); такие инструменты часто называют просто Френельс. Весь прибор состоит из металлического корпуса, рефлектора, лампового блока и линзы Френеля. Многие инструменты Френеля позволяют перемещать лампу относительно линзы. координационный центр, чтобы увеличить или уменьшить размер светового луча. В результате они очень гибкие и часто могут давать луч шириной от 7 ° до 70 °.[20] Линза Френеля дает луч с очень мягкими краями, поэтому часто используется в качестве размытого света. Держатель перед объективом может удерживать цветную пластиковую пленку (гель) для тонирования света или проволочных экранов или матового пластика для его рассеивания. Линза Френеля полезна при создании движущихся изображений не только из-за ее способности фокусировать луч ярче, чем обычный объектив, но также потому, что свет имеет относительно постоянную интенсивность по всей ширине луча света.

Оптическая система посадки на авианосце ВМС США USS Дуайт Д. Эйзенхауэр

Авианосцы и военно-морские авиационные станции обычно используют линзы Френеля в своих оптические системы посадки. Освещение «фрикадельки» помогает пилоту поддерживать надлежащую глиссаду при посадке. В центре - янтарный и красный огоньки, состоящие из линз Френеля. Хотя фары всегда включены, угол обзора линзы с точки зрения пилота определяет цвет и положение видимого света. Если огни появляются над зеленой горизонтальной полосой, пилот находится слишком высоко. Если он ниже, пилот слишком низко, а если огни красные, пилот очень низко.[нужна цитата ]

Проекция

Использование линз Френеля для проецирования изображения снижает качество изображения, поэтому они, как правило, возникают только там, где качество не критично или когда объем сплошной линзы будет недопустимым. Дешевые линзы Френеля могут быть штампованы или отформованы из прозрачного пластика и используются в диапроекторы и проекционные телевизоры.

Линзы Френеля разного фокусного расстояния (одна коллиматор, и один коллектор) используются в коммерческих и Сделай сам проекция. Коллиматорная линза имеет меньшее фокусное расстояние и расположена ближе к источнику света, а коллекторная линза, фокусирующая свет в триплетную линзу, размещается после проецируемого изображения ( ЖК-дисплей с активной матрицей панель в LCD проекторы ). Линзы Френеля также используются в качестве коллиматоров в диапроекторы.

Солнечная энергия

Поскольку пластиковые линзы Френеля могут быть больше, чем стеклянные линзы, а также быть намного дешевле и легче, они используются для концентрации солнечного света для обогрева помещения. солнечные плиты, в солнечных кузницах и в солнечные коллекторы используется для нагрева воды для бытовых нужд. Их также можно использовать для производства пара или для питания двигатель Стирлинга.

Линзы Френеля могут концентрировать солнечный свет на солнечные батареи с соотношением почти 500: 1.[21] Это позволяет уменьшить активную поверхность солнечных элементов, снизить стоимость и позволяет использовать более эффективные элементы, которые в противном случае были бы слишком дорогими.[22] В начале 21 века отражатели Френеля начали использовать в концентрация солнечной энергии (CSP) установки для концентрации солнечной энергии. Одно применение заключалось в подогреве воды на угольной Электростанция Liddell, в долине Хантер, Австралия.

Линзы Френеля могут использоваться для спекания песка, что позволяет 3D печать в стекле.[23]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Линза Френеля». Мерриам-Вебстер. В архиве из оригинала 17 декабря 2013 г.. Получено 19 марта 2013.
  2. ^ Уэллс, Джон (3 апреля 2008 г.). Словарь произношения Longman (3-е изд.). Пирсон Лонгман. ISBN  978-1-4058-8118-0.
  3. ^ Бернхард, Адриенн (21 июня 2019 г.). «Изобретение, спасшее миллион кораблей». BBC. Получено 4 августа 2019.
  4. ^ «Линза Френеля». Британская энциклопедия. Энциклопедия Britannica Online. Энциклопедия Britannica Inc., 2012 г.. Получено 5 июля 2012.
  5. ^ «Линза Френеля». Словарь Аплтона по машинам, механике, работе с двигателями и инженерии. Нью-Йорк: Д. Эпплтон и Ко. 2: 609. 1874.
  6. ^ Ватсон, Брюс. «Наука делает лучшую линзу маяка». Смитсоновский институт. Август 1999 года v30 i5 p30. произведено в Биографический ресурсный центр. Фармингтон-Хиллз, Мичиган: Томсон Гейл. 2005 г.
  7. ^ «Брюстер, сэр Дэвид». Британская энциклопедия. 2005. Британская энциклопедия онлайн. 11 ноября 2005 г.
  8. ^ «Дэвид Брюстер». Мир изобретений2-е изд. Гейл Групп, 1999.
  9. ^ а б Бейджес, Мейбл А. (1988). «Приказы Френеля» (TIFF). В архиве из оригинала 21 сентября 2015 г.. Получено 9 сентября 2012.
  10. ^ «Линзы Френеля». Архивировано из оригинал 27 сентября 2007 г.. Получено 1 июня 2007.
  11. ^ «Линзы Френеля». Michigan Lighthouse Conservancy. 31 января 2008 г. В архиве из оригинала 21 сентября 2012 г.. Получено 9 сентября 2012.
  12. ^ «Макапу'у, привет». Андерсон, Крейг. Друзья маяка. В архиве из оригинала 5 октября 2008 г.. Получено 26 февраля 2009.
  13. ^ Общество маяков США: заказы, размеры, вес, количество и стоимость линз Френеля
  14. ^ Невизуальная оптика Р. Уинстон, Дж. К. Миньяно и П. Г. Бенитес (Academic, 2005).
  15. ^ Чавес, Хулио (2015). Введение в не отображающую оптику, второе издание. CRC Press. ISBN  978-1482206739.
  16. ^ Шишаванф, Амир Асгарзаде; Нордин, Леланд; Tjossem, Пол; Абрамофф, Майкл Д .; Тор, Фатима (2016). Энгета, Надер; Ногинов Михаил А; Желудев, Николай I (ред.). «Офтальмологические контактные линзы на основе ПММА для коррекции зрения при косоглазии». Метаматериалы, метаустройства и метасистемы 2016. 9918. Общество инженеров по фотооптическому оборудованию: 99180C. Дои:10.1117/12.2237994. S2CID  125689110. Получено 21 июн 2020. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  17. ^ Лоу, Дэвид (3 декабря 2011 г.). Справочник менеджера и оператора транспорта Lowe's 2012. Издательство Kogan Page. ISBN  9780749464103.
  18. ^ Nikon В архиве 15 февраля 2015 г. Wayback Machine
  19. ^ Цифровое изображение В архиве 14 января 2015 г. Wayback Machine
  20. ^ Мама, Роберт С., Справочник по фотометрии. Broadway Press. 2-е издание. Стр.36.
  21. ^ «Технология Soitec Concentrix». Архивировано из оригинал 17 апреля 2011 г.. Получено 3 сентября 2013.
  22. ^ «Высокопроизводительная технология Concentrix от Soitec». Архивировано из оригинал 23 сентября 2013 г.. Получено 3 сентября 2013.
  23. ^ "этот 3D-принтер работает на песке и на солнце". В архиве с оригинала на 1 декабря 2017 г.. Получено 18 мая 2017.

дальнейшее чтение

внешние ссылки