Ống kính Fresnel quang học là gì

Ống kính Fresnel làm giảm lượng vật liệu cần thiết so với ống kính thông thường bằng cách chia ống kính thành một tập hợp các phần hình khuyên đồng tâm. Một ống kính Fresnel lý tưởng sẽ có vô số phần. Trong mỗi phần, độ dày tổng thể giảm so với một ống kính đơn giản tương đương. Điều này phân chia hiệu quả bề mặt liên tục của một ống kính tiêu chuẩn thành một tập hợp các bề mặt có cùng độ cong, với sự gián đoạn từng bước giữa chúng.

Trong một số ống kính, các bề mặt cong được thay thế bằng các bề mặt phẳng, với một góc khác nhau trong mỗi phần. Một ống kính như vậy có thể được coi là một loạt các lăng kính được sắp xếp theo kiểu tròn, với các lăng kính dốc hơn ở các cạnh, và một trung tâm phẳng hoặc hơi lồi. Trong ống kính Fresnel đầu tiên (và lớn nhất), mỗi phần thực sự là một lăng kính riêng biệt. Các ống kính Fresnel 'một mảnh' sau đó đã được sản xuất, được sử dụng cho đèn pha ô tô, phanh, đỗ xe và ống kính tín hiệu rẽ, v.v. Trong thời hiện đại, thiết bị phay điều khiển bằng máy tính (CNC) hoặc máy in 3 chiều có thể được sử dụng để sản xuất các ống kính phức tạp hơn.

Thiết kế ống kính Fresnel cho phép giảm đáng kể độ dày (và do đó khối lượng và khối lượng vật liệu), với chi phí giảm chất lượng hình ảnh của ống kính, đó là lý do tại sao các ứng dụng hình ảnh chính xác như nhiếp ảnh thường vẫn sử dụng ống kính thông thường lớn hơn.

Ống kính Fresnel thường được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa; Kích thước của chúng thay đổi từ lớn (Ngọn hải đăng lịch sử cũ, kích thước đồng hồ) đến trung bình (AIDS đọc sách, Chế độ xem OHP Máy chiếu đồ thị) đến nhỏ (màn hình camera TLR/SLR, quang học vi mô). Trong nhiều trường hợp, chúng rất mỏng và phẳng, gần như linh hoạt, với độ dày trong phạm vi 1 đến 5 mm (1 ⁄ 32 đến 3 ⁄ 16 in).

Hầu hết các ống kính Fresnel hiện đại chỉ bao gồm các yếu tố khúc xạ. Tuy nhiên, ống kính của ngọn hải đăng có xu hướng bao gồm cả hai yếu tố khúc xạ và phản xạ, cái sau nằm ngoài các vòng kim loại được nhìn thấy trong các bức ảnh. Mặc dù các yếu tố bên trong là các phần của ống kính khúc xạ, các yếu tố bên ngoài đang phản ánh lăng kính, mỗi phần tử thực hiện hai khúc xạ và một phản xạ bên trong tổng số, tránh sự mất ánh sáng xảy ra trong phản xạ từ gương màu bạc.

Ứng dụng

Hình ảnh

Một ống kính fresnel nhựa được bán dưới dạng thiết bị mở rộng màn hình TV

Ống kính Fresnel được sử dụng trong TV CRT di động Sinclair FTV1, giúp mở rộng khía cạnh thẳng đứng của màn hình

Ống kính Fresnel được sử dụng làm kính lúp cầm tay đơn giản. Chúng cũng được sử dụng để điều chỉnh một số rối loạn thị giác, bao gồm các rối loạn vận động mắt như Strabismus. [14] Ống kính Fresnel đã được sử dụng để tăng kích thước hình ảnh của màn hình CRT trong TV bỏ túi, đáng chú ý là Sinclair TV80. Chúng cũng được sử dụng trong đèn giao thông.

Ống kính Fresnel được sử dụng trong các xe tải châu Âu lái tay trái vào Anh và Cộng hòa Ireland (và ngược lại, xe tải Ailen và Anh tay phải vào lục địa châu Âu) để vượt qua các điểm mù do người lái xe vận hành xe tải trong khi Ngồi ở phía bên trái của chiếc taxi so với bên đường mà chiếc xe đang đi. Họ gắn vào cửa sổ phía hành khách.

Một ứng dụng ô tô khác của ống kính Fresnel là bộ tăng cường tầm nhìn phía sau, vì góc nhìn rộng của ống kính được gắn vào cửa sổ phía sau cho phép kiểm tra cảnh phía sau xe, đặc biệt là một cái đuôi cao hoặc hiệu quả hơn so với tầm nhìn phía sau Gương một mình.

Ống kính Fresnel đa focal cũng được sử dụng như một phần của máy ảnh nhận dạng võng mạc, trong đó chúng cung cấp nhiều hình ảnh trong và ngoài tiêu cự của mục tiêu cố định bên trong máy ảnh. Đối với hầu hết tất cả người dùng, ít nhất một trong số các hình ảnh sẽ được lấy nét, do đó cho phép căn chỉnh mắt chính xác.

Ống kính Fresnel cũng đã được sử dụng trong lĩnh vực giải trí phổ biến. Nghệ sĩ nhạc rock người Anh Peter Gabriel đã sử dụng chúng trong các buổi biểu diễn trực tiếp đầu tiên của mình để phóng đại kích thước của đầu anh ấy, trái ngược với phần còn lại của cơ thể anh ấy, cho hiệu ứng kịch tính và truyện tranh. Trong bộ phim Terry Gilliam Brazil, màn hình Fresnel bằng nhựa có vẻ bề ngoài như kính lúp cho các màn hình CRT nhỏ được sử dụng trên khắp các văn phòng của Bộ Thông tin. Tuy nhiên, đôi khi họ xuất hiện giữa các diễn viên và máy ảnh, làm biến dạng quy mô và thành phần của cảnh đến hiệu ứng hài hước. Phim Pixar Wall-E có ống kính Fresnel trong các cảnh mà nhân vật chính xem vở nhạc kịch Hello, Dolly! phóng đại trên iPod.

Nhiếp ảnh

Canon và Nikon đã sử dụng ống kính Fresnel để giảm kích thước của ống kính tele. Ống kính ảnh bao gồm các yếu tố Fresnel có thể ngắn hơn nhiều so với thiết kế ống kính thông thường tương ứng. Nikon gọi giai đoạn công nghệ Fresnel.

Máy ảnh Polaroid SX-70 đã sử dụng gương phản xạ Fresnel như một phần của hệ thống xem.

Xem và camera định dạng lớn có thể sử dụng ống kính Fresnel kết hợp với kính mặt đất, để tăng độ sáng nhận thức của hình ảnh được chiếu bởi ống kính lên kính mặt đất, do đó hỗ trợ điều chỉnh tiêu điểm và bố cục.

Chiếu sáng

Ống kính Ngọn hải đăng Inchkeith và cơ chế lái xe

Ống kính Fresnel thủy tinh chất lượng cao đã được sử dụng trong ngọn hải đăng, nơi chúng được coi là trạng thái của nghệ thuật vào cuối ngày 19 và đến giữa thế kỷ 20; Hầu hết các ngọn hải đăng hiện đã nghỉ hưu các ống kính Fresnel thủy tinh từ dịch vụ và thay thế chúng bằng aerobeacons ít tốn kém và bền hơn, chúng thường chứa các ống kính fresnel nhựa. và bên dưới Fresnel phẳng trung tâm, để bắt tất cả ánh sáng phát ra từ nguồn sáng. Đường dẫn ánh sáng thông qua các yếu tố này có thể bao gồm một phản xạ bên trong, thay vì khúc xạ đơn giản trong phần tử fresnel phẳng. Những ống kính này đã trao nhiều lợi ích thiết thực cho các nhà thiết kế, nhà xây dựng và người dùng ngọn hải đăng và sự chiếu sáng của họ. Trong số những thứ khác, các ống kính nhỏ hơn có thể phù hợp với không gian nhỏ gọn hơn. Truyền ánh sáng lớn hơn trên khoảng cách dài hơn và các mẫu khác nhau, có thể tam giác một vị trí. [Trích dẫn cần thiết]]

Có lẽ việc sử dụng rộng rãi nhất các ống kính Fresnel, trong một thời gian, đã xảy ra trong các đèn pha ô tô, nơi chúng có thể định hình chùm tia gần như song song từ các phản xạ parabol để đáp ứng các yêu cầu cho các mẫu chùm tia nhúng và chính, thường là trong cùng một đơn vị đèn pha (như vậy như thiết kế H4 châu Âu). Vì lý do kinh tế, cân nặng và sức đề kháng tác động, những chiếc xe mới hơn đã được phân phối với ống kính Fresnel thủy tinh, sử dụng các phản xạ nhiều mặt với ống kính polycarbonate đơn giản. Tuy nhiên, ống kính Fresnel vẫn tiếp tục sử dụng rộng rãi trong đuôi ô tô, điểm đánh dấu và đèn đảo ngược.

Ống kính Fresnel thủy tinh cũng được sử dụng trong các dụng cụ chiếu sáng cho các hình ảnh nhà hát và chuyển động (xem Fresnel Lantern); Những công cụ như vậy thường được gọi là Fresnels đơn giản. Toàn bộ dụng cụ bao gồm một vỏ kim loại, gương phản xạ, lắp ráp đèn và ống kính Fresnel. Nhiều dụng cụ Fresnel cho phép đèn được di chuyển so với tiêu điểm của ống kính, để tăng hoặc giảm kích thước của chùm sáng. Kết quả là, chúng rất linh hoạt và thường có thể tạo ra một chùm tia hẹp tới 7 ° hoặc rộng tới 70 ° . Ống kính Fresnel tạo ra một chùm tia rất mềm, vì vậy thường được sử dụng làm đèn rửa. Một giá đỡ phía trước ống kính có thể giữ một màng nhựa màu (gel) để tô màu màn hình ánh sáng hoặc dây hoặc nhựa mờ để khuếch tán nó. Ống kính Fresnel rất hữu ích trong việc thực hiện các hình ảnh chuyển động không chỉ vì khả năng tập trung chùm sáng hơn so với ống kính thông thường, mà còn bởi vì ánh sáng là một cường độ tương đối phù hợp trên toàn bộ chiều rộng của chùm ánh sáng.

Hệ thống hạ cánh quang học trên tàu sân bay của Hải quân Hoa Kỳ USS Dwight D. Eisenhower

Người vận chuyển máy bay và các trạm không khí hải quân thường sử dụng ống kính Fresnel trong hệ thống hạ cánh quang học của họ. Ánh sáng "thịt viên" hỗ trợ cho phi công trong việc duy trì độ dốc trượt thích hợp để hạ cánh. Ở trung tâm là hổ phách và đèn đỏ bao gồm các ống kính Fresnel. Mặc dù đèn luôn bật, góc của ống kính từ quan điểm của phi công xác định màu sắc và vị trí của ánh sáng nhìn thấy. Nếu đèn xuất hiện phía trên thanh ngang màu xanh lá cây, phi công quá cao. Nếu nó ở dưới, phi công quá thấp và nếu đèn màu đỏ, phi công rất thấp. [Cần trích dẫn

Chiếu

Việc sử dụng ống kính Fresnel để chiếu hình ảnh làm giảm chất lượng hình ảnh, vì vậy chúng chỉ có xu hướng xảy ra khi chất lượng không quan trọng hoặc phần lớn ống kính rắn sẽ bị cấm. Ống kính Fresnel giá rẻ có thể được đóng dấu hoặc đúc bằng nhựa trong suốt và được sử dụng trong máy chiếu trên cao và TV chiếu.

Ống kính Fresnel có độ dài tiêu cự khác nhau (một bộ cộng tác và một bộ thu) được sử dụng trong phép chiếu thương mại và DIY. Ống kính đối chiếu có tiêu cự thấp hơn và được đặt gần nguồn sáng hơn và ống kính thu, tập trung ánh sáng vào ống kính bộ ba, được đặt sau hình ảnh chiếu (bảng LCD ma trận hoạt động trong máy chiếu LCD). Ống kính Fresnel cũng được sử dụng làm đối chiếu trong máy chiếu trên cao.

Năng lượng mặt trời

Vì các ống kính fresnel bằng nhựa có thể được làm lớn hơn ống kính thủy tinh, cũng như rẻ hơn và nhẹ hơn nhiều, chúng được sử dụng để tập trung ánh sáng mặt trời để sưởi ấm trong bếp năng lượng mặt trời, trong các máy tạo năng lượng mặt trời và trong các bộ thu năng lượng mặt trời được sử dụng để sưởi ấm nước để sử dụng trong nước. Chúng cũng có thể được sử dụng để tạo ra hơi nước hoặc để cung cấp năng lượng cho một động cơ Stirling.

Ống kính Fresnel có thể tập trung ánh sáng mặt trời vào pin mặt trời với tỷ lệ gần 500: 1. [19] Điều này cho phép giảm bề mặt tế bào mặt trời hoạt động, giảm chi phí và cho phép sử dụng các tế bào hiệu quả hơn mà nếu không sẽ quá đắt. Vào đầu thế kỷ 21, các phản xạ Fresnel bắt đầu được sử dụng trong các nhà máy tập trung năng lượng mặt trời (CSP) để tập trung năng lượng mặt trời.

Ống kính Fresnel có thể được sử dụng để thiêu kết cát, cho phép in 3D trong thủy tinh.