Ce se poate face cu lentilele Fresnel. Optica

În ciuda varietății de senzori de mișcare în infraroșu, aproape toți au aceeași structură. Elementul principal al acestora este un pirodetector sau un pirodetector, care include două elemente sensibile.

Zona de detectare a receptorului piro este de două dreptunghiuri înguste. Pentru a crește aria de detectare de la un singur fascicul dreptunghiular la valoarea maximă posibilă
si ii creste sensibilitatea, se folosesc lentile convergente.

Lentila convergentă are formă convexă, direcționează razele optice incidente asupra ei către un punct F - acesta este focalizarea principală a lentilei. Dacă utilizați mai multe dintre aceste lentile, zona de detectare va crește.

Utilizarea lentilelor sferice convexe face ca designul dispozitivului să fie mai greu și mai scump. Prin urmare, în senzorii de mișcare și prezență în infraroșu, se folosește o lentilă Fresnel.

Lentila Fresnel. Istoria creației

Fizicianul francez Auguste Fresnel și-a propus în 1819 propriul design de lentile pentru un far.

Lentila Fresnel este formată dintr-o lentilă sferică. Acesta din urmă a fost împărțit în multe inele, reduse în grosime. Deci s-a dovedit un obiectiv plat.

Datorită acestei forme, lentilele au început să fie fabricate dintr-o placă subțire de plastic, ceea ce a făcut posibilă utilizarea lor în dispozitive de iluminat și senzori de mișcare și prezență.

Lentilele senzorului sunt formate din mai multe segmente, care sunt lentile Fresnel. Fiecare segment scanează o zonă specifică a zonei de acoperire a senzorului. Formele lentilelor senzorilor de mișcare determină forma zonei de detectare.

De exemplu, la dispozitivele de tavan, forma lentilelor este o emisferă, respectiv 360 de grade. Pentru dispozitivele cu lentile cilindrice, este de obicei 110-140 de grade. Există și forme pătrate ale zonelor de detectare.

Linia B.E.G de senzori de mișcare și prezență în infraroșu dispune de lentile Fresnel de înaltă calitate care oferă performanțe excelente de detectare.

Spre deosebire de difuzoarele prismatice și de alte difuzoare, lentilele din dispozitivele de iluminat sunt aproape întotdeauna folosite pentru iluminarea spot. De regulă, sistemele optice care utilizează lentile constau dintr-un reflector (reflector) și una sau mai multe lentile.

Lentilele convergente direcţionează lumina de la o sursă situată la punctul focal într-un fascicul de lumină paralel. De regulă, ele sunt utilizate în structurile de iluminat împreună cu un reflector. Reflectorul direcționează fluxul de lumină sub formă de fascicul în direcția corectă, iar lentila concentrează (colectează) lumina. Distanța dintre lentila convergentă și sursa de lumină este de obicei variabilă, permițând reglarea unghiului de obținut.

Un sistem atât al unei surse de lumină, cât și al unei lentile convergente (stânga) și un sistem similar al unei surse și al unei lentile Fresnel (dreapta). Unghiul fluxului luminos poate fi modificat prin modificarea distanței dintre lentilă și sursa de lumină.

Lentilele Fresnel constau din segmente separate, concentrice, în formă de inel, adiacente unul altuia. Și-au primit numele în onoarea fizicianului francez Augustin Fresnel, care a propus și a pus în practică un astfel de design în corpurile de iluminat ale farului. Efectul optic al unor astfel de lentile este comparabil cu cel al lentilelor tradiționale de formă sau curbură similară.

Cu toate acestea, lentilele Fresnel au o serie de avantaje, datorită cărora sunt utilizate pe scară largă în proiecte de iluminat. În special, sunt mult mai subțiri și mai ieftin de fabricat decât lentilele convergente. Designerii Francisco Gomez Paz și Paolo Rizzatto nu au omis să profite de aceste caracteristici în munca lor la o gamă de modele luminoase și magice.

Fabricate din policarbonat ușor și subțire, „foile” Hope, așa cum le numește Gomez Paz, nu sunt altceva decât lentile Fresnel difuze, subțiri și mari, care creează o strălucire magică, strălucitoare și voluminoasă prin acoperirea cu o peliculă de policarbonat texturată cu microprisme.

Paolo Rizzatto a descris proiectul după cum urmează:
„De ce lustrele de cristal și-au pierdut relevanța? Pentru că sunt prea scumpe, foarte greu de manipulat și fabricat. Am descompus ideea însăși în componente și am modernizat fiecare dintre ele.”

Iată ce a avut de spus un coleg despre asta:
„Cu câțiva ani în urmă, posibilitățile minunate ale lentilelor Fresnel ne-au atras atenția. Caracteristicile lor geometrice fac posibilă obținerea acelorași proprietăți optice ca și lentilele convenționale, dar pe o suprafață complet plană a petalelor.

Cu toate acestea, utilizarea lentilelor Fresnel pentru a crea astfel de produse unice, combinând un proiect de design grozav cu soluții tehnologice moderne, este încă rară.

Astfel de lentile sunt utilizate pe scară largă în iluminarea scenei cu spoturi, unde vă permit să creați un punct de lumină neuniform cu margini moi, îmbinându-se perfect cu compoziția generală a luminii. În zilele noastre s-au răspândit și în schemele de iluminat arhitectural, în cazurile în care este necesară reglarea individuală a unghiului de lumină, când distanța dintre obiectul iluminat și lampă se poate modifica.

Performanța optică a unei lentile Fresnel este limitată de așa-numita aberație cromatică care se formează la joncțiunile segmentelor sale. Din această cauză, pe marginile imaginilor obiectelor apare un chenar curcubeu. Faptul că o trăsătură aparent defectuoasă a lentilei a fost transformată într-o virtute subliniază încă o dată puterea gândirii inovatoare a autorilor și atenția lor la detalii.

Design de iluminat al unui far folosind lentile Fresnel. Structura inelului lentilei este clar vizibilă în imagine.

Sistemele de proiecție constau fie dintr-un reflector eliptic, fie dintr-o combinație de reflector parabolic și un condensator care direcționează lumina către un colimator, care poate fi completat și cu accesorii optice. După aceea, lumina este proiectată pe un plan.

Sisteme de reflectoare: un colimator iluminat uniform (1) direcționează lumina printr-un sistem de lentile (2). În stânga este un reflector parabolic cu o putere de lumină ridicată, în dreapta este un condensator care permite o rezoluție ridicată.

Mărimea imaginii și unghiul de lumină sunt determinate de caracteristicile colimatorului. Perdelele simple sau diafragmele irisului formează fascicule de lumină de diferite dimensiuni. Măștile de contur pot fi folosite pentru a crea diferite contururi ale fasciculului de lumină. Puteți proiecta logo-uri sau imagini folosind o lentilă gobo cu desene imprimate pe ele.

Pot fi selectate diferite unghiuri de lumină sau dimensiunea imaginii în funcție de distanța focală a lentilelor. Spre deosebire de corpurile de iluminat care folosesc lentile Fresnel, aici este posibil să se creeze fascicule de lumină cu contururi clare. Contururile moi pot fi realizate prin deplasarea focalizării.

Exemple de accesorii opționale (de la stânga la dreapta): o lentilă pentru a crea un fascicul larg de lumină, o lentilă sculptată pentru a da fasciculului o formă ovală, un deflector canelat și o „lentila de tip fagure” pentru a reduce strălucirea.

Lentilele în trepte transformă razele de lumină în așa fel încât acestea să fie undeva între lumina „netedă” a unei lentile Fresnel și lumina „dură” a unei lentile plano-convexe. Suprafața convexă se păstrează în lentile trepte, totuși, pe partea laterală a suprafeței plane sunt realizate adâncituri trepte, formând cercuri concentrice.

Părțile frontale ale treptelor (risers) ale cercurilor concentrice sunt adesea opace (fie pictate peste, fie au o suprafață mată ciobită), ceea ce face posibilă tăierea radiației împrăștiate a lămpii și formarea unui fascicul de raze paralele.

Spoturile Fresnel formează un punct de lumină neuniform cu margini moi și un ușor halou în jurul locului, ceea ce face ușor amestecarea cu alte surse de lumină pentru a crea un model de lumină naturală. De aceea spoturile Fresnel sunt folosite în cinema.

Spoturile cu lentilă plan-convexă, în comparație cu spoturile cu lentilă Fresnel, formează un spot mai uniform, cu o tranziție mai puțin pronunțată la marginile spotului luminos.

Vizitați blogul nostru pentru a afla lucruri noi despre corpuri de iluminat și design de iluminat.

Lentila Fresnel mărește portretul creatorului său. (Pagină din volumul „Fizica, partea a 2-a” a Enciclopediei pentru copii a editurii „Avanta +”).

Puteți colecta lumina într-un fascicul îngust folosind o oglindă concavă (a) sau o lentilă (b), plasând sursa de lumină în punctul focal. La o oglindă sferică, se află la o distanță de jumătate din raza de curbură a oglinzii.

O lentilă convergentă poate fi gândită ca un set de prisme care deviază razele de lumină către un singur punct - focalizarea. Prin creșterea repetă a numărului acestor prisme, respectiv reducerea dimensiunii acestora, obținem practic lentilă plată- Lentila Fresnel.

Proiectarea sistemului de iluminat al farului (desen Fresnel). Lumina arzatorului F este focalizata de lentilele L si L" reflectate de oglinzile M. Lumina arzatorului care se propaga in jos este reflectata in directia dorita printr-un sistem de oglinzi (arata printr-o linie punctata).

Așa arată un obiectiv Fresnel modern. Adesea este făcut dintr-o singură bucată de sticlă.

Rigla pentru lentile Fresnel focalizează razele soarelui nu mai rău și chiar mai bine (pentru că este mai mare) decât o lentilă convențională din sticlă. Razele soarelui adunate de ea au dat instantaneu foc unei plăci uscate de pin.

Unul dintre creatorii teoriei ondulatorii a luminii, remarcabilul fizician francez Augustin Jean Fresnel s-a născut într-un orășel de lângă Paris în 1788. A crescut ca un băiat bolnav. Profesorii îl considerau prost: la opt ani nu știa să citească și cu greu își amintea lecția. Cu toate acestea, în liceu, Fresnel a dat dovadă de aptitudini remarcabile pentru matematică, în special pentru geometrie. După ce a primit studii inginerești, din 1809 a participat la proiectarea și construcția de drumuri și poduri în diferite departamente ale țării. Cu toate acestea, interesele și oportunitățile sale erau mult mai largi decât simple activități de inginerie în sălbăticia provinciei. Fresnel a vrut să facă știință; era interesat în special de optică, ale cărei fundamente teoretice tocmai începuseră să prindă contur. El a studiat comportamentul razelor de lumină care trec prin găuri înguste, îndoindu-se în jurul firelor subțiri și a marginilor plăcilor. După ce a explicat trăsăturile imaginilor care apar în acest caz, Fresnel și-a creat în 1818-1819 teoria interferenței optice și a difracției - fenomene care apar datorită naturii ondulatorii a luminii.

La începutul secolului al XIX-lea, statele maritime europene au decis să colaboreze pentru a îmbunătăți farurile - cele mai importante dispozitive de navigație ale vremii. În Franța, a fost creată o comisie specială în acest scop, iar Fresnel a fost invitat să lucreze în ea datorită experienței sale bogate în inginerie și cunoștințelor profunde în optică.

Lumina farului ar trebui să fie vizibilă departe, astfel încât felinarul farului este ridicat la un turn înalt. Și pentru a-și colecta lumina în raze, felinarul trebuie să fie plasat în focarul fie al unei oglinzi concave, fie al unei lentile convergente, și una destul de mare. Oglinda, desigur, poate fi făcută de orice dimensiune, dar dă un singur fascicul, iar lumina farului trebuie să fie vizibilă de peste tot. Prin urmare, uneori, o duzină și jumătate de oglinzi au fost plasate pe faruri cu un felinar separat în centrul fiecărei oglinzi (vezi Știința și Viața, nr. 4, 2009, articol). În jurul unei lămpi pot fi montate mai multe lentile, dar este aproape imposibil să le faci de dimensiunea necesară - mare. În sticla unei lentile masive, vor exista inevitabil neomogenități, își va pierde forma sub influența propriei gravitații și, din cauza încălzirii neuniforme, poate izbucni.

Era nevoie de idei noi, iar comisia, invitând Fresnel, a făcut alegerea potrivita: în 1819 a propus proiectarea unei lentile compuse, lipsită de toate neajunsurile inerente unei lentile convenționale. Probabil că Fresnel a raționat așa. O lentilă poate fi reprezentată ca un set de prisme care refractează razele de lumină paralele - deviază-le în astfel de unghiuri încât după refracție să convergă către un punct focal. Aceasta înseamnă că în loc de o lentilă mare, puteți asambla o structură sub formă de inele subțiri din prisme triunghiulare separate.

Fresnel nu numai că a calculat forma profilelor inelelor, el a dezvoltat și tehnologia și a controlat întregul proces de creare a acestora, acționând adesea ca un simplu muncitor (subordonații s-au dovedit a fi extrem de neexperimentați). Eforturile lui au dat rezultate strălucitoare. „Strălucirea luminii pe care o oferă noul dispozitiv i-a surprins pe marinari”, a scris Fresnel prietenilor. Și chiar și britanicii - concurenți de mult timp ai francezilor pe mare - au recunoscut că designul farurilor franceze s-a dovedit a fi cel mai bun. Sistemul lor optic era format din opt lentile Fresnel pătrate cu o latură de 2,5 m, care aveau o distanță focală de 920 mm.

Au trecut 190 de ani de atunci, dar design-urile propuse de Fresnel rămân un dispozitiv tehnic de neegalat, și nu doar pentru faruri și geamanduri fluviale. Până nu demult, ochelari de diferite lumini de semnalizare, faruri de mașini, semafoare, piese de proiectoare de prelegeri erau realizate sub formă de lentile Fresnel. Și recent, au apărut lupe sub formă de rigle din plastic transparent, cu caneluri circulare abia vizibile. Fiecare astfel de canelura este o prismă inelară miniaturală; iar împreună formează o lentilă convergentă, care poate funcționa atât ca lupă, mărind obiectul, cât și ca obiectiv al camerei, creând o imagine inversată. O astfel de lentilă este capabilă să colecteze lumina Soarelui într-o pată mică și să dea foc unei plăci uscate, ca să nu mai vorbim de o bucată de hârtie (în special neagră).

Lentila Fresnel poate fi nu numai colectoare (pozitivă), ci și împrăștiere (negativă) - pentru aceasta trebuie să faceți prisme inelare-caneluri pe o bucată de plastic transparent de altă formă. Mai mult, o lentilă Fresnel negativă cu o distanță focală foarte mică are un câmp vizual larg, în care o bucată de peisaj este plasată într-o formă redusă, de două până la trei ori mai mare decât acoperă ochiul liber. Astfel de plăci-lentițe „minus” sunt folosite în locul oglinzilor retrovizoare panoramice în mașinile mari, cum ar fi microbuzele și break-urile.

Marginile prismelor miniaturale pot fi acoperite cu un strat de oglindă - de exemplu, prin pulverizarea aluminiului. Apoi lentila Fresnel se transformă într-o oglindă, convexă sau concavă. Fabricate folosind nanotehnologie, astfel de oglinzi sunt utilizate în telescoape care operează în intervalul de raze X. Și turnate în plastic flexibil, oglinzile și lentilele de lumină vizibilă sunt atât de ușor și ieftine de făcut încât sunt produse literalmente mile kilometri sub formă de panglici pentru vitrine sau perdele de baie.

Au existat încercări de a folosi lentile Fresnel pentru a crea lentile plate pentru camere. Dar dificultățile tehnice au stat în calea designerilor. Lumina albă dintr-o prismă este descompusă într-un spectru; la fel se întâmplă și în prismele miniaturale ale unui obiectiv Fresnel. Prin urmare ea are dezavantaj semnificativ- așa-numita aberație cromatică. Din această cauză, pe marginile imaginilor obiectelor apare un chenar curcubeu. La lentilele bune, granița este eliminată prin plasarea de lentile suplimentare (vezi „Știința și viața” nr. 3, 2009, articol). La fel s-ar putea face și cu o lentilă Fresnel, dar atunci o lentilă plată nu ar mai funcționa.

Acest articol va vorbi despre lentila Fresnelși cum să-l folosești pentru a face foc.

Obținerea focului de la soare cu o lupă este un proces foarte laborios, dar fascinant. Totuși, întotdeauna îți dorești ceva mai mult. De exemplu, pentru ca focul să se aprindă imediat când fasciculul este focalizat pe un obiect, fără să țină rituri și ritualuri șamanice, adică fără prea mult efort. Dar pentru aceasta trebuie să colectați cât mai multă lumină solară într-un fascicul, adică aveți nevoie de o lentilă diametru mare. Dar iată toată problema: în ceea ce privește lentila de sticlă obișnuită.

1. O lentilă cu diametru mare este dificil de obținut (cumpărat).(De obicei, cele mai mari lentile au un diametru de aproximativ 100-120 mm)
2. Un astfel de obiectiv va costa mult.
3. Va fi incomod să-l porți cu tine, deoarece lentila mare cântărește mult + este de sticlă și se poate sparge.

Lentila Fresnel.

Lentila Fresnel este plastic placa transparenta cu crestături concentrice. Toate crestăturile oferă focalizarea într-un singur loc. Se dovedește un fel de lentilă compozită. În acest caz, lentila Fresnel poate fi mareși să fie ușor în greutate.

cel mai lentila mare pe care am reușit să-l comand în magazinele online locale este un obiectiv aproximativ de dimensiunea unei foi A4. Pretul este mic in comparatie cu lupe de sticla.

Puterea de mărire a acestui obiectiv nu m-a interesat prea mult. Permiteți-mi doar să spun că multiplicitatea sa este de 3x.

Lentila Fresnel. Primind foc de la soare.

În sfârșit, ieșind în natură, am testat lentila Fresnel în acțiune. Deci, luna septembrie, temperatura este puțin sub 20 de grade Celsius, vremea este însorită, timpul este puțin peste 14 ore.

Să încercăm în sfârșit să dăm foc la ceva cu ajutorul unui obiectiv.
Fără ezitare, găsesc un băț putred. Mă concentrez asupra lui un fascicul de lumină solară. Apoi, ard puțin într-un singur loc.

Iar lentila Fresnel mi-a depășit toate așteptările. Bățul începe să se carbonizeze, iar apoi izbucnește o flacără în locul razelor soarelui!

Să încercăm să dăm foc la altceva, de exemplu bucată de scoarță de mesteacăn.
Direcționez un fascicul de lumină pe o scoarță de mesteacăn, concentrând toate razele într-un singur loc cu o lentilă. Observ că lentila este suficient de mare, așa că prinderea unei raze de soare este puțin mai grea, este necesar să se mențină o perpendiculară față de soare. Astfel, cantitatea maximă de lumină solară trece prin lentilă și apoi este focalizată într-un punct.

Ne ardem pentru o perioadă foarte scurtă de timp și scoarța de mesteacăn se aprinde și ea de la razele soarelui. Temperatura este suficientă pentru aprindere.

A da foc lentilei este o plăcere. De exemplu ușor de dat foc frunzelor uscate, care toamna, bine, mult. Aici, adunăm o grămadă de frunze, le punem pe o foaie de fier de la grătar, pentru a nu aprinde focul aici. Apoi, ca de obicei, luăm o lentilă Fresnel, concentrăm cu ea un fascicul de lumină solară și o ardem într-un singur loc.

Frunzele se aprind, în ciuda faptului că soarele era ușor în spatele copacilor, nu era nevoie să sufle!

Un tinder și mai bun este iarba uscată. Colectăm vârfurile uscate ale plantelor.

Se pare că aici există o astfel de grindă de mărimea unui pumn.

Clipește aproape instantaneu! Tinderul perfect în această situație. Cu grija, nu porni focul!

Cu ajutorul unei lentile de Fresnel am reusit sa fac foc chiar și la apus, când soarele se ascundea deja în spatele copacilor și se făcea frig, deși aici era nevoie să umfle iarba uscată și să putrezească din copaci.

Lentila Fresnel ca element dintr-un kit de supraviețuire.

Să vorbim despre caracterul practic și utilitatea unui obiectiv Fresnel. Cu alte cuvinte, merită să iei o lentilă Fresnel cu tine în drumeție sau unde este mai bine să o folosești?

Mai remarc ca vorbim despre o lentila Fresnel de exact aceeasi dimensiune pe care am considerat-o eu. Deoarece lentilele de alte dimensiuni au caracteristici complet diferite. O lentilă mai mică nu este capabilă să producă foc atât de eficient, va trebui să vă deranjați cu tinder și, în consecință, fără anumite abilități, focul poate să nu funcționeze deloc.
Obiectivul este mare, în primul rând, este deja foarte voluminos (nu va mai încăpea într-o geantă) și, în al doilea rând, este și mai dificil să îl cumpărați sau să îl cumpărați.

Deci, pro:

Acum minusurile:

1. Soare, soare. Câte zile însorite sunt într-un an. Dependența de soare este principalul și grasimea minus atunci când se face focul de la o lupă.
2. Lentila este din plastic, deci se poate rupe dacă apăsați mai tare. De asemenea, este ușor să zgârieți crestăturile concentrice. Prin urmare, este mai bine să adaptați un fel de husă pentru obiectiv, de exemplu, un folder de hârtie sau o pungă de plastic sau un fișier.
3. Lentila este încă mare, chibriturile sau o brichetă sunt mult mai mici.
4. În timpul arderii, lumina prea puternică orbește ochii, dar nu este critică. Poți purta ochelari de soare, dar eu personal nu-i folosesc.

Voi concluziona că folosirea unei lentile Fresnel de această dimensiune este recomandabilă în călătoriile autonome când se poate epuiza rezerva de gaz sau chibrituri. Cu cât călătoria autonomă este mai lungă, cu atât utilizarea obiectivului va fi mai practică. În locurile în care soarele strălucește adesea, o lentilă Fresnel se va descurca bine. De exemplu, dacă mergi în Crimeea în munți pentru câteva săptămâni.


Mulțumiri tuturor! Vă doresc mai multe zile însorite!

Trage cu un videoclip cu lentile Fresnel.

Asta e tot. Lasă comentarii!

O lentilă alcătuită din inele concentrice de grosime mică, adiacente unul altuia

Animaţie

Descriere

Lentila Fresnel este unul dintre primele (dacă nu primul) dispozitive bazate pe difracția luminii. În ciuda vechimii sale, nu și-a pierdut semnificația practică până astăzi. Schema scheletică a ideii fizice pe care se bazează funcționarea acesteia este prezentată în fig. unu.

Schemă de construire a zonelor Fresnel pentru un punct de observare la infinit îndepărtat (undă plană)

Orez. unu

O luare în considerare riguroasă a acestui principiu de acțiune necesită un aparat matematic destul de greoi și nu chiar „transparent” pentru o înțelegere calitativă. Prin urmare, în prezent scurta descriere ne vom limita la o prezentare calitativă, bazată pe „imagini” geometrice simple - care, totuși, facilitează înțelegerea principiilor fizice de bază ale produsului. Pentru aceiași cititori care necesită o considerație mai fundamentală, vă sfătuim să vă referiți la literatura citată.

Fie o sursă punctuală de radiație optică cu lungimea de undă l să fie situată în punctul O. Desigur, ca orice sursă punctuală, emite o undă sferică, al cărei front de undă este prezentat în figură ca un cerc. Să ne propunem un obiectiv nobil să „refacem” cumva acest val într-unul plat, propagăndu-se de-a lungul axei punctate. Mai multe fronturi de undă ale acestei unde „proiectate”, separate de l/2, sunt prezentate în Figura 1.

Pentru început, notăm următoarele. Dorim să „construim” o undă plană dintr-o undă sferică existentă în spațiul liber. Prin urmare, în conformitate cu principiul Huygens-Fresnel, doar oscilațiile electromagnetice din cea existentă pot servi drept „surse” undei noastre proiectate. Nu suntem mulțumiți de distribuția spațială a fazei acestor oscilații, adică frontul de undă (sferic) al undei originale. Să încercăm să o reparăm.

Acțiunea unu: rețineți că din punctul de vedere al undelor secundare Huygens-Fresnel (care sunt sferice) o deplasare spațială a unei întregi lungimi de undă în orice direcție nu modifică faza surselor secundare. Prin urmare, ne putem permite, de exemplu, să „rupem” frontul de undă al undei originale, așa cum se arată în Fig. 2.

Distribuția de fază echivalentă a radiatoarelor secundare în spațiu

Orez. 2

Astfel, am „dezasamblat” frontul de undă sferic original în „părți de inel” numărul 1, 2... și așa mai departe. Limitele acestor inele, numite zone Fresnel, sunt determinate de intersecția frontului de undă al undei originale cu o succesiune de fronturi de undă deplasate unul față de celălalt cu l/2 din „unda proiectată”. Imaginea rezultată este deja semnificativ „mai simplă” și reprezintă 2 emițători secundari plate ușor „aspre” (verde și roșu în Fig. 2), care, cu cel mai mare regret, se anulează reciproc datorită semiundei menționate. deplasare reciprocă.

Deci, vedem că zonele Fresnel cu numere impare nu numai că nu contribuie la îndeplinirea sarcinii, ci chiar dăunează în mod activ. Există două moduri de a face față acestui lucru.

Prima metodă (lentila Fresnel de amplitudine).Și să închidem geometric aceste zone ciudate dăunătoare cu inele opace. Așa se face în sistemele de focalizare de dimensiuni mari ale farurilor marine. Desigur, acest lucru nu va realiza colimația ideală a fasciculului. Vedem că partea rămasă, verde, a emițătorilor secundari, în primul rând, nu este complet plată și, în al doilea rând, este discontinuă (cu scăderi zero în locul fostelor zone Fresnel impare). Prin urmare, partea strict colimată a radiației (și amplitudinea sa nu este altceva decât componenta Fourier bidimensională zero a distribuției spațiale a fazei emițătorilor verzi de-a lungul unui front de undă plan cu offset zero, vezi Fig. 2) va fi însoțită. prin zgomot cu unghi larg (toate celelalte componente Fourier cu excepția zero). Prin urmare, lentila Fresnel este aproape imposibil de utilizat pentru imagistica - doar pentru colimarea radiațiilor. Cu toate acestea, partea colimată a fasciculului va fi totuși mult mai puternică decât în ​​absența lentilei Fresnel, deoarece am scăpat cel puțin de contribuția negativă la componenta Fourier zero din zonele Fresnel impare.

A doua metodă (lentila Fresnel de fază). Să facem acum transparente inelele care acoperă zonele Fresnel impare, cu o grosime corespunzătoare defazajului suplimentar l /2 . În acest caz, frontul de undă al radiatoarelor secundare „roșii” se va deplasa și deveni „verde”, vezi fig. 3.

Frontul de undă al emițătorilor secundari în spatele unei lentile Fresnel de fază

Orez. 3

Cu alte cuvinte, am reușit să aducem contribuția dăunătoare inițial la componenta Fourier zero din zonele Fresnel impare într-una utilă, schimbându-i semnul datorită defazajului cu jumătate de undă. Această abordare este utilizată în lentilele Fresnel mai mici, în special în lentilele de colimație de iluminare utilizate în proiectoarele standard de „transparență” pe un ecran.

De fapt, lentilele Fresnel de fază au două versiuni. Primul este un substrat plat cu straturi de semi-undă depuse în regiunile zonelor Fresnel impare (o opțiune mai scumpă). A doua este o piesă de strunjire tridimensională (sau chiar ștanțare polimerică pe o matrice odată făcută, ca un disc de gramofon), realizată sub forma unui „piedestal conic în trepte” cu un pas de jumătate de lungime de undă a defazajului.

Astfel, lentilele Fresnel fac posibilă facerea față colimării fasciculelor cu o deschidere transversală mare, fiind în același timp părți plate de greutate redusă și complexitate de fabricație relativ scăzută. O lentilă de sticlă de far echivalentă cântărește o jumătate de tonă și costă puțin mai puțin decât o lentilă de telescop astronomic. Ideea aici este că la astfel de scări ale produsului, principala dificultate nu mai este în prelucrarea suprafeței lentilei, ci în obținerea unei turnări inițiale a sticlei suficient de omogenă optic. Prin urmare, lentilele Fresnel sunt unul dintre puținele exemple dezvoltarea stiintifica, care a găsit o imediată și largă uz practic(asta este la începutul secolului al XIX-lea, atunci!), Și „neretras din serviciu” de 2 secole acum.

Să ne întoarcem acum la întrebarea ce se întâmplă atunci când sursa de lumină este deplasată de-a lungul axei în raport cu lentila Fresnel, care a fost concepută inițial pentru a colima radiația sursei în poziția O (Fig. 1). Distanța inițială de la sursă la lentilă (adică curbura inițială a frontului de undă pe lentilă) suntem de acord în prealabil să numim distanța focală F prin analogie cu o lentilă convențională, vezi Fig. patru.

Construirea unei imagini a unei surse punctuale cu o lentilă Fresnel

Orez. patru

Deci, pentru ca lentila Fresnel să continue să fie o lentilă Fresnel atunci când sursa este deplasată din poziția O în poziția A, este necesar ca limitele zonelor Fresnel de pe ea să rămână aceleași. Și aceste limite sunt distanțele față de axa la care se intersectează fronturile de undă ale undelor incidente și „proiectate”. Cel inițial incident avea un front cu raza de curbură F , în timp ce cel „proiectat” era plat (roșu în Fig. 4). La o distanta h de axa, aceste fronturi se intersecteaza, stabilind limita uneia dintre zonele Fresnel, MN=n l /2, n este numarul zonei care incepe la aceasta distanta de axa.

Când sursa s-a mutat în punctul A, raza frontului de undă incident a crescut și a devenit R 1 (albastru în figură). Deci, trebuie să inventăm o nouă suprafață a frontului de undă, astfel încât să se intersecteze cu cea albastră la aceeași distanță h de axă, dând același MN pe axa însăși. Bănuim că o astfel de suprafață a frontului de undă proiectat poate fi o sferă cu raza R 2 ( Culoarea verde pe imagine). Să demonstrăm.

Distanța h se calculează ușor din partea „roșie” a figurii:

(1)

Aici am neglijat pătratul mic al lungimii de undă în comparație cu pătratul focarului - o aproximare care este complet analogă cu aproximarea parabolică în derivarea formulei obișnuite lentilă subțire. Pe de altă parte, dorim să găsim noua graniță a celei de-a n-a zone Fresnel ca urmare a intersecției fronturilor de undă albastru și verde, să o numim h 1 . Pe baza faptului că avem nevoie de aceeași lungime a segmentului MN:

(2)

În cele din urmă, necesitând h=h 1 , obținem:

Această ecuație este aceeași cu formula obișnuită a lentilelor subțiri. Mai mult, nu conține numărul n al limitei considerate a zonelor Fresnel și, prin urmare, este valabil pentru toate zonele Fresnel. Astfel, vedem că lentila Fresnel nu poate doar colima raze, ci și construi imagini. Adevărat, trebuie avut în vedere că obiectivul este încă în trepte, și nu continuă. Prin urmare, calitatea imaginii va fi semnificativ degradată de amestecul componentelor Fourier superioare ale frontului de undă discutat la începutul acestei secțiuni. Adică, lentila Fresnel poate fi folosită pentru a focaliza radiația la un punct dat, dar nu pentru imagini de precizie în dispozitive microscopice și telescopice.

O ultimă notă. Toate cele de mai sus se refereau la radiații monocromatice. Cu toate acestea, se poate demonstra că prin alegerea atentă a diametrelor inelelor discutate, se poate obține o calitate rezonabilă a focalizării și pentru lumina naturală. Matematica corespunzătoare este destul de complicată, așa că să ne concentrăm pe ultima afirmație verbală.

Sincronizare

Timp de inițiere (log la -15 la -13);

Durata de viață (log tc 15 până la 15);

Timp de degradare (log td -15 până la -13);

Timp optim de dezvoltare (log tk de la -1 la -1).

Diagramă:

Realizări tehnice ale efectului

Implementarea tehnică a efectelor

Implementarea tehnică a efectului este destul de simplă. O undă sferică de la o sursă punctiformă (pur și simplu un fascicul divergent al unui laser cu heliu-neon după focalizarea cu o lentilă cu o distanță focală de 3 cm, o sursă punctuală este o talie a fasciculului focal) cade în mod normal pe un ecran de sticlă, îndepărtat la un distanta de aproximativ 1-2 metri. Cercurile limitelor zonelor Fresnel sunt marcate pe ecran (cel interior are un diametru de aproximativ 3 mm), iar zonele impare sunt pictate cu cerneală neagră. În acest caz, fasciculul transmis este colimat într-unul aproximativ paralel.

Aplicarea unui efect

Lentilele Fresnel, atât de fază, cât și de amplitudine, sunt utilizate pe scară largă în tehnologia de colimare a fasciculelor de lumină cu deschidere mare, pentru care utilizarea lentilelor și oglinzilor sferice convenționale este dificilă. Exemplele au fost discutate mai sus în secțiunea de conținut.

Literatură

1. Sivukhin D.V. Curs general de fizică. Optică.- M.: Nauka, 1985.

2. Landsberg G.S. Optică. - M.: Nauka, 1976.

3. Fizica. Marele Dicționar Enciclopedic.- M.: Marea Enciclopedie Rusă, 1999.- P.90, 460.

Cuvinte cheie

• interferență
• difracţie
• zona Fresnel
• Principiul Huygens-Fresnel
• distanta focala
• colimare
• imagine
• lungime de undă

Secțiuni de științe naturale: