2022-12-07
Линзы Френеля состоят из ряда концентрических канавок, выгравированных на пластике. Их тонкая и легкая конструкция, доступность как малых, так и больших размеров, а также превосходная способность собирать свет делают их полезными в различных областях применения. Линзы Френеля чаще всего используются в приложениях по сбору света, таких как конденсаторные системы или установки излучатель/детектор. Их также можно использовать в качестве луп или проекционных линз в системах освещения и оформления изображений.
Линза Френеля (произносится как fray-NEL) заменяет изогнутую поверхность обычной оптической линзы серией концентрических канавок. Эти контуры действуют как отдельные преломляющие поверхности, изгибая параллельные световые лучи до общего фокусного расстояния (рис. 1). В результате линза Френеля, хотя и физически узкая по профилю, способна фокусировать свет так же, как обычная оптическая линза, но имеет ряд преимуществ по сравнению со своим более толстым аналогом.
ТЕОРИЯ ЛИНЗ ФРЕНЕЛЯ
Основной принцип, лежащий в основе концепции линзы Френеля, заключается в том, что направление распространения света не меняется внутри среды (если не рассеивается). Вместо этого лучи света отклоняются только на поверхности среды. В результате большая часть материала в центре линзы служит только для увеличения веса и поглощения внутри системы.
Чтобы воспользоваться этим физическим свойством, физики 18-го века начали экспериментировать с созданием того, что сегодня известно как линза Френеля. В то время в куске стекла вырезали пазы для создания кольцевых колец изогнутого профиля. Этот изогнутый профиль при выдавливании образовывал обычную изогнутую линзу – сферическую или асферическую (рис. 2). Благодаря этим оптическим свойствам, схожим с обычными оптическими линзами, линза Френеля может обеспечить немного лучшую производительность фокусировки, в зависимости от применения. Кроме того, высокая плотность канавок обеспечивает более высокое качество изображений, а низкая плотность канавок обеспечивает более высокую эффективность (что необходимо в приложениях по сбору света). Однако важно отметить, что когда требуется получение изображений с высокой точностью, лучше всего подходят обычные синглетные, дублетные или асферические оптические линзы.
ПРОИЗВОДСТВО ЛИНЗ ФРЕНЕЛЯ
Первые линзы Френеля были изготовлены путем кропотливой ручной шлифовки и полировки стекла. В конце концов, расплавленное стекло стали разливать в формы, но только с развитием пластмасс оптического качества и технологии литья под давлением в 20-м веке использование линз Френеля во многих промышленных и коммерческих целях стало практичным.
Линзы Френеля могут быть изготовлены из различных материалов. Они изготавливаются из акрила, поликарбоната и винила, в зависимости от желаемой длины волны. Акрил является наиболее распространенной подложкой из-за ее высокого коэффициента пропускания в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях, но поликарбонат является подложкой выбора в суровых условиях из-за его устойчивости к ударам и высоким температурам.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Хотя французский физик Огюстен-Жан Френель (1788–1827) не был первым, кто разработал концепцию линзы Френеля, он смог популяризировать ее, интегрировав в маяки. С тех пор линзы Френеля использовались в самых разных целях: от коллимации и сбора света до увеличения.
Коллимация света
Линза Френеля может легко коллимировать точечный источник, разместив его на расстоянии одного фокусного расстояния от источника. В конечно-сопряженной системе рифленая сторона линзы Френеля должна быть обращена к более длинному сопряжению (рис. 3–4), поскольку это обеспечивает наилучшие характеристики.
Светлая коллекция
Одним из наиболее распространенных применений линзы Френеля является сбор солнечного света, который считается почти параллельным (бесконечно-сопряженная система). Использование линзы Френеля для сбора света идеально подходит для концентрации света на фотоэлектрическом элементе или для нагрева поверхности. Например, линзу Френеля можно использовать для частого домашнего обслуживания, например, для обогрева дома или бассейна! В этих случаях общая площадь поверхности линзы определяет количество собираемого света.
Увеличение
Еще одно распространенное применение линзы Френеля — увеличение. Его можно использовать как лупу или проекционную линзу; однако из-за высокого уровня искажений делать это не рекомендуется. Кроме того, качество изображения не может сравниться с качеством более точной системы, учитывая величину искажений.
Хотя линзы Френеля обычно используются в солнечной энергии, они идеально подходят для любого применения, требующего недорогих, тонких и легких положительных линз. Линзы Френеля не являются новой технологией, но их распространение возросло по мере совершенствования технологий производства и материалов. Линзы Френеля — это поистине уникальные оптические линзы, которые делают их отличным инструментом для создания множества интересных и забавных оптических конструкций.