Линзы Френеля состоят из набора концентрических канавок, выгравированных на поверхности пластины из прозрачного материала. Благодаря компактным размерам, небольшому весу и свойству собирать излучение линзы широко применяются в качестве увеличителей, устанавливаются в эмиттерах и системах обнаружения. Также применяются как проекционные линзы в системах подсветки и при формировании изображений.
Профиль френелевской линзы отличается от сглаженного сферического профиля обычных линз ступенчатой формой. Каждую ступень можно рассматривать как отдельную небольшую линзу, которая изгибает параллельные световые волны и фокусирует свет. Благодаря этой конфигурации, линза фокусирует свет также, как традиционные собирающие линзы, но имеет меньший вес.
Принцип и теория линз Френеля
Задача сохранения начального направления распространения излучения в среде привела к концепции френелевской линзы еще в 18 веке. В то время оптика еще являлась отдельным направлением естественных наук.
Изучение оптических явлений, свойств различных материалов преломлять, фокусировать и рассеивать свет привело к созданию известных видов линз – собирающих и рассеивающих. Основной проблемой собирающих линз являлась их большая масса и высокое поглощение материала, и тогда французский физик А. Френель предложил конфигурацию линзы, обладавшую небольшой массой и свойством собирать излучение. Линза, предложенная Френелем, предназначалась для маяка.
Линза была создана из цельного куска стекла, на который наносились штрихи – концентрические окружности через малые промежутки. По форме линза напоминала уже существующие тогда собирающие сферические линзы, за исключением малой толщины и особого профиля (см. рис. 2).
Дальнейший, в том числе современный, анализ параметров линзы Френеля привел к выводу, что повышение частоты наносимых штрихов позволяет добиться высокого качества изображения, снижение – лучшей фокусировки. Нужно отметить, что на сегодняшний день изображения высокого качества получают чаще с помощью асферических линз или дублетов.
Изготовление линз Френеля
Конечно, первые линзы Френеля была сделаны вручную – полировка стекла и гравировка штрихов занимала продолжительное время. Начальный этап изготовления линзы, плавка стекла в формах, несколько веков назад была опасна и являлась длительным процессом. К счастью, с развитием технологии пластмасс и литья под давлением в 20 веке использование линз Френеля в промышленности стало практически и коммерчески целесообразным.
Сейчас линзы Френеля изготавливают из множества различных материалов – от акрила до поликарбоната и винила, в зависимости от длины волны излучения, на которой предполагается работа линзы. Чаще всего в производстве используют акрил – такие линзы имеют высокую пропускательную способность в видимом и УФ диапазонах. Для жестких внешних условий больше подойдет линза из поликарбоната – этот материал известен своей устойчивостью к температурным перепадам.
Примеры приложений
Стоит отметить, что к идее френелевской линзы шли многие ученые, но популяризовать ее удалось лишь А. Френелю. Он был первым, предложившим практическое применение – установку линзы в объектив маяка. С тех пор были открыто и другое свойство френелевской линзы – увеличение.
Получение параллельного пучка
С помощью линзы Френеля и точечного источника, размещенного на фокусном расстоянии, легко формируется параллельный пучок излучения. В случае, когда требуется добиться сходимости параллельного пучка в точку, линза (для большей эффективности) должна располагаться несколько ближе к источнику (см. рис. 3 - 4).
Фокусировка излучения
Основное практическое применение линз Френеля – фокусировка солнечного излучения, которое в бесконечном приближении может считаться практически параллельным. Так, линзы Френеля стали основным компонентом солнечных батарей, которые используются для нагрева целых домов или бассейнов. Очевидно, что площадь поверхности этих линз определяет количество собранного излучения.
Увеличительная способность
Другое популярное применение линз Френеля – увеличение (например, в микроскопах и проекционные объективы). Ограничение на практике накладывает высокий уровень паразитной засветки, присущей всем линзам Френеля, потому эти линзы для эффективного увеличения используются нечасто.
Тем не менее, линзы Френеля по-прежнему остаются относительно недорогим и физически невесомым приспособлением для различных систем солнечного нагрева. Концепция не отличается новизной, однако с развитием технологий изготовления и открытием новых материалов, линзы Френеля точно не утратят своей популярности.
© Edmund Optics Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ
Источник: https://in-science.ru/library/article_post/preimushchestva-linz-frenelya