Lente de Fresnel - Fresnel lens

Lente Fresnel catadióptrica giratoria de primer orden, fechada en 1870, expuesta en el Musée national de la Marine , París. En este caso, los prismas dióptricos (dentro de los anillos de bronce) y los prismas catadióptricos (fuera) están dispuestos para concentrar la luz de la lámpara central en cuatro haces giratorios, que los marineros ven como cuatro destellos por revolución. El conjunto mide 2,54 metros de altura y pesa alrededor de 1,5 toneladas.

Una lente de Fresnel ( / f r . N ɛ l , - n əl / FRAY -nel, -⁠nəl ; / f r ɛ n . Ɛ l , - əl / FREN -el, -⁠əl ; / f r n ɛ l / fray- NEL ; o / f r ɛ z . n əl / frez -nəl ) es un tipo de comprimido compuesto lente desarrollado por el físico francés Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) para su uso en faros . Se le ha llamado "la invención que salvó un millón de barcos".

El diseño permite la construcción de lentes de gran apertura y corta distancia focal sin la masa y volumen de material que requeriría una lente de diseño convencional. Una lente Fresnel puede hacerse mucho más delgada que una lente convencional comparable, en algunos casos tomando la forma de una hoja plana. La forma dióptrica más simple (puramente refractiva) de la lente fue propuesta por primera vez por Count Buffon y reinventada de forma independiente por Fresnel. La forma catadióptrica de la lente, totalmente inventada por Fresnel, tiene elementos externos que utilizan tanto la reflexión interna total como la refracción; puede capturar más luz oblicua de una fuente de luz y agregarla al haz de un faro, haciendo que la luz sea visible desde mayores distancias.

Descripción

1: Sección transversal de la lente Buffon / Fresnel. 2: Sección transversal de una lente convencional plano-convexa de potencia equivalente. (La versión de Buffon era biconvexa ).
La vista de primer plano de una lente Fresnel plana muestra círculos concéntricos en la superficie

La lente Fresnel reduce la cantidad de material requerido en comparación con una lente convencional al dividir la lente en un conjunto de secciones anulares concéntricas. Una lente de Fresnel ideal tendría un número infinito de secciones. En cada sección, el grosor total se reduce en comparación con una lente simple equivalente. Esto divide efectivamente la superficie continua de una lente estándar en un conjunto de superficies de la misma curvatura, con discontinuidades escalonadas entre ellas.

En algunas lentes, las superficies curvas se reemplazan por superficies planas, con un ángulo diferente en cada sección. Una lente de este tipo se puede considerar como una serie de prismas dispuestos de forma circular, con prismas más pronunciados en los bordes y un centro plano o ligeramente convexo. En las primeras (y más grandes) lentes Fresnel, cada sección era en realidad un prisma separado. Posteriormente se produjeron lentes Fresnel de "pieza única", que se utilizaron para faros de automóviles, lentes de freno, de estacionamiento y de señal de giro, etc. En los tiempos modernos, el equipo de fresado controlado por computadora (CNC) o las impresoras 3-D pueden usarse para fabricar lentes más complejas.

El diseño de la lente de Fresnel permite una reducción sustancial del grosor (y, por lo tanto, la masa y el volumen de material), a expensas de reducir la calidad de imagen de la lente, por lo que las aplicaciones de imágenes precisas como la fotografía suelen utilizar lentes convencionales más grandes.

Las lentes de Fresnel suelen estar hechas de vidrio o plástico; su tamaño varía desde grandes (viejos faros históricos, tamaño de metro) a medianos (ayudas para leer libros, proyectores de visualización OHP) a pequeños ( pantallas de cámaras TLR / SLR , microóptica). En muchos casos son muy delgados y planos, casi flexibles, con espesores en el  rango de 1 a 5 mm ( 132 a 316 in).

La mayoría de las lentes Fresnel modernas constan solo de elementos refractivos. Las lentes de los faros, sin embargo, tienden a incluir elementos tanto refractores como reflectantes, estos últimos fuera de los anillos metálicos que se ven en las fotografías. Mientras que los elementos internos son secciones de lentes refractivas, los elementos externos son prismas reflectantes, cada uno de los cuales realiza dos refracciones y una reflexión interna total , evitando la pérdida de luz que se produce en la reflexión de un espejo plateado.

Tamaños de lentes de faro

Faro de Cape Meares ; Lente Fresnel de primer orden

Fresnel diseñó seis tamaños de lentes de faro, divididos en cuatro órdenes según su tamaño y distancia focal. En el uso moderno, estos se clasifican como de primer a sexto orden. Posteriormente se agregó un tamaño intermedio entre tercer y cuarto orden, así como tamaños por encima del primer orden y por debajo del sexto.

Un objetivo de primer orden tiene una distancia focal de 920 mm ( 36+14  in) y mide aproximadamente 2,59 m (8 pies 6 pulgadas) de alto y 1,8 m (6 pies) de ancho. El orden más pequeño (sexto) tiene una distancia focal de 150 mm (6 pulgadas) y una altura de 433 mm ( 17+116  pulg.).

Las lentes de Fresnel más grandes se denominan hiperradiantes (o hiperradiales ). Uno de esos lentes estaba disponible cuando se decidió construir y equipar el Makapuu Point Light en Hawái. En lugar de pedir una nueva lente, se utilizó la enorme construcción óptica, de 3,7 metros (12 pies) de altura y con más de mil prismas.

Pedidos de lentes de faro
Pedido Distancia focal 
(mm)
Altura
(m)
Primero instalado
Octavo
Séptimo
Sexto 150 0.433
Quinto 187,5 0.541
Cuatro 250 0,722
3+12 375
Tercera 500 1.576 1825
Segundo 700 2.069
Primero 920 2,59 1823
Mesoradial 1125
Hiperradial 1330 1887

Tipos

Hay dos tipos principales de lentes de Fresnel: con imágenes y sin imágenes . Las lentes de imagen Fresnel utilizan segmentos con secciones transversales curvas y producen imágenes nítidas, mientras que las lentes sin imagen tienen segmentos con secciones transversales planas y no producen imágenes nítidas. A medida que aumenta el número de segmentos, los dos tipos de lentes se vuelven más similares entre sí. En el caso abstracto de un número infinito de segmentos, la diferencia entre segmentos curvos y planos desaparece.

Imagen

Esférico
Una lente de Fresnel esférica es equivalente a una lente esférica simple , usando segmentos en forma de anillo que son cada uno una porción de una esfera, que enfocan la luz en un solo punto. Este tipo de lente produce una imagen nítida, aunque no tan clara como la lente esférica simple equivalente debido a la difracción en los bordes de las crestas.
Cilíndrico
Una lente de Fresnel cilíndrica es equivalente a una lente cilíndrica simple , utilizando segmentos rectos con sección transversal circular, enfocando la luz en una sola línea. Este tipo produce una imagen nítida, aunque no tan clara como la lente cilíndrica simple equivalente debido a la difracción en los bordes de las crestas.

Sin imágenes

Lugar
Una lente de Fresnel puntual sin imágenes utiliza segmentos en forma de anillo con secciones transversales que son líneas rectas en lugar de arcos circulares. Una lente de este tipo puede enfocar la luz en un punto pequeño, pero no produce una imagen nítida. Estas lentes tienen aplicación en energía solar, como enfocar la luz solar en un panel solar. Las lentes Fresnel se pueden utilizar como componentes de la óptica de iluminación de Köhler , lo que da como resultado unos concentradores solares Fresnel-Köhler (FK) de óptica sin imágenes muy eficaces .
Lineal
Una lente Fresnel lineal sin imágenes utiliza segmentos rectos cuyas secciones transversales son líneas rectas en lugar de arcos. Estos lentes enfocan la luz en una banda estrecha. No producen una imagen nítida, pero se pueden usar en energía solar, como para enfocar la luz solar en una tubería, para calentar el agua en su interior.

Usos

Imagen

Una lente de plástico Fresnel vendida como dispositivo de ampliación de pantalla de TV
La lente Fresnel utilizada en el televisor CRT portátil Sinclair FTV1 , que solo amplía el aspecto vertical de la pantalla

Las lentes de Fresnel se utilizan como simples lupas de mano . También se utilizan para corregir varios trastornos visuales, incluidos los trastornos de la motilidad ocular como el estrabismo . Se han utilizado lentes Fresnel para aumentar el tamaño visual de las pantallas CRT en televisores de bolsillo , en particular el Sinclair TV80 . También se utilizan en semáforos .

Las lentes Fresnel se utilizan en los camiones europeos con volante a la izquierda que entran en el Reino Unido y la República de Irlanda (y viceversa, los camiones irlandeses y británicos con volante a la derecha que entran en Europa continental) para superar los puntos ciegos causados ​​por el conductor que opera el camión mientras sentarse en el lado equivocado de la cabina en relación con el lado de la carretera en el que se encuentra el automóvil. Se adhieren a la ventana del lado del pasajero.

Otra aplicación automovilística de una lente Fresnel es un potenciador de la vista trasera, ya que el amplio ángulo de visión de una lente colocada en la ventana trasera permite examinar la escena detrás de un vehículo, particularmente uno alto o con cola de farol, de manera más efectiva que una vista trasera. espejo solo.

Los lentes Fresnel multifocales también se utilizan como parte de las cámaras de identificación de retina , donde proporcionan múltiples imágenes enfocadas y desenfocadas de un objetivo de fijación dentro de la cámara. Para prácticamente todos los usuarios, al menos una de las imágenes estará enfocada, lo que permitirá una correcta alineación de los ojos.

Las lentes de Fresnel también se han utilizado en el campo del entretenimiento popular. El artista de rock británico Peter Gabriel los utilizó en sus primeras presentaciones en vivo en solitario para magnificar el tamaño de su cabeza, en contraste con el resto de su cuerpo, para lograr un efecto dramático y cómico. En la película de Terry Gilliam Brasil , las pantallas de plástico Fresnel aparecen ostensiblemente como lupas para los pequeños monitores CRT utilizados en las oficinas del Ministerio de Información. Sin embargo, de vez en cuando aparecen entre los actores y la cámara, distorsionando la escala y la composición de la escena con un efecto humorístico. La película de Pixar Wall-E presenta una lente Fresnel en las escenas donde el protagonista mira el musical Hello, Dolly! ampliada en un iPod .

Fotografía

Canon y Nikon han utilizado lentes Fresnel para reducir el tamaño de los teleobjetivos. Las lentes fotográficas que incluyen elementos de Fresnel pueden ser mucho más cortas que el diseño de lente convencional correspondiente. Nikon llama a la tecnología Phase Fresnel .

La cámara Polaroid SX-70 utilizó un reflector Fresnel como parte de su sistema de visualización.

Las cámaras View y de gran formato pueden utilizar una lente Fresnel junto con el vidrio esmerilado , para aumentar el brillo percibido de la imagen proyectada por una lente sobre el vidrio esmerilado, ayudando así a ajustar el enfoque y la composición.

Iluminación

Mecanismo de accionamiento y lente del faro de Inchkeith

Las lentes Fresnel de vidrio de alta calidad se utilizaron en los faros, donde se consideraron de vanguardia a fines del siglo XIX y hasta mediados del siglo XX; la mayoría de los faros han retirado del servicio las lentes de vidrio Fresnel y las han reemplazado por balizas aerodinámicas mucho menos costosas y más duraderas , que a menudo contienen lentes de plástico Fresnel. Los sistemas de lentes Lighthouse Fresnel generalmente incluyen elementos prismáticos anulares adicionales , dispuestos en cúpulas facetadas por encima y por debajo del Fresnel planar central, para captar toda la luz emitida por la fuente de luz. La trayectoria de la luz a través de estos elementos puede incluir una reflexión interna , en lugar de la simple refracción en el elemento plano de Fresnel. Estos lentes conferían muchos beneficios prácticos a los diseñadores, constructores y usuarios de faros y su iluminación. Entre otras cosas, las lentes más pequeñas podrían caber en espacios más compactos. Una mayor transmisión de luz a distancias más largas y patrones variados hicieron posible triangular una posición.

Quizás el uso más extendido de las lentes de Fresnel, durante un tiempo, ocurrió en los faros de los automóviles , donde pueden dar forma al haz aproximadamente paralelo del reflector parabólico para cumplir con los requisitos de los patrones de las luces de cruce y de carretera, a menudo ambos en la misma unidad de faro (como como el diseño europeo H4 ). Por razones de economía, peso y resistencia al impacto, los automóviles más nuevos han prescindido de lentes de vidrio Fresnel, utilizando reflectores multifacéticos con lentes de policarbonato liso . Sin embargo, las lentes Fresnel continúan en uso generalizado en las luces traseras, de marcador y de marcha atrás de los automóviles.

Las lentes de vidrio Fresnel también se utilizan en instrumentos de iluminación para teatro y películas (ver linterna Fresnel ); tales instrumentos a menudo se denominan simplemente Fresnels . Todo el instrumento consta de una carcasa de metal, un reflector, un conjunto de lámpara y una lente de Fresnel. Muchos instrumentos de Fresnel permiten que la lámpara se mueva en relación con el punto focal de la lente , para aumentar o disminuir el tamaño del haz de luz. Como resultado, son muy flexibles y, a menudo, pueden producir un haz tan estrecho como 7 ° o tan ancho como 70 °. La lente Fresnel produce un haz de bordes muy suaves, por lo que se usa a menudo como luz de lavado. Un soporte frente a la lente puede contener una película de plástico de color ( gel ) para teñir la luz o pantallas de alambre o plástico esmerilado para difundirla. La lente Fresnel es útil en la realización de películas cinematográficas no solo por su capacidad para enfocar el haz de luz más brillante que una lente típica, sino también porque la luz tiene una intensidad relativamente constante en todo el ancho del haz de luz.

Sistema de aterrizaje óptico en el portaaviones USS Dwight D. Eisenhower de la Marina de los EE. UU .

Los portaaviones y las estaciones aéreas navales suelen utilizar lentes Fresnel en sus sistemas ópticos de aterrizaje . La luz de "albóndiga" ayuda al piloto a mantener la pendiente de planeo adecuada para el aterrizaje. En el centro hay luces ámbar y rojas compuestas por lentes Fresnel. Aunque las luces siempre están encendidas, el ángulo de la lente desde el punto de vista del piloto determina el color y la posición de la luz visible. Si las luces aparecen sobre la barra horizontal verde, el piloto está demasiado alto. Si está por debajo, el piloto está demasiado bajo, y si las luces están en rojo, el piloto está muy bajo.

Proyección

El uso de lentes Fresnel para la proyección de imágenes reduce la calidad de la imagen, por lo que tienden a ocurrir solo donde la calidad no es crítica o donde la mayor parte de una lente sólida sería prohibitiva. Las lentes Fresnel baratas se pueden estampar o moldear de plástico transparente y se utilizan en retroproyectores y televisores de proyección .

Las lentes Fresnel de diferentes distancias focales (un colimador y un colector) se utilizan en proyecciones comerciales y de bricolaje . La lente del colimador tiene la distancia focal más baja y se coloca más cerca de la fuente de luz, y la lente colectora, que enfoca la luz en la lente triple, se coloca después de la imagen de proyección (un panel LCD de matriz activa en los proyectores LCD ). Las lentes de Fresnel también se utilizan como colimadores en retroproyectores .

Energía solar

Dado que las lentes de plástico Fresnel se pueden hacer más grandes que las lentes de vidrio, además de ser mucho más baratas y ligeras, se utilizan para concentrar la luz solar para calentar en cocinas solares , en forjas solares y en colectores solares utilizados para calentar agua para uso doméstico. También se pueden utilizar para generar vapor o para impulsar un motor Stirling .

Las lentes de Fresnel pueden concentrar la luz solar en las células solares en una proporción de casi 500: 1. Esto permite reducir la superficie de la célula solar activa, lo que reduce el coste y permite el uso de células más eficientes que de otro modo serían demasiado caras. En el siglo 21 temprano, reflectores de Fresnel comenzaron a ser utilizados en la concentración de la energía solar de las plantas (CSP) para concentrar la energía solar. Una aplicación fue precalentar agua en la central eléctrica de carbón Liddell , en Hunter Valley, Australia.

Las lentes Fresnel se pueden utilizar para sinterizar la arena, lo que permite la impresión 3D en vidrio.

Historia

Precursores

Augustin-Jean Fresnel no fue la primera persona en enfocar el haz de un faro usando una lente. Esa distinción aparentemente pertenece al cortador de vidrio londinense Thomas Rogers, quien propuso la idea a Trinity House en 1788. Las primeras lentes Rogers, de 53 cm de diámetro y 14 cm de espesor en el centro, se instalaron en el Old Lower Lighthouse en Portland Bill. en 1789. Detrás de cada lámpara había un espejo de vidrio esférico revestido en la parte posterior, que reflejaba la radiación posterior a través de la lámpara y hacia la lente. Se instalaron más muestras en Howth Baily , North Foreland y al menos en otros cuatro lugares en 1804. Pero gran parte de la luz se desperdició por absorción en el vidrio.

Fresnel tampoco fue el primero en sugerir reemplazar una lente convexa con una serie de prismas anulares concéntricos , para reducir el peso y la absorción. En 1748, el conde Buffon propuso moler prismas como escalones en una sola pieza de vidrio. En 1790 (aunque las fuentes secundarias dan la fecha como 1773 o 1788), el Marqués de Condorcet sugirió que sería más fácil hacer las secciones anulares por separado y ensamblarlas en un marco; pero incluso eso era poco práctico en ese momento. Estos diseños no estaban destinados a faros, sino a vidrios encendidos . David Brewster , sin embargo, propuso un sistema similar al de Condorcet en 1811, y en 1820 defendía su uso en los faros británicos.

Contribuciones de Fresnel

La Comisión francesa de Phares (Comisión de Faros) fue establecida por Napoleón en 1811 y puesta bajo la autoridad del empleador de Fresnel, el Cuerpo de Puentes y Carreteras. Como los miembros de la comisión estaban ocupados de otra manera, logró poco en sus primeros años. Pero el 21 de junio de 1819, tres meses después de ganar el Gran Premio de Física de la Academia de Ciencias por sus célebres memorias sobre la difracción, Fresnel fue "temporalmente" adscrito a la comisión por recomendación de François Arago (miembro desde 1813), para revisar posibles mejoras en la iluminación del faro.

A fines de agosto de 1819, desconociendo la propuesta Buffon-Condorcet-Brewster, Fresnel hizo su primera presentación a la comisión, recomendando lo que llamó lentilles à échelons (lentes por escalones) para reemplazar los reflectores entonces en uso, que reflejaban solo sobre la mitad de la luz incidente. Para gran vergüenza de Fresnel, uno de los comisionados reunidos, Jacques Charles , recordó la sugerencia de Buffon. Sin embargo, mientras que la versión de Buffon era biconvexa y de una sola pieza, la de Fresnel era plano-convexa y estaba hecha de múltiples prismas para facilitar la construcción. Con un presupuesto oficial de 500 francos, Fresnel se acercó a tres fabricantes. El tercero, François Soleil, encontró una manera de eliminar los defectos recalentando y remodelando el vidrio. Arago ayudó a Fresnel con el diseño de una lámpara Argand modificada con mechas concéntricas (un concepto que Fresnel atribuyó al Conde Rumford  ) y descubrió accidentalmente que el pegamento de pescado era resistente al calor, lo que lo hacía adecuado para su uso en la lente. El prototipo, terminado en marzo de 1820, tenía un panel de lente cuadrado de 55 cm de lado, que contenía 97 prismas poligonales (no anulares), y impresionó tanto a la Comisión que se le pidió a Fresnel una versión completa de ocho paneles. Este modelo, terminado un año después a pesar de la financiación insuficiente, tenía paneles de 76 cm cuadrados. En un espectáculo público en la noche del 13 de abril de 1821, se demostró comparándolo con los reflectores más recientes, que de repente quedó obsoleto.

Poco después de esta demostración, Fresnel publicó la idea de que la luz, incluida la luz aparentemente no polarizada , consiste exclusivamente en ondas transversales , y pasó a considerar las implicaciones de la doble refracción y la reflexión parcial.

Fresnel reconoció los lentes británicos y la invención de Buffon en una memoria leída el 29 de julio de 1822 e impresa en el mismo año. La fecha de esas memorias puede ser la fuente de la afirmación de que la defensa del faro de Fresnel comenzó dos años más tarde que la de Brewster; pero el texto deja en claro que la participación de Fresnel comenzó a más tardar en 1819.

Sección transversal de una lente de faro Fresnel de primera generación, con espejos inclinados  m, n encima y debajo del panel refractivo  RC (con segmento central  A ). El diseño se mejoró posteriormente reemplazando los espejos con prismas reflectantes para reducir las pérdidas. Si la sección transversal en cada plano vertical a través de la lámpara  L es la misma (simetría cilíndrica), la luz se distribuye uniformemente alrededor del horizonte.

La siguiente lente de Fresnel fue un aparato giratorio con ocho paneles en forma de "ojo de buey", hechos en arcos anulares por Saint-Gobain , dando ocho rayos giratorios, para ser vistos por los marineros como un destello periódico. Encima y detrás de cada panel principal había un panel en forma de diana más pequeño e inclinado de contorno trapezoidal con elementos trapezoidales. Esto refractaba la luz a un espejo plano inclinado, que luego la reflejaba horizontalmente, 7 grados por delante del haz principal, aumentando la duración del destello. Debajo de los paneles principales había 128 pequeños espejos dispuestos en cuatro anillos, apilados como las lamas de una persiana o persiana veneciana . Cada anillo, con forma de cono truncado de un cono , que se refleja la luz hacia el horizonte, dando una luz más tenue constante entre los flashes. La prueba oficial, realizada en el inconcluso Arco de Triunfo el 20 de agosto de 1822, fue presenciada por la Comisión —y por Luis XVIII y su séquito— desde 32 kilómetros (20 millas) de distancia. El aparato se almacenó en Burdeos durante el invierno y luego se volvió a montar en el faro de Cordouan bajo la supervisión de Fresnel, en parte por las propias manos de Fresnel. El 25 de julio de 1823, se encendió la primera lente de Fresnel de un faro del mundo. Como se esperaba, la luz era visible en el horizonte, a más de 32 kilómetros (20 millas) de distancia.

El día antes de la prueba de la lente Cordouan en París, un comité de la Academia de Ciencias informó sobre las memorias y suplementos de Fresnel sobre la doble refracción, que, aunque menos conocidos por los lectores modernos que su trabajo anterior sobre difracción, asestó un golpe más decisivo. para la teoría ondulatoria de la luz. Entre la prueba y el reensamblaje en Cordouan, Fresnel presentó sus trabajos sobre fotoelasticidad (16 de septiembre de 1822), polarización elíptica y circular y rotación óptica (9 de diciembre), y reflexión parcial y reflexión interna total (7 de enero de 1823), esencialmente completando su reconstrucción. de la óptica física sobre la hipótesis de la onda transversal . Poco después de que se encendiera la lente Cordouan, Fresnel comenzó a toser sangre.

En mayo de 1824, Fresnel fue ascendido a secretario de la Commission des Phares , convirtiéndose en el primer miembro de ese organismo en cobrar un salario, aunque en el papel simultáneo de ingeniero en jefe. A finales de ese año, cada vez más enfermo, redujo su investigación fundamental y renunció a su trabajo temporal como examinador en la École Polytechnique , con el fin de ahorrar el tiempo y la energía que le quedaban para su trabajo en el faro.

Ese mismo año diseñó la primera lente fija , para esparcir la luz uniformemente alrededor del horizonte mientras se minimiza el desperdicio arriba o abajo. Idealmente, las superficies de refracción curvadas serían segmentos de toroides alrededor de un eje vertical común, de modo que el panel dióptrico se vería como un tambor cilíndrico. Si esto se complementara con anillos reflectantes ( catóptricos ) por encima y por debajo de las partes refractantes (dióptricas), todo el aparato se vería como una colmena. La segunda lente Fresnel que entró en servicio fue de hecho una lente fija, de tercer orden, instalada en Dunkerque el 1 de febrero de 1825. Sin embargo, debido a la dificultad de fabricar grandes prismas toroidales, este aparato tenía un plan poligonal de 16 lados.

En 1825, Fresnel amplió su diseño de lentes fijas agregando una matriz giratoria fuera de la matriz fija. Cada panel de la matriz giratoria debía refractar parte de la luz fija de un ventilador horizontal en un haz estrecho.

También en 1825, Fresnel dio a conocer la Carte des Phares (Lighthouse Map), que pedía un sistema de 51 faros más luces portuarias más pequeñas, en una jerarquía de tamaños de lentes llamados "órdenes" (siendo el primero el más grande), con diferentes características para facilitar reconocimiento: una luz constante (de una lente fija), un destello por minuto (de una lente giratoria con ocho paneles) y dos por minuto (dieciséis paneles).

A fines de 1825, para reducir la pérdida de luz en los elementos reflectantes, Fresnel propuso reemplazar cada espejo con un prisma catadióptrico, a través del cual la luz viajaría por refracción a través de la primera superficie, luego la reflexión interna total de la segunda superficie y luego la refracción. a través de la tercera superficie. El resultado fue la lente del faro tal como la conocemos ahora. En 1826 montó una pequeña maqueta para usar en el Canal Saint-Martin , pero no vivió para ver una versión en tamaño completo: murió el 14 de julio de 1827, a la edad de 39 años.

Después de Fresnel

La primera etapa del desarrollo de las lentes de los faros tras la muerte de Augustin Fresnel consistió en la implementación de sus diseños. Esto fue impulsado en parte por su hermano menor Léonor, quien, como Augustin, se formó como ingeniero civil pero, a diferencia de Augustin, tenía una gran aptitud para la gestión. Léonor entró al servicio de la Comisión del Faro en 1825 y pasó a suceder a Agustín como Secretario.

La primera lente fija que se construyó con prismas toroidales fue un aparato de primer orden diseñado por el ingeniero escocés Alan Stevenson bajo la dirección de Léonor Fresnel y fabricado por Isaac Cookson & Co. utilizando vidrio francés; entró en servicio en la Isla de May , Escocia, el 22 de septiembre de 1836. Las primeras lentes catadióptricas grandes se fabricaron en 1842 para los faros de Gravelines e Île Vierge , Francia; se trataba de lentes fijas de tercer orden cuyos anillos catadióptricos (hechos en segmentos) tenían un metro de diámetro. La lente Skerryvore de primer orden de Stevenson , encendida en 1844, era sólo parcialmente catadióptrica; era similar a la lente Cordouan, excepto que las lamas inferiores fueron reemplazadas por prismas catadióptricos de fabricación francesa, mientras que los espejos se conservaron en la parte superior. La primera lente de primer orden completamente catadióptrica, instalada en Pointe d'Ailly en 1852, también proporcionó ocho rayos giratorios más una luz fija en la parte inferior; pero su sección superior tenía ocho paneles catadióptricos enfocando la luz unos 4 grados por delante de las luces principales, para alargar los destellos. La primera lente completamente catadióptrica con haces puramente giratorios , también de primer orden, se instaló en Saint-Clément-des-Baleines en 1854 y marcó la finalización de la Carte des Phares original de Augustin Fresnel .

Thomas Stevenson (hermano menor de Alan) fue un paso más allá de Fresnel con su lente "holophotal", que enfocaba la luz irradiada por la lámpara en casi todas las direcciones, hacia adelante o hacia atrás, en un solo haz. La primera versión, descrita en 1849, consistía en una lente de ojo de buey de Fresnel estándar, un reflector paraboloidal y un reflector hemisférico trasero (funcionalmente equivalente al espejo Rogers de 60 años antes, excepto que subtendía todo un hemisferio). La luz irradiada hacia el hemisferio delantero pero fallando la lente de ojo de buey fue desviada por el paraboloide hacia un haz paralelo que rodeaba la lente de ojo de buey, mientras que la luz irradiada hacia el hemisferio trasero se reflejó de regreso a través de la lámpara por el reflector esférico (como en Rogers 'arreglo), para ser recogido por los componentes delanteros. La primera unidad se instaló en North Harbour, Peterhead , en agosto de 1849. Stevenson llamó a esta versión un "holophote catadióptrico", aunque cada uno de sus elementos era puramente reflectante o puramente refractivo. En la segunda versión del concepto holophote, la lente de ojo de buey y el reflector paraboloidal fueron reemplazados por una lente de Fresnel catadióptrica, tal como la concibió Fresnel, pero expandida para cubrir todo el hemisferio delantero. La tercera versión, que Stevenson llamó confusamente un "holophote dióptrico", fue más innovadora: retuvo la lente de Fresnel catadióptrica para el hemisferio delantero, pero reemplazó el reflector hemisférico trasero con un conjunto hemisférico de prismas anulares, cada uno de los cuales utilizó dos internos totales reflejos para convertir la luz que diverge desde el centro del hemisferio hacia el centro. El resultado fue una holophote totalmente de vidrio, sin pérdidas por reflejos metálicos.

James Timmins Chance modificó el diseño holofotal de vidrio de Thomas Stevenson colocando los prismas de doble reflejo alrededor de un eje vertical. El prototipo se mostró en la Exposición Internacional de 1862 en Londres. Más tarde, para facilitar la fabricación, Chance dividió los prismas en segmentos y los dispuso en forma cilíndrica, conservando la propiedad de reflejar la luz desde un solo punto hasta ese punto. Los reflectores de esta forma, paradójicamente llamados "espejos dióptricos", demostraron ser particularmente útiles para devolver la luz desde el lado de tierra de la lámpara hacia el lado del mar.

Lente Fresnel con destellos grupales de primer orden, en exhibición en el Point Arena Lighthouse Museum, Point Arena Lighthouse , Mendocino County, California . Los tres paneles dióptricos (dentro de los anillos de latón) y los tres paneles catadióptricos (exterior) están parcialmente divididos en dos, dando tres destellos dobles por rotación.

A medida que proliferaban los faros, era más difícil distinguirlos entre sí, lo que llevó al uso de filtros de colores, que desperdiciaban luz. En 1884, John Hopkinson eliminó la necesidad de filtros al inventar la lente de "destellos grupales", en la que los paneles dióptricos y / o catadióptricos se dividían para producir destellos múltiples, lo que permite identificar los faros no solo por la frecuencia de los destellos. , sino también por multiplicidad de destellos. Se instalaron lentes de doble destello en Tampico (México) y Little Basses (Sri Lanka) en 1875, y una lente de triple destello en Casquets Lighthouse ( Islas del Canal ) en 1876. El ejemplo que se muestra (derecha) es la lente de doble destello de la Arena Point Light , que estaba en servicio 1908-1977.

El desarrollo de lentes hiperradiales fue impulsado en parte por la necesidad de fuentes de luz más grandes, como luces de gas con múltiples chorros, que requerían una distancia focal más larga para un ancho de haz dado, por lo tanto, una lente más grande para recolectar una fracción determinada de la luz generada. La primera lente hiperradial fue construida para los Stevenson en 1885 por F. Barbier & Cie de Francia, y probada en South Foreland Lighthouse con varias fuentes de luz. Chance Brothers (los empleadores de Hopkinson) comenzaron a construir hiperradiales, instalando el primero en Bishop Rock Lighthouse en 1887. En el mismo año, Barbier instaló un hiperradial en Tory Island . Pero solo alrededor de 30 hiperradiales entraron en servicio antes de que el desarrollo de lámparas brillantes más compactas hiciera innecesarias ópticas tan grandes (ver Lente Hyperradiant Fresnel ).

La producción de lentes dióptricos escalonados de una pieza, más o menos como lo había previsto Buffon, se hizo factible en 1852, cuando John L. Gilliland de Brooklyn Flint-Glass Company patentó un método para fabricar lentes de vidrio prensado y moldeado. La empresa fabricó pequeñas lentes de ojo de buey para su uso en ferrocarriles, barcos de vapor y muelles; tales lentes eran comunes en los Estados Unidos en la década de 1870. En 1858, la compañía produjo "una cantidad muy pequeña de lentes de vidrio de sílex prensado de sexto orden" para su uso en faros, las primeras lentes de faro de Fresnel fabricadas en Estados Unidos. En la década de 1950, la sustitución del vidrio por plástico hizo económico el uso de lentes Fresnel como condensadores en retroproyectores.

Ver también

Referencias

Bibliografía

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  • A. Fresnel, 1822, "Mémoire sur un nouveau système d'éclairage des phares", leído el 29 de julio de 1822; reimpreso en Fresnel, 1866-1870, vol. 3, págs. 97-126 ; traducido por T. Tag como "Memorias sobre un nuevo sistema de iluminación de faros" , US Lighthouse Society, consultado el 26 de agosto de 2017; archivado el 19 de agosto de 2016 (los números de página citados se refieren a la traducción).
  • A. Fresnel (ed. H. de Sénarmont, E. Verdet y L. Fresnel), 1866–70, Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel (3 vols.), París: Imprimerie Impériale; vol. 1 (1866) , vol. 2 (1868) , vol. 3 (1870) .
  • TH Levitt, 2013, Un breve destello brillante: Augustin Fresnel y el nacimiento del faro moderno , Nueva York: WW Norton, ISBN  978-0-393-35089-0 .
  • T. Young (ed. G. Peacock), 1855, Obras misceláneas del difunto Thomas Young , Londres: J. Murray, vol. 1 .

Otras lecturas

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