Τι είναι ο οπτικός φακός Fresnel

Ο φακός Fresnel μειώνει την ποσότητα του υλικού που απαιτείται σε σύγκριση με έναν συμβατικό φακό διαιρώντας το φακό σε ένα σύνολο ομόκεντρων δακτυλιοειδών τμημάτων. Ένας ιδανικός φακός Fresnel θα έχει άπειρο αριθμό τμημάτων. Σε κάθε τμήμα, το συνολικό πάχος μειώνεται σε σύγκριση με έναν ισοδύναμο απλό φακό. Αυτό διαιρεί αποτελεσματικά τη συνεχή επιφάνεια ενός τυπικού φακού σε ένα σύνολο επιφανειών της ίδιας καμπυλότητας, με σταδιακές ασυνέχειες μεταξύ τους.

Σε ορισμένους φακούς, οι καμπύλες επιφάνειες αντικαθίστανται με επίπεδες επιφάνειες, με διαφορετική γωνία σε κάθε τμήμα. Ένας τέτοιος φακός μπορεί να θεωρηθεί ως μια σειρά από πρίσματα διατεταγμένα με κυκλικό τρόπο, με πιο απότομα πρίσματα στις άκρες και ένα επίπεδο ή ελαφρώς κυρτό κέντρο. Στους πρώτους (και μεγαλύτερους) φακούς Fresnel, κάθε τμήμα ήταν στην πραγματικότητα ένα ξεχωριστό πρίσμα. Οι φακοί Fresnel "μονής κομματιών" παράγονται αργότερα, χρησιμοποιήθηκαν για προβολείς αυτοκινήτων, φρένα, στάθμευση και φακούς σήματος, και ούτω καθεξής. Στη σύγχρονη εποχή, οι εκτυπωτές που ελέγχουν τον υπολογιστή (CNC) ή 3-D θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πιο σύνθετων φακών.

Ο σχεδιασμός του φακού Fresnel επιτρέπει μια σημαντική μείωση του πάχους (και επομένως τη μάζα και τον όγκο του υλικού), σε βάρος της μείωσης της ποιότητας απεικόνισης του φακού, γι 'αυτό ακριβείς εφαρμογές απεικόνισης όπως η φωτογραφία συνήθως χρησιμοποιούν μεγαλύτερους συμβατικούς φακούς.

Οι φακοί Fresnel είναι συνήθως κατασκευασμένοι από γυαλί ή πλαστικό. Το μέγεθός τους ποικίλλει από μεγάλες (παλιές ιστορικές φάρους, μέγεθος μετρητή) έως μέσον (βοηθήματα ανάγνωσης βιβλίων, προβολή OHP προβολείς γραφημάτων) σε μικρές οθόνες κάμερας TLR/SLR, μικρο-οπτικές). Σε πολλές περιπτώσεις είναι πολύ λεπτές και επίπεδες, σχεδόν ευέλικτες, με πάχη στην περιοχή 1 έως 5 mm (1/32 έως 3/16 in ).

Οι περισσότεροι σύγχρονοι φακοί Fresnel αποτελούνται μόνο από διαθλαστικά στοιχεία. Οι φακοί του φάρου, ωστόσο, τείνουν να περιλαμβάνουν τόσο διαθλαστικά όσο και αντανακλαστικά στοιχεία, τα τελευταία είναι έξω από τα μεταλλικά δαχτυλίδια που παρατηρούνται στις φωτογραφίες. Ενώ τα εσωτερικά στοιχεία είναι τμήματα διαθλαστικών φακών, τα εξωτερικά στοιχεία αντικατοπτρίζουν τα πρίσματα, καθένα από τα οποία εκτελεί δύο διάθλαση και μία συνολική εσωτερική αντανάκλαση, αποφεύγοντας την απώλεια φωτός που συμβαίνει στην αντανάκλαση από έναν ασημένιο καθρέφτη.

Εφαρμογή

Απεικόνιση

Ένας πλαστικός φακός Fresnel που πωλείται ως συσκευή μεγέθους οθόνης τηλεόρασης

Ο φακός Fresnel που χρησιμοποιείται στη φορητή τηλεόραση CRT Sinclair FTV1, η οποία διευρύνει μόνο την κάθετη όψη της οθόνης

Οι φακοί Fresnel χρησιμοποιούνται ως απλοί μεγεθυντικοί μεγέθους χειρός. Χρησιμοποιούνται επίσης για τη διόρθωση αρκετών οπτικών διαταραχών, συμπεριλαμβανομένων των διαταραχών της οφθαλμικής κινητικότητας όπως ο Strabismus. [14] Οι φακοί Fresnel έχουν χρησιμοποιηθεί για την αύξηση του οπτικού μεγέθους των οθονών CRT σε τηλεοράσεις τσέπης, κυρίως το Sinclair TV80. Χρησιμοποιούνται επίσης στα φανάρια.

Οι φακοί Fresnel χρησιμοποιούνται σε ευρωπαϊκά φορτηγά με αριστερό χέρι που εισέρχονται στο Ηνωμένο Βασίλειο και τη Δημοκρατία της Ιρλανδίας (και αντίστροφα, τα δεξιά ιρλανδικά και τα βρετανικά φορτηγά που εισέρχονται στην ηπειρωτική Ευρώπη) για να ξεπεράσουν τα τυφλά σημεία που προκλήθηκαν από τον οδηγό που λειτουργεί το φορτηγό ενώ Καθισμένος στη λανθασμένη πλευρά της καμπίνας σε σχέση με την πλευρά του δρόμου που βρίσκεται το αυτοκίνητο. Συνδέονται στο παράθυρο της πλευράς επιβατών.

Μια άλλη εφαρμογή αυτοκινήτου ενός φακού Fresnel είναι ένας ενισχυτής οπίσθιας όψης, καθώς η γωνία ευρείας όψης ενός φακού που συνδέεται με το πίσω παράθυρο επιτρέπει την εξέταση της σκηνής πίσω από ένα όχημα, ιδιαίτερα ένα ψηλό ή μπλόφα, πιο αποτελεσματικά από μια οπίσθια όψη καθρέφτης μόνος.

Οι φακοί πολλαπλών φακών Fresnel χρησιμοποιούνται επίσης ως μέρος των φωτογραφικών μηχανών αναγνώρισης αμφιβληστροειδούς, όπου παρέχουν πολλαπλές εικόνες εντός και εκτός εστίασης ενός στόχου σταθεροποίησης μέσα στην κάμερα. Για σχεδόν όλους τους χρήστες, τουλάχιστον μία από τις εικόνες θα είναι στο επίκεντρο, επιτρέποντας έτσι τη σωστή ευθυγράμμιση των ματιών.

Οι φακοί Fresnel έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί στον τομέα της λαϊκής ψυχαγωγίας. Ο βρετανός καλλιτέχνης ροκ Peter Gabriel τους χρησιμοποίησε στις πρώτες του σόλο ζωντανές εμφανίσεις για να μεγεθύνει το μέγεθος του κεφαλιού του, σε αντίθεση με το υπόλοιπο σώμα του, για δραματικό και κωμικό αποτέλεσμα. Στην ταινία Terry Gilliam Βραζιλία, οι πλαστικές οθόνες Fresnel εμφανίζονται φαινομενικά ως μεγιστάνες για τις μικρές οθόνες CRT που χρησιμοποιούνται σε όλα τα γραφεία του Υπουργείου Πληροφοριών. Ωστόσο, εμφανίζονται περιστασιακά μεταξύ των ηθοποιών και της κάμερας, παραμορφώνοντας την κλίμακα και τη σύνθεση της σκηνής με χιουμοριστικό αποτέλεσμα. Το Pixar Movie Wall-E διαθέτει φακό Fresnel στις σκηνές όπου ο πρωταγωνιστής παρακολουθεί το μουσικό Hello, Dolly! μεγεθύνεται σε ένα iPod.

Φωτογραφία

Η Canon και η Nikon έχουν χρησιμοποιήσει φακούς Fresnel για να μειώσουν το μέγεθος των τηλεφακών. Φωτογραφικοί φακοί που περιλαμβάνουν στοιχεία Fresnel μπορεί να είναι πολύ μικρότεροι από τον αντίστοιχο συμβατικό σχεδιασμό του φακού. Η Nikon καλεί την τεχνολογική φάση Fresnel.

Η κάμερα Polaroid SX-70 χρησιμοποίησε έναν ανακλαστήρα Fresnel ως μέρος του συστήματος προβολής του.

Η προβολή και οι κάμερες μεγάλης μορφής μπορούν να χρησιμοποιήσουν φακό Fresnel σε συνδυασμό με το γυαλί του εδάφους, για να αυξήσουν την αντιληπτή φωτεινότητα της εικόνας που προβάλλεται από ένα φακό στο γυαλί του εδάφους, βοηθώντας έτσι την προσαρμογή της εστίασης και της σύνθεσης.

Φωτισμός

Inchkeith lighthouse φακός και μηχανισμός κίνησης

Οι φακοί Fresnel υψηλής ποιότητας χρησιμοποιήθηκαν σε φάρους, όπου θεωρήθηκαν από την τέχνη στα τέλη του 19ου και στα μέσα του 20ου αιώνα. Οι περισσότεροι φάροι έχουν τώρα συνταξιούχους φακούς Fresnel από την υπηρεσία και τους αντικατέστησαν με πολύ λιγότερο δαπανηρές και πιο ανθεκτικές αεροβόνες, οι οποίοι συχνά περιέχουν πλαστικούς φακούς Fresnel. και κάτω από το κεντρικό επίπεδη Fresnel, προκειμένου να πιάσει όλο το φως που εκπέμπεται από την πηγή φωτός. Η φωτεινή διαδρομή μέσω αυτών των στοιχείων μπορεί να περιλαμβάνει μια εσωτερική αντανάκλαση, παρά την απλή διάθλαση στο επίπεδη στοιχείο Fresnel. Αυτοί οι φακοί έδωσαν πολλά πρακτικά οφέλη στους σχεδιαστές, τους οικοδόμους και τους χρήστες των φάρων και τον φωτισμό τους. Μεταξύ άλλων, οι μικρότεροι φακοί θα μπορούσαν να χωρέσουν σε πιο συμπαγείς χώρους. Μεγαλύτερη μετάδοση φωτός σε μεγαλύτερες αποστάσεις και ποικίλα πρότυπα, κατέστησε δυνατή την τριγωνική θέση. [Απαιτείται παραπομπή]

Ίσως η πιο διαδεδομένη χρήση των φακών Fresnel, για κάποιο χρονικό διάστημα, συνέβη στους προβολείς αυτοκινήτων, όπου μπορούν να διαμορφώσουν την κατά προσέγγιση παράλληλη δέσμη από τον παραβολικό ανακλαστήρα για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις για τα πρότυπα βυθισμένης και κύριας δέσμης, συχνά και στα ίδια στην ίδια μονάδα προβολέα (τέτοια ως ευρωπαϊκός σχεδιασμός H4). Για λόγους οικονομίας, βάρους και αντοχής στην κρούση, τα νεότερα αυτοκίνητα έχουν διανεμηθεί με φακούς από γυαλί Fresnel, χρησιμοποιώντας πολύπλευρους ανακλαστήρες με απλούς φακούς πολυανθρακικού. Ωστόσο, οι φακοί Fresnel συνεχίζονται σε ευρεία χρήση στην ουρά αυτοκινήτων, τον δείκτη και τα φώτα αντιστροφής.

Οι φακοί γυαλιού Fresnel χρησιμοποιούνται επίσης σε όργανα φωτισμού για θέατρο και κινηματογραφικές ταινίες (βλ. Fresnel Lantern). Αυτά τα όργανα συχνά ονομάζονται απλά fresnels. Το σύνολο του οργάνου αποτελείται από μεταλλικό περίβλημα, ανακλαστήρα, συγκρότημα λαμπτήρων και φακό Fresnel. Πολλά όργανα Fresnel επιτρέπουν τη μετακίνηση της λάμπας σε σχέση με το εστιακό σημείο του φακού, να αυξήσει ή να μειώσει το μέγεθος της δέσμης φωτός. Ως αποτέλεσμα, είναι πολύ ευέλικτα και μπορούν συχνά να παράγουν μια δέσμη τόσο στενής όσο 7 ° ή τόσο ευρύ όσο 70 ° . Ο φακός Fresnel παράγει μια πολύ μαλακή ακτίνα, έτσι συχνά χρησιμοποιείται ως φως πλύσης. Ένας κάτοχος μπροστά από το φακό μπορεί να κρατήσει ένα χρωματιστό πλαστικό φιλμ (πηκτή) για να χρωματίσει τις οθόνες φωτός ή σύρματος ή παγωμένο πλαστικό για να το διαχέει. Ο φακός Fresnel είναι χρήσιμος στην παραγωγή κινηματογραφικών ταινιών όχι μόνο λόγω της ικανότητάς του να εστιάζει τη δέσμη φωτεινότερη από έναν τυπικό φακό, αλλά και επειδή το φως είναι μια σχετικά συνεπής ένταση σε όλο το πλάτος της δέσμης του φωτός.

Οπτικό σύστημα προσγείωσης στον αμερικανικό αεροσκάφος αεροσκάφη USS Dwight D. Eisenhower

Οι αερομεταφορείς και οι ναυτικοί αέρας συνήθως χρησιμοποιούν φακούς Fresnel στα συστήματα οπτικής προσγείωσης. Το φως "meatball" βοηθά τον πιλότο στη διατήρηση της κατάλληλης κλίσεως για την προσγείωση. Στο κέντρο υπάρχουν κεχριμπάρι και κόκκινα φώτα που αποτελούνται από φακούς Fresnel. Αν και τα φώτα είναι πάντα αναμμένα, η γωνία του φακού από την άποψη του πιλότου καθορίζει το χρώμα και τη θέση του ορατού φωτός. Εάν τα φώτα εμφανίζονται πάνω από το πράσινο οριζόντιο μπαρ, ο πιλότος είναι πολύ υψηλός. Εάν είναι κάτω, ο πιλότος είναι πολύ χαμηλός και αν τα φώτα είναι κόκκινα, ο πιλότος είναι πολύ χαμηλός. [Απαιτείται παραπομπή

Προβολή

Η χρήση των φακών Fresnel για προβολή εικόνας μειώνει την ποιότητα της εικόνας, έτσι ώστε να τείνουν να εμφανίζονται μόνο όταν η ποιότητα δεν είναι κρίσιμη ή όπου το μεγαλύτερο μέρος ενός στερεού φακού θα ήταν απαγορευτική. Φτηνές φακοί Fresnel μπορούν να σφραγιστούν ή να διαμορφωθούν με διαφανές πλαστικό και χρησιμοποιούνται σε εναέριους προβολείς και τηλεοράσεις προβολής.

Οι φακοί Fresnel διαφορετικών εστιακών μήκους (ένας συλλέκτης και ένας συλλέκτης) χρησιμοποιούνται σε εμπορική και DIY προβολή. Ο φακός του συσσωρευτή έχει το χαμηλότερο εστιακό μήκος και τοποθετείται πιο κοντά στην πηγή φωτός και ο φακός συλλέκτη, ο οποίος εστιάζει το φως στον τριπλό φακό, τοποθετείται μετά την εικόνα προβολής (ενεργός πίνακας LCD Matrix σε προβολείς LCD). Οι φακοί Fresnel χρησιμοποιούνται επίσης ως καταφύγια σε προβολείς εναέριας κεφαλής.

Ηλιακή ενέργεια

Δεδομένου ότι οι πλαστικοί φακοί Fresnel μπορούν να γίνουν μεγαλύτεροι από τους γυάλινους φακούς, καθώς και να είναι πολύ φθηνότερα και ελαφρύτερα, χρησιμοποιούνται για να συγκεντρωθούν το ηλιακό φως για θέρμανση σε ηλιακές κουζίνες, σε ηλιακά σφυρηλάτηση και σε ηλιακούς συλλέκτες που χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση του νερού για οικιακή χρήση. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ατμού ή για την τροφοδοσία ενός κινητήρα Stirling.

Οι φακοί Fresnel μπορούν να συγκεντρώσουν το φως του ήλιου σε ηλιακά κύτταρα με αναλογία σχεδόν 500: 1. [19] Αυτό επιτρέπει τη μείωση της επιφάνειας του ενεργού ηλιακού κυττάρου, μειώνοντας το κόστος και επιτρέποντας τη χρήση πιο αποδοτικών κυττάρων που διαφορετικά θα ήταν υπερβολικά δαπανηρά. Στις αρχές του 21ου αιώνα, οι ανακλαστήρες Fresnel άρχισαν να χρησιμοποιούνται για να συγκεντρωθούν φυτά συγκέντρωσης ηλιακής ενέργειας (CSP) για να συγκεντρωθούν η ηλιακή ενέργεια.

Οι φακοί Fresnel μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πυρκαγιά άμμο, επιτρέποντας 3D εκτύπωση σε γυαλί.