Lentila Fresnel - Fresnel lens

Obiectiv Fresnel catadioptric rotativ de ordinul întâi, datat 1870, afișat la Muzeul național al Marinei , Paris. În acest caz, prismele dioptrice (în interiorul inelelor de bronz) și prismele catadioptrice (în exterior) sunt aranjate pentru a concentra lumina de la lampa centrală în patru grinzi rotative, văzute de marinari ca patru blițuri pe rotație. Ansamblul are o înălțime de 2,54 metri și cântărește aproximativ 1,5 tone.

O lentilă Fresnel ( / f r eɪ . N ɛ l , - n əl / FRAY -nel, -⁠nəl ; / f r ɛ n . Ɛ l , - əl / FREN -el, -⁠əl ; / f r eɪ n ɛ l / fray- NEL sau / f r ɛ z . n əl / Frez -nəl ) este un tip de compact compozit lentilă dezvoltat de fizicianul francez Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) pentru utilizare în faruri . A fost numită „invenția care a salvat un milion de nave”.

Designul permite construirea lentilelor cu diafragmă mare și distanță focală scurtă, fără masa și volumul de material care ar fi cerute de un obiectiv de design convențional. O lentilă Fresnel poate fi mult mai subțire decât o lentilă convențională comparabilă, luând în unele cazuri forma unei foi plate. Forma dioptrică mai simplă (pur refractivă) a lentilei a fost propusă pentru prima dată de contele Buffon și reinventată independent de Fresnel. Forma catadioptrică a lentilei, inventată în întregime de Fresnel, are elemente exterioare care utilizează reflexia internă totală , precum și refracția; poate capta mai multă lumină oblică dintr-o sursă de lumină și o poate adăuga la fasciculul unui far, făcând lumina vizibilă de la distanțe mai mari.

Descriere

1: Secțiunea transversală a lentilei Buffon / Fresnel. 2: Secțiunea transversală a lentilelor convenționale plan-convexe de putere echivalentă. (Versiunea lui Buffon era biconvexă .)
Vizualizarea de aproape a unui obiectiv Fresnel plat prezintă cercuri concentrice la suprafață

Obiectivul Fresnel reduce cantitatea de material necesară în comparație cu un obiectiv convențional, împărțind obiectivul într-un set de secțiuni inelare concentrice. Un obiectiv Fresnel ideal ar avea un număr infinit de secțiuni. În fiecare secțiune, grosimea totală este redusă în comparație cu un obiectiv simplu echivalent. Aceasta împarte efectiv suprafața continuă a lentilelor standard într-un set de suprafețe de aceeași curbură, cu discontinuități treptate între ele.

La unele lentile, suprafețele curbate sunt înlocuite cu suprafețe plane, cu un unghi diferit în fiecare secțiune. O astfel de lentilă poate fi privită ca o serie de prisme dispuse în mod circular, cu prisme mai abrupte pe margini și un centru plat sau ușor convex. În primul (și cel mai mare) obiectiv Fresnel, fiecare secțiune era de fapt o prismă separată. Lentilele Fresnel „dintr-o singură bucată” au fost produse ulterior, fiind utilizate pentru farurile automobilelor, frâna, parcarea și lentilele de semnalizare și așa mai departe. În timpurile moderne, echipamentele de frezare controlate de computer (CNC) sau imprimantele 3-D ar putea fi utilizate pentru fabricarea lentilelor mai complexe.

Proiectarea lentilelor Fresnel permite o reducere substanțială a grosimii (și, astfel, a masei și a volumului de material), în detrimentul reducerii calității imaginii obiectivului, motiv pentru care aplicațiile precise de imagistică, cum ar fi fotografia, utilizează de obicei încă obiective convenționale mai mari.

Lentilele Fresnel sunt fabricate de obicei din sticlă sau plastic; dimensiunea acestora variază de la mari (faruri istorice vechi, dimensiuni ale contorului) la medii (dispozitive pentru citirea cărților, proiectoare OHP viewgraph) până la mici ( ecrane ale camerelor TLR / SLR , micro-optică). În multe cazuri, acestea sunt foarte subțiri și plane, aproape flexibile, cu grosimi  cuprinse între 1 și 5 mm ( 1 ⁄ 32 până la 3 ⁄ 16 in).

Majoritatea lentilelor Fresnel moderne constau doar din elemente de refracție. Lentilele farurilor, totuși, tind să includă atât elemente refractante, cât și elemente reflectorizante, acestea din urmă fiind în afara inelelor metalice văzute în fotografii. În timp ce elementele interioare sunt secțiuni ale lentilelor de refracție, elementele exterioare sunt prisme reflectorizante, fiecare dintre acestea efectuând două refracții și o reflecție internă totală , evitând pierderea de lumină care apare în reflexia unei oglinzi argintate.

Dimensiunile lentilelor farului

Makapuu Point Light
Farul Cape Meares ; lentila Fresnel de ordinul I

Fresnel a proiectat șase dimensiuni de lentile far, împărțite în patru ordine în funcție de dimensiunea și distanța focală a acestora. În utilizarea modernă, acestea sunt clasificate ca ordinea întâi până la a șasea. O dimensiune intermediară între ordinea a treia și a patra a fost adăugată ulterior, precum și dimensiunile peste ordinea întâi și sub a șasea.

Un obiectiv de prim ordin are o distanță focală de 920 mm ( 36+1 ⁄ 4  in) și are o înălțime de aproximativ 2,59 m (8 ft 6 in) și o lățime de 1,8 m (6 ft). Cea mai mică (a șasea) ordine are o distanță focală de 150 mm (6 in) și o înălțime de 433 mm ( 17+1 ⁄ 16  in).

Cele mai mari lentile Fresnel se numesc hiperradiante (sau hiperradiale ). Un astfel de obiectiv a fost la îndemână când s-a decis construirea și echiparea Luminii Makapuu Point din Hawaii. În loc să comandați un obiectiv nou, construcția optică imensă, înaltă de 3,7 metri (12 ft) și cu peste o mie de prisme, a fost folosită acolo.

Comenzi de lentile far
Ordin Distanța focală 
(mm) 		Înălțime
(m) 		Prima instalare
Al optulea
Al șaptelea
Şaselea 150 0,433
a cincea 187,5 0,541
Al patrulea 250 0,722
3+1 ⁄ 2 375
Al treilea 500 1,576 1825
Al doilea 700 2.069
Primul 920 2.59 1823
Mesoradial 1125
Hiperradial 1330 1887

Tipuri

Există două tipuri principale de lentile Fresnel: imagistică și non-imagistică . Obiectivele Fresnel pentru imagistică utilizează segmente cu secțiuni transversale curbate și produc imagini clare, în timp ce obiectivele care nu au imagini au segmente cu secțiuni transversale plate și nu produc imagini clare. Pe măsură ce numărul segmentelor crește, cele două tipuri de lentile devin mai asemănătoare. În cazul abstract al unui număr infinit de segmente, diferența dintre segmentele curbe și plane dispare.

Imagistica

Sferic
O lentilă sferică Fresnel este echivalentă cu o lentilă sferică simplă , utilizând segmente în formă de inel care sunt fiecare o porțiune a unei sfere, care focalizează toate lumina pe un singur punct. Acest tip de obiectiv produce o imagine clară, deși nu este la fel de clară ca obiectivul sferic simplu echivalent datorită difracției de la marginile crestelor.
Cilindric
O lentilă Fresnel cilindrică este echivalentă cu o lentilă cilindrică simplă , utilizând segmente drepte cu secțiune circulară, focalizând lumina pe o singură linie. Acest tip produce o imagine clară, deși nu este la fel de clară ca obiectivul cilindric simplu echivalent datorită difracției de la marginile crestelor.

Non-imagistică

Loc
O lentilă Fresnel care nu are imagini folosește segmente în formă de inel cu secțiuni transversale care sunt linii drepte mai degrabă decât arcuri circulare. Un astfel de obiectiv poate focaliza lumina pe un punct mic, dar nu produce o imagine clară. Aceste lentile se aplică în energia solară, cum ar fi focalizarea luminii solare pe un panou solar. Lentilele Fresnel pot fi utilizate ca componente ale opticii de iluminare Köhler, având ca rezultat concentratoare solare Fresnel-Köhler (FK) optice fără imagini foarte eficiente .
Liniar
Un obiectiv Fresnel liniar neimagistic folosește segmente drepte ale căror secțiuni transversale sunt linii drepte mai degrabă decât arcuri. Aceste lentile focalizează lumina într-o bandă îngustă. Ele nu produc o imagine clară, dar pot fi utilizate în energia solară, cum ar fi focalizarea soarelui pe o conductă, pentru a încălzi apa din interior.

Utilizări

Imagistica

Un obiectiv Fresnel din plastic vândut ca dispozitiv de mărire a ecranului TV
Obiectivul Fresnel utilizat în televizorul portabil Sinclair FTV1 CRT, care mărește doar aspectul vertical al afișajului

Lentilele Fresnel sunt utilizate ca lupe simple de mână . Ele sunt, de asemenea, utilizate pentru a corecta mai multe tulburări vizuale, inclusiv tulburări de motilitate oculară, cum ar fi strabismul . Lentilele Fresnel au fost utilizate pentru a crește dimensiunea vizuală a afișajelor CRT în televizoarele de buzunar , în special Sinclair TV80 . Sunt folosite și la semafoare .

Lentilele Fresnel sunt folosite la camioanele europene cu volan pe stânga care intră în Marea Britanie și Republica Irlanda (și invers, camioanele irlandeze și britanice cu volan pe dreapta care intră în Europa continentală) pentru a depăși punctele oarbe cauzate de șoferul care operează camionul în timp ce așezat pe partea greșită a cabinei față de marginea drumului pe care se află mașina. Se fixează pe geamul din partea pasagerului.

O altă aplicație auto a unui obiectiv Fresnel este un amplificator de vedere din spate, întrucât unghiul larg de vizibilitate al unui obiectiv atașat la luneta permite examinarea scenei din spatele unui vehicul, în special una înaltă sau cu coadă de bluff, mai eficient decât o vedere din spate oglindă singură.

Obiectivele Fresnel multi-focale sunt, de asemenea, utilizate ca parte a camerelor de identificare a retinei , unde oferă imagini multiple în interiorul și în afara focalizării unei ținte de fixare în interiorul camerei. Pentru practic toți utilizatorii, cel puțin una dintre imagini va fi focalizată, permițând astfel alinierea corectă a ochilor.

Lentilele Fresnel au fost folosite și în domeniul divertismentului popular. Artistul rock britanic Peter Gabriel le-a folosit în primele sale interpretări solo solo pentru a-și mări dimensiunea capului, spre deosebire de restul corpului său, pentru un efect dramatic și comic. În Terry Gilliam de film Brazilia , ecrane din plastic Fresnel apar aparent ca lupe pentru mici monitoarele CRT utilizate pe întreg birourile Ministerului Informațiilor. Cu toate acestea, ele apar ocazional între actori și cameră, distorsionând amploarea și compoziția scenei cu efect plin de umor. Pixar Filmul Wall-E are o lentilă Fresnel în scenele în care protagonistul ceasuri muzicale Hello, Dolly! mărită pe un iPod .

Fotografie

Canon și Nikon au folosit lentile Fresnel pentru a reduce dimensiunea teleobiectivelor. Lentilele fotografice care includ elemente Fresnel pot fi mult mai scurte decât proiectarea corespunzătoare a obiectivelor convenționale. Nikon numește tehnologia Phase Fresnel .

Camera Polaroid SX-70 a folosit un reflector Fresnel ca parte a sistemului său de vizionare.

Camerele de vizualizare și formatele mari pot utiliza un obiectiv Fresnel împreună cu sticla măcinată , pentru a crește luminozitatea percepută a imaginii proiectate de un obiectiv pe sticla măcinată, ajutând astfel la reglarea focalizării și a compoziției.

Iluminare

Lentila farului Inchkeith și mecanismul de acționare

Lentilele Fresnel din sticlă de înaltă calitate au fost utilizate în faruri, unde au fost considerate de ultimă generație la sfârșitul secolului al XIX-lea și până la mijlocul secolului al XX-lea; majoritatea farurilor au retras din serviciu lentilele Fresnel din sticlă și le-au înlocuit cu aerobeacoane mult mai puțin costisitoare și mai durabile , care conțin adesea lentile Fresnel din plastic. Sistemele de lentile Fresnel Lighthouse includ de obicei elemente prismatice inelare , dispuse în cupole fațetate deasupra și dedesubtul planului central Fresnel, pentru a prinde toată lumina emisă de sursa de lumină. Calea luminii prin aceste elemente poate include o reflecție internă , mai degrabă decât simpla refracție în elementul Fresnel plan. Aceste lentile confereau numeroase beneficii practice proiectanților, constructorilor și utilizatorilor de faruri și iluminarea lor. Printre altele, obiectivele mai mici s-ar putea încadra în spații mai compacte. Transmiterea mai mare a luminii pe distanțe mai mari și tiparele variate au făcut posibilă triangularea unei poziții.

Poate că cea mai răspândită utilizare a lentilelor Fresnel, pentru o vreme, a avut loc la farurile auto , unde acestea pot modela fasciculul aproximativ paralel din reflectorul parabolic pentru a îndeplini cerințele pentru modelele de fază scurtă și de fază principală, de multe ori în aceeași unitate de faruri (de exemplu ca design european H4 ). Din motive de economie, greutate și rezistență la impact, mașinile mai noi au renunțat la lentilele Fresnel din sticlă, folosind reflectoare multifacetate cu lentile simple din policarbonat . Cu toate acestea, lentilele Fresnel continuă să fie utilizate pe scară largă în spatele autovehiculului, în marker și în lumini de mers înapoi.

Obiectivele Fresnel din sticlă sunt, de asemenea, utilizate în instrumentele de iluminat pentru teatru și filme (a se vedea felinarul Fresnel ); astfel de instrumente sunt adesea numite pur și simplu Fresnels . Întregul instrument constă dintr-o carcasă metalică, un reflector, un ansamblu de lampă și un obiectiv Fresnel. Multe instrumente Fresnel permit deplasarea lămpii în raport cu punctul focal al obiectivului , pentru a crește sau micșora dimensiunea fasciculului de lumină. Ca urmare, acestea sunt foarte flexibile și pot produce adesea un fascicul îngust de până la 7 ° sau lat de 70 °. Obiectivul Fresnel produce un fascicul foarte moale, deci este adesea folosit ca lumină de spălare. Un suport în fața obiectivului poate ține o peliculă din plastic colorat ( gel ) pentru a nuanța ecranele luminoase sau de sârmă sau plasticul mat pentru a-l difuza. Obiectivul Fresnel este util la realizarea de filme nu numai datorită capacității sale de a focaliza fasciculul mai luminos decât un obiectiv tipic, ci și pentru că lumina are o intensitate relativ consistentă pe întreaga lățime a fasciculului de lumină.

Sistem optic de aterizare pe portavionul USS Dwight D. Eisenhower

Portavioanele și stațiile aeriene navale utilizează de obicei lentile Fresnel în sistemele lor optice de aterizare . Lumina „chifteluță” ajută pilotul să mențină o pantă de alunecare adecvată pentru aterizare. În centru sunt lumini roșii și chihlimbar compuse din lentile Fresnel. Deși luminile sunt întotdeauna aprinse, unghiul obiectivului din punctul de vedere al pilotului determină culoarea și poziția luminii vizibile. Dacă luminile apar deasupra barei orizontale verzi, pilotul este prea înalt. Dacă este mai jos, pilotul este prea scăzut, iar dacă luminile sunt roșii, pilotul este foarte scăzut.

Proiecție

Utilizarea lentilelor Fresnel pentru proiecția imaginii reduce calitatea imaginii, astfel încât acestea tind să apară numai acolo unde calitatea nu este critică sau în cazul în care cea mai mare parte a unui obiectiv solid ar fi prohibitivă. Lentilele Fresnel ieftine pot fi ștampilate sau turnate din plastic transparent și sunt utilizate în proiectoarele aeriene și televizoarele de proiecție .

Lentilele Fresnel de diferite distanțe focale (un colimator și un colector) sunt utilizate în proiecția comercială și DIY . Obiectivul colimator are distanța focală mai mică și este plasat mai aproape de sursa de lumină, iar obiectivul colector, care focalizează lumina în obiectivul triplet, este plasat după imaginea de proiecție (un panou LCD cu matrice activă în proiectoarele LCD ). Lentilele Fresnel sunt utilizate și ca colimatori în proiectoarele aeriene .

Energie solara

Deoarece lentilele Fresnel din plastic pot fi făcute mai mari decât lentilele din sticlă, precum și mult mai ieftine și mai ușoare, acestea sunt utilizate pentru a concentra lumina soarelui pentru încălzirea în aragazele solare , în forjele solare și în colectoarele solare utilizate pentru încălzirea apei pentru uz casnic. Ele pot fi, de asemenea, utilizate pentru a genera abur sau pentru a alimenta un motor Stirling .

Lentilele Fresnel pot concentra lumina soarelui pe celulele solare cu un raport de aproape 500: 1. Acest lucru permite reducerea suprafeței active a celulelor solare, reducând costurile și permițând utilizarea unor celule mai eficiente care altfel ar fi prea scumpe. La începutul secolului al XXI-lea, reflectoarele Fresnel au început să fie utilizate în centralele de concentrare a energiei solare (CSP) pentru a concentra energia solară. O aplicație a fost preîncălzirea apei la centrala electrică Liddell pe cărbune , în Hunter Valley, Australia.

Lentilele Fresnel pot fi utilizate pentru sinterizarea nisipului, permițând imprimarea 3D în sticlă.

Istorie

Înaintași

Augustin-Jean Fresnel nu a fost prima persoană care a focalizat un fascicul de far folosind un obiectiv. Această distincție aparține aparatului tăietorului de sticlă londonez Thomas Rogers, care a propus ideea Trinity House în 1788. Primele lentile Rogers, cu diametrul de 53 cm și grosimea de 14 cm în centru, au fost instalate la Old Lower Lighthouse de la Portland Bill în 1789. În spatele fiecărei lămpi era o oglindă de sticlă sferică acoperită în spate, care reflecta radiația din spate înapoi prin lampă și în lentilă. Alte probe au fost instalate la Howth Baily , North Foreland și în cel puțin alte patru locații până în 1804. Dar o mare parte din lumină a fost irosită prin absorbția în sticlă.

Nici Fresnel nu a fost primul care a sugerat înlocuirea unei lentile convexe cu o serie de prisme inelare concentrice , pentru a reduce greutatea și absorbția. În 1748, contele Buffon a propus măcinarea unor astfel de prisme ca pași într-o singură bucată de sticlă. În 1790 (deși sursele secundare indică data ca 1773 sau 1788), marchizul de Condorcet a sugerat că ar fi mai ușor să faceți secțiunile inelare separat și să le asamblați pe un cadru; dar chiar și asta nu era practic la vremea respectivă. Aceste modele nu erau destinate farurilor, ci arderii ochelarilor . Cu toate acestea, David Brewster a propus un sistem similar cu cel al lui Condorcet în 1811 și, până în 1820, a susținut utilizarea acestuia în farurile britanice.

Contribuțiile lui Fresnel

Comisia franceză des Phares (Comisia farurilor) a fost înființată de Napoleon în 1811 și plasată sub autoritatea angajatorului lui Fresnel, Corpul de poduri și drumuri. Întrucât membrii comisiei erau altfel ocupați, aceasta a obținut puțin în primii ani. Dar la 21 iunie 1819 - la trei luni de la câștigarea Marelui Premiu de fizică al Academiei de Științe pentru celebrul său memoriu despre difracție - Fresnel a fost „temporar” detașat la comisie la recomandarea lui François Arago (membru din 1813), pentru a revizui posibile îmbunătățiri în iluminarea farului.

Până la sfârșitul lunii august 1819, neștiind de propunerea Buffon-Condorcet-Brewster, Fresnel a făcut prima sa prezentare comisiei, recomandând ceea ce el a numit lentilles à échelons (lentile prin pași) pentru a înlocui reflectoarele utilizate în acel moment, care reflectau doar despre jumătate din lumina incidentă. Spre jenarea lui Fresnel, unul dintre comisarii adunați, Jacques Charles , a reamintit sugestia lui Buffon. Cu toate acestea, în timp ce versiunea lui Buffon era biconvexă și dintr-o singură bucată, versiunea lui Fresnel era plan-convexă și făcută din multiple prisme pentru o construcție mai ușoară. Cu un buget oficial de 500 de franci, Fresnel a abordat trei producători. Al treilea, François Soleil, a găsit o modalitate de a elimina defectele prin reîncălzirea și remodelarea paharului. Arago l-a ajutat pe Fresnel cu proiectarea unei lămpi Argand modificate cu fitile concentrice (un concept pe care Fresnel l-a atribuit contelui Rumford  ) și a descoperit din greșeală că lipiciul de pește era rezistent la căldură, făcându-l potrivit pentru utilizarea în obiectiv. Prototipul, terminat în martie 1820, avea un panou cu lentile pătrate de 55 cm pe o parte, conținând 97 de prisme poligonale (nu inelare) - și a impresionat atât Comisia, încât lui Fresnel i s-a cerut o versiune completă cu opt panouri. Acest model, finalizat un an mai târziu, în ciuda finanțării insuficiente, avea panouri de 76 cm pătrate. Într-un spectacol public din seara de 13 aprilie 1821, a fost demonstrat prin comparație cu cele mai recente reflectoare, pe care le-a transformat brusc învechite.

La scurt timp după această demonstrație, Fresnel a publicat ideea că lumina, inclusiv lumina aparent nepolarizată , constă exclusiv din unde transversale și a luat în considerare implicațiile pentru refracția dublă și reflexia parțială.

Fresnel a recunoscut lentilele britanice și invenția lui Buffon într-un memoriu citit la 29 iulie 1822 și tipărit în același an. Data memoriei poate fi sursa afirmației că susținerea farului Fresnel a început cu doi ani mai târziu decât cea a lui Brewster; dar textul arată clar că implicarea lui Fresnel a început nu mai târziu de 1819.

Secțiunea transversală a unei lentile de far Fresnel de prima generație, cu oglinzi înclinate  m, n deasupra și dedesubtul panoului refractiv  RC (cu segmentul central  A ). Designul a fost ulterior îmbunătățit prin înlocuirea oglinzilor cu prisme reflectorizante pentru a reduce pierderile. Dacă secțiunea transversală din fiecare plan vertical prin lampa  L este aceeași (simetrie cilindrică), lumina este răspândită uniform în jurul orizontului.

Următoarea lentilă a lui Fresnel a fost un aparat rotativ cu opt panouri „cu ochi de taur”, realizate în arcuri inelare de Saint-Gobain , oferind opt grinzi rotative - pentru a fi văzute de marinari ca un fulger periodic. Deasupra și în spatele fiecărui panou principal era un panou mai mic, înclinat, cu contur trapezoidal cu elemente trapezoidale. Aceasta a refractat lumina către o oglindă plană înclinată, care apoi a reflectat-o ​​orizontal, cu 7 grade în fața fasciculului principal, crescând durata blițului. Sub panourile principale erau 128 de mici oglinzi dispuse în patru inele, stivuite ca lamelele unei jaluzele sau jaluzele venețiene . Fiecare inel, în formă de frunț de con , reflecta lumina către orizont, oferind o lumină constantă mai slabă între flash-uri. Testul oficial, efectuat pe Arcul de Triumf neterminat la 20 august 1822, a fost martor de către Comisie - și de Ludovic al XVIII - lea și anturajul său - de la 32 de kilometri distanță. Aparatul a fost depozitat la Bordeaux pentru iarnă și apoi a fost reasamblat la Farul Cordouan sub supravegherea lui Fresnel - în parte din mâinile lui Fresnel. La 25 iulie 1823, primul obiectiv far Fresnel din lume a fost aprins. Așa cum era de așteptat, lumina era vizibilă la orizont, la mai mult de 32 de kilometri (20 mi) afară.

Cu o zi înainte de testarea lentilei Cordouan la Paris, un comitet al Academiei de Științe a raportat despre memoriile și suplimentele lui Fresnel privind refracția dublă - care, deși mai puțin cunoscute cititorilor moderni decât lucrările sale anterioare despre difracție, au dat o lovitură mai decisivă pentru teoria undelor luminii. Între test și reasamblare la Cordouan, Fresnel și-a prezentat lucrările despre fotoelasticitate (16 septembrie 1822), polarizare eliptică și circulară și rotație optică (9 decembrie), și reflecție parțială și reflexie internă totală (7 ianuarie 1823), completând în esență reconstrucția sa a opticii fizice pe ipoteza undei transversale . La scurt timp după ce lentila Cordouan a fost aprinsă, Fresnel a început să tusească sânge.

În mai 1824, Fresnel a fost promovat în funcția de secretar al Comisiei des Phares , devenind primul membru al acestui organism care a obținut un salariu, deși în rolul concomitent al inginerului-șef. La sfârșitul acelui an, fiind tot mai bolnav, și-a restrâns cercetările fundamentale și și-a dat demisia de la locul de muncă sezonier ca examinator la École Polytechnique , pentru a-și economisi timpul și energia rămasă pentru munca la far.

În același an, el a proiectat primul obiectiv fix - pentru răspândirea uniformă a luminii în jurul orizontului, reducând în același timp deșeurile deasupra sau dedesubt. În mod ideal suprafețele de refractare curbate ar fi segmente de toroizi în jurul unei axe verticale comune, astfel încât panoul dioptric să arate ca un tambur cilindric. Dacă acest lucru ar fi completat prin inele reflectorizante ( catoptrice ) deasupra și dedesubtul părților refractante (dioptrice), întregul aparat ar arăta ca un stup de stup. Al doilea obiectiv Fresnel care a intrat în funcțiune a fost într-adevăr un obiectiv fix, de ordinul trei, instalat la Dunkirk până la 1 februarie 1825. Cu toate acestea, datorită dificultății de fabricare a prismelor toroidale mari, acest aparat avea un plan poligonal pe 16 fețe.

În 1825, Fresnel și-a extins designul cu lentile fixe prin adăugarea unui tablou rotativ în afara tabloului fix. Fiecare panou al matricei rotative trebuia să refracteze o parte a luminii fixe dintr-un ventilator orizontal într-un fascicul îngust.

Tot în 1825, Fresnel a dezvăluit Carte des Phares (Harta farului), solicitând un sistem de 51 de faruri plus lumini port mai mici, într-o ierarhie a dimensiunilor lentilelor numite „ordine” (prima fiind cea mai mare), cu caracteristici diferite pentru a facilita recunoaștere: o lumină constantă (de la un obiectiv fix), un bliț pe minut (de la un obiectiv rotativ cu opt panouri) și două pe minut (șaisprezece panouri).

La sfârșitul anului 1825, pentru a reduce pierderea de lumină din elementele reflectante, Fresnel a propus înlocuirea fiecărei oglinzi cu o prismă catadioptrică, prin care lumina ar călători prin refracție prin prima suprafață, apoi prin reflexia internă totală de pe a doua suprafață, apoi prin refracție prin a treia suprafață. Rezultatul a fost obiectivul farului așa cum îl știm acum. În 1826 a asamblat un mic model pentru a fi folosit pe Canal Saint-Martin , dar nu a trăit pentru a vedea o versiune de dimensiuni complete: a murit la 14 iulie 1827, la vârsta de 39 de ani.

După Fresnel

Prima etapă a dezvoltării lentilelor farurilor după moartea lui Augustin Fresnel a constat în implementarea proiectelor sale. Acest lucru a fost condus în parte de fratele său mai mic Léonor - care, la fel ca Augustin, a fost instruit ca inginer civil, dar, spre deosebire de Augustin, avea o puternică aptitudine pentru management. Léonor a intrat în serviciul Comisiei Farului în 1825 și a continuat să-l succede pe Augustin ca secretar.

Primul obiectiv fix care a fost construit cu prisme toroidale a fost un aparat de prim ordin proiectat de inginerul scoțian Alan Stevenson sub îndrumarea lui Léonor Fresnel și fabricat de Isaac Cookson & Co. folosind sticlă franceză; a intrat în funcțiune la Insula Mai , Scoția, la 22 septembrie 1836. Primele lentile mari catadioptrice au fost fabricate în 1842 pentru farurile de la Gravelines și Île Vierge , Franța; acestea erau lentile fixe de ordinul al treilea ale căror inele catadioptrice (realizate în segmente) aveau un diametru de un metru. Obiectivul Skerryvore de prima comandă al lui Stevenson , aprins în 1844, era doar parțial catadioptric; era similar cu obiectivul Cordouan, cu excepția faptului că lamelele inferioare au fost înlocuite cu prisme catadioptrice fabricate în Franța, în timp ce oglinzile au fost păstrate în partea de sus. Primul obiectiv complet de prim ordin complet catadioptric, instalat la Pointe d'Ailly în 1852, a dat, de asemenea, opt fascicule rotative plus o lumină fixă ​​în partea de jos; dar secțiunea sa superioară avea opt panouri catadioptrice care focalizau lumina cu aproximativ 4 grade în fața fasciculelor principale, pentru a prelungi blițurile. Lentila primul ciclu complet catadioptric cu rulment pur grinzi , de asemenea , de ordinul întâi- a fost instalat la Saint-Clément-des-Baleines în 1854, și a marcat finalizarea Augustin Fresnel originală Carte des Fares .

Thomas Stevenson (fratele mai mic al lui Alan) a făcut un pas dincolo de Fresnel cu lentila sa „holofotică”, care focaliza lumina radiată de lampă în aproape toate direcțiile, înainte sau înapoi, într-un singur fascicul. Prima versiune, descrisă în 1849, consta dintr-un obiectiv Fresnel standard cu ochi de taur, un reflector paraboloidal și un reflector emisferic posterior (echivalent funcțional cu oglinda Rogers de 60 de ani mai devreme, cu excepția faptului că subtendea o emisferă întreagă). Lumina radiată în emisfera din față, dar lipsa lentilei de ochi de taur, a fost deviată de paraboloid într-un fascicul paralel care înconjoară lentila de ochi de taur, în timp ce lumina radiată în emisfera din spate a fost reflectată înapoi prin lampă de reflectorul sferic (ca în Rogers „aranjament), care trebuie colectat de către componentele forward. Prima unitate a fost instalată la North Harbor, Peterhead , în august 1849. Stevenson a numit această versiune „holofotă catadioptrică”, deși fiecare dintre elementele sale era fie pur reflexiv, fie pur refractiv. În cea de-a doua versiune a conceptului de holofotă, lentila ochi de taur și reflectorul paraboloidal au fost înlocuite cu o lentilă Fresnel catadioptrică - așa cum a fost concepută de Fresnel, dar s-a extins pentru a acoperi întreaga emisferă înainte. A treia versiune, care Stevenson induce confuzie numit „holophote dioptrica“, a fost mai inovatoare: a păstrat lentila Fresnel catadioptric pentru emisfera din față, dar înlocuit reflectorul emisferică din spate , cu o matrice semicirculară de prisme inelare, fiecare dintre care a folosit două total intern reflexii pentru a transforma lumina divergentă de la centrul emisferei înapoi spre centru. Rezultatul a fost un holofot din toată sticla, fără pierderi din reflexiile metalice.

James Timmins Chance a modificat designul holofotic complet din sticlă al lui Thomas Stevenson aranjând prismele cu reflecție dublă în jurul unei axe verticale. Prototipul a fost prezentat la expoziția internațională din 1862 din Londra. Mai târziu, pentru a ușura fabricarea, Chance a împărțit prismele în segmente și le-a aranjat într-o formă cilindrică, păstrând în același timp proprietatea de a reflecta lumina dintr-un singur punct înapoi în acel punct. Reflectoarele de această formă, numite în mod paradoxal „oglinzi dioptrice”, s-au dovedit deosebit de utile pentru a readuce lumina de la partea de pământ a lămpii la cea de la mare.

Obiectiv Fresnel intermitent de grup de prim ordin, expus la Muzeul Farului Point Arena , Farul Point Arena , județul Mendocino, California . Cele trei panouri dioptrice (în interiorul inelelor de alamă) și trei panouri catadioptrice (în exterior) sunt parțial împărțite în două, oferind trei duble-flash-uri pe rotație.

Pe măsură ce farurile au proliferat, au devenit mai greu de distins între ele, ducând la utilizarea filtrelor colorate, care risipeau lumina. În 1884, John Hopkinson a eliminat necesitatea filtrelor prin inventarea obiectivului „intermitent de grup”, în care panourile dioptrice și / sau catadioptrice au fost împărțite astfel încât să ofere mai multe blițuri - permițând identificarea farurilor nu numai prin frecvența blițurilor. , dar și prin multitudinea de flash-uri. Lentilele cu intermitent dublu au fost instalate la Tampico (Mexic) și Little Basses (Sri Lanka) în 1875, iar un obiectiv cu intermitent triplu la Farul Casquets ( Insulele Canalului ) în 1876. Exemplul prezentat (dreapta) este obiectivul cu intermitent dublu al Arena lumină punctiformă , care a fost în serviciul 1908-1977.

Dezvoltarea lentilelor hiper radiale a fost determinată parțial de necesitatea unor surse de lumină mai mari, cum ar fi luminile pe gaz cu jeturi multiple, care necesitau o distanță focală mai mare pentru o lățime a fasciculului dată, deci o lentilă mai mare pentru a colecta o fracțiune dată de lumina generată. Primul obiectiv hiper radial a fost construit pentru Stevensons în 1885 de F. Barbier & Cie din Franța și testat la Farul South Foreland cu diverse surse de lumină. Chance Brothers (angajatorii lui Hopkinson) au început apoi să construiască hiperradiale, instalându-le pe primul la farul Bishop Rock în 1887. În același an, Barbier a instalat o hiperradială la Tory Island . Dar doar aproximativ 30 de hiperradiale au intrat în funcțiune înainte ca dezvoltarea lămpilor mai compacte și luminoase să facă inutile o astfel de optică mare (vezi obiectivul Fresnel hiperradiant ).

Producerea lentilelor dioptrice cu trepte dintr-o singură bucată - aproximativ așa cum a fost prevăzută de Buffon - a devenit fezabilă în 1852, când John L. Gilliland de la Brooklyn Flint-Glass Company a brevetat o metodă de fabricare a lentilelor din sticlă presată și turnată. Compania a realizat lentile mici de ochi de taur pentru a fi utilizate pe căi ferate, bărci cu aburi și docuri; astfel de lentile erau comune în Statele Unite până în anii 1870. În 1858 compania a produs „un număr foarte mic de lentile presate din sticlă de silex de ordinul șase” pentru utilizare în faruri - primele lentile de far Fresnel fabricate în America. Până în anii 1950, înlocuirea sticlei din plastic a făcut economică utilizarea lentilelor Fresnel ca condensatoare în proiectoarele aeriene.

Vezi si

Referințe

Bibliografie

Lecturi suplimentare

linkuri externe