IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Линза Френеля — сложная составная линза. Состоит не из цельного шлифованного куска стекла со сферической или иными поверхностями (как обычные линзы), а из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля [1]. Эта конструкция обеспечивает малую толщину (а, следовательно, и вес) линзе даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, что сферическая аберрация линзы Френеля невелика, лучи от точечного источника, помещённого в фокусе линзы, после преломления в кольцах выходят практически параллельным пучком (в кольцевых линзах).

Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Кольцевые линзы направляют световой поток в каком-либо одном направлении (рис.1). Поясные линзы посылают свет от источника по всем направлениям в определённой плоскости. Диаметр линзы Френеля может составлять от единиц сантиметров до нескольких метров.

Рисунок 1. Поперечное сечение линзы Френеля (1) и обычной линзы (2).

В работе было проведено компьютерное моделирование линзы и изучены различные виды аберраций, возникающих в идеальной линзе Френеля.

На рис. 2 показана зависимость волновых аберраций от смещения от оптической оси линзы.

Рис. 2. Зависимость волновых аберраций от смещения от оптической оси линзы

Максимальный масштаб графика порядка 10⁴ длин волн (λ = 0,587µм). Это говорит о большом искажении изображения предмета после прохождения линзы Френеля.

Рис. 3 демонстрирует масштаб хроматических аберраций в линзе Френеля.

Рис. 3. Хроматические аберрации в линзе Френеля

При изменении длины волны всего на 2нм положение фокуса линзы меняется на 20 µм.

Изучение волновых и хроматических аберраций в идеальной линзе Френеля говорит о невозможности ее использования для получения качественных изображений. Отсюда вытекает область применения линз Френеля:

• Массово применяется в осветительных устройствах, особенно подвижных, для минимизации веса и затрат на перемещение.

• Помещая линзу Френеля вблизи фокальной плоскости объектива и окуляра оптической системы (в зеркальных фотоаппаратах), конструкторы достигают максимальной равномерности освещённости изображения на матовом стекле видоискателя. При этом кольцевая структура линзы маскируется матовым стеклом, а паразитное рассеивание не оказывает влияния на изображение.

• Линзы Френеля применяются в крупногабаритных фокусирующих системах морских маяков, в проекционных телевизорах, оверхед-проекторах (кодоскопах), фотовспышках, навигационных огнях, светофорах, железнодорожных линзовых светофорах, семафорных фонарях и фонарях пассажирских вагонов.

• Пластиковая плёнка в виде линзы Френеля, наклеенная на заднее стекло автомобиля, уменьшает мёртвую (невидимую) зону позади автомобиля при взгляде через зеркало заднего вида.

• Перспективным в настоящее время считается использование линз Френеля в качестве концентратора солнечной энергии для солнечных батарей, позволившее довести КПД солнечных элементов до 44,7 %.

• Линзы Френеля применяются в инфракрасных (пирометрических) датчиках движения охранных сигнализаций.

Литература

1. Бобров С.Т., Грейсух Г.И., Туркевич Ю.Г., Оптика дифракционных элементов и систем, М.: 1986.- 223 с.

Код для цитирования: Скопировать