Vorteile von Fresnellinsen

Theorie | Herstellung | Anwendungen

Fresnellinsen bestehen aus einer Reihe von konzentrischen Rillen, die in Kunststoff geätzt sind. Ihre dünne, leichte Bauweise, die Verfügbarkeit in kleinen und sehr großen Größen und ihr hervorragendes Lichtsammelvermögen machen sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen. Fresnellinsen werden am häufigsten zum Lichtsammeln eingesetzt, wie z. B. in Kondensorsystemen oder Emitter/Detektor-Aufbauten. Sie können auch als Lupen oder Projektionslinsen in Beleuchtungssystemen und zur Bilderzeugung verwendet werden.

Bei einer Fresnellinse wird die gekrümmte Oberfläche einer herkömmlichen optischen Linse durch eine Reihe konzentrischer Rillen ersetzt. Diese Rillen wirken wie einzelne brechende Flächen, die parallele Lichtstrahlen auf einen gemeinsamen Brennpunkt lenken (Abbildung 1). Daher kann eine Fresnellinse trotz ihres schmalen Profils das Licht ähnlich wie eine herkömmliche optische Linse bündeln und hat dazu noch einige Vorteile gegenüber einer dickeren Linse.

Abbildung 1: Profil einer Fresnellinse

DIE THEORIE HINTER FRESNELLINSEN

Der Grundgedanke hinter dem Aufbau einer Fresnellinse ist, dass sich die Ausbreitungsrichtung des Lichts in einem Medium nicht ändert (es sei denn, es wird gestreut). Stattdessen werden die Lichtstrahlen nur an den Oberflächen eines Mediums abgelenkt. Die Masse des Materials in der Mitte einer Linse erhöht folglich nur das Gewicht und die Absorption innerhalb des Systems.

Um sich diese physikalische Eigenschaft zunutze zu machen, begannen Physiker im 18. Jahrhundert mit Experimenten zur Entwicklung einer Linse, die heute als Fresnellinse bekannt ist. Damals wurden Rillen in ein Stück Glas geschnitten, um Ringe mit einem gekrümmten Profil zu erzeugen. Dieses gekrümmte Profil bildet (wenn es zu den Seiten hin vergrößert wird) eine herkömmliche gekrümmte Linse - entweder sphärisch oder asphärisch (Abbildung 2). Aufgrund dieser ähnlichen optischen Eigenschaft im Vergleich zu einer herkömmlichen optischen Linse kann eine Fresnellinse sogar je nach Anwendung eine etwas bessere Fokusleistung bieten. Zusätzlich dazu liefern hohe Rillendichten schärfere Bilder und niedrigere Rillendichten eine höhere Effizienz (nötig bei lichtsammelnden Anwendungen). Wenn jedoch eine hochpräzise Bildgebung erforderlich ist, sind herkömmliche Einzellinsen, Achromate oder asphärische Linsen immer noch die bessere Wahl.

Abbildung 2: Vergleich des Seitenprofils einer plankonvexen Linse (PCX) und einer Fresnellinse

HERSTELLUNG VON FRESNELLINSEN

Die ersten Fresnellinsen wurden durch mühsames Schleifen und Polieren des Glases von Hand hergestellt. Irgendwann wurde dann geschmolzenes Glas in Formen gegossen, aber erst mit der Entwicklung von Kunststoff in optischer Qualität und dem Spritzgussverfahren im 20. Jahrhundert konnte sich der Einsatz von Fresnellinsen in vielen industriellen und kommerziellen Anwendungen durchsetzen.

Fresnellinsen können aus einer Vielzahl von Substraten hergestellt werden. Sie werden aus Acryl, Polykarbonat oder Vinyl gefertigt, je nach gewünschter Einsatzwellenlänge. Acryl ist aufgrund seiner hohen Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren und ultravioletten Bereich das gebräuchlichste Material, wohingegen Polykarbonat aufgrund seiner Stoßfestigkeit und hohen Temperaturbeständigkeit das Material der Wahl in rauen Umgebungen ist.

ANWENDUNGSBEISPIELE

Der französische Physiker Augustin-Jean Fresnel (1788 - 1827) war zwar nicht der erste Mensch, der eine Fresnellinse entwickelte, aber er konnte sie durch den Einbau in Leuchttürme populär machen. Seitdem werden Fresnellinsen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der Lichtkollimation und Lichtsammlung bis hin zur Vergrößerung.

Lichtkollimation

Eine Fresnellinse kann eine Punktquelle kollimieren, indem sie eine Brennweite von der Quelle entfernt aufgestellt wird. In einem System mit endlich Konjugierten sollte die gerillte Seite der Fresnellinse der längeren Strecke zugewandt sein (Abbildungen 3 - 4), da dies die beste Leistung erzielt.

Abbildung 3: Lichtkollimation einer Punktquelle mit einer Fresnellinse

Lichtsammlung

Eine der häufigsten Anwendungen für eine Fresnellinse ist das Auffangen von Sonnenlicht, das als nahezu parallel betrachtet wird (ein unendlich konjugiertes System). Die Verwendung einer Fresnellinse zur Lichtsammlung ist ideal, um das Licht zum Beipsiel auf eine Photovoltaikzelle zu konzentrieren oder eine Oberfläche zu erwärmen. Eine Fresnellinse kann zum Beispiel für die Beheizung eines Hauses oder Pools verwendet werden! In diesen Fällen bestimmt die Gesamtoberfläche der Linse die Menge des gesammelten Lichts.

Abbildung 4: Fokussierung von parallelem Licht mit einer Fresnellinse

Vergrößerung

Eine weitere häufige Anwendung für eine Fresnellinse ist die Vergrößerung. Eine Fresnellinse kann als Lupe oder Projektionslinse verwendet werden, was jedoch aufgrund der starken Verzerrung nicht uneingeschränkt zu empfehlen ist. Auch die Bildqualität ist angesichts der Verzerrungen nicht mit der eines Präzisionssystems vergleichbar.

Fresnellinsen werden zwar häufig in Solaranwendungen eingesetzt, sind jedoch generell ideal für alle Anwendungen, die preiswerte, dünne und leichte positive Linsenelemente erfordern. Fresnellinsen sind keine neue Technologie, aber ihre Verbreitung hat mit der Einführung und Verbesserung von entsprechenden Fertigungstechniken und Materialien erheblich zugenommen. Sie sind einzigartige optische Linsen, die ein großartiges Werkzeug für eine Reihe interessanter optischer Aufbauten sind.