Gürtellinsen (Fresnel-Linse)

Fensterglas hat über die gesamte Fläche die gleiche Dicke. Fensterglas bricht das Licht nicht. Wenn Fensterglas in der Mitte dicker gemacht wird, entsteht eine Linse, die das Licht bricht. Die Form wird als konvex bezeichnet. Die Strahlen werden in einem Brennpunkt (Fokus) gesammelt. Wenn Fensterglas in der Mitte dünner gemacht wird, entsteht eine Linse, die das Licht bricht. Die Form wird als konkav bezeichnet. Die Strahlen breiten sich von einem Brennpunkt aus aus.
Wenn ein Lichtstrahl von der Luft in ein transparentes Material gelangt, wird er beeinflusst und ändert die Richtung. Der Grund dafür, dass das Licht seine Richtung ändert, liegt darin, dass die verschiedenen Materialien unterschiedliche Brechungsindizes haben. Verschiedene optisch transparente Materialien brechen das Licht unterschiedlich. Glas bricht das Licht stärker als Luft und hat daher einen höheren Brechungsindex als Luft. Verschiedene Glasarten haben unterschiedliche Brechungsindizes. Physikalisch ist die Brechung darauf zurückzuführen, dass Licht in verschiedenen Materialien unterschiedliche Geschwindigkeiten hat. Der Brechungsindex ist definiert als die Geschwindigkeit im Vakuum dividiert durch die Geschwindigkeit im Material (bei einer bestimmten Lichtwellenlänge). Je höher der Brechungsindex, desto stärker bricht die Linse das Licht. Der Fokus wird kürzer.

Die ersten Objektive
Kleine Linsen wurden seit dem späten 16. Jahrhundert hergestellt. Im Jahr 1609 konstruierte Galileo Galilei unter Verwendung von Glaslinsen ein Fernglas/Teleskop, das er für die Astronomie verwendete. Er entdeckte unter anderem, dass 4 Monde den Planeten Jupiter umkreisen. Sie werden heute die Galileischen Monde genannt. Später wurde entdeckt, dass es auf dem Planeten deutlich mehr und kleinere gibt. Je größer die Linse, desto schwieriger ist ihre Herstellung. Linsen für Leuchttürme konnten zu dieser Zeit noch nicht hergestellt werden.

Fresnel-Linse (Gürtellinse)

Das Licht breitet sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 300.000 Kilometern pro Sekunde gleichmäßig in alle Richtungen aus. Um das Licht gebündelt und in eine Richtung zu lenken, nutzte man die Erfindung eines Franzosen. Der Physiker Augustin Jean Fresnel entwickelte um 1822 die Fresnel-Linse (Gürtellinse) für Leuchttürme. Dadurch wurde eine höhere Lichtausbeute möglich. Die Strahlenablenkung erfolgt senkrecht zur Rotationsachse in der Regel in die Horizontale und das Licht strahlt in alle Richtungen gleich hell. Die Krümmungsradien der Ringzonen sind so geformt, dass die einzelnen Brennpunkte der Ringzonen mit dem Brennpunkt der zentralen Planlinse zusammenfallen.
Die Lichtausbeute einer Fresnellinse ist um bis zu viermal höher als bei einer plankonvexen Linse bzw. einem Parabolspiegel. Bei größeren Linsen wird auch noch das nach oben und unten strahlende Licht durch Spiegel in die Horizontale umgelenkt.
Außerdem ermöglichte die Fresnellinse eine große Einsparung an Glasmaterial. Die dadurch gewonnene Gewichtsreduzierung macht sich vor allem bei großen Linsen mit Durchmessern von bis zu 1,5 m bemerkbar.
Das Bild links zeigt das Profil einer plan-konvexen Linse (links) und einer Fresnelschen Stufenlinse (rechts).
Die erste Gürtellinse in Deutschland führte man 1848 beim Leuchtturm Darßer Ort ein. Später wurden die Fresnelschen Gürtellinsen durch katadioptrische Linsenkörper in den Feldern ober- und unterhalb der Diopter (Prismenringe) verbessert. Katadioptische Prismen haben einen dreieckigen Querschnitt und wirken an zwei Seiten lichtbrechend, an der dritten Seite wird dagegen im Inneren des Prismas das Licht reflektiert. Durch die Brechung der Strahlen parallel zur Achse wurde eine weitere Ausnutzung der Lichtquelle erreicht. Sehr große Gürtellinsen können aus über 1.000 präzise geschliffenen Kristallprismen bestehen.
Die großen Gürtellinsen mit einer Brennweite von 920 mm haben einen Durchmesser von rund zwei Metern und ein Gewicht von über vier Tonnen. Sie wurden aus über 1000 handgeschliffenen Linsen und Prismen zusammengesetzt und teilweise mit transparentem Kanadabalsam, einem klebrigen Baumharz der kanadischen Balsam-Tanne, gekittet bzw. werden mit Metallrahmen zusammengehalten. Das getrocknete Kanadabalsam hat fast den gleichen optischen Brechungsindex wie Kronglas.
Kleinere Gürtellinsen werden seit den 1960er Jahren gepresst oder im Schleuderverfahren bei rotierender Form hergestellt. Größere Gürtellinsen werden aus einzelnen, konzentrisch geschliffenen Kreisringen in einen Messingeinfassung zusammengesetzt. Mit zunehmender Verbesserung der elektrischen Lampen konnten in den letzten Jahrzehnten immer kleinere Linsen eingesetzt werden.
Die Gürtellinse 6. Ordnung (rechts im Bild) stammt aus dem Bestand des Seehydrographischen Dienstes der DDR. Vermutlich war sie zuletzt auf einem dortigen Tonnenhof eingelagert und wurde ausgemustert. Die Gürtellinse wurde nach der Jahrtausendwende vom Museum für Wattenfischerei in Wremen dem Heimatmuseum Borkum abgekauft und steht seitdem im Wremer Museum. Die Linse ist 43 cm hoch und hat zweimal fünf ringförmige Stufen. Die Gürtellinse ist nach Aussage des Heimatvereins Borkum keinem Leuchtturm mehr zuzuordnen, da es etliche baugleiche dieser Linsen gab/gibt.
Die Einteilung der Ordnungsziffern I bis VI mit den Brennweiten von 920 bis 150 Millimeter wurde 1826 in Frankreich festgelegt und auch von anderen Ländern übernommen. Später kamen zu diesem Ordnungsprinzip noch Zwischengrößen zwischen dritter und vierter Ordnung sowie Größen über der erster und unter der sechsten Ordnung hinzu, sodass wir heute 14 Ordnungsklassen unterscheiden.
Die hyperradialen Fresnellinsen wurden in rund 30 Leuchttürmen eingebaut. Durch die Entwicklung neuer Hochintensitätslampen wurde diese Linsengröße überflüssig. Die letzte Linse dieser Art wurde 1928 im Leuchtturm auf den Copeland-Inseln verbaut.

Große Gürtellinsen mit großer Brennweite ergeben bei gleicher Lichtquelle ein helleres und weiter reichendes Licht als kleine Linsen mit kurzer Brennweite.

Die Skizze oben zeigt den Aufbau einer Gürtellinse mit konzentrischen Ringen. Die Ringe haben eine Art Stufe in dem sich die Materialstärke verringert. Das Licht, dass durch diese Stufen tritt, wird gebrochen und umgelenkt.
Die Skizze unten zeigt eine Fresnelsche Gürtellinse mit katadioptrischen Linsenkörpern in den Feldern ober- und unterhalb der Prismenringe. Die oberen katadioptischen Prismen nennt man Krone, die unteren Kranz. Durch die katadioptischen Prismen wird das nach oben und unten strahlende Licht in die optische Achse gespiegelt und dadurch eine weitere Ausnutzung der Lichtquelle erreicht.

Brechungsfehler
Der Fokus von Strahlen, die nahe der Mitte der Linse (nahe der optischen Achse) verlaufen, und Strahlen, die nahe dem äußeren Rand der Linse passieren, haben nicht den gleichen Fokus. Der Fehler wird sphärische Aberration genannt. Je größer das Objektiv, desto größer die Abweichung.

Farbfehler
Weißes Licht besteht aus einer Mischung von Farben mit jeweils eigener Wellenlänge. Wenn weiße Lichtstrahlen ein transparentes Material passieren, werden sie unterschiedlich beeinflusst. Wenn sie in der Nähe des äußeren Randes der Linse vorbeikommen, fällt deutlicher auf, dass die Farben wie in einem Regenbogen aufgespalten sind. Das Bild wird unscharf. Konturen in einem Bild erhalten schillernde Kanten. Dieser Fehler wird chromatische Aberration genannt. Je größer das Objektiv, desto größer die Abweichung.

Linsenkorrektur
Je größer die Linse, desto heller ist sie, weil sie mehr Licht einfangen kann. Aber mit der Größe steigt auch der Brechungsfehler. Man hat gelernt, dass durch die Kombination unterschiedlicher Formen und Stärke der Linse sowie unterschiedlicher Materialien die Brechungsfehler mehr oder weniger reduziert werden können.

Glasarten

• Sodaglas (Industrieglas, Fensterglas) entsteht durch Erhitzen einer Mischung aus 65 % Quarzsand, 25 % Kalk (Kalziumoxid) und 10 % Soda (Natriumcarbonat) über dem Schmelzpunkt. Zum Schleifen und Polieren ist es nicht geeignet, da sich bei der mechanischen Bearbeitung übermäßig viele Späne lösen.

• Kronglas (Kalk-Silikat-Glas) wird aus ca. 73 % Quarz (SiO2), ca. 17 % Kaliumoxid (K2O), 5 % Natriumoxid (Na2O), ca. 3 % Calciumoxid (CaO) und ca. 2 % Aluminiumoxid (Al2O3) hergestellt. Das Gemenge wird bei rund 1400 Grad geschmolzen. Kronglas wird zur Herstellung von höherwertigen optischen Glaswaren wie Brillengläsern und Linsen für Mikroskope, Objektive und andere optische Geräte benutzt.

• Kristallglas oder Bleikristall wird aus Quarzsand, Bleimineralien und Kaliasche (Kaliumcarbonat) hergestellt. Es eignet sich gut zum Schleifen und Polieren. Ein Nachteil besteht darin, dass es leicht zerkratzt werden kann. Es verfügt über einen hohen Brechungsindex und kann neben Kunstglas auch für optische Linsen, beispielsweise Gürtellinsen, verwendet werden. Im Vollkristall ist der Bleigehalt hoch, im Halbkristall niedriger. Im 17. Jahrhundert wurden Bleiglasscheiben verwendet, um die Leuchtfeuerflamme zu umgeben.

• Feuerfestes Glas wird aus Quarzsand mit einem hohen Zusatz von Borat und Aluminiumoxid hergestellt. Die Zusätze machen das Glas widerstandsfähig gegen schnelle Temperaturwechsel. Es wird in der Küche als ofenfeste Glas- oder Glaspfanne verwendet.

• Quarzglas wird aus Quarzsand ohne oder nur mit geringem Zusatz anderer Stoffe hergestellt und hat einen hohen Schmelzpunkt. In Laboren wird sogenanntes Jena- oder Pyrex-Glas verwendet und beispielsweise für die Glasabdeckung einer glühbirnenartigen Halogenlampe verwendet.

• Farbiges Glas wird durch Zugabe verschiedener Metalle oder Salze hergestellt. Dadurch werden einige Wellenlängen absorbiert, während das Glas für andere Wellenlängen transparent ist. Es wird beispielsweise verwendet, um grüne und rote Sektoren bei Leitfeuern bereitzustellen. Rotes Glas wird durch Zugabe von fein verteiltem, kolloidalem Gold hergestellt.

• Kunststoffglas ist ein Material mit sehr hoher Transparenz und im Vergleich zu Mineralglas geringerem Gewicht. Es besteht meist aus Acrylglas oder Polycarbonat. Die Linsen können in Kleinserien mit hoher optischer Präzision produziert werden.