Fresnel Merceğinin Tanıtımı ve Gelişim Tarihi
Fresnel merceğinin tasarım prensibi, işleme sırasında merceğin artık bir bütün olarak değil, birçok mikro yapıdan oluşan bir varlık olarak ele alınmasıdır. Bu mikro yapılar, orijinal dışbükey merceğin eğrilik yarıçapını korur ve ışığın sapmasının işe yaramadığı veya küçük bir bölümünü etkilediği ara noktaları ortadan kaldırır. Fresnel merceğinin tasarım süreci Şekil 1'de, düz bir Fresnel merceğinin fiziksel diyagramı ise Şekil 2'de gösterilmiştir. İlk zamanlarda, malzeme sınırlamaları nedeniyle merceklerin tamamı camdan yapılıyordu ve Fresnel mercekleri de istisna değildi. Bununla birlikte, Fresnel merceklerini işlemek için geleneksel taşlama ve parlatma yöntemi kullanılırsa, bu sadece uzun zaman almakla kalmaz, aynı zamanda iş gücü de tüketir ve maliyeti çok yüksek olur. Daha sonra insanlar...
Fresnel'in Tasarım Prensibi
İşleme sırasında artık mercek bir bütün olarak ele alınmaz. Bunun yerine, birçok mikro yapıdan oluşan bir varlık olarak kabul edilir. Bu mikro yapılar, orijinal dışbükey merceğin eğrilik yarıçapını korurken, ışık sapmasına etkisi olmayan veya az etkisi olan kısmı ortadan kaldırır. Fresnel merceğinin tasarım süreci Şekil 1'de gösterilmiştir.
Düz Fresnel Merceğinin Fiziksel Şeması
19. Yüzyılda Fresnel Merceğinin Gelişimi
İlk zamanlarda, malzeme sınırlamaları nedeniyle, merceklerin tamamı camdan yapılıyordu ve Fresnel mercekler de istisna değildi. Ancak, Fresnel merceklerin işlenmesinde geleneksel taşlama ve parlatma yöntemi kullanıldığında, bu yöntem hem çok zaman alıyor hem de iş gücü gerektiriyordu ve maliyeti çok yüksek oluyordu. Daha sonra, metal kalıpla sıcak presleme yöntemi icat edildi, ancak camın yüzey gerilimi çok büyüktü ve bu da sıcak presleme sırasında bazı detayların preslenememesine neden olarak Fresnel merceğin beklenen kullanım etkisini sağlayamamasına yol açtı. Bu nedenlerden dolayı, ilk Fresnel mercekler yaygın olarak kullanılamadı.
1950'li yıllardan itibaren, camla çok benzer optik özelliklere ve daha hafif olma avantajına sahip yeni bir malzeme olan polimetil metakrilat (PMMA), mercek üretiminde yaygın olarak kullanılmaya başlandı. 1951 yılında Miller ve diğerleri, PMMA kullanarak Fresnel merceklerini başarıyla ürettiler. PMMA'nın düşük maliyetli ve kararlı yapısı nedeniyle, o zamandan beri cam yerine Fresnel mercek yapımında kullanılmaya başlandı.
Bilim ve teknolojinin ilerlemesiyle birlikte, mercek işleme teknolojisi sürekli olarak gelişmekte ve Fresnel merceğinin optik performansı giderek daha iyi hale gelmekte ve birçok alanda giderek daha fazla değer görmektedir. Fresnel merceğinin ince kalınlığı, düşük kalitesi, düşük maliyeti ve iyi yoğunlaştırma etkisi gibi avantajları nedeniyle, birçok alan Fresnel merceğinin uygulamasına dikkat etmeye başladı. Bunlar arasında, güneş enerjisi yoğunlaştırma fotovoltaik endüstrisi Fresnel merceğini kullanmaya başladı. Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte, bilim ve teknik personel daha fazla araştırma ve deney yapmaya devam etmekte ve birçok tatmin edici sonuç elde etmektedir.
1970'ten beri, Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA), Fresnel lensler üzerinde detaylı araştırmalar yapmaya başladı ve elde edilen birçok araştırma sonucu, gelecekteki bilim insanları için Fresnel lens araştırmaları yolunda yol gösterici oldu. 1979'da Kritchman, yüksek güçlü yoğunlaştırıcı kavisli çizgi odaklama Fresnel lensi geliştirdi. Bu lensin en büyük avantajı, yoğunlaştırma performansında niteliksel bir sıçrama sağlamasıdır. 2006 yılında, Koreli Kwang Sun Ryu, Fresnel lensin yüzeyini küçük modüllere bölme tasarım yöntemini önerdi. Bu yöntem, gelen güneş ışığının silikon fotohücreyi eşit şekilde aydınlatabilmesi için Fresnel lensin küçük modüllerini işlemek üzere yazılım kullanır. Yukarıdaki yöntem, geçmişte güneş ışığının küçük bir alanda yoğunlaşması ve pili tüketmesi sorununu çözmektedir.
Daha sonra Amerikalı Daniel, Kwang Sun Ryu'nun Fresnel merceğini derinlemesine analiz ederek, daha öncekinden bile daha yüksek aydınlatma sağlayan çok noktalı odaklama özelliğine sahip bir Fresnel mercek tasarladı. Bu mercek, geleneksel Fresnel merceğinin dişini optimize ederek orijinal tek noktalı odaklama modunu çok noktalı odaklamaya dönüştürüyor; böylece Fresnel merceğinin odak noktası artık belirli bir konumla sınırlı kalmıyor ve aydınlatma homojenliği artıyor.
2002 yılında, silindirik çizgi odaklı Fresnel mercek üzerine yapılan bir çalışmada, F sayısının yaklaşık 1,3 ve konsantrasyon oranının 5 veya 6 olduğu durumlarda optik verimliliğin %85'in üzerine çıkabileceği bulunmuştur.
2007 yılında, geleneksel eş merkezli halka yapısını terk eden ve Arşimet spiral oluklarını benimseyen bir Fresnel merceği tasarlandı. Bu merceğin uygulama açısından eş merkezli Fresnel merceğinden esaslı bir farkı olmamasına rağmen, yeni bir yapısal form yaratan bir Fresnel merceğidir.
2009 yılında yapılan araştırmalar sonucunda, Fresnel merceğinin odaklama verimliliğinin gelen ışığın yoğunluğuyla doğru orantılı olduğu keşfedilmiştir. Aynı zamanda, Fresnel merceğinin yüzeyindeki belirli ışık yansımaları nedeniyle, ışık geçirgenliği gelen ışığın açısıyla ters orantılıdır.
2011 yılında, Fresnel lensin performansı iç ve dış mekanlarda incelenmiştir. Sonuçlar, ışık geçirgenliğindeki hatanın iç ve dış mekan testlerinde değişmediğini, ancak konsantrasyon verimliliğindeki test hatasının iç mekan testinde dış mekan testine göre daha düşük olduğunu göstermiştir. Bu farkın nedeninin analiz edilmesi, gelecekte Fresnel lenslerin test ve işlenmesinde referans sağlayacaktır.