Einführung und Entwicklungsgeschichte der Fresnel-Linse
Das Konstruktionsprinzip der Fresnel-Linse besteht darin, die Linse bei der Bearbeitung nicht mehr als Ganzes zu betrachten, sondern als eine aus vielen Mikrostrukturen bestehende Einheit. Diese Mikrostrukturen behalten den Krümmungsradius der ursprünglichen konvexen Linse bei und entfernen die dazwischenliegende Lichtablenkung. Die Ablenkung funktioniert nicht oder beeinträchtigt nur einen kleinen Teil. Der Konstruktionsprozess der Fresnel-Linse ist in Abbildung 1 dargestellt, und Abbildung 2 zeigt ein physikalisches Diagramm einer flachen Fresnel-Linse. Früher wurden Linsen aufgrund von Materialbeschränkungen alle aus Glas gefertigt, und Fresnel-Linsen bildeten da keine Ausnahme. Die traditionelle Schleif- und Poliermethode zur Bearbeitung von Fresnel-Linsen ist jedoch nicht nur zeitaufwändig, sondern auch personalintensiv, was zu hohen Kosten führt. Später erfand man...
Das Konstruktionsprinzip der Fresnel-Linse
Bei der Bearbeitung wird die Linse nicht mehr als Ganzes betrachtet. Vielmehr wird sie als eine Einheit betrachtet, die aus vielen Mikrostrukturen besteht. Diese Mikrostrukturen behalten den Krümmungsradius der ursprünglichen konvexen Linse bei, während der Teil entfernt wird, der keinen oder nur geringen Einfluss auf die Lichtablenkung hat. Der Designprozess der Fresnel-Linse ist in Abb. 1 dargestellt.
Physikalisches Diagramm einer flachen Fresnel-Linse
Entwicklung der Fresnel-Linse im 19. Jahrhundert
Früher wurden Linsen aufgrund von Materialbeschränkungen alle aus Glas gefertigt, Fresnel-Linsen bildeten da keine Ausnahme. Die herkömmliche Schleif- und Poliermethode zur Bearbeitung von Fresnel-Linsen war jedoch nicht nur zeitaufwändig, sondern auch personalintensiv, was zu hohen Kosten führte. Später wurde das Heißpressen von Metallformen erfunden. Allerdings war die Oberflächenspannung des Glases zu groß, sodass sich einige Details beim Heißpressen nicht pressen ließen und die Fresnel-Linse nicht die gewünschte Wirkung erzielte. Aus diesen Gründen konnten die frühen Fresnel-Linsen nicht vermarktet werden.
Ab etwa 1950 wurde ein neues Material, Polymethylmethacrylat (PMMA), aufgrund seiner glasähnlichen optischen Eigenschaften und des geringeren Gewichts weit verbreitet in der Linsenproduktion eingesetzt. 1951 verwendeten Miller und andere erfolgreich PMMA zur Herstellung von Fresnel-Linsen. Da PMMA kostengünstig und naturgemäß stabil ist, wird es seither als Ersatz für Glas bei der Herstellung von Fresnel-Linsen verwendet.
Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik verbessert sich die Linsenverarbeitungstechnologie ständig, und die optische Leistung von Fresnel-Linsen wird immer besser, sodass sie in vielen Bereichen zunehmend geschätzt werden. Aufgrund ihrer geringen Dicke, niedrigen Qualität, geringen Kosten und guten Kondensorwirkung sowie weiterer Vorteile gewinnen Fresnel-Linsen in vielen Bereichen an Bedeutung. Unter anderem werden sie bereits in der konzentrierenden Photovoltaikindustrie eingesetzt. Parallel zur Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technik forschen und experimentieren Wissenschaftler und Techniker kontinuierlich weiter und haben bereits viele erfreuliche Ergebnisse erzielt.
Seit 1970 betreibt die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde (NASDAQ: NASDAQ: NASDAQ) eingehende Forschungen zu Fresnel-Linsen. Die zahlreichen Ergebnisse dienen künftigen Wissenschaftlern als Wegweiser in der Fresnel-Linsenforschung. 1979 entwickelte Kritchman eine leistungsstarke, kondensierende und gekrümmte Linien fokussierende Fresnel-Linse. Der größte Vorteil dieser Linse ist die deutlich verbesserte Konzentrationsleistung. 2006 schlug der Koreaner Kwang Sun Ryu ein Designverfahren vor, bei dem die Oberfläche einer Fresnel-Linse in kleine Module unterteilt wird. Bei diesem Verfahren werden die kleinen Module der Fresnel-Linse mithilfe von Software so bearbeitet, dass das einfallende Sonnenlicht die Silizium-Fotozelle gleichmäßig beleuchten kann. Dadurch wird das Problem gelöst, dass sich Sonnenlicht leicht auf einer kleinen Fläche konzentriert und dadurch die Batterie entlädt.
Später analysierte der Amerikaner Daniel Kwang Sun Ryus Fresnel-Linse eingehend und entwickelte eine Fresnel-Linse mit Mehrpunktfokussierung und noch höherer Beleuchtungsstärke. Diese Linse optimierte das Gewinde der herkömmlichen Fresnel-Linse und änderte den ursprünglichen Einzelpunktfokusmodus in einen Mehrpunktfokusmodus. Dadurch ist der Fokuspunkt der Fresnel-Linse nicht mehr auf eine bestimmte Position beschränkt, was die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung verbessert.
Im Jahr 2002 wurde bei der Untersuchung zylindrischer Fresnel-Linsen mit Linienfokussierung festgestellt, dass die optische Effizienz bei einer Blendenzahl von etwa 1,3 und einem Konzentrationsverhältnis von 5 oder 6 über 85 % erreichen kann.
Im Jahr 2007 wurde eine Fresnel-Linse entwickelt, die die traditionelle konzentrische Ringstruktur aufgab und stattdessen archimedische Spiralrillen verwendete. Obwohl sich diese Linse in ihrer Anwendung nicht wesentlich von der konzentrischen Fresnel-Linse unterscheidet, wurde mit der Fresnel-Linse eine neue Strukturform geschaffen.
Im Jahr 2009 wurde durch Forschung entdeckt, dass die Fokussierungseffizienz der Fresnel-Linse direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist. Gleichzeitig ist ihre Lichtdurchlässigkeit aufgrund der bestimmten Lichtreflexion an der Oberfläche der Fresnel-Linse umgekehrt proportional zum Winkel des einfallenden Lichts.
Im Jahr 2011 wurde die Leistung der Fresnel-Linse im Innen- und Außenbereich untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass der Fehler der Lichtdurchlässigkeit im Innen- und im Außenbereich unverändert blieb, der Testfehler der Konzentrationseffizienz jedoch im Innenbereich geringer war als im Außenbereich. Die Analyse der Gründe für diesen Unterschied wird künftig als Referenz für die Prüfung und Verarbeitung von Fresnel-Linsen dienen.
