Лінза Френеля збільшує портрет свого творця. (Сторінка з томи «Фізика, частина 2» Дитячої енциклопедії видавництва «Аванта +»).
Собрат' світло в вузький промінь можна за допомогою увігнутого дзеркала (а) або лінзи (б), помістивши джерело світла в точку фокусу. У сферичного дзеркала вона лежить на відстані половини радіуса кривизни дзеркала.
Збирає лінзу можна уявити як набір призм, які відхиляють світлові промені в одну точку - фокус. Багаторазово збільшивши число цих призм, відповідно зменшивши їх розмір, ми отримаємо практично плоску лінзу - лінзу Френеля.
Конструкція освітлювальної системи маяка (креслення Френеля). Світло пальника F фокусують лінзи L і L ', відбиті дзеркалами М. Світло пальника, що поширюється вниз, відбивається в потрібному напрямку системою дзеркал (показані пунктиром).
Так виглядає сучасна лінза Френеля. Нерідко її виготовляють з одного шматка скла.
Френелевскую лінза-лінійка фокусує сонячні промені не гірше, а навіть краще (тому що вона більше) звичайних скляних лінзи. Сонячні промені, зібрані нею, миттєво підпалюють суху соснову дошку.
<
>
Один з творців хвильової теорії світла, видатний французький фізик Огюстен Жан Френель народився в маленькому містечку поблизу Парижа в 1788 році. Він ріс хворобливим хлопчиком. Вчителі вважали його недолугим: у восьмирічному віці не вмів читати і насилу міг запам'ятати урок. Однак в середній школі у Френеля проявилися чудові здібності до математики, особливо до геометрії. Отримавши інженерну освіту, він з 1809 року брав участь в проектуванні і будівництві доріг і мостів у різних департаментах країни. Однак його інтереси і можливості були набагато ширше простий інженерної діяльності в провінційній глушині. Френель хотів займатися наукою; особливо його цікавила оптика, теоретичні основи якої тільки-тільки почали складатися. Він досліджував поведінку світлових променів, що проходять крізь вузькі отвори, що огинають тонкі нитки і краю пластинок. Пояснивши особливості виникають при цьому картин, Френель в 1818-1819 роках створив свою теорію оптичної інтерференції і дифракції - явищ, що виникають унаслідок хвильової природи світла.
На початку XIX століття європейські морські держави вирішили спільними зусиллями вдосконалити маяки - найважливіші навігаційні пристрої того часу. У Франції для цієї мети була створена спеціальна комісія, і працювати в ній на увазі багатого інженерного досвіду і глибокого знання оптики запросили Френеля.
Світло маяка має бути видно далеко, тому маяковий ліхтар піднімають на високу вежу. А щоб зібрати його світло в промені, ліхтар потрібно помістити в фокус або увігнутого дзеркала, або яка щороку збирає лінзи, причому досить великий. Дзеркало, звичайно, можна зробити будь-якого розміру, але воно дає тільки один промінь, а світло маяка має бути видно звідусіль. Тому на маяках ставили часом півтора десятка дзеркал з окремим ліхтарем у фокусі кожного дзеркала (див. «Наука і життя» № 4, 2009 г., стаття «Життя на маяках» ). Навколо одного ліхтаря можна змонтувати кілька лінз, але зробити їх необхідного - великого - розміру практично неможливо. У склі масивної лінзи неминуче будуть неоднорідності, вона втратить форму під дією власної ваги, а через нерівномірне нагрівання може лопнути.
Потрібні були нові ідеї, і комісія, запросивши Френеля, зробила правильний вибір: в 1819 році він запропонував конструкцію складовою лінзи, позбавлену всіх недоліків, властивих лінзі звичайної. Френель міркував, ймовірно, так. Лінзу можна представити у вигляді набору призм, які заломлюють паралельні світлові промені - відхиляють їх на такі кути, що після заломлення вони сходяться в точці фокуса. Значить, замість однієї великої лінзи можна зібрати конструкцію у вигляді тонких кілець з окремих призм трикутного перетину.
Френель не тільки розрахував форму профілів кілець, він також розробив технологію та проконтролював весь процес їх створення, нерідко виконуючи обов'язки простого робітника (підлеглі виявилися вкрай недосвідченими). Його зусилля дали блискучий результат. «Яскравість світла, яку дає новий прилад, здивувала моряків», - писав Френель друзям. І навіть англійці - давні конкуренти французів на морі - визнали, що конструкції французьких маяків виявилися найкращими. Їх оптична система складалася з восьми квадратних лінз Френеля зі стороною 2,5 м, що мали фокусна відстань 920 мм.
З тих пір пройшло 190 років, але конструкції, запропоновані Френелем, залишаються неперевершеним технічним пристроєм, і не тільки для маяків і річкових бакенів. У вигляді лінз Френеля до недавнього часу робили скла різних сигнальних ліхтарів, автомобільних фар, світлофорів, деталей лекційних проекторів. І вже зовсім недавно з'явилися лупи у вигляді лінійок з прозорого пластика з ледь помітними круговими борозенками. Кожна така борозенка - мініатюрна кільцева призма; а всі разом вони утворюють збирає лінзу, яка може працювати і як лупа, збільшуючи предмет, і як об'єктив фотоапарата, створюючи перевернуте зображення. Така лінза здатна зібрати світло Сонця в маленьке плямочка і підпалити суху дошку, не кажучи вже про листку паперу (особливо чорної).
Лінза Френеля може бути не тільки збирає (позитивної), але і розсіює (негативною) - для цього потрібно кільцеві призми-борозенки на шматку прозорого пластика зробити інший форми. Причому негативна Френелевскую лінза з дуже коротким фокусною відстанню має широке поле зору, в ньому в зменшеному вигляді поміщається шматок пейзажу, в два-три рази більший, ніж охоплює неозброєний очей. Такі «мінусові» пластинки-лінзи використовують замість панорамних дзеркал заднього виду в великих автомобілях типу мікроавтобусів і універсалів.
Грані мініатюрних прізмочек можна покрити дзеркальним шаром - скажімо, напилю алюміній. Тоді лінза Френеля перетворюється в дзеркало, опукле або увігнуте. Виготовлені з використанням нанотехнологій, такі дзеркала застосовують в телескопах, що працюють в рентгенівському діапазоні. А відштамповані в гнучкому пластику дзеркала і лінзи для видимого світла настільки прості у виготовленні і дешеві, що їх випускають буквально кілометрами в вигляді стрічок для оформлення вітрин або штор для ванних кімнат.
Були спроби використовувати лінзи Френеля при створенні плоских об'єктивів для фотоапаратів. Але на шляху конструкторів встали труднощі технічного характеру. Білий світ в призмі розкладається в спектр; те саме відбувається і в мініатюрних прізмочкі лінзи Френеля. Тому вона має істотний недолік - так звану хроматичну аберацію. Через неї на краях зображень предметів з'являється райдужна облямівка. У хороших об'єктивах облямівку ліквідують, ставлячи додаткові лінзи (див. «Наука і життя» № 3, 2009 г., стаття «Від камери-обскури - до телецентричну об'єктиву» ). Так само можна було б вчинити і з Френелевскую лінзою, але плоского об'єктива тоді вже не вийде.
Огюстен Френель увійшов в історію науки і техніки не тільки і не стільки завдяки винаходу своєї лінзи. Його дослідження і створена на їх основі теорія остаточно підтвердили хвильову природу світла і дозволили найважливішу проблему фізики того часу - знайшли причину прямолінійного поширення світла. Роботи Френеля лягли в основу сучасної оптики. Попутно він передбачив і пояснив кілька парадоксальних оптичних явищ, які тим не менш нескладно перевірити і тепер (див. «Наука і життя» № 5, 2009 г., стаття «Зонна пластинка Френеля» ).
<
