Soczewka Fresnela

ForerunnersEdit

Augustin-Jean Fresnel nie był pierwszą osobą, która skupiła wiązkę światła latarni morskiej za pomocą soczewki. To wyróżnienie najwyraźniej należy do londyńskiego szklarza Thomasa Rogersa, który zaproponował ten pomysł w Trinity House w 1788 roku. Pierwsze soczewki Rogersa, o średnicy 53 cm i grubości 14 cm w środku, zostały zainstalowane w Old Lower Lighthouse w Portland Bill w 1789 roku. Za każdą lampą znajdowało się powlekane od tyłu lustro sferyczne, które odbijało promieniowanie tylne z powrotem przez lampę i do soczewki. Kolejne próbki zainstalowano w Howth Baily, North Foreland i co najmniej czterech innych miejscach do 1804 roku. Jednak duża część światła została zmarnowana przez absorpcję w szkle.

Fresnel nie był pierwszym, który zasugerował zastąpienie wypukłej soczewki serią koncentrycznych pierścieniowych pryzmatów, aby zmniejszyć wagę i absorpcję. W 1748 roku hrabia Buffon zaproponował szlifowanie takich pryzmatów jako stopni w pojedynczym kawałku szkła. W 1790 roku (choć źródła wtórne podają datę 1773:609 lub 1788) markiz de Condorcet zasugerował, że łatwiej byłoby wykonać sekcje pierścieniowe osobno i zamontować je na ramie; ale nawet to było wówczas niepraktyczne. Te projekty nie były przeznaczone dla latarni morskich, lecz dla płonących okularów.:609 David Brewster zaproponował jednak w 1811 roku system podobny do Condorceta, a w 1820 roku był zwolennikiem jego zastosowania w brytyjskich latarniach morskich.

Wkład FresnelaEdit

Francuska Commission des Phares (Komisja Latarni Morskich) została utworzona przez Napoleona w 1811 roku i podlegała pracodawcy Fresnela, Korpusowi Mostów i Dróg. Ponieważ członkowie Komisji byli zajęci innymi sprawami, w pierwszych latach jej istnienia osiągnęła ona niewiele. Ale 21 czerwca 1819 roku – trzy miesiące po zdobyciu Grand Prix Akademii Nauk w dziedzinie fizyki za słynny pamiętnik o dyfrakcji – Fresnel został „tymczasowo” oddelegowany do Komisji na polecenie François Arago (członka od 1813 roku), aby dokonać przeglądu możliwych ulepszeń w oświetleniu latarni morskich.

Niedługo po tej demonstracji Fresnel opublikował pomysł, że światło, w tym światło pozornie niespolaryzowane, składa się wyłącznie z fal poprzecznych, a następnie rozważył implikacje podwójnego załamania i częściowego odbicia.

Fresnel uznał brytyjskie soczewki i wynalazek Buffona we wspomnieniu odczytanym 29 lipca 1822 roku i wydrukowanym w tym samym roku. Data tego wspomnienia może być źródłem twierdzenia, że działalność Fresnela na rzecz latarni morskich rozpoczęła się dwa lata później niż działalność Brewstera; jednak z tekstu jasno wynika, że zaangażowanie Fresnela rozpoczęło się nie później niż w 1819 r.

Przekrój soczewki latarni morskiej pierwszej generacji Fresnela, z pochyłymi zwierciadłami m, n powyżej i poniżej panelu refrakcyjnego RC (z centralnym segmentem A). Konstrukcja została później ulepszona przez zastąpienie zwierciadeł pryzmatami odbijającymi, aby zmniejszyć straty. Jeśli przekrój poprzeczny w każdej płaszczyźnie pionowej przechodzącej przez lampę L jest taki sam (symetria cylindryczna), światło rozchodzi się równomiernie wokół horyzontu.

Kolejną soczewką Fresnela był obrotowy aparat z ośmioma „byczymi” panelami, wykonanymi w pierścieniowych łukach przez firmę Saint-Gobain, dającymi osiem obracających się wiązek – widzianych przez marynarzy jako okresowy błysk. Nad i za każdym głównym panelem znajdował się mniejszy, pochylony panel „bull’s-eye” o trapezowym zarysie z trapezowymi elementami. Załamywał on światło na pochyłym zwierciadle płaskim, które następnie odbijało je poziomo, 7 stopni przed główną wiązką, wydłużając czas trwania błysku. Poniżej głównych paneli znajdowało się 128 małych lusterek ułożonych w czterech pierścieniach, ułożonych jak listwy żaluzji lub weneckich rolet. Każdy pierścień, o kształcie zbliżonym do wycinka stożka, odbijał światło w kierunku horyzontu, dając słabsze, stałe światło pomiędzy błyskami. Oficjalny test, przeprowadzony na niedokończonym Łuku Triumfalnym 20 sierpnia 1822 roku, był obserwowany przez Komisję – oraz przez Ludwika XVIII i jego otoczenie – z odległości 20 mil (32 km). Aparat był przechowywany przez zimę w Bordeaux, a następnie ponownie zmontowany w latarni morskiej Cordouan pod nadzorem Fresnela – częściowo jego własnymi rękami. 25 lipca 1823 roku zapaliła się pierwsza na świecie soczewka Fresnela w latarni morskiej. Zgodnie z oczekiwaniami światło było widoczne aż po horyzont, ponad 20 mil stąd.

Na dzień przed testem soczewki Cordouan w Paryżu komitet Akademii Nauk przedstawił sprawozdanie na temat pamiętnika i uzupełnień Fresnela dotyczących podwójnego załamania światła – które, choć mniej znane współczesnym czytelnikom niż jego wcześniejsza praca na temat dyfrakcji, zadały bardziej decydujący cios falowej teorii światła. Między próbą a ponownym montażem w Cordouan Fresnel przedstawił prace na temat fotoelastyczności (16 września 1822), polaryzacji eliptycznej i kołowej oraz rotacji optycznej (9 grudnia), a także częściowego odbicia i całkowitego wewnętrznego odbicia (7 stycznia 1823), kończąc w zasadzie swoją rekonstrukcję optyki fizycznej na hipotezie fal poprzecznych. Wkrótce po zapaleniu soczewki Cordouan Fresnel zaczął kaszleć krwią.

W maju 1824 roku Fresnel został awansowany na sekretarza Commission des Phares, stając się pierwszym członkiem tego organu pobierającym pensję, choć jednocześnie pełnił funkcję inżyniera naczelnego. Pod koniec tego samego roku, będąc coraz bardziej chorym, ograniczył swoje badania podstawowe i zrezygnował z sezonowej pracy jako egzaminator w École Polytechnique, aby zaoszczędzić pozostały czas i energię na pracę przy latarniach morskich.

W tym samym roku zaprojektował pierwszą stałą soczewkę do równomiernego rozprzestrzeniania światła wokół horyzontu, minimalizując straty powyżej lub poniżej. W idealnym przypadku zakrzywione powierzchnie załamujące byłyby segmentami toroidów wokół wspólnej osi pionowej, tak że panel dioptryczny wyglądałby jak cylindryczny bęben. Gdyby uzupełnić to o pierścienie odbijające (katoptryczne) nad i pod częściami załamującymi (dioptrycznymi), cały aparat wyglądałby jak ul pszczeli. Drugą soczewką Fresnela, która weszła do użytku, była rzeczywiście soczewka stała trzeciego rzędu, zainstalowana w Dunkierce do 1 lutego 1825 roku. Jednak ze względu na trudności z produkcją dużych pryzmatów toroidalnych aparat ten miał plan 16-bocznego wielokąta.

W 1825 roku Fresnel rozszerzył swój projekt obiektywu stałego, dodając do niego układ obrotowy poza układem stałym. Każdy panel obracającego się układu miał załamywać część stałego światła z poziomego wachlarza w wąską wiązkę.

Również w 1825 roku Fresnel przedstawił Carte des Phares (Mapę Latarni Morskich), postulując system 51 latarni plus mniejszych świateł portowych, w hierarchii wielkości soczewek zwanych „rzędami” (pierwsza była największa), o różnych charakterystykach ułatwiających rozpoznanie: światło stałe (z soczewki stałej), jeden błysk na minutę (z soczewki obrotowej z ośmioma panelami) i dwa na minutę (szesnaście paneli).

Pod koniec 1825 roku, aby zmniejszyć straty światła w elementach odbijających, Fresnel zaproponował zastąpienie każdego lustra pryzmatem katadioptrycznym, przez który światło przechodziłoby przez załamanie przez pierwszą powierzchnię, następnie całkowite wewnętrzne odbicie od drugiej powierzchni, a potem załamanie przez trzecią powierzchnię. W ten sposób powstała soczewka latarni morskiej, jaką znamy obecnie. W 1826 roku zmontował mały model do użytku na Kanale Saint-Martin, ale nie doczekał się pełnowymiarowej wersji: zmarł 14 lipca 1827 roku w wieku 39 lat.

Po FresneluEdit

Pierwszy etap rozwoju soczewek latarni morskich po śmierci Augustina Fresnela polegał na wdrożeniu jego projektów. Przyczynił się do tego częściowo jego młodszy brat Léonor, który, podobnie jak Augustin, był wykształcony jako inżynier budownictwa, ale w przeciwieństwie do Augustina miał duże predyspozycje do zarządzania. Léonor rozpoczął pracę w Komisji Latarni Morskich w 1825 roku i został następcą Augustina na stanowisku sekretarza.

Pierwszą stałą soczewką skonstruowaną z pryzmatów toroidalnych był aparat pierwszego rzędu zaprojektowany przez szkockiego inżyniera Alana Stevensona pod kierunkiem Léonora Fresnela i wykonany przez firmę Isaac Cookson & Co. przy użyciu szkła francuskiego; wszedł on do użytku na wyspie May w Szkocji 22 września 1836 roku. Pierwsze duże soczewki katadioptryczne zostały wykonane w 1842 r. dla latarni morskich w Gravelines i Île Vierge we Francji; były to stałe soczewki trzeciego rzędu, których pierścienie katadioptryczne (wykonane w segmentach) miały średnicę jednego metra. Soczewka Skerryvore pierwszego rzędu firmy Stevenson, zapalona w 1844 roku, była tylko częściowo katadioptryczna; była podobna do soczewki Cordouan, z tą różnicą, że dolne listwy zastąpiono wyprodukowanymi we Francji pryzmatami katadioptrycznymi, a na górze zachowano lustra. Pierwsza w pełni katadioptryczna soczewka pierwszego rzędu, zainstalowana w Pointe d’Ailly w 1852 roku, również dawała osiem obracających się wiązek i stałe światło na dole; jednak w jej górnej części znajdowało się osiem paneli katadioptrycznych skupiających światło o około 4 stopnie przed głównymi wiązkami, co miało na celu wydłużenie błysków. Pierwsza w pełni katadioptryczna soczewka z czysto obrotowymi wiązkami – również pierwszego rzędu – została zainstalowana w Saint-Clément-des-Baleines w 1854 roku i stanowiła zakończenie oryginalnego projektu Carte des Phares Augustina Fresnela.

Thomas Stevenson (młodszy brat Alana) poszedł o krok dalej niż Fresnel ze swoją soczewką „holofotyczną”, która skupiała światło emitowane przez lampę w niemal wszystkich kierunkach, do przodu i do tyłu, w jedną wiązkę. Pierwsza wersja, opisana w 1849 roku, składała się ze standardowej soczewki Fresnela, paraboloidalnego odbłyśnika i tylnego odbłyśnika półkulistego (funkcjonalnie odpowiadającego lustru Rogersa sprzed 60 lat, z tą różnicą, że obejmował on całą półkulę). Światło promieniowane do przedniej półkuli, ale omijające soczewkę bull’s-eye, było odchylane przez paraboloidę w równoległą wiązkę otaczającą soczewkę bull’s-eye, podczas gdy światło promieniowane do tylnej półkuli było odbijane z powrotem przez lampę przez odbłyśnik sferyczny (jak w układzie Rogersa), aby zostać zebrane przez elementy przednie. Pierwszy egzemplarz został zainstalowany w North Harbour, Peterhead, w sierpniu 1849 roku. Stevenson nazwał tę wersję „holofotą katadioptryczną”, choć każdy z jej elementów był albo czysto refleksyjny, albo czysto refrakcyjny. W drugiej wersji koncepcji holofotu soczewka „bull’s eye” i paraboloidalny reflektor zostały zastąpione przez katadioptryczną soczewkę Fresnela – tak jak to wymyślił Fresnel, ale rozszerzoną tak, by obejmowała całą przednią półkulę. Trzecia wersja, którą Stevenson mylnie nazwał „holofotą dioptryczną”, była bardziej innowacyjna: zachowała katadioptryczną soczewkę Fresnela dla przedniej półkuli, ale zastąpiła tylny półkulisty reflektor półkulistym układem pierścieniowych pryzmatów, z których każdy wykorzystywał dwa całkowite wewnętrzne odbicia, aby skierować światło odbiegające od środka półkuli z powrotem w kierunku centrum. Rezultatem była całkowicie szklana holofota, bez strat wynikających z odbić metalicznych.

James Timmins Chance zmodyfikował projekt całkowicie szklanej holofoty Thomasa Stevensona, układając podwójnie odbijające pryzmaty wokół osi pionowej. Prototyp został pokazany na Międzynarodowej Wystawie w Londynie w 1862 roku. Później, aby ułatwić produkcję, Chance podzielił pryzmaty na segmenty i ułożył je w formę cylindryczną, zachowując właściwość odbijania światła z jednego punktu z powrotem do tego punktu. Odbłyśniki o takiej formie, paradoksalnie nazywane „zwierciadłami dioptrycznymi”, okazały się szczególnie przydatne do zwracania światła z lądowej strony lampy na stronę morską.

Soczewka Fresnela z migotaniem grupowym pierwszego rzędu, eksponowana w Muzeum Latarni Morskiej Point Arena, latarnia morska Point Arena, hrabstwo Mendocino, Kalifornia. Trzy panele dioptryczne (wewnątrz mosiężnych pierścieni) i trzy panele katadioptryczne (na zewnątrz) są częściowo podzielone na dwie części, co daje trzy podwójne błyski na obrót.

W miarę jak mnożyły się latarnie morskie, coraz trudniej było je od siebie odróżnić, co doprowadziło do stosowania kolorowych filtrów, które marnowały światło. W 1884 roku John Hopkinson wyeliminował potrzebę stosowania filtrów, wymyślając soczewkę „grupowo migającą”, w której panele dioptryczne i/lub katadioptryczne zostały podzielone tak, aby dawały wiele błysków – umożliwiając identyfikację latarni morskich nie tylko na podstawie częstotliwości błysków, ale także ich mnogości. Soczewki podwójnie błyskające zainstalowano w Tampico (Meksyk) i Little Basses (Sri Lanka) w 1875 roku, a soczewkę potrójnie błyskającą w latarni Casquets (Wyspy Normandzkie) w 1876 roku. Przedstawiony przykład (po prawej) to soczewka podwójnie migająca w latarni morskiej Point Arena, która była używana w latach 1908-1977.

Rozwój soczewek hiperpromienistych był częściowo spowodowany potrzebą zastosowania większych źródeł światła, takich jak latarnie gazowe z wieloma strumieniami, które wymagały dłuższej ogniskowej dla danej szerokości wiązki, a tym samym większej soczewki do zebrania określonej części generowanego światła. Pierwsza soczewka hiperradialna została zbudowana dla Stevensonów w 1885 roku przez firmę F. Barbier & Cie z Francji i przetestowana w latarni morskiej South Foreland Lighthouse z różnymi źródłami światła. Następnie Chance Brothers (pracodawcy Hopkinsona) rozpoczęli konstruowanie hiper-promienistych soczewek, instalując pierwszą z nich w latarni Bishop Rock w 1887 roku. W tym samym roku, Barbier zainstalował hiperradial na Tory Island. Jednak tylko około 30 hiperradiali weszło do użytku, zanim rozwój bardziej kompaktowych, jasnych lamp sprawił, że tak duże układy optyczne stały się zbędne (patrz Hiperradiacyjna soczewka Fresnela).

Produkcja jednoczęściowych, stopniowanych soczewek dioptrycznych – mniej więcej takich, jakie przewidział Buffon – stała się wykonalna w 1852 roku, kiedy John L. Gilliland z Brooklyn Flint-Glass Company opatentował metodę produkcji soczewek ze szkła prasowanego i formowanego. Firma produkowała małe soczewki typu bull’s-eye do użytku na kolejach, statkach parowych i w dokach; takie soczewki były powszechne w Stanach Zjednoczonych w latach 70. XIX wieku:488 W 1858 roku firma wyprodukowała „bardzo niewielką liczbę prasowanych szklanych soczewek krzemiennych szóstego rzędu” do użytku w latarniach morskich – były to pierwsze soczewki Fresnela wyprodukowane w Ameryce. W latach 50. XX wieku zastąpienie szkła plastikiem sprawiło, że używanie soczewek Fresnela jako kondensorów w rzutnikach stało się ekonomiczne.

.