Lentille de Fresnel ūüĎď – Jumelles √† Gogo !

Lentille de Fresnel

Publié par Pablo Miz le

Lentille de Fresnel

 Lentille de Fresnel - traduction de l'article de l'excellent site anglophone explainthatstuff.com

Si vous avez la malchance d'√™tre pris dans une temp√™te en mer, il n'y a rien de plus rassurant que le clin d'Ňďil amical d'un phare voisin. Mais vous √™tes-vous d√©j√† demand√© comment cette lumi√®re peut voyager aussi loin √† travers l'oc√©an ? C'est en grande partie gr√Ęce aux lentilles - des lentilles de Fresnel (prononcez "Fre-nel", avec un "s" silencieux) qui concentrent la lumi√®re en un faisceau superpuissant. Voyons de plus pr√®s comment elles fonctionnent !

jumelles lentille de fresnel


Photo : Si vous voyez une lumi√®re briller √† travers un morceau de verre ou de plastique avec cet √©trange motif de cercles concentriques sur sa surface, vous pouvez √™tre s√Ľr de regarder une lentille de Fresnel.


Sommaire
1. Comment les lentilles de Fresnel alimentent un phare ?
2. Comment fabriquer une lentille de Fresnel ?
3. Quels sont les meilleurs matériaux ?
4. Correction des aberrations
5. Sauver la Terre du changement climatique ?
6. Pourquoi Fresnel ?


1 - Comment les lentilles de Fresnel alimentent un phare ?jumelles lentilles de fresnel


Photos : La lentille de Fresnel du phare d'Anvil Point près de Swanage dans le Dorset, en Angleterre, qui a été construit à l'origine en 1881 et entièrement automatisé plus d'un siècle plus tard en 1991.
Un phare utilise une science similaire √† celle d'un t√©lescope, mais fonctionne exactement √† l'oppos√© - √† l'aide d'une lentille de Fresnel. Les lentilles de verre d'un t√©lescope r√©fractent (courbent) les rayons lumineux des objets √©loign√©s, de sorte qu'ils semblent beaucoup plus proches. Mais dans un phare, la lentille de Fresnel enroul√©e autour de la lampe concentre les rayons lumineux en un faisceau puissant et parall√®le pour que les gens puissent le voir, √† l'Ňďil nu, jusqu'√† 30 km ou plus !
Trois astuces permettent d'atteindre cet objectif :
1. Les phares utilisent des lampes au xénon étonnamment puissantes (un peu comme les lampes au néon) qui sont des centaines de milliers de fois plus lumineuses que les lampes de votre maison.
2. Ils montent leurs lampes dans des tours situées très haut au-dessus du niveau de la mer, ce qui les rend visibles environ cinq fois plus loin.
3. Ils utilisent des lentilles et des prismes de forme spéciale pour concentrer leur lumière en un faisceau superpuissant.
Liens sponsorisés

jumelles lentilles de fresnel

Photos : Gros plan de la lentille de Fresnel dans le phare d'Anvil Point. Le faisceau de 1080 candélabres s'éteint à environ 45 m au-dessus du niveau de la mer et peut être repéré jusqu'à 17 km de distance.


En th√©orie, on pourrait faire un faisceau de phare avec une simple lentille de verre ordinaire, mais il faudrait qu'elle soit √©norme et lourde, ce qui la rendrait incroyablement co√Ľteuse et assez peu pratique. C'est pourquoi les phares utilisent des lentilles de Fresnel creuses et l√©g√®res, qui ont une surface "√©tag√©e" tr√®s distinctive qui courbe la lumi√®re autant qu'une lentille de verre √©paisse et lourde. Ils portent le nom d'Augustin-Jean Fresnel (1788-1827), le physicien fran√ßais qui en a √©t√© le pionnier au d√©but du XIXe si√®cle. Les phares de voiture utilisent des lentilles de Fresnel moul√©es en plastique de la m√™me mani√®re et vous les trouverez √©galement dans certains des feux de signalisation (feux de circulation) qui se trouvent dans votre rue.
En regardant attentivement un phare, vous verrez la lentille de Fresnel qui entoure le feu. Les anneaux concentriques sont en fait des "marches" (crêtes épaisses) à la surface de la lentille. Chaque marche plie la lumière un peu plus que celle qui se trouve en dessous, de sorte que les rayons lumineux émergent tous en un faisceau parallèle parfait qui parcourt plusieurs kilomètres/miles à travers l'océan.
La lampe de ce phare particulier tourne de mani√®re √† balayer une zone beaucoup plus grande de la mer. Cette rotation signifie √©galement que la lumi√®re semble clignoter toutes les 10 secondes lorsque vous √™tes loin d'elle. Cela rend la lampe beaucoup plus visible et, comme les diff√©rents phares clignotent √† des rythmes diff√©rents, les marins peuvent chronom√©trer les flashs pour savoir quel phare ils regardent et o√Ļ ils se trouvent.
Il est difficile de s'approcher suffisamment de la lentille de Fresnel dans un phare pour voir exactement √† quoi elle ressemble, mais si vous √™tes pr√®s d'un mus√©e des sciences, vous pourriez avoir de la chance : on y expose parfois de vieilles lentilles de Fresnel. Voici quelques photos que j'ai prises de la lentille de Fresnel en fonctionnement au Think Tank, le mus√©e des sciences de Birmingham, en Angleterre. Notez qu'il y a une lentille de Fresnel de chaque c√īt√© de la lampe (soit huit au total) avec des prismes (morceaux de verre incurv√©s) mont√©s au-dessus et en dessous de la lentille pour attirer les rayons lumineux qui s'√©loignent de l'axe central, ce qui donne un faisceau encore plus lumineux.

jumelles lentilles de fresneljumelles lentilles de fresnel


Photos : L'exposition de la lentille de Fresnel au Think Tank, le musée des sciences de Birmingham, en Angleterre. La chose argentée au fond est le plateau tournant électrique qui fait tourner très lentement l'ensemble de la lampe et de la lentille.


2 - Comment fabriquer une lentille de Fresnel ?


Les lentilles fonctionnent en pliant (réfractant) les faisceaux lumineux. La courbure se produit lorsque la lumière pénètre dans le verre (en passant de l'air dans le verre) et lorsqu'elle en ressort (en passant du verre à nouveau dans l'air). Il s'ensuit que la seule partie d'une lentille qui importe vraiment est la frontière entre le verre et l'air (en d'autres termes, le bord extérieur de la lentille) ; la plupart des lentilles ne font pas vraiment cela du tout. Et si nous pouvions découper une lentille jusqu'au bout pour qu'il ne nous reste que la partie extérieure utile ? C'est la théorie de base de la lentille de Fresnel - et voici comment elle fonctionne en pratique.

1. Supposons que notre lentille soit faite d'un matériau que nous pouvons couper facilement, comme de la gelée jaune (jell-o). Essayons de découper la partie intérieure inutile de la lentille en laissant la courbe extérieure utile !
2. Supposons que nous voulons que notre lentille de Fresnel ait environ un tiers de l'épaisseur de la lentille d'origine. Nous pouvons diviser sa hauteur en traçant trois lignes horizontales équidistantes.
3. Lorsque chaque ligne horizontale touche la courbe supérieure de la lentille, nous traçons une ligne verticale jusqu'à la base.
4. Les parties intéressantes de la lentille sont les segments supérieurs oranges, alors gardons-les et perdons le reste de la lentille.
5. Déposez les segments oranges jusqu'à la ligne de base et nous aurons une lentille de Fresnel terminée !

3 - Quels sont les meilleurs matériaux ?

jumelles lentilles de fresnel


La photo : Les phares des voitures utilisent souvent des lentilles de Fresnel en plastique peu co√Ľteuses pour projeter la lumi√®re au loin. Bien que les lentilles de Fresnel en plastique soient plus grossi√®res et produisent des images de moins bonne qualit√© que les lentilles en verre traditionnelles, cela n'a pas d'importance dans ce cas : tout ce qui compte, c'est de concentrer la lumi√®re en un faisceau en un point raisonnablement bien focalis√© sur la route devant soi.
Les lentilles de Fresnel servent √† produire de grands et puissants faisceaux de lumi√®re qui s'√©tendent sur de tr√®s longues distances. Contrairement aux lentilles conventionnelles d'un t√©lescope, la qualit√© optique du faisceau lumineux qui √©merge d'une lentille de Fresnel n'a souvent pas beaucoup d'importance : si vous exploitez un phare, tout ce que vous essayez de faire est de projeter la lumi√®re au loin ; ce n'est pas important si les marins voient une image "floue" du phare... du moment qu'ils peuvent voir quelque chose ! Cela signifie que les lentilles de Fresnel peuvent √™tre fabriqu√©es en plastique relativement peu co√Ľteux, comme l'acrylique ou le polycarbonate, ainsi qu'en verre. Il suffit de disposer d'un moule contenant le motif de la lentille √† l'envers - et vous pouvez ensuite fabriquer autant de lentilles de Fresnel identiques que vous le souhaitez ! Les lentilles de Fresnel en plastique sont plus petites, plus fines, plus l√©g√®res et moins ch√®res que les lentilles en verre comparables.

L'art : Les phares et les phares de voiture ne sont pas les seuls endroits o√Ļ vous trouverez des lentilles de Fresnel. Les syst√®mes de t√©l√©vision par projection les utilisent parfois pour r√©aliser de grandes images agrandies. Dans ce design des ann√©es 1980, RCA, un g√©n√©rateur d'images (vert, 102, peut-√™tre un √©cran CRT ou LCD traditionnel), projette son image sur un √©cran de r√©troprojection via un prisme et des miroirs (bleu, 103/104), √† travers une lentille de Fresnel compos√©e (rouge, 10) et une lentille de mise au point (9, rose). Ňíuvre d'art du brevet am√©ricain 4,482,206 : √Čcran de t√©l√©vision √† r√©troprojection avec lentille de Fresnel multi-surfaces par Bertram VanBreemen, RCA, 13 novembre 1984, avec l'aimable autorisation de l'US Patent and Trademark Office

4 - Correction des aberrations

jumelles lentilles de fresnel
Si vous voulez utiliser une lentille de Fresnel dans l'autre sens - c'est-√†-dire recueillir les rayons lumineux √† distance et les amener dans une image bien nette - vous devez √™tre plus pr√©cis. Les lentilles de Fresnel, de fabrication peu co√Ľteuse, produisent des images de moins bonne qualit√© que les lentilles de verre traditionnelles en raison d'un probl√®me appel√© aberration sph√©rique : les rayons lumineux qui traversent une lentille de Fresnel sous diff√©rents angles se focalisent sur des points l√©g√®rement diff√©rents, ce qui donne une image floue. La surface d'une lentille de Fresnel est discontinue, ce qui entra√ģne une distorsion importante : contrairement √† une lentille √† courbure r√©guli√®re, il y a des sauts soudains d'un segment √† l'autre de la lentille de Fresnel. Vous constaterez probablement aussi que diff√©rentes couleurs sont r√©fract√©es par la lentille √† des degr√©s diff√©rents, ce qui vous donne des franges de couleur ind√©sirables dans votre image (un probl√®me appel√© aberration chromatique). Bien qu'il soit possible d'ajuster l'angle des pas d'une lentille de Fresnel pour minimiser les aberrations, vous utiliserez g√©n√©ralement une lentille conventionnelle (probablement faite de verre de qualit√© optique) pour des performances optiques sup√©rieures.


5 - Sauver la Terre du changement climatique ?


Les lentilles de Fresnel sauvent les marins en fuite des naufrages et de la mort sur les rochers, mais pourraient-elles sauver notre planète entière d'une catastrophe climatique ? Alors que les gens sont de plus en plus conscients du changement climatique et de l'énorme défi qu'il représente, certains scientifiques pensent que nous n'aurons pas d'autre choix que d'essayer une ou plusieurs formes de géo-ingénierie : des solutions techniques pour refroidir la planète. Une des options proposées est une lentille de Fresnel géante placée entre la Terre et le Soleil pour diffuser le rayonnement solaire et refroidir notre planète. Bien que de tels projets soient extrêmement controversés, ils illustrent les applications fascinantes des brillantes idées d'Augustin-Jean Fresnel !

Ňíuvres d'art : Comment les √©l√©ments d'une lentille de Fresnel dans un phare plient les rayons lumineux entrants de diff√©rentes quantit√©s pour former un faisceau parall√®le de rayons lumineux sortants. Redessin√© √† partir d'une illustration historique [Adolphe Ganot (1872) Natural Philosophy for General Readers and Young Persons, D. Appleton & Co, New York, p.328, fig.257], avec l'aimable autorisation de Wikimedia Commons.

 

6 - Pourquoi Fresnel ?



jumelles lentilles de fresnel


Mais attendez un instant, pourquoi Fresnel a-t-il tout le m√©rite ? Il a certainement √©t√© le pionnier de ce type de lentille, en 1822/23, mais l'id√©e de d√©couper un morceau de verre jusqu'√† son bord ext√©rieur utile et r√©fractaire n'√©tait pas originale. Environ un demi-si√®cle plus t√īt, par exemple, le Fran√ßais Georges de Buffon avait eu une id√©e tr√®s similaire, que le physicien optique britannique Sir David Brewster a ensuite transform√©e en une technologie de phare alternative appel√©e lentille construite ou polyzonale vers 1811. D'apr√®s The Home Life of Sir David Brewster, un livre publi√© en 1870 par sa fille, Margaret Gordon :
"Il a été construit en zones ou "cercles"... Chaque zone de la lentille de Brewster était formée ou "construite" de segments séparés, et c'est pourquoi elle a reçu le nom de lentille polyzonale - une amélioration très importante pour éviter la grande difficulté pratique de l'utilisation des lentilles pour l'éclairage, qui était celle d'obtenir un verre pur et homogène dans des masses suffisamment grandes. Afin de donner plus de puissance à sa nouvelle forme de lentille, le Dr Brewster la relia à un appareil lenticulaire entièrement nouveau, composé de petites lentilles et de réflecteurs plans, pour concentrer en un point ou focaliser la lumière du soleil, ou pour projeter en un seul faisceau parallèle tous les rayons de lumière qui divergeaient de ce seul foyer, tel que représenté par une lampe".
Aujourd'hui, nous nous souvenons de Brewster pour d'autres innovations optiques, notamment ses travaux sur la lumière polarisée. En fin de compte, c'est Fresnel qui a trouvé le moyen de fabriquer une lentille simple, pratique, abordable et en plusieurs parties qui pourrait être utilisée efficacement dans les phares - et c'est pourquoi il en a le mérite !

Traduction de l'article originale paru sur https://www.explainthatstuff.com/, rédigé par Chris Woodford - Dernière mise à jour : 23 avril 2020

‚Üź Article pr√©c√©dent Article suivant ‚Üí


Laisser un commentaire

Veuillez noter que les commentaires doivent être approuvés avant leur publication.