مقدمة وتاريخ تطور عدسة فرينل
يقوم مبدأ تصميم عدسة فرينل على أن العدسة لم تعد تُعتبر كلاً متكاملاً أثناء المعالجة، بل ككيان مكون من عدة بنى مجهرية. تحتفظ هذه البنى المجهرية بنصف قطر انحناء العدسة المحدبة الأصلية، وتزيل الضوء المتوسط. لا يعمل الانحراف أو يؤثر على جزء صغير. يوضح الشكل 1 عملية تصميم عدسة فرينل، بينما يوضح الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا لعدسة فرينل مسطحة. في البداية، وبسبب محدودية المواد، كانت جميع العدسات مصنوعة من الزجاج، ولم تكن عدسات فرينل استثناءً. ومع ذلك، فإن استخدام طريقة الطحن والتلميع التقليدية لمعالجة عدسات فرينل لا يستغرق وقتًا طويلاً فحسب، بل يستهلك أيضًا جهدًا بشريًا، مما يؤدي إلى ارتفاع تكلفته بشكل كبير. لاحقًا، اخترع الناس...
مبدأ تصميم فرينل
لم يعد يُنظر إلى العدسة ككل أثناء المعالجة، بل يُنظر إليها ككيان مكون من عدة بنى دقيقة. تحتفظ هذه البنى الدقيقة بنصف قطر انحناء العدسة المحدبة الأصلية، مع إزالة الجزء الذي لا يؤثر على انحراف الضوء، أو الذي يؤثر عليه بشكل طفيف. يوضح الشكل 1 عملية تصميم عدسة فرينل.
الرسم التخطيطي الفيزيائي لعدسة فرينل المسطحة
تطوير عدسة فرينل في القرن التاسع عشر
في البداية، وبسبب محدودية المواد، كانت جميع العدسات مصنوعة من الزجاج، ولم تكن عدسات فرينل استثناءً. ومع ذلك، فإن استخدام طرق الطحن والتلميع التقليدية لمعالجة عدسات فرينل لا يستغرق وقتًا طويلاً فحسب، بل يتطلب أيضًا جهدًا بشريًا، مما يؤدي إلى ارتفاع تكلفته. لاحقًا، تم اختراع طريقة المعالجة بالضغط الساخن في قالب معدني، ولكن كان ضغط سطح الزجاج كبيرًا جدًا، مما أدى إلى عدم إمكانية ضغط بعض التفاصيل أثناء الضغط الساخن، وبالتالي لم تحقق عدسات فرينل التأثير المتوقع. هذه الأسباب حالت دون الترويج لعدسات فرينل المبكرة.
ابتداءً 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 وزنها الخفيف. في عام 1951، استخدم ميلر وآخرون PMMA لإنتاج عدسات فرينل بنجاح. نظرًا لأن PMMA منخفض التكلفة ومستقر في الطبيعة، بدأ الناس في استخدامه لاستبدال الزجاج لصنع عدسات فرينل منذ ذلك الحين.
مع تقدم العلم والتكنولوجيا، استمرت تقنية معالجة العدسات في التحسن، وأصبح الأداء البصري لعدسة فرينل أفضل وأفضل، ويتم تقييمها تدريجيًا في العديد من المجالات. نظرًا لأن عدسة فرينل تتميز بسمك رقيق وجودة منخفضة وتكلفتها المنخفضة وتأثير تكثيف جيد ومزايا أخرى، بدأت العديد من المجالات في الاهتمام بتطبيق عدسة فرينل. من بينها، وضعت صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المركزة عدسة فرينل موضع 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 بحث مفصل حول عدسات فرينل، وكانت نتائج البحث العديدة التي تم الحصول عليها بمثابة علامات إرشادية لعلماء المستقبل على مسار أبحاث عدسات فرينل. في عام 1979، طور كريتشمان عدسة فرينل ذات تركيز خطي منحني مكثف عالي الطاقة. تتمثل أكبر ميزة لهذه العدسة في القفزة النوعية في أداء التركيز. في عام 2006، اقترح الكوري كوانغ 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 سهولة تركيز ضوء الشمس في منطقة صغيرة وحرق البطارية في الماضي.
لاحقًا، أجرى الأمريكي دانيال تحليلًا متعمقًا لعدسة فرينل كوانغ صن ريو، وصمم عدسة فرينل متعددة النقاط ذات إضاءة أعلى من ذي قبل. تُحسّن هذه العدسة خيط عدسة فرينل التقليدية، وتُغيّر وضع التركيز البؤري الأصلي أحادي النقطة إلى تركيز متعدد النقاط، مما يُحسّن من تجانس نقطة التركيز البؤري لعدسة فرينل.
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 ٢٠٠٧، صُممت عدسة فرينل تخلت عن هيكل الحلقة المركزية التقليدية واعتمدت أخاديد أرخميدس الحلزونية. ورغم عدم وجود اختلاف جوهري في استخدام هذه العدسة عن عدسة فرينل المركزية، إلا أنها ابتكرت شكلاً هيكليًا جديدًا.
في عام ٢٠٠٩، اكتُشف من خلال بحث أن كفاءة تركيز عدسة فرينل تتناسب طرديًا مع شدة الضوء الساقط. وفي الوقت نفسه، نظرًا لانعكاس الضوء على سطح عدسة فرينل، فإن نفاذيتها للضوء تتناسب عكسيًا مع زاوية الضوء الساقط.
في عام ٢٠١١، أُجريت دراسةٌ لأداء عدسات فرينل في الأماكن المغلقة والمفتوحة. أظهرت النتائج أن خطأ نفاذية الضوء لم يتغير في الاختبارين الداخلي والخارجي، لكن خطأ اختبار كفاءة التركيز كان أقل من الاختبار الخارجي في الاختبار الداخلي، وتم تحليل سبب هذا الاختلاف، والذي سيُشكل مرجعًا للأشخاص الذين يختبرون عدسات فرينل ويعالجونها في المستقبل.