مقدمة وتاريخ تطور عدسة فرينل
مبدأ تصميم عدسة فرينل هو أن العدسة لم تعد تعتبر ككل أثناء المعالجة، بل ككيان مكون من العديد من الهياكل الدقيقة. تحتفظ هذه الهياكل الدقيقة بنصف قطر انحناء العدسة المحدبة الأصلية، وتزيل الضوء المتوسط ولا يعمل الانحراف أو يؤثر على جزء صغير. تظهر عملية تصميم عدسة فرينل في الشكل 1، والشكل 2 هو رسم تخطيطي مادي لعدسة فرينل المسطحة. في الأيام الأولى، بسبب القيود المادية، كانت العدسات كلها مصنوعة من الزجاج، ولم تكن عدسات فرينل استثناءً. ومع ذلك، إذا تم استخدام طريقة الطحن والتلميع التقليدية لمعالجة عدسات فرينل، فإنها لا تستغرق وقتًا طويلاً فحسب، بل تستهلك أيضًا القوى العاملة، مما يؤدي إلى ارتفاع التكلفة. اخترع الناس لاحقًا...
مبدأ تصميم فرينل
لم يعد من الممكن النظر إلى العدسة ككل أثناء المعالجة. بل يتم النظر إليها ككيان مكون من العديد من البنى الدقيقة. تحتفظ هذه البنى الدقيقة بنصف قطر انحناء العدسة المحدبة الأصلية، مع إزالة الجزء الذي لا يؤثر أو له تأثير ضئيل على انحراف الضوء. تظهر عملية تصميم عدسة فرينل في الشكل 1
الرسم التخطيطي الفيزيائي لعدسة فرينل المسطحة
تطور عدسة فرينل في القرن التاسع عشر
في الأيام الأولى، بسبب القيود المادية، كانت العدسات كلها مصنوعة من الزجاج، ولم تكن عدسات فرينل استثناءً. ومع ذلك، إذا تم استخدام طريقة الطحن والتلميع التقليدية لمعالجة عدسات فرينل، فإنها لا تستغرق وقتًا طويلاً فحسب، بل تستهلك أيضًا القوى العاملة، مما يؤدي إلى ارتفاع التكلفة. في وقت لاحق، اخترع الناس طريقة معالجة الضغط الساخن بالقالب المعدني، لكن إجهاد سطح الزجاج كان كبيرًا جدًا، مما تسبب في عدم القدرة على الضغط على بعض التفاصيل أثناء الضغط الساخن، بحيث لا يمكن لعدسة فرينل تحقيق تأثير الاستخدام المتوقع. هذه الأسباب جعلت عدسات فرينل المبكرة لا يمكن الترويج لها.
بدءًا من حوالي عام 1950، تم استخدام مادة جديدة، وهي بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)، على نطاق واسع في إنتاج العدسات نظرًا لخصائصها البصرية المشابهة جدًا للزجاج ومزايا الوزن الأخف. في عام 1951، استخدم ميلر وآخرون مادة PMMA لإنتاج عدسات فرينل بنجاح. نظرًا لأن مادة PMMA منخفضة التكلفة ومستقرة في الطبيعة، فقد بدأ الناس في استخدامها لتحل محل الزجاج لصنع عدسات فرينل منذ ذلك الحين.
مع تقدم العلم والتكنولوجيا، استمرت تكنولوجيا معالجة العدسات في التحسن، وأصبح الأداء البصري لعدسة فرينل أفضل وأفضل، ويتم تقييمها تدريجيًا من قبل العديد من المجالات. نظرًا لأن عدسة فرينل لها سمك رقيق وجودة منخفضة وتكلفة منخفضة وتأثير تكثيف جيد ومزايا أخرى، فقد بدأت العديد من المجالات في الاهتمام بتطبيق عدسة فرينل. من بينها، وضعت صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المركزة عدسة فرينل قيد الاستخدام. مع تطور العلم والتكنولوجيا، لا يزال الموظفون العلميون والفنيون يقومون بمزيد من الأبحاث والتجارب كما حققوا العديد من النتائج المرضية.
منذ عام 1970، بدأت الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء في إجراء أبحاث مفصلة حول عدسات فرينل، وكانت نتائج الأبحاث العديدة التي تم الحصول عليها بمثابة علامات إرشادية للعلماء في المستقبل على مسار أبحاث عدسات فرينل. في عام 1979، طور كريتشمان عدسة فرينل عالية الطاقة ذات التركيز المنحني المكثف. أكبر ميزة لهذه العدسة هي القفزة النوعية في أداء التركيز. في عام 2006، اقترح الكوري كوانج صن ريو طريقة تصميم لتقسيم سطح عدسة فرينل إلى وحدات صغيرة. تستخدم هذه الطريقة برنامجًا لمعالجة الوحدات الصغيرة لعدسة فرينل بحيث يمكن لأشعة الشمس الساقطة أن تضيء الخلية الضوئية السيليكونية بالتساوي. يحل ما سبق مشكلة أن الضوء الشمسي من السهل تركيزه في منطقة صغيرة وحرق البطارية في الماضي.
في وقت لاحق، أجرى الأمريكي دانيال تحليلاً متعمقًا لعدسة فرينل كوانج صن ريو وصمم عدسة فرينل متعددة النقاط ذات إضاءة أعلى من ذي قبل. تعمل هذه العدسة على تحسين خيط عدسة فرينل التقليدية وتغيير وضع التركيز البؤري الأصلي بنقطة واحدة إلى التركيز البؤري متعدد النقاط، بحيث لم تعد نقطة التركيز في عدسة فرينل تقتصر على موضع معين، وبالتالي يتم تحسين توحيد الإضاءة.
في عام 2002، في دراسة عدسة فرينل ذات التركيز الخطي الأسطواني، وجد أنه عندما يكون رقم F حوالي 1.3 ونسبة التركيز 5 أو 6، يمكن أن تصل الكفاءة البصرية إلى أكثر من 85٪.
في عام 2007، تم تصميم عدسة فرينل تخلت عن بنية الحلقة المركزية التقليدية واعتمدت أخاديد أرخميدس الحلزونية. وعلى الرغم من عدم وجود اختلاف جوهري في استخدام هذه العدسة عن عدسة فرينل المركزية، إلا أنها خلقت شكلاً هيكليًا جديدًا.
في عام 2009، تم اكتشاف من خلال البحث أن كفاءة التركيز لعدسة فرينل تتناسب بشكل مباشر مع شدة الضوء الساقط. في الوقت نفسه، نظرًا لانعكاس الضوء المؤكد على سطح عدسة فرينل، فإن نفاذيتها للضوء تتناسب عكسياً مع زاوية الضوء الساقط.
في عام 2011، تمت دراسة أداء عدسة فرينل في الأماكن المغلقة والمفتوحة. أظهرت النتائج أن خطأ نفاذية الضوء لم يتغير في الاختبار الداخلي والخارجي، ولكن خطأ اختبار كفاءة التركيز كان أقل من الاختبار الخارجي في الاختبار الداخلي، وتم تحليل سبب هذا الاختلاف الذي سيوفر مرجعًا للأشخاص في اختبار ومعالجة عدسات فرينل في المستقبل.