프레넬 렌즈

Fresnel lens
1870년 날짜의 회전식 캐터디옵트릭 프레넬 렌즈는 파리의 국립 드 라 마린 박물관에 전시되어 있습니다.이 경우 이광 프리즘(동 고리 안)과 캐터디옵트릭 프리즘(외부)은 중앙 램프의 빛을 4개의 회전하는 빔으로 집중시키도록 배치되며, 선원들은 회전당 4개의 섬광으로 볼 수 있습니다.조립품의 높이는 2.54미터이고 무게는 약 1.5톤입니다.

프레넬 렌즈(Fresnel lens, /ˈfreɪnɛl, -nəl/ FRAY-nˈl, -nəl; /ɛfreɪˈnɛl, -əl/ FREN-el, -əl; 또는 /freɛnll/ fray-NEL)는 렌즈를 동심원의 고리모양의 단면으로 나누어 기존 렌즈에 비해 필요한 재료의 양을 줄인 복합 콤팩트 렌즈의 한 종류입니다.

렌즈의 더 단순한 입체(순수 굴절) 형태는 조르주 루이 르클레르, 콩트 드 부퐁에[2] 의해 처음 제안되었고, 프랑스 물리학자 오귀스틴 장 프레넬 (1788–1827)에 의해 독립적으로 재발명되었습니다.[3][4]Fresnel이 전적으로 발명한 렌즈의 Catadioptric 형태는 광원에서 더 많은 경사광을 포착하여 빔에 추가하기 위해 굴절뿐만 아니라 내부 전반사를 사용하는 외부 각형 요소를 가지고 있습니다.

이 디자인은 기존 디자인의 렌즈에 필요한 재료의 질량과 부피 없이 큰 조리개와 짧은 초점 거리의 렌즈를 제작할 수 있게 해줍니다.프레넬 렌즈는 비교 가능한 기존 렌즈보다 훨씬 얇게 만들 수 있으며, 경우에 따라서는 평평한 시트 형태를 취할 수도 있습니다.

그것은 "백만 척의 [5]배를 구한 발명품"이라고 불려왔습니다.

역사

포레너

렌즈를 사용하여 등대 빔의 초점을 맞춘 최초의 사람은 1788년 [6]트리니티 하우스에 이 아이디어를 제안한 런던의 유리 절단기 토마스 로저스(Thomas Rogers)인 것으로 보입니다.지름 53cm, 가운데 두께 14cm의 최초의 로저스 렌즈는 1789년 포틀랜드 빌의 올드 로워 등대에 설치되었습니다.각 램프 뒤에는 후면 방사선을 램프를 통해 렌즈로 반사하는 백코팅 구형 유리 거울이 있었습니다.1804년까지 노스 포어랜드의 호스 베일리와 최소 4곳에서 추가 샘플이 설치되었습니다.하지만 대부분의 빛은 [6][7]유리에 흡수되어 버려졌습니다.

1748년, 조르주-루이 르클레르 콩트 드 부퐁은 무게와 흡수를 줄이기 위해 볼록 렌즈를 한 조각의 [2]유리 안에 계단으로 갈아 넣은 일련의 동심원 모양의 프리즘으로 교체한 최초의 사람이었습니다.1790년[8] (2차 자료에 따르면 1773년[9]: 609 또는[10] 1788년으로 나와 있음에도 불구하고), 콘도르세 후작은 고리 모양의 부분을 따로 만들어서 틀에 조립하는 것이 더 쉽다고 제안했지만,[11][12] 그 당시에는 그것조차 실행 불가능했습니다.이 디자인들은 등대를 [2]위한 [9]: 609 것이 아니라 안경을 태우기 위한 것이었습니다.하지만 데이비드 브루스터는 [2][10][13]1811년에 콘도르세의 것과 비슷한 시스템을 제안했고, 1820년에는 영국 [14]등대에서 그것의 사용을 장려하고 있었습니다.

출판 및 개선

굴절 패널 RC 위와 아래(중앙 세그먼트 A 포함)에 경사진 거울 m이 있는 1세대 프레넬 등대 렌즈의 단면.그 디자인은 나중에 손실을 줄이기 위해 거울을 반사 프리즘으로 대체함으로써 개선되었습니다.램프 L을 통과하는 모든 수직면의 단면이 동일한 경우(원기둥 대칭), 빛은 수평선을 중심으로 고르게 퍼집니다.

프랑스 등대 위원회(Commission of Lighthouse)는 1811년 나폴레옹에 의해 설립되었고, 프랑스 물리학자 오귀스틴 장 프레넬의 고용주인 다리와 도로 군단의 권한 하에 놓였습니다.위원회의 구성원들이 다른 일에 몰두하고 있었기 때문에,[15] 위원회는 출범 초기에 별 성과를 거두지 못했습니다.그러나 1819년 6월 21일 회절에 관한 저명한 회고록으로 과학 아카데미 물리학 그랑프리를 수상한 지 3개월 만에 프레넬은 등대 [11][16]조명의 개선 가능성을 검토하기 위해 프랑수아 아라고(1813년 이후 회원)의 추천으로 위원회에 "일시적으로" 임명되었습니다.

1819년 8월 말, 부폰-콘도르세-브루스터의 [11][13]제안을 알지 못한 프레넬은 [17]위원회에 그의 첫 번째 발표를 했고, 당시 사용 중이던 반사경을 교체하기 위해 렌틸레스 아에첼론(단계별 렌즈)이라고 부르는 것을 추천했는데,[18] 이는 입사광의 절반 정도만을 반사하는 것이었습니다.1819년 8월 29일자 Fresnel의 또 다른 보고서(Fresnel, 1866–70, vol. 3, pp. 15–21)는 반사경에 대한 테스트에 관한 것으로, 원고의 마지막 페이지에 있는 관련 없는 스케치를 제외하고는 계단 렌즈에 대해 언급하지 않습니다.위원회 회의록은 프레넬 자신이 [19]장관을 맡은 1824년으로 거슬러 올라갑니다.따라서 프레넬이 공식적으로 렌틸레스 아에첼론을 추천한 정확한 날짜는 알려지지 않았습니다.[citation needed]프레넬이 당황한 것은, 모인 위원 중 한 명인 자크 찰스가 부폰의 [20]제안을 상기했다는 사실입니다.그러나 부폰의 버전이 바이콘벡스이고 한 [21]조각으로 된 반면, 프레넬의 것은 평면볼벡스이고 더 쉬운 건설을 위해 여러 개의 프리즘으로 만들어졌습니다.

500프랑의 공식 예산으로 프레넬은 3개의 제조업체에 접근했습니다.세 번째, 프랑수아 솔레이는 유리를 재가열하고 다시 성형함으로써 결함을 제거하는 방법을 발견했습니다.아라고는 동심원의 심지(프렌즈가 럼포드 백작에게[22] 귀속한 개념)를 가진 변형된 아르간드 램프의 디자인을 프레넬을 도왔고, 우연히 생선 접착제가 열에 강하여 렌즈에 사용하기에 적합하다는 것을 발견했습니다.1820년 3월에 완성된 시제품은 옆면이 55cm의 정사각형 렌즈 패널로 97개의 다각형 프리즘을 포함하고 있었고, 프레넬은 위원회에 깊은 인상을 남겨 전체 8개 패널 버전을 요청했습니다.1년 후에 완성된 이 모델은 자금이 충분하지 않았음에도 불구하고 76cm 정사각형의 패널을 가지고 있었습니다.1821년 4월 13일 저녁에 열린 공개 행사에서, 그것은 가장 최근의 반사경들과 비교하여 증명되었고, 그것은 갑자기 [23]쓸모가 없어졌습니다.

이 실험 직후, 프레넬은 분명히 편광되지 않은 빛을 포함한 빛이 오직 횡파로만 구성된다는 아이디어를 발표하고 이중 굴절과 부분 [24]반사에 대한 영향을 고찰했습니다.

프레넬은 1822년 7월 29일에 읽고 같은 [25]해에 인쇄된 회고록에서 영국의 렌즈와 부폰의 발명을 인정했습니다.그 회고록의 날짜가 프레넬의 등대 옹호가 브루스터보다 [14]2년 늦게 시작되었다는 주장의 근원일지도 모르지만, 본문은 프레넬의 개입이 늦어도 1819년 [26]이전에 시작되었다는 것을 분명히 합니다.

프레넬의 다음 렌즈는 8개의 "황소의 눈" 패널을 가진 회전 장치로, 생고뱅이 [12]고리 모양의 호로 만들어 8개의 회전 광선을 제공했습니다.각 메인 패널의 위와 뒤에는 사다리꼴 [27]요소가 있는 사다리꼴 윤곽의 더 작고 경사진 황소 눈 패널이 있었습니다.이것은 빛을 경사진 평면 거울에 굴절시켜 주 광선보다 7도 앞에서 수평으로 반사시켜 [28]플래시 지속 시간을 늘렸습니다.주요 패널 아래에는 128개의 작은 거울들이 4개의 고리로 배열되어 루버나 베네시안 블라인드의 슬랫처럼 쌓여 있었습니다.원뿔의 답답한 부분처럼 생긴 각각의 고리는 빛을 지평선으로 반사시켜 섬광 사이에 더 희미한 안정적인 빛을 줍니다.1822년 8월 20일 미완성 개선문에 대한 공식적인 시험은 위원회와 루이 18세와 그의 수행원들이 32km 떨어진 곳에서 목격했습니다.장비는 겨울 동안 보르도에 보관된 후 프레넬의 감독하에 코르두앙 등대에서 다시 조립되었습니다.1823년 7월 25일, 세계 최초의 등대 프레넬 렌즈에 [29]불이 켜졌습니다.예상대로, 그 빛은 32킬로미터([30]20마일) 이상 떨어진 지평선까지 보였습니다.

파리에서 코두안 렌즈를 시험하기 전날, 과학 아카데미 위원회는 프레넬의 회고록과 이중 굴절에 대한 보충 자료를 보고했는데, 이는 현대 독자들에게 회절에 대한 그의 초기 연구보다 덜 알려져 있기는 하지만 [31]빛의 파동 이론에 더 결정적인 타격을 주었습니다.시험과 코두안에서의 재조립 사이에, 프레넬은 광탄성(1822년 9월 16일), 타원 및 원형 편광 및 광학 회전(12월 9일), 부분 반사 및 내부 전반사(1823년 [32]1월 7일)에 대한 논문을 제출했습니다.본질적으로 그의 물리적 광학의 재구성을 횡파 가설에 완성하는 것.코두안 렌즈에 불이 붙은 직후, 프레넬은 [33]피를 토해내기 시작했습니다.

1824년 [13]5월, 프레넬은 위원회의 서기장으로 승진하여,[35] 비록 최고 엔지니어의 겸직이지만,[34] 급여를 받는 최초의 위원이 되었습니다.그 해 말, 병세가 점점 악화되어, 그는 등대 [36][37]작업을 위한 남은 시간과 에너지를 절약하기 위해 기초 연구를 줄이고 에콜 폴리테크니크의 시험관으로서의 계절적인 일을 그만두었습니다.

같은 해에 그는 처음으로 고정 렌즈를 설계했는데, 이 렌즈는 빛이 지평선 주위에 고르게 퍼지도록 하는 동시에 위 또는 [11]아래의 폐기물을 최소화하기 위한 것이었습니다.이상적으로 곡선 굴절 표면은 공통 수직 축을 중심으로 한 토로이드 세그먼트이므로, 이광학 패널은 원통형 드럼처럼 보입니다.굴절되는 부분 위와 아래에 반사되는 (캐토트릭) 링을 통해 이를 보완한다면 전체 장치가 [38]벌집처럼 보일 것입니다.두 번째 프레넬 렌즈는 1825년 [39]2월 1일 됭케르크에 설치된 3차 고정 렌즈였습니다.그러나 큰 토로이드 프리즘을 만드는 것이 어렵기 때문에, 이 장치는 16면 다각형 [40]평면을 가지고 있었습니다.

1825년 Fresnel은 고정 배열 외부에 회전 배열을 추가함으로써 그의 고정 렌즈 설계를 확장했습니다.회전 배열의 각 패널은 수평 팬으로부터 고정된 빛의 일부를 좁은 [11][41]빔으로 굴절시킵니다.

또한 1825년에 프레넬은 51개의 등대와 더 작은 항구의 불빛으로 이루어진 시스템을 "주문"(첫번째는 가장 큰 것)이라고 불리는 렌즈 크기의 계층 구조로 요구하는 Carte des Pares ('등대 지도')를 공개했습니다. 인식을 용이하게 하기 위한 다양한 특성을 가진, 일정한 빛(고정된 렌즈에서 나오는), 분당 1번의 플래시(회전하는 l에서 나오는)8개의 패널로 구성됨) 및 분당 2개([42]16개의 패널).

1825년 [43]말, 반사 요소에서 빛의 손실을 줄이기 위해 프레넬은 각각의 거울을 Catadioptric 프리즘으로 대체할 것을 제안했습니다. 이 프리즘을 통해 빛은 첫 번째 표면을 통해 굴절로 이동하고, 두 번째 표면에서 내부 전반사 후 세 번째 [44]표면을 통해 굴절됩니다.그 결과는 지금 우리가 알고 있는 등대 렌즈였습니다.1826년에 그는 운하 생마르탱에서 [45]사용하기 위해 작은 모형을 조립했지만, 그는 완전한 크기의 모형을 보지 못하고 살아남았습니다: 그는 1827년 7월 14일에 39세의 나이로 사망했습니다.

프레넬 이후

오거스틴 프레넬의 죽음 이후 등대 렌즈 개발의 첫 단계는 그의 디자인을 구현하는 것으로 구성되었습니다.이것은 아우구스틴과 마찬가지로 토목 기사로 훈련을 받았지만 아우구스틴과는 달리 관리에 강한 재능을 가진 동생 레오노르에 의해 일부 추진되었습니다.레오노르는 1825년에 등대 위원회에서 일을 시작했고,[46] 오귀스트의 뒤를 이어 장관이 되었습니다.

토로이달 프리즘으로 제작된 최초의 고정 렌즈는 레오노어 프레넬의 지도에 따라 스코틀랜드의 기술자 앨런 스티븐슨이 설계한 1차 장치였으며, 아이작 쿡슨이 프랑스 유리를 사용하여 제작했습니다. 1836년 [47]9월 22일 스코틀랜드 메이 섬에서 서비스를 시작했습니다.최초의 대형 입체 렌즈는 1842년 프랑스의 그라블린과 일 비에르주에 있는 등대를 위해 만들어졌습니다.1844년에 불을 밝힌 스티븐슨의 1차 스케리보어 렌즈는 부분적으로만 캐터다이옵트릭스였고, 하부 슬랫이 프랑스제 캐터다이옵트릭스로 대체된 것을 제외하면 코두안 렌즈와 유사했습니다.1852년 Point d'Ailly에 설치된 최초의 완전한 1차 렌즈는 또한 8개의 회전하는 빔과 바닥에 고정된 빛을 제공했습니다. 그러나 그것의 맨 위 부분에는 섬광을 길게 하기 위해 메인 빔보다 약 4도 앞에 빛을 집중시키는 8개의 섬광 패널이 있었습니다.순수하게 회전하는 빔을 가진 최초의 완전한 광학 렌즈는 1854년 생클레망드발레인에 설치되었고, 프레넬의 원래의 카르테 데 [48]파레스의 완성을 기념했습니다.

토마스 스티븐슨(앨런의 동생)은 램프에 의해 방사되는 빛을 전방 또는 후방의 거의 모든 방향으로 [49]초점을 맞추는 그의 "전립선" 렌즈로 프레넬을 한 걸음 앞으로 나아갔습니다.1849년에 기술된 첫 번째 버전은 표준 프레넬 불스 아이 렌즈, 포물선 반사기, 그리고 후면 반구형 반사기로 구성되어 있습니다. (기능적으로 60년 전의 로저스 거울과 동일하지만, 반구 전체를 제외하고는).전방 반구로 방사되었지만 소안 렌즈가 없는 빛은 포물선에 의해 소안 렌즈를 둘러싼 평행 빔으로 굴절되었고, 후방 반구로 방사된 빛은 구형 반사기에 의해 램프를 통해 반사되어 전방 부품에 의해 수집되었습니다.첫번째 유닛은 1849년 8월에 피터헤드의 노스 하버에 설치되었습니다.스티븐슨은 이 버전을 "catadioptric holophote"라고 불렀지만, 각각의 원소들은 순수하게 반사적이거나 순수하게 굴절적이었습니다.홀로포테 개념의 두 번째 버전에서, 황소의 눈 렌즈와 포물면 반사경은 프레넬이 생각한 것처럼 카타디옵트릭 프레넬 렌즈로 대체되었지만, 전방 반구 전체를 덮도록 확장되었습니다.스티븐슨이 혼동하여 "이광학 홀로포테"라고 불렀던 세 번째 버전은 더 혁신적이었습니다: 이것은 전면 반구를 위한 캐터디옵트릭 프레넬 렌즈를 유지했지만, 후면 반구형 반사경을 환형 프리즘의 반구형 배열로 대체했습니다.그것들 각각은 반구의 중심에서 발산하는 빛을 중심을 향해 다시 되돌리기 위해 두 개의 내부 반사를 사용했습니다.그 결과 금속 [50]반사로 인한 손실이 없는 올 글라스 홀로포티가 되었습니다.

제임스 팀민스 찬스(James Timmins Chance)는 수직 축을 중심으로 이중 반사 프리즘을 배열함으로써 토마스 스티븐슨(Thomas Stevenson)의 올 글래스 홀로포탈 디자인을 수정했습니다.시제품은 1862년 런던에서 열린 국제 전시회에서 선보였습니다.나중에, Chance는 제작을 용이하게 하기 위해 프리즘들을 분절로 나누고, 단일 지점에서 그 지점으로 빛을 반사하는 특성을 유지하면서 원통형으로 배열했습니다.이 형태의 반사경은 역설적으로 "입광 거울"이라고 불리는데, 램프의 육지 쪽에서 바다 [51]쪽으로 빛을 되돌리는 데 특히 유용한 것으로 입증되었습니다.

캘리포니아 멘도시노 카운티 포인트 아레나 등대 박물관에 전시된 1차 단체 플래시 프레넬 렌즈.세 개의 이광학 패널(황동 링 내부)과 세 개의 이광학 패널(외부)은 부분적으로 두 개로 나뉘며, 회전당 세 개의 이중 플래시를 제공합니다.

등대가 확산되면서 서로 구분이 어려워져 색색의 필터가 사용돼 빛을 낭비하게 됐습니다.1884년 존 홉킨스는 "그룹 점멸" 렌즈를 발명하여 필터의 필요성을 없앴습니다. 이 렌즈는 이광학 및/또는 역광학 패널이 여러 번 점멸할 수 있도록 분할되어 있어 점멸 빈도뿐만 아니라 점멸 횟수로도 등대를 식별할 수 있게 했습니다.더블 플래싱 렌즈는 1875년 탐피코(멕시코)와 리틀 베이스(스리랑카)에, 트리플 플래싱 렌즈는 1876년 [52]캐스켓 등대(채널 아일랜드)에 설치되었습니다.(오른쪽)에 표시된 예는 1908년부터 [53]1977년까지 사용된 포인트 아레나 라이트의 이중 점멸 렌즈입니다.

초방사 렌즈의 개발은 주어진 빔 폭에 대해 더 긴 초점 거리를 필요로 하는 다수의 제트가 있는 가스 조명과 같은 더 큰 광원에 대한 필요에 의해 부분적으로 추진되었습니다. 따라서 생성된 빛의 주어진 부분을 모으기 위해 더 큰 렌즈가 필요했습니다.최초의 초방사 렌즈는 1885년 F에 의해 스티븐슨 가족을 위해 만들어졌습니다. 프랑스의 바르비에와 시에는 다양한 광원으로 사우스 포레랜드 등대에서 시험했습니다.챈스 브라더스(홉킨슨의 고용주)는 1887년 [54]비숍 록 라이트하우스에 처음으로 초방사선을 만들기 시작했습니다.같은 해, 바비에는 토리 아일랜드에 초방사선을 설치했습니다.그러나 약 30개의 초방사선이 사용되기[55] 전에 더 작은 밝은 램프가 개발되어 이러한 큰 광학 장치가 불필요해졌습니다(초방사선 프레넬 렌즈 참조).

1852년 브루클린 플린트 유리 회사의 존 L. 길릴랜드(John L. Gilliland)가 프레스 및 성형 유리로 렌즈를 만드는 방법을 특허를 내면서 부폰이 대략적으로 예상했던 것처럼 단품 계단식 이광학 렌즈의 생산이 가능해졌습니다.그 회사는 철도, 증기선, [56]부두에서 사용하기 위한 작은 황소 눈 렌즈를 만들었습니다; 그러한 렌즈는 1870년대에 [13]: 488 미국에서 일반적이었습니다.1858년에 이 회사는 등대에서 사용하기 위한 "압박된 부싯돌 유리 6차 렌즈"를 생산했는데, 이 렌즈는 미국에서 [56]처음 만들어진 프레넬 등대 렌즈입니다.1950년대에 이르러 유리에 플라스틱을 대체함으로써 머리 [57]위의 프로젝터에서 콘덴서로 프레넬 렌즈를 사용하는 것이 경제적으로 되었습니다.

설계.

1: Buffon/Fresnel 렌즈의 단면.2: 종래의 등가출력 평면 볼록렌즈 단면 (버폰 버전은 바이콘벡스)[20]
평면 프레넬 렌즈의 클로즈업 뷰는 표면에 동심원을 보여줍니다.

프레넬 렌즈는 렌즈를 동심원형의 고리형 단면으로 나누어 기존 렌즈에 비해 필요한 재료의 양을 줄여줍니다.이상적인 프레넬 렌즈는 무한한 수의 단면을 가질 것입니다.각 섹션에서 동일한 단순 렌즈에 비해 전체 두께가 줄어듭니다.이것은 효과적으로 표준 렌즈의 연속적인 표면을 그들 사이에 단계적 불연속이 있는 동일한 곡률의 표면들의 집합으로 나눕니다.

일부 렌즈에서는 곡면이 평면으로 대체되고 각 섹션에서 다른 각도로 표시됩니다.이러한 렌즈는 가장자리에 더 가파른 프리즘과 평평하거나 약간 볼록한 중심을 가진 원형 방식으로 배열된 프리즘의 배열로 간주될 수 있습니다.최초의 (그리고 가장 큰) 프레넬 렌즈에서는 각각의 섹션이 사실은 별개의 프리즘이었습니다.'싱글피스' 프레넬 렌즈는 나중에 개발되어 자동차 헤드램프, 브레이크, 주차, 턴 시그널 렌즈 등에 사용되었습니다.현대에는 컴퓨터 제어 밀링 장비(CNC) 또는 3-D 프린터를 사용하여 보다 복잡한 [citation needed]렌즈를 제작할 수 있습니다.

프레넬 렌즈 설계는 렌즈의 이미징 품질을 감소시키는 비용으로 두께(따라서 재료의 질량 및 부피)를 상당히 감소시킬 수 있으며, 이는 사진과 같은 정밀한 이미징 애플리케이션이 일반적으로 여전히 더 큰 기존 렌즈를 사용하는 이유입니다.

프레넬 렌즈는 일반적으로 유리나 플라스틱으로 제작되며, 크기는 대형(오래된 역사적 등대, 미터기 크기)에서 중형(책 읽기 보조 장치, OHP 뷰그래프 프로젝터), 소형(TLR/SLR 카메라 화면, 마이크로 광학 장치)에 이르기까지 다양합니다.많은 경우 매우 얇고 평평하며, 거의 유연하며 두께가 얇습니다.1 ~ 5 mm (1 ≥ 32 ~ 3 ≥ 16 in) 범위.[citation needed]

대부분의 현대 프레넬 렌즈는 굴절 요소로만 이루어져 있습니다.그러나 등대 렌즈는 굴절과 반사 요소를 모두 포함하는 경향이 있는데, 후자는 사진에서 보이는 금속 고리 밖에 있습니다.내부 요소는 굴절 렌즈의 단면이지만 외부 요소는 반사 프리즘이며, 이 프리즘은 각각 2개의 굴절과 1개의 내부 전반사를 수행하여 은빛 거울에서 반사되어 발생하는 빛 손실을 방지합니다.

등대렌즈크기

마카푸 포인트 라이트
케이프 미어스 등대; 1차 프레넬 렌즈
일본 치바에 전시된 프레넬 렌즈 주위를 걷고 있습니다.

프레넬은 6가지 [58]크기의 등대 렌즈를 크기와 초점거리에 따라 4가지 순서로 나누어 디자인했습니다.3차와 4차는 '대형'과 '소형'으로 세분화됐습니다.현대에서는 1차부터 6차까지 분류합니다.3차와 4차 사이의 중간 사이즈는 나중에 추가되었고, 1차 이상과 6차 이하의 사이즈도 추가되었습니다.

1차 렌즈의 초점 거리는 920mm(36+1⁄4인치)이며 높이는 약 2.59m(8ft 6인치), 폭은 약 1.8m(6ft)입니다.가장 작은 순서(6번째)는 초점 거리가 150mm(6인치)이고 높이가 433mm(17+1≥16인치)[58][59][60]입니다.

가장 큰 프레넬 렌즈는 초방사선(또는 초방사선)이라고 불립니다.하와이에 마카푸 포인트 라이트를 만들고 설치하기로 결정했을 때 그러한 렌즈가 있었습니다.새로운 렌즈를 주문하는 대신, 높이 3.7 미터(12 피트)에 천 개가 넘는 프리즘을 가진 거대한 광학 구조가 [61]그곳에서 사용되었습니다.

등대렌즈[62] 주문
근대질서 프레넬 순서 초점거리(mm) 높이(m) 처음 설치됨 어플 그림그리기
초방사선 1330 3.76 1887 주요 "착륙"등대
메소라디얼 1125 3.20 1909 브라질 등대 2개
첫 번째 첫 번째 920 2.59 1823 대형 해상등
두번째 두번째 700–750 2.07 오대호 등대, 해안, 섬, 소리
3번째 3차(대) 500 1.58 1825 해안음, 하천진입, 만, 수로, 범위등
3+1⁄2 375 1.09
4번째 3차(소) 250 0.722 모래톱, 암초, 항구의 불빛, 강과 항구의 섬들
5번째 4(대) 187.5 0.541 방파제, 강과 수로 조명, 소리가 나는 작은 섬들
6번째 4(소) 150 0.433 항만의 부두 및 방파제 조명등
일곱번째 100–140 0.165 스코틀랜드 및 캐나다에서 사용
여덟번째 70–75 0.0826 스코틀랜드 및 캐나다에서 사용
  • First-order lens.

    1차 렌즈.

  • First-order lens from Destruction Island WA, built in France 1888. Currently at Westport Maritime Museum.

    1888년 프랑스에 지어진 파괴의 섬 WA의 1차 렌즈.현재 Westport Maritime Museum에 있습니다.

  • Close-up of a second-order lens.

    2차 렌즈의 클로즈업.

  • Third-order lens (St. Simons Island Light).

    3차 렌즈 (St. 시몬스 섬 조명).

  • Fourth-order lens (Sekizaki Lighthouse, Oita, Japan).

    4차 렌즈 (일본 오이타, 세키자키 등대)

  • Fourth order lens from Cape Arago Lighthouse. Currently at Coos History Museum.

    케이프 아라고 등대에서 온 4등 렌즈.현재 쿠스 역사박물관에 있습니다.

  • Fifth-order lens, at Key West Lighthouse

    키 웨스트 등대의 5등 렌즈

  • Sixth-order lens (Ponce de Leon Inlet Light)

    6차 렌즈 (퐁스 드 레옹 인렛 라이트)

  • Comparison of first- and fourth-order lenses (Key West Lighthouse)

    1차 렌즈와 4차 렌즈 비교(Key West Lighthouse)

종류들

프레넬 렌즈에는 이미징과 비 이미징 두 가지 주요 유형이 있습니다.이미징 프레넬 렌즈는 단면이 구부러진 세그먼트를 사용하여 선명한 이미지를 생성하는 반면, 비 이미징 렌즈는 단면이 평평한 세그먼트를 사용하여 선명한 [63]이미지를 생성하지 않습니다.세그먼트의 수가 증가함에 따라, 두 종류의 렌즈는 서로 더 유사해집니다.세그먼트 수가 무한대인 추상적인 경우 곡선 세그먼트와 평탄 세그먼트 간의 차이가 사라집니다.

이미징 렌즈는 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

구면
구면 프레넬 렌즈는 모든 빛을 한 점에 집중시키는 각각의 구면 부분인 고리 모양의 세그먼트를 사용하는 단순한 구면 렌즈와 동등합니다.이 유형의 렌즈는 선명한 이미지를 생성하지만, 산등성이 가장자리의 회절 때문에 동일한 단순 구면 렌즈만큼 선명하지는 않습니다.
원통형
원통형 프레넬 렌즈는 단면이 원형인 직선 세그먼트를 사용하여 빛을 한 선에 집중시키는 단순한 원통형 렌즈와 동등합니다.이 유형은 선명한 이미지를 생성하지만 능선 가장자리의 회절 때문에 동일한 단순 원통형 렌즈만큼 선명하지는 않습니다.

비영상 렌즈는 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

곳
비영상 스팟 프레넬 렌즈는 단면이 원호가 아닌 직선인 링 모양의 세그먼트를 사용합니다.이러한 렌즈는 작은 부분에 빛의 초점을 맞출 수는 있지만 선명한 이미지를 만들어내지는 못합니다.이 렌즈들은 태양 전지판에 햇빛을 집중시키는 것과 같은 태양열 발전에 적용됩니다.프레넬 렌즈는 매우 효과적인 비영상 광학계 FK(Fresnel-Köhler) 태양 [64]집광기를 생성하는 쾰러 조명 광학계의 구성 요소로 사용될 수 있습니다.
선형
비영상 선형 프레넬 렌즈는 단면이 호가 아닌 직선인 직선 세그먼트를 사용합니다.이 렌즈들은 빛을 좁은 띠에 집중시킵니다.그것들은 선명한 이미지를 만들어내지는 않지만,[65] 태양광 발전에 사용될 수 있는데, 예를 들어 파이프에 햇빛을 집중시켜 내부의 물을 데우는 데 사용될 수 있습니다.

사용하다

일루미네이션

인치 키스 등대 렌즈 및 구동 메커니즘

고품질의 유리 프레넬 렌즈는 19세기 후반과 20세기 중반에 최첨단으로 여겨졌던 등대에서 사용되었습니다; 대부분의 등대들은 현재 유리 프레넬 렌즈를 사용하지 않고 훨씬 저렴하고 내구성이 좋은 에어로비콘으로 대체했습니다.플라스틱 프레넬 [citation needed]렌즈가 들어있는 경우가 많습니다.등대 프레넬 렌즈 시스템은 일반적으로 광원에서 방출되는 모든 광을 포착하기 위해 중앙 평면 프레넬 위와 아래의 패싯 돔에 배열된 추가 환형 각형 요소를 포함합니다.이러한 요소를 통과하는 광 경로는 평면 프레넬 요소의 단순한 굴절이 아닌 내부 반사를 포함할 수 있습니다.이 렌즈들은 설계자, 건축자, 그리고 등대와 조명의 사용자들에게 많은 실용적인 혜택을 주었습니다.무엇보다도, 더 작은 렌즈들은 더 컴팩트한 공간에 들어갈 수 있습니다.더 긴 거리에 걸친 더 큰 빛의 투과와 다양한 패턴은 [citation needed]위치를 삼각 측정하는 것을 가능하게 했습니다.

Fresnel 렌즈의 가장 광범위한 사용은 한동안 자동차 헤드램프에서 이루어졌는데, 자동차 헤드램프에서 포물면 반사경으로부터 대략 평행한 빔을 형성하여 종종 동일한 헤드램프 유닛(예: 유럽 H4 디자인)에 있는 딥 빔 및 메인 빔 패턴의 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다.경제성, 무게 및 내충격성의 이유로 신차는 유리 프레넬 렌즈를 사용하여 일반 폴리카보네이트 렌즈와 다면 반사기를 사용합니다.그러나 프레넬 렌즈는 자동차 꼬리, 마커, 후진등 등에 널리 사용되고 있습니다.

유리 프레넬 렌즈는 극장 및 영화(프레넬 랜턴 참조)를 위한 조명 기구에도 사용됩니다. 이러한 기구는 종종 간단히 프레넬이라고 불립니다.전체 기기는 금속 하우징, 반사판, 램프 어셈블리 및 프레넬 렌즈로 구성됩니다.많은 Fresnel 기기는 램프를 렌즈의 초점에 따라 이동시켜 광선의 크기를 늘리거나 줄일 수 있습니다.결과적으로 매우 유연하며, 종종 7°만큼 좁은 빔이나 70°[66]만큼 넓은 빔을 생성할 수 있습니다.프레넬 렌즈는 매우 부드러운 끝을 가진 빔을 만들어 내기 때문에 세척등으로 자주 사용됩니다.렌즈 앞에 있는 홀더는 컬러 플라스틱 필름(젤)을 들고 빛 또는 와이어 스크린을 착색하거나 프로스트 플라스틱을 확산시킬 수 있습니다.프레넬 렌즈는 일반적인 렌즈보다 빔을 더 밝게 초점을 맞출 수 있을 뿐만 아니라 빛이 빛의 전체 폭에 걸쳐 비교적 일정한 세기이기 때문에 영화 제작에 유용합니다.

미 해군 항공모함 USS 드와이트 D에 탑재된 광학식 착륙장치 아이젠하워

항공모함과 해군 항공대는 일반적으로 광학 착륙 시스템에 프레넬 렌즈를 사용합니다.미트볼 불빛은 조종사가 착륙을 위해 적절한 활공 경사를 유지할 수 있도록 도와줍니다.중앙에는 프레넬 렌즈로 구성된 호박색과 빨간색 조명이 있습니다.조명이 항상 켜져 있지만 조종사의 관점에서 렌즈의 각도가 가시광선의 색상과 위치를 결정합니다.녹색 수평 막대 위에 조명이 나타나면 파일럿이 너무 높습니다.아래에 있으면 파일럿이 너무 낮으며, 조명이 빨간색이면 파일럿이 매우 [67]낮습니다.

프레넬 렌즈는 일반적으로 서치라이트, 스포트라이트, 손전등에도 사용됩니다.

이미징

TV 화면 확대 장치로 판매되는 플라스틱 프레넬 렌즈
Sinclair FTV1 휴대용 CRT TV에 사용되는 Fresnel 렌즈는 디스플레이의 세로면만을 확대한 것입니다.

프레넬 렌즈는 간단한 휴대용 확대기로 사용됩니다.그들은 또한 사시와 [68]같은 안구 운동 장애를 포함한 몇 가지 시각 장애를 교정하는 데 사용됩니다.프레넬 렌즈는 포켓 텔레비전, 특히 Sinclair TV80에서 CRT 디스플레이의 시각적 크기를 증가시키기 위해 사용되었습니다.그것들은 신호등에도 사용됩니다.

프레넬 렌즈는 영국과 아일랜드 공화국으로 진입하는 유럽 트럭(그리고 그 반대로 유럽 본토로 진입하는 아일랜드 트럭과 영국 트럭)에서 운전자가 자동차가 있는 도로의 측면에 대해 택시의 잘못된 측면에 앉아 트럭을 운행하는 데 따른 사각지대를 극복하기 위해 사용됩니다.그것들은 조수석 쪽 [69]창문에 붙어 있습니다.

Fresnel 렌즈의 또 다른 자동차 용도는 리어 뷰 인핸서(rear view enhancer)로, 리어 윈도우에 부착된 렌즈의 광시야각을 통해 백미러 단독보다 더 효과적으로 차량, 특히 키가 크거나 허풍 꼬리가 있는 차량의 후방 장면을 확인할 수 있습니다.

프레넬 렌즈는 대중 오락 분야에서도 사용되어 왔습니다.영국의 록 아티스트 피터 가브리엘은 그의 초기 솔로 라이브 공연에서 극적이고 코믹한 효과를 위해 그의 몸의 다른 부분과 대조적으로 그의 머리의 크기를 확대하기 위해 그것들을 사용했습니다.Terry Gilliam 영화 Brazil에서 플라스틱 프레넬 스크린은 표면적으로 정보부 사무실 곳곳에서 사용되는 작은 CRT 모니터의 확대기로 나타납니다.하지만 배우들과 카메라 사이에 가끔 등장해 장면의 스케일과 구성을 해학적 효과로 왜곡하기도 합니다.픽사 영화 월-E는 주인공이 아이팟으로 확대된 뮤지컬 헬로 돌리를 보는 장면에서 프레넬 렌즈를 특징으로 합니다.

메타 퀘스트 2와 HTC 바이브 프로와 같은 가상 현실 헤드셋은 일반 [71]렌즈보다 더 얇고 가벼운 폼 팩터를 허용하기 때문에 프레넬 [70]렌즈를 사용합니다.메타 퀘스트 프로와 같은 최신 기기는 Fresnel 렌즈보다 폼 [73]팩터가 작고 색수차가 적어 팬케이크 렌즈[72] 디자인으로 전환했습니다.

다중 초점 프레넬 렌즈는 망막 식별 카메라의 일부로 사용되기도 하는데, 여기서 카메라 내부의 고정 대상에 대한 여러 개의 초점 안 및 초점 밖 이미지를 제공합니다.사실상 모든 사용자의 경우 이미지 중 적어도 하나가 초점에 맞추어져 있으므로 올바른 눈 맞춤이 가능합니다.

캐논과 니콘은 망원 렌즈의 크기를 줄이기 위해 프레넬 렌즈를 사용했습니다.프레넬(Fresnel) 요소가 포함된 사진 렌즈는 해당하는 기존 렌즈 설계보다 훨씬 짧을 수 있습니다.니콘은 이 기술을 페이즈 프레넬(Phase Fresnel)[74][75]이라고 부릅니다.폴라로이드 SX-70 카메라는 영상 시스템의 일부로 프레넬 반사경을 사용했습니다.뷰 및 대형 포맷 카메라는 Fresnel 렌즈를 접지 유리와 함께 사용하여 렌즈에 의해 투사되는 이미지의 밝기를 높여 초점 및 구도 조정에 도움을 줄 수 있습니다.

프로젝션

영상 투사에 Fresnel 렌즈를 사용하면 화질이 저하되므로 화질이 중요하지 않거나 고체 렌즈의 부피가 지나치게 큰 곳에서만 발생하는 경향이 있습니다.저렴한 프레넬 렌즈는 투명 플라스틱으로 스탬프를 찍거나 성형할 수 있으며 오버헤드 프로젝터와 프로젝션 텔레비전에 사용됩니다.

초점 거리가 다른 프레넬 렌즈(시준기 1개, 수집기 1개)는 상업용 및 DIY 투영에 사용됩니다.콜리메이터 렌즈는 초점 거리가 낮아 광원에 더 가깝게 배치되며, 투영 이미지(LCD 프로젝터의 액티브 매트릭스 LCD 패널) 다음에 빛을 삼중항 렌즈로 집속하는 콜렉터 렌즈가 배치됩니다.프레넬 렌즈는 오버헤드 프로젝터에서 콜리메이터로도 사용됩니다.

태양광발전

플라스틱 프레넬 렌즈는 유리 렌즈보다 더 크게 만들 수 있을 뿐만 아니라 훨씬 저렴하고 가벼워지기 때문에, 태양열 조리기, 태양열 단조기, 가정용 물을 데우는 데 사용되는 태양열 집열기 등에서 가열을 위한 햇빛을 집중시키는 데 사용됩니다.증기를 발생시키거나 스털링 엔진을 작동시키는 데에도 사용할 수 있습니다.

프레넬 렌즈는 거의 500:1의 비율로 [76]태양 전지에 햇빛을 집중시킬 수 있습니다.이것은 활성 태양 전지 표면을 줄일 수 있게 해주고, 비용을 낮추고, 그렇지 않으면 너무 [77]비쌀 수도 있는 더 효율적인 전지를 사용할 수 있게 해줍니다.21세기 초, 프레넬 반사판은 태양 에너지를 집중시키기 위해 태양열 발전소(CSP)를 집중시키는데 사용되기 시작했습니다.한 가지 응용 프로그램은 호주 Hunter Valley에 있는 석탄 화력 발전소 Liddell 발전소의 물을 예열하는 것이었습니다.

프레넬 렌즈는 모래를 소결하는 데 사용할 수 있어 [78]유리로 3D 프린팅할 수 있습니다.

참고 항목

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추가열람

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 프레넬 렌즈와 관련된 매체가 있습니다.