Френелова леќа

Френеловата леќа е вид на компактна леќа првично развиена од страна на францускиот физичар Огистен-Жан Френел, за светилници.
Дизајнот овозможува создавање на леќи со голем отвор и кратко фокусно растојание, без маса и волумен на материјал, кој би бил потребен за создавање на леќа со конвенционален дизајн. Френеловата леќа може да се направи многу потенка во споредба со конвенционалните леќи, а во некои случаи дури и во форма на рамна плоча. Френеловата леќа може да фати повеќе коса светлина од изворот на светлината, со што се овозможува светлината од светилникот опремен со една леќа биде видлив и на поголеми растојанија.
1 Историја
Идејата за создавање на потенка, полесна леќа во форма на низа од прстенести чекори често му се припишува на Жорж-Луј Леклерк, грофот од Буфон. Додека Буфон предложил брусење на таква леќа од едно парче стакло, маркизот де Кондорсе (1743-1794) предложил да ја направат од одделни делови монтирана во рамка.
Францускиот физичар и инженер Огистен-Жан Френел најчесто добива признание за развојот на леќата составена од повеќе делови, за употреба во светилниците. Според списанието ''Смитсонијанс'' првата Френелова леќа била користена во 1823 година во светилникот Кордуан на устието од вливот на реката Жиронда; неговата светлина можела да се види на далечина од повеќе од 20 милји (32 километри). Шкотскиот физичар сер Дејвид Брустер е заслужен затоа што го убедил Обединетото Кралство да ги прифати овие леќи во нивните светилници.
2 Опис
Френеловата леќа ја намалува количината на потребен материјал во споредба со конвенционалната леќа, со делење на леќата во збир од концентрични прстенести делови. Идеалната Френелова леќа би требала да има бесконечен број делови. Во секоја секција, вкупната дебелина е намалена, во споредба со еквивалентната едноставна леќа. Ова делотворно ја дели континуираната површина на стандардната леќа во збир од површини со иста кривина, со постепен дисконитинуитет помеѓу нив.
Кај некои леќи, заоблените површини се заменети со рамни површини, со различен агол во секоја секција. Таквата леќа може да се смета како низа од призми поставени во кружна форма, со пострмни (поостри) призми на рабовите и рамни или малку конвексни во центарот. Во првите (и најголемите) Френелови леќи всушност секоја секција била посебна призма. Подоцна биле произведени Френелови леќи „од едно-парче“, кои се користеле кај автомобилските предни светла, сопирачките, за паркирање и кај леќите за трепкачите, и така натаму. Во модерните времиња, компјутерски контролираната опрема за глодање (ЦНЦ) може да се користи за производство на покомплексни леќи. Дизајнот на Френеловата леќа овозможува значително намалување на дебелината (а со тоа и на масата и волуменот на материјал), за сметка на намалување на квалитетот на сликата на леќата, поради што прецизните апликации за слики, како што се фотографиите, обично сè уште ги користат поголемите конвенционални леќи.
Френеловите леќи обично се направени од стакло или пластика; нивната големина варира од големи (старите историски светилници, со големина на метри) до средни (помагала за читање на книги, OHP графичките проектори) до мали (TLR / SLR екрани на апаратите, микрооптика). Во многу случаи тие се многу тенки и рамни, речиси флексибилни, со дебелина во опсег од 1 до 5 милиметри (0,04 до 0,2 инчи).
Модерните Френелови леќи обично се состојат од сите елементи за прекршување. Меѓутоа, многу од светилниците имаат елементи и за прекршување и рефлектирање, како што е прикажано на фотографиите и дијаграмот. А тоа е, надворешните елементи се секции од рефлектори додека внатрешните елементи се секции од леќи за прекршување. Вкупната внатрешна рефлексија често била користена за да се избегне губењето на светлината во одразот од сребреното огледало.
2.1 Големини на леќите во светилниците
Френел произведувал шест големини на леќи за светилници, поделени во четири реда, според нивната големина и фокусно растојание. Во модерната употреба тие се класифицираат како од први до шести ред.  Средната големина помеѓу третиот и четвртиот ред била додадена подоцна, исто како и големините над првиот ред и под шестиот ред.
Леќата од првиот ред имала фокусно растојание од 920 мм (36 инчи) и максимален пречник од 2590 мм (8,5 стапки). Целиот склоп е околу 3,7 метри (12 стапки) висок и 1,8 м (6 стапки) широк. Најмалата (шести-ред) имала фокусно растојание од 150 мм (5,9 инчи) и оптички пречник од 433 мм (17 инчи).
Најголемите Френелови леќи се нарекуваат хипер-радијални Френелови леќи. Една таква леќа била при рака, кога било одлучено да се изгради и опреми Светлосната точка Макапуу на Хаваите. Наместо да порачаат нова леќа, таму се користела огромната оптичка конструкција, висока 3.7 метри (12 стапки) со повеќе од илјада призми.
+Ред за леќи на светилниците, Ред, Жаришно растојание (мм), Висина(м), Првпат вградена
Осма
Седма
Шеста, 150, 0,433
Петта, 182,5, 0,541
Четврта, 250, 0,722
375
Трета, 500, 1,576
Втора, 750, 2,069
Прва, 920, 2,59
Мезорадијална, 1125
Хиперрадиална, 1330, 1879
3 Типови
Постојат два главни типови на леќи: кои создаваат слика и кои не создаваат слика. Френеловите леќи кои создаваат слика користат сегменти со искривени попречни пресеци и создаваат остри слики, додека леќите кои не создаваат слика имаат сегменти со рамни попречни пресеци, и не создаваат остри слики. Како што се зголемува бројот на сегменти, двата типа на леќи стануваат послични една на друга. Во апстрактен случај на бесконечен број на сегменти разликата помеѓу закривените и рамните сегменти исчезнува.
3.1 Кои создаваат слика
; Сферични
: Сферичната Френелова леќа е еквивалентна на едноставната сферична леќа, користејќи сегменти со прстенест облик кои се делови од сферата, кои сите ја фокусираат светлината во една точка. Овој тип на леќа создава остра слика, иако не е толку јасна како кај еквивалентната едноставна сферична леќа, поради дифракцијата на рабовите од испакнувањето.
; Цилиндрични
: Цилиндричната Френелова леќа е еквивалентна на едноставната цилиндрична леќа, користејќи прави сегменти со кружен попречен пресек, фокусирајќи ја светлината во една линија. Овој тип создава остра слика, иако не е толку јасна како кај еквивалентната едноставна цилиндрична леќа, поради дифракцијата на рабовите од испакнувањето.
3.2 Кои не создаваат слика
; Точкеста
: Френеловата леќа која не создава слика користи сегменти во форма на прстени со попречни пресеци кој се прави линии наместо кружни лакови. Таквата леќа може да ја фокусира светлината во мала точка, но не создава остра слика. Овие леќи имаат примена во сончевата енергија, каде што ја фокусираат сончевата светлина на сончевата плоча. Френеловите леќи можат да се користат како компоненти во Келеровото осветлување, што резултира со многу делотворна оптика која не создава слика, Френел-Келерови (FK) сончеви концентратори.
; Линеарна
: Френелова линеарна леќа која не создава слика користи прави сегменти, чиишто попречни пресеци се прави линии, а не лакови. Овие леќи ја фокусираат светлината во тесен опсег. Тие не создаваат остра слика, но можат да се користат во сончевата енергија, како на пример за фокусирање на сончевата светлина на цевка, за загревање на водата која се наоѓа во неа.
4 Примена
4.1 Создавање на слика
Френеловите леќи се користат како едноставни рачни лупи. Исто така, тие се користат за исправка на неколку визуелни нарушувања, вклучувајќи го и нарушувањето на окуларната подвижност, како што е страбизмот. Френеловите леќи се користеле за зголемување на вузуелната големина на CRT дисплеите кај џебните телевизори, особено кај Синклер ТВ80. Исто така, тие се користат и кај семафорите.
Френеловите леќи се користат кај европските камиони каде возачот се наоѓа на левата страна кога тие влегуваат во Обединетото кралство и Република Ирска (и обратно, кај ирските и британските камиони каде возачот се наоѓа на десната страна, кога тие влегуваат на евроското копно), за да се надминат слепите точки кој се создаваат кај возачот кој го управува камионот, додека тој седи на погрешната страна во кабината во однос на страната на патот на која се наоѓа возилото. Тие се закачени на прозорецот од страната на патникот.
Уште една автомобилска апликација на Френеловите леќи е засилувачот на задниот поглед, бидејќи широкиот агол на леќата која е прикачена на задниот прозорец дозволува разгледување на сцената зад возилото, особено високите или издолжените, поефикасно отколку самиот ретровизор.
Повеќефокусните Френелови леќи исто така се користат и како дел од апаратите за идентификација на ретината, каде што обезбедуваат повеќе слики во и надвор од фокусот, за целната фиксација во внатрешноста на апаратот. За речиси сите корисници, најмалку една од сликите ќе биде во фокусот, со што се овозможува правилно дотерување на окото.
Френеловите леќи исто така биле користени и во областа на популарната забава. Британскиот рок-музичар Питер Гебриел ги користел во неговите рани соло настапи во живо, за да ја зголеми големината на главата, во однос на остатокот од телото, заради драматични и комични ефекти. Во филмот на Тери Гилијем „Бразил“ пластични Френелови екрани се појавуваат наводно како зголемувачи на малите CRT монитори користени во канцелариите на Министерството за информации. Меѓутоа, тие повремено се појавуваат помеѓу глумците и камерите, искривувајќи го размерот и композицијата на сцената со хумористичен ефект. Филмот на Пиксар „Вол-и“ вклучува френелови леќи во сцените каде протагонистот го гледа мјузиклот Хелоу Доли!, зголемен на Ајпод.
4.1.1 Фотографија
Канон и Никон ги користеле Френеловите леќи за да ја намалат големината на телефото објективите. Фотографските леќи кои ги вклучуваат Френеловите елементи можат да бидат многу пократки од дизајнот на сличните конвенционални леќи. Никон нивната технологија ја нарекува Фаза Френел.
Полароид SX-70 камерата користела Френелов рефлектор како дел од нејзиниот систем за гледање.
Камерите за гледање и големи формати можат да користат Френелови леќи во комбинација со мат стаклата, за да ја зголемат перцептивната осветленост на сликата проектирана од леќата на мат стаклото, помагајќи во прилагодувањето на фокусот и композицијата.
4.2 Осветлување
Висококвалитетни стаклени Френелови леќи биле користени во светилниците, каде што истите биле сметани за врв во уметноста во доцниот 19-ти и во средината на 20 век; повеќето од нив се сега повлечени од употреба. Системите на светилниците со Френелови леќи вообичаено вклучувале дополнителни прстенести призматични елементи, наредени во фасетирани куполи над и под централниот рамнински Френел, со цел да се фати целата светлина која се емитувала од изворот на светлина. Патот на светлината низ овие елементи може да вклучува внатрешна рефлексија, наместо едноставна рефракција во рамниот Френелов елемент. Овие леќи им донеле многу практични користи на дизајнерите, градителите и корисниците на светилниците и на нивното осветлување. Помеѓу другите работи, помалите леќи можеле да се вклопат во многу покомпактни простори. Поголемиот светлосен пренос на поголеми растојанија и разновидни обрасци, ја направиле можна триангулацијата на позицијата.
Можеби најраспространетата употреба на Френеловите леќи, засега, се случила кај автомобилските предни светла (фарови), каде што тие можат да го обликуваат приближно паралелниот зрак од параболичниот рефлектор, за да се исполнат барањата за средни и долги светла, најчесто заедно во истата единица на предното светло (како што е европскиот дизајн H4). Поради трошоците, тежината и ударната отпорност, поновите возила се разделиле од стаклените Френелови леќи, користејќи повеќеслојни рефлектори со обични поликарбонатни леќи. Сепак, Френеловите леќи продолжиле широко да се користат кај автомобилските задни светла, маркерите и резервните светла.
Стаклените Френелови леќи, исто така, се користат во инструментите за осветлување за театарските и филмските сцени (види Фртенелов фенер); таквите инструменти често се наречени едноставно ''френели''. Целиот инструмент се состои од метално куќиште, рефлектор, склоп од светилки и Френелова леќа. Многу Френелови инструменти дозволуваат светилката да се помести релативно во однос на фокусната точка на леќата, за да се зголеми или намали големината на светлосниот зрак. Како резултат на тоа, тие се многу флексибилни и често можат да создадат зрак толку тесен колку што се 7° или толку широк колку што се 70°. Френеловата леќа создава зрак со многу меки рабови, па често се користи како светлина за чистење. Држачот пред леќата може да држи пластичен филм во боја (гел) за да ја нијансира светлината или жичените екрани или матираната пластика да ја дифузира. Френеловата леќа е корисна во правењето на подвижни слики не само поради нејзината способност да го фокусира зракот појасно отколку обичната леќа, туку исто така и поради тоа што светлината е со релативно доследен интензитет низ целата широчина на светлината.
Носачите на авиони и поморските воздушни станици обично ги користат Френеловите леќи во нивните оптички системи за слетување. Светлината во форма на „ќофте“ му помага на пилотот во одржувањето на соодветниот лизгачки наклон при слетувањето. Во средината се наоѓаат килибарни и црвени светилки составени од Френелови леќи. Иако светлата се секогаш вклучени, аголот на леќите од пилотската гледна точка ја одредува бојата и положбата на видливата светлина. Ако светлата се појавуваат над зелената хоризонтална лента, пилотот е премногу високо. Ако се под зелената хоризонтална линија, пилотот е многу ниско и ако светлата се црвени пилотот е премногу ниско.
Френеловите леќи наоѓаат примена и при подобрувањето на светлината за читање, на патниците во Ербас авионите: во темната кабина фокусираниот зрак од светлина не ги заслепува соседните патници.
4.3 Проекција
Користењето на Френеловите леќи за проекција на слики го намалува квалитетот на сликата, така што тие можат да се појават само таму каде што квалитетот не е критичен, или таму каде што големината на цврстите леќи може да биде забранета. Евтините Френелови леќи можат да бидат отпечатени или одлиени од проѕирна пластика и се користат кај проекторите сместени над главата и телевизиската проекција.
Френеловите леќи со различни фокусни растојанија (еден колиматор и еден колектор) се користат кај комерцијалните и DIY проекции. Колиматорската леќа има помало фокусно растојание и е поставенa поблиску до изворот на светлина, а колекторската леќа којa ја фокусира светлината во тројна леќа е поставена после проекциската слика (активен матричен LCD панел кај LCD проекторите). Френеловите леќи исто така се користат како колиматори кај проекторите сместени над главата.
4.4 Сончева енергија
Бидејќи пластичните Френелови леќи можат да се направат со поголеми димензии од стаклените леќи, како и да бидат многу поевтини и полесни, тие се користат за да ја концентрираат сончевата светлина за греење во сончевите шпорети, сончевите печки, како  и во сончевите колектори кои се користат за загревање на водата за домашна употреба. Тие исто така можат да се користат за произведување на пареа или за напојување на Стирлинговиот мотор.
Френеловите леќи можат да ја концентрираат сончевата светлина врз сончевите ќелии во сооднос од речиси 500:1. Ова овозможува намалување на активната површина на сончевата ќелија, намалување на трошоците и овозможува користење на поефикасни ќелии, кои инаку би биле премногу скапи. На почетоткот од 21-от век Френеловите рефлектори почнале да се користат кај апаратите за концентрирање на сончевата енергија (CSP), за концентрирање на сончевата енергија. Една од можните примени била за предзагревање на водата во Лидел станицата за енергија која користела на јаглен како енергија, во долината Хантер во Австралија.
Френеловите леќи можат да се користат за синтерување на песок, овозможувајќи 3D печатење во стакло.
4.5 Во фикција
Англиската детска фиктивна телевизиска серија „Сенки“ содржи епизода „Друг прозорец“ во која научник става Френелова леќа на прозорецот од својот дом, а неговите деца и неговата мајка можат да видат визии за своите предци од претходните векови во неа.
Во јапонската комична книга Узумаки од Јунџи Ито, концентричните примероци од Френеловата леќа во светилникот се топат од топлината и формираат спирала.
Во предзаплетот од новелата „Солено парче земја“ на Џими Бафет, тој ги следи напорите на ликовите да пронајдат Френелова леќа за да го реновираат бахамскиот светилник.
Френеловата леќа е прикажана во филмот „Да ја зачуваш светлината“ од 2016 година, каде што сопругата на чуварот на светилникот ги исполнува должностите на својот сопруг.
5 Поврзано
* Френелов снимач
* Зонска плоча
* Леќеста леќа
* Френелов колектор
* Призмено осветлување
6 Дополнителна литература
*"The Fresnel Lens." The Keeper's Log (Winter 1985), pp. 12–14.
*, United States Coast Guard.
* United States Coast Guard, ''Aids to Navigation'', (Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1945).
**