Fresnel-Linse

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Querschnitte einer Fresnel-Linse (Scheinwerferlinse) und einer üblichen Linse mit gleicher Brennweite

Eine Fresnel-Linse [fʀɛˈnɛl-] oder genauer eine Fresnelsche Stufenlinse ist eine optische Linse, die um 1822 von dem französischen Physiker Augustin Jean Fresnel erfunden und ursprünglich für Leuchttürme gebraucht wurde. Durch das angewendete Bauprinzip werden generell Gewicht und Volumen großer Linsen kleiner, was sich besonders bei Linsen mit kurzer Brennweite auswirkt, die in normaler Form sehr dick und schwer sind.

Aufbau[Bearbeiten]

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 Hohlzylinder, der durch Rotation des Querschnitts einer Scheinwerferlinse um eine zu deren optischer Achse senkrechten Achse entsteht. 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[Bearbeiten]

Verwendung in historischen Leuchtturmoptiken[Bearbeiten]

Im 19. Jahrhundert wurden Fresnel-Linsen vor allem in Leuchttürmen eingesetzt. Sie bestanden aus handpolierten Prismen aus Glas, die in einen Rahmen aus Bronze zusammengefügt wurden.[3] Durch ihre im Vergleich zu früheren Leuchtfeueroptiken weitaus höheren Lichtstärke revolutionierten sie die Leuchtturmtechnik. Die Herstellung der frühen Fresnel-Linsen war aufwendig und teuer. Die wichtigsten Produktionszentren lagen in Großbritannien und Frankreich.

Unterteilung von Leuchtturmoptiken in Ordnungen[Bearbeiten]

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 zwischen 2,6 m Höhe (erste Ordnung: Brennweite 0,92 m) und 0,43 m Höhe (sechste Ordnung: Brennweite 0,15 m) standardisiert.[5][6]

Ordnung Brennweite (mm) Höhe (mm) Ungefähres
Gewicht (kg)
Typische Verwendung
in den USA
Erste 920 2590 5800 Größte Küstenleuchttürme
Zweite 750 2069 1600 Große Seen, Inseln vor der Küste, Meerengen
Dritte 500 1576 900 Küste, Flussmündungen an Meerengen, Buchten, Kanäle
Vierte 250 722 200–300 Untiefen, Riffe, Häfen, Flussinseln
Fünfte 183 541 120–200 Hafendämme, Flüsse, kleinere Inseln in Meerengen
Sechste 150 433 100 Hafendämme und Kais

Heutige Verwendung[Bearbeiten]

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.[7]

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.[8] Bei Sonnenwärmekraftwerken kommen Fresnel-Spiegel-Kollektoren zur Anwendung.

Anmerkung: Die Fresnel-Zonenplatte hat technisch nichts mit der Fresnel-Linse zu tun, obwohl sie auch als Linse wirkt.

Literatur[Bearbeiten]

  •  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[Bearbeiten]

 Commons: Category:Fresnel lenses – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Anmerkungen[Bearbeiten]

  1. Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Scheinwerferlinsen. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
  2. Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Gürtellinsen. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
  3. Hierzu und zum folgenden vlg. Ray Jones, The Lighthouse Encyclopedia. The Definitive Reference, Guilford, CT 2004, S. 88f.
  4. Mit modernen helleren Lichtquellen kann die Reichweite gesteigert oder bei gleicher Reichweite eine kleinere Linse (höhere Ordnung) angewendet werden.
  5. vgl. Comparative Table of Lens Orders
  6. 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.
  7. Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Drehlinsen: Bild 3. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
  8. 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.