ForerunnersEdit
Augustin-Jean Fresnel não foi a primeira pessoa a focar um feixe de luz usando uma lente. Essa distinção aparentemente pertence ao cortador de vidro londrino Thomas Rogers, que propôs a ideia à Trinity House em 1788. As primeiras lentes Rogers, de 53 cm de diâmetro e 14 cm de espessura no centro, foram instaladas no Old Lower Lighthouse em Portland Bill, em 1789. Atrás de cada lâmpada havia um espelho de vidro esférico com revestimento posterior, que refletia a radiação traseira de volta através da lâmpada e para dentro da lente. Outras amostras foram instaladas em Howth Baily, North Foreland, e pelo menos quatro outros locais até 1804. Mas grande parte da luz foi desperdiçada pela absorção no vidro.
Nor foi Fresnel o primeiro a sugerir a substituição de uma lente convexa por uma série de prismas anulares concêntricos, para reduzir o peso e a absorção. Em 1748, Count Buffon propôs moer tais prismas como passos em um único pedaço de vidro. Em 1790 (embora fontes secundárias dêem a data como 1773:609 ou 1788), o Marquês de Condorcet sugeriu que seria mais fácil fazer as seções anulares separadamente e montá-las em uma moldura; mas mesmo isso era impraticável na época. Estes desenhos não se destinavam aos faróis, mas aos óculos queimados.:609 David Brewster, contudo, propôs um sistema semelhante ao de Condorcet em 1811, e em 1820 defendia o seu uso em faróis britânicos.
As contribuições de FresnelEdit
A Comissão Francesa de Faróis foi criada por Napoleão em 1811, e colocada sob a autoridade do empregador de Fresnel, o Corpo de Pontes e Estradas. Como os membros da Comissão estavam ocupados de outra forma, pouco se conseguiu nos seus primeiros anos. Mas em 21 de junho de 1819 – três meses depois de ganhar o Grande Prêmio de Física da Academia de Ciências por seu célebre livro de memórias sobre difração-Fresnel foi “temporariamente” destacado para a Comissão por recomendação de François Arago (membro desde 1813), para rever possíveis melhorias na iluminação do farol.
No final de agosto de 1819, desconhecendo a proposta do Buffon-Condorcet-Brewster, Fresnel fez sua primeira apresentação à Comissão, recomendando o que ele chamou de lentilles à échelons (lentes por passos) para substituir os refletores então em uso, que refletiam apenas cerca da metade da luz incidente. Muito ao embaraço de Fresnel, um dos comissários reunidos, Jacques Charles, lembrou a sugestão de Buffon. Entretanto, enquanto a versão de Buffon era biconvexa e numa só peça, a de Fresnel era plano-convexa e feita de múltiplos prismas para facilitar a construção. Com um orçamento oficial de 500 francos, Fresnel aproximou-se de três fabricantes. O terceiro, François Soleil, encontrou uma maneira de remover defeitos, reaquecendo e redobrando o vidro. Arago ajudou Fresnel com o design de uma lâmpada Argand modificada com pavios concêntricos (conceito que Fresnel atribuiu ao Conde Rumford ), e descobriu acidentalmente que a cola de peixe era resistente ao calor, tornando-a adequada para utilização na lente. O protótipo, terminado em março de 1820, tinha um painel de lentes quadradas de 55 cm de lado, contendo 97 prismas poligonais (não anulares) – e impressionou tanto a Comissão que Fresnel foi solicitado uma versão completa de oito painéis. Este modelo, terminado um ano depois, apesar do financiamento insuficiente, tinha painéis de 76 cm quadrados. Num espectáculo público na noite de 13 de Abril de 1821, foi demonstrado por comparação com os reflectores mais recentes, o que de repente tornou obsoletos.
Após esta demonstração, Fresnel publicou a ideia de que a luz, incluindo a luz aparentemente não polarizada, consiste exclusivamente em ondas transversais, e passou a considerar as implicações para a dupla refração e reflexão parcial.
Fresnel reconheceu as lentes britânicas e a invenção de Buffon em um livro de memórias lido em 29 de julho de 1822 e impresso no mesmo ano. A data dessa memória pode ser a fonte da afirmação de que a defesa do farol de Fresnel começou dois anos depois da de Brewster; mas o texto deixa claro que o envolvimento de Fresnel começou o mais tardar em 1819.
Fresnel’s next lens was a rotating apparatus with eight “bull’s-eye” panels, made in annular arcs by Saint-Gobain, giving eight rotating beams-to be seen by mariners as a periodic flash. Acima e atrás de cada painel principal havia um painel menor, inclinado, de contorno trapezoidal, com elementos trapezoidais. Isto refractou a luz para um espelho plano inclinado, que depois a reflectiu horizontalmente, 7 graus à frente do feixe principal, aumentando a duração do flash. Abaixo dos painéis principais estavam 128 pequenos espelhos dispostos em quatro anéis, empilhados como as lâminas de uma persiana ou de uma persiana veneziana. Cada anel, em forma de frustração de um cone, refletia a luz para o horizonte, dando uma luz mais fraca e constante entre os flashes. O teste oficial, realizado no Arco do Triunfo inacabado em 20 de agosto de 1822, foi testemunhado pela Comissão – e por Luís XVIII e sua comitiva – a 20 milhas (32 km) de distância. O aparelho foi armazenado em Bordeaux para o inverno, e depois remontado no Farol de Cordouan sob a supervisão de Fresnel – em parte pelas próprias mãos de Fresnel. Em 25 de julho de 1823, o primeiro farol do mundo, a lente Fresnel foi acesa. Como esperado, a luz era visível ao horizonte, a mais de 20 milhas de distância.
No dia anterior ao teste da lente de Cordouan em Paris, um comitê da Academia das Ciências relatou as memórias de Fresnel e suplementos sobre refração dupla – que, embora menos conhecido pelos leitores modernos do que o seu trabalho anterior sobre difração, deu um golpe mais decisivo para a teoria da onda da luz. Entre o teste e a remontagem em Cordouan, Fresnel apresentou seus trabalhos sobre fotoelasticidade (16 de setembro de 1822), polarização elíptica e circular e rotação óptica (9 de dezembro), e reflexão parcial e reflexão interna total (7 de janeiro de 1823), completando essencialmente sua reconstrução da óptica física sobre a hipótese de ondas transversais. Pouco depois da lente Cordouan ser acesa, Fresnel começou a tossir sangue.
Em maio de 1824, Fresnel foi promovido a Secretário da Comissão de Tarifas, tornando-se o primeiro membro daquele órgão a receber um salário, embora no papel simultâneo de Engenheiro Chefe. No final desse ano, estando cada vez mais doente, ele encurtou suas pesquisas fundamentais e renunciou ao seu trabalho sazonal como examinador na École Polytechnique, a fim de economizar seu tempo e energia restantes para seu trabalho no farol.
No mesmo ano, ele projetou a primeira lente fixa para espalhar a luz uniformemente ao redor do horizonte, minimizando o desperdício acima ou abaixo. O ideal seria que as superfícies curvas refratárias fossem segmentos de toroides em torno de um eixo vertical comum, para que o painel dióptrico parecesse um tambor cilíndrico. Se isto fosse complementado por anéis reflectores (catóptricos) acima e abaixo das partes refractárias (dióptricas), todo o aparelho teria a aparência de uma colmeia. A segunda lente Fresnel a entrar em serviço era de facto uma lente fixa, de terceira ordem, instalada em Dunquerque a 1 de Fevereiro de 1825. Contudo, devido à dificuldade de fabricar grandes prismas toroidais, este aparelho tinha um plano poligonal de 16 lados.
Em 1825 Fresnel estendeu o seu desenho de lente fixa, adicionando uma matriz rotativa fora da matriz fixa. Cada painel da matriz rotativa devia refratar parte da luz fixa de um ventilador horizontal para um feixe estreito.
Em 1825, Fresnel revelou a Carte des Phares (Mapa do Farol), pedindo um sistema de 51 faróis mais faróis menores, numa hierarquia de tamanhos de lentes chamadas “ordens” (sendo o primeiro o maior), com características diferentes para facilitar o reconhecimento: uma luz constante (de uma lente fixa), um flash por minuto (de uma lente rotativa com oito painéis), e dois por minuto (dezesseis painéis).
No final de 1825, para reduzir a perda de luz nos elementos reflectores, Fresnel propôs substituir cada espelho por um prisma catadióptrico, através do qual a luz viajaria por refracção através da primeira superfície, depois reflexão interna total fora da segunda superfície, depois refracção através da terceira superfície. O resultado foi a lente do farol como a conhecemos agora. Em 1826 ele montou um pequeno modelo para uso no Canal Saint-Martin, mas não viveu para ver uma versão em tamanho real: morreu em 14 de julho de 1827, com a idade de 39,
Depois de FresnelEdit
A primeira etapa do desenvolvimento das lentes do farol após a morte de Augustin Fresnel consistiu na implementação de seus desenhos. Esta foi impulsionada em parte pelo seu irmão mais novo Léonor – que, como Augustin, foi formado como engenheiro civil mas, ao contrário de Augustin, tinha uma forte aptidão para a gestão. Léonor entrou ao serviço da Comissão do Farol em 1825, e continuou a suceder a Augustin como Secretário.
A primeira lente fixa a ser construída com prismas toroidais foi um aparelho de primeira ordem concebido pelo engenheiro escocês Alan Stevenson sob a orientação de Léonor Fresnel, e fabricado por Isaac Cookson & Co. com vidro francês; entrou em serviço na Ilha de Maio, Escócia, a 22 de Setembro de 1836. As primeiras grandes lentes catadióptricas foram feitas em 1842 para os faróis de Gravelines e Île Vierge, França; estas eram lentes fixas de terceira ordem cujos anéis catadióptricos (feitos em segmentos) tinham um metro de diâmetro. A lente Skerryvore de primeira ordem de Stevenson, iluminada em 1844, era apenas parcialmente catadióptrica; era semelhante à lente Cordouan, excepto que as lâminas inferiores foram substituídas por prismas catadióptricos de fabrico francês, enquanto que os espelhos eram retidos na parte superior. A primeira lente totalmente catadióptrica de primeira ordem, instalada na Pointe d’Ailly em 1852, também deu oito feixes rotativos mais uma luz fixa na parte inferior; mas a sua secção superior tinha oito painéis catadióptricos focando a luz cerca de 4 graus à frente dos feixes principais, a fim de alongar os flashes. A primeira lente totalmente catadióptrica com feixes puramente giratórios – também de primeira ordem – foi instalada em Saint-Clément-des-Baleines em 1854, e marcou a conclusão da Carte des Phares original de Augustin Fresnel.
Thomas Stevenson (irmão mais novo de Alan) foi um passo além de Fresnel com sua lente “holofotal”, que focava a luz irradiada pela lâmpada em quase todas as direções, para frente ou para trás, em um único feixe. A primeira versão, descrita em 1849, consistia de uma lente padrão Fresnel em olho de touro, um refletor parabolóide e um refletor hemisférico traseiro (funcionalmente equivalente ao espelho Rogers de 60 anos antes, exceto que ele subtendia todo um hemisfério). A luz irradiada para o hemisfério dianteiro, mas sem a lente em olho de touro, foi desviada pelo parabolóide para um feixe paralelo ao redor da lente em olho de touro, enquanto a luz irradiada para o hemisfério traseiro foi refletida para trás através da lâmpada pelo refletor esférico (como na disposição de Rogers), para ser coletada pelos componentes dianteiros. A primeira unidade foi instalada no North Harbour, Peterhead, em agosto de 1849. Stevenson chamou esta versão de “holofote catadióptrico”, embora cada um dos seus elementos fosse puramente reflexivo ou puramente refrativo. Na segunda versão do conceito holófobo, a lente de olho de touro e o refletor parabolóide foram substituídos por uma lente catadióptrica Fresnel – como concebida por Fresnel, mas expandida para cobrir todo o hemisfério dianteiro. A terceira versão, que Stevenson chamou confusamente de “holófito dióptrico”, foi mais inovadora: manteve a lente catadióptrica Fresnel para o hemisfério frontal, mas substituiu o refletor hemisférico posterior por um conjunto hemisférico de prismas anulares, cada um dos quais utilizou dois reflexos internos totais para fazer a luz divergir do centro do hemisfério de volta para o centro. O resultado foi um holófito totalmente em vidro, sem perdas de reflexos metálicos.
James Timmins Chance modificou o desenho holofotal totalmente em vidro de Thomas Stevenson, organizando os prismas duplo-reflectores em torno de um eixo vertical. O protótipo foi mostrado na Exposição Internacional de 1862 em Londres. Mais tarde, para facilitar a fabricação, Chance dividiu os prismas em segmentos, e os organizou em forma cilíndrica, mantendo a propriedade de refletir a luz de um único ponto de volta a esse ponto. Reflectores desta forma, paradoxalmente chamados “espelhos dióptricos”, revelaram-se particularmente úteis para devolver a luz do lado de terra da lâmpada ao lado do mar.
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À medida que os faróis proliferavam, tornavam-se mais difíceis de distinguir um do outro, levando ao uso de filtros coloridos, que desperdiçavam luz. Em 1884, John Hopkinson eliminou a necessidade de filtros, inventando a lente “group-flashing”, na qual os painéis dióptricos e/ou catadióptricos eram divididos de forma a dar múltiplos flashes – permitindo que os faróis fossem identificados não só pela frequência dos flashes, mas também pela multiplicidade de flashes. Em Tampico (México) e Little Basses (Sri Lanka), em 1875, foram instaladas lentes com duplo flash, e em Casquets Lighthouse (Ilhas do Canal), em 1876, uma lente com triplo flash. O exemplo mostrado (à direita) é a lente double-flashing da Point Arena Light, que esteve em serviço de 1908 a 1977.
O desenvolvimento de lentes hiper-radiais foi impulsionado em parte pela necessidade de fontes de luz maiores, tais como luzes de gás com vários jatos, que exigiam uma distância focal maior para uma determinada largura de feixe, daí uma lente maior para coletar uma determinada fração da luz gerada. A primeira lente hiper-radial foi construída para os Stevensons em 1885 por F. Barbier & Cie da França, e testada no Farol South Foreland Lighthouse com várias fontes de luz. Os Irmãos Chance (empregadores de Hopkinson) começaram então a construir hiper-radiais, instalando a primeira no farol de Bishop Rock Lighthouse em 1887. No mesmo ano, Barbier instalou um hiper-radial na Ilha Tory. Mas apenas cerca de 30 hiper-radiais entraram em serviço antes que o desenvolvimento de lâmpadas mais compactas e brilhantes tornasse desnecessária uma óptica tão grande (ver lentes Hyperradiant Fresnel).
Produção de lentes dióptricas escalonadas de uma só peça – como previsto por Buffon – viável em 1852, quando John L. Gilliland of the Brooklyn Flint-Glass Company patenteou um método de fabricação de lentes de vidro prensado e moldado. A empresa fabricou pequenas lentes de vidro plano para uso em ferrovias, barcos a vapor e docas; tais lentes eram comuns nos Estados Unidos na década de 1870:488 Em 1858, a empresa produziu “um número muito pequeno de lentes prensadas de vidro plano de sexta ordem” para uso em faróis – as primeiras lentes de Fresnel fabricadas nos Estados Unidos. Na década de 1950, a substituição do plástico pelo vidro tornou econômico o uso de lentes Fresnel como condensadores em projetores aéreos.