Fresnel lenslerle neler yapılabilir? Optik

Kızılötesi hareket sensörlerinin çeşitliliğine rağmen, hemen hemen hepsinin yapısı aynıdır. İçlerindeki ana eleman, iki hassas eleman içeren bir pirodetektör veya bir pirodetektördür.

Pyro alıcısının algılama bölgesi iki dar dikdörtgendir. Algılama alanını tek bir dikdörtgen ışından mümkün olan maksimum değere yükseltmek için
ve hassasiyetini artırmak için yakınsak lensler kullanılır.

Yakınsayan mercek dışbükeydir, üzerine gelen optik ışınları bir F noktasına yönlendirir - bu, merceğin ana odağıdır. Bu lenslerden birkaçını kullanırsanız algılama alanı artacaktır.

Küresel dışbükey lenslerin kullanılması, cihazın tasarımını daha ağır ve daha pahalı hale getirir. Bu nedenle kızılötesi hareket ve varlık sensörlerinde bir Fresnel lens kullanılır.

Fresnel mercek. Yaratılış tarihi

Fransız fizikçi Auguste Fresnel 1819'da bir deniz feneri için kendi lens tasarımını önerdi.

Fresnel merceği küresel bir mercekten oluşur. İkincisi, kalınlığı azaltılmış birçok halkaya bölünmüştür. Böylece düz bir lens çıktı.

Bu şekil sayesinde mercekler ince bir plastik plakadan yapılmaya başlandı ve bu da onları aydınlatma cihazlarında ve hareket ve varlık sensörlerinde kullanmayı mümkün kıldı.

Sensör lensleri, Fresnel lensleri olan birçok segmentten oluşur. Her segment, sensör kapsama alanının belirli bir alanını tarar. Hareket sensörlerinin lens şekilleri, algılama alanının şeklini belirler.

Örneğin tavan cihazlarında lenslerin şekli sırasıyla 360 derece yarım küre şeklindedir. Silindirik lensli cihazlarda genellikle 110-140 derecedir. Algılama bölgelerinin kare şekilleri de vardır.

B.E.G'nin kızılötesi hareket ve varlık sensörleri serisi, mükemmel algılama performansı sağlayan yüksek kaliteli Fresnel lenslere sahiptir.

Prizmatik ve diğer difüzörlerin aksine, aydınlatma armatürlerinde lensler hemen hemen her zaman spot aydınlatma için kullanılır. Kural olarak, lens kullanan optik sistemler bir reflektör (reflektör) ve bir veya daha fazla lensten oluşur.

Yakınsak mercekler, odak noktasında bulunan bir kaynaktan gelen ışığı paralel bir ışık huzmesine yönlendirir. Kural olarak, bir reflektör ile birlikte aydınlatma yapılarında kullanılırlar. Reflektör, bir ışın biçimindeki ışık akısını doğru yönde yönlendirir ve mercek ışığı yoğunlaştırır (toplar). Yakınsak mercek ve ışık kaynağı arasındaki mesafe genellikle değişkendir ve elde edilecek açının ayarlanmasına izin verir.

Hem ışık kaynağı hem de yakınsak mercek sistemi (solda) ve benzer bir kaynak ve Fresnel mercek sistemi (sağda). Işık akısının açısı, mercek ve ışık kaynağı arasındaki mesafe değiştirilerek değiştirilebilir.

Fresnel lensler, birbirine bitişik ayrı eşmerkezli halka şekilli bölümlerden oluşur. İsimlerini, deniz feneri aydınlatma armatürlerinde böyle bir tasarımı ilk kez öneren ve uygulayan Fransız fizikçi Augustin Fresnel'in onuruna aldılar. Bu tür merceklerin optik etkisi, benzer şekil veya eğriliğe sahip geleneksel merceklerinkiyle karşılaştırılabilir.

Bununla birlikte, Fresnel lenslerin aydınlatma tasarımlarında yaygın olarak kullanılmaları nedeniyle bir takım avantajları vardır. Özellikle, yakınsak lenslerden çok daha ince ve üretimi daha ucuzdur. Tasarımcılar Francisco Gomez Paz ve Paolo Rizzatto, parlak ve büyülü bir model yelpazesi üzerinde yaptıkları çalışmalarda bu özelliklerden yararlanmayı ihmal etmediler.

Gomez Paz'ın dediği gibi, hafif ve ince polikarbonattan üretilen Hope'un "çarşafları", mikro prizmalarla dokulu bir polikarbonat film ile kaplayarak büyülü, ışıltılı ve hacimli bir ışıltı yaratan ince ve büyük yayılan Fresnel lenslerden başka bir şey değildir.

Paolo Rizzatto projeyi şöyle anlattı:
"Kristal avizeler neden alaka düzeyini kaybetti? Çünkü çok pahalılar, işlenmesi ve üretilmesi çok zor. Fikrin kendisini parçalara ayırdık ve her birini modernize ettik.”

İşte bir meslektaşının bu konuda söyledikleri:
"Birkaç yıl önce, Fresnel lenslerin olağanüstü olanakları dikkatimizi çekti. Geometrik özellikleri, geleneksel lenslerle aynı optik özellikleri elde etmeyi mümkün kılar, ancak bu, yaprakların tamamen düz bir yüzeyindedir.

Ancak, harika bir tasarım projesini modern teknolojik çözümlerle birleştiren benzersiz ürünler yaratmak için Fresnel lenslerin kullanımı hala nadirdir.

Bu tür lensler, genel ışık kompozisyonu ile mükemmel bir şekilde uyum sağlayan, yumuşak kenarlı düzensiz bir ışık noktası oluşturmanıza izin verdikleri spot ışıklı sahne aydınlatmasında yaygın olarak kullanılır. Günümüzde, ışık açısının bireysel olarak ayarlanmasının gerekli olduğu durumlarda, aydınlatılan nesne ile lamba arasındaki mesafenin değişebildiği durumlarda mimari aydınlatma şemalarında da yaygınlaşmıştır.

Bir Fresnel merceğin optik performansı, segmentlerinin birleşme yerlerinde oluşan sözde renk sapmaları ile sınırlıdır. Bu nedenle, nesnelerin görüntülerinin kenarlarında bir gökkuşağı kenarlığı belirir. Lensin görünüşte kusurlu bir özelliğinin erdeme dönüştürülmesi, yazarların yenilikçi düşüncesinin ve detaylara gösterilen özenin gücünü bir kez daha vurgulamaktadır.

Fresnel lensler kullanılarak bir deniz fenerinin aydınlatma tasarımı. Lensin halka yapısı resimde açıkça görülmektedir.

Projeksiyon sistemleri, ya bir eliptik reflektörden ya da bir parabolik reflektör ve ışığı bir kolimatöre yönlendiren bir kondansatör kombinasyonundan oluşur ve bu da optik aksesuarlarla desteklenebilir. Bundan sonra, ışık bir uçağa yansıtılır.

Spot ışığı sistemleri: Eşit şekilde aydınlatılan bir kolimatör (1), ışığı bir lens sistemi (2) aracılığıyla yönlendirir. Solda yüksek ışık çıkışına sahip parabolik bir reflektör, sağda ise yüksek çözünürlük sağlayan bir kondansatör var.

Görüntünün boyutu ve ışığın açısı, kolimatörün özelliklerine göre belirlenir. Basit perdeler veya iris diyaframları, farklı boyutlarda ışık huzmeleri oluşturur. Kontur maskeleri, ışık huzmesinin farklı konturlarını oluşturmak için kullanılabilir. Üzerinde çizimler bulunan bir gobo lens kullanarak logoları veya görüntüleri yansıtabilirsiniz.

Lenslerin odak uzaklığına bağlı olarak farklı ışık açıları veya görüntü boyutu seçilebilir. Fresnel lens kullanan aydınlatma armatürlerinin aksine, burada net konturlara sahip ışık huzmeleri oluşturmak mümkündür. Odak değiştirilerek yumuşak konturlar elde edilebilir.

İsteğe bağlı aksesuar örnekleri (soldan sağa): geniş bir ışık huzmesi oluşturmak için bir mercek, huzmeye oval bir şekil vermek için oyulmuş bir mercek, yivli bir deflektör ve parlamayı azaltmak için bir "petek mercek".

Kademeli mercekler, ışık ışınlarını bir Fresnel merceğin "düz" ışığı ile bir plano-dışbükey merceğin "sert" ışığı arasında bir yerde olacak şekilde dönüştürür. Dışbükey yüzey kademeli merceklerde korunur, ancak düz yüzeyin yanında eşmerkezli daireler oluşturan kademeli girintiler yapılır.

Eşmerkezli dairelerin basamaklarının (yükselticiler) ön kısımları genellikle opaktır (boyalı veya yontulmuş mat bir yüzeye sahiptir), bu da lambanın saçılan radyasyonunu kesmeyi ve bir paralel ışın demeti oluşturmayı mümkün kılar.

Fresnel spot ışıkları, yumuşak kenarlı düzensiz bir ışık noktası ve spotun etrafında hafif bir hale oluşturarak diğer ışık kaynaklarıyla karıştırılmasını kolaylaştırarak doğal bir ışık deseni oluşturur. Bu yüzden sinemada Fresnel spotları kullanılır.

Düz-dışbükey lensli projektörler, Fresnel lensli projektörlere kıyasla, ışık noktasının kenarlarında daha az belirgin bir geçişle daha düzgün bir nokta oluşturur.

Armatürler ve aydınlatma tasarımı hakkında yeni şeyler öğrenmek için blogumuzu ziyaret edin.

Fresnel lens yaratıcısının portresini büyütür. ("Avanta +" yayınevinin Çocuk Ansiklopedisi'nin "Fizik, Bölüm 2" cildinden sayfa).

Işık kaynağını odak noktasına yerleştirerek, bir içbükey ayna (a) veya bir mercek (b) kullanarak ışığı dar bir ışında toplayabilirsiniz. Küresel bir aynada, aynanın eğrilik yarıçapının yarısı kadar bir uzaklıkta bulunur.

Yakınsayan bir mercek, ışık ışınlarını tek bir noktaya, yani odak noktasına saptıran bir prizmalar kümesi olarak düşünülebilir. Bu prizmaların sayısını art arda artırarak, sırasıyla boyutlarını küçülterek, pratik olarak düz mercek- Fresnel mercek.

Fener aydınlatma sisteminin tasarımı (Fresnel çizimi). F brülörünün ışığı, M aynaları tarafından yansıtılan L ve L" mercekleri tarafından odaklanır. Aşağı doğru yayılan brülörün ışığı, bir ayna sistemi (noktalı bir çizgi ile gösterilir) tarafından istenen yönde yansıtılır.

Modern bir Fresnel lens böyle görünür. Genellikle tek bir cam parçasından yapılır.

Fresnel mercek cetveli, güneş ışınlarını geleneksel bir cam mercekten daha kötü ve hatta daha iyi (çünkü daha büyük olduğu için) odaklar. Topladığı güneş ışınları anında kuru bir çam tahtasını ateşe verdi.

Işığın dalga teorisinin yaratıcılarından biri olan seçkin Fransız fizikçi Augustin Jean Fresnel, 1788'de Paris yakınlarındaki küçük bir kasabada doğdu. Hasta bir çocuk olarak büyüdü. Öğretmenler onu aptal olarak gördü: sekiz yaşında okuyamadı ve dersi zar zor hatırladı. Ancak, lisede, Fresnel matematik, özellikle geometri için olağanüstü bir yetenek gösterdi. Mühendislik eğitimi aldıktan sonra 1809'dan itibaren ülkenin çeşitli bölgelerinde yol ve köprülerin tasarım ve yapımında görev aldı. Bununla birlikte, ilgi alanları ve fırsatları, taşranın vahşi doğasındaki basit mühendislik faaliyetlerinden çok daha genişti. Fresnel bilim yapmak istiyordu; özellikle teorik temelleri yeni şekillenmeye başlayan optikle ilgilendi. Dar deliklerden geçen, ince iplikler ve plakaların kenarları etrafında bükülen ışık ışınlarının davranışını inceledi. Bu durumda ortaya çıkan resimlerin özelliklerini açıklayan Fresnel, 1818-1819'da optik girişim ve kırınım teorisini yarattı - ışığın dalga doğası nedeniyle ortaya çıkan fenomenler.

19. yüzyılın başında, Avrupa deniz devletleri, o zamanın en önemli navigasyon cihazları olan deniz fenerlerini geliştirmek için birlikte çalışmaya karar verdiler. Fransa'da bu amaç için özel bir komisyon oluşturuldu ve Fresnel, zengin mühendislik deneyimi ve derin optik bilgisi nedeniyle bu komisyonda çalışmaya davet edildi.

Fenerin ışığı çok uzakta görünmelidir, bu nedenle deniz feneri feneri yüksek bir kuleye yükseltilir. Ve ışığını ışınlar halinde toplamak için, fener ya içbükey bir aynanın ya da yakınsak bir merceğin odağına yerleştirilmelidir, hem de oldukça büyük bir ayna. Ayna elbette herhangi bir boyutta yapılabilir, ancak yalnızca bir ışın verir ve fenerin ışığı her yerden görülebilmelidir. Bu nedenle, bazen bir buçuk düzine ayna, her aynanın odağında ayrı bir fener bulunan deniz fenerlerine yerleştirildi (bkz. Science and Life, No. 4, 2009, makale). Bir lambanın etrafına birkaç mercek monte edilebilir, ancak bunları gerekli - büyük boyutta yapmak neredeyse imkansızdır. Büyük bir merceğin camında kaçınılmaz olarak homojen olmayanlar olacaktır, kendi yerçekiminin etkisi altında şeklini kaybedecek ve eşit olmayan ısınma nedeniyle patlayabilir.

Yeni fikirlere ihtiyaç vardı ve Fresnel'i davet eden komisyon, doğru seçim: 1819'da geleneksel bir lensin doğasında bulunan tüm eksikliklerden yoksun bir bileşik lens tasarımını önerdi. Fresnel muhtemelen böyle düşündü. Bir mercek, paralel ışık ışınlarını kıran bir prizma kümesi olarak temsil edilebilir - onları, kırılmadan sonra bir odak noktasında birleşecekleri açılarda saptırır. Bu, büyük bir mercek yerine, ayrı üçgen prizmalardan ince halkalar şeklinde bir yapı oluşturabileceğiniz anlamına gelir.

Fresnel sadece halka profillerinin şeklini hesaplamakla kalmadı, aynı zamanda teknolojiyi geliştirdi ve genellikle basit bir işçi olarak hareket ederek tüm yaratım sürecini kontrol etti (astların son derece deneyimsiz olduğu ortaya çıktı). Onun çabaları parlak sonuçlar verdi. Fresnel, arkadaşlarına "Yeni cihazın verdiği ışığın parlaklığı denizcileri şaşırttı" diye yazdı. Ve Fransızların denizdeki uzun süredir rakipleri olan İngilizler bile, Fransız deniz fenerlerinin tasarımlarının en iyisi olduğunu itiraf etti. Optik sistemleri, odak uzaklığı 920 mm olan 2.5 m kenarlı sekiz kare Fresnel lensten oluşuyordu.

O zamandan bu yana 190 yıl geçti, ancak Fresnel tarafından önerilen tasarımlar, yalnızca deniz fenerleri ve nehir şamandıraları için değil, eşsiz bir teknik cihaz olmaya devam ediyor. Yakın zamana kadar çeşitli sinyal lambaları, araba farları, trafik lambaları, konferans projektörlerinin parçaları Fresnel lensleri şeklinde yapılmıştır. Ve son zamanlarda, zar zor farkedilen dairesel oluklar ile şeffaf plastikten yapılmış cetveller şeklinde büyüteçler ortaya çıktı. Bu tür olukların her biri minyatür bir dairesel prizmadır; ve birlikte, hem nesneyi büyüten bir büyüteç olarak hem de ters bir görüntü oluşturan bir kamera merceği olarak çalışabilen yakınsak bir mercek oluştururlar. Böyle bir lens, Güneş'in ışığını küçük bir lekede toplayabilir ve bir kağıt parçasından (özellikle siyah) bahsetmeden kuru bir tahtaya ateş edebilir.

Fresnel lensi sadece toplama (pozitif) değil, aynı zamanda saçılma (negatif) de olabilir - bunun için farklı bir şekle sahip şeffaf plastik bir parça üzerinde halka prizmalar-oluklar yapmanız gerekir. Ayrıca, çok kısa odak uzaklığına sahip bir negatif Fresnel lens, çıplak gözle kapladığından iki ila üç kat daha büyük bir manzara parçasının küçültülmüş bir biçimde yerleştirildiği geniş bir görüş alanına sahiptir. Bu tür "eksi" plaka-lensler, minibüs ve istasyon vagonları gibi büyük otomobillerde panoramik dikiz aynaları yerine kullanılır.

Minyatür prizmaların kenarları, örneğin alüminyum püskürtülerek bir ayna tabakası ile kaplanabilir. Ardından Fresnel merceği ayna, dışbükey veya içbükey hale gelir. Nanoteknoloji kullanılarak üretilen bu tür aynalar, X-ışını aralığında çalışan teleskoplarda kullanılmaktadır. Ve esnek plastikten kalıplanmış, görünür ışıklı aynalar ve lensler o kadar kolay ve ucuzdur ki, kelimenin tam anlamıyla, vitrinler için şeritler veya banyolar için perdeler şeklinde kilometrelerce üretilirler.

Kameralar için düz lensler oluşturmak için Fresnel lensleri kullanma girişimleri olmuştur. Ancak teknik zorluklar tasarımcıların önünde durdu. Bir prizmadaki beyaz ışık, bir spektruma ayrıştırılır; Aynısı bir Fresnel merceğinin minyatür prizmalarında da olur. Bu nedenle o var önemli dezavantaj- sözde renk sapması. Bu nedenle, nesnelerin görüntülerinin kenarlarında bir gökkuşağı kenarlığı belirir. İyi lenslerde, ek lensler yerleştirilerek kenarlık ortadan kaldırılır (bkz. "Bilim ve Yaşam" No. 3, 2009, makale). Aynısı bir Fresnel lens ile yapılabilir, ancak o zaman düz bir lens artık çalışmaz.

Bu makale hakkında konuşacak fresnel mercek ve ateş yakmak için nasıl kullanılacağı.

Büyüteçle güneşten ateş almak çok zahmetli ama büyüleyici bir işlemdir. Ancak, her zaman daha fazlasını istersiniz. Örneğin, ışın bir cisme odaklandığında ateşin hemen parlaması için, tutmadan, şamanik ayinler ve ritüeller, yani, fazla çaba harcamadan. Ancak bunun için bir ışında mümkün olduğunca fazla güneş ışığı toplamanız gerekiyor, yani bir merceğe ihtiyacınız var. büyük çap. Ama işte bütün engel: Her zamanki cam lense gelince.

1. Büyük çaplı bir lensi elde etmek (satın almak) zordur.(Genellikle en büyük lensler yaklaşık 100-120mm çapındadır)
2. Böyle bir lens çok pahalıya mal olacak.
3. Büyük lensi çok ağır olduğu için yanınızda taşımanız sakıncalı olacaktır + camdır ve kırılabilir.

Fresnel mercek.

Fresnel lens plastikşeffaf plaka eşmerkezli çentikler. Tüm çentikler tek bir yerde odak sağlar. Bir tür kompozit lens ortaya çıkıyor. Bu durumda, Fresnel lensi büyük olabilir ve hafif olun.

çoğu büyük mercek yerel çevrimiçi mağazalarda sipariş vermeyi başardığım bir lens yaklaşık olarak bir A4 sayfası boyutunda. Cam büyüteçlere kıyasla fiyatı düşüktür.

Bu merceğin büyütme gücü beni pek ilgilendirmiyordu. Sadece çokluğunun 3x olduğunu söylememe izin verin.

Fresnel mercek. Güneşten ateş almak.

Sonunda doğaya çıkıp fresnel lensi çalışırken test ettim. Yani Eylül ayı, sıcaklık 20 santigrat derecenin hemen altında, hava güneşli, zaman 14 saatin biraz üzerinde.

Sonunda bir mercek yardımıyla bir şeyi ateşe vermeye çalışalım.
Tereddüt etmeden çürük bir çubuk buldum. Bir güneş ışığı huzmesi üzerine konsantre oldum. Sonra, bir yerde biraz yanıyorum.

Ve fresnel lens tüm beklentilerimi aştı. Çubuk kömürleşmeye başlar ve sonra güneş ışınlarının yerine bir alev patlar!

Başka bir şeyi ateşe vermeye çalışalım, örneğin huş ağacı kabuğu parçası.
Bir huş ağacı kabuğuna bir ışık huzmesi yönlendiriyorum, tüm ışınları bir mercekle tek bir yerde yoğunlaştırıyorum. Lensin oldukça büyük olduğunu not ediyorum, bu yüzden güneş ışınını yakalamak biraz daha zor, güneşe dik bir açıyı korumak gerekiyor. Böylece maksimum miktarda güneş ışığı lensten geçer ve ardından bir noktaya odaklanır.

Çok kısa bir süre için yanıyoruz ve huş ağacı kabuğu da güneş ışınlarından parlıyor. Ateşleme için sıcaklık yeterlidir.

Objektife ateş yakmak bir zevktir. Örneğin kuru yapraklara ateş yakmak kolay, hangi sonbaharda, iyi, çok. Burada bir demet yaprak topluyoruz, burada ateş yakmamak için mangaldan bir demir sac üzerine koyuyoruz. Sonra, her zamanki gibi, bir fresnel mercek alıyoruz, onunla bir güneş ışığı demetini yoğunlaştırıyor ve tek bir yerde yakıyoruz.

Yapraklar aydınlanıyor, güneş ağaçların biraz arkasında olmasına rağmen esmeye gerek yoktu!

Daha da iyi bir çıra kuru ottur. Bitkilerin kurutulmuş üst kısımlarını topluyoruz.

Görünüşe göre burada yumruk büyüklüğünde bir ışın var.

Neredeyse anında yanıp söner! Bu durumda mükemmel tinder. Dikkatlice, ateş yakma!

Bir fresnel lens yardımıyla ateş yakmayı başardım. gün batımında bile, güneş zaten ağaçların arkasına saklandığında ve hava soğuduğunda, burada kuru otları şişirmek ve ağaçlardan çürümek gerekiyordu.

Bir hayatta kalma kitinde bir öğe olarak Fresnel lens.

Bir fresnel merceğin pratikliği ve kullanışlılığı hakkında konuşalım. Başka bir deyişle, bir yürüyüşe çıkarken yanınıza bir fresnel lens almaya değer mi veya onu nerede kullanmak daha iyidir.

Ayrıca, düşündüğüm gibi tam olarak aynı boyutta bir fresnel lensten bahsettiğimizi de not ediyorum. Diğer boyutlardaki lensler tamamen farklı özelliklere sahip olduğundan. Daha küçük bir lens o kadar etkili bir şekilde ateş üretemez, tinder ile uğraşmanız gerekecek ve buna göre belirli beceriler olmadan ateş hiç çalışmayabilir.
Lens büyüktür, ilk olarak, zaten çok hacimlidir (artık bir çantaya sığmaz) ve ikincisi, satın almak veya satın almak daha da zordur.

Yani profesyoneller:

Şimdi eksileri:

1. Güneş Güneş. Bir yılda ne kadar az güneşli gün vardır. Bir büyüteçten ateş yaparken güneşe bağımlılık ana ve eksidir.
2. Lens plastikten yapılmıştır, bu nedenle daha sert basarsanız kırılabilir. Eş merkezli çentikleri çizmek de kolaydır. Bu nedenle, örneğin bir kağıt klasör veya plastik bir torba veya dosya gibi lens için bir tür kapak uyarlamak daha iyidir.
3. Lens hala büyük, kibrit veya çakmak çok daha küçük.
4. Yanma sırasında çok parlak ışık gözleri kör eder, ancak kritik değildir. Güneş gözlüğü takabilirsin ama ben şahsen kullanmam.

Gaz veya kibrit tedarikinin bitebileceği otonom yolculuklarda bu boyutta bir fresnel lensin kullanılmasının tavsiye edildiği sonucuna varacağım. Otonom yolculuk ne kadar uzun olursa, lensin kullanımı o kadar pratik olacaktır. Güneşin sıklıkla parladığı yerlerde, bir fresnel lens gayet iyi iş görür. Örneğin, birkaç haftalığına dağlarda Kırım'a giderseniz.


Herkese teşekkürler! Daha güneşli günler dilerim!

Bir fresnel lens videosu ile ateş edin.

Bu kadar. Yorum bırakın!

Birbirine bitişik küçük kalınlıkta eşmerkezli halkalardan oluşan bir mercek

Animasyon

Tanım

Fresnel lens, ışığın kırınımına dayanan ilk (tarihsel olarak ilk değilse de) cihazlardan biridir. Antik çağa rağmen, bu güne kadar pratik önemini kaybetmedi. Çalışmasının dayandığı fiziksel fikrin iskelet diyagramı, şekil 2'de gösterilmiştir. bir.

Sonsuz uzak bir gözlem noktası için Fresnel bölgeleri oluşturma şeması (düzlem dalgası)

Pirinç. bir

Bu eylem ilkesinin titiz bir şekilde ele alınması, nitel bir anlayış için oldukça hantal ve oldukça "şeffaf" olmayan bir matematiksel aygıt gerektirir. Bu nedenle, mevcut durumda Kısa Açıklama basit geometrik “resimlere” dayanan niteliksel bir sunumla yetineceğiz - bu da ürünün temel fiziksel ilkelerini anlamayı kolaylaştırıyor. Daha temel bir değerlendirmeye ihtiyaç duyan aynı okuyucular için, alıntı yapılan literatüre başvurmanızı tavsiye ederiz.

Dalga boyu l olan bir nokta optik radyasyon kaynağının O noktasında bulunmasına izin verin. Doğal olarak, herhangi bir nokta kaynak gibi, dalga cephesi şekilde bir daire olarak gösterilen küresel bir dalga yayar. Bu dalgayı noktalı eksen boyunca yayılan düz bir dalgaya bir şekilde "yeniden yapmak" için kendimize asil bir hedef belirleyelim. Bu "yansıtılan" dalganın l/2 ile ayrılmış birkaç dalga cephesi Şekil 1'de gösterilmektedir.

Başlangıç ​​olarak, aşağıdakilere dikkat ediyoruz. Boş uzayda var olan bir küresel dalgadan bir düzlem dalga “inşa etmek” istiyoruz. Bu nedenle, Huygens-Fresnel ilkesine göre, yalnızca mevcut olandaki elektromanyetik salınımlar, yansıtılan dalgamızın “kaynakları” olarak hizmet edebilir. Bu salınımların fazının uzaysal dağılımından, yani orijinal dalganın dalga cephesinden (küresel) memnun değiliz. Düzeltmeye çalışalım.

Birinci eylem: (küresel olan) ikincil Huygens-Fresnel dalgalarının bakış açısından, tüm bir dalga boyunun herhangi bir yönde uzaysal yer değiştirmesinin ikincil kaynakların fazını değiştirmediğine dikkat edin. Bu nedenle, örneğin, Şekil 2'de gösterildiği gibi orijinal dalganın dalga cephesini "kırmayı" sağlayabiliriz. 2.

Uzayda ikincil radyatörlerin eşdeğer faz dağılımı

Pirinç. 2

Böylece, orijinal küresel dalga cephesini 1, 2 numaralı "halka parçalarına" "demonte ettik"... vb. Fresnel bölgeleri olarak adlandırılan bu halkaların sınırları, orijinal dalganın dalga cephesinin, birbirine göre l/2 ile yer değiştiren “yansıtılan dalga”nın bir dizi dalga cephesi ile kesişmesiyle belirlenir. Ortaya çıkan resim zaten önemli ölçüde “basit” ve 2 hafif “kaba” düz ikincil yayıcıyı (Şekil 2'de yeşil ve kırmızı) temsil ediyor, ancak en büyük pişmanlıkla, bahsedilen yarım dalga nedeniyle birbirini iptal ediyor. karşılıklı yer değiştirme

Böylece, tek sayılı Fresnel bölgelerinin sadece görevin yerine getirilmesine katkıda bulunmadığını, hatta aktif olarak zarar verdiğini görüyoruz. Bununla başa çıkmanın iki yolu vardır.

İlk yöntem (genlik Fresnel lens). Ve bu zararlı tek bölgeleri opak halkalarla geometrik olarak kapatalım. Deniz fenerlerinin büyük boyutlu odaklama sistemlerinde bu şekilde yapılır. Tabii ki, bu ideal ışın kolimasyonuna ulaşmayacaktır. İkincil emitörlerin geri kalan yeşil kısmının ilk olarak tamamen düz olmadığını ve ikinci olarak süreksiz olduğunu görüyoruz (eski tek Fresnel bölgelerinin yerine sıfır eğimle). Bu nedenle, radyasyonun kesin olarak hizalanmış kısmı (ve genliği, sıfır kaymalı bir düzlem dalga cephesi boyunca yeşil yayıcıların fazının uzaysal dağılımının sıfır iki boyutlu Fourier bileşeninden başka bir şey değildir, bkz. Şekil 2) eşlik edecektir. geniş açılı gürültü ile (sıfır hariç tüm diğer Fourier bileşenleri). Bu nedenle, Fresnel lensi görüntüleme için kullanmak neredeyse imkansızdır - sadece radyasyon kolimasyonu için. Bununla birlikte, ışının paralelleştirilmiş kısmı yine de Fresnel merceğinin yokluğundan çok daha güçlü olacaktır, çünkü en azından tek Fresnel bölgelerinden sıfır Fourier bileşenine negatif katkıdan kurtulduk.

İkinci yöntem (faz Fresnel lens).Şimdi tek Fresnel bölgelerini kaplayan halkaları, ilave faz kayması l/2'ye karşılık gelen bir kalınlıkla şeffaf yapalım. Bu durumda, "kırmızı" ikincil radyatörlerin dalga cephesi kayacak ve "yeşil" olacaktır, bkz. şek. 3.

Bir faz Fresnel merceğinin arkasındaki ikincil yayıcıların dalga önü

Pirinç. 3

Başka bir deyişle, sıfır Fourier bileşenine tek Fresnel bölgelerinden başlangıçtaki zararlı katkıyı, yarım dalga faz kayması nedeniyle işaretini değiştirerek yararlı hale getirmeyi başardık. Bu yaklaşım, daha küçük Fresnel lenslerde, özellikle ekranda standart konferans "şeffaflık" projektörlerinde kullanılan arka ışık kolimasyon lenslerinde kullanılır.

Aslında faz Fresnel lenslerin iki versiyonu vardır. Birincisi, tek Fresnel bölgeleri (daha pahalı bir seçenek) bölgelerinde birikmiş yarım dalga katmanlarına sahip düz bir alt tabakadır. İkincisi, faz geçişinin yarım dalga boyu adımıyla “kademeli konik kaide” şeklinde yapılmış üç boyutlu bir döner parçadır (veya bir zamanlar yapılmış bir matris üzerine, bir gramofon kaydı gibi polimer damgalama).

Böylece, Fresnel lensler, aynı zamanda düşük ağırlıklı ve nispeten düşük üretim karmaşıklığına sahip düz parçalar olurken, geniş bir enine açıklığa sahip kirişlerin kolimasyonu ile başa çıkmayı mümkün kılar. Eşdeğer bir deniz feneri cam merceği yarım ton ağırlığındadır ve astronomik bir teleskop merceğinden biraz daha ucuzdur. Buradaki nokta, ürünün bu tür ölçeklerinde, asıl zorluğun artık lens yüzeyinin işlenmesinde değil, yeterince optik olarak homojen bir ilk cam dökümü elde edilmesinde olmasıdır. Bu nedenle, Fresnel lensler birkaç örnekten biridir. bilimsel gelişme hemen ve geniş bir yer bulan pratik kullanım(o zaman bu on dokuzuncu yüzyılın başında!), Ve şimdi 2 yüzyıldır “hizmetten çekilmedi”.

Şimdi ışık kaynağı, orijinal olarak O konumunda kaynak radyasyonu hizalamak için tasarlanmış olan Fresnel merceğine göre eksen boyunca yer değiştirdiğinde ne olduğu sorusuna dönelim (Şekil 1). Kaynaktan merceğe olan ilk mesafe (yani, mercek üzerindeki dalga cephesinin ilk eğriliği), geleneksel bir merceğe benzer şekilde odak uzaklığını F olarak adlandırmak için önceden anlaştık, bkz. dört.

Fresnel Lens ile Nokta Kaynağının Görüntüsünü Oluşturma

Pirinç. dört

Dolayısıyla, kaynak O konumundan A konumuna kaydırıldığında Fresnel merceğinin bir Fresnel merceği olmaya devam etmesi için, üzerindeki Fresnel bölgelerinin sınırlarının aynı kalması gerekir. Ve bu sınırlar, olayın dalga cephelerinin ve “yansıtılan” dalgaların kesiştiği eksenden olan mesafelerdir. İlk başta, F eğrilik yarıçaplı bir cepheye sahipti, “yansıtılan” ise düzdü (Şekil 4'te kırmızı). Eksenden h mesafesinde, bu cepheler kesişir ve Fresnel bölgelerinden birinin sınırını belirler, MN=n l/2, n, eksenden bu uzaklıkta başlayan bölgenin sayısıdır.

Kaynak A noktasına hareket ettiğinde, gelen dalga cephesinin yarıçapı arttı ve R 1 oldu (şekilde mavi). Bu nedenle, eksenden aynı h mesafesinde mavi ile kesişecek ve eksenin kendisinde aynı MN'yi verecek yeni bir dalga cephesi yüzeyi bulmamız gerekiyor. Yansıtılan dalga cephesinin böyle bir yüzeyinin R 2 yarıçaplı bir küre olabileceğinden şüpheleniyoruz ( yeşil renk resimde). Hadi kanıtlayalım.

h mesafesi, şeklin “kırmızı” kısmından kolayca hesaplanır:

(1)

Burada, odak karesine kıyasla dalga boyunun küçük karesini ihmal ettik; bu, olağan formülün türetilmesinde parabolik yaklaşıma tamamen benzer bir yaklaşımdır. ince mercek. Öte yandan, mavi ve yeşil dalga cephelerinin kesişmesi sonucu n. Fresnel bölgesinin yeni sınırını bulmak istiyoruz, buna h 1 diyelim. MN segmentinin aynı uzunluğuna ihtiyacımız olduğu gerçeğine dayanarak:

(2)

Son olarak, h=h 1 gerektirdiğinde şunu elde ederiz:

Bu denklem, normal ince lens formülü ile aynıdır. Ayrıca, Fresnel bölgelerinin dikkate alınan sınırının n sayısını içermez ve bu nedenle tüm Fresnel bölgeleri için geçerlidir. Böylece, Fresnel merceğinin yalnızca ışınları hizalamakla kalmayıp aynı zamanda görüntüler de oluşturabildiğini görüyoruz. Doğru, merceğin hala kademeli olduğu ve sürekli olmadığı akılda tutulmalıdır. Bu nedenle, bu bölümün başında tartışılan dalga cephesinin daha yüksek Fourier bileşenlerinin karışımı ile görüntü kalitesi belirgin şekilde düşecektir. Yani, Fresnel lens, radyasyonu belirli bir noktaya odaklamak için kullanılabilir, ancak mikroskobik ve teleskopik cihazlarda hassas görüntüleme için kullanılamaz.

Son bir not. Yukarıdakilerin tümü monokromatik radyasyona atıfta bulunur. Bununla birlikte, tartışılan halkaların çaplarının dikkatli bir şekilde seçilmesiyle, doğal ışık için de makul bir odak kalitesi elde edilebileceği gösterilebilir. Karşılık gelen matematik oldukça karmaşıktır, bu yüzden son sözel ifadeye odaklanalım.

Zamanlama

Başlatma süresi (-15 ila -13 arasında oturum açın);

Ömür boyu (log tc 15 ila 15);

Bozulma süresi (log td -15 ila -13);

Optimum geliştirme süresi (-1'den -1'e tk günlüğü).

Diyagram:

Efektin teknik gerçekleri

Efektlerin teknik uygulaması

Efektin teknik uygulaması oldukça basittir. Bir nokta kaynaktan gelen küresel bir dalga (sadece odak uzaklığı 3 cm olan bir mercekle odaklandıktan sonra bir helyum-neon lazerin farklı bir ışını, bir nokta kaynağı bir odak ışını beldir) normal olarak bir cam ekrana düşer, yaklaşık 1-2 metre mesafe. Fresnel bölgelerinin sınırlarının daireleri ekranda işaretlenmiştir (içtekinin çapı yaklaşık 3 mm'dir) ve tek bölgelerin üzeri siyah mürekkeple boyanmıştır. Bu durumda, iletilen ışın yaklaşık olarak paralel olana yönlendirilir.

Efekt uygulama

Hem faz hem de genlik olan fresnel lensler, geleneksel küresel lenslerin ve aynaların kullanımının zor olduğu geniş açıklıklı ışık huzmelerini hizalamak için teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır. Örnekler yukarıda içerik bölümünde tartışılmıştır.

Edebiyat

1. Sivukhin D.V. Genel fizik dersi. Optik.- M.: Nauka, 1985.

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

3. Fizik. Büyük Ansiklopedik Sözlük.- M.: Büyük Rus Ansiklopedisi, 1999.- S.90, 460.

anahtar kelimeler

• parazit yapmak
• kırınım
• fresnel bölgesi
• Huygens-Fresnel prensibi
• odak uzaklığı
• kolimasyon
• resim
• dalga boyu

Doğa bilimlerinin bölümleri: