Einführung und Entwicklungsgeschichte der Fresnel-Linse
Das Konstruktionsprinzip der Fresnel-Linse besteht darin, dass die Linse während der Bearbeitung nicht mehr als Ganzes, sondern als aus vielen Mikrostrukturen zusammengesetzte Einheit betrachtet wird. Diese Mikrostrukturen erhalten den Krümmungsradius der ursprünglichen konvexen Linse und eliminieren die Lichtablenkung im Zwischenbereich, die entweder gar nicht oder nur einen kleinen Teil betrifft. Der Konstruktionsprozess der Fresnel-Linse ist in Abbildung 1 dargestellt, Abbildung 2 zeigt ein physikalisches Schema einer flachen Fresnel-Linse. Anfänglich wurden Linsen aufgrund von Materialbeschränkungen ausschließlich aus Glas gefertigt, so auch Fresnel-Linsen. Die traditionelle Schleif- und Poliermethode zur Bearbeitung von Fresnel-Linsen war jedoch nicht nur zeitaufwendig, sondern auch arbeitsintensiv und damit zu kostspielig. Später wurden daher andere Verfahren entwickelt…
Das Konstruktionsprinzip des Fresnel-Sensors
Bei der Bearbeitung wird die Linse nicht mehr als Ganzes betrachtet, sondern als ein Gebilde aus vielen Mikrostrukturen. Diese Mikrostrukturen erhalten den Krümmungsradius der ursprünglichen konvexen Linse, während die Teile entfernt werden, die keinen oder nur geringen Einfluss auf die Lichtablenkung haben. Der Konstruktionsprozess einer Fresnel-Linse ist in Abb. 1 dargestellt.
Physikalische Darstellung einer flachen Fresnel-Linse
Entwicklung der Fresnel-Linse im 19. Jahrhundert
In den Anfängen der Linsenherstellung bestanden alle Linsen, auch Fresnel-Linsen, aufgrund von Materialbeschränkungen aus Glas. Die traditionelle Schleif- und Poliermethode war jedoch nicht nur zeitaufwendig, sondern auch arbeitsintensiv und damit zu teuer. Später wurde das Heißpressverfahren mit Metallformen entwickelt. Die Oberflächenspannung des Glases war jedoch zu hoch, sodass einige Details beim Heißpressen nicht erfasst werden konnten und die Fresnel-Linse nicht die gewünschte Wirkung erzielte. Aus diesen Gründen konnten sich die frühen Fresnel-Linsen nicht durchsetzen.
Ab etwa 1950 fand Polymethylmethacrylat (PMMA) aufgrund seiner glasähnlichen optischen Eigenschaften und seines geringeren Gewichts breite Anwendung in der Linsenproduktion. Bereits 1951 gelang es Miller et al., mit PMMA erfolgreich Fresnel-Linsen herzustellen. Da PMMA kostengünstig und formstabil ist, wurde es seither zunehmend anstelle von Glas für Fresnel-Linsen verwendet.
Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik verbesserte sich die Linsenfertigungstechnologie stetig, die optische Leistung der Fresnel-Linse optimierte sich kontinuierlich und sie gewann in vielen Bereichen an Bedeutung. Aufgrund ihrer geringen Dicke, niedrigen Qualität, geringen Kosten und guten Kondensationswirkung rückten Fresnel-Linsen immer mehr in den Fokus der Forschung. So nutzte beispielsweise die Photovoltaikindustrie Fresnel-Linsen bereits erfolgreich. Dank der fortschreitenden wissenschaftlichen Entwicklung und Technik führen weitere Forschungen und Experimente zu vielversprechenden Ergebnissen.
Seit 1970 betreibt die NASA detaillierte Forschungen zu Fresnel-Linsen. Die zahlreichen Forschungsergebnisse dienten nachfolgenden Wissenschaftlern als Wegweiser auf dem Gebiet der Fresnel-Linsenforschung. 1979 entwickelte Kritchman eine leistungsstarke, kondensierende Fresnel-Linse mit gekrümmter Linienfokussierung. Der größte Vorteil dieser Linse liegt in der deutlich verbesserten Konzentrationsleistung. 2006 schlug der Koreaner Kwang Sun Ryu eine Methode zur Unterteilung der Fresnel-Linsenoberfläche in kleine Module vor. Diese Methode nutzt Software zur Bearbeitung der kleinen Module, um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Silizium-Fotozelle durch einfallendes Sonnenlicht zu gewährleisten. Dadurch wird das Problem gelöst, dass sich Sonnenlicht früher leicht auf einen kleinen Bereich konzentrierte und die Batterie dadurch schnell entladen konnte.
Später analysierte der Amerikaner Daniel die Fresnel-Linse von Kwang Sun Ryu eingehend und entwickelte eine Mehrpunkt-Fokussierungs-Fresnel-Linse mit noch höherer Lichtausbeute. Diese Linse optimiert das Gewinde der herkömmlichen Fresnel-Linse und ändert den ursprünglichen Einpunkt-Fokussierungsmodus in einen Mehrpunkt-Fokussierungsmodus. Dadurch ist der Fokuspunkt der Fresnel-Linse nicht mehr auf eine bestimmte Position beschränkt, und die Ausleuchtungsgleichmäßigkeit wird verbessert.
Im Jahr 2002 wurde bei der Untersuchung einer zylindrischen Linienfokussierungs-Fresnel-Linse festgestellt, dass bei einer F-Zahl von etwa 1,3 und einem Konzentrationsverhältnis von 5 oder 6 der optische Wirkungsgrad mehr als 85 % erreichen kann.
Im Jahr 2007 wurde eine Fresnel-Linse entwickelt, die von der traditionellen konzentrischen Ringstruktur abwich und stattdessen archimedische Spiralnuten verwendete. Obwohl sich diese Linse in ihrer Anwendung nicht wesentlich von der konzentrischen Fresnel-Linse unterscheidet, schuf sie eine neue Strukturform.
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 Lichtreflexion an der Oberfläche der Fresnel-Linse umgekehrt proportional zum Einfallswinkel des Lichts.
Im Jahr 2011 wurde die Leistungsfähigkeit von Fresnel-Linsen im Innen- und Außenbereich untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass der Fehler der Lichtdurchlässigkeit bei beiden Tests unverändert blieb. Der Fehler der Konzentrationseffizienz war im Innentest jedoch geringer als im Außentest. Die Analyse der Ursache für diesen Unterschied dient als Referenz für zukünftige Prüfungen und die Verarbeitung von Fresnel-Linsen .