VoorlopersEdit
Augustin-Jean Fresnel was niet de eerste die een vuurtorenstraal met behulp van een lens scherp stelde. Die onderscheiding behoort blijkbaar toe aan de Londense glassnijder Thomas Rogers, die het idee in 1788 voorstelde aan Trinity House. De eerste Rogers-lenzen, 53 cm in diameter en 14 cm dik in het midden, werden in 1789 geïnstalleerd bij de Old Lower Lighthouse bij Portland Bill. Achter elke lamp bevond zich een bolvormige glazen spiegel, die de straling van achteren door de lamp en in de lens weerkaatste. Andere exemplaren werden geïnstalleerd bij Howth Baily, North Foreland, en ten minste vier andere locaties tegen 1804. Maar veel van het licht ging verloren door absorptie in het glas.
Nog niet was Fresnel de eerste die voorstelde een bolle lens te vervangen door een reeks concentrische ringvormige prisma’s, om gewicht en absorptie te verminderen. In 1748 stelde graaf Buffon voor dergelijke prisma’s als stappen in een enkel stuk glas te slijpen. In 1790 (hoewel secundaire bronnen 1773:609 of 1788 als datum geven) stelde de Markies de Condorcet voor dat het eenvoudiger zou zijn de ringvormige delen afzonderlijk te maken en ze op een frame te monteren; maar zelfs dat was in die tijd onpraktisch. Deze ontwerpen waren niet bedoeld voor vuurtorens, maar voor brandende glazen:609 David Brewster stelde echter in 1811 een systeem voor dat vergelijkbaar was met dat van Condorcet, en in 1820 pleitte hij voor het gebruik ervan in Britse vuurtorens.
Bijdragen van FresnelEdit
De Franse Commissie des Phares (Commissie van Vuurtorens) werd in 1811 door Napoleon opgericht, en onder het gezag geplaatst van Fresnels werkgever, het Korps Bruggen en Wegen. Aangezien de leden van de Commissie elders bezet waren, bereikte zij in haar eerste jaren weinig. Maar op 21 juni 1819, drie maanden nadat hij de Grote Prijs voor natuurkunde van de Academie van Wetenschappen had gewonnen voor zijn beroemde memoires over diffractie, werd Fresnel op aanbeveling van François Arago (lid sinds 1813) “tijdelijk” bij de Commissie gedetacheerd om mogelijke verbeteringen in de verlichting van vuurtorens te onderzoeken.
Eind augustus 1819, nog niet op de hoogte van het voorstel van Buffon-Condorcet-Brewster, hield Fresnel zijn eerste presentatie voor de Commissie, met een aanbeveling voor wat hij noemde lentilles à échelons (trapsgewijze lenzen) ter vervanging van de toen in gebruik zijnde reflectoren, die slechts ongeveer de helft van het invallende licht weerkaatsten. Tot grote verlegenheid van Fresnel herinnerde een van de verzamelde commissieleden, Jacques Charles, zich Buffons suggestie. Maar terwijl Buffon’s versie biconvex was en uit één stuk bestond, was die van Fresnel planoconvex en gemaakt van meerdere prisma’s om de constructie te vergemakkelijken. Met een officieel budget van 500 francs, benaderde Fresnel drie fabrikanten. De derde, François Soleil, vond een manier om gebreken te verwijderen door het glas opnieuw te verhitten en te vormen. Arago hielp Fresnel bij het ontwerpen van een gewijzigde Argand-lamp met concentrische lonten (een concept dat Fresnel toeschreef aan graaf Rumford), en ontdekte bij toeval dat vislijm hittebestendig was, waardoor het geschikt werd voor gebruik in de lens. Het prototype, dat in maart 1820 klaar was, had een vierkant lenspaneel met zijden van 55 cm en 97 veelhoekige (niet ringvormige) prisma’s – en maakte zoveel indruk op de Commissie dat Fresnel werd gevraagd om een volledige versie met acht panelen. Dit model, dat een jaar later werd voltooid ondanks onvoldoende financiering, had panelen van 76 cm in het vierkant. Tijdens een openbare voorstelling op de avond van 13 april 1821 werd het gedemonstreerd door vergelijking met de meest recente reflectoren, die het plotseling overbodig maakte.
Spoedig na deze demonstratie publiceerde Fresnel het idee dat licht, ook schijnbaar ongepolariseerd licht, uitsluitend bestaat uit transversale golven, en ging hij verder met de implicaties voor dubbele breking en gedeeltelijke reflectie.
Fresnel erkende de Britse lenzen en de uitvinding van Buffon in een memoires voorgelezen op 29 juli 1822 en gedrukt in datzelfde jaar. De datum van die memoires kan de bron zijn van de bewering dat Fresnel’s voorspraak voor vuurtorens twee jaar later begon dan die van Brewster; maar de tekst maakt duidelijk dat Fresnel’s betrokkenheid niet later dan 1819 begon.
Fresnels volgende lens was een roterend apparaat met acht “bull’s-eye” panelen, gemaakt in ringvormige bogen door Saint-Gobain, die acht roterende stralen gaven die door zeelieden als een periodieke flits konden worden waargenomen. Boven en achter elk hoofdpaneel bevond zich een kleiner, schuin geplaatst bull’s-eye-paneel met trapeziumvormige omtrek en trapeziumvormige elementen. Dit brak het licht naar een schuine vlakke spiegel, die het vervolgens horizontaal weerkaatste, 7 graden voor de hoofdstraal, waardoor de duur van de flits werd verlengd. Onder de hoofdpanelen bevonden zich 128 kleine spiegels, gerangschikt in vier ringen, gestapeld als de lamellen van een louvre of een Venetiaanse jaloezie. Elke ring, in de vorm van een kegel, weerkaatste het licht naar de horizon en gaf een vager constant licht tussen de flitsen. De officiële proef, die op 20 augustus 1822 op de onvoltooide Arc de Triomphe werd uitgevoerd, werd door de Commissie – en door Lodewijk XVIII en zijn gevolg – vanaf een afstand van 32 km bijgewoond. Het apparaat werd gedurende de winter opgeslagen in Bordeaux en vervolgens weer in elkaar gezet bij de vuurtoren van Cordouan onder toezicht van Fresnel – gedeeltelijk door Fresnels eigen handen. Op 25 juli 1823 werd ’s werelds eerste vuurtorenlens van Fresnel ontstoken. Zoals verwacht was het licht zichtbaar tot aan de horizon, meer dan 20 mijl ver.
De dag voor de test van de Cordouan-lens in Parijs bracht een commissie van de Academie van Wetenschappen verslag uit over Fresnel’s memoires en supplementen over dubbele breking – die, hoewel minder bekend bij moderne lezers dan zijn eerdere werk over diffractie, een meer beslissende slag toebrachten aan de golftheorie van licht. Tussen de test en de hermontage in Cordouan, diende Fresnel zijn verhandelingen in over foto-elasticiteit (16 september 1822), elliptische en cirkelvormige polarisatie en optische rotatie (9 december), en gedeeltelijke reflectie en totale interne reflectie (7 januari 1823), waarmee hij in wezen zijn reconstructie van de fysische optica op basis van de transversale golfhypothese afrondde. Kort nadat de Cordouan-lens was ontstoken, begon Fresnel bloed op te hoesten.
In mei 1824 werd Fresnel gepromoveerd tot secretaris van de Commission des Phares, waarmee hij het eerste lid van dat orgaan werd dat een salaris ontving, zij het in de gelijktijdige rol van hoofdingenieur. Aan het eind van dat jaar, toen hij steeds zieker werd, beperkte hij zijn fundamenteel onderzoek en nam hij ontslag als examinator aan de École Polytechnique, om zijn resterende tijd en energie te kunnen besteden aan zijn vuurtorenwerk.
In datzelfde jaar ontwierp hij de eerste vaste lens voor het gelijkmatig verspreiden van licht over de horizon met zo min mogelijk verspilling boven of onder. Idealiter zouden de gebogen brekingsoppervlakken bestaan uit segmenten van toroïden om een gemeenschappelijke verticale as, zodat het dioptrische paneel eruit zou zien als een cilindrische trommel. Als dit zou worden aangevuld met reflecterende (catoptrische) ringen boven en onder de brekende (dioptrische) delen, zou het hele apparaat eruitzien als een bijenkorf. De tweede Fresnel-lens die in gebruik werd genomen was inderdaad een vaste lens, van de derde orde, die op 1 februari 1825 te Duinkerken werd geïnstalleerd. Omdat het echter moeilijk was grote toroïdale prisma’s te fabriceren, had dit apparaat een 16-hoekige veelhoekige plattegrond.
In 1825 breidde Fresnel zijn ontwerp met vaste lenzen uit door een roterende matrix toe te voegen buiten de vaste matrix. Elk paneel van de roterende array moest een deel van het vaste licht uit een horizontale waaier breken in een smalle bundel.
Ook in 1825 onthulde Fresnel de Carte des Phares (Vuurtoren Kaart), waarin hij opriep tot een systeem van 51 vuurtorens plus kleinere havenlichten, in een hiërarchie van lensgroottes genaamd “orders” (de eerste is de grootste), met verschillende kenmerken om herkenning te vergemakkelijken: een constant licht (van een vaste lens), één flits per minuut (van een roterende lens met acht panelen), en twee per minuut (zestien panelen).
Om het verlies van licht in de reflecterende elementen te verminderen, stelde Fresnel eind 1825 voor om elke spiegel te vervangen door een catadioptrisch prisma, waardoor het licht zou reizen door breking door het eerste oppervlak, dan totale interne reflectie door het tweede oppervlak, dan breking door het derde oppervlak. Het resultaat was de vuurtorenlens zoals wij die nu kennen. In 1826 bouwde hij een klein model voor gebruik op het Canal Saint-Martin, maar een versie op ware grootte heeft hij niet meer mogen meemaken: hij stierf op 14 juli 1827, 39 jaar oud.
Na FresnelEdit
De eerste fase van de ontwikkeling van vuurtorenlenzen na de dood van Augustin Fresnel bestond uit de uitvoering van zijn ontwerpen. Dit werd mede mogelijk gemaakt door zijn jongere broer Léonor, die evenals Augustin was opgeleid als civiel ingenieur, maar in tegenstelling tot Augustin een sterke aanleg had voor management. Léonor trad in 1825 in dienst van de vuurtorencommissie en volgde Augustin op als secretaris.
De eerste vaste lens met toroïdale prisma’s was een apparaat van de eerste orde, ontworpen door de Schotse ingenieur Alan Stevenson onder leiding van Léonor Fresnel, en vervaardigd door Isaac Cookson & Co. met Frans glas; het kwam op 22 september 1836 in dienst op het eiland May in Schotland. De eerste grote catadioptrische lenzen werden in 1842 gemaakt voor de vuurtorens van Gravelines en Île Vierge, Frankrijk; dit waren vaste lenzen van de derde orde waarvan de catadioptrische ringen (gemaakt in segmenten) een diameter hadden van een meter. Stevenson’s eerste-orde Skerryvore lens, ontstoken in 1844, was slechts gedeeltelijk catadioptrisch; het was vergelijkbaar met de Cordouan lens behalve dat de onderste lamellen waren vervangen door catadioptrische prisma’s van Franse makelij, terwijl de spiegels aan de bovenkant waren gehandhaafd. De eerste volledig catadioptrische lens van de eerste orde, die in 1852 in Pointe d’Ailly werd geïnstalleerd, gaf ook acht roterende lichtbundels plus een vast licht aan de onderkant; maar het bovenste gedeelte had acht catadioptrische panelen die het licht ongeveer 4 graden vóór de hoofdbundels richtten, om de flitsen te verlengen. De eerste volledig catadioptrische lens met zuiver draaiende lichtbundels – ook van de eerste orde – werd in 1854 geïnstalleerd in Saint-Clément-des-Baleines, en markeerde de voltooiing van de oorspronkelijke Carte des Phares van Augustin Fresnel.
Thomas Stevenson (jongere broer van Alan) ging een stap verder dan Fresnel met zijn “holophotal” lens, die het licht dat door de lamp werd uitgestraald in bijna alle richtingen, naar voren of naar achteren, in één enkele lichtbundel bundelde. De eerste versie, die in 1849 werd beschreven, bestond uit een standaard Fresnel-ooglens, een parabolische reflector en een hemisferische achterreflector (functioneel gelijk aan de Rogers-spiegel van 60 jaar eerder, behalve dat deze een hele hemisfeer besloeg). Licht dat naar de voorste hemisfeer werd gestraald maar de oogbollens miste, werd door de paraboloïde afgebogen tot een parallelle straal rond de oogbollens, terwijl licht dat naar de achterste hemisfeer werd gestraald, door de bolvormige reflector door de lamp werd teruggekaatst (zoals in Rogers’ opstelling), om door de voorste componenten te worden opgevangen. Het eerste apparaat werd in augustus 1849 in North Harbour, Peterhead, geïnstalleerd. Stevenson noemde deze versie een “catadioptrische holofoot”, hoewel elk van de elementen ofwel zuiver reflecterend ofwel zuiver refracterend was. In de tweede versie van het holofotoconcept werden de bull’s-eye lens en de parabololoïde reflector vervangen door een catadioptrische Fresnel-lens – zoals ontworpen door Fresnel, maar uitgebreid om de hele voorste hemisfeer te bestrijken. De derde versie, die Stevenson verwarrend genoeg een “dioptrische holofoot” noemde, was innovatiever: de catadioptrische Fresnel-lens bleef behouden voor de voorste hemisfeer, maar de achterste hemisferische reflector werd vervangen door een hemisferische reeks ringvormige prisma’s, die elk twee totale interne reflecties gebruikten om het licht dat uit het midden van de hemisfeer naar het midden terugkeek, om te buigen. Het resultaat was een holofota van volledig glas, zonder verliezen door metaalreflecties.
James Timmins Chance wijzigde het holofota-ontwerp van volledig glas van Thomas Stevenson door de dubbelreflecterende prisma’s rond een verticale as te plaatsen. Het prototype werd getoond op de Internationale Tentoonstelling van 1862 in Londen. Later verdeelde Chance, om de fabricage te vergemakkelijken, de prisma’s in segmenten en schikte ze in een cilindrische vorm, terwijl hij de eigenschap behield het licht van één punt naar dat punt terug te kaatsen. Reflectoren van deze vorm, paradoxaal genoeg “dioptrische spiegels” genoemd, bleken bijzonder nuttig voor het terugzenden van licht van de landzijde van de lamp naar de zeekant.
Naarmate het aantal vuurtorens toenam, werden ze moeilijker van elkaar te onderscheiden, wat leidde tot het gebruik van gekleurde filters, die licht verspilden. In 1884 maakte John Hopkinson een einde aan de noodzaak van filters door de uitvinding van de “groep-flitsende” lens, waarbij de dioptrische en/of de catadioptrische panelen werden gesplitst om meerdere flitsen te geven – waardoor vuurtorens niet alleen konden worden geïdentificeerd aan de hand van de frequentie van de flitsen, maar ook aan de hand van de veelheid van flitsen. In Tampico (Mexico) en Little Basses (Sri Lanka) werden in 1875 dubbelflitsende lenzen geïnstalleerd en in Casquets Lighthouse (Kanaaleilanden) in 1876 een drievoudig flitsender lens. Het afgebeelde voorbeeld (rechts) is de dubbelflitsende lens van de Point Arena Light, die van 1908 tot 1977 in gebruik was.
De ontwikkeling van hyperradiale lenzen werd gedeeltelijk ingegeven door de behoefte aan grotere lichtbronnen, zoals gaslantaarns met meerdere stralen, die voor een gegeven bundelbreedte een langere brandpuntsafstand nodig hadden, en dus een grotere lens om een gegeven fractie van het opgewekte licht op te vangen. De eerste hyperradiale lens werd in 1885 voor de Stevensons gebouwd door F. Barbier & Cie uit Frankrijk, en getest bij de vuurtoren van South Foreland met verschillende lichtbronnen. Chance Brothers (Hopkinson’s werkgevers) begonnen vervolgens met de bouw van hyperradialen en installeerden hun eerste bij Bishop Rock Lighthouse in 1887. In datzelfde jaar installeerde Barbier een hyperradiaal bij Tory Island. Maar slechts ongeveer 30 hyperradialen werden in gebruik genomen voordat de ontwikkeling van compactere heldere lampen zulke grote optieken overbodig maakte (zie Hyperradiant Fresnel lens).
De productie van getrapte dioptrische lenzen uit één stuk – ongeveer zoals Buffon voor ogen had – werd haalbaar in 1852, toen John L. Gilliland van de Brooklyn Flint-Glass Company patenteerde een methode om lenzen te maken van geperst en gegoten glas. Het bedrijf maakte kleine bull’s-eye lenzen voor gebruik op spoorwegen, stoomboten en dokken; dergelijke lenzen waren in de jaren 1870 heel gewoon in de Verenigde Staten.:488 In 1858 produceerde het bedrijf “een zeer klein aantal geperste flint-glass lenzen van de zesde orde” voor gebruik in vuurtorens – de eerste Fresnel vuurtorenlenzen die in Amerika werden gemaakt. Tegen de jaren 1950 werd het door de vervanging van glas door plastic economisch om Fresnel-lenzen te gebruiken als condensatoren in overheadprojectoren.