Fresnel-Linse

(1) Querschnitt einer Fresnel-Linse (Scheinwerferlinse)
(2) Querschnitt einer normalen Linse mit gleichem Durchmesser und gleicher Brennweite

Eine Fresnel-Linse [fʀɛˈnɛl-] oder genauer eine Fresnelsche Stufenlinse ist eine optische Linse, die um 1822 von dem französischen Physiker Augustin Jean Fresnel erfunden und ursprünglich für Leuchttürme gebraucht wurde. Durch das angewendete Bauprinzip werden generell Gewicht und Volumen großer Linsen kleiner, was sich besonders bei Linsen mit kurzer Brennweite auswirkt, die in normaler Form sehr dick und schwer sind.

Aufbau

Die Verringerung des Volumens geschieht bei der Fresnel-Linse durch eine Aufteilung in ringförmige Bereiche. In jedem dieser Bereiche wird die Dicke verringert, sodass die Linse eine Reihe ringförmiger Stufen erhält. Da Licht nur beim Passieren der Linsen-Oberflächen gebrochen wird, ist der Brechungswinkel nicht von der Dicke, sondern nur von dem Winkel zwischen den beiden Oberflächen abhängig. Die Linse behält ihre Brennweite bei, aber die Abbildungsqualität wird durch die Stufenstruktur verschlechtert.

Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Bauformen von Fresnel-Linsen: Scheinwerferlinsen und Gürtellinsen. Scheinwerferlinsen sind rotationssymmetrisch zur optischen Achse.^[1] Sie bündeln das Licht in eine Richtung. Eine Gürtellinse ist ein Hohlzylinder, in dessen Mittelpunkt sich die Lichtquelle befindet, deren Licht in eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse gebündelt wird.^[2]

Anwendung

Fresnel-Linsen werden dort eingesetzt, wo das Gewicht der Linsen ausschlaggebend und die Abbildungsqualität zweitrangig ist.

Gürtellinsen kommen bei Schiffslaternen und Leuchtfeuern vor. Bei Leuchtfeuern umspannen sie oftmals nicht einen vollen Kreis, sondern lassen den Bereich über dem Festland frei und bestehen wegen ihrer Größe vielfach nicht aus einem Stück.

Scheinwerferlinsen kommen bei Leuchtfeuern ebenfalls häufig vor. Bei Richtfeuern wird nur eine Linse verwendet. Bei Drehfeuern ist die Linse meistens aus mehreren schmalen Scheinwerferlinsen-Feldern zusammengesetzt.^[3]

Scheinwerferlinsen werden auch in Frontscheinwerfern von Automobilen verwendet. Hinter einem Rückprojektionsbildschirm befindet sich eine Fresnel-Scheinwerferlinse. Außerdem wird diese Linse in speziellen Scheinwerfern für Veranstaltungs- und Theatertechnik verwendet. Hochwertige Scheinwerfer für Film- und TV-Beleuchtung sind zum Großteil als Stufenlinsenscheinwerfer ausgeführt. Diese Konstruktion ermöglicht, neben einer gleichmäßig flächigen Ausleuchtung mit weicher Kante, eine stufenlose Regulierung des Lichtaustrittswinkels. Die Fresnel-Linse dieser Scheinwerfer wird mattiert ("gefrostet") um eine Projektion der Stufenringe zu vermeiden.

Billige Scheinwerferlinsen sind aus Kunststoff gepresst und finden in Tageslichtprojektoren, bei Passiv-Infrarotsensoren, bei einfachen Handlupen, bei Automobil-Rücklichtern und als Weitwinkellinsen(-folien) in Automobil-Heckscheiben und Ladenkassen (Kontrolle der Einkaufswagen) Verwendung.

Weitere Anwendungen findet das Prinzip bei Einstellscheiben im Sucher von Spiegelreflexkameras mit mehr oder weniger großem Fresnel-Stufenlinsenbereich oder bei Streufolien mit kleinen Fresnellinsen-Quadraten zum Aufkleben auf Fensterscheiben.

Neue Anwendungen ergeben sich in der Solartechnik, da mit Linsen höhere Wirkungsgrade bei Solarstrommodulen erreicht werden können.^[4] Bei Sonnenwärmekraftwerken kommen Fresnel-Spiegel-Kollektoren zur Anwendung.

Anmerkung: Die Fresnel-Zonenplatte hat technisch nichts mit der Fresnel-Linse zu tun, obwohl sie auch als Linse wirkt.

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  Scheinwerferlinse im Rücklicht eines Autos

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  Schiffslaterne mit einteiliger Gürtellinse

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  Teil-Gürtellinse aus dem Loschen-Leuchtturm Bremerhaven (Spannwinkel 60°)
  

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  Lichtquelle und Drehlinse
  im Leuchtturm Dornbusch auf Hiddensee

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  Lichtquelle und Drehlinse im Leuchtturm Amrum bei Wittdün

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  Alte Fresnel-Optik mit Bogenlampe aus dem Leuchtturm Cabo Vilán

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  Abbildung eines Froschs (links vorn) mit dünne Fresnellinse (links hinten); Bild und Linse: rechts

Literatur

• Dietrich Kühlke: Optik. Harri Deutsch Verlag, 2004, ISBN 3817117418, S. 122.

Weblinks / Referenzen

• Der Studioscheinwerfer als typischer Fresnellinsenscheinwerfer

Einzelnachweise

1. ↑ Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Scheinwerferlinsen. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
2. ↑ Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Gürtellinsen. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
3. ↑ Informationen zu Leuchtfeueroptiken: Drehlinsen: Bild 3. Fachstelle für Verkehrstechniken. Abgerufen am 30. Dezember 2010.
4. ↑ Rolf Hug (17. April 2008): Konzentrator-Photovoltaik bringt die Sonne auf den Punkt: neue deutsche Technologie für effiziente Solar-Kraftwerke. Der Solarserver. Abgerufen am 30. Dezember 2010.