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).

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.

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.

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.

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. Их оптическая система состояла из восьми квадратных линз Френеля со стороной 2,5 м, имевших фокусное расстояние 920 мм.

С тех пор прошло 190 лет, но конструкции, предложенные Френелем, остаются непревзойдённым техническим устройством, и не только для маяков и речных бакенов. В виде линз Френеля до недавнего времени делали стёкла различных сигнальных фонарей, автомобильных фар, светофоров, деталей лекционных проекторов. И уж совсем недавно появились лупы в виде линеек из прозрачного пластика с еле заметными круговыми бороздками. Каждая такая бороздка - миниатюрная кольцевая призма; а все вместе они образуют собирающую линзу, которая может работать и как лупа, увеличивая предмет, и как объектив фотоаппарата, создавая перевёрнутое изображение. Такая линза способна собрать свет Солнца в маленькое пятнышко и поджечь сухую доску, не говоря уж о листке бумаги (особенно чёрной).

Линза Френеля может быть не только собирающей (положительной), но и рассеивающей (отрицательной) - для этого нужно кольцевые призмы-бороздки на куске прозрачного пластика сделать другой формы. Причём отрицательная френелевская линза с очень коротким фокусным расстоянием имеет широкое поле зрения, в нём в уменьшенном виде помещается кусок пейзажа, в два-три раза больший, чем охватывает невооружённый глаз. Такие «минусовые» пластинки-линзы используют вместо панорамных зеркал заднего вида в больших автомобилях типа микроавтобусов и универсалов.

Грани миниатюрных призмочек можно покрыть зеркальным слоем - скажем, напылив алюминий. Тогда линза Френеля превращается в зеркало, выпуклое или вогнутое. Изготовленные с использованием нанотехнологий, такие зеркала применяют в телескопах, работающих в рентгеновском диапазоне. А отштампованные в гибком пластике зеркала и линзы для видимого света настолько просты в изготовлении и дёшевы, что их выпускают буквально километрами в виде лент для оформления витрин или штор для ванных комнат.
Были попытки использовать линзы Френеля при создании плоских объективов для фотоаппаратов. Но на пути конструкторов встали трудности технического характера. Белый свет в призме разлагается в спектр; то же происходит и в миниатюрных призмочках линзы Френеля. Поэтому она имеет существенный недостаток - так называемую хроматическую аберрацию. Из-за неё на краях изображений предметов появляется радужная кайма. В хороших объективах кайму ликвидируют, ставя дополнительные линзы. Так же можно было бы поступить и с френелевской линзой, но плоского объектива тогда уже не получится.

Френелевская линза-линейка фокусирует солнечные лучи не хуже, а даже лучше (потому что она больше) обычной стеклянной линзы. Солнечные лучи, собранные ею, мгновенно прожигают сухую сосновую доску.

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.

Давний спор исследователей о природе света - волновая она или корпускулярная - в общих чертах разрешился в конце XVII века, когда Христиан Гюйгенс издал свой «Трактат о свете» (1690). Гюйгенс считал, что каждая точка пространства (в его описании - эфира), через которую проходит световая волна, становится источником вторичных волн. Поверхность, их огибающая, - это распространяющийся волновой фронт. Принцип Гюйгенса решал задачи отражения и преломления света, но не смог объяснить хорошо известное явление - его прямолинейное распространение. Парадоксальным образом причиной этого было то, что Гюйгенс не рассматривал отступления от прямолинейности - дифракцию света (огибание препятствий) и его интерференцию (сложение волн).

Этот недостаток восполнил в 1818-1819 годах Огюстен Френель, инженер по образованию и физик по интересам. Он дополнил принцип Гюйгенса процессом интерференции вторичных волн (введённых Гюйгенсом чисто формально, то есть для удобства расчётов, без физического содержания). За счёт их сложения и возникает фронт результирующей волны, реальная поверхность, на которой волна имеет заметную интенсивность.

Поскольку все вторичные волны порождены одним источником, они имеют одинаковые фазы, то есть когерентны. Френель предложил мысленно разбить поверхность сферической волны, идущей из одной точки О, на зоны такого размера, чтобы разность расстояний от краёв соседних зон до некой выбранной точки F были равны λ/2. Лучи, исходящие из соседних зон, в точку F придут в противофазе и при сложении ослабят друг друга до полного исчезновения.

Обозначив амплитуду колебаний световой волны, пришедшей из зоны m как Sm, суммарное значение амплитуды колебаний в точке F

S = S0-S1+S2-S3+S4+...+Sm=S0-(S1-S2)-(S3-S4)-...-(Sm-1-Sm)

Поскольку S0>S1>S2>S3>S4... выражения в скобках положительны и S меньше, чем S0. Но насколько меньше? Расчёты суммы знакопеременного ряда, которые провёл американский физик Роберт Вуд, показывают, что S=S0/2±Sm/2. А поскольку вклад дальней зоны чрезвычайно мал, интенсивность света дальних зон, поступая в противофазе, уменьшает действие центральной зоны в два раза.
Поэтому, если центральную зону закрыть маленьким диском, освещённость в центре тени не изменится: туда за счёт дифракции попадёт свет из следующих зон. Увеличивая размер диска и последовательно закрывая следующие зоны, можно убедиться в том, что в центре тени будет оставаться яркое пятно. Это теоретически доказал в 1818 году Симеон Дени Пуассон и посчитал свидетельством ошибочности теории Френеля. Однако эксперименты, которые проделали Доменик Араго и Френель, пятно обнаружили. С тех пор оно называется пятном Пуассона.

Для успеха опыта необходимо, чтобы края диска точно совпадали с границами зон. Поэтому на практике используют миниатюрный шарик от подшипника, наклеенный на стекло.

Ещё один парадокс волновых свойств света. Поставим на пути луча экран с маленьким отверстием. Если его размер равен диаметру центральной зоны Френеля, освещённость за экраном будет больше, чем без него. Но если размер отверстия охватит и вторую зону, свет от неё придёт в противофазе, и при сложении со светом из центральной зоны волны взаимно уничтожатся. Увеличивая диаметр отверстия, можно уменьшить освещённость за ним до нуля!

Итак, суммарная амплитуда всей сферической волны меньше, чем амплитуда, создаваемая одной центральной зоной. А поскольку площадь центральной зоны меньше 1 мм2, получается, что световой поток идёт в виде очень узкого луча, то есть прямолинейно. Так теория Френеля с волновой точки зрения объяснила закон прямолинейного распространения света.

Хорошим примером, иллюстрирующим метод Френеля, служит опыт с его зонной пластинкой, которая работает как собирающая линза.

На большом листе бумаги нарисуем ряд концентрических кругов с радиусами, пропорциональными корням квадратным из чисел натурального ряда (1, 2, 3, 4...). При этом площади всех получившихся колец будут равны площади центрального круга. Зальём тушью кольца через одно, причём неважно, оставить ли центральную зону светлой или сделать её чёрной. Получившуюся чёрно-белую кольцевую структуру сфотографируем с большим уменьшением. На негативе получится зонная пластинка Френеля. Диаметр её центральной зоны определяет формула D=0,95√λF, где λ - длина волны света, F - фокусное расстояние линзы-пластинки. При λ=0,64 мкм (красный свет) и F=1 м D≈0,8 мм. Если центральную зону такой пластинки навести на яркую лампочку, то вся она начнёт светиться подобно собирающей линзе. Если её скомбинировать с окуляром из слабой линзы, получится подзорная труба, способная дать резкое изображение нити накаливания лампочки. А из двух зонных пластинок можно построить телескоп по схеме Галилея (объектив - пластинка с большим фокусным расстоянием, окуляр - с малым). Он даёт прямое изображение, как театральный бинокль.

Из всего изложенного становится понятно, как малое отверстие может играть роль объектива, именуемого стенопом или пинхолом. Оно соответствует центральной зоне фазовой пластинки Френеля. Именно поэтому стеноп не имеет никаких аберраций, кроме хроматической, - ведь сквозь неё лучи проходят без искажений.

Световая волна, прошедшая сквозь зонную пластинку, даёт результирующую амплитуду S=S0+S2+S4+... - в два раза большую, чем свободная волна: зонная пластинка работает как собирающая линза. Ещё больший эффект получится, если не задерживать свет чётных зон, а изменить его фазу на обратную. Интенсивность света при этом возрастает в четыре раза.

Такую пластинку в 1898 году изготовил Роберт Вуд покрыв стекло слоем лака и сняв его с нечётных зон, так что разность хода лучей в них составляла λ/2. Стеклянную пластинку, покрытую лаком, он поместил на вращающийся столик. Резец - им служила граммофонная игла - срезал слои лака, для внешних зон было достаточно одного прохода иглы, а на внутренних игла двигалась по узкой спирали, последовательно снимая несколько сливающихся бороздок. Диаметр зон и их ширину контролировали в микроскоп.

Интересно было бы попробовать сделать такую пластинку, используя диск проигрывателя.

Напоследок ещё один парадокс волновой оптики. Как уже говорилось, совершенно неважно, прозрачна центральная зона или нет. Это значит, что роль объектива-стенопа (или пинхола) может играть не только маленькое отверстие, но и крошечный шарик, диаметр которого равен размеру центральной зоны Френеля.

Сергей Транковский.
Журнал «Наука и жизнь», №5-2009.

Я обещал начать рассказывать о студийных приборах и начну с линзы Френеля. В обычной фотостудии, сдаваемой в аренду вы её вряд ли найдете. Первая причина в том, что она достаточно дорогая, а вторая — большинство тех, кто приходит в такие студии про линзу Френеля ничего не знают.
А порочная идея: «Если вы не знаете зачем вам это нужно — вам это не нужно» делает своё дело. Иногда нужно просто попробовать.

слева: Линза Френеля, справа: обычная линза

Итак, линза Френеля выполняла изначально две функции:

1) уменьшала вес линзы т.к. если линзу делать стандартной формы, то, например, линза для маяка может весить и пару тонн.

2) собирала весь свет в пучок, сохраняя мягкие границы пучка света. Это тоже использовалось на маяках, так как позволяло светить очень ярко.

В дальнейшем оба этих свойства были успешно использованы кинематографом, в том числе Голливудом. А так как Голливуд прославился на весь свет своими фильмами, то и свет стал называться «голливудским».

Иллюстрация из книги «Hollywood portraits» . Весьма, кстати, полезная книга. В ней описана идеология работы с источниками, оснащенными линзами Френеля (ссылка в конце статьи). Также принято их называть спотами, т.к. они дают пятно.

Работа со светом пятнами — это профессиональная работа фотографа. Пятна с мягко растушеванными границами плавно перетекают друг в друга, позволяя сохранять естественность светотеневого рисунка.

здесь два пятна света: оранжевый и синий, которые мягко перетекают друг в друга, почти не гася друг друга

на фото: на заднем плане 11 спотов, которые формируют букву P (Скорее всего от Paramount). Такое возможно только в крупных киностудиях.

Приборы для постоянного света существовали еще с начала 20-ого века, а что же со вспышками? Ведь постоянный свет требует длинных выдержек, сильно греет и с ним неудобно работать, используя цветные гели т.к. падает мощность.

У вспышек нет таких недостатков и многие серьезные производители выпустили свои варианты спот-приборов. Например, у любимого мной Broncolor есть аж два таких прибора.

Broncolor Pulsospot 4

и, основной прибор с линзой Френеля...

Broncolor Flooter

Устройство этих приборов не менялось уже целый век и оно довольно простое.

Внутри прибора Broncolor Pulsospot 4 две лампы: импульсная лампа-вспышка и галогеновая лампа пилотного света. За лампами расположен пароболический металлический отражатель, а сами лампы стоят на рельсах и могут перемещаться ближе к линзе Френеля или дальше. Отъезжая вглубь корпуса прибора мы получаем пятно меньшего диаметра и наоборот. Это все. Больше ничего нет, кроме вентилятора.
Угол светового конуса от 15 до 40 градусов.

линза Френеля

Broncolor Flooter — это вообще насадка на стандартную световую головку. Её преимущество в более крупной линзе Френеля, которая позволяет получить более крупное пятно. Также позволяет использовать лампы HMI (постоянный свет, металло-галогенная лампа).
Угол светового конуса от 15 до 70 градусов.

Цена первого и второго приборов около 5000 usd (приборы автономно не работают, нужно подключать к студийному генератору).

Свет мягкий, и очень управляемый. А прибор компактный. Оттого с ним вдвойне приятно работать. Моделей я с ним еще не снимал, так как получил его недавно.

Жалко, что он у меня пока один и не получится сделать снимок, полностью освещеннный пятнами света от таких приборов, имитируя голливудский свет. Но можно сделать свет от спота основным, а местами подсветить, скажем, портретной тарелкой и мягким рассеивателем, грубо имитируя спот.

Вот такой вот лёгкий студийный «инсайт», а вскорости, надеюсь, дополнить статью снимками моделей.

Книгу Hollywood portraits очень советую почитать. Там есть и схемы освещения. Ссылка на неё ниже.

Снимки, с использование светильников с линзой Френеля, любезно предоставленные Вадимом (Blitzphoto)

Женский портрет
Схема: рисующий 650 Вт, контровой 650 Вт, заполняющий 650 Вт через зонт, фоновый 300 Вт. Фотоаппарат Sony a7, объективы везде разные — SMS Pentax-M 75-150/4, SMS Pentax-M 100/2,8, SMS Pentax-A 135/2,8. Чувствительность 1000 ед., выдержка менялась в районе 1/160, 5,6.
Ретушь — плагин Portraiture

Мужской портрет
Ретуши не было — поэтому хорошо видно как рисует направленный прожектор. Фотокамера опять Sony a7, оптика везде SMS Pentax-M 75-150/4, диафрагма 5.6, выдержка 1/125, чувствительность 500 ед. Схема освещения аналогична предыдущей съёмке, за некоторым исключением — на двух снимках в сцену введён ещё один светильник, Френель на 300 вт. На снимке 02 он с другим таким же светит на фон, а на снимке 04 подсвечивает руки.

Линза, составленная из примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины

Анимация

Описание

Линза Френеля - один из первых (если не вообще первый исторически) приборов, действие которого основано на дифракции света. Несмотря на свою древность, он и по сей день не утерял своего практического значения. Скелетная схема физической идеи, на которой основано его действие, представлена на рис. 1.

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

Рис. 1

Строгое рассмотрение этого принципа действия требует довольно громоздкого и не вполне “прозрачного” для качественного понимания математического аппарата. Поэтому в настоящем кратком описании мы ограничимся качественным изложением, на основе простых геометрических “картинок” - позволяющим тем не менее легко понять основные физические принципы действия изделия. Тем же читателям, которым требуется более фундаментальное рассмотррение, советуем обратиться к цитированной литературе.

Пусть 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. Давайте зададимся благородной целью как-нибудь “переделать” эту волну в плоскую, распространяющуюся вдоль пунктирной оси. Несколько волновых фронтов этой “проектируемой” волны, отстоящих друг от друга на l/2, изображены на рисунке 1.

Для начала заметим следующее. Мы хотим “сконструировать” плоскую волну из имеющейся сферической в свободном пространстве. Поэтому, в соответствие с принципом Гюйгенса-Френеля, “источниками” нашей проектируемой волны могут служить лишь электромагнитные колебания в имеющейся. Нас не устраивает пространственное распределение фазы этих колебаний, то есть волновой фронт (сферический) исходной волны. Давайте попробуем его “подправить”.

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.

Эквивалентное распределение фазы вторичных излучателей в пространстве

Рис. 2

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, к величайшему сожалению, 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). А давайте-ка эти вредные нечетные зоны просто геометрически закроем непрозрачными кольцами. Так и делается в крупногабаритных фокусирующих системах морских маяков. Конечно, этим мы не добьемся идеальной коллимации пучка. Мы же видим, 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). Давайте теперь сделаем 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.

Волновой фронт вторичных излучателей за фазовой линзой Френеля

Рис. 3

Иными словами, нам удалось сделать исходно вредный вклад в нулевую Фурье-компоненту от нечетных зон Френеля - полезным, поменяв его знак за счет полуволнового фазового смещения. Такой подход используется в более малогабаритных линзах Френеля, в частности в линзах коллимации подсветки, используемых в стандартных лекционных проекторах “прозрачек” на экран.

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 пол-длины 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. Дело здесь в том, что при таких масштабах изделия главная сложность состоит уже не в обработке поверхности линзы, а в получении достаточно оптически однородной исходной стеклянной отливки. Поэтому френелевские линзы - один из немногих примеров научной разработки, нашедшей немедленное и широкое практическое применение (это в начале девятнадцатого века-то!), и “не снятой с вооружения” вот уже 2 века.

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.

Построение изображения точечного источника линзой Френеля

Рис. 4

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, MN=n l /2, n - номер зоны, начинающейся на этом расстоянии от оси.

При перемещении источника в точку А радиус падающего волнового фронта увеличился и стал R 1 (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 R 2 (зеленый цвет на рисунке). Докажем это.

Расстояние h легко рассчитывается из “красной” части рисунка:

(1)

Здесь мы пренебрегли 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 h 1 . Исходя из того, что мы требуем прежней длины отрезка MN :

(2)

Наконец, требуя h=h 1 , 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.

Еще одно замечание напоследок. 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. Соответствующая математика достаточно сложна, поэтому остановимся на последнем словесном утверждении.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -15 до -13);

Время существования (log tc от 15 до 15);

Время деградации (log td от -15 до -13);

Время оптимального проявления (log tk от -1 до -1).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффектов

Техническая реализация эффекта достаточно проста. Сферическая волна от точечного источника (попросту расходящийся пучок гелий-неонового лазера после фокусировки линзой с фокусным расстоянием 3 см, точечный источник - фокальная перетяжка пучка) падает нормально на стеклянный экран, удаленный на расстояние порядка 1-2 метра. На экране размечаются окружности границ зон Френеля (внутренняя имеет диаметр порядка 3 мм), и нечетные зоны закрашиваются черной тушью. При этом прошедший пучок коллимируется в примерно параллельный.

Применение эффекта

Линзы Френеля, как фазовые так и амплитудные, широко используются в технике для коллимирования пучков света большой апертуры, для которых применение обычных сферических линз и зеркал затруднительно. Примеры обсуждались выше в содержательной части.

Литература

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

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

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

Ключевые слова

• интерференция
• дифракция
• зона Френеля
• принцип Гюйгенса-Френеля
• фокусное расстояние
• коллимация
• изображение
• длина волны

Разделы естественных наук: