Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из линзы Френеля пятого порядка )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Вращающаяся катадиоптрическая линза Френеля первого порядка, датированная 1870 годом, выставленная в Национальном морском музее в Париже. В этом случае диоптрические призмы (внутри бронзовых колец) и катадиоптрические призмы (снаружи) расположены так, чтобы концентрировать свет от центральной лампы в четыре вращающихся луча, которые моряки воспринимают как четыре вспышки на оборот. Высота сборки составляет 2,54 метра, а вес - около 1,5 тонны.

Линзы Френеля ( / е р eɪ п -, е г ɛ п . Ɛ л , - əl / Frayn -, FREN -EL, -⁠əl , / е р eɪ п ɛ л / fray- NEL или / f r ɛ z n əl / FREZ -nəl ) представляет собой тип композитной компактной линзыразработан французским физиком Огюстен-Жаном Френелем (1788–1827) для использования в маяках . [1] [2] Его назвали «изобретением, спасшим миллион кораблей». [3]

Конструкция позволяет создавать линзы с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием без массы и объема материала, которые потребовались бы для линз обычной конструкции. Линзу Френеля можно сделать намного тоньше, чем сопоставимую обычную линзу, в некоторых случаях принимая форму плоского листа. Проще диоптрийной (чисто рефракционной) форма линзы была впервые предложена графа Бюффона , [4] и независимо друг от друга заново Френелем. Катадиоптрический форма линзы, полностью изобретен Френелем, имеет внешние элементы , которые используют полное внутреннее отражениеа также преломление; он может улавливать больше наклонного света от источника и добавлять его к лучу маяка, делая свет видимым с больших расстояний.

Описание [ править ]

1: Поперечное сечение линзы Бюффона / Френеля. 2: Поперечное сечение обычной плоско-выпуклой линзы эквивалентной оптической силы. (Версия Бюффона была двояковыпуклой . [5] )
Крупный план плоской линзы Френеля показывает концентрические круги на поверхности

Линза Френеля уменьшает количество необходимого материала по сравнению с обычной линзой, разделяя линзу на набор концентрических кольцевых секций. Идеальная линза Френеля имела бы бесконечное количество секций. В каждой секции общая толщина уменьшена по сравнению с эквивалентной простой линзой. Это эффективно разделяет непрерывную поверхность стандартной линзы на набор поверхностей одинаковой кривизны со ступенчатыми разрывами между ними.

В некоторых линзах изогнутые поверхности заменены плоскими поверхностями с различным углом в каждой секции. Такую линзу можно рассматривать как набор призм, расположенных по кругу, с более крутыми призмами по краям и плоским или слегка выпуклым центром. В первых (и самых больших) линзах Френеля каждая секция фактически представляла собой отдельную призму. Позже были произведены цельные линзы Френеля, которые использовались для автомобильных фар, тормозов, парковочных линз, линз указателей поворота и т. Д. В наше время фрезерное оборудование с компьютерным управлением (ЧПУ) или трехмерные принтеры могут использоваться для производства более сложных линз.

Конструкция линзы Френеля позволяет значительно уменьшить толщину (и, следовательно, массу и объем материала) за счет снижения качества изображения линзы, поэтому приложения для точной визуализации, такие как фотография, обычно по-прежнему используют более крупные обычные линзы.

Линзы Френеля обычно изготавливаются из стекла или пластика; их размер варьируется от большого (старые исторические маяки, размер метра) до среднего (средства чтения книг, проекторы видографа OHP) до малых ( экраны камер TLR / SLR , микрооптика ). Во многих случаях они очень тонкие и плоские, почти гибкие, с толщиной в диапазоне от 1 до 5 мм (от 0,04 до 0,2 дюйма).

Большинство современных линз Френеля состоят только из преломляющих элементов. Однако линзы маяков, как правило, содержат как преломляющие, так и отражающие элементы, причем последние находятся за пределами металлических колец, видимых на фотографиях. В то время как внутренние элементы представляют собой секции преломляющих линз, внешние элементы представляют собой отражающие призмы, каждая из которых выполняет два преломления и одно полное внутреннее отражение , избегая потерь света, возникающих при отражении от посеребренного зеркала.

Размеры линз маяка [ править ]

Макапуу Пойнт Лайт
Маяк на мысе Мерс ; линза Френеля первого порядка

Френель разработал шесть размеров линз для маяков, разделенных на четыре порядка в зависимости от их размера и фокусного расстояния. [6] В современном использовании они классифицируются от первого до шестого порядка. Позднее был добавлен промежуточный размер между третьим и четвертым порядками, а также размеры выше первого и ниже шестого.

Объектив первого порядка имеет фокусное расстояние 920 мм (36 дюймов), высоту около 2590 мм (8,5 футов) и ширину 1,8 м (6 футов). Наименьший (шестой) порядок имеет фокусное расстояние 150 мм (5,9 дюйма) и высоту 433 мм (17 дюймов). [6] [7] [8]

Самые большие линзы Френеля называются гиперрадиальными (или гиперрадиальными ). Один такой объектив имелся под рукой, когда было решено построить и оснастить фонарик Макапуу-Пойнт на Гавайях. Вместо того, чтобы заказывать новый объектив, там была использована огромная оптическая конструкция высотой 3,7 метра (12 футов) с более чем тысячей призм. [9]

Заказы на линзы для маяков [10]
ЗаказФокусное расстояние 
(мм)		Высота
(м)		Первая установка
Восьмой
Седьмой
Шестой1500,433
Пятая187,50,541
Четвертый2500,722
3+1 ⁄ 2375
В третьих5001,5761825 г.
Второй7002,069
Первый9202,591823 г.
Мезорадиальный1125
Гиперрадиальный13301887 г.

  • Линза первого порядка

  • Крупный план линзы второго порядка

  • Линза третьего порядка ( свет острова Сент-Саймонс )

  • Линза четвертого порядка (маяк Секизаки, Оита , Япония)

  • Линза пятого порядка ( Jones Point Light )

  • Линза шестого порядка ( Ponce de Leon Inlet Light )

Типы [ править ]

Есть два основных типа линз Френеля: отображающие и не отображающие . В линзах Френеля для визуализации используются сегменты с изогнутыми поперечными сечениями и они дают резкие изображения, в то время как линзы без визуализации имеют сегменты с плоскими поперечными сечениями и не дают четких изображений. [11] По мере увеличения количества сегментов два типа линз становятся более похожими друг на друга. В абстрактном случае бесконечного числа сегментов разница между изогнутыми и плоскими сегментами исчезает.

Визуализация [ править ]

Сферический
Сферическая линза Френеля эквивалентна простой сферической линзе , в которой используются кольцевые сегменты, каждый из которых является частью сферы, которые фокусируют свет в одной точке. Этот тип линзы дает резкое изображение, хотя и не такое четкое, как эквивалентная простая сферическая линза, из-за дифракции на краях выступов.
Цилиндрический
Цилиндрическая линза Френеля эквивалентна простой цилиндрической линзе , использующей прямые сегменты с круглым поперечным сечением, фокусируя свет на одной линии. Этот тип дает резкое изображение, хотя и не такое четкое, как у эквивалентной простой цилиндрической линзы, из-за дифракции на краях выступов.

Без изображений [ править ]

Место
Точечная линза Френеля без визуализации использует кольцевые сегменты с поперечным сечением, которые представляют собой прямые линии, а не дуги окружностей. Такой объектив может фокусировать свет на небольшом пятне, но не дает четкого изображения. Эти линзы находят применение в солнечной энергии, например, для фокусировки солнечного света на солнечной панели. Линзы Френеля могут использоваться в качестве компонентов осветительной оптики Келера, что приводит к очень эффективной не отображающей оптике солнечным концентраторам Френеля-Келера (FK). [12]
Линейный
Линия Френеля без визуализации использует прямые сегменты, поперечные сечения которых являются прямыми линиями, а не дугами. Эти линзы фокусируют свет в узкую полосу. Они не дают четкого изображения, но могут использоваться в солнечной энергии, например, для фокусировки солнечного света на трубе, чтобы нагреть воду внутри. [ необходима цитата ]

Использует [ редактировать ]

Визуализация [ править ]

Пластиковая линза Френеля, продаваемая как устройство увеличения экрана телевизора.
Линза Френеля, используемая в портативном телевизоре с ЭЛТ Sinclair FTV1 , которая увеличивает только вертикальный аспект дисплея.

Линзы Френеля используются как простые ручные лупы . Они также используются для коррекции некоторых нарушений зрения, включая нарушения моторики глаз, такие как косоглазие . [13] Линзы Френеля использовались для увеличения визуального размера ЭЛТ- дисплеев в карманных телевизорах , особенно в Sinclair TV80 . Также они используются в светофорах .

Линзы Френеля используются в европейских грузовиках с левым рулем, въезжающих в Великобританию и Ирландию (и наоборот, в ирландских и британских грузовиках с правым рулем, въезжающих в континентальную Европу), чтобы преодолеть слепые зоны, вызванные водителем, управляющим грузовиком во время движения. сидеть с неправильной стороны кабины по отношению к обочине дороги, на которой находится автомобиль. Они прикрепляются к окну со стороны пассажира. [14]

Другое автомобильное применение линзы Френеля - усилитель заднего вида, поскольку широкий угол обзора линзы, прикрепленной к заднему окну, позволяет исследовать сцену позади транспортного средства, особенно высокого или с крутым хвостом, более эффективно, чем вид сзади. зеркало в одиночку.

Многофокусные линзы Френеля также используются в составе камер идентификации сетчатки глаза , где они обеспечивают множественные изображения в фокусе и вне фокуса объекта фиксации внутри камеры. Практически для всех пользователей хотя бы одно изображение будет в фокусе, что позволит правильно расположить глаза.

Линзы Френеля также использовались в сфере массовых развлечений. Британский рок-исполнитель Питер Гэбриэл использовал их в своих ранних сольных живых выступлениях, чтобы увеличить размер своей головы, в отличие от остальной части его тела, для драматического и комического эффекта. В фильме Терри Гиллиама « Бразилия» пластиковые экраны Френеля якобы используются как увеличительные стекла для небольших ЭЛТ-мониторов, используемых в офисах Министерства информации. Однако они иногда появляются между актерами и камерой, искажая масштаб и композицию сцены до юмористического эффекта. В фильме Pixar Wall-E линза Френеля используется в сценах, где главный герой смотрит мюзикл Hello, Dolly!увеличено на iPod .

Фотография [ править ]

Canon и Nikon использовали линзы Френеля, чтобы уменьшить размер телеобъективов. Фотографические линзы, содержащие элементы Френеля, могут быть намного короче, чем соответствующие линзы обычной конструкции. Nikon называет технологию Phase Fresnel . [15] [16]

В камере Polaroid SX-70 использовался отражатель Френеля как часть системы обзора.

В обзорных и широкоформатных камерах может использоваться линза Френеля в сочетании с матовым стеклом для увеличения воспринимаемой яркости изображения, проецируемого линзой на матовое стекло, тем самым помогая регулировать фокус и композицию.

Освещение [ править ]

Линза и привод маяка Инчкейт

Высококачественные стеклянные линзы Френеля использовались в маяках, где они считались ультрасовременными в конце 19 - середине 20 веков; Большинство маяков сняли с эксплуатации стеклянные линзы Френеля и заменили их гораздо менее дорогими и более прочными аэромаяками , которые сами часто содержат пластиковые линзы Френеля. [ необходима цитата ] Системы линз Френеля для маяков обычно включают в себя дополнительные кольцевые призматические элементы, расположенные в виде граненых куполов выше и ниже центрального плоского Френеля, чтобы улавливать весь свет, излучаемый источником света. Световой путь через эти элементы может включать внутреннее отражение , а не простое преломление.в плоском элементе Френеля. Эти линзы принесли много практических преимуществ проектировщикам, строителям и пользователям маяков и их освещения. Помимо прочего, линзы меньшего размера могут поместиться в более компактное пространство. Лучшее светопропускание на большие расстояния и разнообразные рисунки позволили триангулировать положение. [ необходима цитата ]

Возможно, наиболее распространенное использование линз Френеля на какое-то время произошло в автомобильных фарах , где они могут формировать примерно параллельный луч от параболического отражателя, чтобы удовлетворить требованиям для диаграмм направленности ближнего и дальнего света, часто как в одном блоке фары (например, как европейский дизайн H4 ). Из соображений экономии, веса и ударопрочности в новых автомобилях не используются стеклянные линзы Френеля, а используются многогранные отражатели с плоскими линзами из поликарбоната . Однако линзы Френеля по-прежнему широко используются в автомобильных задних фонарях, габаритных огнях и фонарях заднего хода.

Стеклянные линзы Френеля также используются в осветительных приборах для театра и кино (см. Фонарь Френеля ); такие инструменты часто называют просто Френелями . Весь прибор состоит из металлического корпуса, рефлектора, лампы в сборе и линзы Френеля. Многие инструменты Френеля позволяют перемещать лампу относительно точки фокусировки линзы , чтобы увеличивать или уменьшать размер светового луча. В результате они очень гибкие и часто могут давать луч шириной от 7 ° до 70 °. [17] Линза Френеля излучает луч с очень мягкими краями, поэтому часто используется как размытый свет. В держателе перед линзой помещается цветная пластиковая пленка ( гель) для тонирования света или проволочных экранов или матового пластика для его рассеивания. Линза Френеля полезна при создании движущихся изображений не только из-за ее способности фокусировать луч ярче, чем у обычного объектива, но также потому, что свет имеет относительно постоянную интенсивность по всей ширине луча света.

Система оптической посадки на авианосец ВМС США USS Dwight D. Eisenhower

Авианосцы и военно-морские авиационные станции обычно используют линзы Френеля в своих оптических системах посадки . Освещение «фрикадельки» помогает пилоту поддерживать надлежащую глиссаду при посадке. В центре - янтарный и красный огоньки, состоящие из линз Френеля. Хотя свет всегда включен, угол обзора линзы с точки зрения пилота определяет цвет и положение видимого света. Если огни появляются над зеленой горизонтальной полосой, пилот находится слишком высоко. Если он ниже, пилот слишком низко, а если огни красные, пилот очень низко. [ необходима цитата ]

Проекция [ править ]

Использование линз Френеля для проецирования изображения снижает качество изображения, поэтому они, как правило, возникают только там, где качество не критично или когда объем сплошной линзы будет недопустимым. Дешевые линзы Френеля могут быть штампованы или отформованы из прозрачного пластика и используются в диапроекторах и проекционных телевизорах .

Линзы Френеля с разным фокусным расстоянием (один коллиматор и один коллектор) используются в коммерческой и самодельной проекции. Коллиматорная линза имеет меньшее фокусное расстояние и расположена ближе к источнику света, а коллекторная линза, фокусирующая свет в триплетную линзу, размещается после проецируемого изображения ( ЖК- панель с активной матрицей в ЖК-проекторах ). Линзы Френеля также используются в качестве коллиматоров в диапроекторах .

Солнечная энергия [ править ]

Поскольку пластиковые линзы Френеля могут быть больше, чем стеклянные линзы, а также быть намного дешевле и легче, они используются для концентрации солнечного света для обогрева в солнечных плитах , в солнечных кузницах и в солнечных коллекторах, используемых для нагрева воды для домашнего использования. Их также можно использовать для выработки пара или для привода двигателя Стирлинга .

Линзы Френеля могут концентрировать солнечный свет на солнечных элементах в соотношении почти 500: 1. [18] Это позволяет уменьшить активную поверхность солнечных элементов, снижая стоимость и позволяя использовать более эффективные элементы, которые в противном случае были бы слишком дорогими. [19] В начале 21 века рефлекторы Френеля начали использоваться для концентрации солнечных электростанций (CSP) для концентрации солнечной энергии. Одно из приложений заключалось в подогреве воды на угольной электростанции Liddell в Хантер-Вэлли, Австралия.

Линзы Френеля можно использовать для спекания песка, что позволяет 3D-печатью на стекле. [20]

История [ править ]

Предтечи [ править ]

Огюстен-Жан Френель был не первым, кто сфокусировал луч маяка с помощью линзы. Эта награда, по-видимому, принадлежит лондонскому стеклодуву Томасу Роджерсу, который предложил идею Trinity House в 1788 году. [21] Первые линзы Rogers диаметром 53 см и толщиной 14 см в центре были установлены на Старом Нижнем маяке. в Портлендском Билле в 1789 году. За каждой лампой находилось сферическое стеклянное зеркало с задним покрытием, которое отражало заднее излучение обратно через лампу в линзу. К 1804 году дополнительные образцы были установлены в Хоут Бейли , Северный Форленд , и, по крайней мере, в четырех других местах. Но большая часть света терялась из-за поглощения в стекле. [21][22]

Френель не был первым, кто предложил заменить выпуклую линзу серией концентрических кольцевых призм для уменьшения веса и поглощения. В 1748 году граф Бюффон предложил шлифовать такие призмы как ступеньки в цельном куске стекла. [4] В 1790 году [23] (хотя вторичные источники указывают дату как 1773 [24] : 609 или 1788 [25] ) маркиз де Кондорсе предположил, что было бы проще изготовить кольцевые секции отдельно и собрать их на Рамка; но в то время даже это было непрактично. [26] [27] Эти конструкции предназначались не для маяков [4], а длягорящие очки . [24] : 609 Дэвид Брюстер , однако, предложил систему, аналогичную системе Кондорсе в 1811 году, [4] [25] [28] и к 1820 году выступал за ее использование на британских маяках. [29]

Вклад Френеля [ править ]

Французская Комиссия де Фаре (Комиссия маяков) была учреждена Наполеоном в 1811 году и передана в ведение нанимателя Френеля, Корпуса мостов и дорог. Поскольку члены комиссии были заняты другими делами, в первые годы ее существования она мало чего достигла. [30] Но 21 июня 1819 года - через три месяца после получения Гран-при Академии наук по физике за свои знаменитые мемуары о дифракции - Френель был «временно» откомандирован в комиссию по рекомендации Франсуа Араго (член с 1813 года). , чтобы рассмотреть возможные улучшения в освещении маяков. [26] [31]

К концу августа 1819 года, не зная о предложении Бюффона-Кондорсе-Брюстера, [26] [28] Френель сделал свое первое выступление перед комиссией, [32] рекомендуя то, что он назвал lentilles à échelons ( ступенчатые линзы), для замены линз. в то время использовались отражатели, которые отражали только половину падающего света. [33] К большому смущению Френеля, один из собравшихся комиссаров, Жак Шарль , вспомнил предложение Бюффона. [5] Однако, в то время как версия Бюффона была двояковыпуклой и цельной, [34] версия Френеля была плосковыпуклой.и сделан из нескольких призм для упрощения конструкции. Имея официальный бюджет в 500 франков, Френель обратился к трем производителям. Третий, Франсуа Солей, нашел способ устранить дефекты путем повторного нагрева и повторной формовки стекла. Араго помогал Френелю в разработке модифицированной лампы Аргана с концентрическими фитилями (концепция, которую Френель приписал графу Рамфорду  [35] ), и случайно обнаружил, что рыбий клейбыл термостойким, что делало его пригодным для использования в объективе. Прототип, законченный в марте 1820 года, имел квадратную линзовую панель со стороной 55 см, содержащую 97 многоугольных (не кольцевых) призм - и настолько впечатлил Комиссию, что Френеля попросили создать полную восьмипанельную версию. Эта модель, завершенная годом позже, несмотря на недостаточное финансирование, имела панели площадью 76 см в квадрате. На публичном представлении вечером 13 апреля 1821 года он был продемонстрирован путем сравнения с самыми последними отражателями, которые внезапно устарели. [36]

Вскоре после этой демонстрации Френель опубликовал идею о том, что свет, включая явно неполяризованный свет, состоит исключительно из поперечных волн , и продолжил рассмотрение последствий для двойного лучепреломления и частичного отражения. [37]

Френель признал британские линзы и изобретение Бюффона в мемуарах, прочитанных 29 июля 1822 года и напечатанных в том же году. [38] Дата этих мемуаров может быть источником утверждения, что пропаганда маяка Френеля началась на два года позже, чем у Брюстера; [29] но из текста ясно, что участие Френеля началось не позднее 1819 года. [39]

Поперечное сечение линзы маяка Френеля первого поколения с наклонными зеркалами  m, n выше и ниже преломляющей панели  RC (с центральным сегментом  A ). Позднее конструкция была улучшена путем замены зеркал на отражающие призмы для уменьшения потерь. Если поперечное сечение лампы L в каждой вертикальной плоскости  одинаково (цилиндрическая симметрия), свет распространяется равномерно по горизонту.

Следующая линза Френеля была вращающеес устройства с восьмью «Яблочком» панелями, выполненное в кольцевых дугах Saint-Gobain , [27] дает восемь вращающихся балки-следует рассматривать моряк в качестве периодической вспышки. Сверху и позади каждой основной панели была небольшая наклонная панель трапециевидного очертания с трапециевидными элементами. [40] Это преломляло свет на наклонное плоское зеркало, которое затем отражало его горизонтально, на 7 градусов впереди основного луча, увеличивая продолжительность вспышки. [41] Под основными панелями находились 128 маленьких зеркал, расположенных в четыре кольца, уложенных друг на друга, как ламели жалюзи или жалюзи . Каждое кольцо, по форме напоминает усеченный о наличии конуса, отразил свет к горизонту, давая более тусклый ровный свет между вспышками. Официальное испытание, проведенное на недостроенной Триумфальной арке 20 августа 1822 года, было засвидетельствовано Комиссией, а также Людовиком XVIII и его свитой с расстояния в 20 миль (32 км). Аппарат хранился в Бордо на зиму, а затем был собран на маяке Кордуана под наблюдением Френеля - частично собственными руками. 25 июля 1823 года зажглась первая в мире линза Френеля на маяке. [42] Как и ожидалось, свет был виден до горизонта на расстоянии более 20 миль. [43]

За день до испытания линзы Кордуана в Париже комитет Академии наук сообщил о мемуарах Френеля и приложениях о двойном лучепреломлении, которые, хотя и менее известны современным читателям, чем его более ранние работы по дифракции, нанесли более решительный удар. для волновой теории света. [44] Между испытанием и повторной сборкой в ​​Кордуане Френель представил свои статьи по фотоупругости (16 сентября 1822 г.), эллиптической и круговой поляризации и оптическому вращению (9 декабря), а также частичному отражению и полному внутреннему отражению (7 января 1823 г.), [ 45], по существу завершая реконструкцию физической оптики.по гипотезе поперечной волны . Вскоре после того, как линза Кордуана зажгла, Френель начал кашлять кровью. [46]

В мае 1824 года [28] Френель был назначен секретарем Комиссии де Фарер , став первым членом этого органа, получившим жалованье [47], хотя и одновременно с ним в должности главного инженера. [48] ​​В конце того же года, будучи все более болезненным, он свернул свои фундаментальные исследования и бросил сезонную работу в качестве экзаменатора в Политехнической школе , чтобы сэкономить оставшееся время и силы для работы на маяке. [49] [50]

В том же году он разработал первую фиксированную линзу - для равномерного распределения света по горизонту и минимизации потерь сверху и снизу. [26] В идеале изогнутые преломляющие поверхности должны быть сегментами тороидов вокруг общей вертикальной оси, так что диоптрийная панель будет выглядеть как цилиндрический барабан. Если бы это было дополнено отражающими ( катоптрическими ) кольцами выше и ниже преломляющих (диоптрических) частей, весь аппарат выглядел бы как улей. [51] Вторая линза Френеля, поступившая на вооружение, действительно была фиксированной линзой третьего порядка, установленной в Дюнкерке к 1 февраля 1825 г. [52]Однако из-за сложности изготовления больших тороидальных призм этот аппарат имел 16-сторонний многоугольный план. [53]

В 1825 году Френель расширил свою конструкцию фиксированной линзы, добавив вращающуюся матрицу вне фиксированной матрицы. Каждая панель вращающегося массива должна была преломлять часть фиксированного света от горизонтального веера в узкий луч. [26] [54]

Также в 1825 году Френель представил Carte des Phares (Карта маяков), в котором содержится призыв к системе из 51 маяка плюс меньшие габаритные огни в иерархии размеров линз, называемых «заказами» (первый из которых является самым большим), с различными характеристиками для облегчения распознавание: постоянный свет (от фиксированного объектива), одна вспышка в минуту (от вращающегося объектива с восемью панелями) и две вспышки в минуту (шестнадцать панелей). [55]

В конце 1825 года [56], чтобы уменьшить потери света в отражающих элементах, Френель предложил заменить каждое зеркало катадиоптрической призмой, через которую свет будет проходить через преломление через первую поверхность, а затем полное внутреннее отражение от второй поверхности. , затем преломление через третью поверхность. [57] Результатом стала линза маяка, как мы ее знаем сейчас. В 1826 году он собрал небольшую модель для использования на канал Сен-Мартен , [58] , но он не жить , чтобы увидеть полноразмерную версию: он умер 14 июля 1827 года , в возрасте 39 лет .

После Френеля [ править ]

Первым этапом разработки линз для маяков после смерти Огюстена Френеля стала реализация его замыслов. Частично это было связано с его младшим братом Леонором, который, как и Огюстен, был инженером-строителем, но, в отличие от Огюстена, имел сильные способности к управлению. Леонор поступил на службу в Комиссию по маякам в 1825 году и сменил Августена на посту секретаря. [59]

Первой фиксированной линзой с тороидальными призмами был аппарат первого порядка, разработанный шотландским инженером Аланом Стивенсоном под руководством Леонора Френеля и изготовленный Исааком Куксоном и компанией с использованием французского стекла; он вступил в строй на острове Мэй , Шотландия, 22 сентября 1836 года. [60] Первые большие катадиоптрические линзы были изготовлены в 1842 году для маяков на Гравелин и Иль-Вьерж , Франция; это были фиксированные линзы третьего порядка с катадиоптрическими кольцами (сделанными из сегментов) диаметром один метр. Скерривор первого порядка Стивенсоналинза, засветившаяся в 1844 г., была лишь частично катадиоптрической; он был похож на линзу Кордуана, за исключением того, что нижние планки были заменены катадиоптрическими призмами французского производства, а зеркала остались наверху. Первая полностью катадиоптрическая линза первого порядка, установленная в Пуэнт-д'Айи в 1852 году, также давала восемь вращающихся лучей плюс фиксированный свет внизу; но его верхняя часть имела восемь катадиоптрических панелей, фокусирующих свет примерно на 4 градуса впереди основных лучей, чтобы удлинить вспышки. Первая полностью катадиоптрическая линза с чисто вращающимися лучами - тоже первого порядка - была установлена ​​в Сен-Клеман-де-Бален в 1854 году и ознаменовала завершение оригинальной Carte des Phares Августена Френеля . [61]

Томас Стивенсон (младший брат Алана) пошел дальше Френеля со своей «голофотальной» линзой, которая фокусировала свет, излучаемый лампой, почти во всех направлениях, вперед или назад, в единый луч. [62]Первая версия, описанная в 1849 году, состояла из стандартной линзы Френеля, параболоидального отражателя и заднего полусферического отражателя (функционально эквивалентного зеркалу Роджерса 60 лет назад, за исключением того, что оно охватывало все полушарие). Свет, излучаемый в переднее полушарие, но не попавший в линзу «яблочко», отклонялся параболоидом в параллельный луч, окружающий линзу «бычий глаз», в то время как свет, излучаемый в заднюю полусферу, отражался обратно через лампу сферическим отражателем (как в случае Роджерса). 'расположение), которые собираются передними компонентами. Первый агрегат был установлен в Северной гавани, Петерхед.в августе 1849 г. Стивенсон назвал эту версию «катадиоптрической голофотом», хотя каждый из ее элементов был либо чисто отражающим, либо чисто преломляющим. Во второй версии концепции голофота линза «яблочко» и параболоидальный отражатель были заменены катадиоптрической линзой Френеля - по замыслу Френеля, но расширенной для покрытия всей передней полусферы. Третья версия, которую Стивенсон сбивчиво назвал «диоптрическим голофотом», была более новаторской: она сохранила катадиоптрическую линзу Френеля для передней полусферы, но заменила задний полусферический отражатель полусферическим набором кольцевых призм, каждая из которых использовала по двеполное внутреннее отражение, чтобы повернуть свет, расходящийся от центра полушария, обратно к центру. В результате получился цельностеклянный голограф без потерь на металлические отражения. [63]

Джеймс Тимминс Чанс модифицировал цельностеклянную голофотальную конструкцию Томаса Стивенсона, разместив призмы с двойным отражением вокруг вертикальной оси. Прототип был показан на Международной выставке 1862 года в Лондоне. Позже, чтобы упростить производство, Ченс разделил призмы на сегменты и расположил их в цилиндрической форме, сохранив при этом свойство отражать свет из одной точки обратно в эту точку. Отражатели этой формы, парадоксально названные «диоптрическими зеркалами», оказались особенно полезными для отражения света от лампы, направленной к суше, на сторону моря. [64]

Линза Френеля с групповой вспышкой первого порядка на выставке в музее маяка Пойнт-Арена, маяк Пойнт-Арена , округ Мендосино, Калифорния . Три диоптрические панели (внутри латунных колец) и три катадиоптрические панели (снаружи) частично разделены на две части, что дает три двойных вспышки за один оборот.

По мере распространения маяков их стало труднее отличать друг от друга, что привело к использованию цветных фильтров, которые тратят свет впустую. В 1884 году Джон Хопкинсон устранил необходимость в фильтрах, изобрел линзу с «групповой вспышкой», в которой диоптрические и / или катадиоптрические панели были разделены так, чтобы давать множественные вспышки, что позволило идентифицировать маяки не только по частоте вспышек. , но и по множественности вспышек. Линзы с двойным миганием были установлены в Тампико (Мексика) и Литл-Бассес (Шри-Ланка) в 1875 году, а линзы с тройным миганием на маяке Каскетс ( Нормандские острова ) в 1876 году. [65] Показанный (справа) пример является двойным светом. мигающая линза Point Arena Light, находившийся на вооружении с 1908 по 1977 гг. [66]

Развитие гиперрадиальных линз отчасти было вызвано необходимостью в более крупных источниках света, таких как газовые фонари с несколькими струями, которые требовали большего фокусного расстояния для данной ширины луча, следовательно, большей линзы для сбора данной доли генерируемый свет. Первая гиперрадиальная линза была построена для Стивенсонов в 1885 г. французской компанией F. Barbier & Cie и испытана на маяке Южного Форленда с различными источниками света. Chance Brothers (работодатели Хопкинсона) затем начали строительство гиперрадиалов, установив их первый на маяке Бишоп Рок в 1887 году. [67] В том же году Барбье установил гиперрадиалы на острове Тори . Но на вооружение поступило всего около 30 гиперрадиалов.[68] до разработки более компактных ярких ламп сделали такую ​​большую оптику ненужной (см. Гиперрадиантную линзу Френеля ).

Производство цельных ступенчатых диоптрийных линз - примерно так, как задумал Бюффон - стало возможным в 1852 году, когда Джон Л. Гиллиланд из Brooklyn Flint-Glass Company запатентовал метод изготовления линз из прессованного и формованного стекла. Компания производила небольшие линзы «яблочко» для использования на железных дорогах, пароходах и доках; [69] такие линзы были распространены в Соединенных Штатах к 1870-м годам. [28] : 488 В 1858 году компания произвела «очень небольшое количество прессованных линз шестого порядка из бесцветного стекла» для использования в маяках - первые линзы для маяков Френеля, сделанные в Америке. [69] К 1950-м годам замена стекла пластиком сделала экономичным использование линз Френеля в качестве конденсаторов в диапроекторах. [70]

См. Также [ править ]

  • Тепловизор Френеля
  • Зонная пластина Френеля
  • Линзовидная линза
  • Линейный отражатель Френеля
  • Призменное освещение - анидольная оптика Френеля

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Линза Френеля" , Merriam-Webster , заархивировано из оригинала 17 декабря 2013 г. , извлечено 19 марта 2013 г..
  2. ^ Уэллс, Джон (3 апреля 2008 г.), Словарь произношения Longman (3-е изд.), Pearson Longman, ISBN 978-1-4058-8118-0.
  3. ↑ Бернхард, Адриенн (21 июня 2019 г.), «Изобретение, спасшее миллион кораблей» , BBC , получено 4 августа 2019 г..
  4. ^ a b c d Чисхолм, Хью, изд. (1911), «Маяк»  , Британская энциклопедия , 16 (11-е изд.), Cambridge University Press, стр. 627–651..
  5. ^ а б Левитт, 2013, стр. 59.
  6. ^ a b Baiges, Mabel A. (1988), «Приказы Френеля» (TIFF) , заархивировано из оригинала 21 сентября 2015 года , извлечено 9 сентября 2012 года. .
  7. ^ «Линзы Френеля» , заархивированные с оригинала на 27 сентября 2007.
  8. ↑ «Линзы Френеля» , Michigan Lighthouse Conservancy, 31 января 2008 г., заархивировано из оригинала 21 сентября 2012 г. , получено 27 февраля 2021 г..
  9. ^ Андерсон, Kraig, "Makapu'u, HI" , Маяк Друзья , архивируются с оригинала на 5 октября 2008 года , получен 26 февраля 2 009.
  10. ^ Общество маяков Соединенных Штатов, "Заказы линз Френеля, размеры, вес, количество и стоимость" .
  11. ^ Р. Уинстон, Дж. К. Миньяно и П. Г. Бенитес, Nonimaging Optics , Academic Press, 2005.
  12. ^ Шавеш, Хулио (2015), Введение в Nonimaging оптики, второе издание , CRC Press , ISBN 978-1482206739.
  13. ^ Shishavanf, Амир Asgharzadeh; Нордин, Лиланд; Tjossem, Пол; Абрамофф, Майкл Д; Тор, Фатима (2016), Энгета, Надер; Ногинов Михаил А; Желудев, Николай I (ред.), "Офтальмологические контактные линзы на основе ПММА для коррекции зрения при косоглазии" , Metamaterials, Metadevices, and Metasystems 2016, 9918 , Общество инженеров по фотооптическому приборостроению: 99180C, doi : 10.1117 / 12.2237994 , S2CID 125689110 , проверено 21 июня 2020 г.  Цитировать журнал требует |journal=( помощь ).
  14. ↑ Лоу, Дэвид (3 декабря 2011 г.), Справочник менеджера по транспорту и оператора Лоу 2012 , издательство Kogan Page Publishers , ISBN 9780749464103.
  15. ↑ Nikon Corp., «AF-S NIKKOR 300mm f / 4E PF ED VR» , 6 января 2015 г., архивировано 15 февраля 2015 г. на Wayback Machine .
  16. ^ «Фаза Френеля -« PF »в Nikon New 300mm f / 4E PF ED VR» , цифровая фотография , архивная копия от 14 января 2015 г. на Wayback Machine .
  17. ↑ Мамм, Роберт С., Справочник по фотометрии , 2-е изд., Broadway Press, 1997, стр. 36.
  18. ^ «Технология Soitec Concentrix» , заархивировано из оригинала 17 апреля 2011 г. , извлечено 3 сентября 2013 г..
  19. ^ "Высокопроизводительная технология Concentrix от Soitec" , заархивировано из оригинала 23 сентября 2013 г. , извлечено 27 февраля 2021 г..
  20. ↑ М. Марголин, «Этот 3D-принтер работает на песке и солнце» , Vice , заархивировано из оригинала 1 декабря 2017 г. , получено 27 февраля 2021 г..
  21. ^ a b T. Tag, «Использование линз до Френеля» , US Lighthouse Society, по состоянию на 12 августа 2017 г .; архивировано 20 мая 2017 года.
  22. Перейти ↑ Levitt, 2013, p. 57.
  23. ↑ Н. де Кондорсе, Éloge de M. le Comte de Buffon , Париж: Chez Buisson, 1790, стр. 11–12. (Этот некролог также появился в Histoire de l'Académie Royale des Sciences за 1788 год, напечатан в 1791 году.)
  24. ^ a b D. Appleton & Co., "Морские огни" , Словарь машин, механики, машиностроения и инженерии , 1861, т. 2. С. 606–18.
  25. ^ a b T. Tag, «Хронология событий на маяках» , US Lighthouse Society, по состоянию на 22 августа 2017 г .; архивировано 8 апреля 2017 года.
  26. ^ a b c d e T. Tag, "Линза Френеля" , US Lighthouse Society, по состоянию на 12 августа 2017 г .; архивировано 22 июля 2017 года.
  27. ^ а б Левитт, 2013, стр. 71.
  28. ^ a b c d Г. Рипли и К. А. Дана (ред.), "Френель, Августин Жан" , American Cyclopædia , 1879, vol. 7. С. 486–9.
  29. ^ a b Чизхолм, Хью, изд. (1911), «Брюстер, сэр Дэвид»  , Британская энциклопедия , 4 (11-е изд.), Cambridge University Press, стр. 513–514.
  30. Перейти ↑ Levitt, 2013, pp. 49–50.
  31. ^ Levitt, 2013, стр 51,. 53; Элтон, 2009, стр. 190; Френель, 1866–70, т. 1, стр. xcvii и т. 3, стр. xxiv. («21 июля» в Левитте, 2013 г., стр. 240, является ошибкой транскрипции, несовместимой с цитируемым первоисточником.)
  32. ↑ Френель, 1866–70, т. 3. С. 5–14; дату, см. стр. 6н. Левитт (2013, с. 58) указывает дату только на август 1819 года.
  33. ^ Levitt, 2013, стр. 56, 58.другом докладе Френелем от 29 августа 1819 (Френеля, 1866-70, т. 3, стр. 15-21), касается тестов на отражатели, и не говоря ужеступенчатых линз за исключением несвязанного эскиза на последней странице рукописи. Протоколы заседаний Комиссии относятся только к 1824 году, когда сам Френель занял пост секретаря (Fresnel, 1866–70, vol. 3, p. 6n). Таким образом, к сожалению, невозможно установить точную дату, когда Френель официально рекомендовал чечевицу в чечевице .
  34. Перейти ↑ Levitt, 2013, p. 59. Двояковыпуклая форма может быть выведена из описания Бюффона, цитируемого в Fresnel, 1822, tr. Tag, на стр. 4.
  35. ^ Френель, 1822, тр. Тег, стр. 11.
  36. Перейти ↑ Levitt, 2013, pp. 59–66. Левитт дает размер версии на восемь-панеликак 28 1 / 3  дюйма (72 см). Элтон (2009, стр. 193) дает 76 см и указывает, что первая панель была испытана 31 октября 1820 г .; ср. Френель, 1866–70, т. 3, стр. Xxxii и xxxiv, и Fresnel, 1822, tr. Тег, стр. 7.
  37. ^ А. Френель, "Примечание о расчетах результатов развития поляризации в кристаллических кристаллах" и след., Анналы химии и физики , сер. 2, т. 17, стр. 102–11 (май 1821 г.), 167–96 (июнь 1821 г.), 312–15 («Постскриптум», июль 1821 г.); перепечатано в Fresnel, 1866–70, vol. 1. С. 609–48; переводится как «О вычислении оттенков поляризации в кристаллических пластинах и приписке», Zenodo :  4058004 / doi : 10.5281 / zenodo.4058004 , 2021.
  38. ^ Френель, 1822, тр. Тег, стр. 2–4.
  39. ^ Френель, 1822, тр. Тег, стр. 1.
  40. ↑ D. Gombert, фотография Optique de Cordouan из коллекции Musée des Phares et Balises , Уэссан , Франция, 23 марта 2017 г.
  41. ^ Френель, 1822, тр. Тэг, стр. 13, 25.
  42. ^ Элтон, 2009, стр. 195;  Левитт, 2013, стр. 72–6.
  43. ^ Б. Уотсон, "Наука делает лучшую линзу маяка" , Смитсоновский институт , том. 30 ч. 5 (август 1999 г.), стр. 30–31.
  44. ^ Бухвальд, 1989, стр 260, 288-90, 297.  ср. Born & Wolf, 1999, стр. xxviii.
  45. ↑ Френель, 1866–70, т. 1. С. 713–18, 731–51, 767–99.
  46. Перейти ↑ Levitt, 2013, p. 97.
  47. Перейти ↑ Levitt, 2013, p. 82.
  48. ^ Элтон, 2009, стр. 190.
  49. ↑ HM Brock, "Fresnel, Augustin-Jean" , Католическая энциклопедия , 1907–12, том. 6 (1909 г.).
  50. ^ Янг, 1855, стр. 399;  Бутри, 1948, стр. 601–2.
  51. ^ Ср. Элтон, 2009, стр. 198, рисунок 12.
  52. Перейти ↑ Levitt, 2013, p. 84.
  53. ^ Elton, 2009, стр. 197-8.
  54. ^ Elton, 2009, стр. 198-9.
  55. ^ Levitt, 2013, стр. 82-4.
  56. ^ Элтон, 2009, стр. 200.
  57. Перейти ↑ Levitt, 2013, pp. 79–80.
  58. ^ Национальный музей де ла морской, «Appareil catadioptrique, Appareil дю канал Сен-Мартен» , доступ26 августа 2017; архивировано 26 августа 2017 года.
  59. Перейти ↑ Levitt, 2013, pp. 28, 72, 99.
  60. ^ Elton, 2009, стр 199,. 200,202; Левитт, 2013, с. 104–5.
  61. ^ Levitt, 2013, стр. 108-10, 113-16, 122-3. Элтон (2009, стр. 208) отмечает, что, хотя линза Скерривора была освещена 1 февраля 1844 года, катадиоптрическая часть еще не была добавлена.
  62. ^ Elton, 2009, стр. 209-10, 238.
  63. ^ Elton, 2009, стр. 210-13.
  64. ^ Elton, 2009, стр. 221-3.
  65. ^ Elton, 2009, стр 227-30.  Левитт, 2013, стр. 219.
  66. ^ Point Arena Lighthouse Keepers, Inc., "Lighthouse History" , по состоянию на 1 марта 2021 г.
  67. ^ Элтон, 2009, стр. 233;  Левитт, 2013, стр. 222–4.
  68. ↑ T. Tag, «Hyper-Radial Lenses» , US Lighthouse Society, по состоянию на 28 февраля 2021 г .; архивировано 11 февраля 2021 года.
  69. ^ a b T. Tag, «Американские линзы Френеля» , US Lighthouse Society, по состоянию на 1 марта 2021 г .; архивировано 21 февраля 2021 года.
  70. ^ A. Finstad, "Новые разработки в аудиовизуальных материалах", Высшее образование , т. 8, вып. 15 (1 апреля 1952 г.), стр. 176–8, at p. 176.

Библиография [ править ]

  • М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики , 7-е изд., Кембридж, 1999.
  • Г.-А. Бутри, 1948, «Огюстен Френель: его время, жизнь и работа, 1788–1827», Science Progress , vol. 36, нет. 144 (октябрь 1948 г.), стр. 587–604; jstor.org/stable/43413515 .
  • Дж. З. Бухвальд, 1989, Расцвет волновой теории света: оптическая теория и эксперимент в начале девятнадцатого века , University of Chicago Press, ISBN 0-226-07886-8 . 
  • Дж. Элтон, 2009, "Свет, освещающий нашу темноту: оптика маяка и дальнейшее развитие революционной преломляющей линзы Френеля 1780–1900", Международный журнал истории инженерии и технологий , вып. 79, нет. 2 (июль 2009 г.), стр. 183–244; DOI : 10.1179 / 175812109X449612 .
  • А. Френель, 1822 г., «Mémoire sur un nouveau système d'éclairage des phares», читать 29 июля 1822 г .; перепечатано в Fresnel, 1866–70, vol. 3. С. 97–126 ; переведено Т. Тэгом как «Воспоминания о новой системе освещения маяков» , US Lighthouse Society, по состоянию на 26 августа 2017 г .; архивировано 19 августа 2016 года. (Приведенные номера страниц относятся к переводу.)
  • А. Френель (под ред.  Х. де Сенармона, Э. Верде и Л. Френеля), 1866–70, Oeuvres complete d'Augustin Fresnel (3 тома), Париж: Imprimerie Impériale; т. 1 (1866) , т. 2 (1868) , т. 3 (1870 г.) .
  • Т.Х. Левитт, 2013, Короткая яркая вспышка: Августин Френель и рождение современного маяка , Нью-Йорк: WW Norton, ISBN 978-0-393-35089-0 . 
  • Т. Янг (редактор Г. Пикок), 1855, Разные произведения покойного Томаса Янга , Лондон: Дж. Мюррей, т. 1 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • «Линза Френеля», Журнал Хранителя , зима 1985 г., стр. 12–14.
  • Береговая охрана США , средства навигации , Вашингтон, округ Колумбия: Типография правительства США , 1945.
  • Береговая охрана США, Маяки, линзы, Источники света, инженерия, и Augustin Fresnel: Историческая библиография на работах , опубликованных через 2007 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Общество маяков США , особенно " Линзы Френеля ".
  • В. А. Бриттен, «Линза Френеля» (с фотографиями).
  • Дж. Фрэнсис, "Линза Френеля - моделирование Максвелла" , 13 апреля 2009 г.
  • Дж. Хэйр, «Как работает линза Френеля» (5-минутное видео), Vega Science Trust, 2008.
  • Т. Пеппер, "Seeing the Light: Lighthouses on the Western Great Lakes" , архивировано с оригинала 30 января 2008 г..