Lente de Fresnel · The Last Codex

Una lente de Fresnel es una lente convergente a la que se ha quitado la mayor parte del vidrio. Su cara curva está tallada en anillos concéntricos que conservan cada uno la inclinación de la zona correspondiente de una lente corriente, de modo que desvía la luz igual que ella pero sigue siendo delgada y ligera. Buffon propuso en 1748 una lente tallada en escalones para un vidrio ustorio. Augustin Fresnel hizo construir lentes así con piezas de vidrio separadas, y la primera iluminó el faro de Cordouan, en Francia, el 25 de julio de 1823.

Qué es

Una lente de Fresnel hace el trabajo de una gruesa lente convexa con una placa delgada de vidrio o de plástico. De frente es una lente central rodeada de anillos concéntricos. En corte, su cara posterior es plana y la anterior es una serie de escalones estrechos, como una hoja de sierra curvada en círculo. Cada escalón es un anillo de vidrio cuya cara inclinada tiene el mismo ángulo que la superficie de la lente maciza a esa misma distancia del centro.

La idea se propuso primero para vidrios ustorios, que concentran la luz del sol, y se usó por primera vez para enviar al mar la luz de una lámpara. Hoy se emplea dondequiera que una lente tenga que ser grande, ligera o barata: la iluminación de los coches, los focos de teatro, los retroproyectores y los concentradores solares usan versiones moldeadas. El mismo nombre sirve para la lente de faro y para la lámina de plástico que se vende como lupa de lectura.

Cómo funciona

Dos medias lentes de vidrio sobre una mesa, detrás una cúpula gruesa dividida en zonas por líneas verticales, delante una versión delgada escalonada en la que cada zona se ha bajado hasta la cara plana Al bajar cada zona de una lente gruesa hasta su cara plana se conservan las inclinaciones que desvían la luz y se elimina casi todo el vidrio.

La luz solo cambia de dirección al atravesar una superficie entre el aire y el vidrio. Dentro del vidrio va en línea recta, así que el grosor de una lente solo sirve para mantener separadas sus dos caras. En una lente convergente, el ángulo de la superficie aumenta del centro al borde, y los rayos que pasan cerca del borde son los que más se desvían. Para conservar la desviación y prescindir del volumen, se divide la lente en anillos y se baja cada uno hasta una cara posterior plana sin cambiar su inclinación. El resultado es una lente central y una serie de escalones cuyas caras inclinadas son más empinadas hacia el borde.

Una lente gruesa pesa mucho, es cara de fabricar en tamaños grandes y absorbe parte de la luz que la atraviesa. Una lente escalonada del mismo diámetro y la misma distancia focal necesita mucho menos material, de modo que puede hacerse mucho más ancha. Con una pequeña fuente de luz en su foco, convierte los rayos que se abren desde la llama en un haz de rayos paralelos entre sí, que conserva su brillo a gran distancia. En sentido contrario, reúne la luz paralela del sol en un pequeño punto caliente.

Los escalones tienen un coste. Sus caras verticales desvían un poco de luz en direcciones equivocadas, y la imagen vista a través de la lente es menos nítida que a través de una lente maciza bien hecha. Para un faro o un foco eso importa poco. Lejos del eje, los rayos llegan al vidrio demasiado oblicuos para desviarse lo suficiente, y por eso las lentes de faro añaden anillos exteriores de prismas que desvían la luz por reflexión dentro del vidrio.

Cómo hacerlo

Una lupa de Fresnel rectangular de plástico sostenida en vertical en un soporte de madera ranurado, una pequeña linterna sobre un taco de madera detrás y una mancha de luz nítida sobre un cartón blanco colocado en un segundo soporte al otro lado, con un simple listón de madera sobre la mesa Con la lámpara más lejos que el foco, la luz se estrecha hasta un punto sobre el cartón.

Una lupa de lámina de plástico, de las que se venden para leer, es una lente de Fresnel y basta para ver cómo funciona. Mírela a contraluz para ver los anillos junto al borde y pase la uña por su cara estriada. Póngala de pie en una ranura serrada en un taco de madera.

Para hallar su distancia focal, colóquese en el fondo de una habitación frente a una ventana y sostenga un cartón blanco detrás de la lente. Mueva el cartón hasta que aparezca en él una imagen pequeña, nítida e invertida de la ventana. La distancia entre la lente y el cartón se acerca a la distancia focal. Mídala con una regla.

En una habitación a oscuras, ponga ahora una pequeña linterna o lámpara LED en el eje, detrás de la lente, a esa distancia, y observe la mancha de luz sobre un cartón al otro lado. Si la lámpara está demasiado cerca, la luz se abre; si está demasiado lejos, se estrecha hasta un punto y luego vuelve a abrirse. Cuando la mancha conserva su tamaño mientras aleja el cartón, el haz es paralelo, como en un faro. Compare la lámina con una lupa de vidrio de distancia focal parecida: la de vidrio es mucho más gruesa y pesada.

Seguridad: no mire nunca al sol a través de una lente, porque puede quedarse ciego. Una lente de Fresnel olvidada al sol puede concentrar su luz en un punto lo bastante caliente para provocar un incendio, incluso detrás de un cristal; guárdela en un cajón o una funda y no la use nunca para encender fuego. Los bordes de una lámina de plástico cortada pueden cortar.

Historia y evolución

El naturalista francés Georges-Louis Leclerc de Buffon, que también experimentó con grandes espejos ustorios, propuso en 1748 una lente tallada en escalones en una sola pieza de vidrio. Había visto que solo las superficies de una lente desvían la luz y que el grosor interior podía eliminarse. Su lente debía ser un vidrio ustorio, para concentrar el calor del sol. Un informe publicado en 1823 por la Société d’encouragement pour l’industrie nationale juzgó imposible tallar una lente así en una sola pieza. Recordaba que Condorcet ya había propuesto componerla de varias piezas, pero que aún no se había logrado fabricar ningún gran vidrio ustorio escalonado.

Un panel cuadrado de la primera lente de faro de Fresnel: un disco central de vidrio de una sola pieza, tres anillos concéntricos hechos cada uno de segmentos curvos separados y cuatro piezas de esquina, sujetos en un marco metálico cuadrado Fresnel hizo fabricar por separado el disco central y cada anillo de la lente, y luego los montó en un marco cuadrado.

El paso siguiente vino de los faros. En 1819, François Arago llevó a la comisión francesa de faros a Augustin Fresnel, ingeniero conocido por sus trabajos sobre la teoría ondulatoria de la luz. En su memoria de 1822 sobre un nuevo sistema de iluminación de los faros, Fresnel presentó su lente como lo contrario de un vidrio ustorio. A diferencia de Buffon, hizo fabricar cada anillo por separado y los montó en un marco; Daniel Hennequin y Philippe Verkerk, físicos de la Universidad de Lille, ven en esa decisión lo que hizo realizable la lente. El óptico parisino François Soleil se encargó de fabricar el vidrio. En julio de 1823, el faro de Cordouan, en la desembocadura del Gironda, recibió la primera de estas lentes: ocho paneles escalonados alrededor de una lámpara de mechas concéntricas. El Ministerio de Cultura francés indica cinco mechas; el informe de 1823 y la US Lighthouse Society, cuatro.

Fresnel añadió después anillos de prismas que devolvían hacia el horizonte la luz perdida, por reflexión dentro del vidrio. Las lentes de faro se fabricaron en tamaños normalizados, llamados órdenes, desde el primero, el mayor, para los grandes faros, hasta el sexto, para pequeñas luces locales. La ficha del faro cuenta cómo se extendieron estas lentes por las costas del mundo. Más tarde, las lentes moldeadas en plástico hicieron la lente escalonada lo bastante barata para los faros de coche, los proyectores, la iluminación de escena y los captadores solares.