DIE »kleine« TECHNIKSEITE
J.A. Fresnel & Co.

Alle Zeichnungen und Texte zu diesem Thema wurden freundlicherweise
von Hans-Günter Spitzer zur Verfügung gestellt,
der auch die Gestaltung dieser Seite übernommen hat.
Gürteloptik im Leuchtturm Roter Sand
Wesermündung · Deutschland
Optik für ein Blitzfeuer im Ponce Inlet
Lighthouse - Florida · USA
Brewster, Sir David
Stellte schon vor Fresnel, im Jahre 1811, theoretische Überlegungen zum Bau einer aus konzentrischen Ringen aufgebauten Linse an.

Fresnel, Jean Augustin
geb. am 10. Mai 1788 in Broglie (Depart. Eure, Frankreich), gest. am 14. Juli 1827 in Ville d’Avray bei Paris.

Wurde Ingenieur am Ministerium für Brücken und Straßen (in Frankreich immer noch zuständig für die Belange des Leuchtfeuerwesens). Arbeitete besonders über Optik, wies die Interferenz des Lichts durch Spiegelung nach. Gewann 1819 mit einer Abhandlung darüber eine Medaille der Akademie der Wissenschaften.
Als die französische Regierung eine eigene Leuchtfeuerbehörde gründete, wurde Fresnel, unter deren Präsident Arago, zum Sekretär berufen. Unter Fresnels Leitung war die Kommission mit Fragen der Beleuchtung im allgemeinen und deren Gebrauch in Leuchtfeuern im besonderen beschäftigt. Ziel war es, ein System auf der Grundlage der, von Argand, Teulère, Borda und anderen, perfektionierten Öllampen zu entwickeln.

Prinzipskizze einer Fresnellinse und einer Gürtellinse mit Fresnel´schem Profil
Links ist deutlich zu erkennen, welche Verringerung der Glasmasse durch Auflösung der Linse in einzelne Ringe erreicht wird
Fresnel-Linse
Oberbegriff für alle aus ringförmigen Zonen aufgebauten Linsen. Um möglichst viel des von der Lichtquelle produzierten Lichts zu bündeln, kam Fresnel zu dem Schluß, daß mindestens das bis zu einen Winkel von 45° auf die Linse treffende Licht nutzbar gemacht werden müsse (über 45° tritt Reflexion ein). Dies war nur möglich mit einer Plankonvexlinse. Da andererseits der Winkel im Randbereich der konvexen Fläche dadurch auf ca. 40° angestiegen wäre, hätte es einer so großen Glasmasse bedurft, daß die Lichtverluste in diesem großen Glaskörper den Nutzen zunichte gemacht hätten.
Unabhängig von den, ihm damals nicht bekannten, Veröffentlichungen von Buffon, Condorcet und Brewster, kam Fresnel zu dem Schluß, daß nur eine aus einzelnen Zonen zusammengesetzte Linse die an sie gestellten Forderungen erfüllen konnte. Für die Brechung von Lichtstrahlen ist nämlich nicht die Masse des Glases einer Linse maßgeblich, sondern die Stellung ihrer Flächen zu den auftreffenden Lichtstrahlen.
Durch die Unterteilung in einzelne Zonen konnten diese, jede für sich, entsprechend dem Einfallswinkel des Lichtes und der daraus resultierenden Oberflächenkrümmung, zur Erzielung eines parallelen Lichtbündels berechnet werden. Durch die mangelhafte Schleiftechnik jener Zeit war Fresnel bei den ersten Konstruktionen gezwungen, diese Linsen als Polygonallinsen auszuführen (siehe Abbildung).
1819/20 wurde eine Probelinse von 400mm Brennweite bei 350mm Durchmesser, sowie ein viereckiger Linsenschirm mit 700mm Brennweite bei 536mm Seitenlänge hergestellt. 1820/21 folgte eine Probelinse von 920mm Brennweite.

Fresnelsche Apparate
Oberbegriff für alle Leuchtfeueroptiken, die nach dem Prinzip des von J. A. Fresnel im Jahre 1822 vorgestellten Leuchtapparates gebaut wurden.
Dieser erste dienstfähige Apparat, ein Drehfeuer, wurde 1823 auf Cordouan (Mündung der Gironde) in Dienst gestellt. Der Mittelteil (Tambour) bestand acht Fresnelschen Linsen von jeweils 920 mm Brennweite. Die einzelnen Zonen dieser Linsen waren nun nicht mehr polygonartig zusammengesetzt, sondern bestanden aus ringförmig geschliffenen Glasstücken, die mit Kanadabalsam verkittet waren. Um auch nach oben abgestrahltes Licht für den Schein nutzbar zu machen, war über der mit Rüböl betriebenen, vierdochtigen Argandschen Lampe, eine abgestumpfte achtseitige Pyramide aus trapezförmigen Linsen angebracht.
Das durch diese Linsen fallende, gebündelte Licht, wurde durch geneigte Planspiel horizontal abgelenkt. Fresnel ordnete die Spiegel um 7,5°, gegenüber dem Tambour, versetzt an. Er erreichte damit, daß der Schein, des sich einmal in acht Minuten um sich selbst drehenden Feuers, langsam anwuchs und dann rascher abnahm. Das nach unten abgestrahlte Licht wurde durch acht Reihen ringförmig angeordneter Planspiegel horizontal abgelenkt und ergab einen schwachen, aber stetigen Schein.
Fresnel gelang mit dieser Konstruktion, das etwa über einen Winkel von 120° abgestrahlte Licht nutzbar zu machen (siehe Abbildung). Das Öl für die Argandsche Lampe wurde von vier, durch ein Uhrwerk betriebene Pumpen, dem Brenner zugeführt. Dabei floß dreimal soviel Öl über, wie zum Betrieb der Lampe notwendig war.
Erste Fresnel-Linse für Cordouan, rechts noch als Polygonallinse ausgeführt
Skizze des ersten, von Fresnel konstruierten Drehfeuers · Cordouan 1823
Bei dem ersten, von Fresnel konstruierten, Apparat für ein festes Feuer, mußten die einzelnen Zonen des Tambours wieder aus geraden Prismen als Polygone zusammengesetzt werden. Dieser Apparat erhielt 16 Seiten im Tambour und, jeweils um die halbe Länge einer solchen Seite versetzt, eine aus Linsen und Spiegeln bestehende Konstruktion zu Erfassung des ober- und unterhalb des Tambours ausfallenden Lichtes.
Bei einem der folgenden Apparate wurde, anstatt der Konstruktion aus Linsen und Spiegeln, das oberhalb des Tambours ausfallende Licht durch sieben Reihen ringförmig angebrachter Spiegel reflektiert. Vier Reihen von Spiegeln waren unterhalb des Tambours angebracht. Ein solches Feuer 1. Ordnung mit 32 Seiten wurde 1825 für den Turm auf Chassiron gebaut (siehe Abbildung).
Die hier verwandten Ober- und Unterteile aus Spiegeln, wurden auch für Drehfeuer eingeführt. Sie gaben zwar ein festes Feuer zwischen den Blicken, minderten dabei aber deren Leistung. Die Schiffahrt begrüßte diesen Effekt, war da-durch doch ein Festfeuer mit einer Reichweite von 5–6 Seemeilen um den jeweiligen Turm vorhanden, daß man nicht so schnell aus den Augen verlieren konnte.
Fresnel hatte schon 1825 Entwürfe eines Drehfeuers an R. Stevenson gesandt, bei denen die ober- und unterhalb des Tambours angebrachten Spiegelzonen nicht mehr aus einer Reihe von Planspiegeln bestehen sollten. Er schlug statt dessen vor, diese Spiegel so auszubilden, daß sie eine Fortsetzung des Linsenquerschnitts darstellten. Anlaß für diesen Entwurf, dessen Ausführung wieder an nicht vorhandener Technik scheiterte, war der von englischer Seite vorgetragene Wunsch, die einzelnen Blicke in ihrer Intensität zu verstärken bei völliger Verdunklung zwischen diesen. Fresnel löste später das Problem durch die Verwendung gerader Prismen, da die Herstellung geeigneter Spiegel, deren Einstellung, dauerhafte Befestigung sowie die mühsame Reinigung, nicht zufriedenstellend gelöst werden konnten. Außerdem waren die Lichtverluste zu groß.
Nachdem auch größere Schwierigkeiten bei der Herstellung und Justierung von zunächst vierseitigen Prismen auftraten, verwandte Fresnel dreiseitige. Ein von Tabouret, nach Entwürfen von Fresnel gefertigter, kleiner Apparat, war 1825 zur Beleuchtung des Quai St. Martin in Paris gefertigt worden, kam aber nicht zur Anwendung. Nach dem Tode Fresnels, im Jahre 1827, geriet diese Art der Herstellung katadioptrischer Prismen in Vergessenheit, da auch die Technik noch lange Zeit nicht in der Lage war, die Idee auf die Anfertigung größerer Apparate anzuwenden.
Entscheidende Verbesserungen der Fresnelschen Apparate gelangen dann ab 1835 den schottischen Ingenieuren Alan und Thomas Stevenson. Die unterhalb des Tambours angebrachten Spiegelreihen wurden von A. Stevenson durch reflektierende Prismen ersetzt. 1836 gelang es, von ihm angeregt, die Tambourzonen eines festen Feuers 1. Ordnung in der richtigen, kreisförmigen Gestalt zu schleifen, nachdem sie bis dahin aus 32 geraden Prismenstücken zusammengesetzt waren.
Unter entscheidender Mithilfe von Leonor Fresnel (dem Bruder von J. A. Fresnel) gelang es 1843, einen Apparat 1. Ordnung herzustellen, dessen oberhalb des Tambours angebrachte Kuppel ebenfalls aus kreisförmigen Zonen reflektierender Prismen gebildet wurde. Geliefert wurden die Prismen von Soleil in Paris. Der Apparat wurde 1844 auf Skerryvore/Großbritannien installiert. Ein solcher 3. Ordnung war für Gravelines/Frankreich im vorhergehenden Jahr, einer 2. Ordnung für Brü-sterort/Deutschland, im nachfolgenden Jahr geliefert worden. Anzunehmen ist, daß die von Soleil gelieferten Glasteile von Cookson of South Shield montiert wurden.
Moderne Gürteloptiken der Firma PINTSCH-BAMAG
Links für ein gasbetriebenes, rechts für Feuer mit elektrischer Beleuchtung
Gürtellinse
Durch die Weiterentwicklung seiner im Jahre 1822 vorgestellten Optik aus brechenden Polygonallinsen, kam J. A. Fresnel zur Gürtellinse.
Um das Licht, das von einer Lichtquelle durch die Polygonallinsen gebündelt wird, über den ganzen Horizont sichtbar zu machen, mußte der Apparat in Drehung versetzt werden. Den gleichen Effekt, nämlich das durch eine Linse verstärkte Licht rundum sichtbar zu machen, erzielte Fresnel, indem er einen Glasmantel um die Lichtquelle anbrachte, der rundum den gleichen Querschnitt aufwies, wie die zuvor verwendeten Polygonallinsen. Im Prinzip das gleiche Verfahren, das Bordier-Marcet bei seinem Sideral-Apparat angewandt hatte.
Gürtellinsen wurden für Optiken bis 1. Ordnung gebaut, wobei das Gros eher bei den kürzeren Brennweiten lag und liegt (Feste Feuer bei Hafenanlagen, Tonnen usw.).

Polygonallinse
Aus einer Einzellinse und einzelnen, konzentrisch angebrachten, geraden Prismen bestehende Linse. Die ersten Anregungen und Versuche, eine plankonvexe Linse in konzentrisch verlaufende Zonen zu unterteilen und damit die Geamtmasse zu verringern, gingen von Comte Buffon im Jahre 1748 aus.
Er schlug vor, die Linse aus einem Stück zu schleifen. Condorcet im Jahre 1773 und Sir D. Brewster im Jahre 1811 stellten theoretische Überlegungen zum Bau einer aus konzentrisch angeordneten und abgestuften Linsenringen bestehenden Linse an. Als Brenngläser gedacht, fand keine dieser Konstruktionen Eingang in die Leuchtfeuertechnik. Erst Jean Augustin Fresnel verwandte für seine im Jahre 1822 konstruierte Optik diese Linsenkonstruktion.
Da die Technik des Schleifens optischer Gläser noch in den Kinderschuhen steckte, war Fresnel gezwungen, diese ersten Linsen als Polygonallinse (aus geraden Prismenstücken aufgebaut) auszuführen.

Brennweite
Längenangabe in mm für den Abstand des  Brennpunktes einer Linse oder Hohlspiegels vom Mittelpunkt der/desselben.
Bei einem Fotoapparat z.B. die Entfernung zwischen Filmoberfläche und der sog. Hauptebene des Objektivs (da die meisten Objektive, ob für Fotografie, Film oder Video, aus mehreren Linsen bzw. Linsengruppen bestehen, wird die Stelle im Objektiv, an der sich die Blende befindet, als die Hauptebene bezeichnet. An dieser Stelle im Objektiv kreuzen sich alle Lichtstrahlen bei Einstellung auf oo (Unendlich).
Bezogen auf eine Leuchtturmoptik ist dies die Strecke, angegeben in mm, zwischen der Lichtquelle (Brennpunkt) und der der Lichtquelle zugewandten Oberfläche der Linse. Lichtquelle und Linse sind dabei senkrecht auf einer gemeinsamen Mittelachse ausgerichtet. Die Brennweite ist abhängig vom Krümmungsradius und (bei Linsen) vom Brechungsvermögen der verwendeten Linsensubstanz.
Die Leuchtfeueroptiken wurden, je nach Brennweite, schon von J. A. Fresnel in Klassen unterteilt und mit Ordnungszahlen versehen, die für alle Fresnelschen Apparate ihre Gültigkeit beibehielten.

Hyperradiale Optiken
Erste Anregungen zum Bau einer solchen Optik kamen von den Stevensons, den Ingenieuren der »Commissioners of Northern Lighthouses« im Jahre 1869, weil die Flammen großer Gasbrenner, auch in Optiken erster Ordnung, nicht optimal fokussiert und gebündelt werden konnten.
1885 wurde die erste hyperradiale (1.330 mm Brennweite), im Auftrag der Stevensons, von Barbier gefertigte Optik am Leuchtturm von South Foreland/GB, zusammen mit den gerade für Eddystone und Mew Island gebauten Optiken getestet. Die Ergebnisse erbrachten, daß der mit einem 10-flammigen Gas-Ringbrenner ausgestattete Apparat fast die doppelte Lichtausbeute erbrachte, als die beiden, ebenfalls mit diesem Brenner versehenen, konkurrierenden Optiken (für Eddystone eine sog. »Biform« = Doppeloptik = zwei übereinandergesetzte Einzeloptiken, jede mit einem eigenen Brenner; für Mew Island eine mit vier übereinander angeordneten Einzeloptiken = Quadriform).
Bis zum Jahre 1913 waren nicht mehr als 12 (?) derartiger Optiken in Betrieb, von denen einige von Chance Brothers hergestellt wurden.

Ordnung
Nach ihrer Brennweite werden Leuchtfeueroptiken (dioptrische oder katadioptrische Systeme) mit einer Ordnungszahl versehen. In französischen Publikationen wurden allerdings streckenweise nicht die Brennweiten, sondern die vollen Innendurchmesser der Optiken angegeben.
Es werden acht Hauptgruppen unterschieden:
Hyperradiale Optiken = 1.330 mm
Optiken 1. Ordnung =    920 mm
Optiken 2. Ordnung =    700 mm
Optiken 3. Ordnung =    500 mm		 Optiken 3½. Ordnung = 375 mm
Optiken    4. Ordnung = 250 mm
Optiken    5. Ordnung = 187,5 mm
Optiken    6. Ordnung = 150 mm
Fünf Optiken des französischen Herstellers BARBIER & BÉNARD · ca. 1910
von links nach rechts:
Hyperradial-Optik mit 1.330 mm Brennweite · Mesoradial-Optik mit 1.125 mm Brennweite
Optik 1. Ordnung mit 920 mm Brennweite · Optik 2. Ordnung mit 700 mm Brennweite
Optik 3. Ordnung mit 500 mm Brennweite

Alle unter »J. A. Fresnel & Co.« veröffentlichten Zeichnungen wurden komplett neu mit COREL-DRAWTM am Bildschirm erstellt. Die Umwandlung in Pixelgrafiken sowie die Bearbeitung der Fotos erfolgte unter COREL-PhotopaintTM.
© 1996-2000 Hans-Günter Spitzer · Grafik auf´m Computer
E-mail: Hans-Guenter.Spitzer@t-online.de
Text und Zeichnungen sind nur zur Verwendung auf der Seite von »www.Luechthuus.de« bestimmt.



 
   

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