Fresnel-Linse

Eine Fresnel-Linse ist eine Sammellinse, der man den größten Teil ihres Glases genommen hat. Ihre gewölbte Seite ist in konzentrische Ringe zerlegt, die jeweils die Neigung der entsprechenden Zone einer gewöhnlichen Linse behalten. So bricht sie das Licht ebenso, bleibt aber dünn und leicht. Buffon schlug 1748 eine in Stufen geschliffene Linse für ein Brennglas vor. Augustin Fresnel ließ solche Linsen aus einzelnen Glasstücken bauen, und die erste leuchtete am 25. Juli 1823 im Leuchtturm von Cordouan in Frankreich.

Was es ist

Eine Fresnel-Linse leistet mit einer dünnen Platte aus Glas oder Kunststoff, was sonst eine dicke Konvexlinse leistet. Von vorn gesehen ist sie eine Mittellinse, umgeben von konzentrischen Ringen. Im Schnitt ist ihre Rückseite flach und ihre Vorderseite eine Folge schmaler Stufen, wie ein zum Kreis gebogenes Sägeblatt. Jede Stufe ist ein Glasring, dessen schräge Fläche denselben Winkel hat wie die Oberfläche der vollen Linse im selben Abstand von der Mitte.

Vorgeschlagen wurde die Idee zuerst für Brenngläser, die Sonnenlicht bündeln; in Gebrauch kam sie zuerst, um das Licht einer Lampe aufs Meer hinauszuschicken. Heute nutzt man sie überall, wo eine Linse groß, leicht oder billig sein muss: Fahrzeugleuchten, Bühnenscheinwerfer, Overheadprojektoren und Solarkonzentratoren verwenden gepresste Ausführungen. Derselbe Name gilt für die Leuchtturmlinse und für die flache Kunststofffolie, die als Leselupe verkauft wird.

Wie es funktioniert

Senkt man jede Zone einer dicken Linse auf ihre flache Rückseite ab, bleiben die lichtbrechenden Neigungen erhalten und fast alles Glas fällt weg.

Licht ändert seine Richtung nur dort, wo es eine Grenzfläche zwischen Luft und Glas durchquert. Im Glas läuft es geradeaus, die Dicke einer Linse hält also nur ihre beiden Flächen auseinander. Bei einer Sammellinse nimmt der Winkel der Oberfläche von der Mitte zum Rand zu, und die Strahlen nahe am Rand werden am stärksten gebrochen. Um die Brechung zu behalten und die Masse loszuwerden, teilt man die Linse in Ringe und senkt jeden auf eine flache Rückseite ab, ohne seine Neigung zu ändern. So entstehen eine Mittellinse und eine Reihe von Stufen, deren schräge Flächen zum Rand hin steiler werden.

Eine dicke Linse ist schwer, in großen Maßen teuer herzustellen und schluckt einen Teil des Lichts, das sie durchquert. Eine Stufenlinse mit gleichem Durchmesser und gleicher Brennweite braucht weit weniger Material und kann daher viel breiter gebaut werden. Steht eine kleine Lichtquelle in ihrem Brennpunkt, verwandelt sie die von der Flamme auseinanderlaufenden Strahlen in ein Bündel paralleler Strahlen, das seine Helligkeit über große Entfernung behält. Umgekehrt sammelt sie paralleles Sonnenlicht in einem kleinen heißen Fleck.

Die Stufen haben ihren Preis. Ihre senkrechten Flächen lenken etwas Licht in falsche Richtungen, und das Bild durch die Linse ist weniger scharf als durch eine gut gefertigte volle Linse. Für einen Leuchtturm oder einen Scheinwerfer spielt das kaum eine Rolle. Weit von der Achse treffen die Strahlen zu schräg auf das Glas, um genug gebrochen zu werden; Leuchtturmlinsen erhalten deshalb äußere Prismenringe, die das Licht durch Reflexion im Inneren des Glases umlenken.

So geht’s

Steht die Lampe weiter hinten als der Brennpunkt, zieht sich das Licht auf dem Karton zu einem Punkt zusammen.

Eine Folienlupe aus Kunststoff, wie sie zum Lesen verkauft wird, ist eine Fresnel-Linse und genügt, um ihre Wirkung zu sehen. Halten Sie sie gegen das Licht, um die Ringe am Rand zu erkennen, und fahren Sie mit dem Fingernagel über die geriffelte Seite. Stellen Sie sie aufrecht in einen Schlitz, den Sie in einen Holzklotz gesägt haben.

Um ihre Brennweite zu finden, stellen Sie sich am anderen Ende eines Raumes einem Fenster gegenüber und halten Sie einen weißen Karton hinter die Linse. Verschieben Sie den Karton, bis darauf ein kleines, scharfes, umgekehrtes Bild des Fensters erscheint. Der Abstand zwischen Linse und Karton liegt nahe an der Brennweite. Messen Sie ihn mit einem Lineal.

Stellen Sie nun in einem dunklen Raum eine kleine Taschenlampe oder LED-Lampe in diesem Abstand auf die Achse hinter die Linse und betrachten Sie den Lichtfleck auf einem Karton auf der anderen Seite. Ist die Lampe zu nah, breitet sich das Licht aus; ist sie zu weit, zieht es sich zu einem Punkt zusammen und breitet sich danach wieder aus. Bleibt der Fleck gleich groß, während Sie den Karton entfernen, ist das Bündel parallel, wie bei einem Leuchtturm. Vergleichen Sie die Folie mit einer gläsernen Lupe ähnlicher Brennweite: Die Glaslupe ist viel dicker und schwerer.

Sicherheit: Schauen Sie nie durch eine Linse in die Sonne, das kann blind machen. Eine Fresnel-Linse, die in der Sonne liegt, kann deren Licht zu einem Fleck bündeln, der heiß genug ist, um ein Feuer zu entfachen, sogar hinter einer Fensterscheibe. Bewahren Sie sie in einer Schublade oder Hülle auf und benutzen Sie sie nie zum Feuermachen. Die Kanten einer zugeschnittenen Kunststofffolie können scharf sein.

Geschichte und Entwicklung

Der französische Naturforscher Georges-Louis Leclerc de Buffon, der auch mit großen Brennspiegeln experimentierte, schlug 1748 eine Linse vor, die aus einem einzigen Glasstück in Stufen geschliffen war. Er hatte erkannt, dass nur die Flächen einer Linse das Licht brechen und dass man die innere Dicke entfernen kann. Seine Linse sollte als Brennglas die Sonnenwärme bündeln. Ein 1823 von der Société d’encouragement pour l’industrie nationale veröffentlichter Bericht hielt eine solche Linse aus einem Stück für nicht ausführbar. Er vermerkte, dass Condorcet schon vorgeschlagen hatte, sie aus mehreren Stücken zusammenzusetzen, dass aber noch kein großes Stufenbrennglas gelungen war.

Fresnel ließ die Mittelscheibe und jeden Ring der Linse einzeln anfertigen und in einem quadratischen Rahmen zusammensetzen.

Der nächste Schritt kam von den Leuchttürmen. 1819 holte François Arago Augustin Fresnel, einen durch seine Arbeiten zur Wellentheorie des Lichts bekannten Ingenieur, in die französische Leuchtturmkommission. In seiner Denkschrift von 1822 über ein neues Beleuchtungssystem für Leuchttürme nannte Fresnel seine Linse die Umkehrung eines Brennglases. Anders als Buffon ließ er jeden Ring einzeln anfertigen und in einem Rahmen zusammensetzen; Daniel Hennequin und Philippe Verkerk, Physiker an der Universität Lille, sehen darin das, was die Linse herstellbar machte. Der Pariser Optiker François Soleil übernahm die Fertigung des Glases. Im Juli 1823 erhielt der Leuchtturm von Cordouan an der Mündung der Gironde die erste dieser Linsen: acht Stufenfelder um eine Lampe mit konzentrischen Dochten. Das französische Kulturministerium nennt fünf Dochte, der Bericht von 1823 und die US Lighthouse Society nennen vier.

Fresnel fügte danach Prismenringe hinzu, die verlorenes Licht durch Reflexion im Glas zum Horizont zurücklenkten. Leuchtturmlinsen wurden in genormten Größen gebaut, den Ordnungen, von der ersten und größten für die großen Seefeuer bis zur sechsten für kleine örtliche Feuer. Der Beitrag Leuchtturm erzählt, wie sich diese Linsen an den Küsten der Welt verbreiteten. Später machten aus Kunststoff gepresste Linsen die Stufenlinse billig genug für Fahrzeugleuchten, Projektoren, Bühnenlicht und Sonnenkollektoren.