Lentille de Fresnel

Une lentille de Fresnel est une lentille convergente dont on a retiré la plus grande partie du verre. Sa face bombée est taillée en anneaux concentriques qui gardent chacun la pente de la zone correspondante d’une lentille ordinaire : elle dévie la lumière de la même façon tout en restant mince et légère. Buffon proposa en 1748 une lentille taillée en échelons pour un verre ardent. Augustin Fresnel fit construire de telles lentilles en pièces de verre séparées, et la première éclaira le phare de Cordouan le 25 juillet 1823.

Ce que c’est

Une lentille de Fresnel fait le travail d’une épaisse lentille convexe avec une mince plaque de verre ou de plastique. De face, c’est une lentille centrale entourée d’anneaux concentriques. En coupe, son dos est plat et sa face avant forme une suite d’étroites marches, comme une lame de scie enroulée en cercle. Chaque marche est un anneau de verre dont la face inclinée a le même angle que la surface de la lentille pleine à la même distance du centre.

L’idée fut d’abord proposée pour des verres ardents, qui concentrent le soleil, et servit pour la première fois à envoyer en mer la lumière d’une lampe. On l’emploie aujourd’hui partout où une lentille doit être grande, légère ou bon marché : l’éclairage des voitures, les projecteurs de scène, les rétroprojecteurs et les concentrateurs solaires utilisent des versions moulées. Le même nom désigne la lentille de phare et la feuille de plastique vendue comme loupe de lecture.

Comment ça marche

En abaissant chaque zone d’une lentille épaisse sur son dos plan, on garde les pentes qui dévient la lumière et on retire presque tout le verre.

La lumière ne change de direction qu’en traversant une surface entre l’air et le verre. Dans le verre, elle va en ligne droite : l’épaisseur d’une lentille ne sert qu’à tenir ses deux faces écartées. Dans une lentille convergente, l’angle de la surface augmente du centre vers le bord, et les rayons qui passent près du bord sont les plus déviés. Pour garder la déviation sans la masse, on découpe la lentille en anneaux et on abaisse chacun sur un dos plat en conservant sa pente. On obtient une lentille centrale et une série de marches dont les faces inclinées deviennent plus raides vers le bord.

Une lentille épaisse est lourde, chère à fabriquer en grande taille, et absorbe une partie de la lumière qui la traverse. Une lentille à échelons de même diamètre et de même distance focale demande bien moins de matière, si bien qu’on peut la faire beaucoup plus large. Avec une petite source de lumière à son foyer, elle change les rayons qui s’écartent de la flamme en un faisceau de rayons parallèles entre eux, qui garde son éclat sur une longue distance. Dans l’autre sens, elle rassemble la lumière parallèle du soleil en un petit point brûlant.

Les marches ont un prix. Leurs faces verticales envoient un peu de lumière dans de mauvaises directions, et l’image vue à travers la lentille est moins nette qu’à travers une lentille pleine bien faite. Pour un phare ou un projecteur, cela compte peu. Loin de l’axe, les rayons frappent le verre trop obliquement pour être assez déviés : les lentilles de phare ajoutent donc des anneaux extérieurs de prismes qui renvoient la lumière par réflexion à l’intérieur du verre.

Comment faire

Quand la lampe est plus loin que le foyer, la lumière se resserre en un point sur le carton.

Une loupe-feuille en plastique, de celles qu’on vend pour la lecture, est une lentille de Fresnel et suffit pour voir comment elle fonctionne. Regardez-la à contre-jour pour voir les anneaux près du bord, puis passez l’ongle sur sa face striée. Plantez-la debout dans une fente sciée dans un bloc de bois.

Pour trouver sa distance focale, placez-vous au fond d’une pièce, face à une fenêtre, et tenez un carton blanc derrière la lentille. Déplacez le carton jusqu’à voir apparaître une petite image nette et renversée de la fenêtre. La distance entre lentille et carton est proche de la distance focale. Mesurez-la à la règle.

Dans une pièce sombre, posez maintenant une petite lampe de poche ou une lampe à LED sur l’axe, derrière la lentille, à cette distance, et regardez la tache de lumière sur un carton de l’autre côté. Si la lampe est trop près, la lumière s’étale ; trop loin, elle se resserre en un point puis s’étale de nouveau. Quand la tache garde la même taille alors que vous éloignez le carton, le faisceau est parallèle, comme dans un phare. Comparez la feuille avec une loupe de verre de distance focale voisine : la loupe de verre est bien plus épaisse et plus lourde.

Sécurité : ne regardez jamais le soleil à travers une lentille, vous risqueriez de perdre la vue. Une lentille de Fresnel laissée au soleil peut concentrer sa lumière en un point assez chaud pour allumer un feu, même derrière une vitre ; rangez-la dans un tiroir ou une pochette et ne vous en servez jamais pour allumer un feu. Les bords d’une feuille de plastique découpée peuvent couper.

Histoire et évolution

Le naturaliste français Georges-Louis Leclerc de Buffon, qui expérimenta aussi de grands miroirs ardents, proposa en 1748 une lentille taillée en échelons dans un seul morceau de verre. Il avait vu que seules les surfaces d’une lentille dévient la lumière et que l’épaisseur intérieure pouvait être retirée. Sa lentille devait servir de verre ardent, pour concentrer la chaleur du soleil. En 1823, un rapport publié par la Société d’encouragement pour l’industrie nationale jugea une telle lentille impossible à tailler d’une seule pièce. Il rappelait que Condorcet avait déjà proposé de la composer de plusieurs morceaux, mais qu’on n’avait encore pu faire aucun grand verre ardent à échelons.

Fresnel fit fabriquer à part le disque central et chaque anneau de la lentille, puis les assembla dans un cadre carré.

L’étape suivante vint des phares. En 1819, François Arago fit entrer Augustin Fresnel, ingénieur connu pour ses travaux sur la théorie ondulatoire de la lumière, à la commission des phares. Dans son mémoire de 1822 sur un nouveau système d’éclairage des phares, Fresnel présenta sa lentille comme l’inverse d’un verre ardent. À la différence de Buffon, il fit fabriquer chaque anneau séparément et les assembla dans un cadre ; Daniel Hennequin et Philippe Verkerk, physiciens de l’université de Lille, y voient ce qui rendit la lentille réalisable. L’opticien parisien François Soleil se chargea de la fabrication du verre. En juillet 1823, le phare de Cordouan, à l’embouchure de la Gironde, reçut la première de ces lentilles : huit panneaux à échelons autour d’une lampe à mèches concentriques. Le ministère de la Culture compte cinq mèches ; le rapport de 1823 et la US Lighthouse Society en donnent quatre.

Fresnel ajouta ensuite des anneaux de prismes qui renvoyaient vers l’horizon la lumière perdue, par réflexion à l’intérieur du verre. Les lentilles de phare furent fabriquées en tailles normalisées, appelées ordres, du premier, le plus grand, pour les grands phares, au sixième pour les petits feux locaux. La fiche phare raconte comment ces lentilles se sont répandues sur les côtes du monde. Plus tard, les lentilles moulées en plastique ont rendu la lentille à échelons assez bon marché pour les feux de voiture, les projecteurs, l’éclairage de scène et les capteurs solaires.