Lente de Fresnel

Una lente Fresnel ( / ˈfr∈eɪnɛl , -nəl / FRAY - nel, -⁠nəl; /ˈfr∈eɪnɛl, -əl/FREN-el, -⁠əl; o /fr∈eɪˈnɛl/ fray- NEL [ 1 ] ) es un tipo de lente compacta compuesta que reduce la cantidad de material requerido en comparación ^con una lente convencional al dividir la lente en un conjunto de secciones anulares concéntricas .

La forma dióptrica (puramente refractiva ) más simple de la lente fue propuesta por primera vez por Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon ^[2] , y reinventada independientemente por el físico francés Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) para su uso en faros . ^{[3] [4]} La forma catadióptrica (que combina refracción y reflexión) de la lente, inventada enteramente por Fresnel, tiene elementos prismáticos externos que utilizan la reflexión interna total , así como la refracción, para capturar más luz oblicua de la fuente de luz y agregarla al haz, haciéndola visible a mayores distancias.

El diseño permite la construcción de lentes de gran apertura y corta distancia focal sin la masa y el volumen de material que requeriría una lente de diseño convencional. Una lente Fresnel puede fabricarse mucho más delgada que una lente convencional comparable, en algunos casos adoptando la forma de una lámina plana.

Por su uso en faros se le ha llamado "el invento que salvó un millón de barcos". ^[5]

La primera persona que enfocó el haz de luz de un faro utilizando una lente fue aparentemente el cortador de vidrio londinense Thomas Rogers, quien propuso la idea a Trinity House en 1788. ^[6] Las primeras lentes Rogers, de 53  cm de diámetro y 14  cm de espesor en el centro, se instalaron en el Old Lower Lighthouse en Portland Bill en 1789. Detrás de cada lámpara había un espejo de vidrio esférico recubierto en la parte posterior, que reflejaba la radiación trasera a través de la lámpara y hacia la lente. Se instalaron más muestras en Howth Baily , North Foreland y al menos en otras cuatro ubicaciones en 1804. Pero gran parte de la luz se desperdició por absorción en el vidrio. ^{[6] [7]}

En 1748, Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon, fue el primero en reemplazar una lente convexa con una serie de prismas anulares concéntricos, pulidos como escalones en una sola pieza de vidrio, ^[2] para reducir el peso y la absorción. En 1790 ^[8] (aunque fuentes secundarias dan la fecha como 1773 ^{[9] : 609} o 1788 ^[10] ), el marqués de Condorcet sugirió que sería más fácil hacer las secciones anulares por separado y ensamblarlas en un marco; pero incluso eso era poco práctico en ese momento. ^{[11] [12]} Estos diseños no estaban destinados a faros, ^[2] sino a vidrios de combustión . ^{[9] : 609} David Brewster , sin embargo, propuso un sistema similar al de Condorcet en 1811, ^{[2] [10] [13]} y en 1820 abogaba por su uso en faros británicos. ^[14]

La Comisión de Faros de Francia fue creada  por Napoleón en 1811 y puesta bajo la autoridad del Cuerpo de Puentes y Caminos, empleador del físico francés Augustin-Jean Fresnel . Como los miembros de la comisión estaban ocupados en otras cosas, no logró mucho en sus primeros años. ^{[15] Sin embargo, el 21 de junio de 1819, tres meses después de ganar el} Gran Premio de Física de la Academia de Ciencias por sus célebres memorias sobre la difracción , Fresnel fue asignado "temporalmente" a la comisión por recomendación de François Arago (miembro desde 1813), para revisar posibles mejoras en la iluminación de los faros. ^{[11] [16]}

A finales de agosto de 1819, sin saber nada de la propuesta de Buffon-Condorcet-Brewster, ^{[11] [13]} Fresnel hizo su primera presentación a la comisión, ^[17] recomendando lo que llamó lentilles à échelons ('lentes por escalones') para reemplazar los reflectores que se usaban entonces, que reflejaban solo la mitad de la luz incidente. ^[18] Otro informe de Fresnel, fechado el 29 de agosto de 1819 (Fresnel, 1866-70, vol. 3, pp. 15-21), se refiere a pruebas de reflectores y no menciona lentes escalonadas excepto en un boceto no relacionado en la última página del manuscrito. Las actas de las reuniones de la Comisión se remontan solo a 1824, cuando el propio Fresnel asumió el cargo de Secretario. ^[19] Por lo tanto, se desconoce la fecha exacta en la que Fresnel recomendó formalmente las lentilles à échelons ^{. [ cita requerida ]} Para gran vergüenza de Fresnel, uno de los comisionados reunidos, Jacques Charles , recordó la sugerencia de Buffon. ^[20] Sin embargo, mientras que la versión de Buffon era biconvexa y de una sola pieza, ^[21] la de Fresnel era plano-convexa y estaba hecha de múltiples prismas para facilitar su construcción.

Con un presupuesto oficial de 500 francos, Fresnel contactó con tres fabricantes. El tercero, François Soleil, encontró una manera de eliminar los defectos recalentando y remodelando el vidrio. Arago ayudó a Fresnel con el diseño de una lámpara de Argand modificada con mechas concéntricas (un concepto que Fresnel atribuyó al conde Rumford ^[22] ), y descubrió accidentalmente que la cola de pescado era resistente al calor, lo que la hacía adecuada para su uso en la lente. El prototipo, terminado en marzo de 1820, tenía un panel de lente cuadrado de 55  cm de lado, que contenía 97 prismas poligonales (no anulares) e impresionó tanto a la Comisión que se le pidió a Fresnel una versión completa de ocho paneles. Este modelo, completado un año después a pesar de la financiación insuficiente, tenía paneles de 76  cm cuadrados. En un espectáculo público en la noche del 13 de abril de 1821, se demostró mediante comparación con los reflectores más recientes, que de repente dejó obsoletos. ^[23]

Poco después de esta demostración, Fresnel publicó la idea de que la luz, incluida la luz aparentemente no polarizada , consiste exclusivamente en ondas transversales , y pasó a considerar las implicaciones para la doble refracción y la reflexión parcial. ^[24]

Fresnel reconoció las lentes británicas y la invención de Buffon en unas memorias leídas el 29 de julio de 1822 e impresas el mismo año. ^[25] La fecha de esas memorias puede ser la fuente de la afirmación de que la defensa de los faros por parte de Fresnel comenzó dos años después que la de Brewster; ^[14] pero el texto deja claro que la participación de Fresnel comenzó no más tarde de 1819. ^[26]

La siguiente lente de Fresnel era un aparato giratorio con ocho paneles en forma de "ojo de buey", fabricados en arcos anulares por Saint-Gobain , ^[12] que daban ocho rayos giratorios, que los marineros podían ver como un destello periódico. Por encima y detrás de cada panel principal había un panel en forma de "ojo de buey" más pequeño e inclinado, de contorno trapezoidal con elementos trapezoidales. ^[27] Este refractaba la luz hacia un espejo plano inclinado, que luego la reflejaba horizontalmente, 7 grados por delante del haz principal, lo que aumentaba la duración del destello. [ ^28] Debajo de los paneles principales había 128 pequeños espejos dispuestos en cuatro anillos, apilados como las lamas de una persiana o una persiana veneciana . Cada anillo, con forma de cono truncado , reflejaba la luz hacia el horizonte, lo que daba una luz más tenue y constante entre los destellos. La prueba oficial, realizada en el inacabado Arco del Triunfo el 20 de agosto de 1822, fue presenciada por la Comisión (y por Luis XVIII y su séquito) desde una distancia de 32 kilómetros. El aparato se almacenó en Burdeos durante el invierno y luego se volvió a montar en el faro de Cordouan bajo la supervisión de Fresnel (en parte por las propias manos de Fresnel). El 25 de julio de 1823 se encendió la primera lente Fresnel del mundo para faros. ^[29] Como se esperaba, la luz era visible en el horizonte, a más de 32 kilómetros de distancia. ^[30]

El día antes de la prueba de la lente de Cordouan en París, un comité de la Academia de Ciencias informó sobre las memorias y suplementos de Fresnel sobre la doble refracción, que, aunque menos conocidas para los lectores modernos que sus trabajos anteriores sobre la difracción, dieron un golpe más decisivo a la teoría ondulatoria de la luz. ^[31] Entre la prueba y el reensamblaje en Cordouan, Fresnel presentó sus artículos sobre fotoelasticidad (16 de septiembre de 1822), polarización elíptica y circular y rotación óptica (9 de diciembre), y reflexión parcial y reflexión interna total (7 de enero de 1823), ^[32] completando esencialmente su reconstrucción de la óptica física sobre la hipótesis de la onda transversal . Poco después de que se encendiera la lente de Cordouan, Fresnel comenzó a toser sangre. ^[33]

En mayo de 1824, ^[13] Fresnel fue ascendido a Secretario de la Commission des Phares , convirtiéndose en el primer miembro de ese organismo en recibir un salario, ^[34] aunque en el papel concurrente de Ingeniero en Jefe. ^[35] A finales de ese año, estando cada vez más enfermo, redujo su investigación fundamental y renunció a su trabajo estacional como examinador en la École Polytechnique , para ahorrar el tiempo y la energía que le quedaban para su trabajo en el faro. ^{[36] [37]}

Ese mismo año diseñó la primera lente fija , para distribuir la luz de manera uniforme por el horizonte y minimizar el desperdicio por encima o por debajo. ^[11] Lo ideal sería que las superficies refractoras curvas fueran segmentos de toroides alrededor de un eje vertical común, de modo que el panel dióptrico se pareciera a un tambor cilíndrico. Si esto se complementaba con anillos reflectantes ( catóptricos ) por encima y por debajo de las partes refractoras (dióptricas), todo el aparato se parecería a una colmena. ^[38] La segunda lente de Fresnel que entró en servicio fue, de hecho, una lente fija, de tercer orden, instalada en Dunkerque el 1 de febrero de 1825. ^[39] Sin embargo, debido a la dificultad de fabricar prismas toroidales grandes, este aparato tenía un plano poligonal de 16 lados. ^[40]

En 1825, Fresnel amplió su diseño de lentes fijas añadiendo un conjunto rotatorio fuera del conjunto fijo. Cada panel del conjunto rotatorio debía refractar parte de la luz fija desde un abanico horizontal en un haz estrecho. ^{[11] [41]}

También en 1825, Fresnel presentó la Carte des Phares ('mapa de faros'), que preveía un sistema de 51 faros más luces de puerto más pequeñas, en una jerarquía de tamaños de lentes llamados "órdenes" (el primero es el más grande), con diferentes características para facilitar el reconocimiento: una luz constante (de una lente fija), un destello por minuto (de una lente giratoria con ocho paneles) y dos por minuto (16 paneles). ^[42]

A finales de 1825, ^[43] para reducir la pérdida de luz en los elementos reflectantes, Fresnel propuso reemplazar cada espejo con un prisma catadióptrico, a través del cual la luz viajaría por refracción a través de la primera superficie, luego por reflexión interna total en la segunda superficie, luego por refracción a través de la tercera superficie. ^[44] El resultado fue la lente del faro tal como la conocemos ahora. En 1826 montó un pequeño modelo para su uso en el Canal Saint-Martin , ^[45] pero no vivió para ver una versión de tamaño completo: murió el 14 de julio de 1827, a la edad de 39 años.

La primera etapa del desarrollo de las lentes para faros tras la muerte de Augustin Fresnel consistió en la implementación de sus diseños. Esto fue impulsado en parte por su hermano menor Léonor, quien, al igual que Augustin, tenía formación como ingeniero civil pero, a diferencia de Augustin, tenía una gran aptitud para la gestión. Léonor entró al servicio de la Comisión de Faros en 1825 y sucedió a Augustin como secretario. ^[46]

La primera lente fija construida con prismas toroidales fue un aparato de primer orden diseñado por el ingeniero escocés Alan Stevenson bajo la dirección de Léonor Fresnel, y fabricado por Isaac Cookson & Co. usando vidrio francés; entró en servicio en la Isla de May , Escocia, el 22 de septiembre de 1836. ^[47] Las primeras lentes catadióptricas grandes se fabricaron en 1842 para los faros de Gravelines e Île Vierge , Francia; eran lentes fijas de tercer orden cuyos anillos catadióptricos (fabricados en segmentos) tenían un metro de diámetro. La lente Skerryvore de primer orden de Stevenson , encendida en 1844, era solo parcialmente catadióptrica; era similar a la lente Cordouan excepto que las láminas inferiores fueron reemplazadas por prismas catadióptricos de fabricación francesa, mientras que los espejos se mantuvieron en la parte superior. La primera lente de primer orden totalmente catadióptrica, instalada en Pointe d'Ailly en 1852, también proporcionaba ocho haces giratorios más una luz fija en la parte inferior; pero su sección superior tenía ocho paneles catadióptricos que enfocaban la luz unos 4 grados por delante de los haces principales, con el fin de alargar los destellos. La primera lente totalmente catadióptrica con haces puramente giratorios , también de primer orden, se instaló en Saint-Clément-des-Baleines en 1854 y marcó la finalización de la Carte des Phares original de Augustin Fresnel . ^[48]

Thomas Stevenson (hermano menor de Alan) fue un paso más allá de Fresnel con su lente "holofoto", que enfocaba la luz irradiada por la lámpara en casi todas las direcciones, hacia adelante o hacia atrás, en un solo haz. ^[49] La primera versión, descrita en 1849, consistía en una lente de ojo de buey Fresnel estándar, un reflector paraboloide y un reflector hemisférico trasero (funcionalmente equivalente al espejo Rogers de 60 años antes, excepto que subtendía un hemisferio entero). La luz irradiada hacia el hemisferio delantero pero que no alcanzaba la lente de ojo de buey era desviada por el paraboloide hacia un haz paralelo que rodeaba la lente de ojo de buey, mientras que la luz irradiada hacia el hemisferio trasero era reflejada de vuelta a través de la lámpara por el reflector esférico (como en la disposición de Rogers), para ser recogida por los componentes delanteros. La primera unidad se instaló en North Harbour, Peterhead , en agosto de 1849. Stevenson llamó a esta versión "holofota catadióptrica", aunque cada uno de sus elementos era puramente reflectante o puramente refractivo. En la segunda versión del concepto de holofota, la lente de ojo de buey y el reflector paraboloide fueron reemplazados por una lente catadióptrica de Fresnel, tal como la concibió Fresnel, pero ampliada para cubrir todo el hemisferio delantero. La tercera versión, que Stevenson llamó confusamente "holofota dióptrica", fue más innovadora: mantuvo la lente catadióptrica de Fresnel para el hemisferio delantero, pero reemplazó el reflector hemisférico trasero con una matriz hemisférica de prismas anulares, cada uno de los cuales usaba dos reflexiones internas totales para hacer que la luz divergiera del centro del hemisferio volviera hacia el centro. El resultado fue una holofota completamente de vidrio, sin pérdidas por reflexiones metálicas. ^[50]

James Timmins Chance modificó el diseño holográfico de vidrio de Thomas Stevenson al disponer los prismas de doble reflexión sobre un eje vertical. El prototipo se mostró en la Exposición Internacional de 1862 en Londres. Más tarde, para facilitar la fabricación, Chance dividió los prismas en segmentos y los dispuso en forma cilíndrica, pero conservando la propiedad de reflejar la luz desde un único punto hacia ese punto. Los reflectores de esta forma, paradójicamente llamados "espejos dióptricos", resultaron particularmente útiles para devolver la luz desde el lado de la lámpara que daba a la tierra hacia el lado que daba al mar. ^[51]

A medida que los faros proliferaban, se hacía más difícil distinguirlos entre sí, lo que llevó al uso de filtros de colores, que desperdiciaban luz. En 1884, John Hopkinson eliminó la necesidad de filtros al inventar la lente de "parpadeo grupal", en la que los paneles dióptricos y/o catadióptricos se dividían para dar múltiples destellos, lo que permitía identificar los faros no solo por la frecuencia de los destellos, sino también por la multiplicidad de los mismos. Se instalaron lentes de doble destello en Tampico (México) y Little Basses (Sri Lanka) en 1875, y una lente de triple destello en el faro de Casquets ( Islas del Canal ) en 1876. ^[52] El ejemplo que se muestra (derecha) es la lente de doble destello del faro de Point Arena , que estuvo en servicio desde 1908 hasta 1977. ^[53]

El desarrollo de lentes hiperradiales fue impulsado en parte por la necesidad de fuentes de luz más grandes, como luces de gas con múltiples chorros, que requerían una longitud focal más larga para un ancho de haz dado, por lo tanto, una lente más grande para recolectar una fracción dada de la luz generada. La primera lente hiperradial fue construida para los Stevenson en 1885 por F. Barbier & Cie de Francia, y probada en el faro de South Foreland con varias fuentes de luz. Chance Brothers (los empleadores de Hopkinson) comenzaron entonces a construir hiperradiales, instalando su primera en el faro de Bishop Rock en 1887. ^[54] En el mismo año, Barbier instaló un hiperradial en Tory Island . Pero solo alrededor de 30 hiperradiales entraron en servicio ^[55] antes de que el desarrollo de lámparas brillantes más compactas hiciera innecesarias ópticas tan grandes (ver Lente Fresnel hiperradiante ).

La producción de lentes dióptricas escalonadas de una sola pieza, aproximadamente como las había previsto Buffon, se hizo factible en 1852, cuando John L. Gilliland, de la Brooklyn Flint-Glass Company, patentó un método para fabricar lentes a partir de vidrio prensado y moldeado. La empresa fabricaba pequeñas lentes de ojo de buey para su uso en ferrocarriles, barcos de vapor y muelles; ^[56] dichas lentes eran comunes en los Estados Unidos en la década de 1870. ^{[13] : 488} En 1858, la empresa produjo "una cantidad muy pequeña de lentes de sexto orden de vidrio prensado" para su uso en faros, las primeras lentes Fresnel para faros fabricadas en Estados Unidos. ^[56] En la década de 1950, la sustitución del vidrio por plástico hizo que fuera económico utilizar lentes Fresnel como condensadores en retroproyectores. ^[57]

La lente Fresnel reduce la cantidad de material necesario en comparación con una lente convencional al dividir la lente en un conjunto de secciones anulares concéntricas. Una lente Fresnel ideal tendría un número infinito de secciones. En cada sección, el espesor total se reduce en comparación con una lente simple equivalente. Esto divide efectivamente la superficie continua de una lente estándar en un conjunto de superficies de la misma curvatura, con discontinuidades escalonadas entre ellas.

En algunas lentes, las superficies curvas se sustituyen por superficies planas, con un ángulo diferente en cada sección. Una lente de este tipo puede considerarse como un conjunto de prismas dispuestos de forma circular con prismas más inclinados en los bordes y un centro plano o ligeramente convexo. En las primeras (y más grandes) lentes de Fresnel, cada sección era en realidad un prisma independiente. Más tarde se produjeron lentes de Fresnel de "una sola pieza", que se utilizaron para faros de automóviles, lentes de freno, de estacionamiento y de señal de giro, etc. En los tiempos modernos, se pueden utilizar equipos de fresado controlados por computadora (CNC) o impresoras 3D para fabricar lentes más complejas. ^{[ cita requerida ]}

El diseño de lentes Fresnel permite una reducción sustancial del espesor (y, por lo tanto, de la masa y el volumen del material) a costa de reducir la calidad de imagen de la lente, razón por la cual las aplicaciones de imágenes precisas como la fotografía todavía suelen utilizar lentes convencionales más grandes.

Las lentes de Fresnel suelen estar hechas de vidrio o plástico; su tamaño varía desde grande (antiguos faros históricos, tamaño de un metro) a mediano (auxiliares de lectura de libros, proyectores retroproyectores) o pequeño ( pantallas de cámaras TLR / SLR , microópticas). En muchos casos son muy delgadas y planas, casi flexibles, con espesores en el rango de 1 a 5 mm ( 1 ⁄ 32 a 3 ⁄ 16  in). ^{[ cita requerida ]}

La mayoría de las lentes Fresnel modernas constan únicamente de elementos refractivos. Sin embargo, las lentes de faro tienden a incluir tanto elementos refractores como reflectantes, siendo estos últimos los que se encuentran fuera de los anillos metálicos que se ven en las fotografías. Mientras que los elementos internos son secciones de lentes refractivas, los elementos externos son prismas reflectores, cada uno de los cuales realiza dos refracciones y una reflexión interna total , evitando la pérdida de luz que se produce en la reflexión de un espejo plateado.

Fresnel diseñó seis tamaños de lentes para faros, divididos en cuatro órdenes según su tamaño y distancia focal. ^[58] Los órdenes 3.º y 4.º se subdividieron en "grandes" y "pequeños". En el uso moderno, los órdenes se clasifican del primero al sexto orden. Más tarde se añadió un tamaño intermedio entre el tercero y el cuarto orden, así como tamaños superiores al primer orden y inferiores al sexto.

Una lente de primer orden tiene una distancia focal de 920 mm ( 36+1 ⁄ 4  in) y mide aproximadamente 2,59 m (8 pies 6 pulgadas) de alto y 1,8 m (6 pies) de ancho. El orden más pequeño (sexto) tiene una longitud focal de 150 mm (6 pulgadas) y una altura de433 mm ( 17+1 ⁄ 16  pulgadas). ^{[58] [59] [60]}

Las lentes de Fresnel más grandes se denominan hiperradiantes (o hiperradiales). Una de estas lentes estaba disponible cuando se decidió construir y equipar el faro Makapuu Point Light en Hawái. En lugar de encargar una lente nueva, se utilizó allí la enorme construcción óptica, de 3,7 metros (12 pies) de altura y con más de mil prismas. ^[61]

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  Lente de primer orden.
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  Lente de primer orden ( faro de Cape Meares )
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  Objetivo de primer orden procedente de Destruction Island (Australia Occidental), construido en Francia en 1888. Actualmente se encuentra en el Museo Marítimo de Westport.
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  Primer plano de una lente de segundo orden.
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  Lente de tercer orden ( luz de St. Simons Island ).
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  Lente de cuarto orden (Faro de Sekizaki, Oita , Japón).
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  Lente de cuarto orden del faro de Cabo Arago. Actualmente se encuentra en el Museo de Historia de Coos.
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  Lente de quinto orden en el faro de Key West
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  Lente de sexto orden ( Luz de entrada de Ponce de León )
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  Comparación de lentes de primer y cuarto orden (Faro de Key West)

Existen dos tipos principales de lentes de Fresnel: las que generan imágenes y las que no generan imágenes . Las lentes de Fresnel que generan imágenes utilizan segmentos con secciones transversales curvas y producen imágenes nítidas, mientras que las lentes que no generan imágenes tienen segmentos con secciones transversales planas y no producen imágenes nítidas. ^[63] A medida que aumenta el número de segmentos, los dos tipos de lentes se vuelven más similares entre sí. En el caso abstracto de un número infinito de segmentos, la diferencia entre segmentos curvos y planos desaparece.

Las lentes de imagen se pueden clasificar en:

Esférico

Una lente Fresnel esférica es equivalente a una lente esférica simple , que utiliza segmentos en forma de anillo que son cada uno una porción de una esfera, y que enfocan la luz en un único punto. Este tipo de lente produce una imagen nítida, aunque no tan clara como la lente esférica simple equivalente debido a la difracción en los bordes de las crestas. A este tipo a veces se lo denomina kinoforma cuando las crestas son microscópicas, en la escala de longitud de onda.

Cilíndrico

Una lente cilíndrica de Fresnel es equivalente a una lente cilíndrica simple , que utiliza segmentos rectos con sección transversal circular, enfocando la luz en una sola línea. Este tipo produce una imagen nítida, aunque no tan clara como la lente cilíndrica simple equivalente debido a la difracción en los bordes de las crestas.

Las lentes sin formación de imágenes se pueden clasificar como:

Lugar

Una lente Fresnel puntual sin formación de imágenes utiliza segmentos en forma de anillo con secciones transversales que son líneas rectas en lugar de arcos circulares. Una lente de este tipo puede enfocar la luz en un punto pequeño, pero no produce una imagen nítida. Estas lentes tienen aplicaciones en energía solar, como enfocar la luz solar en un panel solar. Las lentes Fresnel se pueden utilizar como componentes de la óptica de iluminación Köhler , lo que da como resultado concentradores solares Fresnel-Köhler (FK) con óptica sin formación de imágenes muy eficaces . ^[64]

Lineal

Una lente de Fresnel lineal sin formación de imágenes utiliza segmentos rectos cuyas secciones transversales son líneas rectas en lugar de arcos. Estas lentes enfocan la luz en una banda estrecha. No producen una imagen nítida, pero se pueden utilizar en energía solar, por ejemplo, para enfocar la luz solar sobre una tubería y calentar el agua que hay en su interior. ^[65]

En los faros se utilizaban lentes Fresnel de vidrio de alta calidad, que se consideraban de última generación a finales del siglo XIX y mediados del XX; la mayoría de los faros han retirado del servicio las lentes Fresnel de vidrio y las han reemplazado por balizas aerodinámicas mucho menos costosas y más duraderas , que a menudo contienen lentes Fresnel de plástico. ^{[ cita requerida ]} Los sistemas de lentes Fresnel para faros suelen incluir elementos prismáticos anulares adicionales , dispuestos en cúpulas facetadas por encima y por debajo del Fresnel plano central, para captar toda la luz emitida por la fuente de luz. La trayectoria de la luz a través de estos elementos puede incluir una reflexión interna , en lugar de la simple refracción en el elemento Fresnel plano. Estas lentes conferían muchos beneficios prácticos a los diseñadores, constructores y usuarios de faros y su iluminación. Entre otras cosas, las lentes más pequeñas podían caber en espacios más compactos. Una mayor transmisión de la luz a distancias más largas y patrones variados hicieron posible triangular una posición. ^{[ cita requerida ]}

Quizás el uso más extendido de las lentes Fresnel, durante un tiempo, se produjo en los faros de los automóviles , donde pueden dar forma al haz aproximadamente paralelo del reflector parabólico para cumplir con los requisitos de los patrones de luz de cruce y luz de carretera, a menudo ambos en la misma unidad de faro (como el diseño europeo H4 ). Por razones de economía, peso y resistencia al impacto, los automóviles más nuevos han prescindido de las lentes Fresnel de vidrio, utilizando reflectores multifacéticos con lentes de policarbonato simples . Sin embargo, las lentes Fresnel continúan utilizándose ampliamente en las luces traseras, de posición y de marcha atrás de los automóviles.

Las lentes Fresnel de vidrio también se utilizan en instrumentos de iluminación para teatro y películas (ver linterna Fresnel ); a estos instrumentos a menudo se les llama simplemente Fresnels . El instrumento completo consta de una carcasa de metal, un reflector, un conjunto de lámpara y una lente Fresnel. Muchos instrumentos Fresnel permiten mover la lámpara en relación con el punto focal de la lente , para aumentar o disminuir el tamaño del haz de luz. Como resultado, son muy flexibles y a menudo pueden producir un haz tan estrecho como 7° o tan ancho como 70°. ^[66] La lente Fresnel produce un haz de bordes muy suaves, por lo que a menudo se usa como luz de lavado. Un soporte delante de la lente puede sostener una película de plástico coloreada ( gel ) para teñir la luz o pantallas de alambre o plástico esmerilado para difundirla. La lente Fresnel es útil en la realización de películas no solo por su capacidad de enfocar el haz más brillante que una lente típica, sino también porque la luz tiene una intensidad relativamente constante en todo el ancho del haz de luz.

Los portaaviones y las estaciones aéreas navales suelen utilizar lentes Fresnel en sus sistemas ópticos de aterrizaje . La luz "en forma de albóndiga" ayuda al piloto a mantener la pendiente de planeo adecuada para el aterrizaje. En el centro hay luces ámbar y rojas compuestas por lentes Fresnel. Aunque las luces están siempre encendidas, el ángulo de la lente desde el punto de vista del piloto determina el color y la posición de la luz visible. Si las luces aparecen por encima de la barra horizontal verde, el piloto está demasiado alto. Si está por debajo, el piloto está demasiado bajo, y si las luces son rojas, el piloto está muy bajo. ^[67]

Las lentes de Fresnel también se utilizan comúnmente en reflectores , focos y linternas .

Las lentes de Fresnel se utilizan como simples lupas de mano . También se utilizan para corregir varios trastornos visuales, incluidos los trastornos de la motilidad ocular como el estrabismo . ^[68] Las lentes de Fresnel se han utilizado para aumentar el tamaño visual de las pantallas CRT en televisores de bolsillo , en particular el Sinclair TV80 . También se utilizan en semáforos .

Las lentes de Fresnel se utilizan en los camiones europeos con volante a la izquierda que entran en el Reino Unido y la República de Irlanda (y viceversa, en los camiones irlandeses y británicos con volante a la derecha que entran en Europa continental) para superar los puntos ciegos causados ​​por el conductor que conduce el camión sentado en el lado equivocado de la cabina en relación con el lado de la carretera en el que se encuentra el coche. Se fijan a la ventanilla del lado del pasajero. ^[69]

Otra aplicación de las lentes Fresnel en automóviles es la de mejorar la visión trasera, ya que el amplio ángulo de visión de una lente colocada en la ventana trasera permite examinar la escena detrás de un vehículo, en particular si es alto o de cola achatada, de manera más efectiva que con un espejo retrovisor solo. Las lentes Fresnel se han utilizado en equipos de telémetro y en pantallas de proyección de mapas . ^[70]

Las lentes Fresnel también se han utilizado en el ámbito del entretenimiento popular. El artista de rock británico Peter Gabriel las utilizó en sus primeras actuaciones en directo en solitario para aumentar el tamaño de su cabeza, en contraste con el resto de su cuerpo, con el fin de conseguir un efecto dramático y cómico. En la película Brazil de Terry Gilliam , las pantallas Fresnel de plástico aparecen ostensiblemente como lupas para los pequeños monitores CRT utilizados en las oficinas del Ministerio de Información. Sin embargo, en ocasiones aparecen entre los actores y la cámara, distorsionando la escala y la composición de la escena con un efecto humorístico. La película Wall-E de Pixar presenta una lente Fresnel en las escenas en las que el protagonista ve el musical Hello, Dolly! ampliado en un iPod .

Los cascos de realidad virtual , como el Meta Quest 2 y el HTC Vive Pro, utilizan lentes Fresnel, ^[71] ya que permiten un factor de forma más delgado y liviano que los lentes normales. ^[72] Los dispositivos más nuevos, como el Meta Quest Pro , han cambiado a un diseño de lente tipo panqueque ^[73] debido a su factor de forma más pequeño y menor aberración cromática que los lentes Fresnel. ^[74]

Las lentes Fresnel multifocales también se utilizan como parte de las cámaras de identificación de retina , donde proporcionan múltiples imágenes enfocadas y desenfocadas de un objetivo de fijación dentro de la cámara. Para prácticamente todos los usuarios, al menos una de las imágenes estará enfocada, lo que permite una alineación correcta de los ojos.

Canon y Nikon han utilizado lentes Fresnel para reducir el tamaño de los teleobjetivos. Los lentes fotográficos que incluyen elementos Fresnel pueden ser mucho más cortos que el diseño de lentes convencionales correspondientes. Nikon llama a la tecnología Phase Fresnel . ^{[75] [76]} La cámara Polaroid SX-70 utilizó un reflector Fresnel como parte de su sistema de visualización. Las cámaras de gran formato y de gran formato pueden utilizar una lente Fresnel junto con el vidrio esmerilado , para aumentar el brillo percibido de la imagen proyectada por una lente sobre el vidrio esmerilado, lo que ayuda a ajustar el enfoque y la composición.

El uso de lentes Fresnel para la proyección de imágenes reduce la calidad de la imagen, por lo que tienden a aparecer solo donde la calidad no es crítica o donde el volumen de una lente sólida sería prohibitivo. Las lentes Fresnel económicas pueden estamparse o moldearse de plástico transparente y se utilizan en retroproyectores y televisores de proyección .

En la proyección comercial y casera se utilizan lentes Fresnel de diferentes longitudes focales (un colimador y un colector) . La lente colimadora tiene la longitud focal más baja y se coloca más cerca de la fuente de luz, y la lente colectora, que enfoca la luz en la lente triplete, se coloca después de la imagen proyectada (un panel LCD de matriz activa en los proyectores LCD ). Las lentes Fresnel también se utilizan como colimadores en los retroproyectores .

Dado que las lentes de Fresnel de plástico se pueden fabricar más grandes que las de vidrio, además de ser mucho más baratas y ligeras, se utilizan para concentrar la luz solar para calentar en cocinas solares , en fraguas solares y en colectores solares utilizados para calentar agua para uso doméstico. También se pueden utilizar para generar vapor o para alimentar un motor Stirling .

Las lentes de Fresnel pueden concentrar la luz solar en las células solares con una relación de casi 500:1. ^[77] Esto permite reducir la superficie activa de la célula solar, lo que reduce el coste y permite el uso de células más eficientes que de otro modo serían demasiado caras. ^[78] A principios del siglo XXI, los reflectores de Fresnel comenzaron a utilizarse en plantas de energía solar de concentración (CSP) para concentrar la energía solar. Una aplicación fue para precalentar el agua en la central eléctrica de carbón de Liddell , en Hunter Valley, Australia.

Las lentes de Fresnel se pueden utilizar para sinterizar arena, lo que permite la impresión 3D en vidrio. ^[79]

• Generador de imágenes de Fresnel
• Placa de zona de Fresnel
• Lente lenticular
• Reflector lineal de Fresnel
• Iluminación prismática

• M. Born y E. Wolf, Principios de óptica , 7ª edición, Cambridge, 1999.
• G.-A. Boutry, 1948, "Augustin Fresnel: Su tiempo, vida y obra, 1788–1827", Science Progress , vol. 36, núm. 144 (octubre de 1948), págs. 587–604; jstor.org/stable/43413515.
• JZ Buchwald, 1989, El auge de la teoría ondulatoria de la luz: teoría óptica y experimentación a principios del siglo XIX , University of Chicago Press, ISBN 978-0-226-07886-1 . 
• J. Elton, 2009, "Una luz para iluminar nuestra oscuridad: la óptica de los faros y el desarrollo posterior de la revolucionaria lente refractora de Fresnel 1780-1900", Revista internacional de historia de la ingeniería y la tecnología , vol. 79, núm. 2 (julio de 2009), págs. 183-244; doi :10.1179/175812109X449612.
• A. Fresnel, 1822, "Mémoire sur un nouveau système d'éclairage des phares", leído el 29 de julio de 1822; reimpreso en Fresnel, 1866–1870, vol. 3, pp. 97–126; traducido por T. Tag como "Memoir upon a new system of lighthouse illumination", US Lighthouse Society, consultado el 26 de agosto de 2017; archivado el 19 de agosto de 2016. (Los números de página citados hacen referencia a la traducción).
• A. Fresnel (ed. H. de Sénarmont, E. Verdet y L. Fresnel), 1866–1870, Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel (3 vols.), París: Imprimerie Impériale; vol. 1 (1866), vol. 2 (1868), vol. 3 (1870).
• TH Levitt, 2013, Un breve destello brillante: Augustin Fresnel y el nacimiento del faro moderno , Nueva York: WW Norton, ISBN 978-0-393-35089-0 . 
• T. Young (ed. G. Peacock), 1855, Obras misceláneas del difunto Thomas Young , Londres: J. Murray, vol. 1.

• "La lente de Fresnel", The Keeper's Log , invierno de 1985, págs. 12-14.
• Guardia Costera de Estados Unidos , Ayudas a la navegación , Washington, DC: Oficina de Imprenta del Gobierno de Estados Unidos , 1945.
• Guardia Costera de Estados Unidos, faros, lentes, iluminantes, ingeniería y Augustin Fresnel: una bibliografía histórica sobre obras publicadas hasta 2007.

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• Sociedad de faros de los Estados Unidos, especialmente "Lentes de Fresnel Archivado el 2 de marzo de 2021 en Wayback Machine ".
• WA Britten, "La lente Fresnel" (con fotografías).
• J. Francis, "Lente Fresnel - Simulación Maxwell", 13 de abril de 2009.
• J. Hare, "Cómo funciona la lente Fresnel" (video de 5 minutos), Vega Science Trust, 2008.
• T. Pepper, "Viendo la luz: faros en los Grandes Lagos occidentales", archivado desde el original el 30 de enero de 2008.
• La lente de Fresnel: el invento que salvó 1.000 barcos