Линза Френеля

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поперечное сечение
(1) линзы Френеля и
(2) обычной линзы

Ли́нза Френе́ля представляет собой оптическую деталь со сложной ступенчатой поверхностью. Линза Френеля 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 легкой линзы в виде серии кольцевых ступеней часто приписывается 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) предложил изготавливать её с отдельными секциями, установленными в раме[3]. Французскому физику и инженеру Огюстену Жану Френелю чаще всего приписывают 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 приписывают убеждение руководства Великобритании 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 строятся 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, изготавливаются 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 диаметром в десятки и сотни метров с использованием линз Френеля на основе тонких мембран[9].

Линзы Френеля применяются:

В зеркальных фотоаппаратах линза Френеля используется вместо плоско-выпуклой коллективной линзы, которая строит изображение выходного зрачка объектива в плоскости окуляра видоискателя[11]. Таким образом достигается равномерная яркость изображения в пределах всего кадра и удобство визирования. Кольцевая структура линзы маскируется матированием плоской поверхности, предназначенной для фокусировки объектива, а паразитное рассеивание не оказывает влияния на изображение.

Выпускаются 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 %[12].

Акустические линзы Френеля (точнее, изготавливаемые из звукопоглощающих материалов акустические зонные пластинки Френеля [1]) используются в акустике для формирования звукового поля.

Примечания[править | править код]

  1. Теория оптических систем, 1992, с. 84.
  2. Fresnel lens (англ.) // Encyclopædia Britannica : book. — Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica Inc, 2012.
  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.» Encyclopædia Britannica. 2005. Encyclopædia Britannica Online. 11 November 2005.
  6. «David Brewster.» World of Invention, 2nd ed. Gale Group, 1999.
  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. — Статья. — НИЧ ИТМО. — УДК 535.4
  9. Линзы Френеля в телескопах
  10. Give Me 3D TV, Without The Glasses (англ.), Tom's Guide (9 January 2010). Дата обращения 30 апреля 2017.
  11. Фотоаппараты, 1984, с. 16.
  12. Une cellule solaire conçue avec Soitec établit un record mondial  d’efficacité

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.