ForerunnersEdit
Augustin-Jean Fresnel nebyl první, kdo zaostřil paprsek majáku pomocí čočky. Toto prvenství zřejmě patří londýnskému brusiči skla Thomasi Rogersovi, který tuto myšlenku navrhl v roce 1788 Trinity House. První Rogersovy čočky o průměru 53 cm a tloušťce ve středu 14 cm byly instalovány na starém dolním majáku v Portland Billu v roce 1789. Za každou lampou bylo kulové skleněné zrcadlo se zadní vrstvou, které odráželo zadní záření zpět přes lampu do čočky. Další vzorky byly do roku 1804 instalovány v Howth Baily, North Foreland a na nejméně čtyřech dalších místech. Velká část světla se však ztrácela absorpcí ve skle.
Nejen Fresnel jako první navrhl nahradit vypouklou čočku řadou soustředných kruhových hranolů, aby se snížila hmotnost a absorpce. V roce 1748 hrabě Buffon navrhl vybrousit takové hranoly jako stupně v jediném kusu skla. V roce 1790 (ačkoli sekundární zdroje uvádějí datum 1773:609 nebo 1788) markýz de Condorcet navrhl, že by bylo jednodušší vyrobit prstencové části zvlášť a sestavit je na rám; ale i to bylo v té době nepraktické. Tyto návrhy nebyly určeny pro majáky, ale pro hořící skla:609 David Brewster však v roce 1811 navrhl systém podobný Condorcetovu a v roce 1820 prosazoval jeho použití v britských majácích.
Fresnelovy příspěvkyRedakce
Francouzská Komise majáků (Commission des Phares) byla zřízena Napoleonem v roce 1811 a spadala pod Fresnelova zaměstnavatele, Sbor mostů a silnic. Vzhledem k tomu, že členové komise byli jinak zaneprázdněni, dosáhla v prvních letech svého působení jen málo úspěchů. Ale 21. června 1819 – tři měsíce poté, co získal Velkou cenu Akademie věd za fyziku za svou slavnou práci o difrakci – byl Fresnel na doporučení Françoise Araga (člena od roku 1813) „dočasně“ vyslán do komise, aby přezkoumal možná zlepšení v osvětlování majáků.
Koncem srpna 1819, aniž by věděl o Buffonově-Condorcetově-Brewsterově návrhu, přednesl Fresnel Komisi svou první prezentaci, v níž doporučil tzv. lentilles à échelons (stupňovité čočky), které měly nahradit tehdy používané reflektory, jež odrážely jen asi polovinu dopadajícího světla. K Fresnelovým rozpakům jeden ze shromážděných členů komise, Jacques Charles, připomněl Buffonův návrh. Zatímco Buffonova verze byla bikonvexní a z jednoho kusu, Fresnelova byla plano-konvexní a složená z více hranolů pro snadnější konstrukci. S oficiálním rozpočtem 500 franků oslovil Fresnel tři výrobce. Třetí z nich, François Soleil, našel způsob, jak odstranit vady opětovným zahřátím a přetvarováním skla. Arago pomáhal Fresnelovi s návrhem upravené Argandovy lampy se soustřednými knoty (koncept, který Fresnel připisoval hraběti Rumfordovi ) a náhodou zjistil, že rybí lepidlo je odolné vůči teplu, takže je vhodné pro použití v čočce. Prototyp, dokončený v březnu 1820, měl čtvercový panel čočky o straně 55 cm a obsahoval 97 polygonálních (nikoliv prstencových) hranolů – a zapůsobil na Komisi natolik, že Fresnel byl požádán o plnou osmipanelovou verzi. Tento model, dokončený o rok později navzdory nedostatečným finančním prostředkům, měl čtvercové panely o straně 76 cm. Při veřejném představení 13. dubna 1821 večer byl předveden ve srovnání s nejnovějšími reflektory, které náhle učinil zastaralými.
Brzy po této demonstraci Fresnel publikoval myšlenku, že světlo, včetně zdánlivě nepolarizovaného světla, se skládá výhradně z příčných vln, a dále se zabýval důsledky pro dvojnásobný lom a částečný odraz.
Fresnel uznal britské čočky a Buffonův vynález ve vzpomínce přečtené 29. července 1822 a otištěné téhož roku. Datum této vzpomínky může být zdrojem tvrzení, že Fresnelova propagace majáku začala o dva roky později než Brewsterova; z textu je však zřejmé, že Fresnelovo zapojení začalo nejpozději v roce 1819.
Dalším Fresnelovým objektivem byl rotační přístroj s osmi „býčími“ panely, vyrobený v kruhových obloucích firmou Saint-Gobain, který dával osm rotujících paprsků – námořníci je viděli jako periodický záblesk. Nad a za každým hlavním panelem byl menší šikmý panel lichoběžníkového obrysu s lichoběžníkovými prvky. Ten lámal světlo na šikmém rovinném zrcadle, které je pak odráželo vodorovně, 7 stupňů před hlavním paprskem, čímž se prodlužovala doba trvání záblesku. Pod hlavními panely bylo 128 malých zrcadel uspořádaných do čtyř kruhů, poskládaných jako lamely žaluzie nebo rolety. Každý prstenec ve tvaru kuželu odrážel světlo k obzoru, čímž vznikalo mezi záblesky slabší stálé světlo. Oficiální zkoušku, provedenou na nedokončeném Vítězném oblouku 20. srpna 1822, sledovala komise – a Ludvík XVIII. se svým doprovodem – ze vzdálenosti 20 mil (32 km). Přístroj byl na zimu uskladněn v Bordeaux a poté pod Fresnelovým dohledem znovu sestaven na majáku Cordouan – zčásti vlastníma rukama. Dne 25. července 1823 se rozsvítila první Fresnelova čočka majáku na světě. Jak se očekávalo, světlo bylo viditelné až k obzoru, více než 20 mil daleko.
Den před zkouškou Cordouanské čočky v Paříži podal výbor Akademie věd zprávu o Fresnelově memoáru a dodatcích o dvojlomu – které jsou sice moderním čtenářům méně známé než jeho dřívější práce o difrakci, ale zasadily rozhodující úder vlnové teorii světla. Mezi zkouškou a opětovným shromážděním v Cordouanu předložil Fresnel své práce o fotoelasticitě (16. září 1822), eliptické a kruhové polarizaci a optické rotaci (9. prosince) a částečném odrazu a úplném vnitřním odrazu (7. ledna 1823), čímž v podstatě dokončil svou rekonstrukci fyzikální optiky na základě hypotézy příčného vlnění. Krátce po rozsvícení Cordouanovy čočky začal Fresnel vykašlávat krev.
V květnu 1824 byl Fresnel povýšen na tajemníka Commission des Phares a stal se tak prvním členem tohoto orgánu, který pobíral plat, i když současně v roli hlavního inženýra. Koncem téhož roku, protože byl stále více nemocný, omezil svůj základní výzkum a vzdal se svého sezónního zaměstnání examinátora na École Polytechnique, aby ušetřil zbývající čas a energii pro svou práci na majácích.
V témže roce navrhl první pevnou čočku – pro rovnoměrné šíření světla kolem obzoru při minimalizaci ztrát nad nebo pod ním. V ideálním případě by zakřivené lámavé plochy byly úsečkami toroidů kolem společné svislé osy, takže dioptrická deska by vypadala jako válcový buben. Pokud by byl doplněn odraznými (katoptrickými) prstenci nad a pod lámavými (dioptrickými) částmi, celý přístroj by vypadal jako včelí úl. Druhým Fresnelovým objektivem, který byl uveden do provozu, byl skutečně pevný objektiv třetího řádu, instalovaný v Dunkerque k 1. únoru 1825. Vzhledem k obtížnosti výroby velkých toroidálních hranolů měl však tento přístroj šestnáctiboký polygonální půdorys.
V roce 1825 Fresnel rozšířil svou konstrukci pevné čočky o otočnou soustavu mimo pevnou soustavu. Každá deska otočné soustavy měla lámat část pevného světla z horizontálního vějíře do úzkého paprsku.
Také v roce 1825 Fresnel představil Carte des Phares (Mapu majáků), v níž požadoval systém 51 majáků plus menších přístavních světel, v hierarchii velikostí čoček nazývaných „řády“ (první je největší), s různými charakteristikami usnadňujícími rozpoznání: stálé světlo (z pevné čočky), jeden záblesk za minutu (z otočné čočky s osmi panely) a dva za minutu (šestnáct panelů).
Koncem roku 1825 Fresnel navrhl, aby se snížily ztráty světla v odrazných prvcích, nahradit každé zrcadlo katadioptrickým hranolem, kterým by světlo procházelo lomem přes první plochu, pak úplným vnitřním odrazem od druhé plochy a pak lomem přes třetí plochu. Výsledkem byla čočka majáku, jak ji známe dnes. V roce 1826 sestavil malý model pro použití na kanálu Saint-Martin, ale verze v plné velikosti se nedožil: zemřel 14. července 1827 ve věku 39 let.
Po FresneloviEdit
První etapa vývoje majákových čoček po smrti Augustina Fresnela spočívala v realizaci jeho návrhů. Tu částečně řídil jeho mladší bratr Léonor – který byl stejně jako Augustin vystudovaný stavební inženýr, ale na rozdíl od Augustina měl velké vlohy pro řízení. Léonor vstoupil do služeb Komise pro majáky v roce 1825 a stal se Augustinovým nástupcem ve funkci tajemníka.
První pevnou čočkou, která byla zkonstruována s toroidními hranoly, byl přístroj prvního řádu navržený skotským inženýrem Alanem Stevensonem pod vedením Léonora Fresnela a vyrobený společností Isaac Cookson & Co. s použitím francouzského skla; do provozu byl uveden na ostrově May ve Skotsku 22. září 1836. První velké katadioptrické čočky byly vyrobeny v roce 1842 pro majáky v Gravelines a Île Vierge ve Francii; jednalo se o pevné čočky třetího řádu, jejichž katadioptrické prstence (vyrobené v segmentech) měly průměr jeden metr. Stevensonův objektiv prvního řádu ve Skerryvore, který se rozsvítil v roce 1844, byl katadioptrický pouze částečně; byl podobný objektivu v Cordouanu s tím rozdílem, že spodní lamely byly nahrazeny katadioptrickými hranoly francouzské výroby, zatímco nahoře byla zachována zrcadla. První plně katadioptrický objektiv prvního řádu, instalovaný v Pointe d’Ailly v roce 1852, poskytoval rovněž osm rotujících paprsků a pevné světlo v dolní části; jeho horní část však měla osm katadioptrických desek, které zaostřovaly světlo asi 4 stupně před hlavními paprsky, aby se prodloužily záblesky. První plně katadioptrický objektiv s čistě otočnými paprsky – rovněž prvního řádu – byl instalován v Saint-Clément-des-Baleines v roce 1854 a znamenal dokončení původního Carte des Phares Augustina Fresnela.
Thomas Stevenson (mladší bratr Alana) šel o krok dál než Fresnel se svým „holofotálním“ objektivem, který soustřeďoval světlo vyzařované lampou téměř všemi směry, dopředu i dozadu, do jediného paprsku. První verze, popsaná v roce 1849, se skládala ze standardní Fresnelovy čočky, paraboloidního reflektoru a zadního polokulového reflektoru (funkčně ekvivalentního Rogersovu zrcadlu o 60 let dříve, s tím rozdílem, že odrážel celou polokouli). Světlo vyzařované do přední polokoule, ale míjející býčí čočku, bylo paraboloidem vychýleno do rovnoběžného paprsku obklopujícího býčí čočku, zatímco světlo vyzařované do zadní polokoule bylo kulovým reflektorem (stejně jako v Rogersově uspořádání) odráženo zpět přes lampu, aby bylo zachyceno předními součástmi. První zařízení bylo instalováno v North Harbour v Peterheadu v srpnu 1849. Stevenson tuto verzi nazval „katadioptrickým holofotem“, ačkoli každý z jeho prvků byl buď čistě reflexní, nebo čistě refrakční. Ve druhé verzi koncepce holofotu byly čočka s býčím okem a paraboloidní reflektor nahrazeny katadioptrickou Fresnelovou čočkou – jak ji koncipoval Fresnel, ale rozšířenou tak, aby pokrývala celou přední polokouli. Třetí verze, kterou Stevenson matoucím způsobem nazval „dioptrickým holofotem“, byla inovativnější: zachovala katadioptrickou Fresnelovu čočku pro přední polokouli, ale zadní polokulový reflektor nahradila polokulovou soustavou prstencovitých hranolů, z nichž každý používal dva úplné vnitřní odrazy, aby obrátil světlo rozcházející se ze středu polokoule zpět ke středu. Výsledkem byl celoskleněný holofot s nulovými ztrátami v důsledku kovových odrazů.
James Timmins Chance upravil celoskleněnou konstrukci holofot Thomase Stevensona uspořádáním dvojitých odrazných hranolů kolem svislé osy. Prototyp byl vystaven na Mezinárodní výstavě v Londýně v roce 1862. Později, aby usnadnil výrobu, rozdělil Chance hranoly na segmenty a uspořádal je do válcového tvaru, přičemž zachoval vlastnost odrážet světlo z jednoho bodu zpět do tohoto bodu. Reflektory tohoto tvaru, paradoxně nazývané „dioptrická zrcadla“, se osvědčily zejména při vracení světla z pevninské strany lampy na mořskou stranu.
Jak přibývalo majáků, bylo těžší je od sebe odlišit, což vedlo k používání barevných filtrů, které plýtvaly světlem. V roce 1884 John Hopkinson odstranil potřebu filtrů vynálezem „skupinově blikajícího“ objektivu, v němž byly dioptrické a/nebo katadioptrické panely rozděleny tak, aby poskytovaly vícenásobné záblesky – což umožnilo identifikovat majáky nejen podle frekvence záblesků, ale také podle jejich násobnosti. V roce 1875 byly na majácích Tampico (Mexiko) a Little Basses (Srí Lanka) instalovány čočky s dvojitým blikáním a v roce 1876 na majáku Casquets (Normanské ostrovy) čočka s trojitým blikáním. Zobrazeným příkladem (vpravo) je dvojitá blikající čočka majáku Point Arena, který byl v provozu od roku 1908 do roku 1977.
Vývoj hyperradiálních čoček byl částečně podnícen potřebou větších světelných zdrojů, jako jsou plynová světla s více tryskami, které vyžadují delší ohniskovou vzdálenost pro danou šířku paprsku, a tedy větší čočku pro zachycení dané části generovaného světla. První hyperradiální čočku sestrojila pro Stevensony v roce 1885 francouzská společnost F. Barbier & Cie a testovala ji na majáku South Foreland s různými světelnými zdroji. Bratři Chanceové (Hopkinsonovi zaměstnavatelé) pak začali konstruovat hyperradiální čočky a první instalovali na majáku Bishop Rock v roce 1887. V témže roce instaloval Barbier hyperradiál na ostrově Tory Island. Do provozu se však dostalo jen asi 30 hyperradiálů, než vývoj kompaktnějších jasných lamp učinil tak velkou optiku zbytečnou (viz Hyperradiantní Fresnelova čočka).
Výroba jednodílných stupňovitých dioptrických čoček – zhruba podle Buffonových představ – se stala proveditelnou v roce 1852, kdy John L. Gilliland ze společnosti Brooklyn Flint-Glass Company si nechal patentovat způsob výroby čoček z lisovaného a tvarovaného skla. Společnost vyráběla malé čočky ve tvaru býčího oka pro použití na železnicích, parnících a v docích; tyto čočky byly v 70. letech 19. století ve Spojených státech běžné:488 V roce 1858 společnost vyrobila „velmi malý počet lisovaných čoček z křemenného skla šestého řádu“ pro použití v majácích – první Fresnelovy čočky pro majáky vyrobené v Americe. V padesátých letech 20. století se díky nahrazení skla plastem začaly Fresnelovy čočky ekonomicky výhodně používat jako kondenzátory ve zpětných projektorech.
.