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Rotierende katadioptrische Fresnellinse erster Ordnung, datiert 1870, ausgestellt im Musée national de la Marine , Paris. In diesem Fall sind die dioptrischen Prismen (innerhalb der Bronzeringe) und die katadioptrischen Prismen (außen) so angeordnet, dass sie das Licht der zentralen Lampe auf vier rotierende Strahlen konzentrieren, die von den Seeleuten als vier Blitze pro Umdrehung angesehen werden. Die Baugruppe ist 2,54 Meter hoch und wiegt etwa 1,5 Tonnen.

Eine Fresnel - Linse ( / f r n -, f r ɛ n . Ɛ l , - əl / Frayn -, FREN -el, -⁠əl , / f r n ɛ l / fray- NEL oder / f r ɛ z n əl / FREZ -nəl ) ist eine Art von zusammengesetzten kompakten Linsenentwickelt vom französischen Physiker Augustin-Jean Fresnel (1788–1827) zur Verwendung in Leuchttürmen . [1] [2] Es wurde "die Erfindung genannt, die eine Million Schiffe gerettet hat". [3]

Das Design ermöglicht die Konstruktion von Linsen mit großer Apertur und kurzer Brennweite ohne die Masse und das Volumen des Materials, die für eine Linse mit herkömmlichem Design erforderlich wären. Eine Fresnellinse kann viel dünner als eine vergleichbare herkömmliche Linse gemacht werden, in einigen Fällen in Form einer flachen Folie. Die einfachere dioptrischen (rein refraktiven) Form der Linse wurde zuerst von vorgeschlagen Count Buffon , [4] und unabhängig neu erfunden von Fresnel. Die vollständig von Fresnel erfundene katadioptrische Form der Linse weist äußere Elemente auf, die eine Totalreflexion verwendensowie Brechung; Es kann mehr schräges Licht von einer Lichtquelle einfangen und dem Strahl eines Leuchtturms hinzufügen, wodurch das Licht aus größerer Entfernung sichtbar wird.

Beschreibung [ bearbeiten ]

1: Querschnitt der Buffon / Fresnellinse. 2: Querschnitt einer herkömmlichen plankonvexen Linse mit äquivalenter Leistung. (Buffons Version war bikonvex . [5] )
Die Nahaufnahme einer flachen Fresnellinse zeigt konzentrische Kreise auf der Oberfläche

Die Fresnellinse reduziert den Materialbedarf im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse, indem die Linse in einen Satz konzentrischer Ringabschnitte unterteilt wird. Eine ideale Fresnellinse hätte unendlich viele Schnitte. In jedem Abschnitt wird die Gesamtdicke im Vergleich zu einer äquivalenten einfachen Linse verringert. Dies unterteilt die kontinuierliche Oberfläche einer Standardlinse effektiv in einen Satz von Oberflächen derselben Krümmung mit schrittweisen Diskontinuitäten zwischen ihnen.

Bei einigen Linsen werden die gekrümmten Oberflächen durch flache Oberflächen mit einem unterschiedlichen Winkel in jedem Abschnitt ersetzt. Eine solche Linse kann als eine Anordnung von Prismen angesehen werden, die kreisförmig angeordnet sind, mit steileren Prismen an den Kanten und einem flachen oder leicht konvexen Zentrum. Bei den ersten (und größten) Fresnellinsen war jeder Abschnitt tatsächlich ein separates Prisma. Später wurden "einteilige" Fresnellinsen hergestellt, die für Autoscheinwerfer, Brems-, Park- und Blinkergläser usw. verwendet wurden. In der heutigen Zeit könnten computergesteuerte Fräsgeräte (CNC) oder 3D-Drucker verwendet werden, um komplexere Linsen herzustellen.

Das Fresnellinsendesign ermöglicht eine erhebliche Verringerung der Dicke (und damit der Masse und des Volumens des Materials) auf Kosten der Verringerung der Abbildungsqualität des Objektivs, weshalb bei präzisen Abbildungsanwendungen wie der Fotografie normalerweise immer noch größere herkömmliche Objektive verwendet werden.

Fresnellinsen bestehen normalerweise aus Glas oder Kunststoff; Ihre Größe variiert von groß (alte historische Leuchttürme, Metergröße) über mittel (Bücherlesehilfen, OHP-Ansichtsprojektoren) bis klein ( TLR / SLR- Kamerabildschirme, Mikrooptik ). In vielen Fällen sind sie sehr dünn und flach, fast flexibel und haben Dicken im Bereich von 1 bis 5 mm.

Die meisten modernen Fresnellinsen bestehen nur aus brechenden Elementen. Leuchtturmlinsen enthalten jedoch tendenziell sowohl brechende als auch reflektierende Elemente, wobei sich letztere außerhalb der auf den Fotos gezeigten Metallringe befinden. Während die inneren Elemente Abschnitte von Brechungslinsen sind, reflektieren die äußeren Elemente Prismen, von denen jedes zwei Brechungen und eine Totalreflexion durchführt , wodurch der Lichtverlust vermieden wird, der bei der Reflexion von einem versilberten Spiegel auftritt.

Leuchtturmlinsengrößen [ Bearbeiten ]

Makapuu Point Light
Leuchtturm von Cape Meares ; Fresnellinse erster Ordnung

Fresnel entwarf sechs Größen von Leuchtturmlinsen, die je nach Größe und Brennweite in vier Ordnungen unterteilt sind . [6] Im modernen Gebrauch werden diese als erste bis sechste Ordnung klassifiziert. Eine Zwischengröße zwischen dritter und vierter Ordnung sowie Größen über der ersten und unter der sechsten Ordnung wurden später hinzugefügt.

Ein Objektiv erster Ordnung hat eine Brennweite von 920 mm und ist etwa 2590 mm hoch und 1,8 m breit. Die kleinste (sechste) Ordnung hat eine Brennweite von 150 mm und eine Höhe von 433 mm. [6] [7] [8]

Die größten Fresnellinsen werden als hyperradiant (oder hyperradial ) bezeichnet. Ein solches Objektiv war vorhanden, als beschlossen wurde, das Makapuu Point Light in Hawaii zu bauen und auszurüsten . Anstatt ein neues Objektiv zu bestellen, wurde dort die riesige optische Konstruktion verwendet, die 3,7 Meter hoch und mit über tausend Prismen ausgestattet ist. [9]

  • Objektiv erster Ordnung

  • Nahaufnahme eines Objektivs zweiter Ordnung

  • Objektiv dritter Ordnung ( St. Simons Island Light )

  • Objektiv vierter Ordnung (Sekizaki Lighthouse, Oita , Japan)

  • Linse fünfter Ordnung ( Jones Point Light )

  • Linse sechster Ordnung ( Ponce de Leon Inlet Light )

Typen [ bearbeiten ]

Es gibt zwei Haupttypen von Fresnellinsen: Bildgebung und Nichtbildgebung . Bildgebende Fresnellinsen verwenden Segmente mit gekrümmten Querschnitten und erzeugen scharfe Bilder, während nicht abbildende Linsen Segmente mit flachen Querschnitten aufweisen und keine scharfen Bilder erzeugen. [11] Mit zunehmender Anzahl von Segmenten werden sich die beiden Linsentypen ähnlicher. Im abstrakten Fall einer unendlichen Anzahl von Segmenten verschwindet der Unterschied zwischen gekrümmten und flachen Segmenten.

Imaging [ Bearbeiten ]

Sphärisch
Eine sphärische Fresnellinse entspricht einer einfachen sphärischen Linse , bei der ringförmige Segmente verwendet werden, die jeweils Teil einer Kugel sind und das Licht auf einen einzelnen Punkt fokussieren. Diese Art von Linse erzeugt ein scharfes Bild, obwohl es aufgrund der Beugung an den Rändern der Rippen nicht ganz so klar ist wie die äquivalente einfache sphärische Linse.
Zylindrisch
Eine zylindrische Fresnellinse entspricht einer einfachen zylindrischen Linse , die gerade Segmente mit kreisförmigem Querschnitt verwendet und das Licht auf eine einzelne Linie fokussiert. Dieser Typ erzeugt ein scharfes Bild, obwohl es aufgrund der Beugung an den Rändern der Rippen nicht ganz so klar ist wie die äquivalente einfache Zylinderlinse.

Nicht-Imaging [ Bearbeiten ]

Stelle
Eine nicht abbildende Punkt-Fresnellinse verwendet ringförmige Segmente mit Querschnitten, die eher gerade Linien als Kreisbögen sind. Ein solches Objektiv kann Licht auf einen kleinen Punkt fokussieren, erzeugt jedoch kein scharfes Bild. Diese Objektive finden Anwendung in der Solarenergie, z. B. beim Fokussieren des Sonnenlichts auf ein Solarpanel. Fresnellinsen können als Komponenten der Köhler-Beleuchtungsoptik verwendet werden, was zu einer sehr effektiven nicht abbildenden Optik der Fresnel-Köhler (FK) -Solarkonzentratoren führt . [12]
Linear
Eine nicht abbildende lineare Fresnellinse verwendet gerade Segmente, deren Querschnitte eher gerade Linien als Bögen sind. Diese Linsen fokussieren das Licht in ein schmales Band. Sie erzeugen kein scharfes Bild, können aber in der Sonnenenergie verwendet werden, z. B. um das Sonnenlicht auf ein Rohr zu fokussieren und das Wasser darin zu erwärmen. [ Zitat benötigt ]

Verwendet [ bearbeiten ]

Imaging [ Bearbeiten ]

Eine Kunststoff-Fresnellinse, die als TV-Bildschirmvergrößerungsvorrichtung verkauft wird
Die Fresnellinse, die im tragbaren CRT-Fernseher Sinclair FTV1 verwendet wird und nur den vertikalen Aspekt des Displays vergrößert

Fresnellinsen werden als einfache Handlupen verwendet . Sie werden auch verwendet, um verschiedene Sehstörungen zu korrigieren, einschließlich Augenmotilitätsstörungen wie Strabismus . [13] Fresnel - Linsen wurden die visuelle Größe zu erhöhen verwenden CRT - Displays in der Tasche Fernseher , insbesondere die Sinclair TV80 . Sie werden auch in Ampeln eingesetzt .

Fresnellinsen werden in europäischen Lastkraftwagen mit Linkslenkung verwendet, die in das Vereinigte Königreich und in die Republik Irland einfahren (und umgekehrt in irische und britische Lastwagen mit Rechtslenkung, die auf das europäische Festland fahren), um die toten Winkel zu überwinden, die der Fahrer verursacht, der den Lastwagen währenddessen bedient Sie sitzen auf der falschen Seite der Kabine relativ zur Straßenseite, auf der sich das Auto befindet. Sie werden am Beifahrerseitenfenster befestigt. [14]

Eine andere Automobilanwendung einer Fresnellinse ist ein Rückblickverstärker, da der Weitwinkel einer Linse, die an der Heckscheibe angebracht ist, es ermöglicht, die Szene hinter einem Fahrzeug, insbesondere einem großen oder stumpfen Heck , effektiver als eine Rückansicht zu untersuchen Spiegel allein.

Multifokale Fresnellinsen werden auch als Teil von Netzhautidentifikationskameras verwendet, wo sie mehrere unscharfe und unscharfe Bilder eines Fixierungsziels innerhalb der Kamera liefern. Für praktisch alle Benutzer ist mindestens eines der Bilder scharf, wodurch eine korrekte Augenausrichtung ermöglicht wird.

Fresnellinsen wurden auch im Bereich der populären Unterhaltung verwendet. Der britische Rockkünstler Peter Gabriel nutzte sie in seinen frühen Solo-Live-Auftritten, um die Größe seines Kopfes im Gegensatz zum Rest seines Körpers für einen dramatischen und komischen Effekt zu vergrößern. In dem Terry Gilliam- Film Brasilien erscheinen Plastik-Fresnel-Bildschirme angeblich als Lupen für die kleinen CRT-Monitore, die in den Büros des Informationsministeriums verwendet werden. Sie treten jedoch gelegentlich zwischen den Schauspielern und der Kamera auf und verzerren den Maßstab und die Komposition der Szene auf humorvolle Weise. Der Pixar- Film Wall-E zeigt eine Fresnellinse in den Szenen, in denen der Protagonist das Musical Hello, Dolly!auf einem iPod vergrößert .

Fotografie [ Bearbeiten ]

Canon und Nikon haben Fresnel-Objektive verwendet, um die Größe von Teleobjektiven zu reduzieren. Fotografische Linsen, die Fresnel-Elemente enthalten, können viel kürzer sein als das entsprechende herkömmliche Linsendesign. Nikon nennt die Technologie Phase Fresnel . [15] [16]

Die Polaroid SX-70- Kamera verwendete einen Fresnel-Reflektor als Teil ihres Betrachtungssystems.

Ansichts- und Großformatkameras können eine Fresnellinse in Verbindung mit dem Mattglas verwenden , um die wahrgenommene Helligkeit des von einem Objektiv auf das Mattglas projizierten Bildes zu erhöhen und so den Fokus und die Zusammensetzung anzupassen.

Beleuchtung [ bearbeiten ]

Inchkeith Leuchtturmlinse und Antriebsmechanismus

Hochwertige Fresnellinsen aus Glas wurden in Leuchttürmen verwendet, wo sie Ende des 19. und Mitte des 20. Jahrhunderts als Stand der Technik galten. Die meisten Leuchttürme haben inzwischen Fresnellinsen aus Glas aus dem Dienst genommen und durch viel billigere und langlebigere Aerobeacons ersetzt , die selbst häufig Fresnellinsen aus Kunststoff enthalten. [ Zitierweise erforderlich ] Leuchtturm-Fresnellinsensysteme enthalten typischerweise zusätzliche ringförmige prismatische Elemente, die in facettierten Kuppeln über und unter dem zentralen planaren Fresnel angeordnet sind, um das gesamte von der Lichtquelle emittierte Licht einzufangen. Der Lichtweg durch diese Elemente kann eher eine interne Reflexion als die einfache Brechung beinhaltenim planaren Fresnel-Element. Diese Linsen verschafften den Designern, Bauherren und Benutzern von Leuchttürmen und ihrer Beleuchtung viele praktische Vorteile. Kleinere Linsen könnten unter anderem in kompaktere Räume passen. Eine größere Lichtdurchlässigkeit über größere Entfernungen und unterschiedliche Muster ermöglichten die Triangulation einer Position. [ Zitat benötigt ]

Vielleicht ist die am weitesten verbreitete Verwendung von Fresnel - Linsen, für eine Zeit, trat bei Automobilscheinwerfern , wo sie die in etwa parallelen Strahl von dem parabolischen Reflektor zu treffen Anforderungen für Abblend- und Fernlicht - Muster, die häufig beide in der gleichen Scheinwerfereinheit (solche Form können wie das europäische H4- Design). Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, des Gewichts und der Schlagfestigkeit haben neuere Autos auf Fresnellinsen aus Glas verzichtet, wobei facettenreiche Reflektoren mit einfachen Polycarbonatlinsen verwendet wurden. Fresnellinsen werden jedoch weiterhin häufig in Heck-, Markierungs- und Rückfahrscheinwerfern von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Glasfresnellinsen werden auch in Beleuchtungsinstrumenten für Theater und Kinofilme verwendet (siehe Fresnellaterne ); Solche Instrumente werden oft einfach Fresnels genannt . Das gesamte Instrument besteht aus einem Metallgehäuse, einem Reflektor, einer Lampenbaugruppe und einer Fresnellinse. Bei vielen Fresnel-Instrumenten kann die Lampe relativ zum Brennpunkt der Linse bewegt werden , um den Lichtstrahl zu vergrößern oder zu verkleinern. Infolgedessen sind sie sehr flexibel und können häufig einen Strahl erzeugen, der so schmal wie 7 ° oder so breit wie 70 ° ist. [17] Die Fresnellinse erzeugt einen sehr weichkantigen Strahl und wird daher häufig als Waschlicht verwendet. Ein Halter vor der Linse kann eine farbige Kunststofffolie ( Gel) aufnehmen) um das Licht oder die Drahtgitter oder den gefrosteten Kunststoff zu tönen, um es zu verteilen. Die Fresnellinse ist bei der Erstellung von Filmen nicht nur wegen ihrer Fähigkeit nützlich, den Strahl heller als eine typische Linse zu fokussieren, sondern auch, weil das Licht über die gesamte Breite des Lichtstrahls eine relativ gleichmäßige Intensität aufweist.

Optisches Landesystem auf dem Flugzeugträger USS Dwight D. Eisenhower der US Navy

Flugzeugträger und Marineflugstationen verwenden typischerweise Fresnellinsen in ihren optischen Landesystemen . Das "Fleischbällchen" -Licht hilft dem Piloten dabei, die richtige Gleitneigung für die Landung aufrechtzuerhalten. In der Mitte befinden sich bernsteinfarbene und rote Lichter aus Fresnellinsen. Obwohl die Lichter immer eingeschaltet sind, bestimmt der Winkel des Objektivs aus Sicht des Piloten die Farbe und Position des sichtbaren Lichts. Wenn die Lichter über der grünen horizontalen Leiste erscheinen, ist der Pilot zu hoch. Wenn es unten ist, ist der Pilot zu niedrig und wenn die Lichter rot sind, ist der Pilot sehr niedrig. [ Zitat benötigt ]

Projektion [ Bearbeiten ]

Die Verwendung von Fresnellinsen für die Bildprojektion verringert die Bildqualität, so dass sie nur dort auftreten, wo die Qualität nicht kritisch ist oder wo der Großteil einer festen Linse unerschwinglich wäre. Billige Fresnellinsen können aus transparentem Kunststoff gestanzt oder geformt werden und werden in Overheadprojektoren und Projektionsfernsehern verwendet .

Fresnellinsen mit unterschiedlichen Brennweiten (ein Kollimator und ein Kollektor) werden in der kommerziellen und DIY- Projektion verwendet. Die Kollimatorlinse hat die geringere Brennweite und befindet sich näher an der Lichtquelle. Die Kollektorlinse, die das Licht in die Triplettlinse fokussiert, befindet sich nach dem Projektionsbild (ein Aktivmatrix-LCD- Panel in LCD-Projektoren ). Fresnellinsen werden auch als Kollimatoren in Overheadprojektoren verwendet .

Solarenergie [ Bearbeiten ]

Da Kunststoff-Fresnellinsen größer als Glaslinsen hergestellt werden können und viel billiger und leichter sind, werden sie verwendet, um das Sonnenlicht zum Heizen in Solarkochern , in Solarschmieden und in Solarkollektoren zu konzentrieren, die zum Erhitzen von Wasser für den Hausgebrauch verwendet werden. Sie können auch zur Dampferzeugung oder zum Antrieb eines Stirlingmotors verwendet werden .

Fresnellinsen können Sonnenlicht mit einem Verhältnis von fast 500: 1 auf Solarzellen konzentrieren . [18] Dadurch kann die aktive Solarzellenoberfläche reduziert werden, was die Kosten senkt und die Verwendung effizienterer Zellen ermöglicht, die sonst zu teuer wären. [19] Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden Fresnel-Reflektoren zur Konzentration von Solarenergieanlagen (CSP) zur Konzentration von Sonnenenergie eingesetzt. Eine Anwendung war das Vorwärmen von Wasser im Kohlekraftwerk Liddell im australischen Hunter Valley.

Fresnellinsen können zum Sintern von Sand verwendet werden, um 3D-Druck in Glas zu ermöglichen. [20]

Geschichte [ bearbeiten ]

Vorläufer [ Bearbeiten ]

Augustin-Jean Fresnel war nicht der erste, der einen Leuchtturmstrahl mit einer Linse fokussierte. Diese Unterscheidung gehört offenbar dem Londoner Glasschneider Thomas Rogers, der die Idee 1788 dem Trinity House vorschlug . [21] Die ersten Rogers-Linsen mit einem Durchmesser von 53 cm und einer Dicke von 14 cm in der Mitte wurden am Old Lower Lighthouse installiert 1789 in Portland Bill . Hinter jeder Lampe befand sich ein rückseitig beschichteter sphärischer Glasspiegel, der die Rückstrahlung durch die Lampe zurück in die Linse reflektierte. Weitere Proben wurden bis 1804 in Howth Baily , North Foreland , und an mindestens vier anderen Orten installiert. Ein Großteil des Lichts wurde jedoch durch Absorption im Glas verschwendet. [21][22]

Fresnel war auch nicht der erste, der vorschlug, eine konvexe Linse durch eine Reihe konzentrischer Ringprismen zu ersetzen , um Gewicht und Absorption zu reduzieren. 1748 schlug Graf Buffon vor, solche Prismen als Stufen in einem einzigen Stück Glas zu schleifen. [4] 1790 [23] (obwohl Sekundärquellen das Datum 1773 [24] : 609 oder 1788 [25] angeben) schlug der Marquis de Condorcet vor, dass es einfacher sein würde, die Ringabschnitte getrennt herzustellen und auf einem zusammenzusetzen Rahmen; aber auch das war damals unpraktisch. [26] [27] Diese Entwürfe waren nicht für Leuchttürme gedacht, [4] sondern fürbrennende Gläser . [24] : 609 David Brewster schlug jedoch 1811 ein ähnliches System wie Condorcet vor [4] [25] [28] und befürwortete 1820 dessen Verwendung in britischen Leuchttürmen. [29]

Fresnels Beiträge [ Bearbeiten ]

Die französische Kommission des Phares (Kommission der Leuchttürme) wurde 1811 von Napoleon gegründet und unter die Autorität von Fresnels Arbeitgeber, dem Corps of Bridges and Roads, gestellt. Da die Mitglieder der Kommission anderweitig beschäftigt waren, erreichte sie in den Anfangsjahren wenig. [30] Am 21. Juni 1819 - drei Monate nach dem Gewinn des Physik- Grand-Prix der Akademie der Wissenschaften für seine berühmten Memoiren über Beugung - wurde Fortnel auf Empfehlung von François Arago (Mitglied seit 1813) "vorübergehend" zur Kommission abgeordnet. , um mögliche Verbesserungen der Leuchtturmbeleuchtung zu überprüfen. [26] [31]

Ende August 1819 hielt Fresnel , ohne Kenntnis des Vorschlags von Buffon-Condorcet-Brewster [26] [28] , seine erste Präsentation vor der Kommission [32] und empfahl das, was er Lentilles à échelons (Linsen nach Schritten) nannte, um die zu ersetzen Dann werden Reflektoren verwendet, die nur etwa die Hälfte des einfallenden Lichts reflektieren. [33] Sehr zu Fresnels Verlegenheit erinnerte sich einer der versammelten Kommissare, Jacques Charles , an Buffons Vorschlag. [5] Während Buffons Version bikonvex und in einem Stück war, [34] war Fresnels plankonvexund aus mehreren Prismen für eine einfachere Konstruktion. Mit einem offiziellen Budget von 500 Franken wandte sich Fresnel an drei Hersteller. Der dritte, François Soleil, fand einen Weg, Fehler durch Wiedererhitzen und Umformen des Glases zu beseitigen. Arago unterstützte Fresnel beim Entwurf einer modifizierten Argand-Lampe mit konzentrischen Dochten (ein Konzept, das Fresnel Graf Rumford  zuschrieb [35] ) und entdeckte versehentlich diesen Fischleimwar hitzebeständig und daher für die Verwendung in der Linse geeignet. Der im März 1820 fertiggestellte Prototyp hatte eine quadratische Linsenplatte von 55 cm an einer Seite, die 97 polygonale (nicht ringförmige) Prismen enthielt - und beeindruckte die Kommission so sehr, dass Fresnel nach einer vollständigen Version mit acht Platten gefragt wurde. Dieses Modell, das ein Jahr später trotz unzureichender Finanzierung fertiggestellt wurde, hatte Paneele mit einem Quadrat von 76 cm. In einem öffentlichen Spektakel am Abend des 13. April 1821 wurde es durch Vergleich mit den neuesten Reflektoren demonstriert, was es plötzlich obsolet machte. [36]

Kurz nach dieser Demonstration veröffentlichte Fresnel die Idee, dass Licht, einschließlich scheinbar unpolarisierten Lichts, ausschließlich aus Transversalwellen besteht , und untersuchte anschließend die Auswirkungen auf Doppelbrechung und Teilreflexion. [37]

Fresnel würdigte die britischen Linsen und Buffons Erfindung in einer Abhandlung, die am 29. Juli 1822 gelesen und im selben Jahr gedruckt wurde. [38] Das Datum dieser Abhandlung könnte die Quelle der Behauptung sein, dass Fresnels Anwaltschaft für Leuchttürme zwei Jahre später als die von Brewster begann; [29] aber der Text macht deutlich, dass Fresnels Beteiligung spätestens 1819 begann. [39]

Querschnitt einer Fresnel-Leuchtturmlinse der ersten Generation mit geneigten Spiegeln  m, n über und unter der Brechungsplatte  RC (mit zentralem Segment  A ). Das Design wurde später verbessert, indem die Spiegel durch reflektierende Prismen ersetzt wurden, um Verluste zu reduzieren. Wenn der Querschnitt in jeder vertikalen Ebene durch die Lampe  L gleich ist (Zylindersymmetrie), wird das Licht gleichmäßig um den Horizont verteilt.

Fresnels nächste Linse war ein rotierender Apparat mit acht "Bullauge" -Paneelen, die von Saint-Gobain in Ringbögen hergestellt wurden [27] und acht rotierende Strahlen lieferten - von Seeleuten als periodischer Blitz zu sehen. Über und hinter jeder Hauptplatte befand sich eine kleinere, abfallende Bullauge mit trapezförmigen Umrissen und trapezförmigen Elementen. [40] Dadurch wurde das Licht zu einem geneigten Planspiegel gebrochen, der es dann horizontal 7 Grad vor dem Hauptstrahl reflektierte, was die Dauer des Blitzes verlängerte. [41] Unter den wichtigsten Platten wurden in vier Ringen angeordnet 128 kleiner Spiegel, wie die Lamellen einer gestapelten Lamelle oder Jalousie . Jeder Ring, wie eine geformte Stumpfes eines Kegelsreflektierte das Licht zum Horizont und gab ein schwächeres gleichmäßiges Licht zwischen den Blitzen. Der offizielle Test, der am 20. August 1822 auf dem unvollendeten Arc de Triomphe durchgeführt wurde , wurde von der Kommission - und von Ludwig XVIII. Und seinem Gefolge - aus 32 km Entfernung bezeugt . Der Apparat wurde für den Winter in Bordeaux gelagert und dann unter der Aufsicht von Fresnel am Leuchtturm von Cordouan wieder zusammengebaut - teilweise von Fresnels eigenen Händen. Am 25. Juli 1823 wurde die weltweit erste Leuchtturm-Fresnellinse angezündet. [42] Wie erwartet war das Licht am Horizont sichtbar, mehr als 20 Meilen entfernt. [43]

Am Tag vor dem Test der Cordouan-Linse in Paris berichtete ein Komitee der Akademie der Wissenschaften über Fresnels Memoiren und Ergänzungen zur Doppelbrechung - die den modernen Lesern zwar weniger bekannt waren als seine früheren Arbeiten zur Beugung, aber einen entscheidenderen Schlag versetzten für die Wellentheorie des Lichts. [44] Zwischen dem Test und dem Zusammenbau in Cordouan reichte Fresnel seine Arbeiten zu Photoelastizität (16. September 1822), elliptischer und zirkularer Polarisation und optischer Rotation (9. Dezember) sowie Teilreflexion und Totalreflexion (7. Januar 1823) ein. [ 45] im Wesentlichen seine Rekonstruktion der physikalischen Optik abzuschließenauf der Transversalwellenhypothese . Kurz nachdem die Cordouan-Linse angezündet war, begann Fresnel Blut zu husten. [46]

Im Mai 1824 [28] wurde Fresnel zum Sekretär der Commission des Phares befördert und war das erste Mitglied dieses Gremiums, das ein Gehalt bezog [47], wenn auch gleichzeitig als Chefingenieur. [48] Ende des Jahres, als er zunehmend krank wurde, beschränkte er seine Grundlagenforschung und gab seinen Saisonjob als Prüfer an der École Polytechnique auf , um seine verbleibende Zeit und Energie für seine Leuchtturmarbeit zu sparen. [49] [50]

Im selben Jahr entwarf er die erste feste Linse - um das Licht gleichmäßig am Horizont zu verteilen und gleichzeitig den Abfall oben oder unten zu minimieren. [26] Im Idealfall würden die gekrümmten brechenden Oberflächen der Segmente sein Toroide um eine gemeinsame vertikale Achse, so dass die dioptrischen Platte wie eine zylindrische Trommel aussehen würde. Wenn dies durch reflektierende ( katoptrische ) Ringe über und unter den brechenden (dioptrischen) Teilen ergänzt würde, würde die gesamte Vorrichtung wie ein Bienenstock aussehen. [51] Die zweite Fresnellinse, die in Dienst gestellt wurde, war in der Tat eine feste Linse dritter Ordnung, die bis zum 1. Februar 1825 in Dünkirchen installiert wurde. [52]Aufgrund der Schwierigkeit, große Ringprismen herzustellen, hatte diese Vorrichtung jedoch einen 16-seitigen polygonalen Plan. [53]

1825 erweiterte Fresnel sein Design mit festen Linsen, indem er ein rotierendes Array außerhalb des festen Arrays hinzufügte. Jede Platte der rotierenden Anordnung sollte einen Teil des festen Lichts von einem horizontalen Fächer in einen schmalen Strahl brechen. [26] [54]

Ebenfalls im Jahr 1825 enthüllte Fresnel die Carte des Phares (Leuchtturmkarte) und forderte ein System von 51 Leuchttürmen plus kleineren Hafenlichtern in einer Hierarchie von Linsengrößen, die als "Bestellungen" bezeichnet werden (die erste ist die größte), mit unterschiedlichen Merkmalen, um dies zu erleichtern Erkennung: ein konstantes Licht (von einer festen Linse), ein Blitz pro Minute (von einer rotierenden Linse mit acht Feldern) und zwei pro Minute (sechzehn Felder). [55]

Ende 1825 [56] schlug Fresnel vor, jeden Spiegel durch ein katadioptrisches Prisma zu ersetzen, durch das das Licht durch Brechung durch die erste Oberfläche und dann durch Totalreflexion von der zweiten Oberfläche wandern würde, um den Lichtverlust in den reflektierenden Elementen zu verringern , dann Brechung durch die dritte Oberfläche. [57] Das Ergebnis war die Leuchtturmlinse, wie wir sie jetzt kennen. Im Jahr 1826 baute er ein kleines Modell für den Einsatz auf dem Canal Saint-Martin , [58] , aber er tat es nicht lebt eine Full-Size - Version zu sehen: er am 14. Juli 1827, im Alter von 39.

Nach Fresnel [ Bearbeiten ]

Die erste Phase der Entwicklung von Leuchtturmlinsen nach dem Tod von Augustin Fresnel bestand in der Umsetzung seiner Entwürfe. Dies wurde zum Teil von seinem jüngeren Bruder Léonor vorangetrieben, der wie Augustin eine Ausbildung zum Bauingenieur absolvierte, aber im Gegensatz zu Augustin eine starke Managementfähigkeit hatte. Léonor trat 1825 in den Dienst der Leuchtturmkommission und trat die Nachfolge von Augustin als Sekretär an. [59]

Die erste feste Linse, die mit Ringprismen konstruiert wurde, war eine Vorrichtung erster Ordnung, die vom schottischen Ingenieur Alan Stevenson unter der Anleitung von Léonor Fresnel entworfen und von Isaac Cookson & Co. unter Verwendung von französischem Glas hergestellt wurde. es wurde am 22. September 1836 auf der Isle of May in Schottland in Dienst gestellt. [60] Die ersten großen katadioptrischen Linsen wurden 1842 für die Leuchttürme in Gravelines und auf der Île Vierge in Frankreich hergestellt. Dies waren feste Linsen dritter Ordnung, deren katadioptrische Ringe (in Segmenten hergestellt) einen Durchmesser von einem Meter hatten. Stevensons Skerryvore erster OrdnungDie 1844 beleuchtete Linse war nur teilweise katadioptrisch. Es war der Cordouan-Linse ähnlich, außer dass die unteren Lamellen durch in Frankreich hergestellte katadioptrische Prismen ersetzt wurden, während die Spiegel oben beibehalten wurden. Die erste vollständig katadioptrische Linse erster Ordnung, die 1852 in Pointe d'Ailly installiert wurde, lieferte ebenfalls acht rotierende Strahlen sowie ein festes Licht am Boden. Der obere Teil hatte jedoch acht katadioptrische Paneele, die das Licht etwa 4 Grad vor den Hauptstrahlen fokussierten, um die Blitze zu verlängern. Die erste vollständig katadioptrische Linse mit rein rotierenden Strahlen - ebenfalls erster Ordnung - wurde 1854 in Saint-Clément-des-Baleines installiert und markierte die Fertigstellung von Augustin Fresnels ursprünglicher Carte des Phares . [61]

Thomas Stevenson (jüngerer Bruder von Alan) ging mit seiner "holophotalen" Linse, die das von der Lampe abgestrahlte Licht in nahezu alle Richtungen vorwärts oder rückwärts in einen einzigen Strahl fokussierte, einen Schritt über Fresnel hinaus. [62]Die erste Version, die 1849 beschrieben wurde, bestand aus einer Standard-Fresnel-Bullauge, einem Paraboloidreflektor und einem hinteren halbkugelförmigen Reflektor (funktionell äquivalent zum Rogers-Spiegel von 60 Jahren zuvor, außer dass er eine ganze Halbkugel bedeckte). Licht, das in die vordere Hemisphäre strahlte, aber die Bullauge fehlte, wurde vom Paraboloid in einen parallelen Strahl abgelenkt, der die Bullauge umgab, während Licht, das in die hintere Hemisphäre strahlte, vom sphärischen Reflektor (wie bei Rogers) durch die Lampe zurückreflektiert wurde 'Anordnung), von den Vorwärtskomponenten abzuholen. Die erste Einheit wurde in North Harbor, Peterhead, installiertStevenson nannte diese Version ein "katadioptrisches Holophot", obwohl jedes seiner Elemente entweder rein reflektierend oder rein refraktiv war. In der zweiten Version des Holophote-Konzepts wurden die Bullauge und der Paraboloidreflektor durch eine katadioptrische Fresnellinse ersetzt - wie von Fresnel konzipiert, jedoch auf die gesamte vordere Hemisphäre ausgedehnt. Die dritte Version, die Stevenson verwirrenderweise als "dioptrisches Holophot" bezeichnete, war innovativer: Sie behielt die katadioptrische Fresnellinse für die vordere Hemisphäre bei, ersetzte jedoch den hinteren halbkugelförmigen Reflektor durch eine halbkugelförmige Anordnung ringförmiger Prismen, von denen jedes zwei verwendeteTotalreflexionen, um Licht, das von der Mitte der Halbkugel abweicht, zurück zur Mitte zu lenken. Das Ergebnis war ein Ganzglas-Holophot ohne Verluste durch metallische Reflexionen. [63]

James Timmins Chance modifizierte das holophotale Ganzglasdesign von Thomas Stevenson, indem er die doppelt reflektierenden Prismen um eine vertikale Achse anordnete. Der Prototyp wurde 1862 auf der Internationalen Ausstellung in London gezeigt. Um die Herstellung zu vereinfachen, teilte Chance die Prismen später in Segmente ein und ordnete sie in einer zylindrischen Form an, wobei die Eigenschaft beibehalten wurde, Licht von einem einzelnen Punkt zurück zu diesem Punkt zu reflektieren. Reflektoren dieser Form, paradoxerweise "Dioptrienspiegel" genannt, erwiesen sich als besonders nützlich, um Licht von der Landseite der Lampe zur Seeseite zurückzuleiten. [64]

Gruppenblinkende Fresnellinse erster Ordnung, ausgestellt im Point Arena Lighthouse Museum, Point Arena Lighthouse , Mendocino County, Kalifornien . Die drei Dioptrienplatten (innerhalb der Messingringe) und drei Katadioptrieplatten (außen) sind teilweise in zwei Teile geteilt, was drei Doppelblitze pro Umdrehung ergibt.

Als sich Leuchttürme vermehrten, wurde es schwieriger, sie voneinander zu unterscheiden, was zur Verwendung von Farbfiltern führte, die Licht verschwendeten. Im Jahr 1884 beseitigte John Hopkinson die Notwendigkeit von Filtern, indem er die "Gruppenblitz" -Linse erfand, bei der die dioptrischen und / oder die katadioptrischen Platten so aufgeteilt wurden, dass mehrere Blitze erzeugt wurden, sodass Leuchttürme nicht nur anhand der Häufigkeit der Blitze identifiziert werden konnten , sondern auch durch eine Vielzahl von Blitzen. Doppelblitzlinsen wurden 1875 in Tampico (Mexiko) und Little Basses (Sri Lanka) und 1876 eine Dreifachblitzlinse in Casquets Lighthouse ( Kanalinseln ) installiert . [65] Das gezeigte Beispiel (rechts) ist das Doppelblitzobjektiv. Blinklinse des Point Arena Light, Die von 1908 bis 1977 in Betrieb war [66]

Die Entwicklung von hyperradialen Linsen wurde teilweise durch die Notwendigkeit größerer Lichtquellen wie Gaslichter mit mehreren Strahlen vorangetrieben, die eine längere Brennweite für eine gegebene Strahlbreite erforderten, daher eine größere Linse, um einen gegebenen Bruchteil von zu sammeln das erzeugte Licht. Die erste hyperradiale Linse wurde 1885 von F. Barbier & Cie aus Frankreich für die Stevensons gebaut und am South Foreland Lighthouse mit verschiedenen Lichtquellen getestet . Chance Brothers (Hopkinsons Arbeitgeber) begannen daraufhin mit dem Bau von Hyperradials und installierten ihre ersten 1887 am Bishop Rock Lighthouse. [67] Im selben Jahr installierte Barbier auf Tory Island ein Hyperradial . Es wurden jedoch nur etwa 30 Hyperradiale in Betrieb genommen[68] Vor der Entwicklung kompakterer heller Lampen war eine derart große Optik nicht mehr erforderlich (siehe Hyperradiant Fresnel-Linse ).

Die Herstellung von einteiligen gestuften Dioptrienlinsen - ungefähr wie von Buffon vorgesehen - wurde 1852 möglich, als John L. Gilliland von der Brooklyn Flint-Glass Company ein Verfahren zur Herstellung von Linsen aus gepresstem und geformtem Glas patentierte. Das Unternehmen stellte kleine Bullauge-Linsen für Eisenbahnen, Dampfschiffe und Docks her. [69] Solche Linsen waren in den 1870er Jahren in den Vereinigten Staaten üblich. [28] : 488 1858 produzierte das Unternehmen "eine sehr kleine Anzahl von gepressten Flintglaslinsen sechster Ordnung" zur Verwendung in Leuchttürmen - die ersten in Amerika hergestellten Fresnel-Leuchtturmlinsen. [69] In den 1950er Jahren machte es der Ersatz von Glas durch Kunststoff wirtschaftlich, Fresnellinsen als Kondensatoren in Overheadprojektoren zu verwenden. [70]

Siehe auch [ Bearbeiten ]

  • Fresnel Imager
  • Fresnel-Zonenplatte
  • Linsenlinse
  • Linearer Fresnel-Reflektor
  • Prism Beleuchtung - Fresnel anidolic Optik

Referenzen [ bearbeiten ]

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Bibliographie [ Bearbeiten ]

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Weiterführende Literatur [ Bearbeiten ]

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Externe Links [ Bearbeiten ]

  • United States Lighthouse Society , insbesondere " Fresnellinsen ".
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