В современном мире, оказавшись в незнакомом городе или в лесу, человек может быстро сориентироваться с помощью GPS или ГЛОНАСС, установленных в мобильных устройствах. Это возможно при наличии стабильного сигнала и заряда батареи. При этом на суше навигацию облегчают дополнительные ориентиры.
Однако в морских условиях ситуация значительно сложнее: в открытом море отсутствуют визуальные ориентиры, что делает навигацию особенно затруднительной. Именно поэтому внедрение спутниковых навигационных систем стало важным технологическим достижением в области мореплавания. Сегодня на судах активно используется система ECDIS — электронная картографическая навигационно-информационная система, признанная международными организациями и пришедшая на смену бумажным картам. Однако в прошлом мореплаватели сталкивались с куда большими трудностями.
В условиях ограниченной видимости и отсутствия современных технических средств навигации, основным ориентиром для кораблей оставался свет маяка. Мощность этого света напрямую влияла на безопасность судов, особенно при приближении к побережью в ночное время или в шторм. Изобретение линзы Френеля стало важным шагом вперёд, позволив значительно усилить световой сигнал маяков и тем самым предотвратить множество морских катастроф. Эти линзы и сегодня используются в различных странах: в США насчитывается около 75 действующих экземпляров . Рассмотрим историю появления этого инженерного решения.
Исторические предпосылки
Первые маяки представляли собой насыпные холмы или возвышенности, на вершине которых разжигались костры. Мореплаватели давно заметили: чем выше и ярче источник света, тем проще определить местоположение на море.
Одним из наиболее известных маяков античности был Александрийский (Фаросский) маяк, построенный в Александрии в период между 280 и 247 годами до н. э. Его высота составляла около 150 метров, что делало его одним из семи чудес древнего мира. Помимо репрезентативной функции, он выполнял важную роль в навигации, позволяя судам ориентироваться вдоль береговой линии Египта. В дневное время для отражения солнечного света использовалось зеркало, а ночью на вершине разжигался костёр. Согласно историческим описаниям, «ночью вокруг было светло, как днём».
Однако строительство подобных сооружений в каждой бухте было экономически нецелесообразным. Большинство маяков древности имели значительно меньшую высоту. Так, например, сохранившийся до наших дней маяк «Башня Геркулеса», возведённый в I веке н. э. в Ла-Корунье (Испания), достигает высоты 57 метров.
После падения Римской империи ключевыми навигационными сооружениями стали маяк в Генуе, являющийся символом города, и маяк Хук в Ирландии. Основой для огня служили высушенные древесные породы, такие как можжевельник и вереск. Финансирование их обслуживания осуществлялось за счёт налогов, собираемых с мореплавателей.
В 1611 году во Франции был построен Кордуанский маяк в устье реки Жиронды. Это сооружение стало значимым в истории, поскольку именно здесь позднее впервые была установлена линза Френеля. Первоначально же освещение обеспечивалось традиционными кострами, для которых использовали дубовую щепу или каменный уголь. Годовое потребление топлива достигало 400 тонн, что свидетельствует о высоких затратах на эксплуатацию.
В 1782 году в технологии освещения маяков произошли значительные изменения — была изобретена лампа Арганда. Её конструкция предусматривала прохождение воздуха через узкий канал, что обеспечивало полное сгорание паров топлива. Это позволило существенно снизить количество копоти и увеличить яркость света до 10–12 свечей. В качестве топлива применялись китовый жир и рапсовое масло, при этом эксплуатационные расходы на освещение снизились в десятки раз.
Несмотря на технологическое усовершенствование, уровень освещённости оставался недостаточным. Значительная часть светового потока направлялась внутрь маячной башни, а не в сторону моря. Решение этой проблемы предложил в 1763 году английский моряк Уильям Хатчинсон, разработав конструкцию параболического отражателя. Устройство представляло собой полусферическую форму, покрытую отполированными металлическими пластинами. Хатчинсон опирался на труды Иоганна Кеплера начала XVII века, адаптировав их к нуждам морской навигации.
Первые испытания отражателя были проведены на маяке неподалёку от Ливерпуля. Конструкция позволяла фокусировать до 40–50 % светового потока, что значительно повысило эффективность маячного освещения. Однако устройство оказалось громоздким, тяжёлым и дорогостоящим. Его транспортировка и вращение на 360 градусов с целью равномерного распределения света представляли серьёзные технические сложности.
В начале XIX века качество маячного освещения во Франции вызывало многочисленные нарекания со стороны моряков и рыбаков. Ответ на эти жалобы последовал от императора Наполеона Бонапарта, который в 1811 году учредил специальную «Комиссию по маякам». Её курирование было возложено на инженерное ведомство — Корпус мостов и дорог. Перед специалистами стояла задача создания более эффективной системы фокусировки света без увеличения массы и стоимости оборудования.
Одним из участников комиссии стал Жан Огюстен Френель, чья работа в дальнейшем определила развитие оптики и навигационных технологий.
Как устроена линза
Жан Огюстен Френель был выдающимся учёным, внёсшим значительный вклад в развитие волновой теории света. Он подробно изучал дифракцию и её частный случай — интерференцию. Эти фундаментальные исследования были применены им при решении задачи повышения эффективности маячного освещения.
Принцип действия линзы Френеля основан на сегментировании классической выпуклой линзы. Её поверхность разбивается на серию концентрических колец, каждое из которых представляет собой отдельную преломляющую поверхность — тонкую призму. Размеры колец уменьшаются по мере удаления от центра, а угол наклона каждой призмы корректируется таким образом, чтобы все преломлённые лучи света направлялись параллельно. Это позволяет существенно снизить потери светового потока за счёт уменьшения рассеивания.
Главное преимущество подобной конструкции заключается в возможности создания оптически эффективной линзы с минимальной толщиной и массой. Это делает её пригодной для установки в сложных технических условиях.
С точки зрения оптики, линза Френеля обладает следующими характеристиками:
-
Эффективная работа с большой угловой апертурой, то есть с широким диапазоном направлений падающего света.
-
Возможность снижения сферической аберрации благодаря точно рассчитанным углам наклона преломляющих поверхностей.
Такая конструкция позволила использовать световой поток с максимальной эффективностью — до 98% излучаемого света направлялось в нужное направление. Это стало технологическим прорывом в XIX веке: даже относительно маломощные источники излучения стали заметны с расстояний до 30–40 км.
Ещё одним преимуществом линзы Френеля стала её малая масса, благодаря чему её можно было вращать вокруг источника света. Это дало возможность формировать световые импульсы с заданной периодичностью, применявшиеся для навигации и передачи сигналов.
Более подробно с методами расчёта линзы Френеля можно ознакомиться в научной публикации по данной теме .
Как Френель изобрёл линзу
Концепция линзы, состоящей из концентрических кольцевых призм, была предложена ещё до Френеля. В 1748 году Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон предложил заменить массивную выпуклую линзу конструкцией из концентрических призм, выточенных из единого куска стекла. Позднее, в 1790 году, маркиз де Кондорсе высказал идею, что такие кольца можно производить отдельно и монтировать на каркас, что упрощало изготовление.
Тем не менее, именно Жан Огюст Френель первым реализовал концепцию ступенчатой линзы в практическом устройстве. Он получил инженерное образование в Политехнической школе и Национальной школе мостов и дорог . Параллельно с профессиональной деятельностью в области гражданского строительства он начал изучать физику и, в частности, оптику.
В 1814 году Френель проводил опыты, направленные на доказательство волновой природы света. Независимо от экспериментов Томаса Юнга (опыт с двумя щелями), он разработал метод наблюдения интерференции, используя призму собственной конструкции.
Так в 1816 году были созданы бипризмы Френеля , с помощью которых учёный зафиксировал интерференционные картины. Эти исследования легли в основу принципа Гюйгенса — Френеля, согласно которому:
Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле определяется интерференцией этих волн.
В 1818 году Френель опубликовал труд «Воспоминания о дифракции света», в котором систематизировал результаты экспериментов. Работа была высоко оценена Французской академией наук, несмотря на доминирование корпускулярной теории среди её членов. Научное сообщество признало убедительность волновой теории в свете экспериментальных данных.
По рекомендации Франсуа Араго, Френель был приглашён в состав «Комиссии по маякам», где перед ним поставили задачу повышения эффективности морских маяков. В течение нескольких месяцев он разработал проект ступенчатой линзы, независимо от более ранних предложений де Бюффона.
После проведения теоретических расчётов Френель подготовил чертежи восьми секционных панелей. Первая из них, размером 55×65 см, была изготовлена в марте 1820 года. Несмотря на ограниченный бюджет в 500 франков, он добился необходимых технических характеристик.
После успешного изготовления всех панелей и сборки конструкции, 13 апреля 1821 года Френель представил линзу комиссии. В конструкции использовались 128 плоских зеркал, расположенных над и под линзами, что позволяло увеличить угловую апертуру. Панели крепились к металлическому каркасу.
Первое испытание прошло 20 августа 1822 года на строящейся Триумфальной арке в Париже, в присутствии короля Людовика XVIII. Свет от линзы был виден на расстоянии до 32 км — результат, недостижимый для параболических отражателей того времени. Источником света служила лампа Арганда.
По итогам демонстрации линза была одобрена для установки на маяках. Первым объектом стал маяк Кордуан, где устройство было смонтировано 25 июля 1823 года. В фокусе линзы располагались три фитиля, питаемые рапсовым маслом через насос.
В 1824 году Френель был назначен секретарём Комиссии по маякам. В 1825 году он продолжил исследования волновой природы света, установив, что свет распространяется в виде поперечных волн, тем самым завершив формирование современной теории света.
В том же году Жан Огюстен Френель предложил заменить плоские зеркала на трёхгранные призмы, каждая из которых обеспечивала преломление и отражение света с минимальными потерями. Свет сначала преломлялся на первой грани, отражался от второй и затем снова преломлялся при выходе через третью грань. Это обеспечивало строгое параллельное направление лучей и повышало эффективность передачи светового потока, несмотря на усложнение конструкции. По описанию самого изобретателя, устройство стало напоминать пчелиный улей.
Одним из первых, кто оценил значимость изобретения Френеля в контексте обеспечения безопасности мореплавания, стал шотландский физик Дэвид Брюстер . В 1820-х годах он активно содействовал распространению линз Френеля в маячной службе Великобритании. В частности, под его руководством был организован специализированный завод по производству оптического стекла.
В дальнейшем линзы Френеля были внедрены на маяках по всей Европе, а после 1852 года — и в Соединённых Штатах. К 1860-м годам практически каждый маяк в США был оснащён подобной линзой . По данным «Сообщества любителей маяков» , несмотря на развитие радиолокации и спутниковой навигации, по состоянию на сегодняшний день 75 маяков в США продолжают использовать классические линзы Френеля.
С течением времени технологии освещения маяков также эволюционировали — появились газовые и электрические источники света. Соответственно, менялась и конструкция линз: варьировались форма, количество панелей, число линз и их цветовая палитра. Было разработано более сотни модификаций, приспособленных под различные условия эксплуатации.
Жан Огюстен Френель скончался 14 июля 1827 года от туберкулёза в возрасте 39 лет, не дожив до масштабного распространения своего изобретения. В знак признания его вклада, на каждом французском маяке с линзой Френеля был установлен его бюст. Имя Френеля также увековечено среди 72 выдающихся учёных на Эйфелевой башне.
Современные применения линз Френеля
Помимо маяков, линзы Френеля применяются в различных областях, где требуется управление направлением и фокусировкой светового потока. Одной из таких сфер является авиация.Аэродромы и авианосцы. В системах наведения при посадке, особенно в условиях ограниченной видимости, используется оптическое оборудование с линзами Френеля. Такие системы обеспечивают визуальные ориентиры для пилотов, позволяя им корректировать угол глиссады. Прожекторы с линзами Френеля могут быть как стационарными, так и вращающимися, и обеспечивают необходимую концентрацию света.
Театр и кинопроизводство. В сценическом и студийном освещении важно обеспечить равномерное распределение света по ширине луча. Линзы Френеля, используемые в осветительных приборах, позволяют добиться мягкого, равномерного заливающего света с минимальными тенями и плавными границами светового пятна. Преимуществом этих систем является возможность регулирования угла раскрытия светового потока — от узкого (порядка 7°) до широкого (до 70°) — посредством изменения расстояния между источником света и линзой, что позволяет точно адаптировать освещение к различным сценам и задачам.
Светофорные системы. Для обеспечения безопасности движения необходимо, чтобы сигналы светофора были чётко видимы на значительном расстоянии и при различных погодных условиях. Линзы Френеля, благодаря способности фокусировать и направлять свет, широко применяются в железнодорожных и дорожных светофорах. Это позволяет повысить дальность и чёткость визуального восприятия сигнала.
Автомобильный транспорт. Линзы Френеля используются в транспортных средствах для расширения поля зрения и минимизации мёртвых зон. Например, при наклеивании такой линзы на заднее стекло автомобиля она действует как пассивный элемент оптической коррекции, увеличивая обзор при движении задним ходом. Это способствует своевременному обнаружению препятствий, в том числе невысоких объектов. Кроме того, подобные линзы применяются на боковых зеркалах автомобилей, въезжающих в страны с левосторонним движением, например, в Великобританию, для компенсации изменения углов обзора.
Оптические увеличители. Компактные линзы Френеля часто используются в качестве портативных увеличительных устройств для чтения мелкого шрифта. Такие линзы обеспечивают увеличение с минимальными искажениями по всей площади и могут иметь размеры, сопоставимые с банковской картой, что делает их удобными в повседневном применении. Ранее аналогичные решения применялись, например, в портативных телевизорах, таких как Sinclair TV80.
Виртуальная и дополненная реальность. В устройствах виртуальной реальности линзы Френеля применяются в качестве объективов благодаря их малому весу и тонкости. Они позволяют более эффективно увеличивать изображение и способствуют снижению эффекта пикселизации («москитной сетки»). Однако из-за особенностей геометрии возможны оптические искажения на периферии поля зрения. Для их устранения разрабатываются специальные антибликовые технологии. В частности, компания Sony запатентовала технологию снижения бликов для линз Френеля и применяет её в гарнитуре PlayStation VR2.
Солнечная энергетика. Линзы Френеля позволяют сконцентрировать солнечное излучение на малой площади, что повышает эффективность фотоэлектрических и тепловых систем. Благодаря возможности создания линз большого диаметра при минимальной массе они широко применяются в системах солнечной концентрации. Одним из таких примеров являются линейные концентраторы (LFR), используемые в солнечных электростанциях.
Также линзы Френеля находят применение в следующих областях:
-
в инфракрасных детекторах движения, системах охранной сигнализации и сканерах штрих-кодов;
-
в проекционной технике, где требуется формирование направленного светового потока;
-
в компактной фото- и видеотехнике, например, в лёгких телеобъективах;
-
в астрономии, включая разработку космических телескопов нового поколения.
Таким образом, изобретение Жана Огюстена Френеля нашло применение далеко за пределами своей первоначальной задачи — повышения эффективности маячного освещения. Как отмечает BBC, линза Френеля по праву считается «изобретением, спасшим миллион кораблей».