Fresnel mercek - Fresnel lens

Paris'teki Musée National de la Marine'de sergilenen, 1870 tarihli birinci dereceden dönen katadioptrik Fresnel lens . Bu durumda, diyoptrik prizmalar (bronz halkaların içinde) ve katadioptrik prizmalar (dış), denizciler tarafından devir başına dört flaş olarak görülen, merkezi lambadan gelen ışığı dört döner ışına yoğunlaştırmak için düzenlenmiştir. Montaj 2,54 metre boyunda ve yaklaşık 1,5 ton ağırlığında.

Bir Fresnel lens ( / f r eɪ . N ɛ l , - N əl / FRAY -nel, -⁠nəl ; / f r ɛ n . Ɛ l , - əl / FREN -el, -⁠əl ; / f r eɪ n ɛ l / fray- NEL veya / f r ɛ z . n əl/ FREZ -nəl ),Fransız fizikçiAugustin-Jean Fresnel(1788–1827) tarafındandeniz fenerlerindekullanılmak üzeregeliştirilmişbir tür kompozit kompaktlenstir. "Bir milyon gemiyi kurtaran buluş" olarak adlandırıldı.

Tasarım , geleneksel tasarımlı bir lensin ihtiyaç duyacağı malzeme kütlesi ve hacmi olmaksızın geniş diyafram açıklığına ve kısa odak uzaklığına sahip lenslerin yapımına izin verir . Bir Fresnel lens, bazı durumlarda düz bir levha şeklini alarak, karşılaştırılabilir geleneksel lenslerden çok daha ince yapılabilir. Lensin daha basit diyoptrik (tamamen refraktif) formu ilk olarak Count Buffon tarafından önerildi ve bağımsız olarak Fresnel tarafından yeniden icat edildi. Katadioptrik tamamen Fresnel tarafından icat lensin şekli, kullanımı, dış elemanlar vardır toplam iç yansıma kırılma yanı sıra; bir ışık kaynağından daha eğik ışık yakalayabilir ve onu bir deniz fenerinin ışınına ekleyerek ışığın daha uzak mesafelerden görünmesini sağlayabilir.

Açıklama

1: Buffon/Fresnel merceğin kesiti. 2: Eşdeğer güçteki geleneksel düz-dışbükey merceğin kesiti . (Buffon'un versiyonu bikonveksti .)
Düz bir Fresnel merceğinin yakından görünümü, yüzeydeki eşmerkezli daireleri gösterir

Fresnel lens, lensi bir dizi eşmerkezli dairesel bölüme ayırarak geleneksel bir lense kıyasla gereken malzeme miktarını azaltır. İdeal bir Fresnel lensi sonsuz sayıda bölüme sahip olacaktır. Her bölümde, eşdeğer bir basit merceğe kıyasla toplam kalınlık azaltılır. Bu, standart bir merceğin sürekli yüzeyini, aralarında adım adım süreksizliklerle aynı eğriliğe sahip bir dizi yüzeye etkili bir şekilde böler.

Bazı lenslerde kavisli yüzeyler, her bölümde farklı bir açıyla düz yüzeylerle değiştirilir. Böyle bir mercek, kenarlarında daha dik prizmalar ve düz veya hafif dışbükey bir merkez ile dairesel bir şekilde düzenlenmiş bir dizi prizma olarak kabul edilebilir. İlk (ve en büyük) Fresnel lenslerinde, her bölüm aslında ayrı bir prizmaydı. 'Tek parça' Fresnel lensleri daha sonra üretildi ve otomobil farları, fren, park ve dönüş sinyali lensleri vb. için kullanıldı. Modern zamanlarda, daha karmaşık lensler üretmek için bilgisayar kontrollü freze ekipmanı (CNC) veya 3 boyutlu yazıcılar kullanılabilir.

Fresnel lens tasarımı, lensin görüntüleme kalitesini düşürme pahasına kalınlıkta (ve dolayısıyla malzeme kütlesinde ve hacminde) önemli bir azalmaya izin verir, bu nedenle fotoğrafçılık gibi hassas görüntüleme uygulamalarında genellikle daha büyük geleneksel lensler kullanılır.

Fresnel lensler genellikle cam veya plastikten yapılır; boyutları büyük (eski tarihi deniz fenerleri, metre boyutu) ile orta (kitap okuma yardımcıları, OHP görüntü projektörleri) ve küçük ( TLR / SLR kamera ekranları, mikro optikler) arasında değişir . Çoğu durumda çok ince ve düzdürler, neredeyse esnektirler ve kalınlıkları 1 ila 5 mm ( 1 ⁄ 32 ila 3 ⁄ 16  inç) aralığındadır.

Modern Fresnel lenslerinin çoğu yalnızca kırılma elemanlarından oluşur. Bununla birlikte, deniz feneri mercekleri, hem kırılma hem de yansıtma elemanları içerme eğilimindedir, ikincisi , fotoğraflarda görülen metal halkaların dışındadır . İç elemanlar kırıcı merceklerin bölümleri iken, dış elemanlar, her biri iki kırılma ve bir toplam iç yansıma gerçekleştiren ve gümüşlenmiş bir aynadan yansımada oluşan ışık kaybını önleyen yansıtıcı prizmalardır .

Deniz feneri lens boyutları

Makapuu Nokta Işık
Cape Meares Deniz Feneri ; birinci dereceden Fresnel lens

Fresnel dört bölünmüş fener lenslerin altı boyutları, dizayn emir büyüklüklerine ve fokal uzunluğuna bağlı. Modern kullanımda, bunlar birinciden altıncı sıraya kadar sınıflandırılır. Üçüncü ve dördüncü mertebe arasında bir ara ebat ve birinci mertebeden büyük ve altıncı mertebeden küçük ebatlar sonradan eklenmiştir.

Birinci dereceden bir lensin odak uzaklığı 920 mm'dir ( 36+1 ⁄ 4  inç) ve yaklaşık 2,59 m (8 ft 6 inç) yüksekliğinde ve 1,8 m (6 ft) genişliğindedir. En küçük (altıncı) düzen 150 mm (6 inç) odak uzaklığına ve 433 mm ( 17 ) yüksekliğe sahiptir.+1 ⁄ 16  inç).

En büyük Fresnel lenslerine hiperradyan (veya hiper-radyal) denir . Hawaii'deki Makapuu Point Light'ı inşa etmeye ve donatmaya karar verildiğinde böyle bir lens hazırdı . Yeni bir lens sipariş etmek yerine, burada 3,7 metre (12 ft) yüksekliğinde ve binden fazla prizmaya sahip devasa optik yapı kullanıldı.

Deniz feneri lens siparişleri
Emir Odak uzaklığı 
(mm) 		Yükseklik
(m) 		İlk yüklenen
Sekizinci
Yedinci
Altıncı 150 0.433
Beşinci 187.5 0,541
Dördüncü 250 0.722
3+1 ⁄ 2 375
Üçüncü 500 1.576 1825
İkinci 700 2.069
Öncelikle 920 2.59 1823
mezoradyal 1125
hiper-radyal 1330 1887

Türler

İki ana Fresnel lens türü vardır: görüntüleme ve görüntüleme dışı . Görüntüleme Fresnel lensleri, kavisli kesitlere sahip segmentler kullanır ve keskin görüntüler üretirken, görüntüleme dışı lensler düz kesitli segmentlere sahiptir ve keskin görüntüler üretmez. Segment sayısı arttıkça, iki lens türü birbirine daha çok benzer hale gelir. Sonsuz sayıda segmentin soyut durumunda, eğri ve düz segmentler arasındaki fark ortadan kalkar.

görüntüleme

Küresel
Küresel bir Fresnel lens, her biri bir kürenin parçası olan ve tümü ışığı tek bir noktaya odaklayan halka şeklindeki segmentleri kullanan basit bir küresel merceğe eşdeğerdir . Bu lens türü, çıkıntıların kenarlarındaki kırınım nedeniyle eşdeğer basit küresel lens kadar net olmasa da keskin bir görüntü üretir.
Silindirik
Silindirik bir Fresnel lens, ışığı tek bir çizgiye odaklayan dairesel kesitli düz segmentler kullanan basit bir silindirik lense eşdeğerdir . Bu tip, çıkıntıların kenarlarındaki kırınım nedeniyle eşdeğer basit silindirik lens kadar net olmasa da keskin bir görüntü üretir.

Görüntüleme dışı

Yer
Görüntüleme yapmayan bir nokta Fresnel lensi, dairesel yaylar yerine düz çizgiler olan enine kesitlere sahip halka şeklindeki segmentleri kullanır. Böyle bir lens ışığı küçük bir noktaya odaklayabilir, ancak keskin bir görüntü üretmez. Bu lensler, güneş ışığını bir güneş paneline odaklamak gibi güneş enerjisi uygulamalarına sahiptir. Fresnel lensler, Köhler aydınlatma optiklerinin bileşenleri olarak kullanılabilir ve bu da çok etkili görüntüleme dışı optikler ile sonuçlanır Fresnel-Köhler (FK) güneş yoğunlaştırıcıları.
Doğrusal
Görüntüleme yapmayan bir lineer Fresnel lens, enine kesitleri yaylardan ziyade düz çizgiler olan düz segmentler kullanır. Bu lensler ışığı dar bir bantta odaklar. Keskin bir görüntü üretmezler, ancak güneş ışığını bir boruya odaklamak, içindeki suyu ısıtmak gibi güneş enerjisinde kullanılabilirler.

kullanır

görüntüleme

TV ekranı büyütme cihazı olarak satılan plastik bir Fresnel lens
Sinclair FTV1 taşınabilir CRT TV'de kullanılan ve yalnızca ekranın dikey yönünü büyüten Fresnel lens

Fresnel lensler basit el büyüteçleri olarak kullanılır . Ayrıca şaşılık gibi oküler motilite bozuklukları da dahil olmak üzere çeşitli görme bozukluklarını düzeltmek için kullanılırlar . Cep televizyonlarında , özellikle de Sinclair TV80'de CRT ekranların görsel boyutunu artırmak için Fresnel lensler kullanılmıştır . Trafik ışıklarında da kullanılırlar .

Fresnel lensler , Birleşik Krallık ve İrlanda Cumhuriyeti'ne giren soldan direksiyonlu Avrupa kamyonlarında (ve tam tersi, sağdan direksiyonlu İrlandalı ve anakara Avrupa'ya giren İngiliz kamyonlarında), sürücünün kamyonu çalıştırırken neden olduğu kör noktaların üstesinden gelmek için kullanılır. arabanın bulunduğu yolun kenarına göre kabinin yanlış tarafında oturmak. Yolcu tarafındaki pencereye takılırlar.

Bir Fresnel merceğin bir başka otomobil uygulaması , arka cama takılan bir merceğin geniş görüş açısı , bir aracın, özellikle uzun veya blöf kuyruklu olanın arkasındaki sahneyi, bir arka görüşten daha etkili bir şekilde incelemeye izin verdiğinden, bir arka görüş geliştiricisidir. ayna yalnız.

Çok odaklı Fresnel lensler aynı zamanda retina tanımlama kameralarının bir parçası olarak kullanılır ve burada kamera içindeki bir sabitleme hedefinin birden fazla odak içi ve odak dışı görüntüsü sağlanır. Hemen hemen tüm kullanıcılar için, görüntülerden en az biri odakta olacak ve böylece doğru göz hizalaması sağlanacaktır.

Popüler eğlence alanında da Fresnel lensler kullanılmıştır. İngiliz rock sanatçısı Peter Gabriel , dramatik ve komik bir etki için, vücudunun geri kalanının aksine kafasının boyutunu büyütmek için erken solo canlı performanslarında bunları kullandı. In Terry Gilliam filmi Brezilya , plastik Fresnel ekranlar Enformasyon Bakanlığı ofisleri boyunca kullanılan küçük CRT monitörler için büyüteç olarak görünüşte görünür. Ancak, zaman zaman oyuncularla kamera arasında belirerek sahnenin ölçeğini ve kompozisyonunu mizahi bir etki yaratacak şekilde bozarlar. Pixar filmi Wall-E kahramanı müzikal saatler sahnelerde bir Fresnel lens özellikleri Hello, Dolly! iPod'da büyütülmüş .

Fotoğrafçılık

Canon ve Nikon , telefoto lenslerin boyutunu küçültmek için Fresnel lensleri kullandı. Fresnel öğeleri içeren fotoğrafik lensler, karşılık gelen geleneksel lens tasarımından çok daha kısa olabilir. Nikon bu teknolojiye Phase Fresnel adını veriyor .

Polaroid SX-70 kamera kendi görüş sisteminin bir parçası olarak bir Fresnel reflektör kullanılır.

Görünüm ve geniş formatlı kameralar, bir lens tarafından buzlu cama yansıtılan görüntünün algılanan parlaklığını artırmak için buzlu cam ile birlikte bir Fresnel lens kullanabilir ve böylece odak ve kompozisyonun ayarlanmasına yardımcı olabilir.

Aydınlatma

Inchkeith deniz feneri lensi ve tahrik mekanizması

Yüksek kaliteli cam Fresnel lensler, 19. yüzyılın sonları ve 20. yüzyılın ortalarına kadar son teknoloji olarak kabul edilen deniz fenerlerinde kullanıldı; Çoğu deniz feneri artık cam Fresnel lensleri hizmetten kaldırmış ve bunların yerine , genellikle plastik Fresnel lensleri içeren çok daha ucuz ve daha dayanıklı aerobeacon'lar almıştır . Lighthouse Fresnel lens sistemleri tipik olarak, ışık kaynağından yayılan tüm ışığı yakalamak için merkezi düzlemsel Fresnel'in üstünde ve altında yönlü kubbeler halinde dizilmiş ekstra dairesel prizmatik elemanlar içerir . Bu elemanlardan geçen ışık yolu , düzlemsel Fresnel elemanındaki basit kırılma yerine bir iç yansıma içerebilir . Bu lensler, deniz feneri ve aydınlatma tasarımcılarına, inşaatçılarına ve kullanıcılarına birçok pratik fayda sağladı. Diğer şeylerin yanı sıra, daha küçük lensler daha kompakt alanlara sığabilir. Daha uzun mesafelerde daha fazla ışık iletimi ve çeşitli desenler, bir konumu üçgenlemeyi mümkün kıldı.

Bir süre için Fresnel lenslerinin belki de en yaygın kullanımı , genellikle aynı far ünitesinde (örneğin, aynı far ünitesinde) kısa ve uzun huzme düzenleri için gereksinimleri karşılamak için parabolik reflektörden kabaca paralel huzmeyi şekillendirebildikleri otomobil farlarında meydana geldi. Avrupa H4 tasarımı olarak). Ekonomi, ağırlık ve darbe dayanımı nedenleriyle, daha yeni otomobillerde düz polikarbonat lensli çok yönlü reflektörler kullanan cam Fresnel lensler kullanılmadı . Bununla birlikte, Fresnel lensler otomobil kuyruk, işaretleyici ve geri vites ışıklarında yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir.

Cam Fresnel lensler ayrıca tiyatro ve sinema filmlerinin aydınlatma araçlarında da kullanılır (bkz. Fresnel fener ); bu tür enstrümanlara genellikle basitçe Fresnel denir . Enstrümanın tamamı metal bir mahfaza, bir reflektör, bir lamba tertibatı ve bir Fresnel lensten oluşur. Birçok Fresnel aleti , ışık huzmesinin boyutunu artırmak veya azaltmak için lambanın merceğin odak noktasına göre hareket etmesine izin verir . Sonuç olarak, çok esnektirler ve genellikle 7° kadar dar veya 70° kadar geniş bir kiriş üretebilirler. Fresnel lens çok yumuşak kenarlı bir ışın üretir, bu nedenle genellikle yıkama ışığı olarak kullanılır. Lensin önündeki bir tutucu , ışığı renklendirmek için renkli bir plastik film ( jel ) veya yaymak için tel ekranlar veya buzlu plastik tutabilir . Fresnel merceği, yalnızca ışını tipik bir mercekten daha parlak odaklama yeteneğinden dolayı değil, aynı zamanda ışığın, ışık huzmesinin tüm genişliği boyunca nispeten tutarlı bir yoğunlukta olması nedeniyle hareketli görüntü yapımında kullanışlıdır.

ABD Donanması uçak gemisi USS Dwight D. Eisenhower'a optik iniş sistemi

Uçak gemileri ve deniz hava istasyonları, optik iniş sistemlerinde tipik olarak Fresnel lensleri kullanır . "Köfte" ışığı, pilotun iniş için uygun süzülme eğimini korumasına yardımcı olur. Merkezde Fresnel lenslerden oluşan kehribar ve kırmızı ışıklar var. Işıklar her zaman açık olmasına rağmen, pilotun bakış açısından merceğin açısı, görünür ışığın rengini ve konumunu belirler. Işıklar yeşil yatay çubuğun üzerinde görünüyorsa, pilot çok yüksektir. Aşağıda ise pilot çok düşük, ışıklar kırmızı ise pilot çok düşük.

Projeksiyon

Görüntü projeksiyonu için Fresnel lenslerin kullanılması görüntü kalitesini düşürür, bu nedenle yalnızca kalitenin kritik olmadığı veya katı bir lensin büyük kısmının yasak olduğu durumlarda ortaya çıkma eğilimindedirler. Ucuz Fresnel lensleri şeffaf plastikten damgalanabilir veya kalıplanabilir ve tepegöz ve projeksiyon televizyonlarında kullanılır .

Ticari ve DIY projeksiyonda farklı odak uzunluklarına sahip (bir kolimatör ve bir toplayıcı) Fresnel lensleri kullanılır . Kolimatör mercek daha düşük odak uzaklığına sahiptir ve ışık kaynağına daha yakın yerleştirilir ve ışığı üçlü merceğe odaklayan toplayıcı mercek, projeksiyon görüntüsünden sonra yerleştirilir ( LCD projektörlerde aktif bir matris LCD panel ). Fresnel lensler ayrıca tepegöz projektörlerinde kolimatör olarak kullanılır .

Güneş enerjisi

Plastik Fresnel lensler, cam lenslerden daha büyük yapılabildiğinden, çok daha ucuz ve daha hafif olduklarından, güneş ocaklarında , güneş ocaklarında ve evsel kullanım için suyu ısıtmak için kullanılan güneş kollektörlerinde ısıtma için güneş ışığını yoğunlaştırmak için kullanılırlar. Ayrıca buhar üretmek veya bir Stirling motoruna güç sağlamak için de kullanılabilirler .

Fresnel lensler, güneş ışığını neredeyse 500:1 oranında güneş pillerine konsantre edebilir . Bu, aktif güneş pili yüzeyinin azaltılmasına, maliyetin düşmesine ve aksi takdirde çok pahalı olacak daha verimli hücrelerin kullanılmasına izin verir. 21. yüzyılın başlarında, Fresnel reflektörleri, güneş enerjisini yoğunlaştırmak için güneş enerjisi (CSP) tesislerini yoğunlaştırmada kullanılmaya başlandı . Bir uygulama, Hunter Valley Australia'daki kömürle çalışan Liddell Elektrik Santralinde suyu ön ısıtmaktı .

Fresnel lensler, kumu sinterlemek için kullanılabilir ve camda 3D baskıya izin verir .

Tarih

öncüler

Augustin-Jean Fresnel , bir deniz feneri ışınına lens kullanarak odaklanan ilk kişi değildi. Görünüşe göre bu ayrım, fikri 1788'de Trinity House'a öneren Londralı cam ustası Thomas Rogers'a ait . İlk Rogers lensleri, 53 cm çapında ve 14 cm kalınlığında , Portland Bill'deki Old Lower Lighthouse'a yerleştirildi . Her lambanın arkasında, arkadan gelen radyasyonu lambadan merceğe geri yansıtan, arkası kaplanmış küresel bir cam ayna vardı. 1804 yılına kadar Howth Baily , North Foreland ve en az dört diğer lokasyona daha fazla numune yerleştirildi. Ancak ışığın çoğu camda absorpsiyonla boşa harcandı.

Fresnel, ağırlığı ve emilimi azaltmak için bir dışbükey merceğin bir dizi eşmerkezli dairesel prizmayla değiştirilmesini öneren ilk kişi de değildi . 1748'de Count Buffon , bu tür prizmaların tek bir cam parçasında basamaklar olarak öğütülmesini önerdi. 1790'da (ikincil kaynaklar 1773 veya 1788 olarak tarih vermekle birlikte), Marquis de Condorcet , halka şeklindeki bölümleri ayrı ayrı yapmanın ve bir çerçeve üzerinde birleştirmenin daha kolay olacağını öne sürdü; ama o zaman bu bile pratik değildi. Bu tasarımlar deniz fenerleri için değil, cam yakmak için tasarlandı . Ancak David Brewster , 1811'de Condorcet'inkine benzer bir sistem önerdi ve 1820'de İngiliz deniz fenerlerinde kullanılmasını savunuyordu.

Fresnel'in katkıları

Fransız Komisyonu des Phares (Deniz Fenerleri Komisyonu), 1811'de Napolyon tarafından kurulmuş ve Fresnel'in işvereni Köprüler ve Yollar Birliği'nin yetkisi altına girmiştir. Komisyon üyeleri başka türlü meşgul olduklarından, ilk yıllarında çok az şey başardı. Fakat 21 Haziran 1819'da - kırınım üzerine ünlü anıları nedeniyle Bilimler Akademisi Fizik Grand Prix'sini kazandıktan üç ay sonra -Fresnel, François Arago'nun ( 1813'ten beri üye) tavsiyesi üzerine komisyona "geçici olarak" atanmıştı. deniz feneri aydınlatmasında olası iyileştirmeler.

Ağustos 1819'un sonunda, Buffon-Condorcet-Brewster önerisinden habersiz, Fresnel komisyona ilk sunumunu yaptı ve o sırada kullanımda olan reflektörleri değiştirmek için lentilles à échelons (adımlarla lensler) adını verdiği şeyi tavsiye etti. olay ışığının yarısı. Toplanan komisyon üyelerinden biri olan Jacques Charles , Fresnel'i utandıracak şekilde, Buffon'un önerisini hatırladı. Ancak, Buffon'un versiyonu bikonveks ve tek parça iken , Fresnel'inki plano-dışbükeydi ve daha kolay inşaat için birden fazla prizmadan yapıldı. 500 franklık resmi bir bütçeyle Fresnel, üç üreticiye yaklaştı. Üçüncüsü, François Soleil, camı yeniden ısıtarak ve yeniden kalıplayarak kusurları gidermenin bir yolunu buldu. Arago, Fresnel'e eşmerkezli fitiller (Fresnel'in Kont Rumford'a atfedilen bir kavram) ile modifiye edilmiş bir Argand lambasının tasarımında yardımcı oldu  ve yanlışlıkla balık tutkalının ısıya dayanıklı olduğunu keşfetti ve bu da onu lenste kullanıma uygun hale getirdi. Mart 1820'de tamamlanan prototip, 55 cm'lik bir kenarda 97 poligonal (dairesel olmayan) prizma içeren kare bir lens paneline sahipti ve Komisyonu o kadar etkiledi ki Fresnel'den tam sekiz panelli bir versiyon istendi. Yetersiz finansmana rağmen bir yıl sonra tamamlanan bu model, 76 cm kare panellere sahipti. 13 Nisan 1821 akşamı halka açık bir gösteride, birdenbire eski haline getirdiği en yeni yansıtıcılarla karşılaştırılarak gösterildi.

Bu gösteriden kısa bir süre sonra Fresnel, görünüşte polarize olmayan ışık da dahil olmak üzere ışığın yalnızca enine dalgalardan oluştuğu fikrini yayınladı ve çift ​​kırılma ve kısmi yansıma için çıkarımları düşünmeye devam etti .

Fresnel, 29 Temmuz 1822'de okunan ve aynı yıl basılan bir anı kitabında İngiliz lenslerini ve Buffon'un icadını kabul etti. O anıların tarihi, Fresnel'in deniz feneri savunuculuğunun Brewster'ınkinden iki yıl sonra başladığı iddiasının kaynağı olabilir; ancak metin, Fresnel'in katılımının en geç 1819'da başladığını açıkça ortaya koyuyor.

Birinci nesil Fresnel deniz feneri merceğinin enine kesiti , kırılma panelinin RC üstünde ve altında  eğimli aynalar  m, n (merkezi segment  A ile ). Tasarım daha sonra kayıpları azaltmak için aynaları yansıtıcı prizmalarla değiştirerek geliştirildi. L lambasından geçen her dikey düzlemdeki kesit  aynıysa (silindirik simetri), ışık ufukta eşit olarak yayılır.

Fresnel'in bir sonraki merceği, Saint-Gobain tarafından dairesel yaylar halinde yapılmış ve denizciler tarafından periyodik bir flaş olarak görülebilecek sekiz dönen ışın veren sekiz "boğa gözü" panelli dönen bir cihazdı. Her ana panelin üstünde ve arkasında daha küçük, eğimli, trapezoidal elemanlara sahip yamuk dış hatlı bir boğa gözü paneli vardı. Bu, ışığı eğimli bir düzlem aynaya kırdı, bu da daha sonra onu yatay olarak ana huzmenin 7 derece önünde yansıtarak flaşın süresini artırdı. Ana panellerin altında, bir panjur veya jaluzi çıtaları gibi üst üste dizilmiş, dört halka halinde düzenlenmiş 128 küçük ayna vardı . Kesik bir koni biçimindeki her halka, ışığı ufka yansıtarak, flaşlar arasında daha sönük, sabit bir ışık verdi. 20 Ağustos 1822'de bitmemiş Zafer Takı'nda gerçekleştirilen resmi test, Komisyon ve Louis XVIII ve çevresi tarafından 32 kilometre (20 mil) uzaklıktan tanık oldu . Cihaz kış için Bordeaux'da saklandı ve daha sonra Cordouan Deniz Feneri'nde Fresnel'in gözetimi altında kısmen Fresnel'in kendi elleriyle yeniden monte edildi . 25 Temmuz 1823'te dünyanın ilk deniz feneri Fresnel lensi yakıldı. Beklendiği gibi, ışık ufka kadar görülebiliyordu, 32 kilometreden (20 mil) daha fazla.

Paris'teki Cordouan merceğinin testinden bir gün önce, Bilimler Akademisi'nin bir komitesi, Fresnel'in anıları ve çift kırılma hakkındaki ekleri hakkında rapor verdi; ışığın dalga teorisi için. Cordouan'daki test ve yeniden birleştirme arasında Fresnel, fotoelastisite (16 Eylül 1822), eliptik ve dairesel polarizasyon ve optik rotasyon (9 Aralık) ve kısmi yansıma ve toplam iç yansıma (7 Ocak 1823) üzerine makalelerini sundu ve esasen yeniden yapılandırmasını tamamladı. ve fiziksel optik ile ilgili enine dalga hipotezi. Cordouan lensi yandıktan kısa bir süre sonra, Fresnel kan tükürmeye başladı.

Mayıs 1824'te Fresnel, Komisyon des Phares Sekreteri'ne terfi etti ve aynı anda Baş Mühendis rolünde de olsa, bu kurumun maaş alan ilk üyesi oldu. O yılın sonlarında, giderek daha fazla hastalandığından, temel araştırmalarını kısıtladı ve deniz feneri işine kalan zamanını ve enerjisini kurtarmak için Ecole Polytechnique'de müfettiş olarak mevsimlik işinden istifa etti .

Aynı yıl, ışığı ufukta eşit bir şekilde dağıtırken, yukarıda veya aşağıda israfı en aza indirmek için ilk sabit merceği tasarladı . İdeal olarak, kavisli kırılma yüzeyleri, ortak bir dikey eksen etrafındaki toroidlerin segmentleri olacaktır , böylece diyoptrik panel silindirik bir tambur gibi görünecektir. Bu, kırılma (dioptrik) kısımların üstünde ve altında yansıtıcı ( katoptrik ) halkalarla desteklenirse , tüm aparat bir arı kovanı gibi görünecektir. Hizmete giren ikinci Fresnel lens gerçekten de 1 Şubat 1825'te Dunkirk'te kurulan üçüncü dereceden sabit bir lensti. Bununla birlikte, büyük toroidal prizmalar üretmenin zorluğu nedeniyle, bu aparat 16 kenarlı çokgen bir plana sahipti.

1825'te Fresnel, sabit dizinin dışına dönen bir dizi ekleyerek sabit lens tasarımını genişletti. Dönen dizinin her paneli, sabit ışığın bir kısmını yatay bir fandan dar bir ışına kıracaktı.

Yine 1825'te Fresnel , "siparişler" (ilk en büyük olan) olarak adlandırılan mercek boyutları hiyerarşisinde 51 deniz feneri ve daha küçük liman ışıklarından oluşan bir sistem çağrısında bulunan Carte des Phares'i (Deniz Feneri Haritası) açıkladı. tanıma: sabit bir ışık (sabit bir mercekten), dakikada bir flaş (sekiz panelli dönen bir mercekten) ve dakikada iki (on altı panel).

1825'in sonlarında, yansıtıcı elemanlardaki ışık kaybını azaltmak için Fresnel, her aynayı, ışığın birinci yüzeyden kırılma yoluyla geçeceği, ardından ikinci yüzeyden toplam iç yansıma ve ardından kırılma yoluyla geçeceği bir katadioptrik prizma ile değiştirmeyi önerdi. üçüncü yüzey boyunca. Sonuç, şimdi bildiğimiz şekliyle deniz feneri merceğiydi. 1826'da Canal Saint-Martin'de kullanmak için küçük bir model kurdu , ancak tam boyutlu bir versiyonunu göremedi: 14 Temmuz 1827'de 39 yaşında öldü.

Fresnel'den sonra

Augustin Fresnel'in ölümünden sonra deniz feneri lenslerinin gelişiminin ilk aşaması, tasarımlarının uygulanmasından oluşuyordu. Bu kısmen, Augustin gibi inşaat mühendisi olarak eğitilmiş, ancak Augustin'in aksine, yönetim için güçlü bir yeteneğe sahip olan küçük kardeşi Léonor tarafından yönlendirildi. Léonor, 1825'te Deniz Feneri Komisyonu'nun hizmetine girdi ve Augustin'in yerine Sekreter olarak devam etti.

Toroidal prizmalar ile yapılan ilk sabit lens, İskoç mühendis Alan Stevenson tarafından Léonor Fresnel'in rehberliğinde tasarlanan ve Isaac Cookson & Co. tarafından Fransız cam kullanılarak üretilen birinci dereceden bir cihazdı; 22 Eylül 1836'da İskoçya'nın Mayıs Adası'nda hizmete girdi . İlk büyük katadioptrik mercekler 1842'de Gravelines ve Île Vierge , Fransa'daki deniz fenerleri için yapıldı ; bunlar, katadioptrik halkaları (segmentler halinde yapılmış) bir metre çapında olan sabit üçüncü dereceden lenslerdi. Stevenson'ın 1844'te yanan birinci dereceden Skerryvore lensi yalnızca kısmen katadioptrikti; Alt çıtaların yerini Fransız yapımı katadioptrik prizmaların alması ve aynaların üstte tutulması dışında Cordouan lensine benziyordu. 1852'de Pointe d'Ailly'de kurulan ilk tam katadioptrik birinci dereceden lens de sekiz döner ışın artı altta sabit bir ışık verdi; ancak üst kısmında, flaşları uzatmak için ışığı ana huzmelerin yaklaşık 4 derece ilerisine odaklayan sekiz katadioptrik panel vardı. Tamamen döner kirişlere sahip ilk tam katadioptrik lens - yine birinci dereceden - 1854'te Saint-Clément-des-Baleines'e kuruldu ve Augustin Fresnel'in orijinal Carte des Phares'inin tamamlandığını gösterdi .

Thomas Stevenson (Alan'ın küçük kardeşi), lambanın yaydığı ışığı ileri veya geri, tek bir ışın halinde neredeyse her yöne odaklayan "holofotal" lensiyle Fresnel'in bir adım ötesine geçti. 1849'da açıklanan ilk versiyon, standart bir Fresnel boğa gözü merceğinden, bir paraboloidal reflektörden ve bir arka yarım küre reflektörden (işlevsel olarak 60 yıl önceki Rogers aynasına eşdeğer, ancak bütün bir yarım küreyi kapsaması dışında) oluşuyordu. Ön yarıküreye yayılan ışık, ancak boğa gözü merceğinin eksikliği, paraboloid tarafından boğa gözü merceğini çevreleyen paralel bir ışına yönlendirilirken, arka yarıküreye yayılan ışık, küresel reflektör tarafından lambadan geri yansıtıldı (Rogers'de olduğu gibi). ' düzenlemesi), ileri bileşenler tarafından toplanacak. İlk ünite, Ağustos 1849'da Peterhead , North Harbour'da kuruldu. Stevenson, bu versiyona "katadioptrik holofot" adını verdi, ancak öğelerinin her biri ya tamamen yansıtıcı ya da tamamen kırıcıydı. Holopot kavramının ikinci versiyonunda, boğa gözü lensi ve paraboloidal reflektör, Fresnel tarafından tasarlandığı gibi katadioptrik bir Fresnel lens ile değiştirildi, ancak tüm ön yarıküreyi kapsayacak şekilde genişletildi. Stevenson'ın kafa karıştırıcı bir şekilde "dioptrik holofot" olarak adlandırdığı üçüncü versiyon daha yenilikçiydi: ön yarım küre için katadioptrik Fresnel lensi korudu, ancak arka yarım küre reflektörünü, her biri iki toplam iç kullanılan yarım küre dairesel prizma dizisiyle değiştirdi. yarım kürenin merkezinden uzaklaşan ışığı tekrar merkeze döndürmek için yansımalar. Sonuç, metalik yansımalardan hiçbir kayıp olmayan, tamamı cam bir holofottu.

James Timmins Chance, Thomas Stevenson'ın tamamen camdan oluşan holofotal tasarımını, çift yansıtıcı prizmaları dikey bir eksen etrafında düzenleyerek değiştirdi. Prototip, Londra'daki 1862 Uluslararası Sergisinde gösterildi . Daha sonra Chance, imalatı kolaylaştırmak için prizmaları parçalara ayırdı ve ışığı tek bir noktadan o noktaya geri yansıtma özelliğini korurken silindirik bir biçimde düzenledi. Paradoksal olarak "dioptrik aynalar" olarak adlandırılan bu formun yansıtıcıları, ışığın lambanın kara tarafından deniz tarafına geri döndürülmesi için özellikle yararlı olduğunu kanıtladı.

Birinci dereceden grup flaşlı Fresnel lens, Point Arena Deniz Feneri Müzesi, Point Arena Deniz Feneri , Mendocino County, California'da sergileniyor . Üç diyoptrik panel (pirinç halkaların içinde) ve üç katadioptrik panel (dış) kısmen ikiye bölünür ve dönüş başına üç çift flaş verir.

Deniz fenerleri çoğaldıkça birbirlerinden ayırt edilmeleri zorlaştı ve bu da ışığı boşa harcayan renkli filtrelerin kullanılmasına yol açtı. 1884'te John Hopkinson , diyoptrik ve/veya katadioptrik panellerin birden fazla flaş verecek şekilde ayrıldığı "grup flaşlı" lensi icat ederek filtrelere olan ihtiyacı ortadan kaldırdı; , aynı zamanda çok sayıda flaşla. Çift yanıp sönen lensler 1875'te Tampico (Meksika) ve Little Basses'e (Sri Lanka) ve 1876'da Casquets Deniz Feneri'ne ( Kanal Adaları ) üç kez yanıp sönen lens takıldı. Gösterilen örnek (sağda) çift yanıp sönen lenstir. Point Arena Light 1908 den 1977 kadar hizmetinde oldu.

Hiper-radyal lenslerin gelişimi, kısmen, belirli bir ışın genişliği için daha uzun bir odak uzaklığı gerektiren, birden fazla jetli gaz lambaları gibi daha büyük ışık kaynaklarına duyulan ihtiyaçtan, dolayısıyla belirli bir fraksiyonunu toplamak için daha büyük bir lensten kaynaklanmaktadır. üretilen ışık. İlk hiper-radyal lens 1885 yılında Fransa'dan F. Barbier & Cie tarafından Stevenson'lar için yapılmış ve çeşitli ışık kaynaklarıyla South Foreland Deniz Feneri'nde test edilmiştir . Chance Brothers (Hopkinson'ın işverenleri) daha sonra hiper-radyaller inşa etmeye başladılar ve ilklerini 1887'de Bishop Rock Deniz Feneri'ne kurdular. Aynı yıl, Barbier Tory Adası'na bir hiper-radyal kurdu . Ancak, daha kompakt parlak lambaların geliştirilmesi, bu kadar büyük optikleri gereksiz kılmadan önce, yalnızca yaklaşık 30 hiper-radyal hizmete girdi (bkz. Hiperradyant Fresnel lens ).

Tek parça kademeli diyoptrik lenslerin üretimi - kabaca Buffon'un öngördüğü gibi - 1852'de Brooklyn Flint-Glass Company'den John L. Gilliland preslenmiş ve kalıplanmış camdan lens yapma yönteminin patentini aldığında mümkün oldu . Şirket, demiryollarında, vapurlarda ve rıhtımlarda kullanım için küçük boğa gözü lensler yaptı; bu tür lensler 1870'lerde Amerika Birleşik Devletleri'nde yaygındı. 1858'de şirket, Amerika'da yapılan ilk Fresnel deniz feneri mercekleri olan deniz fenerlerinde kullanılmak üzere "çok az sayıda preslenmiş çakmaktaşı cam altıncı dereceden mercek" üretti. 1950'lere gelindiğinde, plastiğin camın yerini alması, Fresnel lenslerin tepegöz projektörlerinde yoğunlaştırıcı olarak kullanılmasını ekonomik hale getirdi.

Ayrıca bakınız

Referanslar

bibliyografya

daha fazla okuma

Dış bağlantılar