Расчет линз френеля. Линзы френеля, их расчет, моделирование и применение Собираем солнечный свет

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский

Национальный Исследовательский Университет

Информационных технологий, Механики и Оптики

Реферат

«Линзы Френеля, их расчет, моделирование и применение»

Выполнил:

студент гр. 4251

Елезов Андрей

Введение

1. Линзы Френеля

2. Расчет линз Френеля

3. Моделирование и применение линз Френеля

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Один из создателей волновой теории света, выдающийся французский физик Огюстен Жан Френель родился в маленьком городке близ Парижа в 1788 году. Он рос болезненным мальчиком.

Учителя считали его бестолковым: в восьмилетнем возрасте не умел читать и с трудом мог запомнить урок. Однако в средней школе у Френеля проявились замечательные способности к математике, особенно к геометрии. Получив инженерное образование, он с 1809 года участвовал в проектировании и строительстве дорог и мостов в разных департаментах страны.

Однако его интересы и возможности были гораздо шире простой инженерной деятельности в провинциальной глуши. Френель хотел заниматься наукой; особенно его интересовала оптика, теоретические основы которой только-только начали складываться. Он исследовал поведение световых лучей, проходящих сквозь узкие отверстия, огибающих тонкие нити и края пластинок.

Объяснив особенности возникающих при этом картин, Френель в 1818-1819 годах создал свою теорию оптической интерференции и дифракции -- явлений, возникающих по причине волновой природы света.

Один интересный факт из истории связанный с Френелем.

В начале XIX века европейские морские государства решили совместными усилиями усовершенствовать маяки -- важнейшие навигационные устройства того времени.

Во Франции для этой цели была создана специальная комиссия, и работать в ней ввиду богатого инженерного опыта и глубокого знания оптики пригласили Френеля. Свет маяка должен быть виден далеко, поэтому маячный фонарь поднимают на высокую башню. А чтобы собрать его свет в лучи, фонарь нужно поместить в фокус либо вогнутого зеркала, либо собирающей линзы, причём довольно большой. Зеркало, конечно, можно сделать любого размера, но оно даёт только один луч, а свет маяка должен быть виден отовсюду. Поэтому на маяках ставили порой полтора десятка зеркал с отдельным фонарём в фокусе каждого зеркала. Вокруг одного фонаря можно смонтировать несколько линз, но сделать их необходимого -- большого -- размера практически невозможно. В стекле массивной линзы неизбежно будут неоднородности, она потеряет форму под действием собственной тяжести, а из-за неравномерного нагрева может лопнуть.

Нужны были новые идеи, и комиссия, пригласив Френеля, сделала правильный выбор: в 1819 году он предложил конструкцию составной линзы, лишённую всех недостатков, присущих линзе обычной. Френель рассуждал, вероятно, так. Линзу можно представить в виде набора призм, которые преломляют параллельные световые лучи -- отклоняют их на такие углы, что после преломления они сходятся в точке фокуса. Значит, вместо одной большой линзы можно собрать конструкцию в виде тонких колец из отдельных призм треугольного сечения.

Френель не только рассчитал форму профилей колец, он также разработал технологию и проконтролировал весь процесс их создания, нередко исполняя обязанности простого рабочего (подчинённые оказались крайне неопытными). Его усилия дали блестящий результат. «Яркость света, которую даёт новый прибор, удивила моряков», -- писал Френель друзьям. И даже англичане -- давние конкуренты французов на море -- признали, что конструкции французских маяков оказались самыми лучшими.

Огюстен Френель вошёл в историю науки и техники не только и не столько благодаря изобретению своей линзы.

Его исследования и созданная на их основе теория окончательно подтвердили волновую природу света и разрешили важнейшую проблему физики того времени -- нашли причину прямолинейного распространения света.

Работы Френеля легли в основу современной оптики. Попутно он предсказал и объяснил несколько парадоксальных оптических явлений, которые, тем не менее, несложно проверить и теперь.

1. Линзы Френеля

Линза Френеля -- сложная составная линза. Состоит не из цельного шлифованного куска стекла со сферической или иными поверхностями (как обычные линзы), а из отдельных, примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля. Предложена Огюстеном Френелем.

Эта конструкция обеспечивает малую толщину (а следовательно, и вес) линзе Френеля даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, что сферическая аберрация линзы Френеля невелика, лучи от точечного источника, помещённого в фокусе линзы, после преломления в кольцах выходят практически параллельным пучком (в кольцевых линзах Френеля).

2. Расчет линз Френеля

Линза Френеля - один из первых приборов, действие которого основано на физическом принципе дифракции света.

Данный прибор, и по сей день не утерял своего практического значения. Общая схема физической модели, на которой основано его действие, представлена на (рис. 1).

Рис. 1 Схема построения зон Френеля для бесконечно удаленной точки наблюдения (плоская волна)

Примем, что в точке О расположен точечный источник оптического излучения длины волны l. Естественным образом, как всякий точечный источник, он излучает сферическую волну, волновой фронт которой и изображен на рисунке окружностью. Зададимся условием изменить данную волну на плоскую, которая будет распространяться вдоль пунктирной оси. Несколько волновых фронтов этой изменяемой волны, отстающих друг от друга на l/2, изображены на (рис. 1). Для начала отметим, что рассматриваем изменяемую плоскую волну из имеющейся сферической в свободном пространстве. Поэтому, в соответствие с принципом Гюйгенса-Френеля, “источниками” данной изменяемой волны могут служить лишь электромагнитные колебания в имеющейся. И если это не устраивает пространственное распределение фазы этих колебаний, то есть волновой фронт (сферический) исходной волны. Давайте попробуем его подкорректировать. Проведем все по действиям.

Действие первое: заметим, что с точки зрения вторичных волн Гюйгенса - Френеля (которые сферические) пространственное смещение на целую длину волны в любом направлении не меняет фазы вторичных источников. Поэтому мы можем позволить себе например “разорвать” волновой фронт исходной волны как показано на (рис. 2).

Рис. 2 Эквивалентное распределение фазы вторичных излучателей в пространстве

Таким образом, мы “разобрали” исходный сферический волновой фронт на “кольцевые запчасти” номер 1, 2... и так далее. Границы этих колец, называемых зонами Френеля, определяются пересечением волнового фронта исходной волны с последовательностью смещенных друг относительно друга на l/2 волновых фронтов “проектируемой волны”. Получившаяся картинка уже существенно “попроще”, и представляет собой 2 слегка “шероховатых” плоских вторичных излучателя (зеленый и красный на рис. 2), которые однако, гасят друг друга из-за упомянутого полуволнового взаимного смещения.

Итак, мы видим, что зоны Френеля с нечетными номерами не только не способствуют выполнению поставленной задачи, но даже активно вредительствуют. Способов борьбы с этим два.

Первый способ (амплитудная линза Френеля). Можно данные нечетные зоны просто геометрически закрыть непрозрачными кольцами. Так и делается в крупногабаритных фокусирующих системах морских маяков. Конечно, этим можно не добиться идеальной коллимации пучка. Можно увидеть, что оставшаяся, зеленая, часть вторичных излучателей во-первых, не совсем плоская, а во-вторых разрывная (с нулевыми провалами на месте бывших нечетных зон Френеля).

Поэтому строго коллимированная часть излучения (а ее амплитуда - ни что иное как нулевая двумерная Фурье-компонента пространственного распределения фазы зеленых излучателей по плоскому волновому фронту с нулевым смещением, см. (рис. 2) будет сопровождаться широкоугловым шумом (все остальные Фурье-компоненты кроме нулевой). Поэтому линзу Френеля почти нереально использовать для построения изображений - только для коллимации излучения. Однако, тем не менее коллимированная часть пучка будет существенно мощнее, чем в отсутствие линзы Френеля, поскольку мы по крайней мере избавились от отрицательного вклада в нулевую Фурье-компоненту от нечетных зон Френеля.

Второй способ (фазовая линза Френеля). Можно сделать кольца, закрывающие нечетные зоны Френеля, прозрачными, с толщиной, соответствующей дополнительному фазовому набегу l/2. В таком случае волновой фронт “красных” вторичных излучателей сместится и станет “зеленым”, см. рис. 3.

Рис.3 Волновой фронт вторичных излучателей за фазовой линзой Френеля

Реально фазовые линзы Френеля имеют два варианта исполнения. Первый представляет собой плоскую подложку с напыленными полуволновыми слоями в областях нечетных зон Френеля (более дорогостоящий вариант). Второй - это объемная токарная деталь (или даже полимерная штамповка по единожды сделанной матрице, вроде грампластинки), исполненная в виде “ступенчатого конического пьедестала” со ступенькой в полдлины волны фазового набега.

Таким образом, Френелевские линзы позволяют справиться с колимацией пучков большой поперечной апертуры, одновременно являясь плоскими деталями небольшого веса и относительно небольшой сложности изготовления. Эквивалентная по эффективности обычная стеклянная линза для маяка весит с полтонны и стоит немногим дешевле, чем линза для астрономического телескопа.

Обратимся теперь к вопросу о том, что произойдет при смещении источника света вдоль оси относительно линзы Френеля, спроектированной исходно для коллимации излучения источника в положении О (рис. 1). Исходное расстояние от источника до линзы (то есть исходную кривизну волнового фронта на линзе) заранее условимся называть фокусным расстоянием F по аналогии с обычной линзой, см. (рис. 4).

Рис. 4 Построение изображения точечного источника линзой Френеля

Итак, чтобы при смещении источника из положения О в положение А линза Френеля продолжала быть линзой Френеля, нужно, чтобы границы зон Френеля на ней остались прежними. А эти границы - это расстояния от оси, на котором пересекаются волновые фронты падающей и “проектируемой” волны. Исходно падающая имела фронт с радиусом кривизны F, а “проектируемая” была плоской (красным цветом на рис. 4). На расстоянии h от оси эти фронты пересекаются, задавая границу какой-то из зон Френеля,

где n - номер зоны, начинающейся на этом расстоянии от оси.

При перемещении источника в точку А радиус падающего волнового фронта увеличился и стал R1 (синий цвет на рисунке). Значит, нам надо придумать новую поверхность волнового фронта, такую, чтобы она пересеклась с синей на том же расстоянии h от оси, дав то же MN на самой оси. Мы подозреваем, что такой поверхностью проектируемого волнового фронта может быть сфера с радиусом R2 (зеленый цвет на рисунке). Докажем это.

Расстояние h легко рассчитывается из “красной” части рисунка:

Здесь мы пренебрегаем малым квадратом длины волны по сравнению с квадратом фокуса - приближение, полностью аналогичное параболическому приближению при выводе обычной формулы тонкой линзы. С другой стороны, мы хотим найти новую границу n-й зоны Френеля в результате пересечения синего и зеленого волновых фронтов, назовем ее h1. Исходя из того, что мы требуем прежней длины отрезка MN:

Наконец, требуя h=h1, получаем:

Это уравнение совпадает с обычной формулой тонкой линзы. Более того, оно не содержит номера n рассматриваемой границы зон Френеля, а значит, справедливо для всех зон Френеля.

Таким образом, мы видим, что линза Френеля может не только коллимировать пучки, но и строить изображения. Правда, нужно иметь ввиду, что линза все-таки ступенчатая, а не непрерывная. Поэтому качество изображения будет заметно ухудшено за счет примеси высших Фурье-компонент волнового фронта, обсуждавшихся в начале этого раздела.

То есть линзу Френеля можно использовать для фокусирования излучения в заданную точку, но не для прецизионного построения изображений в микроскопических и телескопических устройствах.

Все вышесказанное относилось к монохроматическому излучению. Однако можно показать, что путем аккуратного выбора диаметров обсуждавшихся колец можно добиться разумного качества фокусировки и для естественного света.

3. Моделирование и применение линз Френеля

Моделирование

Расчет можно провести для линз квадратной в плане формы и двух видов приемников (СЭ): круглой и квадратной формы. К числу конструктивных параметров линзы, задаваемых пользователем, относятся:

· размер стороны;

· фокусное расстояние;

· шаг профиля (постоянный);

· толщина несущего слоя.

Все расчеты производятся для условий освещения линз солнечным излучением со спектром, задаваемым пользователем в табличном виде (вместо солнечного спектра можно использовать спектр другого источника, например, имитатора солнечного излучения). Расчеты могут быть выполнены как для линз с защитном стеклом, так и без него.

Поток падающего излучения имитируется большим количеством конических пучков лучей с телесным углом, соответствующим видимому угловому размеру Солнца.

Пучки располагаются на входной поверхности стекла (или линзы, если стекла нет) случайным образом в соответствии с равномерным законом распределения. Угол меду осью конического пучка лучей солнечных лучей и оптической осью линзы определяется заданной точностью ориентации концентрирующей системы на Солнце.

Через каждый конечный элемент входной апертуры прослеживается ход 1280 лучей, что соответствует 64 точкам на солнечном диске и 20 длинам волн спектра его излучения для каждой точки диска.

Общее количество прослеживаемых лучей составляет более 2 млн. (с возможностью увеличения до 3,2 млн. при некотором снижении скорости вычислений), что позволяет корректно учитывать особенности спектра источника излучения, геометрию зубцов профиля линзы и моделировать ее хроматическую аберрацию (рис. 5).

Рис. 5 Схема прохождения световых лучей через преломляющие поверхности линзы Френеля.

Моделирование осуществляется в два этапа:

· На первом этапе с использованием процедуры оптимизации определяется профиль линзы (и матрицы), позволяющий минимизировать отрицательное влияние хроматической аберрации на концентрирующую способность системы «линза-приемник» (ячейки) при ее заданной эффективности.

· На втором этапе для линзы с оптимальным профилем, задавая размер и форму солнечного элемента, находящегося в фокальной плоскости линзы Френеля, и угол разориентации, можно определить как влияют эти параметры на коэффициент концентрации и оптический КПД системы «линза-солнечный элемент».

Концентратор солнечного излучения на базе линз Френеля

Данное устройство предназначено для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Известен концентратор солнечного излучения, состоящий из первичного параболоцилиндрического отражателя, софокусного с ним вторичного параболического отражателя и набора треугольных преломляющих призм, разлагающих солнечное излучение в спектр.

Солнечное излучение после отражения от вторичного концентратора попадает в виде псевдопараллельного потока на треугольные призмы, где разлагается в спектр.

Солнечные элементы (СЭ) разнородной спектральной чувствительности устанавливаются в соответствующих частях спектра, что повышает КПД преобразования энергии солнечного излучения за счет согласования спектральной чувствительности СЭ с излучением в спектре.

Применение

Тем не менее, уже есть положительный опыт построения и таких оптических систем. Перспективным направлением может быть построение космических телескопов диаметром в десятки и сотни метров, с использованием линз Френеля на основе тонких мембран.

Массово применяется в осветительных устройствах, особенно подвижных, для минимизации веса и затрат на перемещение.

Линзы Френеля применяются в крупногабаритных фокусирующих системах морских маяков, в проекционных телевизорах, оверхед-проекторах (кодоскопах),

Линзы Френеля в маяке, фотовспышках, навигационных огнях, светофорах, железнодорожных линзовых светофорах и семафорных фонарях и фонарях пассажирских вагонов.

Сверхплоская лёгкая лупа -- тонкий лист пластика, отлитый в форме линзы Френеля, оказывается удобным увеличительным стеклом для людей с пониженным зрением, вынужденных читать текст, напечатанный мелким шрифтом. Благодаря малой толщине, такая лупа используется как закладка и линейка.

Акустические линзы Френеля (в действительности -- не линзы, а акустические зонные пластинки Френеля) применяют при формирования звукового поля в акустике. Изготавливают из звукопоглощающих материалов.

Пластиковая плёнка в виде линзы Френеля, наклеенная на заднее стекло автомобиля, уменьшает мёртвую (невидимую) зону позади автомобиля при взгляде через зеркало заднего вида.

Перспективным в настоящее время считается использование линз Френеля в качестве концентратора солнечной энергии для солнечных батарей, позволившее довести КПД солнечных элементов до 44,7 %.

Линзы Френеля применяются в инфракрасных (пирометрических) датчиках движения охранных сигнализаций, в линзовых антеннах.

Заключение

В данном реферате мы рассмотрели основные вопросы по линзам Френеля, провели описание расчета линз, определили, как происходит моделирование при расчете, и определили сферы применения линз Френеля.

линза френель световой луч

Список использованной литературы

1. http://www.nkj.ru/archive/articles/15766/ (ссылка на статью из архива журнала «НАУКА И ЖИЗНЬ»)

2. http://technoexan.ru/products/photovoltaika/cat7.php

3. R. Leutz, A. Suzuki, Nonimaging Fresnel Lenses: Design and Performance of Solar Concentrators (2001), Springer

4. Ландсберг Г.С. Оптика. Учебное пособие. 6-е изд. (2003)

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.- М.: Наука, 1985.

6. Ландсберг Г.С. Оптика.- М.: Наука, 1976.

7. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.- С.90, 460.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Исследование распределения интенсивности света на экране с целью получения информации о свойствах световой волны - задача изучения дифракции света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля, увеличение интенсивности света с помощью зонной пластинки.

презентация , добавлен 18.04.2013


Отклонение лучей призмой. Линзы, их элементы и характеристики. Интерференция света и условия интерференционных максимумов и минимумов. Получение когерентных пучков. Дифракция света и построение зон Френеля. Поляризация света при отражении и преломлении.

реферат , добавлен 12.02.2016


Типы солнечных коллекторов: плоские, вакуумные и воздушные. Их конструкции, принцип действия, преимущества и недостатки, применение. Устройство бытового коллектора. Солнечные башни. Параболоцилиндрические и параболические концентраторы. Линзы Френеля.

реферат , добавлен 18.03.2015


Принцип Гюйгенса-Френеля и направления его практического применения. Метод зон Френеля: содержание и значение. Специфические особенности и обоснование дифракции от простейших преград и в параллельных лучах (Фраунгофера), на пространственных решетках.

презентация , добавлен 07.03.2016


Решение дифракционной задачи для открытого резонатора методом последовательных приближений при многократных переходах волны через резонатор. Интеграл Френеля-Кирхгофа и определение зависимости уровня дифракционных потерь для мод зеркала от числа Френеля.

презентация , добавлен 19.02.2014


Сущность явления дифракции света, его виды. Принцип Гюйгенса-Френеля. Характеристика принципа интерференции. Метод зон Френеля, особенности его применения. Дифракционные картины при различном числе щелей. Интерференционный максимум - пятно Пуассона.

презентация , добавлен 01.05.2016


Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии, на краю экрана, Фраунгофера от щели. Дифракционная решетка как спектральный прибор, принцип ее действия и сферы применения. Понятие и содержание голографии, ее значение.

презентация , добавлен 16.11.2012


Рассмотрение дифракции - отклонения световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий. Волновые свойства света. Принцип Гюйгенса–Френеля. Строение дифракционной решетки.

презентация , добавлен 04.08.2014


Обзор дифракции в сходящихся лучах (Френеля). Правила дифракции световых волн на круглом отверстии и диске. Схема дифракции Фраунгофера. Исследование распределения интенсивности света на экране. Определение характерных параметров дифракционной картины.

презентация , добавлен 24.09.2013


Особенность принципа Гюйгенса: каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Идеи Френеля о когерентности и интерференции элементарных волн. Закон отражения и закон преломления в изображении.

Несмотря на разнообразие инфракрасных датчиков движения, практически все они одинаковы по своей структуре. Основным элементом в них является пироприемник, или пиродетектор, который включает в себя два чувствительных элемента.

Зона обнаружения пироприемника – два узких прямоугольника. Чтобы увеличить зону обнаружения с одного луча прямоугольной формы до максимально возможного значения
и повысить ее чувствительность, используются собирающие линзы.

Собирающая линза по форме выпуклая, она направляет падающие на нее оптические лучи в одну точку F – это главный фокус линзы. Если использовать несколько таких линз, зона обнаружения увеличится.

Использование сферических выпуклых линз утяжеляет и удорожает конструкцию устройства. Поэтому в инфракрасных датчиках движения и присутствия используется линза Френеля.

Линза Френеля. История создания

Французский физик Огюст Френель в 1819 году предложил свою конструкцию линзы для маяка.

Линза Френеля образована от сферической линзы. Последнюю разделили на множество колец, уменьшенных по толщине. Так получилась плоская линза.

Благодаря такой форме, линзы начали изготавливать из тонкой пластиковой пластины, что позволило применять их в осветительных устройствах и датчиках движения и присутствия.

Линзы датчика состоят из множества сегментов, представляющих собой линзы Френеля. Каждый сегмент сканирует определенную область зоны охвата датчика. Формы линз датчиков движения определяют форму зоны обнаружения.

Например, у потолочных устройств форма линз – полусфера, соответственно 360 градусов. У устройств с цилиндрической формой линз она обычно составляет 110-140 градусов. Есть и квадратные формы зон обнаружения.

Линейка инфракрасных датчиков движения и присутствия компании B.E.G имеет высококачественные линзы Френеля, которые обеспечивают отличные параметры обнаружения.

ЛИНЗА ФРЕНЕЛЯ

В предыдущем разделе мы определились, что для освещения нашей LCD панели необходима линза Френеля, или "френель". Линза названа по имени ее изобретателя, французского физика Огюстена Жана Френеля. Первоначально использовалась в маяках. Основное свойство френели в том, что она легкая, плоская и тонкая, но при этом обладает всеми свойствами обычной линзы. Френель состоит из концентрических канавок треугольного профиля. Шаг канавок сопоставим с высотой их профиля. Таким образом, получается, что каждая канавка является как бы частью обычной линзы.

Нужно отметить, что в проекторе вместо одной френели используется пара. Если тебе попадется френель от оверхед-проектора, обрати внимание, что она с обеих сторон гладкая, т.е. на самом деле состоит из двух френелей, обращенных ребристыми поверхностями друг к другу и склеенных по периметру.

Зачем использовать две френели и можно ли обойтись одной?

Взгляни на схему и все станет ясно.

Если использовать только одну френель, необходимо, чтобы лампа находилась примерно в двойном фокусе. Лучи от лампы будут также сходиться примерно в двойном фокусе. Минимальное фокусное расстояние у доступных френелей составляет 220 мм. Это означает, что конструкцию придется сильно удлинить. Но самое главное -- при таком расстоянии от лампы до френели эффективный телесный угол лампы оказывается очень мал.

При использовании 2 френелей от обоих недостатков удается избавиться. Источник света располагается чуть ближе фокусного расстояния от левой френели, а она формирует "мнимый" источник за пределами двойного фокусного расстояния правой френели. После прохождения правой френели лучи будут сходится между фокусом и двойным фокусом.

Вернемся к нашей оптической схеме из предыдущего раздела (имеем в виду, что у нас две френели, хотя нарисована одна):

Помнишь, я говорил, что эта схема упрощена? Если бы все было так, как нарисовано, объектив нам был бы не нужен. Каждый луч от источника света проходил бы через единственную точку френели, затем через единственную точку на матрице и летел бы себе дальше, пока не наткнется на экран и не сформирует на нем точку нужного цвета. Для точечного источника и идеальной матрицы это было бы верно. Теперь добавляем реализма - неточечный источник.

В виду того, что у нас в качестве источника света используется лампа, т.е. светящееся тело вполне определенных, конечных размеров, реальная схема прохождения лучей будет выглядеть следующим образом:

1-й этап построения - левая френель формирует "мнимое изображение" электрической дуги лампы. Оно необходимо нам, чтобы правильно построить ход лучей через правую френель.

2-й этап построения - забываем про наличие левой линзы и строим ход лучей для правой линзы, как если бы "мнимое" изображение было реальным.

3-й этап - отбрасываем все лишнее и объединяем две схемы.

Нетрудно догадаться, что именно в той точке, где формируется изображение дуги лампы, нам и нужно установить объектив. Изображение дуги при этом несет в себе информацию о цвете каждого пикселя матрицы, через которую прошел свет (на рисунке не показана).

Какое фокусное расстояние должно быть у френелей?

Френель, обращенная к лампе, берется максимально короткофокусной для большего угла охвата. Фокусное расстояние второй френели должно быть на 10-50% больше фокусного расстояния объектива (1-2 см расстояние от френели до матрицы, сама матрица находится между фокусом и двойным фокусом объектива, в зависимости от расстояния от объектива до экрана). Фактически на рынке наиболее распространены френели с 2 значениями фокусных расстояний: 220 мм и 330 мм.

При выборе фокусного расстояния френелей нужно обращать внимание на тот факт, что, в отличие от обычных линз, френели капризны к углу падения света. Поясню двумя схемами:

Каприз заключается в том, что лучи, падающие на рифленую поверхность френели, должны быть параллельны оптической оси (или иметь минимальное отклонение от нее). В противном случае эти лучи "улетают вникуда". На левой схеме источник света находится приблизительно в фокусе левой линзы, поэтому лучи между линзами идут почти параллельно оптической оси и в итоге сходятся приблизительно в фокусе второй линзы. На правой схеме источник света расположен гораздо ближе фокусного расстояния, поэтому часть лучей попадает на нерабочие поверхности правой линзы. Этот эффект тем больше, чем больше расстояние от фокуса до источника и чем больше диаметр линзы.

1. Линзы должны размещаться рифлеными сторонами друг к другу, а не наоборот.

2. Источник света желательно располагать как можно ближе к фокусу первой линзы, и как следствие:

3. Возможности по перемещению источника света для регулировки точки схождения пучка в объектив ограничены всего несколькими сантиметрами, иначе - потрея яркости картинки по краям и появление муара.

Какого размера должны быть френели?

Из какого материала должны быть френели?

Наиболее доступны в настоящий момент френели из оптического акрила (оргстекла, иначе говоря). Они имеют отличную прозрачность и немного эластичны. Для нашей цели этого достаточно, учитывая, что качество френелей АБСОЛЮТНО НЕ ВЛИЯЕТ на резкость и геометрию картинки (только на яркость).

Как обращаться с френелями?

1. Не оставляй отпечатков пальцев на рифленой стороне френели. Тщательно мой руки с мылом перед любыми операциями над френелями. Лучше всего с момента покупки и до окончания экспериментов обернуть френели полиэтиленовой пленкой для упаковки продуктов.

2. Если отпечатки на рифленой стороне все-таки появились, НЕ ПЫТАЙСЯ их стереть. Никакие моющие средства (в т.ч. средства для мытья окон на основе нашатыря) не помогают, т.к. не проникают достаточно глубоко. Наружные ребра канавок при этом слегка скругляются, а между канавками забиваются частички от салфетки/ваты, используемой для протирки. В итоге френель начинает рассеивать лучи. Лучше оставить с отпечатками. Гладкую сторону протирать можно, но только будучи уверенным, что моющее средство не попадет на рифленую сторону.

3. Следи за температурным режимом. Не допускай нагрева френелей выше 70 градусов. При 90 градусах линзы начинают плыть, а пучок света теряет форму. Лично я запорол один комплект линз из-за этого. Для контроля температуры используй тестер с термопарой. Продается в любом радиомагазине.

ОБЪЕКТИВ

Что такое объектив и зачем он нужен, думаю, ты понял. Самое главное правильно его выбрать, а, выбрав, найти, где купить:) Для выбора нам необходимо знать 4 основные характеристики:

Количество линз

В принципе объективом может служит и одна линза, например лупа. Однако чем дальше от центра картинки, тем хуже будет ее качество. Появятся сферические искажения (абберации), хроматические абберации (за счет разных углов преломления лучей различных длин волн белая точка, например, превращается в кусочек радуги), потеря резкости. Поэтому для достижения максимального качества картинки используются ахроматические объективы из 3 или более линз. Такие использовались в эпидиаскопах, старых фотокамерах, аппаратах для аэрофотосъемки и т.п. В оверхед-проекторах также используются трехлинзовые объективы, но такие модели проекторов дороже, чем модели с однолинзовыми объективами.

Фокусное расстояние

От фокусного расстояния объектива зависит, на каком расстоянии от исходного объекта (матрицы) его нужно расположить и какого размера изображение на экране ты получишь. Чем больше фокусное расстояние, тем меньше размер экрана, тем дальше от экрана можно разместить проектор, тем длиннее корпус проектора. И наоборот.

Угол зрения

Показывает, какого размера исходное изображение может охватить объектив, сохраняя приемлемую яркость, резкость (разрешающую способность) и т.п. "Приемлемое" - понятие растяжимое. Если для аэрофотообъектива в паспорте указан угол зрения, например, 30 градусов, это может означать, что реально он охватит и 50 градусов, но резкость по краям для аэрофотосъемки уже не годится, зато для нашего проектора, где не нужна большая разрешающая способность, вполне подойдет.

Светосила и относительное отверстие

Относительное отверстие, если упрощенно -- отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию. Обозначается в виде дроби, например 1:5,6, где 5,6 - "диафрагменное число". Если у нас есть объектив с диаметром внутренней линзы 60 мм и фокусным расстоянием 320 мм, его относительное отверстие будет равно 1:5,3. Чем больше относительное отверстие (меньше диафрагменное число), тем больше светосила объектива - способность передавать яркость объекта - и тем обычно хуже резкость/разрешающая способность.

Каким должно быть относительное отверстие?

Относительное отверстие можно найти, зная диаметр линз и фокусное расстояние. Применительно к нашей оптической схеме можно сказать, что диаметр линз объектива должен быть не меньше размера изображения дуги лампы, формируемого френелями. Иначе часть света лампы будет потеряна.

Тут настало время сделать еще одно уточнение к нашей оптической схеме.

Очевидно, что матрица рассеивает проходящие сквозь нее лучи. Т.е. каждый луч, попадающий на матрицу, выходит из нее уже в виде пучка лучей с различным угловым отклонением. В итоге изображение дуги лампы в плоскости объектива оказывается "расплывчатым", увеличивается в размерах, однако продолжает нести в себе информацию о цветах пикселей матрицы.

Наша задача - собрать это "расплывчатое изображение дуги" объективом полностью.

Отсюда вывод: относительное отверстие объектива должно быть таким, чтобы собрать изображение лампы, но не более того.

Какими должны быть фокусное расстояние и угол зрения?

Эти параметры определяются размером исходного изображения (матрицы), расстояния от объектива до экрана и размером желаемого изображения на экране.

F объектива=L*(d/(d+D)), где

L-расстояние до экрана

d-диагональ матрицы

D-диагональ экрана

Вот калькулятор для расчетов (содранный с www.opsci.com , слегка адаптированный и переведенный на понятный язык)