Les avantages de la lentille de Fresnel

Théorie | Fabrication | Applications

Les lentilles de Fresnel sont constituées d'une série de rainures concentriques gravées dans le plastique. Leur construction fine et légère, leur disponibilité en petites et grandes tailles et leur excellente capacité à capter la lumière les rendent utiles dans une grande variété d'applications. Les lentilles de Fresnel sont le plus souvent utilisées dans les applications de collecte de lumière, telles que les systèmes de condensation ou les ensembles émetteur/détecteur. Elles peuvent également être utilisées comme loupes ou lentilles de projection dans les systèmes d'éclairage et de formulation d'images.

Une lentille de Fresnel (prononcée fray-NEL) remplace la surface incurvée d'une lentille optique conventionnelle par une série de rainures concentriques. Ces contours agissent comme des surfaces de réfraction individuelles, courbant les rayons lumineux parallèles à une distance focale commune (Figure 1). Par conséquent, une lentille de Fresnel, tout en ayant un profil physiquement étroit, est capable de focaliser la lumière comme une lentille optique conventionnelle, mais elle présente plusieurs avantages par rapport à son homologue plus épaisse.

Figure 1 : Profil d'une lentille de Fresnel

LA THÉORIE DES LENTILLES DE FRESNEL

Le principe qui sous-tend la conception d'une lentille de Fresnel est que la direction de propagation de la lumière ne change pas au sein d'un milieu (à moins que la lumière ne soit dispersée). Au contraire, les rayons lumineux ne sont déviés qu'au niveau des surfaces d'un milieu. Par conséquent, la masse du matériau au centre d'une lentille ne sert qu'à augmenter le poids et l'absorption au sein du système.

Pour tirer parti de cette propriété physique, les physiciens du 18^e siècle ont commencé à expérimenter la création de ce que l'on appelle aujourd'hui une lentille de Fresnel. À l'époque, des rainures étaient découpées dans un morceau de verre afin de créer des anneaux au profil incurvé. Ce profil incurvé, une fois extrudé, forme une lentille conventionnelle incurvée - soit sphérique, soit asphérique (Figure 2). En raison de cette propriété optique similaire à celle d'une lentille optique conventionnelle, une lentille de Fresnel peut offrir des performances de focalisation légèrement supérieures, en fonction de l'application. Par ailleurs, une forte densité de rainures permet d'obtenir des images de meilleure qualité, tandis qu'une densité faible permet d'obtenir une meilleure efficacité (nécessaire pour les applications de collecte de lumière). Cependant, il est important de noter que lorsqu'une imagerie de haute précision est requise, les lentilles optiques conventionnelles singlet, doublet ou asphériques restent les meilleures.

Figure 2 : Comparaison du profil latéral d'une lentille plan-convexe (PCX) et d'une lentille de Fresnel

LA FABRICATION DE LENTILLES DE FRESNEL

Les premières lentilles de Fresnel ont été fabriquées en meulant et en polissant le verre à la main. Finalement, le verre fondu a été coulé dans des moules, mais ce n'est qu'avec le développement de plastiques de qualité optique et de la technologie du moulage par injection au 20^esiècle que l'utilisation des lentilles de Fresnel dans de nombreuses applications industrielles et commerciales est devenue pratique.

Les lentilles de Fresnel peuvent être fabriquées à partir d'une variété de substrats. Elles sont fabriquées à partir d'acrylique, de polycarbonate ou de vinyle, en fonction de la longueur d'onde souhaitée. L'acrylique est le substrat le plus courant en raison de sa transmission élevée dans le visible et l'ultraviolet (UV), mais le polycarbonate est le substrat de choix dans les environnements difficiles en raison de sa résistance aux chocs et aux températures élevées.

Exemples d'applications

Si le physicien français Augustin-Jean Fresnel (1788 - 1827) n'a pas été le premier à conceptualiser une lentille de Fresnel, il a su la populariser en l'intégrant dans les phares. Depuis lors, les lentilles de Fresnel ont été utilisées dans une variété d'applications, de la collimation et de la collecte de la lumière au grossissement.

Collimation de la lumière

Une lentille de Fresnel peut facilement collimater une source ponctuelle en la plaçant à une distance focale de la source. Dans un système à conjugaison finie, le côté rainuré de la lentille de Fresnel doit être orienté vers le conjugué le plus long (Figures 3 et 4), car c'est ainsi que l'on obtient les meilleures performances.

Figure 3 : Collimation de la lumière d'une source ponctuelle avec une lentille de Fresnel

Collecte de la lumière

L'une des applications les plus courantes d'une lentille de Fresnel est la collecte de la lumière solaire, qui est considérée comme très parallèle (un système conjugué à l'infini). L'utilisation d'une lentille de Fresnel pour collecter la lumière est idéale pour concentrer la lumière sur une cellule photovoltaïque ou pour chauffer une surface. Par exemple, une lentille de Fresnel peut être utilisée pour des travaux d'entretien courants tels que le chauffage d'une maison ou d'une piscine ! Dans ces cas, la surface totale de la lentille détermine la quantité de lumière collectée.

Figure 4 : Collimation de la lumière d'une source ponctuelle avec une lentille de Fresnel

Grossissement

Une autre application courante de la lentille de Fresnel est le grossissement. Elle peut être utilisée comme une loupe ou une lentille de projection ; toutefois, en raison du niveau élevé de distorsion, cette utilisation n'est pas recommandée. En outre, la qualité de l'image n'est pas comparable à celle d'un système de plus haute précision, compte tenu de l'importance de la distorsion.

Bien qu'elles soient couramment utilisées dans les applications solaires, les lentilles de Fresnel sont idéales pour toute application nécessitant des éléments de lentille positive peu coûteux, minces et légers. Les lentilles de Fresnel ne sont pas une technologie nouvelle, mais leur omniprésence s'est accrue avec l'amélioration des techniques de fabrication et des matériaux. Les lentilles de Fresnel sont des lentilles optiques vraiment uniques, ce qui en fait un outil idéal pour toute une série de conceptions optiques intéressantes et amusantes.