Gürtellinsen (Fresnel-Linse)

Die Fresnel-Linse (Gürtellinse) wurde um 1822 von dem französischen Physiker Augustin Jean Fresnel anfänglich für Leuchttürme entwickelt. 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. Bei größeren Linsen wird auch noch das nach oben und unten strahlende Licht durch Spiegel in die Horizontale umgelenkt. Die Lichtausbeute einer Fresnellinse ist um bis zu viermal höher als bei einer plankonvexen Linse bzw. einem Parabolspiegel.
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.
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 Brechungsindexes 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 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.