Fresnel-Linse
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- Physikalisches Prinzip eines Optischen Bauteils
Eine Fresnel-Linse [fʀɛˈnɛl-] oder genauer eine Fresnelsche Stufenlinse ist eine volumen- und massereduzierende Bauform einer optischen Linse. Sie wurde um 1822 vom französischen Physiker Augustin Jean Fresnel ursprünglich für Leuchttürme entwickelt.
Aufbau
Die Verringerung des Volumens geschieht bei der Fresnel-Linse durch eine Aufteilung in ringförmige Bereiche. In jedem dieser Bereiche wird die Dicke verringert, sodass die Linse eine Reihe ringförmiger Stufen erhält. Da Licht nur beim Passieren der Linsen-Oberflächen gebrochen wird, ist der Brechungswinkel nicht von der Dicke, sondern nur von dem Winkel zwischen den beiden Oberflächen abhängig. Die Linse behält ihre Brennweite bei, aber die Abbildungsqualität wird durch die Stufenstruktur verschlechtert.
Heute unterscheidet man im Wesentlichen zwei Bauformen von Fresnel-Linsen: Scheinwerferlinsen und Gürtellinsen.
- Scheinwerferlinsen sind übliche Linsen mit einer optischen Achse.[1] Sie bündeln das Licht in Richtung dieser Achse.
- Eine Gürtellinse ist ein Rotationskörper in Form eines hohlen Zylinders. Dieser entsteht durch die Rotation des Querschnitts einer Fresnel-Linse um eine Achse, die senkrecht zu der optischen Achse der Linse steht. Die Stufenform befindet sich in der Regel außen. Im Schnittpunkt beider Achsen ist die Lichtquelle angeordnet, deren Licht in der Ebene mit der ursprünglichen optischen Achse gebündelt und gleichmäßig in alle Richtungen ausgestrahlt wird.[2]
Verwendung
Verwendung in historischen Leuchtturmoptiken
Im 19. Jahrhundert wurden Fresnel-Linsen vor allem in Leuchttürmen eingesetzt. Sie bestanden aus handpolierten Prismen aus Glas, die in einen Rahmen aus Metall, meist Messing, zusammengefügt wurden.[3] Durch ihre im Vergleich zu früheren Leuchtfeueroptiken weitaus höhere Lichtstärke revolutionierten sie die Leuchtturmtechnik. Die Herstellung der frühen Fresnel-Linsen war aufwändig und teuer. Die wichtigsten Produktionszentren lagen in Großbritannien und Frankreich, der wichtigste Hersteller in Deutschland war die Firma Weule.
Unterteilung von Leuchtturmoptiken in Ordnungen
Mit dem Begriff Ordnung wird bei Leuchtturmlinsen deren geometrische Größe – mit der die optische Größe Brennweite einhergeht – gekennzeichnet. Große Linsen (große Brennweite) ergeben bei gleicher Lichtquelle ein helleres, weiter reichendes Leuchtturmlicht als kleine Linsen.[4] In den USA sind sechs Ordnungen standardisiert:[5][6]
| Ord- nung |
Brennweite (mm) |
Höhe (mm) |
Masse (kg) |
Typische Verwendung in den USA |
|---|---|---|---|---|
| 1. | 920 | 2590 | 5800 | Größte Küstenleuchttürme |
| 2. | 750 | 2069 | 1600 | Große Seen, Inseln vor der Küste, Meerengen |
| 3. | 500 | 1576 | 900 | Küste, Flussmündungen an Meerengen, Buchten, Kanäle |
| 4. | 250 | 722 | 200–300 | Untiefen, Riffe, Häfen, Flussinseln |
| 5. | 183 | 541 | 120–200 | Hafendämme, Flüsse, kleinere Inseln in Meerengen |
| 6. | 150 | 433 | 100 | Hafendämme und Kais |
Fresnel-Linse 1. Ordnung, Scheinwerferlinsen, Museum von Point Arena Light, Kalifornien.
Fresnel-Linse 4. Ordnung, Gürtellinse, Museum von Point Sur Light Station, Kalifornien.
Verwendung in Fahrzeugen
Fresnel-Linsen werden in einigen Fahrzeugen (insb. LKWs) eingesetzt, um den toten Winkel zu reduzieren. Aufgrund der 400 Verkehrstoten jährlich in Deutschland bei Abbiegeunfällen im toten Winkel fordert der Deutsche Verkehrssicherheitsrat, dass der Gesetzgeber die Verwendung von Fresnel-Linsen zumindest vorübergehend vorschreibt.[7][8][9]
Heutige Verwendung
Fresnel-Linsen werden heute dort eingesetzt, wo das Gewicht der Linsen ausschlaggebend und die Abbildungsqualität zweitrangig ist.
Gürtellinsen kommen bei Schiffslaternen und Leuchtfeuern vor. Bei Leuchtfeuern umspannen sie oftmals nicht einen vollen Kreis, sondern lassen den Bereich über dem Festland frei und bestehen wegen ihrer Größe vielfach nicht aus einem Stück.
Scheinwerferlinsen kommen bei Leuchtfeuern ebenfalls häufig vor. Bei Richtfeuern wird nur eine Linse verwendet. Bei Drehfeuern sind mehrere Scheinwerferlinsen gleichmäßig kreisförmig angeordnet, von denen jede momentan bevorzugt in einen Sektor strahlt.[10]
Scheinwerferlinsen werden auch in Frontscheinwerfern von Automobilen verwendet.
Hinter einem Rückprojektionsbildschirm befindet sich eine Fresnel-Scheinwerferlinse. Außerdem wird diese Linse in speziellen Scheinwerfern für Veranstaltungs- und Theatertechnik verwendet.
Hochwertige Scheinwerfer für Film- und TV-Beleuchtung sind zum Großteil als Stufenlinsenscheinwerfer ausgeführt. Diese Konstruktion ermöglicht, neben einer gleichmäßig flächigen Ausleuchtung mit weicher Kante, eine stufenlose Regulierung des Lichtaustrittswinkels. Die Fresnel-Linse dieser Scheinwerfer wird mattiert („gefrostet“) um eine Projektion der Stufenringe zu vermeiden.
Billige Scheinwerferlinsen sind aus Kunststoff gepresst und finden in Tageslichtprojektoren, bei Passiv-Infrarotsensoren, bei einfachen Handlupen, bei Automobil-Rücklichtern und als Weitwinkellinsen(-folien) in Automobil-Heckscheiben und Ladenkassen (Kontrolle der Einkaufswagen) Verwendung.
Weitere Anwendungen findet das Prinzip bei Einstellscheiben im Sucher von Spiegelreflexkameras mit mehr oder weniger großem Fresnel-Stufenlinsenbereich oder bei Streufolien mit kleinen Fresnellinsen-Quadraten zum Aufkleben auf Fensterscheiben sowie bei Tageslichtprojektoren.
Neue Anwendungen ergeben sich in der Solartechnik, da mit Linsen höhere Wirkungsgrade bei Solarstrommodulen erreicht werden können.[11] Bei Sonnenwärmekraftwerken kommen Fresnel-Spiegel-Kollektoren zur Anwendung.
Ein naher Verwandter der Fresnel-Linse ist die Fresnel-Zonenplatte.
Scheinwerferlinse im Rücklicht eines Autos
Abbildung eines Froschs (links, vorn) mit dünner Fresnellinse (links, hinten); Bild und Linse (rechts)
Schiffslaterne mit einteiliger Gürtellinse
Teil-Gürtellinse aus dem Loschen-Leuchtturm Bremerhaven (Spannwinkel 60°)
Literatur
- Dietrich Kühlke: Optik. Grundlagen und Anwendungen. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Harri Deutsch Verlag, Frankfurt am Main 2004, ISBN 3-8171-1741-8, S. 122.
Weblinks / Referenzen
Anmerkungen
- ↑ Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Scheinwerferlinsen. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
- ↑ Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Gürtellinsen. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
- ↑ Hierzu und zum folgenden vlg. Ray Jones, The Lighthouse Encyclopedia. The Definitive Reference, Guilford, CT 2004, S. 88f.
- ↑ Mit modernen helleren Lichtquellen kann die Reichweite gesteigert oder bei gleicher Reichweite eine kleinere Linse (höhere Ordnung) angewendet werden.
- ↑ vgl. Comparative Table of Lens Orders
- ↑ vgl. Comparative Table of Lens Orders, in: Dennis L. Noble, Lighthouses & Keppers. The U.S. Lighthouse Service and its Legacy, Annapolis, MD 1997, S. 24.
- ↑ Andrea Reidl: Der Tote Winkel wird unterschätzt. In: zeit.de. 8. Mai 2015, abgerufen am 1. August 2015.
- ↑ Empfehlungen zu fahrzeugtechnischen Maßnahmen gegen Rechtsabbiegeunfälle zwischen Lkw und Radfahrer (Toter Winkel). In: dvr.de. 23. Mai 2014, abgerufen am 1. August 2015.
- ↑ Ute Wessels: So lassen sich Fahrräder und Lastwagen versöhnen. In: welt.de. 28. Februar 2015, abgerufen am 1. August 2015.
- ↑ Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Drehlinsen: Bild 3. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
- ↑ Rolf Hug: Konzentrator-Photovoltaik bringt die Sonne auf den Punkt: neue deutsche Technologie für effiziente Solar-Kraftwerke. Der Solarserver. 17. April 2008. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
