Fresnel-Linse

VorläuferBearbeiten

Augustin-Jean Fresnel war nicht der erste, der einen Leuchtturmstrahl mit einer Linse bündelte. Diese Ehre gebührt offenbar dem Londoner Glasschleifer Thomas Rogers, der die Idee 1788 dem Trinity House vorschlug. Die ersten Rogers-Linsen mit einem Durchmesser von 53 cm und einer Dicke von 14 cm in der Mitte wurden 1789 auf dem Old Lower Lighthouse in Portland Bill installiert. Hinter jeder Lampe befand sich ein rückseitig beschichteter, kugelförmiger Glasspiegel, der die rückwärtige Strahlung durch die Lampe in die Linse zurückwarf. Weitere Exemplare wurden bis 1804 in Howth Baily, auf North Foreland und an mindestens vier weiteren Standorten installiert. Ein Großteil des Lichts ging jedoch durch Absorption im Glas verloren.

Noch war Fresnel der erste, der vorschlug, eine konvexe Linse durch eine Reihe konzentrischer Ringprismen zu ersetzen, um Gewicht und Absorption zu verringern. 1748 schlug Graf Buffon vor, solche Prismen als Stufen in ein einziges Stück Glas zu schleifen. Im Jahr 1790 (in sekundären Quellen wird das Datum mit 1773:609 oder 1788 angegeben) schlug der Marquis de Condorcet vor, dass es einfacher wäre, die ringförmigen Teile separat herzustellen und sie auf einem Rahmen zu montieren; aber auch das war zu dieser Zeit nicht praktikabel. Diese Entwürfe waren nicht für Leuchttürme, sondern für Brenngläser gedacht:609 David Brewster schlug jedoch 1811 ein System vor, das dem von Condorcet ähnelte, und 1820 befürwortete er dessen Verwendung in britischen Leuchttürmen.

Fresnels BeiträgeBearbeiten

Die französische Commission des Phares (Leuchtturmkommission) wurde 1811 von Napoleon eingerichtet und Fresnels Arbeitgeber, dem Korps für Brücken und Straßen, unterstellt. Da die Mitglieder der Kommission anderweitig beschäftigt waren, erreichte sie in den ersten Jahren nur wenig. Doch am 21. Juni 1819 – drei Monate nachdem er für seine berühmte Abhandlung über die Beugung den Grand Prix der Akademie der Wissenschaften für Physik gewonnen hatte – wurde Fresnel auf Empfehlung von François Arago (Mitglied seit 1813) „vorübergehend“ in die Kommission entsandt, um mögliche Verbesserungen der Leuchtturmbeleuchtung zu prüfen.

Ende August 1819, in Unkenntnis des Vorschlags von Buffon-Condorcet-Brewster, hielt Fresnel seinen ersten Vortrag vor der Kommission und empfahl sogenannte lentilles à échelons (Stufenlinsen), um die damals verwendeten Reflektoren zu ersetzen, die nur etwa die Hälfte des einfallenden Lichts reflektierten. Sehr zu Fresnels Verlegenheit erinnerte einer der versammelten Kommissare, Jacques Charles, an Buffons Vorschlag. Während Buffons Version jedoch bikonvex und einteilig war, war Fresnels Modell plankonvex und bestand zur einfacheren Konstruktion aus mehreren Prismen. Mit einem offiziellen Budget von 500 Francs wendet sich Fresnel an drei Hersteller. Der dritte, François Soleil, fand eine Möglichkeit, die Fehler durch Wiedererwärmung und Umformung des Glases zu beseitigen. Arago unterstützte Fresnel bei der Konstruktion einer modifizierten Argand-Lampe mit konzentrischen Dochten (ein Konzept, das Fresnel dem Grafen Rumford zuschreibt) und entdeckte zufällig, dass Fischleim hitzebeständig ist und sich somit für die Linse eignet. Der im März 1820 fertiggestellte Prototyp hatte eine quadratische Linsenplatte mit einer Seitenlänge von 55 cm, die 97 polygonale (nicht ringförmige) Prismen enthielt – und beeindruckte die Kommission so sehr, dass Fresnel um eine Version mit acht Platten gebeten wurde. Dieses Modell, das ein Jahr später trotz unzureichender finanzieller Mittel fertig gestellt wurde, hatte 76 cm im Quadrat. In einem öffentlichen Spektakel am Abend des 13. April 1821 wurde es im Vergleich mit den neuesten Reflektoren vorgeführt, die es plötzlich überflüssig machte.

Kurz nach dieser Vorführung veröffentlichte Fresnel die Idee, dass Licht, auch scheinbar unpolarisiertes Licht, ausschließlich aus Transversalwellen besteht, und stellte Überlegungen zur Doppelbrechung und Teilreflexion an.

Fresnel würdigte die britischen Linsen und Buffons Erfindung in einer Denkschrift, die am 29. Juli 1822 verlesen und im selben Jahr gedruckt wurde. Das Datum dieser Denkschrift mag die Quelle für die Behauptung sein, dass Fresnels Engagement für Leuchttürme zwei Jahre später begann als das von Brewster; aus dem Text geht jedoch klar hervor, dass Fresnels Engagement spätestens 1819 begann.

Querschnitt einer Fresnel-Leuchtturmlinse der ersten Generation, mit schrägen Spiegeln m, n oberhalb und unterhalb der brechenden Platte RC (mit Mittelsegment A). Das Design wurde später verbessert, indem die Spiegel durch reflektierende Prismen ersetzt wurden, um die Verluste zu verringern. Wenn der Querschnitt in jeder vertikalen Ebene durch die Lampe L gleich ist (zylindrische Symmetrie), wird das Licht gleichmäßig um den Horizont verteilt.

Fresnels nächste Linse war ein rotierender Apparat mit acht „Bullaugen“-Platten, die von Saint-Gobain in Ringbögen hergestellt wurden und acht rotierende Strahlen erzeugten, die von den Seeleuten als periodischer Blitz gesehen wurden. Über und hinter jeder Hauptplatte befand sich eine kleinere, schräge Bullaugenplatte mit trapezförmigem Grundriss und trapezförmigen Elementen. Dadurch wurde das Licht auf einen schrägen, ebenen Spiegel gebrochen, der es dann horizontal um 7 Grad vor dem Hauptstrahl reflektierte, wodurch sich die Dauer des Blitzes erhöhte. Unterhalb der Hauptpaneele befanden sich 128 kleine Spiegel, die in vier Ringen angeordnet waren, die wie die Lamellen einer Jalousie oder einer Jalousie gestapelt waren. Jeder Ring, der wie ein Kegelstumpf geformt war, reflektierte das Licht bis zum Horizont und erzeugte ein schwächeres, gleichmäßiges Licht zwischen den Blitzen. Der offizielle Test, der am 20. August 1822 auf dem unvollendeten Triumphbogen durchgeführt wurde, wurde von der Kommission – und von Ludwig XVIII. und seinem Gefolge – aus einer Entfernung von 32 km beobachtet. Der Apparat wurde über den Winter in Bordeaux gelagert und dann unter Fresnels Aufsicht – teilweise von Fresnel selbst – im Leuchtturm von Cordouan wieder zusammengebaut. Am 25. Juli 1823 wurde die erste Fresnel-Linse der Welt im Leuchtturm gezündet. Wie erwartet war das Licht bis zum Horizont sichtbar, mehr als 20 Meilen weit.

Am Tag vor dem Test der Cordouan-Linse in Paris berichtete ein Komitee der Akademie der Wissenschaften über Fresnels Memoiren und Ergänzungen über die Doppelbrechung – die modernen Lesern zwar weniger bekannt sind als seine früheren Arbeiten über die Beugung, aber der Wellentheorie des Lichts einen entscheidenden Schlag versetzten. Zwischen dem Test und dem erneuten Zusammenbau in Cordouan legte Fresnel seine Arbeiten über Photoelastizität (16. September 1822), elliptische und zirkuläre Polarisation und optische Rotation (9. Dezember) sowie Teilreflexion und innere Totalreflexion (7. Januar 1823) vor und vollendete damit im Wesentlichen seine Rekonstruktion der physikalischen Optik auf der Grundlage der Transversalwellenhypothese. Kurz nachdem die Cordouan-Linse gezündet worden war, begann Fresnel Blut zu husten.

Im Mai 1824 wurde Fresnel zum Sekretär der Commission des Phares befördert und war damit das erste Mitglied dieses Gremiums, das ein Gehalt bezog, wenn auch in der gleichzeitigen Funktion des Chefingenieurs. Ende desselben Jahres schränkte er aufgrund einer zunehmenden Erkrankung seine Grundlagenforschung ein und gab seine saisonale Stelle als Prüfer an der École Polytechnique auf, um seine verbleibende Zeit und Energie für seine Arbeit an den Leuchttürmen zu sparen.

Im selben Jahr entwarf er die erste feste Linse, um das Licht gleichmäßig über den Horizont zu streuen und gleichzeitig den Abfall nach oben oder unten zu minimieren. Im Idealfall wären die gekrümmten Brechungsflächen Segmente von Toroiden um eine gemeinsame vertikale Achse, so dass die Dioptrienplatte wie eine zylindrische Trommel aussehen würde. Würde man dies durch reflektierende (katoptrische) Ringe über und unter den brechenden (dioptrischen) Teilen ergänzen, würde der gesamte Apparat wie ein Bienenstock aussehen. Die zweite Fresnel-Linse, die in Betrieb genommen wurde, war tatsächlich eine feste Linse dritter Ordnung, die am 1. Februar 1825 in Dünkirchen installiert wurde. Aufgrund der Schwierigkeit, große toroidale Prismen herzustellen, hatte dieser Apparat jedoch einen 16-seitigen polygonalen Grundriss.

Im Jahr 1825 erweiterte Fresnel seine Festlinsen-Konstruktion, indem er eine rotierende Anordnung außerhalb der festen Anordnung hinzufügte. Jede Platte der rotierenden Anordnung sollte einen Teil des festen Lichts aus einem horizontalen Fächer in einen schmalen Strahl brechen.

Ebenfalls 1825 stellte Fresnel die Carte des Phares (Leuchtturmkarte) vor, die ein System von 51 Leuchttürmen und kleineren Hafenfeuern vorsah, die in einer Hierarchie von Linsengrößen, den so genannten „Ordnungen“, angeordnet waren (wobei die erste die größte war), mit unterschiedlichen Merkmalen, um die Erkennung zu erleichtern: ein konstantes Licht (von einer festen Linse), ein Lichtblitz pro Minute (von einer rotierenden Linse mit acht Feldern) und zwei pro Minute (sechzehn Felder).

Ende 1825 schlug Fresnel vor, jeden Spiegel durch ein katadioptrisches Prisma zu ersetzen, durch das das Licht durch Brechung an der ersten Oberfläche, dann durch Totalreflexion an der zweiten Oberfläche und schließlich durch Brechung an der dritten Oberfläche geleitet würde, um den Lichtverlust an den reflektierenden Elementen zu verringern. Das Ergebnis war die Leuchtturmlinse, wie wir sie heute kennen. Im Jahr 1826 baute er ein kleines Modell für den Einsatz am Canal Saint-Martin, aber er erlebte eine Version in voller Größe nicht mehr: Er starb am 14. Juli 1827 im Alter von 39 Jahren.

Nach FresnelBearbeiten

Die erste Phase der Entwicklung von Leuchtturmlinsen nach dem Tod von Augustin Fresnel bestand in der Umsetzung seiner Entwürfe. Dazu trug auch sein jüngerer Bruder Léonor bei, der wie Augustin als Bauingenieur ausgebildet war, aber im Gegensatz zu Augustin eine starke Begabung für das Management hatte. Léonor trat 1825 in den Dienst der Leuchtturmkommission und wurde später Augustins Nachfolger als Sekretär.

Die erste feste Linse, die mit toroidalen Prismen konstruiert wurde, war ein Gerät erster Ordnung, das von dem schottischen Ingenieur Alan Stevenson unter der Leitung von Léonor Fresnel entworfen und von Isaac Cookson & Co. unter Verwendung von französischem Glas hergestellt wurde; sie wurde am 22. September 1836 auf der Isle of May, Schottland, in Betrieb genommen. Die ersten großen katadioptrischen Linsen wurden 1842 für die Leuchttürme von Gravelines und Île Vierge in Frankreich hergestellt; es handelte sich um feststehende Linsen dritter Ordnung, deren katadioptrische Ringe (in Segmenten gefertigt) einen Durchmesser von einem Meter hatten. Stevensons Skerryvore-Linse erster Ordnung, die 1844 in Betrieb genommen wurde, war nur teilweise katadioptrisch; sie ähnelte der Cordouan-Linse mit dem Unterschied, dass die unteren Lamellen durch in Frankreich hergestellte katadioptrische Prismen ersetzt wurden, während die Spiegel oben beibehalten wurden. Das erste vollständig katadioptrische Objektiv erster Ordnung, das 1852 in Pointe d’Ailly installiert wurde, verfügte ebenfalls über acht rotierende Strahlen und ein feststehendes Licht am unteren Ende; sein oberer Teil war jedoch mit acht katadioptrischen Platten ausgestattet, die das Licht etwa 4 Grad vor den Hauptstrahlen bündelten, um die Blitze zu verlängern. Die erste vollständig katadioptrische Linse mit rein rotierenden Strahlen – ebenfalls erster Ordnung – wurde 1854 in Saint-Clément-des-Baleines installiert und stellte die Vollendung von Augustin Fresnels ursprünglicher Carte des Phares dar.

Thomas Stevenson (jüngerer Bruder von Alan) ging mit seiner „holophotalen“ Linse, die das von der Lampe in fast alle Richtungen, vorwärts oder rückwärts, abgestrahlte Licht in einen einzigen Strahl bündelte, einen Schritt weiter als Fresnel. Die erste Version, die 1849 beschrieben wurde, bestand aus einer normalen Fresnel’schen Bullaugenlinse, einem Parabolspiegel und einem hinteren halbkugelförmigen Reflektor (der funktionell dem Rogers-Spiegel von vor 60 Jahren entsprach, nur dass er eine ganze Halbkugel abdeckte). Das in die vordere Hemisphäre eingestrahlte Licht, das jedoch die Bullaugenlinse verfehlte, wurde vom Paraboloid in einen parallelen Strahl um die Bullaugenlinse herum abgelenkt, während das in die hintere Hemisphäre eingestrahlte Licht vom sphärischen Reflektor (wie bei Rogers‘ Anordnung) durch die Lampe zurückreflektiert wurde, um von den vorderen Komponenten aufgefangen zu werden. Das erste Gerät wurde im August 1849 in North Harbour, Peterhead, installiert. Stevenson nannte diese Version ein „katadioptrisches Holophot“, obwohl jedes seiner Elemente entweder rein reflektierend oder rein brechend war. In der zweiten Version des Holophotokonzepts wurden die Bullaugenlinse und der Parabolreflektor durch eine katadioptrische Fresnellinse ersetzt – wie von Fresnel konzipiert, aber erweitert, um die gesamte vordere Hemisphäre abzudecken. Die dritte Version, die Stevenson verwirrenderweise als „dioptrisches Holophot“ bezeichnete, war innovativer: Sie behielt die katadioptrische Fresnel-Linse für die vordere Hemisphäre bei, ersetzte aber den hinteren halbkugelförmigen Reflektor durch eine halbkugelförmige Anordnung ringförmiger Prismen, von denen jedes zwei interne Totalreflexionen nutzte, um das vom Zentrum der Hemisphäre ausgehende Licht zum Zentrum zurückzulenken. Das Ergebnis war ein Ganzglas-Holophoton, das keine Verluste durch metallische Reflexionen aufwies.

James Timmins Chance modifizierte Thomas Stevensons Ganzglas-Holophoton-Design, indem er die doppelt reflektierenden Prismen um eine vertikale Achse anordnete. Der Prototyp wurde 1862 auf der Internationalen Ausstellung in London gezeigt. Um die Herstellung zu erleichtern, teilte Chance die Prismen in Segmente und ordnete sie zylindrisch an, wobei er die Eigenschaft beibehielt, das Licht von einem einzigen Punkt zu diesem Punkt zurück zu reflektieren. Reflektoren dieser Form, paradoxerweise „dioptrische Spiegel“ genannt, erwiesen sich als besonders nützlich, um das Licht von der landwärtigen Seite der Lampe auf die seewärtige Seite zurückzuwerfen.

Gruppenblitz-Fresnel-Linse erster Ordnung, ausgestellt im Point Arena Lighthouse Museum, Point Arena Lighthouse, Mendocino County, Kalifornien. Die drei dioptrischen Paneele (innerhalb der Messingringe) und die drei katadioptrischen Paneele (außen) sind teilweise zweigeteilt, was drei Doppelblitze pro Umdrehung ergibt.

Mit der zunehmenden Zahl von Leuchttürmen wurde es immer schwieriger, sie voneinander zu unterscheiden, was zur Verwendung von Farbfiltern führte, die Licht verschwendeten. 1884 machte John Hopkinson den Einsatz von Filtern überflüssig, indem er das „Gruppenblitzobjektiv“ erfand, bei dem die dioptrischen und/oder katadioptrischen Linsen geteilt wurden, um mehrere Blitze zu erzeugen, so dass die Leuchttürme nicht nur anhand der Häufigkeit, sondern auch anhand der Anzahl der Blitze identifiziert werden konnten. Doppelt blitzende Linsen wurden 1875 in Tampico (Mexiko) und Little Basses (Sri Lanka) installiert, eine dreifach blitzende Linse 1876 im Leuchtturm von Casquets (Kanalinseln). Das abgebildete Beispiel (rechts) ist die Doppelblitzlinse des Point Arena Light, die von 1908 bis 1977 in Betrieb war.

Die Entwicklung von Hyperradiallinsen wurde zum Teil durch die Notwendigkeit größerer Lichtquellen vorangetrieben, wie z. B. Gaslichter mit mehreren Düsen, die eine größere Brennweite für eine bestimmte Strahlbreite und damit eine größere Linse für einen bestimmten Anteil des erzeugten Lichts erforderten. Die erste Hyperradiallinse wurde 1885 von F. Barbier & Cie aus Frankreich für die Stevensons gebaut und im South Foreland Lighthouse mit verschiedenen Lichtquellen getestet. Die Gebrüder Chance (Hopkinsons Arbeitgeber) begannen daraufhin mit dem Bau von Hyperradiallinsen und installierten ihre erste 1887 im Leuchtturm von Bishop Rock. Im selben Jahr installierte Barbier ein Hyperradial auf Tory Island. Es wurden jedoch nur etwa 30 Hyperradiale in Betrieb genommen, bevor die Entwicklung kompakterer heller Lampen solche großen Optiken überflüssig machte (siehe Hyperradiant-Fresnel-Linse).

Die Herstellung von einteiligen dioptrischen Stufenlinsen – in etwa wie von Buffon vorgesehen – wurde 1852 möglich, als John L. Gilliland von der Brooklyn Flint-Glass Company patentierte ein Verfahren zur Herstellung von Linsen aus gepresstem und geformtem Glas. Das Unternehmen stellte kleine Bullaugenlinsen für den Einsatz auf Eisenbahnen, Dampfschiffen und Docks her; solche Linsen waren in den Vereinigten Staaten in den 1870er Jahren weit verbreitet:488 1858 produzierte das Unternehmen „eine sehr kleine Anzahl von gepressten Linsen sechster Ordnung aus Flintglas“ für den Einsatz in Leuchttürmen – die ersten in Amerika hergestellten Fresnel-Linsen für Leuchttürme. In den 1950er Jahren wurde es durch die Substitution von Glas durch Kunststoff wirtschaftlich, Fresnel-Linsen als Kondensoren in Overhead-Projektoren zu verwenden.