フレネルレンズとは
フレネルレンズとは通常の球面・非球面レンズとは異なり、片面に同心円状の溝がいくつも刻み込まれた平らなレンズです。
フレネルレンズの横断面は鋸の歯のような形状をしています。通常のレンズに比べ、軽量化やレンズの厚さを減らすことが可能でコストカットにもつながります。なおフレネルレンズという名前はこのレンズを灯台に用いた、1800年代のフランスの物理学者オーギュスタン・ジャン・フレネルに由来するものです。
フレネルレンズの使用用途
フレネルレンズは軽量化できるという利点から、大きなレンズが必要な場合によく用いられてきました。例えば灯台や投光器には非常に大きなレンズが必要になりますが、通常のレンズでは厚さや重さが膨大になってしまいます。そこで発明された頃にはフレネルレンズが用いられていました。現在でも類似の使用例に信号機のレンズ、スポットライトなどもあります。
私たちの日常生活での使用例は、カメラのストロボ用照明レンズや、一眼・二眼レフレックスカメラのファインダーのフィールドレンズ、プロジェクター用高輝度スクリーン、LED照明などです。さらにはルーペや虫眼鏡といった、比較的簡素な拡大鏡のレンズとしても使用されています。
フレネルレンズの原理
フレネルレンズの原理は、一般的なレンズと同様に光の屈折を利用したものです。光の屈折はレンズの表面で生じます。単純な凸形状のレンズで大きな直径のレンズを作ろうとすると、レンズの中心部に向かうにつれて厚くならざるをえません。
フレネルレンズは、レンズの厚みになる部分を取り除いたものです。凸形状になっている面の表面付近だけを取り出し、厚みになっている部分は取り除き、凸形状とは反対側の平面部分側に集めています。厚み部分を取り除くために、複数の同心円状の溝で区切っているのです。中心部分は多くの厚みを取り除き、周辺部分に向かうほど取り除く部分を減らすことによって、一枚の板の片側に鋸形状を設けたような断面のレンズに仕上げています。
このような原理から同心円状の溝の間隔を狭く(溝の密度を高く) すると画質が向上し、逆に溝の感覚を広く(密度を低く) すると集光効率性が向上するという性質を持っています。
フレネルレンズのその他情報
1. 短所と長所
先述の通りフレネルレンズを用いることで薄型化や軽量化が可能になります。ただし、結像性能はシングレットレンズに劣ります。これはフレネルレンズ表面に彫られた溝そのものが観測されてしまうことに加えて、回折の影響が生じてしまうことに起因しています。
フレネルレンズは屈折現象を利用していますが、溝によって回折が生じることによって、近接領域の光が漏れ出して像がぼやけてしまうことがあります。
このデメリットにより、結像レンズとして性能が要求される場合には、あまり積極的に採用されません。なおレンズにおいて回折現象が全て悪いわけではありません。積極的に回折現象を利用した回折レンズと呼ばれるものも存在します。
また類似するものとして回折レンズは構造が良く似ており混同されがちですが、物理現象が異なっている点には注意が必要です。
2. 材質
材質ではほとんどはガラスや樹脂 (アクリル・ポリスチレン・ポリカーボネイト) などが一般的です。アクリル製の場合可視光線や紫外線域に対して透過率が高いので幅広く用いられているのに対し、ポリカーボネイト製のものは高い耐衝撃性・耐熱性によりもっと過酷な環境下において使われています。
3. 照明用レンズ
フレネルレンズは様々な分野に用いられており、代表的なものとしてLED照明などが挙げられます。近年では太陽光パネルの集光用レンズとしても用いられており、それ以外にもプロジェクタ用スクリーン、光学センサーなどにも応用されています。
照明用としてフレネルレンズを用いる場合、多くの場合は焦点距離位置に光源を配置し、平行光を出射する目的で使用されることが多いです。舞台や野外フェスティバルに使われている照明に採用されている場合も多く、特定のエリアをやわらかく照明したい場合に適しています。
また、フレネルレンズと似た照明用レンズとして、リニアフレネルレンズがあります。フレネルレンズは球面の一部を同心円状に配置したものであるのに対し、リニアフレネルレンズはシリンドリカルレンズを平面に配置したものです。 一方向への集光や拡散といった用途に適しており、線状の光源が必要な場合に用いられます。
参考文献
https://www.edmundoptics.jp/knowledge-center/application-notes/optics/advantages-of-fresnel-lenses/
https://ultraprecision-nanomachining-center.com/column/%E3%83%95%E3%83%AC%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%83%AC%E3%83%B3%E3%82%BA%E3%81%A8%E3%81%AF%EF%BC%9F%E5%8E%9F%E7%90%86%E3%81%8B%E3%82%89%E7%94%A8%E9%80%94%E3%80%81%E8%A3%BD%E9%80%A0%E6%96%B9%E6%B3%95%E3%81%BE
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https://jp.misumi-ec.com/vona2/detail/221006345070/?HissuCode=CF300
http://www5f.biglobe.ne.jp/~kztanaka/doe.html