Изобретение линзы Френеля: революция в маяках и спасение жизней до появления GPS

Сейчас, если вы потерялись в незнакомом городе или в лесу, вы быстро выйдете из ситуации при помощи GPS/Глонасс трекинга в том же смартфоне или другом гаджете. Конечно, если с покрытием или зарядкой всё нормально. Причём на суше у вас ещё попадаются ориентиры, которые упрощают жизнь. 

Но если вы потерялись на море, то всё сложнее — перед вами только «синяя вечность», как пел Муслим Магомаев. Поэтому для морской навигации GPS стал настоящим прорывом. Теперь на кораблях действует система ECDIS, утверждённая международным сообществом и заменившая бумажные карты. Но 200 лет назад всё было не так радужно. 

Представьте: глухая ночь, море штормит, и корабль пытается найти путь в гавань. Ни радаров, ни трекинга нет, а единственный ориентир — это свет маяка. Чем он сильнее, тем больше шансов у моряков не погибнуть, налетев на рифы, и безопасно добраться до пункта назначения. Именно поэтому изобретение линзы Френеля спасло сотни, если не тысячи жизней моряков задолго до GPS. Да и сейчас они используются в маяках по всему миру: только в США их 75 штук! Давайте посмотрим на историю этого удивительного открытия.

С чего всё началось 

Самые ранние известные маяки представляли собой обычные холмы или насыпи, на вершине которых разводили большие костры. Моряки древности заметили, что чем выше и ярче источник света, тем проще ориентироваться на него в море — блестящее наблюдение. 

Одним из самых знаменитых маяков в истории человечества был Александрийский (его ещё называют Фаросский) маяк, построенный в Александрии в 280-247 г до н.э. Он имел в высоту порядка 150 метров и по праву, являлся одним из семи чудес света. Но кроме статуса и репутации, которые он приносил для порта Александрии — крупной транспортной артерии, маяк ещё и помогал ориентироваться кораблям, проплывающим вдоль однообразного и унылого побережья Египта. На вершине маяка располагалось зеркало, отражающее свет солнца днём, а ночью тут разводили костёр. По свидетельству очевидцев, «ночью вокруг было светло, как днём». 

Однако строить что-то подобное по масштабу на входе во все бухты — дорого. Поэтому все остальные маяки древности имели значительно меньшую высоту. Например, старейший сохранившийся маяк «Башня Геркулеса», построенный в 1 веке н.э. в Ла-Корунье (Испания) возвышался «всего» на 57 метров. 

В Европе после заката Римской Империи самыми знаковыми и старыми маяками стали маяк в Генуе (настоящий символ города), а также маяк Хук в Ирландии. Суть не поменялась: топливом для сигнального огня служили высушенные куски дерева эрики и можжевельника. Причём за обслуживание маяков платили... Сами мореплаватели в виде налога. 

В 1611 году во Франции был построен Кордуанский маяк в устье реки Жиронды — знаковый для нашей истории, потому что именно на нём впервые установили линзы Френеля. Но это было позже, а с момента постройки до середины 18 века использовали привычные всем костры — топливом служила дубовая щепа или уголь. Причём расходы были сумасшедшие, до 400 тонн угля в год. 

В 1782 году в освещении маяков произошла революция: появилась так называемая лампа Арганда. Воздух в ней проходил через узкую трубку, поэтому при горении газы сгорали полностью — это давало меньше дыма и копоти, а заодно и большую яркость в 10-12 свечей. Топливом служил китовый жир и рапсовое масло, при этом расходы на освещения упали в десятки раз.  

Однако света всё равно не хватало: большая часть светового потока освещала помещения маяка, а не служила ориентиром для моряков. Поэтому в 1763 году английский моряк Уильям Хатчинсон придумал оригинальную конструкцию параболического отражателя. Он представлял собой полусферическое основание, обклеенное отполированными металлическими кусочками. За основу Хатчинсон взял труды Иоганна Кеплера ещё начала 17 века, и придумал, как применить их к освещению маяков. 

Первая система была опробована на маяке неподалёку от Ливерпуля и позволяла фокусировать до 40-50% светового потока. Однако конструкция была очень дорогой и тяжёлой, что создавало трудности в транспортировке. Да и вращать такую махину на 360 градусов, чтобы свет распространялся во все стороны, а не только в определённую зону, было проблематично.

В начале 19 века во Франции многие моряки и рыболовы направляли жалобы на неудовлетворительное качество света. Глас народа услышал новоиспечённый император Наполеон Бонапарт. В 1811 году он учредил «Комиссию по маякам», которая была передана в ведение инженерного «Корпуса мостов и дорог». Нужно было придумать способ, как фокусировать свет ещё эффективнее, при этом не увеличивая вес и по возможности, стоимость. 

Членом этой комиссии и являлся наш герой Жан Огюстен Френель. Но обо всём по порядку. 

Как устроена линза

Френель был видным учёным, занимавшийся изучением волновых свойств света и описавший дифракцию и её частный случай — интерференцию. Эти же идеи он применил для решения задачи по усилению света маяка. 

Основная идея линзы Френеля проста. Представьте, что вы берёте обычное увеличительное стекло с выпуклой линзой, и разрезаете её на сотню концентрических колец. Каждое кольцо по мере удаления от центра немного меньше предыдущего. При этом угол наклона колец (читайте — тонких призм) тоже изменяется — для того, чтобы при преломлении все лучи имели параллельное направление. Так, в в окружающую среду будет рассеиваться минимум светового потока.

Преимущество такой «нарезки» на концентрические призмы состоит в том, что линзу можно изготовить практически плоской — она будет меньше весить. При этом с точки зрения оптики, линза Френеля:

• может работать даже с большой угловой апертурой — углом между крайними лучами света; 

• разное сечение колец позволяет снизить сферическую аберрацию (отклонение лучей от идеального направления) к минимуму из-за точно рассчитанного угла наклона плоскостей. 

Всё это позволило использовать мощность источника света по максимуму, фокусируя до 98% светового потока. В 19 веке это стало невероятным открытием, решивших проблему света маяка. Теперь свечение даже относительно слабой лампы можно было заметить на огромном расстоянии до 30 и даже 40 км. 

Дополнительным преимуществом стало то, что лёгкую линзу можно было вращать вокруг источника света. Это позволяло создавать вспышки света с заданным периодом, что помогало в навигации и передачи разных сигналов.

Для тех, кто хочет узнать подробнее о расчётах линзы Френеля, рекомендуем обратиться к этой научной публикации.

Как Френель изобрёл линзу

Кстати, подобную конструкцию линзы предложили использовать ещё до Френеля. В 1748 году Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, первым предложил заменить выпуклую линзу на состоящую из концентрических кольцевых призм. Он полагал, что это нужно сделать из цельного куска стекла, шлифуя ступеньку за ступенькой. В 1790 году маркиз де Кондорсе предположил, что кольцевые секции проще и дешевле изготовить отдельно и собрать их на каркасе.

Однако Френель — однозначно первый, кто сумел довести задумку до ума и получить её практическую реализацию. 

С детства он увлекался наукой, поэтому пошёл учиться сначала в Политехническую школу, а позже в Национальную школу мостов и дорог на инженера. По выпуску он участвовал в разных проектах, связанных с гражданским строительством. Параллельно в 1814 году он проводил опыты, связанные с исследованием оптики. Не зная про опыты Юнга («эксперимент с двумя щелями»), он придумал другой способ доказать, что свет имеет волновую природу. 

Так в 1816 году появились бипризмы Френеля — с их помощью учёный наблюдал ещё одно проявление интерференции света. Заодно дополнил и развил идею Гюйгенса, сформулировав основополагающий «принцип Гюйгенса — Френеля» — чуть освежим в памяти школьный курс физики:

Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

В 1818 году Френель написал свою главную работу «Воспоминания о дифракции света», а в 1819 году представил свою теорию научному сообществу. За это он получил Гран-При Французской Академии наук. Члены комиссии в лице Франсуа Араго, Симеон Пуассон и Пьер-Симон Лаплас — все сторонники корпускулярной теории света — были поражены его теоретическим обоснованием экспериментальных данных.

Именно по рекомендации Франсуа Араго, Френель и очутился в «Комиссии по маякам» и должен был со всеми своими теоретическими знаниями решить практическую задачу. Спустя несколько месяцев он уже предложил конструкцию ступенчатой линзы, ничего не зная о более ранних работах де Бюффона. 

Проведя необходимые расчёты и проработав конструкцию из восьми панелей, Френель обратился к нескольким производителям, чтобы те смогли изготовить прототип. Официальный бюджет составлял всего 500 франков. В марте 1820 года появилась первая панель: она имела прямоугольную форму с размером 55х65 см.

Члены комиссии тут же согласились выделить дополнительное финансирование. За год было закончено изготовление остальных панелей, и 13 апреля 1821 года Френель официально продемонстрировал свою работу. Над и под панелями располагались 128 плоских зеркал под разными углами, чтобы увеличить угловую апертуру. Сами панели скреплялись при помощи металлического каркаса. 

Официальное испытание провели 20 августа 1822 года на недостроенной Триумфальной арке, в присутствии Людовика XVIII. По свидетельству очевидцев, свет заметили на расстоянии в 32 километра! Ничего подобного не мог дать ни один параболический отражатель того времени. В качестве источника света использовалась как раз лампа Арганда, о которой мы говорили выше. 

Линза Френеля была одобрена «Комиссией по маякам», и 25 июля 1823 года ее установили на маяке Кордуан — первом во Франции. В фокальной плоскости устройства располагались три концентрических фитиля лампы, куда рапсовое масло подавалось при помощи напорного насоса.

В мае 1824 года Френеля за достижения назначили секретарём комиссии. В 1825 году он продолжал свои исследования волновой природы света, придя к окончательному выводу, что свет является не просто волной, а имеет поперечный механизм распространения. 

В том же году он предложил заменить плоские зеркала на трёхгранные в сечении призмы. Свет в них преломляется через первую поверхность, отражается от второй и выходит через третью поверхность, преломляясь в нужную сторону, строго параллельно другим лучам. Это усложнило производство, однако дало значительно меньшие потери светопотока. Вместе с тем аппарат «стал чем-то походить на улей», по свидетельству изобретателя.

Одним из первых, кто понял всю важность открытия Френеля для морской навигации по всему миру, стал шотландский учёный Дэвид Брюстер. В 1820-х годах он способствовал популяризации и массовому использованию линз Френеля в маяках Великобритании: для этого даже открыли отдельный завод по производству стекла.

После этого линзы стали использовать в маяках по всей Европы, а после 1852 года — и в США. В 1860-х каждый маяк в Америке снабжался линзами Френеля.Прошло уже больше 150 лет, а согласно сайту «Сообщества любителей маяков», 75 маяков по-прежнему работают с использованием этой технологии, казалось бы, устаревшей после появления радаров и GPS навигации. 

Конечно, освещение маяков тоже не стояло на месте: например, добавлялось газовое и электрическое освещение. Вместе с этим менялась и конструкция линз Френеля начиная от количества панелей, формы и числа линз и заканчивая их цветами. Всего было сделано больше сотни модификаций и доработок. 

К сожалению, Жан Огюстен Френель не дожил до того момента, как его детище триумфально распространилось по всему миру. Он умер 14 июля 1827 года в возрасте 39 лет от туберкулёза. 

В честь изобретателя на каждом французском маяке, в котором использовалась линза Френеля, был установлен его бюст, а имя Жана Огюстена является одним из 72 имён, выбитых на Эйфелевой башне. Ведь ему обязаны своими жизнями тысячи моряков, которых свет его линзы спас от кораблекрушения. 

Где ещё используют линзы Френеля

Для многих моряков или пилотов маленьких самолётов свет маяка и сейчас является хорошим резервом на случай отказа GPS навигации. Но всё-таки линзы Френеля нашли и другие применения, где требуется сфокусированный поток света. Например:

Аэродромы и авианосцы. При заходе на посадку самолёты должны чётко ориентироваться и понимать, где находится взлётная полоса. Особенно в условиях плохой видимости и тумана, там малейшая ошибка может быть ещё более фатальной. Для этого используют мощные прожекторы, которые ориентированы в нужную сторону или вращаются вокруг своей оси. В них тоже используются более компактные и простые линзы Френеля. 

Театр и кино. Для хорошей картинки нужно освещение с равномерной интенсивностью по всей ширине луча света. Линзы Френеля в фонарях идеально подходят для этого: они дают классный заливающий свет с мягкими контурами. Дополнительно в них легко изменяется угол раскрытия луча от 7о до 70о при фокусировке, что важно для мощного спотового освещения. 

Светофоры. Чем раньше и чётче водитель увидит запрещающий сигнал, тем безопаснее. Причём в любую погоду. Поэтому в железнодорожных светофорах также часто используют линзы Френеля.

Автомобили. Отличная штука для того, чтобы убирать мёртвые зоны. Например, клеите линзу на заднее стекло и получаете дополнительную камеру с более широким углом охвата. Это повышает безопасность, когда будете сдавать задним ходом: больше шансов заметить низкое препятствие, от столбика до собаки или, не дай бог, ребёнка. Дополнительно их используют на зеркалах европейских машин, которые въезжают в Великобританию и вынуждены адаптироваться к левостороннему движению. 

Увеличительная линза. Для людей, страдающих от дефектов зрения, может быть проблематично прочитать мелкий шрифт на договоре кредитования. Специально для этого приспособили линзу Френеля — она даёт картинку без искажений по всей ширине области чтения. Очень компактная штука, размером с кредитную карту. Кстати, подобное применение у линзы Френеля было и в портативных телевизорах — например, Sinclair TV80, полностью провалившийся в продажах. 

VR-очки. Для технологии дополненной реальности линзы Френеля решают некоторые проблемы: они легче и тоньше стандартных линз, при этом лучше увеличивают изображение по всей площади и убирают эффект «москитной сетки». Однако если скосить зрение, то на периферии можно увидеть световые блики из-за аберраций. Эту проблему решила компания Sony, запатентовав антибликовую технологию для линз Френеля и уже применяя их в гарнитуре PS VR2. 

Солнечные батареи. Линзы Френеля при той же толщине можно сделать больше по площади, чем обычные линзы. Поэтому их часто применяют в составе солнечных коллекторов из-за высокой эффективности. На базе этого даже строят специальные LFR системы.

Ещё линзы Френеля используют:

• в инфракрасных системах обнаружения, таких как охранная сигнализация или сканеры штрих-кодов;

• в процессах, связанных с проекцией изображений; 

• в фото и видеокамерах, где требуется компактность — например, Nikon представил самый легкий в мире объектив;

• для создания мощных космических телескопов.

В общем, изобретение Жана Огюстена Френеля пошло намного дальше, чем задумывалось изначально — являться частью системы освещения маяка. Но звание «изобретения, спасшего миллион кораблей», как написала о линзе Френеля в своей статье BBC, тоже дорогого стоит.