Fresnelova sočiva

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Fresnel sočiva prvog reda, izložena u Muzeju svetionika Pojnt Arina, Okrug Mendosino

Fresnelova sočiva je vrsta kompozitnih kompaktnih sočiva koje je prvobitno razvio francuski fizičar Ogusten-Žan Fresnel (1788—1827) za svetionike[1][2]. Nazvani su "izumom koji je spasao milion brodova"[3].

Dizajn omogućava konstrukciju sočiva velikog otvora i kratke žižne daljine bez mase i zapremine materijala koji bi bili potrebni objektivu konvencionalnog dizajna. Fresnelova sočiva mogu biti mnogo tanja od uporedivih uobičajenih sočiva. Fresnelova sočiva mogu da uhvate više kosog svetla iz izvora svetlosti, omogućavajući tako da svetlost opremljena sa svetionika bude vidljiva na većoj udaljenosti.

Istorija[uredi | uredi izvor]

Ideja o stvaranju tanjih i lakših sočiva u obliku niza stepenatih prstenastenova često se pripisuje Žorž Lui Leklerk, grof Bufon[4]. Dok je Bufon predložio brušenje takvog sočiva od jednog stakla, Markiz de Kondorset (1743–1794) je predložio da se napravi sočivo sa odvojenim prstenima montiranim u okvir[5]. Francuski fizičar i inženjer Ogusten-Žan Fresnel je zaslužan za razvoj višedelnog sočiva za upotrebu u svetionicima. Prema časopisu Smitsonijan, prva Fresnelova sočiva korišćena su 1823. godine u Kordanskom svetioniku na ušću Gironde; njegova svetlost mogla se videti sa udaljenosti od 32 km[6]. Škotskom fizičaru Ser Dejvidu Brusteru je pripisano da je ubedio Ujedinjeno Kraljevstvo da usvoji ova sočiva u svojim svetionicima[7][8].

Opis[uredi | uredi izvor]

Kako Fresnelova sočiva prelmaju svetlost
Kako Fresnelova sočiva prelamaju svetlost
1 presek Fresnelovog cočiva, 2 presek konvencionalnog sfernnog sočiva
1: Presek Fresnelovog sočiva
2: Presek konvencionalnog sfernog sočiva ekvivalentne snage
1 presek konvencionalnog sfernnog sočiva,2 presek Fresnelovog cočiva
Zamišljena konstrukcija fresnelovog sočiva
2: Presek konvencionalnog sfernog sočiva
1: Presek Fresnelovog sočiva
Pogled izbliza ravnog Fresnel sočiva pokazuje koncentrične krugove na površini

Fresnelova sočiva smanjuje potrebnu količinu materijala u poređenju s konvencionalnim sočivima deljenjem sočiva u skup koncentričnih prstenastih preseka. Idealna Fresnelova sočiva imala bi beskonačan broj preseka. U svakom odeljku, ukupna debljina se smanjuje u odnosu na ekvivalentno jednostavno sočivo. Ovo efikasno deli neprekidnu površinu standardnog sočiva na skup površina iste zakrivljenosti, sa postepenim diskontinuitetima između njih.

U nekim sočivima zakrivljene površine se zamenjuju ravnim površinama, sa različitim uglom u svakom delu. Takva sočiva mogu se smatrati nizom prizmi raspoređenih kružno, sa strmijim prizmama na ivicama i ravnim ili blago konveksnim središtem. U prvim (i najvećim) Fresnelovim sočivima, svaki odeljak je zapravo bio zasebna prizma. Kasnije su proizvedena „jednodelna“ Fresnelova sočiva koja su korišćena za automobilska prednja svetla, kočnice, parking i retrovizore i slično. U moderno doba računarsko kontrolisana glodalica (CNC) može se koristiti za proizvodnju složenijih sočiva.

Dizajn sočiva Fresnel omogućava znatno smanjenje debljine (a time i mase i zapremine materijala), na račun smanjenja kvaliteta slike sočiva, zbog čega precizne aplikacije za snimanje slike, kao što su fotografije, i dalje koriste veća konvencionalna sočiva.

Fresnelova sočiva obično su napravljene od stakla ili plastike; njihova veličina varira od velikih (stari istorijski svetionici, veličina od metra) do srednjih (pomagala za čitanje knjiga, projektori OHP pregledača) do malih (TLR / SLR ekrani fotoaparata, mikrooptika). U mnogim slučajevima su vrlo tanki i ravni, gotovo fleksibilni, debljine u opsegu od 1 do 5 mm.

Moderna Fresnelova sočiva obično se sastoje od refrakcijskih elemenata. Međutim, mnogi svetionici imaju i refrakcijske i reflektirajuće elemente, kao što je prikazano na fotografijama i dijagramu. Odnosno, spoljni elementi su odseci reflektora, dok su unutrašnji elementi refrakciona sočiva. Totalni unutrašnji odraz se često koristio da se izbegne gubitak svetlosti u refleksiji od srebrnog ogledala.

Veličina sočiva za svetionike[uredi | uredi izvor]

Svetionik Makapuu Point Light, Hiper zračujuća sočiva
Svetionik Cape Meares Lighthouse, Sočiva prvog reda

Svetionik Cape Meares ima Fresnelova sočiva prvog reda. Fresnel je proizveo šest veličina sočiva za svetionike, podeljenih u četiri reda na osnovu njihove veličine i žižne daljine[9]. U savremenoj upotrebi, oni se klasifikuju kao prvi do šesti red. Kasnije je dodata srednja veličina 3 1⁄2 između trećeg i četvrtog reda, kao i veličine iznad prvog i ispod šestog reda.

Sočivo prvog reda ima žižnu daljinu od 920 mm i maksimalni prečnik od 2590 mm. Kompletna konstrukcija je visoka oko 3,7 m i široka 1,8 m. Najmanje sočivo šestog reda ima žižnu daljinu od 150 mm i prečnik od 433 mm[9][10][11] .

Najveća Fresnelova sočiva nazivaju se hiperzračujuća Fresnelova sočiva. Jedno takvo sočivo bilo je na raspolaganju kada je odlučeno da se izgradi i opremi svetionik Makapuu Point Light na Havajima. Umesto da se naruči novo sočivo, korišćena je ogromna optička konstrukcija, visoka 3,7 metara sa preko hiljadu prizmi[12].

Veličina sočiva za svetionike za porudžbinu[13]
Red sočiva
za porudžbinu 		Žižna
daljina
(mm) 		Visina
(m) 		Težina
(Kg) 		Izgrađeno
komada
Osmi red* 75-70 0.083 6 ?
Sedmi red* 140-100 0.165 15 54
Šesti red 150 0.433 26 do 220 635
Peti red 187.5 0.541 265 do 441 580
Četvrti red 250 0.722 441 do 661 889
3 1⁄2 red* 375 1.09 1.200 25
Treči red 500 1.576 1.984 384
Drugi red 700 2.069 3.527 261
Prvi red 920 2.59 12.787 467
Srednje zračujuća* 1125 3.20 15.636 2
Hiper zračujuća* 1330 3.76 18.485 29
* Ove veličine su razvijene krajem 1800-ih i bile su proširenje Fresnelovog dizajna.
Sočiva sedmog i osmog reda korišćena su gotovo isključivo u Škotskoj i Kanadi.
  • Sočivo prvog reda
    Sočivo prvog reda
  • Sočivo prvog reda - levo
    Sočivo prvog reda - levo
  • Sočivo prvog reda (Martha's Vineyard Museum)
    Sočivo prvog reda (Martha's Vineyard Museum)
  • Sočivo četvrtog reda - izbliza
    Sočivo četvrtog reda - izbliza
  • Sočivo trećeg reda (St. Simons Island Light)
    Sočivo trećeg reda (St. Simons Island Light)
  • Sočivo četvrtog reda (Sekizaki Lighthouse, Japan)
    Sočivo četvrtog reda (Sekizaki Lighthouse, Japan)
  • Sočivo četvrtog reda (Nobska Light)
    Sočivo četvrtog reda (Nobska Light)
  • Sočivo četvrtog reda (Cape Espichel Lighthouse, Portugalija)

Vrste sočiva[uredi | uredi izvor]

Postoje dve glavne vrste Fresnelovih sočiva: za snimanje i nesnimanje. Za snimanje Fresnelova sočiva koriste segmente sa zakrivljenim presecima i stvaraju oštre slike, dok sočiva koja nemaju slike imaju segmente s ravnim presekom i ne stvaraju oštre slike[14]. Kako se broj segmenata povećava, dve vrste sočiva postaju sličnije jedna drugoj. U apstraktnom slučaju beskonačnog broja segmenata nestaje razlika između zakrivljenih i ravnih segmenata.

Obrada slike[uredi | uredi izvor]

Sferno

Sferna Fresnelova sočiva ekvivalentna su jednostavnim sfernim sočivima, koristeći segmente u obliku prstena koji su svaki deo sfere, koji sve fokusiraju na jednu tačku. Ova vrsta sočiva daje oštru sliku, iako ne tako jasnu kao ekvivalentna jednostavna sferna sočiva zbog difrakcije na ivicama grebena.

Cilindrično

Cilindrična Fresnelova sočiva ekvivalentna je jednostavnom cilindričnom sočivu, koristeći ravne segmente sa kružnim presekom, fokusirajući svetlo u jednoj liniji. Ova vrsta daje oštru sliku, iako ne tako jasnu kao ekvivalentna jednostavna cilindrična sočiva zbog difrakcije na ivicama grebena.

Bez slike[uredi | uredi izvor]

Mesto

Fresnelovo sočivo bez slike koristi segmente u obliku prstena sa presecima koji su ravne linije, a ne kružni lukovi. Takva sočiva mogu da fokusiraju svetlo na malo mesto, ali ne stvaraju oštru sliku. Ova sočiva imaju primenu u solarnom napajanju, kao što je fokusiranje sunčeve svetlosti na solarni panel. Fresnelova sočiva mogu se koristiti kao komponente Kohlerove osvetljavajuće optike što rezultira vrlo efikasnom optikom koja ne sadrži sliku Fresnel-Kohler (FK) solarni koncentratori.[15].

Linearno

Linearno Fresnelovo sočivo bez slike koristi ravne segmente čiji su preseci ravne linije, a ne lukovi. Ova sočiva fokusiraju svetlo u uski opseg. Oni ne stvaraju oštru sliku, ali se mogu koristiti u solarnoj energiji, kao što je fokusiranje sunčeve svetlosti na cevi, za zagrevanje vode unutar:[1] Arhivirano na sajtu Wayback Machine (11. decembar 2013).

Korišćenje sočiva[uredi | uredi izvor]

Vizuelni prikaz[uredi | uredi izvor]

Plastična Fresnel sočiva prodaje se kao uređaj za uvećanje TV ekrana
Fresnel sočiva korišćena na prenosnom CRT televizoru, koji samo povećava vertikalni aspekt ekrana

Fresnelova sočiva koriste se kao jednostavne ručne lupe. Takođe se koriste za ispravljanje nekoliko vidnih poremećaja, uključujući poremećaje motorike oka kao što je strabizam[16]. Fresnelova sočiva korišćena su za povećanje vizuelne veličine CRT displeja na džepnim televizorima, posebno na Sinclair TV80. Takođe se koriste i na semaforima.

Fresnelova sočiva koriste se na evropskim kamionima koji voze desnom kolovoznom trakom kada ulaze u Veliku Britaniju i Republiku Irsku (i obrnuto, irskim i britanskim kamionima koji voze levom kolovoznom trakom kada ulaze u kontinentalnu Evropu) da bi se prevazišli slepi ugao koji vozač ima kada upravlja kamionom i sedi na suprotnoj strani kabine u odnosu na stranu puta na kojoj se nalazi automobil. Pričvršćuju se na prozor suvozača[17].

Multifokalna Fresnelova sočiva takođe se koriste kao deo identifikacionih kamera mrežnice, gde pružaju više slika u fokusu i van fokusa cilja fiksacije unutar kamere. Za gotovo sve korisnike, bar jedna od slika biće u fokusu, omogućavajući tako ispravno poravnanje očiju.

Fresnelova sočiva takođe se koriste u polju popularne zabave. Britanski rok umetnik Peter Gabriel iskoristio ih je u svojim ranim solo izvedbama da poveća veličinu glave, za razliku od ostatka tela, za dramatičan i komičan efekat. U filmu Teri Giliam. U Brazilu plastični Fresnelovi ekrani izgledaju kao lupe za male CRT monitore koji se koriste u kancelarijama Ministarstva za informacije. Međutim, povremeno se pojavljuju između glumaca i kamere, izobličujući obim i kompoziciju scene, na šaljiv efekat. Pikarov film Val E ima Fresnelovo sočivo u scenama u kojima protagonista gleda mjuzikl Helo, Doli! uvećan na Aipodu

Fotografija[uredi | uredi izvor]

Kanon i Nikon koristili su Fresnel sočiva za smanjenje veličine teleobjektiva. Fotografska sočiva koja uključuju Fresnelove elemente mogu biti mnogo kraća od odgovarajućeg dizajna objektiva. Nikon naziva njihovu tehnologiju Faza Fresnel[18][19].

Polaroid SX-70 kamera je koristila Fresnel reflektor kao deo svog sistema za gledanje.

Kamere sa velikim i širokim formatom mogu da koriste Fresnel sočiva u kombinaciji sa osnovnim staklom kako bi povećale uočenu svetlinu slike koja se projektovala na sočivo i tako pomogla u podešavanju fokusa i kompozicije.

Osvetljavanje[uredi | uredi izvor]

sočiva za svetionike i pogonski mehanizam

Visokokvalitetna staklena Fresnelova sočiva korišćena su u svetionicima, gde su se smatrali najsavremenijim krajem 19. i sredinom 20. veka; većina svetionika ih je sada povukla iz službe[20]. Sistemi sočiva Fighnel svjetionika obično uključuju dodatne prstenaste prizmatične elemente, raspoređene u facetiranim kupolama iznad i ispod centralnog ravninskog Fresnelovog elementa, kako bi se uhvatila sva svjetlost emitovana iz izvora svjetlosti. Put svetlosti kroz ove elemente može sadržavati unutrašnji odraz, a ne jednostavno refrakciju u ravninskom Fresnelovom elementu. Ova sočiva su dizajnerima, građevinarima i korisnicima svetionika pružila mnoge praktične koristi. Između ostalog, manja sočiva bi se mogla uklopiti u kompaktnije prostore. Veći prenos svetlosti na većim rastojanjima i različiti obrasci omogućavali su trijaguliranje položaja[21].

Najraširenija upotreba Fresnel sočiva pojavila u automobilskim farovima, gde mogu da oblikuju približno paralelni snop paraboličnog reflektora da ispune zahteve za uzorcima dugih i kratkih svetla, često oba u istoj jedinici prednjih svetla (kao što je kao evropski dizajn H4). Iz razloga ekonomičnosti, težine i otpornosti na udarce, noviji automobili su dozirano koridtili staklena Fresnelova sočiva, koristeći višestruke reflektore sa običnim polikarbonatnim sočivima. Međutim, Fresnel sočiva i dalje se široko koriste u automobilskim zadnjim svetlima.

Staklena Fresnelova sočiva takođe se koriste u svetlosnim instrumentima za pozorište i filmsku rasvetu (vidi Fresnel fenjer); takvi se instrumenti često nazivaju Fresnel. Ceo instrument se sastoji od metalnog kućišta, reflektora, sklopa lampe i Fresnel sočiva. Mnogi Fresnelovi instrumenti omogućavaju pomeranje lampe u odnosu na fokusnu tačku sočiva, za povećanje ili smanjenje veličine svetlosnog snopa. Kao rezultat, oni su vrlo fleksibilni i često mogu da daju svtlosni snop uski čak 7° ili široki do 70°[22].

Optički sistem sletanja na nosač aviona američke mornarice

Fresnelova sočiva korisna su u snimanju filmova ne samo zbog svoje sposobnosti fokusiranja snopa jačeg od uobičajenog sočiva, već i zbog toga što je svetlost relativno konzistentnog intenziteta po celoj širini snopa svetlosti.

Optički sistem za sletanje aviona na nosač aviona američke mornarice USS Dvight D. Eisenhover. Avioprevoznici i mornaričke vazdušne stanice obično koriste Fresnelove leće u svojim optičkim sistemima sletanja. Svetlo pomaže pilotu u održavanju pravilnog nagiba poniranja za sletanje. U centru su jantarne i crvene lampice sastavljene od Fresnelovih sočiva. Iako su svetla uvek upaljena, ugao sočiva sa stanovišta pilota određuje boju i položaj vidljive svetlosti. Ako se crvena svetla pojave iznad zelene horizontalne trake, pilot je previsok. Ako se crvena svetla pojave ispod zelene horizontalne trake, pilot je prenizak, a ako se vide samo crvena svetla, pilot je veoma nisko.

Projekcija[uredi | uredi izvor]

Upotreba Fresnelovih sočiva za projekciju slike smanjuje kvalitet slike, tako da ona imaju tendenciju da se javljaju samo tamo gde kvalitet nije kritičan ili gde bi većina čvrstih sočiva bila nedovoljna. Jeftina Fresnelova sočiva mogu se oblikovati od providne plastike i koriste se u grafoskopima i projekcijskim televizorima.

Fresnelova sočiva različite žarišne dužine (jedan kolimator i jedan sakupljač) koriste se u komercijalnoj i uradi sam projekciji. Kolimatorska sočiva ima nižu žarišnu duljinu i postavlja se bliže izvoru svetlosti, a kolekcionarska sočiva, koja fokusira svetlost u trostruko sočivo, postavljaju se nakon projekcione slike (aktivni matrični LCD panel u LCD projektorima). Fresnelove leće takođe se koriste kao kolimatori u grafoskopima.

Solarna energija[uredi | uredi izvor]

Pošto se plastična Fresnelova sočiva mogu biti napravljena veća od staklenih sočiva, a takođe su i mnogo jeftinija i lakša, koriste se za koncentrisanje sunčeve svetlosti za grejanje u solarnim šporetima, solarnim kovačnicama i u solarnim kolektorima koji se koriste za grejanje vode za kućnu upotrebu. Takođe se mogu koristiti za proizvodnju pare ili za pogon Stirlingovog motora.

Fresnelova sočiva mogu da koncentrišu sunčevu svetlost na solarne ćelije u omjeru skoro 500: 1[23]. To omogućava smanjenju aktivne površine solarnih ćelija, smanjujući troškove i omogućava upotrebu efikasnijih ćelija koje bi inače bile preskupe[24]. Početkom 21. veka Fresnelovi reflektori su se počeli koristiti za koncentriranje solarnih elektrana (CSP) za koncentriranje solarne energije.

Fresnelova sočiva mogu se koristiti za sinterovanje peska, omogućavajući 3D štampanje u čaši[25].

Virtuelna realnost[uredi | uredi izvor]

Mnoge VR slušalice koriste Fresnel sočiva, poput Oculus Rifta i HTC Vivea kako bi se lakše fokusirale na ekrane.

Proizvođači Fresnel sočiva, kompanije Tomas Tag[uredi | uredi izvor]

Mnoge kompanije su bile uključene u razvoj i usavršavanje Fresnel sočiva[26]. Neki su isporučili samo staklo za sočiva, bilo u grubom obliku, bilo u liveno i polirano. Ostale kompanije sastavile su staklene elemente i obavile završne radove na elementima sočiva. Druge kompanije su proizvele i staklo i gotova sočiva.

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ „Fresnel lens”. Merriam-Webster. Arhivirano iz originala 17. 12. 2013. g. Pristupljeno 22. 8. 2020. 
  2. ^ Wells, John (3. 4. 2008). Longman Pronunciation Dictionary (3rd izd.). Pearson Longman. ISBN 978-1-4058-8118-0. 
  3. ^ Bernhard, Adrienne (21. 6. 2019). „The invention that saved a million ships”. BBC. Pristupljeno 22. 8. 2020. 
  4. ^ „Fresnel lens”. Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica Inc. 2012. Pristupljeno 5. 7. 2012. 
  5. ^ „Fresnel lens”. Appleton's Dictionary of Machines, Mechanics, Engine-work, and Engineering. New York: D. Appleton and Co. 2: 609. 1874. 
  6. ^ Watson, Bruce. "Science Makes a Better Lighthouse Lens." Smithsonian. August 1999 v30 i5 p30. produced in Biography Resource Center. Farmington Hills, Mich.: Thomson Gale. 2005.
  7. ^ "Brewster, Sir David." Encyclopædia Britannica. 2005. Encyclopædia Britannica Online. 11 November 2005.
  8. ^ "David Brewster." World of Invention, 2nd ed. Gale Group, 1999.
  9. ^ a b Mabel A. Baiges (1988). „Fresnel Orders” (TIFF). Arhivirano iz originala 21. 9. 2015. g. Pristupljeno 9. 9. 2012. 
  10. ^ „Fresnel lenses”. Arhivirano iz originala 27. 9. 2007. g. Pristupljeno 1. 6. 2007. 
  11. ^ „Fresnel lenses”. Michigan Lighthouse Conservancy. 31. 1. 2008. Arhivirano iz originala 21. 09. 2012. g. Pristupljeno 9. 9. 2012. 
  12. ^ „Makapu'u, HI”. Anderson, Kraig. Lighthouse Friends. Arhivirano iz originala 05. 10. 2008. g. Pristupljeno 26. 2. 2009. 
  13. ^ „United States Lighthouse Society 'Fresnel Lens Orders, Sizes, Weights, Quantities and Costs'”. Arhivirano iz originala 26. 09. 2020. g. Pristupljeno 26. 08. 2020. 
  14. ^ Nonimaging Optics by R. Winston, J. C. Miñano, and P. G. Benítez, (Academic, 2005).
  15. ^ Chaves, Julio (2015). Introduction to Nonimaging Optics, Second Edition. CRC Press. ISBN 978-1482206739. 
  16. ^ Shishavanf, Amir Asgharzadeh; Nordin, Leland; Tjossem, Paul; Abramoff, Michael D.; Toor, Fatima (2016). Engheta, Nader; Noginov, Mikhail A.; Zheludev, Nikolay I., ur. „PMMA-based ophthalmic contact lens for vision correction of strabismus”. Metamaterials, Metadevices, and Metasystems 2016. 9918. Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers: 16—23. S2CID 125689110. doi:10.1117/12.2237994. Pristupljeno 21. 6. 2020. 
  17. ^ Lowe, David (3. 12. 2011). Lowe's Transport Manager's and Operator's Handbook 2012. Kogan Page Publishers. ISBN 9780749464103. 
  18. ^ Nikon Arhivirano 2015-02-15 na sajtu Wayback Machine
  19. ^ The Digital Picture Arhivirano 2015-01-14 na sajtu Wayback Machine
  20. ^ Terry Pepper, Seeing the Light, The Incredible Fresnel Lens. Arhivirano 2008-05-29 na sajtu Wayback Machine
  21. ^ Terry Pepper, Seeing the Light, Fresnel lens. Arhivirano 2008-05-29 na sajtu Wayback Machine
  22. ^ Mum, Robert C., Photometrics Handbook. Broadway Press. 2nd Edition. Page 36.
  23. ^ „Soitec's Concentrix technology”. Arhivirano iz originala 17. 4. 2011. g. Pristupljeno 3. 9. 2013. 
  24. ^ „Soitec's high-performance Concentrix technology”. Arhivirano iz originala 23. 9. 2013. g. Pristupljeno 3. 9. 2013. 
  25. ^ „this 3d printer runs on sand and sun”. 24. 8. 2016. Arhivirano iz originala 1. 12. 2017. g. Pristupljeno 18. 5. 2017. 
  26. ^ „The Fresnel Lens Makers by Thomas Tag”. uslhs.org. United States Lighthouse Society. Arhivirano iz originala 14. 02. 2019. g. Pristupljeno 27. 8. 2020. 

Literatura[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Fresnelova sočiva na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Фреснелова_сочива&oldid=27722094”