בצורתה המסחרית לציבור, מופיעה עדשת פרנל, כלוח פלסטיק דק, קל משקל, ונוח לשימוש.

יש עדשות פרנל שקופות, להעברה של אור, ויש עדשות פרנל המודבקות על מראה מישורית, ומשמשות להחזרה של אור.

ראה תמונה:

עדשת פרנל רגילה, בנויה מחומר הנקרא: Acetate Butyrate, בו יצרו, באמצעות מכבש, מדרגות מעגליות , שכל אחת מהן מתחילה במקום שבו נפסקת הקודמת לה. ראה איור:

המדרגות מתוכננות כך שכל אלומת קרניים מקבילות הפוגעות בהן תמוקדנה למוקד אחד.

כל טבעת מהווה חתך של משטח עדשה קמורה.

כאשר משתמשים בעדשת פרנל למיקוד אנרגיית השמש, יש להקפיד על כללי בטיחות, מכיוון שיכולת איסוף הקרינה של עדשת פרנל גבוהה ביותר, והטמפרטורה המתקבלת במוקד, יכולה להגיע למאות מעלות.

למה שימשו עדשות פרנל?

שימושן העיקרי של עדשות פרנל, מהמצאתן ועד לאמצע המאה העשרים, היה כעדשות זכוכית גדולות במרומי המגדלורים. מטרת עדשת פרנל במגדלור, היא לאסוף את מכסימום האור הנפלט ממנורה חזקה, ולשלוח אותו כאלומת אור מקבילה למרחק הרב ביותר.

המנורה בראש המגדלור, שהספקה אלפי וואטים, נמצאת במוקד של עדשת פרנל.

תמונה של עדשת פרנל גדולה, מהסוג ששימש בראש מגדלור, מופיעה בתמונה:

השתלשלות היסטורית של עדשת פרנל

הסבר מפורט על ההשתלשלות ההיסטורית של המצאת עדשת פרנל, פורסם במאמר:

B.A. Anicin et al.: "Fresnel Lens", Am. J. Physics, Vol. 57(4), pp. 312-316, Apr. 1989.

זהו מאמר, עם קטעים (בצרפתית) מהספר המקורי שנכתב על ידי פרנל, המתאר את חייו ואת פיתוח עדשת פרנל.

בתקופת שיא בספנות באירופה במאה ה 18, חיפשו בצרפת דרך לשפר את המגדלורים בחופי נורמנדי ובריטני.

בשנת 1819 מינתה הממשלה הצרפתית את פרנל (שהיה בן 34) לפתח מערכת הארה משופרת למגדלור.

פרנל ניסה לבדוק את אפשרות השימוש במספר עדשות המקיפות את מקור האור, במקום עדשה אחת ומחזיר אור מאחוריה כפי שהיה נהוג עד אז.

מול מקור האור הניח עדשות קמורות, ומתחתיו ומעליו השתמש במנסרות להטיית האור לכיוון הנדרש.

סיבוב מערכת העדשות אפשר ליצור אפקטים של היבהובים בתדירויות מוגדרות, ושימוש בלוחות זכוכית צבעוניים לפני העדשה יצר אותות אור צבעוניים.

בצורה כזו קיבל כל מגדלור את אותות האור האופייניים רק לו, כך שעל פי האור ניתן היה לזהות את המגדלור.

השימוש במספר אלמנטים אופטיים הקל על הייצור ההובלה וההרכבה של מערכת העדשות על המגדלור.

פרנל נפטר בשנת 1827, ולא הספיק לראות את המצאתו מתפשטת לכל העולם.

מה הרעיון מאחורי עדשת פרנל?

לפני שבא פרנל עם המצאתו, היו בעיות רבות, מכיוון שהעדשות, בהן השתמשו להפיכת אלומת האור למקבילה, היו עדשות זכוכית עבות וגדולות. לעדשות אלו היה צורך להשתמש בכמות גדולה של זכוכית, ולכן היו בעלות משקל כבד, ומחירן היה גבוה. משקלה של עדשה מספיק גדולה, כך שתקלוט כמות אור רבה, הגיע למאות קילוגרמים, ומשקל זה הקשה על מנגנון הסיבוב.

בשנת 1748 גילה בופון (George de Buffon) שלמעשה, בעדשה קמורה מצד אחד ומישורית בצידה השני, רק צד אחד של העדשה (הצד הקמור) מספיק כדי להשיג את אפקט הטיית האור. לכן, הוא חתך החוצה את החלקים הפנימיים של העדשה, כך שנוצרו עיגולים עם קירות בצד הפנימי, כפי שרואים באיור המתאר חתך של העדשה המקורית, והאזורים הצבועים מסמנים את הקטעים שהוצאו.

פרנל ניסה למצוא דרך זולה יותר לייצור העדשה שהציע בופון, וכך, מצא שניתן להוריד למישור אחד את משטחי הבליטות שנוצרו בעדשת בופון, וליצור משטח ועליו טבעות קונצנטריות בצורת מנסרות (פריזמות) צפופות:

לכל אחת מהטבעות צורת חתך של טרפז, המורכב מקו ישר בבסיס, וקו אלכסוני בחלק העליון. זווית הנטייה של הקו העליון גדלה עם גידול רדיוס הטבעת (מרחק ממרכז העדשה). כפי שרואים בתמונה:

המצאה זו שהמציא אוגוסטין זאן פרנל (Augustin Jean Fresnel) משנת 1822, משמשת בכל המגדלורים, וכן במספר רב של שימושים בחיי יום יום, כגון: מקרן שקפים.

עדשת פרנל במגדלור הגדילה את כמות האור שנאסף מהמנורה פי 5, ובהתאם את המרחק אליו יכול היה האור להגיע, כדי לסמן לאוניות על מיקום החוף. כאשר מנורת המגדלור הייתה בגובה של לפחות 30 מטרים, ניתן היה לראות את אורה למרחק של למעלה מ 25 קילומטרים בים.

בצורה כזו נוצרה עדשה כמעט ללא עובי, ולכן קלת משקל. עדשה זו ניתן לייצר בכמויות גדולות ובזול, בתהליך יציקה של זכוכית לתבנית, או באמצעות הטבעה (במכבש) של הצורה בפלסטיק.

כיצד מסווגים את עדשות פרנל למגדלורים?

נהוג לחלק את עדשות פרנל לפי סדרים (Orders).

נקבעו 11 סדרים בהתאם לגודל, למרחק המנורה מהעדשה, ולכמות האור של המנורה שהמערכת אוספת.

כיום נשארו בשימוש בעיקר 7 סדרים:

החלש ביותר הוא סדר 6, ומשמש בעיקר לאגמים ומפרצים.

החזק יותר הוא מסדר 1, ושימש על החופים לסמן את מיקום החוף לאוניות באוקיינוסים ובימים.

עדשה מסדר ראשון, גובהה כ 3 מטרים, והיא מורכבת ממספר רב של מנסרות (מסדר גודל של אלף!).

מהו העיקרון הפיזיקלי עליו מבוססת עדשת פרנל?

מכיוון שמנסרה מלבנית אינה משנה את כיוון התקדמות האור הפוגע בה (פרט להזזה קטנה של מיקום האלומה, ללא שינוי כיוון), ניתן בעדשה קמורה, להוציא את כל החלקים המורכבים ממנסרות מלבניות.

תופעת שינוי כיוון התקדמות האור מבוטאת על ידי חוק סנל, ונובעת ממהירות התקדמות שונה של האור, בתווכים בעלי מקדם שבירה שונה.

מכאן, שרק במעבר בין תווך לתווך (במשטח הגבול בין האוויר לחומר העדשה) מבוצע שינוי הכיוון.

עדשות פרנל המקוריות היו בנויות מזכוכית, והיו מורכבות ממספר קטן של טבעות (מסדר גודל של 10). שימושן היה רק  לצורך איסוף האור מהמנורה, ושליחתו כאלומת אור מקבילה.

עדשות פרנל מפלסטיק המשמשות כיום, מורכבות מאלפי טבעות קונצנטריות, ומשמשות גם לצורכי מיקוד תמונה.

נשאלת השאלה מדוע במרכז העדשה יש עיגול עם רדיוס גדול, ואילו בהיקפה יש מספר הולך וגדל של טבעות קונצנטריות שרוחבן לא אחיד?

קיימת בעיה כאשר משתמשים במספר רב של טבעות, מכיוון שהאור מכל טבעת עובר הזזת מופע (פאזה) שונה. כתוצאה מכך יכולה להיווצר התאבכות הורסת, בין אלומות האור המגיעות מטבעות שונות.

הפתרון לכך הוא בחירת המרחקים (רוחב הטבעות), כך שהן תהיינה ממוקמות במרחקים הגורמים להפרשי מופע, שהם כפולות של 2 פַי (2p).

מה קורה למופע האור בעדשה קמורה רגילה?

אור היוצא ממקור נקודתי הממוקם לפני העדשה, עובר בדרכו עד לנקודת היווצרות הדמות, במסלולים שונים (באזורים השונים של העדשה). למרות זאת, האור מכל המסלולים מגיע באותו מופע. ההסבר לכך הוא:

אלומת האור העוברת דרך מרכז העדשה נעה במסלול קצר באוויר, אך במסלול ארוך יותר בתוך חומר העדשה. לעומת זאת, אור העובר בשולי העדשה נע במסלול ארוך באוויר, אך עובר דרך עובי קטן של חומר העדשה.
כאשר מתכננים את עדשת פרנל, יש להוריד עובי חומר (x0) שיהווה כפולות של:

X0 = Lamda/(n2/n1-1)

n2 = מקדם השבירה של חומר העדשה.

n1 = מקדם השבירה של של הסביבה (בדרך כלל אוויר).

Lamda = אורך הגל של האור בתווך הסביבה.

מהם מאפייני האור הנפלט ממגדלורים?

חלק מעדשות פרנל בראשי מגדלורים היו סטטיות (ללא תנועה), ושלחו אלומת אור רציפה לכל הכיוונים.

אחרות יצרו אור מהבהב, בתדר אופייני לכל מגדלור. בצורה זו יכול היה הספן באוניה לזהות את מיקומו, לפי תבנית הבהוב האורות מכל אחד מהמגדלורים.

פרויקט לתלמידים, של בניית תנור שמש, באמצעות עדשת פרנל

ניתן לבנות תנור שמש פשוט ויעיל, באמצעות עדשת פרנל מפלסטיק.

יש לקבע את העדשה בתוך מסגרת (נוח לקחת פשוט מסגרת מעץ).

את המסגרת יש להעמיד על ציר שניתן לכוונו כך שמראת פרנל תהיה בכיוון מאונך לקרינת השמש, והגוף אותו רוצים לחמם יהיה במוקד העדשה. דוגמה ניתן לראות בתמונה:

אתרים באינטרנט המכילים מידע על עדשות פרנל:

http://www.terrypepper.com/lights

http://www.lanternroom.com/misc/freslens.htm

http://www.worldlights.com/world/fresnel.html

http://lighthousegetaway.com/lights/fresnel.html