stringtranslate.com

линза Френеля

Вращающаяся катадиоптрическая линза Френеля первого порядка, датированная 1870 годом, экспонируется в Национальном морском музее в Париже. В этом случае диоптрические призмы (внутри бронзовых колец) и катадиоптрические призмы (снаружи) расположены так, чтобы концентрировать свет от центральной лампы в четыре вращающихся луча, которые моряки видят как четыре вспышки за оборот. Сборка имеет высоту 2,54 метра (8,3 фута) и весит около 1,5 тонны (3300 фунтов).

Линза Френеля ( / ˈ f r eɪ n ɛ l , - n əl / FRAY -nel, -⁠nəl ; / ˈ f r ɛ n ɛ l , - əl / FREN -el, -⁠əl ; или / f r eɪ ˈ n ɛ l / fray- NEL [1] ) — это тип составной компактной линзы , которая уменьшает количество необходимого материала по сравнению с обычной линзой за счет разделения линзы на набор концентрических кольцевых секций.

Более простая диоптрическая (чисто преломляющая ) форма линзы была впервые предложена Жоржем-Луи Леклерком, графом де Бюффоном [2] и независимо переработана французским физиком Огюстеном-Жаном Френелем (1788–1827) для использования в маяках . [3] [4] Катадиоптрическая (сочетающая преломление и отражение) форма линзы, полностью изобретенная Френелем, имеет внешние призматические элементы , которые используют полное внутреннее отражение , а также преломление для захвата большего количества косого света от источника света и добавления его к лучу, делая его видимым на больших расстояниях.

Конструкция позволяет создавать линзы с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием без массы и объема материала, которые потребовались бы для линзы обычной конструкции. Линза Френеля может быть сделана намного тоньше, чем сопоставимая обычная линза, в некоторых случаях принимая форму плоского листа.

Из-за его использования в маяках его называли «изобретением, спасшим миллион кораблей» [5] .

История

Предшественники

Первым человеком, который сфокусировал луч маяка с помощью линзы, был, по-видимому, лондонский стеклорез Томас Роджерс, который предложил эту идею Trinity House в 1788 году. [6] Первые линзы Роджерса,  диаметром 53 см и  толщиной 14 см в центре, были установлены на старом нижнем маяке в Портленд-Билл в 1789 году. За каждой лампой находилось сферическое стеклянное зеркало с покрытием, которое отражало заднее излучение обратно через лампу в линзу. Дальнейшие образцы были установлены в Хоут-Бейли , Северном Форленде и по крайней мере в четырех других местах к 1804 году. Но большая часть света терялась из-за поглощения в стекле. [6] [7]

В 1748 году Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, был первым, кто заменил выпуклую линзу серией концентрических кольцевых призм, отшлифованных как ступени в едином куске стекла, [2] чтобы уменьшить вес и поглощение. В 1790 году [8] (хотя вторичные источники указывают дату как 1773 [9] : 609  или 1788 [10] ) маркиз де Кондорсе предположил, что было бы проще изготавливать кольцевые секции отдельно и собирать их на раме; но даже это было непрактично в то время. [11] [12] Эти конструкции предназначались не для маяков, [2] а для зажигательных стекол . [9] : 609  Дэвид Брюстер , однако, предложил систему, похожую на систему Кондорсе в 1811 году, [2] [10] [13] и к 1820 году выступал за ее использование на британских маяках. [14]

Публикация и доработка

Поперечное сечение линзы маяка Френеля первого поколения с наклонными зеркалами  m, n над и под преломляющей панелью  RC (с центральным сегментом  A ). Позднее конструкция была улучшена путем замены зеркал отражающими призмами для уменьшения потерь. Если поперечное сечение в каждой вертикальной плоскости через лампу  L одинаково (цилиндрическая симметрия), свет равномерно распространяется по горизонту.

Французская комиссия по маякам  [FR] была создана Наполеоном в 1811 году и передана в подчинение Корпусу мостов и дорог, работодателю французского физика Огюстена-Жана Френеля . Поскольку члены комиссии были заняты другими делами, в первые годы она мало чего достигла. [15] Однако 21 июня 1819 года — через три месяца после получения Гран -при по физике Академии наук за свой знаменитый мемуар о дифракции — Френель был «временно» откомандирован в комиссию по рекомендации Франсуа Араго (члена с 1813 года) для рассмотрения возможных улучшений в освещении маяков. [11] [16]

К концу августа 1819 года, не зная о предложении Бюффона-Кондорсе-Брюстера, [11] [13] Френель сделал свой первый доклад комиссии, [17] рекомендовав то, что он назвал lentilles à échelons («линзы со ступенями»), для замены использовавшихся тогда отражателей, которые отражали только около половины падающего света. [18] Другой отчет Френеля, датированный 29 августа 1819 года (Fresnel, 1866–70, т. 3, стр. 15–21), касается испытаний отражателей и не упоминает ступенчатые линзы, за исключением несвязанного наброска на последней странице рукописи. Протоколы заседаний комиссии относятся только к 1824 году, когда сам Френель занял пост секретаря. [19] Таким образом, точная дата, когда Френель официально рекомендовал lentilles à échelons, неизвестна. [ необходима цитата ] К большому смущению Френеля, один из собравшихся членов комиссии, Жак Шарль , вспомнил предложение Бюффона. [20] Однако, в то время как версия Бюффона была двояковыпуклой и состояла из одной части, [21] версия Френеля была плосковыпуклой и состояла из нескольких призм для упрощения конструкции.

Имея официальный бюджет в 500 франков, Френель обратился к трем производителям. Третий, Франсуа Солей, нашел способ устранить дефекты, повторно нагрев и переформовав стекло. Араго помогал Френелю с разработкой модифицированной лампы Аргана с концентрическими фитилями (концепция, которую Френель приписал графу Рамфорду [22] ), и случайно обнаружил, что рыбий клей является термостойким, что делает его пригодным для использования в линзах. Прототип, законченный в марте 1820 года, имел квадратную линзовую панель  со стороной 55 см, содержащую 97 многоугольных (не кольцевых) призм, и настолько впечатлил Комиссию, что Френелю было предложено полноценную восьмипанельную версию. Эта модель, завершенная год спустя, несмотря на недостаточное финансирование, имела панели размером 76  см в квадрате. На публичном представлении вечером 13 апреля 1821 года она была продемонстрирована в сравнении с новейшими отражателями, которые она внезапно сделала устаревшими. [23]

Вскоре после этой демонстрации Френель опубликовал идею о том, что свет, включая явно неполяризованный свет, состоит исключительно из поперечных волн , и продолжил рассматривать последствия для двойного преломления и частичного отражения. [24]

Френель признал британские линзы и изобретение Бюффона в мемуарах, прочитанных 29 июля 1822 года и напечатанных в том же году. [25] Дата этих мемуаров может быть источником утверждения о том, что пропаганда маяков Френелем началась на два года позже, чем Брюстером; [14] но текст ясно дает понять, что участие Френеля началось не позднее 1819 года. [26]

Следующая линза Френеля представляла собой вращающийся аппарат с восемью панелями «бычий глаз», изготовленными в виде кольцевых дуг компанией Saint-Gobain [12], дающими восемь вращающихся лучей, которые моряки могли видеть как периодическую вспышку. Над и позади каждой основной панели находилась меньшая наклонная панель «бычий глаз» трапециевидного контура с трапециевидными элементами. [27] Она преломляла свет в наклонное плоское зеркало, которое затем отражало его горизонтально, на 7 градусов впереди основного луча, увеличивая продолжительность вспышки. [28] Под основными панелями находились 128 маленьких зеркал, расположенных в четырех кольцах, сложенных друг на друга, как планки жалюзи или жалюзи. Каждое кольцо, имеющее форму усеченного конуса , отражало свет к горизонту , давая более слабый устойчивый свет между вспышками. Официальное испытание, проведенное на незаконченной Триумфальной арке 20 августа 1822 года, было засвидетельствовано Комиссией, а также Людовиком XVIII и его окружением, с расстояния в 32 километра (20 миль). Аппарат был оставлен на зиму в Бордо , а затем собран на маяке Кордуан под наблюдением Френеля — частично собственными руками Френеля. 25 июля 1823 года была зажжена первая в мире линза Френеля для маяка. [29] Как и ожидалось, свет был виден до горизонта, более чем в 32 километрах (20 миль). [30]

За день до испытания линзы Кордуана в Париже комитет Академии наук сообщил о мемуарах Френеля и дополнениях к ним о двойном преломлении, которые, хотя и менее известны современным читателям, чем его ранние работы по дифракции, нанесли более решительный удар по волновой теории света. [31] Между испытанием и повторной сборкой в ​​Кордуане Френель представил свои статьи по фотоупругости (16 сентября 1822 г.), эллиптической и круговой поляризации и оптическому вращению (9 декабря), а также частичному отражению и полному внутреннему отражению (7 января 1823 г.), [32] по сути завершив свою реконструкцию физической оптики на основе гипотезы поперечной волны . Вскоре после того, как линза Кордуана была зажжена, Френель начал кашлять кровью. [33]

В мае 1824 года [13] Френель был повышен до секретаря Комиссии де Фареса , став первым членом этого органа, получающим зарплату, [34] хотя и в параллельной роли главного инженера. [35] В конце того же года, будучи все более больным, он сократил свои фундаментальные исследования и оставил сезонную работу в качестве экзаменатора в Политехнической школе , чтобы сэкономить оставшееся время и энергию для работы на маяке. [36] [37]

В том же году он спроектировал первую фиксированную линзу — для равномерного распределения света по горизонту, минимизируя потери сверху или снизу. [11] В идеале изогнутые преломляющие поверхности должны были быть сегментами тороидов вокруг общей вертикальной оси, так что диоптрическая панель выглядела бы как цилиндрический барабан. Если бы это было дополнено отражающими ( катоптрическими ) кольцами выше и ниже преломляющих (диоптрических) частей, весь аппарат выглядел бы как улей. [38] Вторая линза Френеля, которая поступила на вооружение, действительно была фиксированной линзой третьего порядка, установленной в Дюнкерке 1 февраля 1825 года. [39] Однако из-за сложности изготовления больших тороидальных призм этот аппарат имел 16-сторонний многоугольный план. [40]

В 1825 году Френель расширил конструкцию фиксированной линзы, добавив вращающуюся решетку за пределами фиксированной решетки. Каждая панель вращающейся решетки должна была преломлять часть фиксированного света от горизонтального веера в узкий луч. [11] [41]

Также в 1825 году Френель представил Carte des Phares («карту маяков»), в которой предусматривалась система из 51 маяка и более мелких портовых огней в иерархии размеров линз, называемых «порядками» (первый из которых был самым большим), с различными характеристиками для облегчения распознавания: постоянный свет (от неподвижной линзы), одна вспышка в минуту (от вращающейся линзы с восемью панелями) и две вспышки в минуту (16 панелей). [42]

В конце 1825 года [43] для уменьшения потерь света в отражающих элементах Френель предложил заменить каждое зеркало катадиоптрической призмой, через которую свет проходил бы путем преломления через первую поверхность, затем полного внутреннего отражения от второй поверхности, затем преломления через третью поверхность. [44] Результатом стала линза маяка, какой мы ее знаем сейчас. В 1826 году он собрал небольшую модель для использования на канале Сен-Мартен , [45] но он не дожил до полноразмерной версии: он умер 14 июля 1827 года в возрасте 39 лет.

После Френеля

Первый этап развития маячных линз после смерти Огюстена Френеля состоял в реализации его проектов. Это было отчасти обусловлено его младшим братом Леонором, который, как и Огюстен, получил образование инженера-строителя, но, в отличие от Огюстена, имел сильные способности к управлению. Леонор поступил на службу в Комиссию по маякам в 1825 году и стал преемником Огюстена на посту секретаря. [46]

Первая фиксированная линза, сконструированная с использованием тороидальных призм, была аппаратом первого порядка, разработанным шотландским инженером Аланом Стивенсоном под руководством Леонора Френеля и изготовленным Айзеком Куксоном и компанией из французского стекла; он был введен в эксплуатацию на острове Мей , Шотландия, 22 сентября 1836 года. [47] Первые большие катадиоптрические линзы были изготовлены в 1842 году для маяков в Гравелине и Иль-Вьерже , Франция; это были фиксированные линзы третьего порядка, катадиоптрические кольца которых (сделанные сегментами) составляли один метр в диаметре. Линза первого порядка Скерривора Стивенсона , зажженная в 1844 году, была лишь частично катадиоптрической; она была похожа на линзу Кордуана, за исключением того, что нижние планки были заменены катадиоптрическими призмами французского производства, в то время как зеркала были сохранены наверху. Первая полностью катадиоптрическая линза первого порядка, установленная в Пуэнт-д'Айи в 1852 году, также давала восемь вращающихся лучей плюс фиксированный свет внизу; но ее верхняя часть имела восемь катадиоптрических панелей, фокусирующих свет примерно на 4 градуса впереди основных лучей, чтобы удлинить вспышки. Первая полностью катадиоптрическая линза с чисто вращающимися лучами — также первого порядка — была установлена ​​в Сен-Клеман-де-Бален в 1854 году и ознаменовала завершение оригинальной Carte des Phares Огюстена Френеля . [48]

Томас Стивенсон (младший брат Алана) пошел дальше Френеля со своей «голографической» линзой, которая фокусировала свет, излучаемый лампой почти во всех направлениях, вперед или назад, в один луч. [49] Первая версия, описанная в 1849 году, состояла из стандартной линзы Френеля «бычий глаз», параболоидного отражателя и заднего полусферического отражателя (функционально эквивалентного зеркалу Роджерса 60 лет назад, за исключением того, что оно охватывало целую полусферу). Свет, излучаемый в переднюю полусферу, но не попадающий в линзу «бычий глаз», отклонялся параболоидом в параллельный луч, окружающий линзу «бычий глаз», в то время как свет, излучаемый в заднюю полусферу, отражался обратно через лампу сферическим отражателем (как в конструкции Роджерса) для сбора передними компонентами. Первая установка была установлена ​​в Норт-Харбор, Питерхед , в августе 1849 года. Стивенсон назвал эту версию «катадиоптрическим голофотом», хотя каждый из ее элементов был либо чисто отражающим, либо чисто преломляющим. Во второй версии концепции голофота линза «бычий глаз» и параболоидный отражатель были заменены катадиоптрической линзой Френеля — как задумал Френель, но расширенной, чтобы охватить всю переднюю полусферу. Третья версия, которую Стивенсон сбивчиво назвал «диоптрическим голофотом», была более инновационной: она сохранила катадиоптрическую линзу Френеля для передней полусферы, но заменила задний полусферический отражатель полусферическим массивом кольцевых призм, каждая из которых использовала два полных внутренних отражения, чтобы повернуть свет, расходящийся от центра полусферы, обратно к центру. Результатом стал полностью стеклянный голофот без потерь от металлических отражений. [50]

Джеймс Тимминс Шанс модифицировал голографическую конструкцию Томаса Стивенсона, полностью выполненную из стекла, расположив двойные отражающие призмы вокруг вертикальной оси. Прототип был показан на Международной выставке 1862 года в Лондоне. Позже, чтобы облегчить производство, Шанс разделил призмы на сегменты и расположил их в цилиндрической форме, сохранив при этом свойство отражать свет из одной точки обратно в эту точку. Рефлекторы такой формы, парадоксально названные «диоптрическими зеркалами», оказались особенно полезными для возврата света с обращенной к суше стороны лампы на обращенную к морю сторону. [51]

Линза Френеля с групповым вспышкой первого порядка, экспонируется в музее маяка Point Arena, маяк Point Arena , округ Мендосино, Калифорния . Три диоптрические панели (внутри латунных колец) и три катадиоптрические панели (снаружи) частично разделены на две части, что дает три двойные вспышки за один оборот.

По мере того, как маяки размножались, их становилось все труднее отличать друг от друга, что привело к использованию цветных фильтров, которые тратили свет впустую. В 1884 году Джон Хопкинсон устранил необходимость в фильтрах, изобретя линзу «группового мигания», в которой диоптрические и/или катадиоптрические панели были разделены так, чтобы давать множественные вспышки, что позволяло идентифицировать маяки не только по частоте вспышек, но и по кратности вспышек. Двойные мигающие линзы были установлены в Тампико (Мексика) и Литл-Бассес (Шри-Ланка) в 1875 году, а тройная мигающая линза на маяке Каскетс ( Нормандские острова ) в 1876 году. [52] Показанный пример (справа) — это двойная мигающая линза маяка Point Arena , который находился в эксплуатации с 1908 по 1977 год. [53]

Разработка гиперрадиальных линз была частично обусловлена ​​потребностью в более крупных источниках света, таких как газовые фонари с несколькими струями, которые требовали большего фокусного расстояния для заданной ширины луча, следовательно, большей линзы для сбора заданной доли генерируемого света. Первая гиперрадиальная линза была построена для Стивенсонов в 1885 году французской компанией F. Barbier & Cie и испытана на маяке South Foreland с различными источниками света. Затем Chance Brothers (работодатели Хопкинсона) начали строить гиперрадиалы, установив свой первый на маяке Bishop Rock в 1887 году. [54] В том же году Барбье установил гиперрадиал на острове Тори . Но только около 30 гиперрадиалов были введены в эксплуатацию [55], прежде чем разработка более компактных ярких ламп сделала такую ​​большую оптику ненужной (см. Гиперизлучающая линза Френеля ).

Производство цельных ступенчатых диоптрических линз — примерно как предполагал Буффон — стало возможным в 1852 году, когда Джон Л. Джиллиленд из Brooklyn Flint-Glass Company запатентовал метод изготовления линз из прессованного и формованного стекла. Компания производила небольшие линзы «бычий глаз» для использования на железных дорогах, пароходах и в доках; [56] такие линзы были распространены в Соединенных Штатах к 1870-м годам. [13] : 488  В 1858 году компания произвела «очень небольшое количество прессованных линз из флинтгласа шестого порядка» для использования в маяках — первые линзы Френеля для маяков, сделанные в Америке. [56] К 1950-м годам замена стекла на пластик сделала экономичным использование линз Френеля в качестве конденсаторов в диапроекторах. [57]

Дизайн

1: Поперечное сечение линзы Бюффона/Френеля. 2: Поперечное сечение обычной плосковыпуклой линзы эквивалентной силы. (Версия Бюффона была двояковыпуклой . [20] )
Крупный план плоской линзы Френеля с концентрическими кругами на поверхности.

Линза Френеля уменьшает количество необходимого материала по сравнению с обычной линзой, разделяя линзу на набор концентрических кольцевых секций. Идеальная линза Френеля имела бы бесконечное количество секций. В каждой секции общая толщина уменьшается 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 заменяются плоскими поверхностями с разным углом в каждой секции. Такую линзу можно рассматривать как массив призм, расположенных по кругу с более крутыми призмами по краям и плоским или слегка выпуклым центром. В первых (и самых больших) линзах Френеля каждая секция фактически была отдельной призмой. Позже стали производиться «цельные» линзы Френеля, которые использовались для автомобильных фар, тормозных, парковочных и поворотных указателей и т. д. В наше время для производства более сложных линз могут использоваться фрезерное оборудование с компьютерным управлением (ЧПУ) или 3D-принтеры . [ необходима цитата ]

Конструкция линзы Френеля позволяет существенно уменьшить толщину (и, следовательно, массу и объем материала) за счет снижения качества изображения линзы, поэтому в точных приложениях для получения изображений, таких как фотография, обычно по-прежнему используются более крупные обычные линзы.

Линзы Френеля обычно изготавливаются из стекла или пластика; их размер варьируется от большого (старые исторические маяки, метровый размер) до среднего (вспомогательные устройства для чтения книг, проекторы OHP viewgraph) и малого ( экраны камер TLR / SLR , микрооптика). Во многих случаях они очень тонкие и плоские, почти гибкие, с толщиной в диапазоне от 1 до 5 мм ( от 1 ⁄ 32 до 3 ⁄ 16 дюйма  ). [ необходима цитата ]

Большинство современных линз Френеля состоят только из преломляющих элементов. Однако линзы маяков, как правило, включают как преломляющие, так и отражающие элементы, причем последние находятся за пределами металлических колец, которые видны на фотографиях. В то время как внутренние элементы представляют собой секции преломляющих линз, внешние элементы представляют собой отражающие призмы, каждая из которых выполняет два преломления и одно полное внутреннее отражение , избегая потери света, которая происходит при отражении от посеребренного зеркала.

Размеры линз маяка

Описание заказов на линзы от Block Island Southeast Light , Род-Айленд.
Маяк Макапуу
Прогулка вокруг линзы Френеля, выставленной в Тибе , Япония .

Френель разработал шесть размеров линз для маяков, разделенных на четыре порядка в зависимости от их размера и фокусного расстояния. [58] 3-й и 4-й порядки были подразделены на «большие» и «малые». В современном использовании порядки классифицируются как от первого до шестого порядка. Промежуточный размер между третьим и четвертым порядками был добавлен позже, а также размеры выше первого порядка и ниже шестого.

Линза первого порядка имеет фокусное расстояние 920 мм ( 36+1 ⁄ 4  дюйма) и имеет высоту около 2,59 м (8 футов 6 дюймов) и ширину 1,8 м (6 футов). Наименьший (шестой) порядок имеет фокусное расстояние 150 мм (6 дюймов) и высоту433 мм ( 17+1 ⁄ 16  дюйма). [58] [59] [60]

Самые большие линзы Френеля называются гиперрадиантными (или гиперрадиальными). Одна из таких линз была под рукой, когда было решено построить и оснастить Makapuu Point Light на Гавайях. Вместо того, чтобы заказать новую линзу, там использовали огромную оптическую конструкцию высотой 3,7 метра (12 футов) с более чем тысячей призм. [61]

Типы

Существует два основных типа линз Френеля: формирующие изображение и не формирующие изображение . В формирующих изображение линзах Френеля используются сегменты с изогнутыми поперечными сечениями, которые создают четкие изображения, в то время как в не формирующих изображение линзах используются сегменты с плоскими поперечными сечениями, и они не создают четких изображений. [63] По мере увеличения количества сегментов два типа линз становятся более похожими друг на друга. В абстрактном случае бесконечного количества сегментов разница между изогнутыми и плоскими сегментами исчезает.

Объективы для формирования изображения можно классифицировать следующим образом:

Сферический
Сферическая линза Френеля эквивалентна простой сферической линзе , использующей кольцевые сегменты, каждый из которых является частью сферы, которые фокусируют свет в одной точке. Этот тип линз создает четкое изображение, хотя и не такое четкое, как эквивалентная простая сферическая линза из-за дифракции на краях гребней. Этот тип иногда называют киноформным, когда гребни микроскопичны в масштабе длины волны.
Цилиндрический
Цилиндрическая линза Френеля эквивалентна простой цилиндрической линзе , использующей прямые сегменты с круглым поперечным сечением, фокусирующие свет на одной линии. Этот тип создает четкое изображение, хотя и не такое четкое, как эквивалентная простая цилиндрическая линза из-за дифракции на краях выступов.

Линзы, не формирующие изображение, можно классифицировать следующим образом:

Место
Неотображающая точечная линза Френеля использует кольцевые сегменты с поперечными сечениями, которые являются прямыми линиями, а не дугами окружностей. Такая линза может фокусировать свет на небольшом пятне, но не создает четкого изображения. Эти линзы применяются в солнечной энергетике, например, для фокусировки солнечного света на солнечной панели. Линзы Френеля могут использоваться в качестве компонентов оптики освещения Кёлера , что приводит к очень эффективной неотображающей оптике Френеля-Кёлера (FK) солнечных концентраторов. [64]
Линейный
Не формирующая изображение линейная линза Френеля использует прямые сегменты, поперечные сечения которых представляют собой прямые линии, а не дуги. Эти линзы фокусируют свет в узкую полосу. Они не создают четкого изображения, но могут использоваться в солнечной энергетике, например, для фокусировки солнечного света на трубе, чтобы нагревать воду внутри. [65]

Использует

Освещение

Линза и приводной механизм маяка Инчкит в Национальном музее Шотландии

Высококачественные стеклянные линзы Френеля использовались в маяках, где они считались современным произведением искусства в конце 19-го и в середине 20-го веков; большинство маяков теперь сняли стеклянные линзы Френеля со службы и заменили их гораздо менее дорогими и более прочными аэромаяками , которые сами по себе часто содержат пластиковые линзы Френеля. [ требуется цитата ] 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 линзы могли вписываться в более компактные пространства. Большее пропускание света на большие расстояния и разнообразные узоры позволили триангулировать положение. [ требуется цитата ]

Возможно, наиболее широкое применение линз Френеля в течение некоторого времени имело место в автомобильных фарах , где они могут формировать приблизительно параллельный луч от параболического отражателя для удовлетворения требований к ближнему и дальнему свету, часто в одном и том же блоке фары (например, европейская конструкция H4 ). По соображениям экономии, веса и ударопрочности в новых автомобилях отказались от стеклянных линз Френеля, используя многогранные отражатели с простыми поликарбонатными линзами. Тем не менее, линзы Френеля продолжают широко использоваться в автомобильных задних, габаритных и задних фонарях.

Фонарь Френеля с открытой линзой, показывающей хребты

Стеклянные линзы Френеля также используются в осветительных приборах для театра и кино (см. Фонарь Френеля ); такие приборы часто называют просто Френелями . Весь прибор состоит из металлического корпуса, отражателя, узла лампы 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°. [66] Линза Френеля создает очень мягкий луч, поэтому ее часто используют в качестве заливающего света. Держатель перед линзой может удерживать цветную пластиковую пленку ( гель ) для тонирования света или проволочные экраны или матовый пластик для его рассеивания. Линза Френеля полезна при создании кинофильмов не только из-за своей способности фокусировать луч ярче, чем обычная линза, но и потому, что свет имеет относительно постоянную интенсивность по всей ширине светового луча.

Оптическая система посадки на авианосце ВМС США USS Dwight D. Eisenhower

Авианосцы и военно-морские авиабазы ​​обычно используют линзы Френеля в своих оптических системах посадки . «Фрикадельковый» свет помогает пилоту поддерживать правильный наклон глиссады для посадки. В центре находятся янтарные и красные огни, состоящие из линз Френеля. Хотя огни всегда включены, угол линзы с точки зрения пилота определяет цвет и положение видимого света. Если огни появляются выше зеленой горизонтальной полосы, пилот находится слишком высоко. Если она ниже, пилот находится слишком низко, а если огни красные, пилот находится очень низко. [67]

Линзы Френеля также широко используются в прожекторах , точечных светильниках и фонариках .

Визуализация

Пластиковая линза Френеля, продающаяся как устройство для увеличения экрана телевизора.
Линза Френеля, используемая в портативном ЭЛТ-телевизоре Sinclair FTV1 , которая увеличивает только вертикальную часть изображения.

Линзы Френеля используются как простые ручные лупы . Они также используются для коррекции нескольких нарушений зрения, включая нарушения глазодвигания, такие как косоглазие . [68] Линзы Френеля использовались для увеличения визуального размера ЭЛТ- дисплеев в карманных телевизорах , в частности, в Sinclair TV80 . Они также используются в светофорах .

Линзы Френеля используются в европейских грузовиках с левым рулем, въезжающих в Великобританию и Республику Ирландия (и наоборот, в ирландских и британских грузовиках с правым рулем, въезжающих в материковую Европу), чтобы преодолеть слепые зоны, вызванные тем, что водитель управляет грузовиком, сидя не на той стороне кабины относительно стороны дороги, на которой находится автомобиль. Они крепятся к окну со стороны пассажира. [69]

Другое автомобильное применение линзы Френеля — это усилитель заднего вида, поскольку широкий угол обзора линзы, прикрепленной к заднему стеклу, позволяет более эффективно осматривать сцену позади транспортного средства, особенно высокого или с крутым хвостом, чем одно только зеркало заднего вида . Линзы Френеля использовались в дальномерном оборудовании и проекционных экранах отображения карт. [70]

Линзы Френеля также использовались в сфере популярных развлечений. Британский рок-исполнитель Питер Гэбриел использовал их в своих ранних сольных живых выступлениях, чтобы увеличить размер своей головы, по сравнению с остальным телом, для драматического и комического эффекта. В фильме Терри Гиллиама «Бразилия » пластиковые экраны Френеля появляются якобы в качестве увеличительных устройств для небольших ЭЛТ-мониторов, используемых во всех офисах Министерства информации. Однако они иногда появляются между актерами и камерой, искажая масштаб и композицию сцены для юмористического эффекта. В фильме Pixar «Валл-И» линза Френеля используется в сценах, где главный герой смотрит мюзикл « Хелло, Долли!», увеличенный на iPod .

В гарнитурах виртуальной реальности , таких как Meta Quest 2 и HTC Vive Pro, используются линзы Френеля, [71] поскольку они обеспечивают более тонкий и легкий форм-фактор, чем обычные линзы. [72] Более новые устройства, такие как Meta Quest Pro , перешли на конструкцию линзы-блинчика [73] из-за ее меньшего форм-фактора и меньшей хроматической аберрации , чем у линз Френеля. [74]

Многофокусные линзы Френеля также используются в камерах идентификации сетчатки , где они обеспечивают несколько изображений в фокусе и вне фокуса цели фиксации внутри камеры. Практически для всех пользователей по крайней мере одно из изображений будет в фокусе, что позволит правильно выровнять глаза.

Canon и Nikon использовали линзы Френеля для уменьшения размера телеобъективов. Фотографические объективы, включающие элементы Френеля, могут быть намного короче, чем соответствующие обычные линзы. Nikon называет эту технологию Phase Fresnel . [75] [76] Камера Polaroid SX-70 использовала отражатель Френеля как часть своей системы просмотра. Камеры View и большого формата могут использовать линзу Френеля в сочетании с матовым стеклом , чтобы увеличить воспринимаемую яркость изображения, проецируемого объективом на матовое стекло, тем самым помогая в настройке фокуса и композиции.

Проекция

Использование линз Френеля для проецирования изображения снижает качество изображения, поэтому они, как правило, встречаются только там, где качество не имеет решающего значения или где объем сплошной линзы был бы недопустим. Дешевые линзы Френеля могут быть штампованы или отлиты из прозрачного пластика и используются в диапроекторах и проекционных телевизорах .

Линзы Френеля с разным фокусным расстоянием ( коллиматор и коллектор) используются в коммерческой и DIY -проекции. 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 ( активная матричная ЖК- панель в ЖК-проекторах ). Линзы Френеля также используются в качестве коллиматоров в диапроекторах .

Солнечная энергия

Поскольку пластиковые линзы Френеля можно сделать больше стеклянных линз, а также они намного дешевле и легче, их используют для концентрации солнечного света для отопления в солнечных печах , в солнечных кузницах и в солнечных коллекторах, используемых для нагрева воды для бытовых нужд. Их также можно использовать для генерации пара или для питания двигателя Стирлинга .

Линзы Френеля могут концентрировать солнечный свет на солнечных элементах с соотношением почти 500:1. [77] Это позволяет уменьшить активную поверхность солнечных элементов, снижая стоимость и позволяя использовать более эффективные элементы, которые в противном случае были бы слишком дорогими. [78] В начале 21-го века отражатели Френеля начали использоваться на концентрирующих солнечных электростанциях (CSP) для концентрации солнечной энергии. Одним из применений был предварительный нагрев воды на угольной электростанции Лидделл в долине Хантер, Австралия.

Линзы Френеля можно использовать для спекания песка, что позволяет осуществлять 3D-печать на стекле. [79]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Дж. Уэллс (3 апреля 2008 г.), Словарь произношения Longman (3-е изд.), Pearson Longman, ISBN 978-1-4058-8118-0.
  2. ^ abcd Чисхолм, Хью , ред. (1911), «Маяк»  , Encyclopaedia Britannica , т. 16 (11-е изд.), Cambridge University Press, стр. 627–651.
  3. ^ "Линза Френеля", Merriam-Webster , заархивировано из оригинала 17 декабря 2013 г. , извлечено 19 марта 2013 г..
  4. ↑ Уэллс, Джон (3 апреля 2008 г.), Словарь произношения Longman (3-е изд.), Pearson Longman, ISBN 978-1-4058-8118-0.
  5. ↑ Бернхард, Адриенна (21 июня 2019 г.), «Изобретение, которое спасло миллион кораблей», BBC , получено 4 августа 2019 г..
  6. ^ ab T. Tag, «Использование линз до Френеля», US Lighthouse Society, доступ 12 августа 2017 г.; архив 20 мая 2017 г.
  7. ^ Левитт, 2013, стр.  57.
  8. ^ Н. де Кондорсе, Éloge de M. le Comte de Buffon, Париж: Chez Buisson, 1790, стр. 11–12. (Этот некролог также появился в «Истории королевской академии наук» за 1788 год, напечатанной в 1791 году.)
  9. ^ ab D. Appleton & Co., «Морские огни», Словарь машин, механики, машиностроения и машиностроения , 1861, т. 2, стр. 606–618.
  10. ^ ab T. Tag, «Хронология событий маяков», US Lighthouse Society, доступ 22 августа 2017 г.; архив 8 апреля 2017 г.
  11. ^ abcde T. Tag, «Линза Френеля», US Lighthouse Society, доступ 12 августа 2017 г.; архив 22 июля 2017 г.
  12. ^ ab Levitt, 2013, стр.  71.
  13. ^ abcd Г. Рипли и К.А. Дана (ред.), «Френель, Огюстен Жан», American Cyclopædia , 1879, том. 7, стр. 486–489.
  14. ^ ab Chisholm, Hugh , ed. (1911), "Brewster, Sir David"  , Encyclopaedia Britannica , т. 4 (11-е изд.), Cambridge University Press, стр. 513–514.
  15. ^ Левитт, 2013, стр. 49–50.
  16. ↑ Левитт, 2013, стр. 51, 53; Элтон, 2009, стр.  190; Френель, 1866–70, т. 1, стр.  xcvii, и т. 3, стр.  xxiv. («21 июля» в Левитте, 2013, стр.  240, является ошибкой транскрипции, не соответствующей цитируемому первичному источнику.)
  17. ↑ Френель, 1866–70, т. 3, стр. 5–14; о дате см. стр.  6n. Левитт (2013, стр.  58) указывает только дату — август 1819 года.
  18. ^ Левитт, 2013, стр. 56, 58.
  19. ↑ Френель, 1866–70, т. 3, стр.  6н.
  20. ^ ab Levitt, 2013, стр.  59.
  21. ^ Левитт, 2013, стр.  59. Двояковыпуклая форма может быть выведена из описания Бюффона, цитируемого в Fresnel, 1822, tr. Tag, на стр.  4.
  22. ↑ Френель, 1822, tr. Tag, стр.  11.
  23. ^ Левитт, 2013, стр. 59–66. Левитт дает размер восьмипанельной версии как 720 мм ( 28+1 ⁄ 3  дюйма). Элтон (2009, стр. 193) дает его как 76 см и указывает, что первая панель была испытана 31 октября 1820 года; ср. Френель, 1866–70, т. 3, стр. xxxii и xxxiv, и Френель, 1822, tr. Tag, стр. 7.
  24. ^ А. Френель, «Примечание к расчётам teintes que la поляризации, развивающейся в кристаллических пластинках» и далее, Annales de Chimie et de Physique , Ser.  2, том. 17, стр. 102–111 (май 1821 г.), 167–196 (июнь 1821 г.), 312–315 («Постскриптум», июль 1821 г.); переиздано во Френеле, 1866–1870, т. 1, с. 1, стр. 609–648; переведено как «О расчете оттенков, возникающих в кристаллических пластинках, и постскриптум», Zenodo :  4058004 / doi : 10.5281/zenodo.4058004, 2021.
  25. ↑ Френель, 1822, tr. Tag, стр. 2–4.
  26. ↑ Френель, 1822, tr. Tag, стр.  1.
  27. ↑ Д. Гомберт, фотография Optique de Cordouan в коллекции Musée des Phares et Balises , Уэссан , Франция, 23 марта 2017 г.
  28. ↑ Френель, 1822, tr. Tag, стр. 13, 25.
  29. ^ Элтон, 2009, стр.  195; Левитт, 2013, стр. 72–76.
  30. ↑ Б. Уотсон, «Наука делает линзы маяка лучше», Смитсоновский институт , т. 30, №  5 (август 1999 г.), стр. 30–31.
  31. ↑ Бухвальд, 1989, стр. 260, 288–290, 297; ср. Борн и Вольф, 1999, стр.  xxviii.
  32. ↑ Френель, 1866–1870, т. 1, стр. 713–718, 731–751, 767–799.
  33. ^ Левитт, 2013, стр.  97.
  34. ^ Левитт, 2013, стр.  82.
  35. ^ Элтон, 2009, стр.  190.
  36. ↑ HM Brock, «Френель, Огюстен-Жан», Католическая энциклопедия , 1907–12, т. 6 (1909).
  37. ↑ Янг, 1855, стр.  399; Бутри, 1948, стр. 601–602.
  38. ^ См. Элтон, 2009, стр.  198, рисунок 12.
  39. ^ Левитт, 2013, стр.  84.
  40. ^ Элтон, 2009, стр. 197–198.
  41. ^ Элтон, 2009, стр. 198–199.
  42. ^ Левитт, 2013, стр. 82–84.
  43. ^ Элтон, 2009, стр.  200.
  44. ^ Левитт, 2013, стр. 79–80.
  45. ^ Национальный морской музей, «Appareil catadioptrique, Appareil du canal Saint-Martin», по состоянию на 26 августа 2017 г.; в архиве 26 августа 2017 г.
  46. ^ Левитт, 2013, стр. 28, 72, 99.
  47. ^ Элтон, 2009, стр. 199, 200, 202; Левитт, 2013, стр. 104–105.
  48. ^ Левитт, 2013, стр. 108–110, 113–116, 122–123. Элтон (2009, стр.  208) отмечает, что хотя линза Скерривора была освещена 1 февраля 1844 года, катадиоптрическая часть еще не была добавлена.
  49. ↑ Элтон, 2009, стр. 209–210, 238.
  50. ^ Элтон, 2009, стр. 210–213.
  51. ^ Элтон, 2009, стр. 221–223.
  52. ^ Элтон, 2009, стр. 227–230; Левитт, 2013, стр.  219.
  53. ↑ Point Arena Lighthouse Keepers, Inc., «История маяка». Архивировано 19 января 2021 г. на Wayback Machine , дата обращения 1 марта 2021 г.
  54. ^ Элтон, 2009, стр.  233; Левитт, 2013, стр. 222–224.
  55. ^ T. Tag, «Hyper-Radial Lenses», US Lighthouse Society, дата обращения 28 февраля 2021 г.; архивировано 11 февраля 2021 г.
  56. ^ ab T. Tag, «Линзы Френеля американского производства», US Lighthouse Society, доступ 1 марта 2021 г.; архив 21 февраля 2021 г.
  57. ↑ А. Финстад, «Новые разработки в области аудиовизуальных материалов», Высшее образование , т. 8, №  15 (1 апреля 1952 г.), стр. 176–178, на стр.  176.
  58. ^ ab Baiges, Mabel A. (1988), "Fresnel Orders" (TIFF) , заархивировано из оригинала 21 сентября 2015 г. , извлечено 9 сентября 2012 г..
  59. ^ "Линзы Френеля", архивировано из оригинала 27 сентября 2007 г..
  60. ^ "Линзы Френеля", Michigan Lighthouse Conservancy, 31 января 2008 г., архивировано из оригинала 21 сентября 2012 г. , извлечено 27 февраля 2021 г..
  61. ↑ Андерсон, Крейг, «Makapu'u, HI», Lighthouse Friends , архивировано из оригинала 5 октября 2008 г. , извлечено 26 февраля 2009 г..
  62. ↑ Общество маяков США, «Заказы, размеры, вес, количество и стоимость линз Френеля». Архивировано 27 июня 2023 г. на Wayback Machine .
  63. ^ Р. Уинстон, Дж. К. Миньяно и П. Г. Бенитес, Оптика без изображения , Academic Press, 2005.
  64. ^ Чавес, Хулио (2015), Введение в невизуализирующую оптику, второе издание, CRC Press , ISBN 978-1-4822-0673-9.
  65. ^ "Основы линейной системы концентраторов, концентрирующей солнечную и тепловую энергию". Energy.gov . Получено 31 мая 2021 г.
  66. ^ Мумм, Роберт С., Справочник по фотометрии , 2-е изд., Broadway Press, 1997, стр.  36.
  67. ^ "Оптическая система посадки с линзой Френеля". NHHC . Получено 16 апреля 2022 г.
  68. ^ Шишаванф, Амир Асгарзаде; Нордин, Леланд; Тьоссем, Пол; Абрамофф, Майкл Д.; Тур, Фатима (2016), Энгета, Надер; Ногинов, Михаил А.; Желудев, Николай И (ред.), "Офтальмологическая контактная линза на основе ПММА для коррекции косоглазия", Метаматериалы , Метаматериалы, Метаустройства и Метасистемы 2016, 9918 , Общество инженеров фотооптического приборостроения: 99180C, Bibcode : 2016SPIE.9918E..0CA, doi : 10.1117/12.2237994, S2CID  125689110 , получено 21 июня 2020 г..
  69. ^ Лоу, Дэвид (3 декабря 2011 г.), Справочник менеджера и оператора транспорта Лоу 2012 г., издательство Kogan Page Publishers , ISBN 978-0-7494-6410-3.
  70. ^ "Проецируемая карта отображения [PMD]". Архивы Rochester Avionic . Получено 17 августа 2024 г.
  71. ^ Poore, Shaun (21 апреля 2022 г.). «Какие технологии находятся внутри гарнитуры виртуальной реальности? (Разборка Quest 2)». ShaunPoore.com . Получено 27 октября 2022 г. .
  72. ^ «Как работают линзы для гарнитур виртуальной реальности». VR Lens Lab . 8 марта 2016 г. Архивировано из оригинала 27 октября 2022 г. Получено 27 октября 2022 г.
  73. ^ «Представляем Meta Quest Pro — передовое устройство виртуальной реальности для совместной работы и творчества». www.oculus.com . Получено 27 октября 2022 г. .
  74. ^ C, Mark (26 апреля 2022 г.). «Разница между линзами-блинчиками и текущими линзами Френеля, используемыми в гарнитурах виртуальной реальности». VR Expert | Поставщик оборудования для корпоративных VR/AR . Получено 27 октября 2022 г.
  75. ↑ Nikon Corp., «AF-S NIKKOR 300mm f/4E PF ED VR», 6 января 2015 г., архивировано 15 февраля 2015 г. на Wayback Machine .
  76. ^ «Фазовый Френель – «PF» в новом объективе Nikon 300mm f/4E PF ED VR», The Digital Picture , архивировано 14 января 2015 г. на Wayback Machine .
  77. ^ "Soitec's Concentrix technology", архивировано из оригинала 17 апреля 2011 г. , извлечено 3 сентября 2013 г..
  78. ^ «Высокопроизводительная технология Concentrix от Soitec», архивировано из оригинала 23 сентября 2013 г. , извлечено 27 февраля 2021 г..
  79. ↑ М. Марголин (24 августа 2016 г.), «Этот 3D-принтер работает на песке и солнце», Vice , архивировано из оригинала 1 декабря 2017 г. , извлечено 27 февраля 2021 г..

Библиография

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Линзы Френеля» .