Fresnellens

Dit artikel gaat over de fresnellens, die op breking berust. Deze moet niet worden verward met de fresnel-zoneplaat, die op diffractie (buiging) berust.

Schematische weergave van het principe van de (bolle) fresnellens in zijaanzicht
1. Normale lens met daarin aangegeven de optisch nuttige ringen met gekromd buitenoppervlak
2. Een bolle fresnellens, waarin alleen de nuttige ringen zijn opgenomen.

Fresnelloep ter grootte van een creditcard

Bundeling van licht met convergerende fresnellens en spiegels, waardoor parallelle lichtstralen verkregen worden. De hier afgebeelde lichtbron bevindt zich op het brandpunt van een latente optisch oneindige lichtbron.

Fresnellens in achterlicht van een auto

Fresnellens van de eerste orde uit 1870 van kristal, hoogte 254 × diameter 198 cm, gewicht ongeveer 1500 kg. Tentoongesteld in Palais de Chaillot, afkomstig uit het Musée national de la Marine, Parijs

Navigatielamp

Een fresnellens is een speciale lens die gebruikt wordt bij vuurtorens, navigatieverlichting, in overheadprojectoren, theaterverlichting, inparkeerhulp in vooral bestelauto's, in zoekers van veel spiegelreflexcamera's, in spots voor de verlichting bij film- en televisieopnamen, en in theatervoorstellingen. Het grote voordeel ervan is een vermindering van materiaal, wat bij de sterk gebolde glazen uitvoering leidt tot een grote gewichtsbesparing. Door de kleinere dikte is ook de optische verzwakking door absorptie geringer. Fresnellenzen kunnen zowel van glas, kristal, als van harde en flexibele transparante synthetische materialen gemaakt worden.

Naam

De naam is ontleend aan Augustin Fresnel, de Franse uitvinder van deze lens. De juiste uitspraak is dan ook: [frènnèllens] (zonder s, met de klemtoon op de tweede lettergreep).

Opbouw

Eenvoudig gezegd bestaat een fresnellens uit een in concentrische ringen of schillen opgedeelde lens. De dikte van de ringen is steeds ongeveer gelijk, zodat de lens bij benadering vlak is. Uitgaande van de oorspronkelijke bolle lens (afbeelding 1) is van buiten naar binnen de ring als het ware steeds dieper ingedrukt. In het schema is onder 2 de doorsnede van de aldus ontstane fresnellens weergegeven. De vergrotende of verkleinende werking wordt niet wezenlijk anders door het weglaten van delen van de lens die niet bijdragen aan de breking.

Net als de oorspronkelijke lens heeft de convergerende fresnellens twee brandpunten. Het brandpunt aan de „bolle” kant ligt echter dichterbij dan bij de oorspronkelijke lens, doordat aan die zijde het brekend oppervlak dichter bij de andere kant van de lens is gekomen. De fresnellens is in mechanische zin dun geworden, maar optisch gedraagt hij zich nog als een dikke lens. Ook holle (divergerende) fresnellenzen zijn mogelijk.

De fresnellens gedraagt zich optisch enigszins anders dan een normale lens. De ringen geven een zichtbare vervorming van het beeld. Ook treedt er langs de randen van de ringen diffractie op. Voor toepassingen waarbij een goede beeldkwaliteit is vereist, is de fresnellens dus minder geschikt. Toch zijn er wel fresnelloepen in creditcardformaat (zie afbeelding); de kwaliteit hiervan is wat minder.

Convergerende en divergerende fresnellenzen

Net zoals bij bolle (convergerende) en holle (divergerende) glazen lenzen bestaan ook twee verschillende soorten fresnellenzen.

• De convergerende fresnellens toont, net zoals bij de bolle lens, een aanzienlijk verkleind omgekeerd beeld en heeft aan beide zijden brandpunten. Deze fresnellens kan gebruikt worden als vergrootglas (loep). De convergerende fresnellens mag, tengevolge van de brandpunten, nooit in het zonzicht gehouden worden wegens brandgevaar. Met behulp van een convergerende fresnellens kunnen ook divergerende lichtstralen verkregen worden, steeds als de puntvormige lichtbron zich dichterbij de lens bevindt dan het brandpunt van een optisch oneindige lichtbron. Ook kunnen parallelle lichtstralen verkregen worden als de puntvormige lichtbron zich op het brandpunt van een optisch oneindige lichtbron bevindt.
• De divergerende fresnellens toont, net zoals bij de holle lens, een aanzienlijk verkleind rechtopstaand beeld en heeft geen brandpunten, waardoor deze fresnellens, in tegenstelling tot de convergerende fresnellens, ongevaarlijk is als men ze in het zonlicht houdt. Met behulp van een divergerende fresnellens kunnen enkel divergerende lichtstralen verkregen worden, in tegenstelling tot convergerende fresnellenzen die zowel convergerende, divergerende, als parallelle lichtstralen kunnen laten zien.

Toepassingen

De belangrijkste toepassingen van de fresnellens komen neer op het in de gewenste vorm bundelen van licht. Hieronder vallen verschillende soorten lichtbronnen, zoals vuurtorens en andere bakens, zoeklichten, voer- en vaartuigverlichting, toneelverlichting, enzovoorts. In de fotografie werd dit principe gebruikt bij o.a. spiegelreflexcamera's als hulpmiddel om scherp te stellen. De autofocus heeft dit verdrongen. Matglazen met fresnelprisma's zijn hooguit op bestelling te koop.

Gebruik in vuurtorens

Afhankelijk van de plaats en functie van het licht worden de convergerende fresnellenzen in verschillende maten, ook wel orde genoemd, gemaakt. De grootste lenzen voor vuurtorens zijn van de eerste orde en de omvang wordt stapsgewijs kleiner tot lenzen van de zesde orde. De grootste lenzen, met het grootste bereik, worden geplaatst in vuurtorens op belangrijke punten langs de zeeroute. De kleinste lenzen staan op minder belangrijke plaatsen zoals aan het eind van golfbrekers bij toegangen tot havens. Hier speelt de zichtbaarheid van het licht op een grote afstand een minder belangrijke rol. De hoogte van de lenzen en de afstand tot de lichtbron, de diameter, zijn de belangrijkste factoren bij het indelen van de lenzen naar de orde. De eerste orde lenzen zijn ruim 2,4 meter hoog en de kleinste ongeveer 45 centimeter.

Orde	Afstand tot lichtbron (mm)	Hoogte (mm)	Gewicht in kg (benadering)
Eerste	920	2590	5800
Tweede	700	2069	1600
Derde	500	1576	900
Vierde	250	722	200–300
Vijfde	187.5	541	120–200
Zesde	150	433	100

Belichting

Ook in condensors voor het belichten van grote voorwerpen, zoals in een overheadprojector, worden fresnellenzen gebruikt. Hoewel het hier om instrumenten gaat die een afbeelding moeten maken, hoeft de condensor alleen maar het licht gelijkmatig te verdelen en neemt hij geen deel aan de eigenlijk beeldvorming; om die reden is de mindere kwaliteit van de fresnellens hier geen bezwaar.

Door toepassing van de fresnellens kan bij belichtingsspots een zeer softe, wijde en egale bundel verkregen worden door de lamp binnen het brandpunt van de lens te plaatsen. De harde lichtbundel van de lamp (lichtbron) wordt door de fresnellens uit elkaar getrokken (divergerende bundel) en egaal verdeeld over een groot oppervlak. Dit werkt ook zo bij gewone lenzen.

Asymmetrische uitvoering

Voor sommige toepassingen, zoals navigatielichten van schepen, zijn asymmetrische lenzen benodigd, die de lichtbundel alleen in het horizontale vlak, parallel aan het wateroppervlak, verbreden. Dergelijke lampen hebben meestal specifieke openingshoeken van bijvoorbeeld 225° (wit toplicht) en 112,5° (rood bakboordlicht en groen stuurboordlicht), maar schijnen soms ook naar alle zijden. Fresnellenzen voor deze toepassing hebben horizontaal en verticaal een verschillende vorm. Ze werken als een cilindervormige lens. De verdeling van de kleuren wordt bereikt door de constructie van het lamphuis.

Gebruik in zonnecellen

De Twente One, de zonnewagen van de Universiteit Twente die meedeed in de World Solar Challenge 2007 in Australië, was uitgerust met zonnecellen met daarop een fresnellens.

Overige

Segmenten van harde of flexibele divergerende fresnellenzen worden op de achterruiten van bestelwagens gemonteerd of geplakt, om de bestuurders beter zicht te geven op de ruimten vlak achter de wagens. Ook worden deze lenzen op de zijruiten van cabines van vrachtwagens gemonteerd of geplakt.

Flexibele divergerende fresnellenzen worden aan ruiten geplakt door middel van een uiterst dun aangebracht waterfilmpje tussen de lens en het glas. De duurtijd van de transparantie van deze flexibele lenzen is echter beperkt. De invloed van zonlicht op het transparant materiaal vertroebelt de lens en doet ze geelachtig verkleuren, en er kunnen zich na verloop van tijd schimmels vertonen tussen de lens en het glas. De harde divergerende fresnellenzen, op het glas monteerbaar, worden dan ook meer toegepast dan de minder duurzame flexibele lenzen.

Een soortgelijke toepassing met de divergerende fresnellens ziet men soms bij de kassa van een supermarkt, waardoor de caissière kan zien of er iets in het wagentje van de klant is achtergebleven.

Divergerende fresnellenzen kunnen ook tegen het vensterglas van een woonkamer gemonteerd worden, om vanuit het interieur een blik te werpen op de bewolkte of onbewolkte hemel. Indien de volledige capaciteit van de lens gebruikt wordt, als ronde schijf, kan vrijwel hetzelfde effect bekomen worden als met een visooglens.

Convergerende fresnellenzen, gemaakt van transparant hard synthetisch materiaal, werden gedurende de jaren 50 en 60 gebruikt om televisieschermen te vergroten. De fresnellens werd op enkele centimeters afstand van het televisiescherm geplaatst en de televisiekijkers konden daardoor naar een uitvergrote versie van het scherm kijken. Deze techniek werd vooral toegepast in zalen met veel publiek.

Relatief grote convergerende fresnellenzen, gemaakt van hard synthetisch materiaal, worden toegepast om, met behulp van zonlicht, water te doen koken. Het brandpunt van de fresnellens schijnt op een met water gevulde metalen emmer, en het water wordt daardoor verhit.

Convergerende fresnellenzen kunnen de mate van luchtonrust in de aardse atmosfeer laten zien. Het brandpunt van de heldere ster Sirius kan daarbij dienst doen. De waarnemer dient de fresnellens op een zodanige manier vast te houden dat het brandpunt van Sirius op het waarnemend oog valt, bijgevolg zal het gehele oppervlak van de lens een wervelende massa door elkaar heen bewegende spectraalkleurige vlekken laten zien. Dit verschijnsel is verwant aan scintillatie en schlierenoptica. Dit optisch experiment kan ook uitgevoerd worden met de heldere planeet Venus en met verre kunstmatige puntvormige lichtbronnen nabij de horizon.

Fresnellenzen in film

Fresnellenzen komen veelvuldig aan bod in de dystopische film Brazil van Terry Gilliam. Daarin hebben de lenzen niet echt een functie, maar zijn ze louter te zien als gimmick.

Bronnen, noten en/of referenties

· ·

Geometrische optica

Mediabestanden

Zie de categorie Fresnel lenses van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.