Fresnel-Linse

Eine Fresnel-Linse ( / ˈ f r eɪ n ɛ l , - n əl / FRAY -nel, -⁠nəl ; / ˈ f r ɛ n ɛ l , - əl / FREN -el, -⁠əl ; oder / f r eɪ ˈ n ɛ l / fray- NEL ^{[ 1 ]} ) ist eine Art von zusammengesetzter Kompaktlinse , die die benötigte Materialmenge im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse reduziert, indem die Linse in eine Reihe konzentrischer Ringsegmente unterteilt wird.

Die einfachere dioptrische (rein brechende ) Linsenform wurde erstmals von Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon ^{[ 2 ]} , vorgeschlagen und unabhängig davon von dem französischen Physiker Augustin-Jean Fresnel (1788–1827) für den Einsatz in Leuchttürmen weiterentwickelt . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Die katadioptrische (Brechung und Reflexion kombinierende) Linsenform, die vollständig von Fresnel erfunden wurde, besitzt äußere Prismenelemente , die neben der Brechung auch die Totalreflexion nutzen , um schräger einfallendes Licht der Lichtquelle aufzufangen und dem Lichtstrahl hinzuzufügen, wodurch dieser über größere Entfernungen sichtbar wird.

Das Design ermöglicht die Herstellung von Linsen mit großer Apertur und kurzer Brennweite ohne die Masse und das Volumen, die bei herkömmlichen Linsen erforderlich wären. Eine Fresnel-Linse kann deutlich dünner als eine vergleichbare konventionelle Linse gefertigt werden und hat in manchen Fällen sogar die Form einer flachen Scheibe.

Aufgrund seiner Verwendung in Leuchttürmen wurde es als „die Erfindung, die eine Million Schiffe rettete“ bezeichnet. ^{[ 5 ]}

Der Londoner Glasmacher Thomas Rogers war der Erste, der den Lichtstrahl eines Leuchtturms mithilfe einer Linse bündelte und die Idee 1788 dem Trinity House vorschlug. ^{[ 6 ]} Die ersten Rogers-Linsen mit einem Durchmesser von 53 cm (21 Zoll) und einer Dicke von 14 cm (5,5 Zoll) in der Mitte wurden 1789 am Old Lower Lighthouse in Portland Bill installiert . Hinter jeder Lampe befand sich ein rückseitig beschichteter sphärischer Glasspiegel, der die von hinten einfallende Strahlung durch die Lampe zurück in die Linse reflektierte. Weitere Exemplare wurden bis 1804 in Howth Baily , North Foreland und an mindestens vier weiteren Standorten installiert. Ein Großteil des Lichts ging jedoch durch Absorption im Glas verloren. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

1748 ersetzte Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, als Erster eine konvexe Linse durch eine Reihe konzentrischer Ringprismen , die als Stufen in ein einziges Glasstück geschliffen waren ^{[ 2 ]} , um Gewicht und Absorption zu reduzieren. 1790 ^{[ 8 ]} (Sekundärquellen nennen jedoch 1773 ^{[ 9 ] :609} oder 1788 ^{[ 10 ]} ) schlug der Marquis de Condorcet vor, die Ringsegmente separat herzustellen und auf einem Rahmen zu montieren; doch auch das war zu jener Zeit unpraktisch. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Diese Konstruktionen waren nicht für Leuchttürme ^{[ 2 ]} , sondern für Brenngläser gedacht . ^{[ 9 ] : 609} David Brewster schlug jedoch 1811 ein System vor, das dem von Condorcet ähnelte, ^{[ 2 ] [ 10 ] [ 13 ]} und befürwortete ab 1820 dessen Anwendung in britischen Leuchttürmen. ^{[ 14 ]}

Die französische Leuchtturmkommission (Commission des Phares) wurde 1811 von Napoleon gegründet und dem Brücken- und Straßenbaukorps unterstellt, dem Arbeitgeber des französischen Physikers Augustin-Jean Fresnel . Da die Mitglieder der Kommission anderweitig beschäftigt waren, erzielte sie in ihren Anfangsjahren nur wenige Erfolge. ^{[ 15 ]} Am 21. Juni 1819 – drei Monate nach dem Gewinn des Grand Prix der Akademie der Wissenschaften für Physik für seine berühmte Abhandlung über die Beugung – wurde Fresnel jedoch auf Empfehlung von François Arago (Mitglied seit 1813) vorübergehend in die Kommission abgeordnet, um mögliche Verbesserungen der Leuchtturmbeleuchtung zu prüfen. ^{[ 11 ] [ 16 ]}

Ende August 1819, noch ohne Kenntnis des Buffon-Condorcet-Brewster-Vorschlags ^{[ 11 ] [ 13 ],} präsentierte Fresnel der Kommission erstmals seinen Entwurf ^{[ 17 ]} und empfahl sogenannte gestufte Linsen (lentilles à échelons), um die damals verwendeten Reflektoren zu ersetzen, die nur etwa die Hälfte des einfallenden Lichts reflektierten. ^{[ 18 ]} Ein weiterer Bericht Fresnels vom 29. August 1819 (Fresnel, 1866–70, Bd. 3, S. 15–21) befasst sich mit Reflektorversuchen und erwähnt gestufte Linsen nur in einer nicht damit zusammenhängenden Skizze auf der letzten Seite des Manuskripts. Die Protokolle der Kommissionssitzungen reichen erst bis 1824 zurück, dem Jahr, in dem Fresnel selbst das Amt des Sekretärs übernahm. ^{[ 19 ]} Daher ist das genaue Datum, an dem Fresnel die gestuften Linsen formell empfahl, unbekannt. Sehr zu Fresnels Verlegenheit erinnerte sich einer der anwesenden Kommissare, Jacques Charles , an Buffons Vorschlag. ^{[ 20 ]} Während Buffons Version jedoch bikonvex und einteilig war, ^{[ 21 ]} war Fresnels Version plankonvex und bestand aus mehreren Prismen, um die Konstruktion zu vereinfachen.

Mit einem offiziellen Budget von 500 Francs wandte sich Fresnel an drei Hersteller. Der dritte, François Soleil, fand eine Methode, Defekte durch erneutes Erhitzen und Umformen des Glases zu beseitigen. Arago unterstützte Fresnel bei der Entwicklung einer modifizierten Argand-Lampe mit konzentrischen Dochten (ein Konzept, das Fresnel Graf Rumford zuschrieb ^{[ 22 ]} ) und entdeckte zufällig, dass Fischleim hitzebeständig war und sich daher für die Verwendung in der Linse eignete. Der im März 1820 fertiggestellte Prototyp besaß eine quadratische Linsenscheibe mit einer Seitenlänge von 55 cm und 97 polygonalen (nicht ringförmigen) Prismen – und beeindruckte die Kommission so sehr, dass Fresnel mit einer Version mit acht Linsenscheiben beauftragt wurde. Dieses Modell, das trotz unzureichender Mittel ein Jahr später fertiggestellt wurde, hatte quadratische Linsenscheiben mit einer Seitenlänge von 76 cm. In einer öffentlichen Vorführung am Abend des 13. April 1821 wurde es im Vergleich zu den neuesten Reflektoren demonstriert, die es plötzlich überholte. ^{[ 23 ]}

Kurz nach dieser Demonstration veröffentlichte Fresnel die Idee, dass Licht, einschließlich scheinbar unpolarisiertem Licht, ausschließlich aus Transversalwellen besteht , und untersuchte anschließend die Auswirkungen auf Doppelbrechung und Teilreflexion. ^{[ 24 ]}

Fresnel würdigte die britischen Linsen und Buffons Erfindung in einer am 29. Juli 1822 verlesenen und im selben Jahr gedruckten Abhandlung. ^{[ 25 ]} Das Datum dieser Abhandlung könnte die Grundlage für die Behauptung bilden, Fresnels Engagement für Leuchttürme habe zwei Jahre später als das Brewsters begonnen; ^{[ 14 ]} der Text macht jedoch deutlich, dass Fresnels Beteiligung spätestens 1819 begann. ^{[ 26 ]}

Fresnels nächste Linse war eine rotierende Vorrichtung mit acht ringförmigen „Zielscheiben“-Panels von Saint-Gobain [ ^{12 ]} , die acht rotierende Lichtstrahlen erzeugten, die von Seeleuten als periodische Blitze wahrgenommen wurden. Oberhalb und hinter jedem Hauptpanel befand sich ein kleineres, schräges Zielscheiben-Panel mit trapezförmigem Umriss und trapezförmigen Elementen [27]. ^{Dieses brach das} Licht auf einen schrägen Planspiegel, der es dann horizontal um 7 Grad vor den Hauptstrahl reflektierte und so die Blitzdauer verlängerte [28]. ^{Unterhalb der Hauptpanels befanden} sich 128 kleine Spiegel , die in vier Ringen angeordnet waren, ähnlich den Lamellen einer Jalousie . Jeder Ring, geformt wie ein Kegelstumpf , reflektierte das Licht zum Horizont und erzeugte so ein schwächeres, gleichmäßiges Licht zwischen den Blitzen . Der offizielle Test, der am 20. August 1822 am noch unfertigen Arc de Triomphe durchgeführt wurde , wurde von der Kommission sowie von Ludwig XVIII. und seinem Gefolge aus 32 Kilometern Entfernung beobachtet. Die Apparatur wurde über den Winter in Bordeaux eingelagert und anschließend unter Fresnels Aufsicht – teilweise von ihm selbst – am Leuchtturm von Cordouan wieder aufgebaut. Am 25. Juli 1823 wurde die weltweit erste Fresnel-Linse eines Leuchtturms in Betrieb genommen. ^{[ 29 ]} Wie erwartet, war das Licht bis zum Horizont in über 32 Kilometern Entfernung sichtbar. ^{[ 30 ]}

Einen Tag vor dem Test der Cordouan-Linse in Paris berichtete ein Komitee der Akademie der Wissenschaften über Fresnels Abhandlung und Ergänzungen zur Doppelbrechung – die, obwohl sie modernen Lesern weniger bekannt ist als seine früheren Arbeiten zur Beugung, einen entscheidenderen Beitrag zur Wellentheorie des Lichts leistete. ^{[ 31 ]} Zwischen dem Test und dem Wiederaufbau in Cordouan reichte Fresnel seine Arbeiten zur Fotoelastizität (16. September 1822), zur elliptischen und zirkularen Polarisation und optischen Drehung (9. Dezember) sowie zur partiellen und totalen internen Reflexion (7. Januar 1823) ein ^{[ 32 ]} und vollendete damit im Wesentlichen seine Rekonstruktion der physikalischen Optik auf der Grundlage der Transversalwellenhypothese . Kurz nachdem die Cordouan-Linse gezündet worden war, begann Fresnel Blut zu husten. ^{[ 33 ]}

Im Mai 1824 wurde Fresnel zum Sekretär der Commission des Phares befördert ^{und war damit} das erste Mitglied dieses Gremiums, das ein Gehalt bezog, ^{[34] allerdings gleichzeitig auch als Chefingenieur. [ 35 ] Gegen} Ende ^{des Jahres verschlechterte} sich sein Gesundheitszustand zunehmend, weshalb er seine Grundlagenforschung einschränkte und seine saisonale Tätigkeit als Prüfer an der École Polytechnique aufgab , um seine verbleibende Zeit und Kraft für seine Leuchtturmarbeit zu nutzen. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

Im selben Jahr entwarf er die erste Festbrennweite – zur gleichmäßigen Lichtverteilung am Horizont bei minimalem Lichtverlust ober- und unterhalb des Horizonts. ^{[ 11 ]} Idealerweise wären die gekrümmten Brechungsflächen Segmente von Toroiden um eine gemeinsame vertikale Achse, sodass die dioptrische Scheibe wie eine zylindrische Trommel aussähe. Ergänzt durch reflektierende ( katoptrische ) Ringe ober- und unterhalb der brechenden (dioptrischen) Teile, sähe die gesamte Vorrichtung wie ein Bienenstock aus. ^{[ 38 ]} Die zweite Fresnel-Linse, die in Betrieb genommen wurde, war tatsächlich eine Festbrennweite dritter Ordnung, die am 1. Februar 1825 in Dünkirchen installiert wurde. ^{[ 39 ]} Aufgrund der Schwierigkeit, große Toroidprismen herzustellen, hatte diese Vorrichtung jedoch einen 16-seitigen polygonalen Grundriss. ^{[ 40 ]}

1825 erweiterte Fresnel seine Konstruktion mit feststehenden Linsen, indem er außerhalb der festen Linsenanordnung eine rotierende Anordnung hinzufügte. Jedes Paneel der rotierenden Anordnung sollte einen Teil des festen Lichts aus einem horizontalen Fächer in einen schmalen Strahl brechen. ^{[ 11 ] [ 41 ]}

Ebenfalls im Jahr 1825 stellte Fresnel die „ Carte des Phares“ (Leuchtturmkarte) vor, die ein System von 51 Leuchttürmen sowie kleineren Hafenlichtern vorsah, die in einer Hierarchie von Linsengrößen, den sogenannten „Ordnungen“ (wobei die erste die größte ist), angeordnet waren und unterschiedliche Merkmale zur besseren Erkennbarkeit aufwiesen: ein Dauerlicht (von einer festen Linse), ein Blitz pro Minute (von einer rotierenden Linse mit acht Feldern) und zwei Blitze pro Minute (16 Felder). ^{[ 42 ]}

Ende 1825 schlug Fresnel vor, jeden Spiegel durch ein katadioptrisches Prisma zu ersetzen, um den Lichtverlust in den reflektierenden Elementen zu verringern. ^{[ 43 ]} Das Licht sollte dabei durch Brechung an der ersten Oberfläche, Totalreflexion an der zweiten Oberfläche und anschließende Brechung an der dritten Oberfläche hindurchtreten. ^{[ 44 ]} Daraus entstand die Leuchtturmlinse, wie wir sie heute kennen. 1826 baute er ein kleines Modell für den Einsatz am Canal Saint-Martin , ^{[ 45 ]} doch er erlebte die Fertigstellung einer Version in Originalgröße nicht mehr: Er starb am 14. Juli 1827 im Alter von 39 Jahren.

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 absolviert hatte, im Gegensatz zu Augustin jedoch über ein ausgeprägtes Managementtalent verfügte. Léonor trat 1825 in den Dienst der Leuchtturmkommission und wurde später Augustin als Sekretär nachfolgen. ^{[ 46 ]}

Die erste feststehende Linse mit toroidalen Prismen war ein von dem schottischen Ingenieur Alan Stevenson unter der Anleitung von Léonor Fresnel entworfener und von Isaac Cookson & Co. aus französischem Glas gefertigter Apparat erster Ordnung. Sie wurde am 22. September 1836 auf der Isle of May in Schottland in Betrieb genommen. ^{[ 47 ]} Die ersten großen katadioptrischen Linsen wurden 1842 für die Leuchttürme von Gravelines und Île Vierge in Frankreich hergestellt. Es handelte sich um feststehende Linsen dritter Ordnung, deren katadioptrische Ringe (in Segmenten gefertigt) einen Durchmesser von einem Meter aufwiesen. Stevensons 1844 in Betrieb genommene Skerryvore- Linse erster Ordnung war nur teilweise katadioptrisch. Sie ähnelte der Cordouan-Linse, mit dem Unterschied, dass die unteren Lamellen durch französische katadioptrische Prismen ersetzt wurden, während die Spiegel im oberen Bereich beibehalten wurden. Die erste vollständig katadioptrische Linse erster Ordnung, die 1852 in Pointe d’Ailly installiert wurde, erzeugte ebenfalls acht rotierende Lichtstrahlen sowie ein festes Licht am unteren Ende. Ihr oberer Teil besaß jedoch acht katadioptrische Paneele, die das Licht um etwa vier Grad vor den Hauptstrahlen bündelten, um die Lichtblitze zu verlängern. Die erste vollständig katadioptrische Linse mit rein rotierenden Lichtstrahlen – ebenfalls erster Ordnung – wurde 1854 in Saint-Clément-des-Baleines installiert und markierte die Vollendung von Augustin Fresnels ursprünglicher „Carte des Phares“ ( Leuchtfeuer) . ^{[ 48 ]}

Thomas Stevenson (der jüngere Bruder von Alan) ging mit seiner „holophotalen“ Linse, die das von der Lampe in nahezu alle Richtungen – nach vorn oder hinten – abgestrahlte Licht in einen einzigen Strahl bündelte, noch einen Schritt weiter als Fresnel. ^{[ 49 ]} Die erste Version, die 1849 beschrieben wurde, bestand aus einer Standard-Fresnel-Linse, einem parabolischen Reflektor und einem hinteren halbkugelförmigen Reflektor (funktional äquivalent zum Rogers-Spiegel von 60 Jahren zuvor, nur dass dieser eine ganze Halbkugel einnahm). Licht, das in die vordere Halbkugel einfiel, aber die Linse verfehlte, wurde vom Paraboloid in einen parallelen Strahl um die Linse herum abgelenkt, während Licht, das in die hintere Halbkugel einfiel, vom sphärischen Reflektor (wie bei Rogers' Anordnung) durch die Lampe zurückreflektiert und von den vorderen Komponenten aufgefangen wurde. Die erste Einheit wurde im August 1849 in North Harbour, Peterhead , installiert. Stevenson nannte diese Version eine „katadioptrische Holophote“, obwohl jedes ihrer Elemente entweder rein reflektierend oder rein brechend war. In der zweiten Version des Holophot-Konzepts wurden die Bullaugenlinse und der Parabolreflektor durch eine katadioptrische Fresnel-Linse ersetzt – nach Fresnels Vorstellung, jedoch erweitert, um die gesamte vordere Hemisphäre abzudecken. Die dritte Version, die Stevenson verwirrenderweise als „dioptrische Holophote“ bezeichnete, war innovativer: Sie behielt die katadioptrische Fresnel-Linse für die vordere Hemisphäre bei, ersetzte aber den hinteren hemisphärischen Reflektor durch eine hemisphärische Anordnung von Ringprismen. Jedes dieser Prismen nutzte zwei Totalreflexionen, um vom Mittelpunkt der Hemisphäre divergierendes Licht wieder zum Mittelpunkt zurückzulenken. Das Ergebnis war eine Ganzglas-Holophote ohne Verluste durch metallische Reflexionen. ^{[ 50 ]}

James Timmins Chance modifizierte Thomas Stevensons Ganzglas-Holophotonen-Design, indem er die doppelt reflektierenden Prismen um eine vertikale Achse anordnete. Der Prototyp wurde 1862 auf der Weltausstellung in London gezeigt. Um die Fertigung zu vereinfachen, teilte Chance die Prismen später in Segmente und ordnete sie zylindrisch an, wobei die Eigenschaft, Licht von einem Punkt zurück zu reflektieren, erhalten blieb. Reflektoren dieser Form, paradoxerweise „dioptrische Spiegel“ genannt, erwiesen sich als besonders nützlich, um Licht von der landseitigen zur seeseitigen Seite der Lampe zurückzulenken. ^{[ 51 ]}

Mit der zunehmenden Anzahl von Leuchttürmen wurde es immer schwieriger, sie voneinander zu unterscheiden, was zum Einsatz von Farbfiltern führte, die jedoch Licht verschwendeten. 1884 machte John Hopkinson die Filter überflüssig, indem er die „Gruppenblitzlinse“ erfand. Bei dieser Linse wurden die dioptrischen und/oder katadioptrischen Scheiben so aufgeteilt, dass mehrere Blitze erzeugt wurden. Dadurch konnten Leuchttürme nicht nur anhand der Blitzfrequenz, sondern auch anhand der Anzahl der Blitze identifiziert werden. Doppelblitzlinsen wurden 1875 in Tampico (Mexiko) und Little Basses (Sri Lanka) installiert, eine Dreifachblitzlinse 1876 im Leuchtturm von Casquets ( Kanalinseln ). ^{[ 52 ]} Das abgebildete Beispiel (rechts) ist die Doppelblitzlinse des Leuchtturms Point Arena , der von 1908 bis 1977 in Betrieb war. ^{[ 53 ]}

Die Entwicklung hyperradialer Linsen wurde unter anderem durch den Bedarf an größeren Lichtquellen, wie beispielsweise Gaslampen mit mehreren Düsen, vorangetrieben. Diese erforderten für eine gegebene Strahlbreite eine längere Brennweite und somit eine größere Linse, um einen bestimmten Anteil des erzeugten Lichts zu sammeln. Die erste hyperradiale Linse wurde 1885 von der französischen Firma F. Barbier & Cie für die Stevensons gebaut und am Leuchtturm South Foreland mit verschiedenen Lichtquellen getestet. Die Gebrüder Chance (Hopkinsons Arbeitgeber) begannen daraufhin mit dem Bau hyperradialer Linsen und installierten ihre erste 1887 am Leuchtturm Bishop Rock. ^{[ 54 ]} Im selben Jahr installierte Barbier eine hyperradiale Linse auf Tory Island . Allerdings wurden nur etwa 30 hyperradiale Linsen in Betrieb genommen ^{[ 55 ]} , bevor die Entwicklung kompakterer, hellerer Lampen solch große Optiken überflüssig machte (siehe Hyperradiante Fresnel-Linse ).

Die Herstellung einteiliger, gestufter Dioptrienlinsen – in etwa nach Buffons Vorstellung – wurde 1852 möglich, als John L. Gilliland von der Brooklyn Flint-Glass Company ein Verfahren zur Herstellung von Linsen aus gepresstem und geformtem Glas patentieren ließ. Das Unternehmen fertigte kleine Okularlinsen für den Einsatz bei Eisenbahnen, Dampfschiffen und in Docks; ^{[ 56 ]} solche Linsen waren in den Vereinigten Staaten in den 1870er Jahren weit verbreitet. ^{[ 13 ] : 488.} Im Jahr 1858 produzierte das Unternehmen „eine sehr geringe Anzahl gepresster Flintglaslinsen sechster Ordnung“ für Leuchttürme – die ersten in Amerika hergestellten Fresnel-Leuchtturmlinsen. ^{[ 56 ]} In den 1950er Jahren ermöglichte der Ersatz von Glas durch Kunststoff den wirtschaftlichen Einsatz von Fresnel-Linsen als Kondensoren in Overheadprojektoren. ^{[ 57 ]}

Die Fresnel-Linse reduziert den Materialbedarf im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse, indem sie die Linse in konzentrische Ringsegmente unterteilt. Eine ideale Fresnel-Linse hätte unendlich viele Segmente. In jedem Segment ist die Gesamtdicke im Vergleich zu einer äquivalenten einfachen Linse geringer. Dadurch wird die kontinuierliche Oberfläche einer Standardlinse effektiv in mehrere Flächen gleicher Krümmung mit stufenförmigen Übergängen unterteilt.

Bei manchen Linsen werden die gekrümmten Oberflächen durch ebene Flächen ersetzt, wobei jeder Abschnitt einen anderen Winkel aufweist. Eine solche Linse kann als kreisförmig angeordnete Anordnung von Prismen betrachtet werden, mit steileren Prismen an den Rändern und einem flachen oder leicht konvexen Zentrum. Bei den ersten (und größten) Fresnel-Linsen war jeder Abschnitt tatsächlich ein separates Prisma. Später wurden einteilige Fresnel-Linsen hergestellt, die unter anderem für Autoscheinwerfer, Brems-, Park- und Blinkergläser verwendet wurden. Heutzutage können computergesteuerte Fräsmaschinen (CNC) oder 3D-Drucker zur Herstellung komplexerer Linsen eingesetzt werden.

Das Fresnel-Linsendesign ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der Dicke (und damit der Masse und des Volumens des Materials) auf Kosten der Abbildungsqualität der Linse. Aus diesem Grund werden für präzise Bildgebungsanwendungen wie die Fotografie in der Regel immer noch größere konventionelle Linsen verwendet.

Fresnel-Linsen bestehen üblicherweise aus Glas oder Kunststoff; ihre Größe variiert von groß (historische Leuchttürme, Metergröße) über mittel (Lesehilfen, Overheadprojektoren) bis klein ( Bildschirme für Spiegelreflexkameras , Mikrooptik )  . Oft sind sie sehr dünn und flach, fast flexibel, mit einer Dicke von 1 bis 5 mm .

Die meisten modernen Fresnel-Linsen bestehen ausschließlich aus Brechungselementen. Leuchtturm-Linsen hingegen enthalten in der Regel sowohl Brechungs- als auch Reflexionselemente, wobei sich letztere außerhalb der auf den Fotos sichtbaren Metallringe befinden. Während die inneren Elemente Abschnitte von Brechungslinsen sind, handelt es sich bei den äußeren Elementen um Reflexionsprismen, die jeweils zwei Brechungen und eine Totalreflexion bewirken und so den Lichtverlust vermeiden, der bei der Reflexion an einem verspiegelten Objekt auftritt.

Fresnel entwarf sechs verschiedene Größen von Leuchtturmlinsen, die er anhand ihrer Größe und Brennweite in vier Ordnungen einteilte. ^{[ 58 ]} Die dritte und vierte Ordnung wurden in „groß“ und „klein“ unterteilt. Heutzutage werden die Ordnungen als erste bis sechste Ordnung klassifiziert. Später kamen eine Zwischengröße zwischen der dritten und vierten Ordnung sowie Größen oberhalb der ersten und unterhalb der sechsten Ordnung hinzu.

Eine Linse erster Ordnung hat eine Brennweite von 920 mm ( 36+1/4 Zoll )  und ist etwa 2,59 m (8 Fuß 6 Zoll) hoch und 1,8 m (6 Fuß) breit. Die kleinste (sechste) Ordnung hat eine Brennweite von 150 mm (6 Zoll) und eine Höhe von433 mm ( 17+1/16 Zoll  ) ^{. [} 58 ^{] [ 59 ] [ 60 ]}

Die größten Fresnel-Linsen werden als hyperradiant (oder hyperradial) bezeichnet. Eine solche Linse war bereits vorhanden, als beschlossen wurde, das Makapuu Point Light auf Hawaii zu bauen und auszustatten. Anstatt eine neue Linse zu bestellen, wurde die riesige optische Konstruktion mit einer Höhe von 3,7 Metern und über tausend Prismen dort verwendet. ^{[ 61 ]}

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  Linse erster Ordnung
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  Linse erster Ordnung ( Leuchtturm Cape Meares )
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  Objektiv erster Ordnung von Destruction Island, WA, hergestellt in Frankreich 1888. Derzeit im Westport Maritime Museum.
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  Nahaufnahme einer Linse zweiter Ordnung
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  Linse dritter Ordnung ( Leuchtfeuer St. Simons Island )
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  Linse vierter Ordnung (Sekizaki-Leuchtturm, Oita , Japan)
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  Linse vierter Ordnung vom Leuchtturm Cape Arago. Befindet sich derzeit im Coos History Museum.
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  Linse fünfter Ordnung am Leuchtturm von Key West
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  Linse sechster Ordnung ( Ponce de Leon Inlet Light )
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  Vergleich von Linsen erster und vierter Ordnung (Leuchtturm Key West)

Es gibt zwei Haupttypen von Fresnel-Linsen: abbildende und nicht-abbildende . Abbildende Fresnel-Linsen verwenden Segmente mit gekrümmtem Querschnitt und erzeugen scharfe Bilder, während nicht-abbildende Linsen Segmente mit flachem Querschnitt aufweisen und keine scharfen Bilder erzeugen. ^{[ 63 ]} Mit zunehmender Segmentanzahl gleichen sich die beiden Linsentypen immer mehr an. Im abstrakten Fall einer unendlichen Anzahl von Segmenten verschwindet der Unterschied zwischen gekrümmten und flachen Segmenten.

Bildgebende Objektive lassen sich wie folgt klassifizieren:

Sphärisch

Eine sphärische Fresnel-Linse ist im Prinzip eine einfache sphärische Linse . Sie besteht aus ringförmigen Segmenten, die jeweils einen Teil einer Kugel darstellen und das Licht in einem einzigen Punkt bündeln. Diese Linsenart erzeugt ein scharfes Bild, das jedoch aufgrund von Beugung an den Kanten der Segmente nicht ganz so klar ist wie das einer einfachen sphärischen Linse. Sind die Segmente mikroskopisch klein (im Bereich der Wellenlänge), spricht man von einer Kinoformlinse .

Zylindrisch

Eine zylindrische Fresnel-Linse entspricht einer einfachen Zylinderlinse . Sie besteht aus geraden Segmenten mit kreisförmigem Querschnitt und bündelt das Licht auf einer Linie. Dieser Linsentyp erzeugt ein scharfes Bild, das jedoch aufgrund von Beugung an den Kanten der Segmente nicht ganz so klar ist wie bei der entsprechenden einfachen Zylinderlinse.

Nichtabbildende Linsen lassen sich wie folgt klassifizieren:

Stelle

Eine nichtabbildende Fresnel-Linse verwendet ringförmige Segmente mit geradlinigen statt kreisförmigen Querschnitten. Sie kann Licht auf einen kleinen Punkt bündeln, erzeugt aber kein scharfes Bild. Diese Linsen finden Anwendung in der Solarenergie, beispielsweise zur Fokussierung von Sonnenlicht auf ein Solarmodul. Fresnel-Linsen können als Komponenten von Köhler-Beleuchtungsoptiken eingesetzt werden , wodurch hocheffiziente nichtabbildende Fresnel-Köhler-Solarkonzentratoren (FK-Solarkonzentratoren) entstehen. ^{[ 64 ]}

Linear

Eine nichtabbildende lineare Fresnel-Linse verwendet gerade Segmente, deren Querschnitt gerade Linien und keine Kreisbögen sind. Diese Linsen bündeln Licht in einem schmalen Band. Sie erzeugen kein scharfes Bild, können aber in der Solarenergie eingesetzt werden, beispielsweise um Sonnenlicht auf ein Rohr zu fokussieren und so das darin befindliche Wasser zu erwärmen. ^{[ 65 ]}

Hochwertige Fresnel-Linsen aus Glas wurden in Leuchttürmen eingesetzt und galten dort im späten 19. und bis Mitte des 20. Jahrhunderts als Stand der Technik. Diese Leuchtturm-Fresnel-Linsensysteme umfassten typischerweise zusätzliche ringförmige Prismenelemente , die in facettierten Kuppeln ober- und unterhalb der zentralen planaren Fresnel-Linse angeordnet waren, um das gesamte von der Lichtquelle emittierte Licht aufzufangen. Der Lichtweg durch diese Elemente konnte eine interne Reflexion anstelle der einfachen Brechung im planaren Fresnel-Element beinhalten. ^{[ 66 ]} Diese Linsen boten den Planern, Erbauern und Nutzern von Leuchttürmen und ihrer Beleuchtung viele praktische Vorteile. Unter anderem konnten kleinere Linsen in kompakteren Räumen untergebracht werden. Eine höhere Lichtdurchlässigkeit über größere Entfernungen und vielfältige Lichtmuster ermöglichten die Positionsbestimmung mittels Triangulation. ^{[ 66 ] [ 67 ]} Ab Mitte des 20. Jahrhunderts haben die meisten Leuchttürme ihre Fresnel-Linsen aus Glas außer Betrieb genommen und durch wesentlich kostengünstigere und robustere Aerobeacons ^{[ 68 ] [ 69 ]} oder ähnliche Systeme ersetzt, darunter das VRB-25 von Vega Industries , das Fresnel-Linsen aus Kunststoff enthält. ^{[ 70 ]}

Die wohl weitverbreitetste Anwendung von Fresnel-Linsen fand zeitweise in Autoscheinwerfern statt . Dort formen sie den annähernd parallelen Lichtstrahl des Parabolreflektors so, dass er den Anforderungen an Abblend- und Fernlicht entspricht, oft sogar beides in ein und demselben Scheinwerfer (wie beispielsweise beim europäischen H4- Design). Aus Kostengründen, wegen des geringeren Gewichts und der höheren Stoßfestigkeit verzichten neuere Fahrzeuge bei ihren Scheinwerfern auf Fresnel-Linsen aus Glas und verwenden stattdessen Facettenreflektoren mit einfachen Polycarbonat -Linsen. Fresnel-Linsen werden jedoch weiterhin häufig in Rück-, Begrenzungs- und Rückfahrscheinwerfern eingesetzt.

Fresnel-Linsen aus Glas werden auch in Beleuchtungsanlagen für Theater und Film eingesetzt (siehe Fresnel-Lampe ); solche Anlagen werden oft einfach als Fresnel-Scheinwerfer bezeichnet . Die gesamte Anlage besteht aus einem Metallgehäuse, einem Reflektor, einer Lampeneinheit und einer Fresnel-Linse. Viele Fresnel-Anlagen ermöglichen es, die Lampe relativ zum Brennpunkt der Linse zu verschieben , um den Lichtstrahl zu vergrößern oder zu verkleinern. Dadurch sind sie sehr flexibel und können oft einen Lichtstrahl mit einem Winkel von nur 7° bis zu 70° erzeugen. ^{[ 71 ]} Die Fresnel-Linse erzeugt einen sehr weichen Lichtstrahl und wird daher häufig als Flächenlicht verwendet. Eine Halterung vor der Linse kann eine Farbfolie ( Gel ) zur Lichttönung oder Drahtgitter bzw. mattiertes Plastik zur Lichtstreuung aufnehmen. Die Fresnel-Linse ist in der Filmproduktion nicht nur wegen ihrer Fähigkeit, den Lichtstrahl heller als eine herkömmliche Linse zu bündeln, nützlich, sondern auch, weil die Lichtintensität über die gesamte Breite des Lichtstrahls relativ gleichmäßig ist.

Flugzeugträger und Marinestützpunkte verwenden typischerweise Fresnel-Linsen in ihren optischen Landesystemen . Das sogenannte „Fleischball“-Licht hilft dem Piloten, den korrekten Gleitwinkel für die Landung einzuhalten. In der Mitte befinden sich gelbe und rote Lichter, die aus Fresnel-Linsen bestehen. Obwohl die Lichter immer leuchten, bestimmt der Winkel der Linse aus Sicht des Piloten Farbe und Position des sichtbaren Lichts. Erscheinen die Lichter oberhalb des grünen horizontalen Balkens, fliegt der Pilot zu hoch. Befinden sie sich darunter, fliegt er zu niedrig, und leuchten die Lichter rot, fliegt er sehr niedrig. ^{[ 72 ]}

Fresnel-Linsen werden häufig auch in Suchscheinwerfern , Scheinwerfern und Taschenlampen eingesetzt . Ein weiteres Anwendungsgebiet sind 300-mm-Leuchtfeuer (12 Zoll) auf Radio- und Fernsehtürmen . Die Anzahl dieser Leuchtfeuer richtet sich nach der Höhe und wird von der FAA (Federal Aviation Administration) festgelegt . Diese Leuchtfeuer enthalten zwei 300-Watt -Glühlampen . Anders als die Linsen in Leuchttürmen bestanden diese zweiteiligen Leuchtfeuer aus kreisförmigem Gussglas. Die neueste Technologie nutzt LED- Optiken in einer nicht-Fresnel-Konfiguration, um die erforderlichen Hindernisabschirmungseigenschaften zu erzielen.

Fresnel-Linsen werden als einfache Handlupen verwendet . Sie dienen auch zur Korrektur verschiedener Sehfehler, darunter Augenbewegungsstörungen wie Strabismus . ^{[ 73 ]} Fresnel - Linsen wurden zur Vergrößerung des Bildausschnitts von CRT-Bildschirmen in Taschenfernsehern , insbesondere dem Sinclair TV80 , eingesetzt . Sie finden auch in Ampeln Verwendung .

Fresnel-Linsen werden in linksgelenkten europäischen Lkw, die nach Großbritannien und Irland einfahren (und umgekehrt in rechtsgelenkten irischen und britischen Lkw, die nach Kontinentaleuropa einfahren), eingesetzt, um die toten Winkel zu beseitigen, die dadurch entstehen, dass der Fahrer auf der falschen Seite des Fahrerhauses sitzt, relativ zur Fahrbahnseite. Sie werden an der Beifahrerscheibe befestigt. ^{[ 74 ]}

Eine weitere Anwendung von Fresnel-Linsen im Automobilbereich ist die Rückspiegelvergrößerung. Der weite Blickwinkel einer an der Heckscheibe angebrachten Linse ermöglicht eine effektivere Beobachtung des Bereichs hinter dem Fahrzeug, insbesondere bei hohen oder stumpfheckigen Fahrzeugen, als mit einem Rückspiegel allein. Fresnel-Linsen werden auch in Entfernungsmessern und projizierten Kartendisplays eingesetzt . ^{[ 75 ]}

Fresnel-Linsen finden auch in der Unterhaltungsbranche Anwendung. Der britische Rockmusiker Peter Gabriel nutzte sie in seinen frühen Solo-Live-Auftritten, um seinen Kopf im Verhältnis zum Rest seines Körpers zu vergrößern und so dramatische und komische Effekte zu erzielen. In Terry Gilliams Film „Brazil“ dienen Fresnel-Linsen im Informationsministerium als Vergrößerungsgläser für kleine Röhrenmonitore. Die Linsen tauchen gelegentlich zwischen den Schauspielern und der Kamera auf und verzerren so die Proportionen und die Komposition der Szene auf humorvolle Weise. Im Pixar -Film „Wall-E“ sieht sich der Protagonist das Musical „Hello, Dolly!“ auf einem iPod an , vergrößert durch eine Fresnel-Linse.

Virtual-Reality -Headsets wie die Meta Quest 2 und die HTC Vive Pro verwenden Fresnel-Linsen ^{[ 76 ]} , da diese eine dünnere und leichtere Bauform als herkömmliche Linsen ermöglichen. ^{[ 77 ]} Neuere Geräte wie die Meta Quest Pro verwenden hingegen Pancake-Linsen ^{[ 78 ]} , da diese kleiner sind und im Vergleich zu Fresnel-Linsen eine geringere chromatische Aberration aufweisen . ^{[ 79 ]}

Multifokale Fresnel-Linsen werden auch in Kameras zur Netzhautidentifizierung eingesetzt . Dort liefern sie mehrere scharfe und unscharfe Bilder eines Fixationsziels innerhalb der Kamera. Für nahezu alle Nutzer ist mindestens eines der Bilder scharf, wodurch eine korrekte Augenausrichtung ermöglicht wird.

Viele Kameras sind mit Suchern ausgestattet, die das Bild durch ein Objektiv auf eine Mattscheibe projizieren, um Fokussierung und Bildkomposition zu ermöglichen. Dies gilt für Fachkameras , zweiäugige Spiegelreflexkameras und Spiegelreflexkameras . Häufig wird eine Fresnel-Kondensorlinse auf die Mattscheibe aufgesetzt, um die wahrgenommene Helligkeit des projizierten Bildes zu erhöhen und die Ausleuchtung von der Mitte bis zum Rand gleichmäßiger zu gestalten. ^{[ 80 ] [ 81 ]} Beispielsweise verwendet die Polaroid SX-70 einen Fresnel-Reflektor als Teil ihres Suchersystems. ^{[ 82 ]}

Die Verwendung von Fresnel-Linsen zur Bildprojektion verringert die Bildqualität ^{[ 83 ]} , weshalb sie in der Regel nur dort zum Einsatz kommen, wo die Qualität nicht entscheidend ist oder die Größe einer massiven Linse zu groß wäre. Preisgünstige Fresnel-Linsen können aus transparentem Kunststoff gestanzt oder gegossen werden und werden in Overheadprojektoren und Projektionsfernsehern verwendet .

In kommerziellen und DIY -Projektoren werden Fresnel-Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten (eine Kollimator- und eine Kollektorlinse) verwendet . Die Kollimatorlinse hat die kürzere Brennweite und befindet sich näher an der Lichtquelle. Die Kollimatorlinse, die das Licht auf die Triplettlinse fokussiert, ist hinter dem Projektionsbild (einem aktiven Matrix-LCD- Panel in LCD-Projektoren ) angeordnet. Fresnel-Linsen dienen auch als Kollimatoren in Overheadprojektoren .

Da Kunststoff-Fresnel-Linsen größer als Glaslinsen hergestellt werden können und zudem deutlich günstiger und leichter sind, werden sie zur Bündelung von Sonnenlicht für Heizzwecke in Solarkochern , Solaröfen und Solarkollektoren zur Warmwasserbereitung für den Hausgebrauch eingesetzt. ^{[ 84 ]} Sie können auch zur Dampferzeugung oder zum Antrieb eines Stirlingmotors zur Stromerzeugung verwendet werden. ^{[ 85 ]}

Fresnel-Linsen können Sonnenlicht mit einem Verhältnis von fast 500:1 auf Solarzellen konzentrieren. ^{[ 86 ]} Dadurch lässt sich die aktive Oberfläche der Solarzelle verkleinern, was die Kosten senkt und den Einsatz effizienterer Zellen ermöglicht, die andernfalls zu teuer wären. ^{[ 87 ]} Anfang des 21. Jahrhunderts wurden Fresnel-Reflektoren in konzentrierenden Solarkraftwerken (CSP) zur Bündelung von Solarenergie eingesetzt. Eine Anwendung war die Vorwärmung von Wasser im Kohlekraftwerk Liddell im australischen Hunter Valley.

Fresnel-Linsen können zum Sintern von Sand verwendet werden , wodurch 3D-Druck in Glas ermöglicht wird. ^{[ 88 ]}

Wo keine Bildgebung erforderlich ist , kann ein passiver Infrarotsensor mit mehreren minderwertigen Fresnel-Linsen eingesetzt werden, um Infrarotstrahlung aus einem großen Bereich zu erfassen und für die Bewegungserkennung zu bündeln. Dies eignet sich sowohl für die Bereichsüberwachung als auch für Energiesparanwendungen. Der verwendete Kunststoff ist für Infrarotstrahlung transparent und UV-stabilisiert, um eine lange Lebensdauer im Außenbereich zu gewährleisten.

• 
  PIR-Bewegungssensor-Design
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  Bewegungsmelder mit überlagertem Strahlmuster. Die Länge der Strahlen ist ein Maß für die Empfindlichkeit des Melders in dieser Richtung.

• Fresnel-Bildgeber
• Fresnel-Zonenplatte
• Linsen
• Linearer Fresnel-Reflektor
• Prismenbeleuchtung

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• Die Fresnel-Linse: Die Erfindung, die 1000 Schiffe rettete