Линза Френеля

Поперечное сечение
(1) линзы Френеля и
(2) обычной линзы

Ли́нза Френе́ля представляет собой оптическую деталь со сложной ступенчатой поверхностью. Она может заменить как сферическую, так и цилиндрическую линзы, а также другие оптические детали, например, призмы, при этом ступени такой линзы могут быть разграничены концентрическими, спиральными или линейными канавками^[1].

История[править | править код]

Идея создания более тонкой, более лёгкой линзы в виде серии кольцевых ступеней часто приписывалась Жоржу-Луи Леклерку де Бюффону^[2]. 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^[3]. 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)^[4]. Шотландскому физику сэру Дейвиду Брюстеру приписывали убеждение руководства Британии использовать эти линзы в своих маяках^[5]^[6].

Строение[править | править код]

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^[7]. 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)^[8].

Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Кольцевые концентрируют световой поток в одном направлении, поясные — по всем направлениям в определённой плоскости^[7].

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.

Применение[править | править код]

Создание параллельного пучка света линзой Френеля (находится в центре)

Сечение плоско-выпуклой линзы. Поскольку оптический эффект достигается криволинейной поверхностью, часть материала линзы, не влияющая на кривизну, может быть удалена для получения более тонкой линзы. При этом линза становится ступенчатой и состоит из кольцевых зон

Основным недостатком линзы Френеля по сравнению с обычными линзами и традиционными объективами является высокий уровень паразитной засветки и разного рода «ложные изображения» из-за наличия переходных краевых участков между зонами, поэтому её использование для построения оптически точных изображений затруднено. Тем не менее уже есть положительный опыт построения и таких оптических систем. Перспективным направлением может быть построение космических телескопов диаметра в десятки и сотни метров с использованием линз Френеля на основе тонких мембран^[9].

Линзы Френеля применяют:

в осветительных устройствах, особенно подвижных, для минимизации веса и затрат на перемещение;
в крупногабаритных фокусирующих системах морских маяков, в проекционных телевизорах, оверхед-проекторах (кодоскопах), фотовспышках, навигационных огнях, светофорах, железнодорожных линзовых светофорах и семафорных фонарях и фонарях пассажирских вагонов;
в основе современных безочковых 3D-телевизоров некоторых производителей (см. лентикулярный линзовый растр)^[10];
в шлемах виртуальной реальности;
в инфракрасных (пирометрических) датчиках движения охранной сигнализации;
в линзовых антеннах;
в оптико-локационной станции истребителя-бомбардировщика пятого поколения Lockheed Martin F-35 Lightning II;
в солнечных тепловых электростанциях^[11].

В зеркальных фотоаппаратах линзу Френеля используют вместо плоско-выпуклой коллективной линзы, которая строит изображение выходного зрачка объектива в плоскости окуляра видоискателя^[12]. Таким образом достигается равномерная яркость изображения в пределах всего кадра и удобство визирования. Кольцевую структуру линзы маскируют матированием плоской поверхности, предназначенной для фокусировки объектива, а паразитное рассеивание не оказывает влияния на изображение.

Выпускают тонкие плоские лупы с размером до книжного листа, представляющие собой лист прозрачного пластика, на котором оттиснута линза Френеля. Линза Френеля в виде пластиковой плёнки, наклеенной на заднее стекло автомобиля, уменьшает мёртвую (невидимую) зону позади автомобиля при взгляде через зеркало заднего вида. Перспективным считается использование линз Френеля в качестве концентратора солнечной энергии для солнечных батарей, позволившее довести КПД солнечных элементов до 44,7 %^[13].

Плоский, тонкий, прозрачный и гибкий пластиковый лист (лентикулярный линзовый растр), имеющий концентрические круги на нём, действует как линза Френеля.
Френелевская лупа размером с кредитную карту
Макрофотография поверхности линзы Френеля
Линза Френеля для увеличения изображения на экране телевизора; у данной линзы практически отсутствует дисторсия
Вид на освещенный край кромки оптической системы посадки линзы Френеля на борту атомного авианосца «Дуайт Эйзенхауэр»
Принципиальная схема рассеивания света в фаре, где одна часть света отражается от параболического зеркала и преломляется через линзу Френеля
Линзы Френеля в маяке
Линза Френеля маршрутного светофора
Фасетный фокусирующий элемент охранного извещателя для инфракрасного излучения с линзами Френеля

Примечания[править | править код]

↑ Теория оптических систем, 1992, с. 84.
↑ Fresnel lens (англ.) // Encyclopædia Britannica : book. — Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica Inc, 2012.
↑ Fresnel lens (неопр.) // Appleton's dictionary of machines, mechanics, engine-work, and engineering. — New York: D. Appleton and Co, 1874. — Т. 2. — С. 609.
↑ Watson, Bruce. «Science Makes a Better Lighthouse Lens.» Smithsonian. August 1999 v30 i5 p30. produced in Biography Resource Center. Farmington Hills, Mich.: Thomson Gale. 2005.
↑ «Brewster, Sir David.» Архивная копия от 11 мая 2020 на Wayback Machine Encyclopædia Britannica. 2005. Encyclopædia Britannica Online. 11 November 2005.
↑ «David Brewster.» World of Invention, 2nd ed. Gale Group, 1999.
↑ ¹ ² Френеля линза // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — С. 374—375. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.
↑ Т. В. Стаценко, Ю. А. Толмачев, И. А. Шевкунов //Пространственно-временное преобразование ультракороткого импульса линзой Френеля Архивная копия от 29 декабря 2014 на Wayback Machine. — Статья. — НИЧ ИТМО. — УДК 535.4
↑ Линзы Френеля в телескопах (неопр.). Дата обращения: 18 апреля 2008. Архивировано 27 мая 2010 года.
↑ Give Me 3D TV, Without The Glasses (англ.), Tom's Guide (9 January 2010). Архивировано 31 августа 2013 года. Дата обращения: 30 апреля 2017.
↑ В.М.Андреев. фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии // Соросовский образовательный журнал, №7 : журнал. — 1996. — № №7. — С. 3. Архивировано 27 августа 2018 года.
↑ Фотоаппараты, 1984, с. 16.
↑ Une cellule solaire conçue avec Soitec établit un record mondial d’efficacité (неопр.). Дата обращения: 30 марта 2014. Архивировано 9 января 2014 года.

Литература[править | править код]

Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В. И. Кузичев. Глава V. Детали оптических систем // Теория оптических систем / Т. В. Абивова. — М.: «Машиностроение», 1992. — С. 53—91. — 448 с. — 2300 экз. — ISBN 5-217-01995-6.
М. Я. Шульман. Фотоаппараты / Т. Г. Филатова. — Л.,: «Машиностроение», 1984. — 142 с. — 100 000 экз.

[_81ddbb95c047e21f-1] Теория оптических систем, 1992, с. 84.

[2] Fresnel lens (англ.) // Encyclopædia Britannica : book. — Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica Inc, 2012.

[appleton-3] Fresnel lens (неопр.) // Appleton's dictionary of machines, mechanics, engine-work, and engineering. — New York: D. Appleton and Co, 1874. — Т. 2. — С. 609.

[4] Watson, Bruce. «Science Makes a Better Lighthouse Lens.» Smithsonian. August 1999 v30 i5 p30. produced in Biography Resource Center. Farmington Hills, Mich.: Thomson Gale. 2005.

[5] «Brewster, Sir David.» Архивная копия от 11 мая 2020 на Wayback Machine Encyclopædia Britannica. 2005. Encyclopædia Britannica Online. 11 November 2005.

[6] «David Brewster.» World of Invention, 2nd ed. Gale Group, 1999.

[ФЭ-7] ¹ ² Френеля линза // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. — С. 374—375. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.

[8] Т. В. Стаценко, Ю. А. Толмачев, И. А. Шевкунов //Пространственно-временное преобразование ультракороткого импульса линзой Френеля Архивная копия от 29 декабря 2014 на Wayback Machine. — Статья. — НИЧ ИТМО. — УДК 535.4

[9] Линзы Френеля в телескопах (неопр.). Дата обращения: 18 апреля 2008. Архивировано 27 мая 2010 года.

[10] Give Me 3D TV, Without The Glasses (англ.), Tom's Guide (9 January 2010). Архивировано 31 августа 2013 года. Дата обращения: 30 апреля 2017.

[11] В.М.Андреев. фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии // Соросовский образовательный журнал, №7 : журнал. — 1996. — № №7. — С. 3. Архивировано 27 августа 2018 года.

[_9766640932aef887-12] Фотоаппараты, 1984, с. 16.

[13] Une cellule solaire conçue avec Soitec établit un record mondial d’efficacité (неопр.). Дата обращения: 30 марта 2014. Архивировано 9 января 2014 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

Словари и энциклопедии	Большая датская Britannica (онлайн) Universalis
В библиографических каталогах	NKC: ph1098515