Lente de Fresnel

Una lente de Fresnel es un tipo de lente compacta compuesta desarrollada por el físico francés Augustin-Jean Fresnel (1788–1827) para su uso en faros.Se le ha llamado "el invento que salvó un millón de barcos".

El diseño permite la construcción de lentes de gran apertura y distancia focal corta sin la masa y el volumen de material que requeriría una lente de diseño convencional. Una lente de Fresnel se puede hacer mucho más delgada que una lente convencional comparable, en algunos casos tomando la forma de una lámina plana. La forma dióptrica más simple (puramente refractiva) de la lente fue propuesta por primera vez por Count Buffon y reinventada de forma independiente por Fresnel. La forma catadióptrica de la lente, completamente inventada por Fresnel, tiene elementos externos que utilizan la reflexión interna total además de la refracción; puede capturar más luz oblicua de una fuente de luz y agregarla al haz de un faro, haciendo que la luz sea visible desde distancias mayores.

Descripción

La lente de Fresnel reduce la cantidad de material requerido en comparación con una lente convencional al dividir la lente en un conjunto de secciones anulares concéntricas. Una lente de Fresnel ideal tendría un número infinito de secciones. En cada sección, el grosor total se reduce en comparación con una lente simple equivalente. Esto divide efectivamente la superficie continua de una lente estándar en un conjunto de superficies de la misma curvatura, con discontinuidades escalonadas entre ellas.

En algunas lentes, las superficies curvas se reemplazan por superficies planas, con un ángulo diferente en cada sección. Una lente de este tipo puede considerarse como un conjunto de prismas dispuestos de forma circular con prismas más pronunciados en los bordes y un centro plano o ligeramente convexo. En las primeras (y más grandes) lentes de Fresnel, cada sección era en realidad un prisma separado. Posteriormente se produjeron lentes Fresnel de 'pieza única', que se utilizaron para faros de automóviles, lentes de freno, estacionamiento y señales de giro, etc. En los tiempos modernos, se pueden usar equipos de fresado controlados por computadora (CNC) o impresoras 3D para fabricar lentes más complejos.

El diseño de la lente Fresnel permite una reducción sustancial del grosor (y, por lo tanto, de la masa y el volumen del material) a expensas de reducir la calidad de imagen de la lente, por lo que las aplicaciones de imágenes precisas, como la fotografía, suelen utilizar lentes convencionales más grandes.

Las lentes Fresnel generalmente están hechas de vidrio o plástico; su tamaño varía de grande (antiguos faros históricos, tamaño de metro) a mediano (ayudas para la lectura de libros, proyectores de visores OHP) a pequeño (pantallas de cámara TLR/SLR, microóptica). En muchos casos son muy delgadas y planas, casi flexibles, con espesores en el rango de 1 a 5 mm (¹ ⁄ ₃₂ a ³ ⁄ ₁₆ pulgadas).

La mayoría de las lentes de Fresnel modernas consisten solo en elementos refractivos. Las lentes de los faros, sin embargo, tienden a incluir elementos refractores y reflectantes, estos últimos fuera de los anillos de metal que se ven en las fotografías. Mientras que los elementos internos son secciones de lentes refractivos, los elementos externos son prismas reflectores, cada uno de los cuales realiza dos refracciones y un reflejo interno total, evitando la pérdida de luz que se produce en el reflejo de un espejo plateado.

Tamaños de lentes de faro

Fresnel diseñó seis tamaños de lentes de faro, divididos en cuatro órdenes según su tamaño y distancia focal. En el uso moderno, estos se clasifican como de primer a sexto orden. Posteriormente se agregó un tamaño intermedio entre tercer y cuarto orden, así como tamaños por encima del primer orden y por debajo del sexto.

Una lente de primer orden tiene una distancia focal de 920 mm (36+¹ ⁄ ₄ pulgadas) y mide aproximadamente 2,59 m (8 pies 6 pulgadas) de alto y 1,8 m (6 pies) de ancho. El orden más pequeño (sexto) tiene una distancia focal de 150 mm (6 pulgadas) y una altura de433 mm (17+¹ ⁄ ₁₆ pulgadas).

Las lentes de Fresnel más grandes se denominan hiperradiantes (o hiperradiales). Uno de esos lentes estaba disponible cuando se decidió construir y equipar Makapuu Point Light en Hawái. En lugar de pedir una nueva lente, se utilizó allí la enorme construcción óptica, de 3,7 metros (12 pies) de altura y con más de mil prismas.

Ordenar	Distancia focal (mm)	Altura(m)	Primero instalado	Dibujo
Octavo
Séptimo
Sexto	150	0.433
Quinto	187.5	0.541
Cuatro	250	0.722
3+1 ⁄ 2	375
Tercero	500	1.576	1825
Segundo	700	2.069
Primero	920	2.59	1823
mesorradial	1125
Hiper-radial	1330		1887

• Lente de primer orden
• Primer plano de una lente de segundo orden
• Lente de tercer orden (St. Simons Island Light)
• Lente de cuarto orden (Faro de Sekizaki, Oita, Japón)
• Lente de quinto orden (Jones Point Light)
• Lente de sexto orden (Ponce de Leon Inlet Light)

Tipos

Hay dos tipos principales de lentes de Fresnel: de imagen y sin imagen. Las lentes de imagen Fresnel utilizan segmentos con secciones transversales curvas y producen imágenes nítidas, mientras que las lentes que no son de imagen tienen segmentos con secciones transversales planas y no producen imágenes nítidas. A medida que aumenta el número de segmentos, los dos tipos de lentes se vuelven más similares entre sí. En el caso abstracto de un número infinito de segmentos, la diferencia entre segmentos curvos y planos desaparece.

Imágenes

EsféricoUna lente de Fresnel esférica es equivalente a una lente esférica simple, que utiliza segmentos en forma de anillo que son cada uno una porción de una esfera, que enfocan la luz en un solo punto. Este tipo de lente produce una imagen nítida, aunque no tan clara como la lente esférica simple equivalente debido a la difracción en los bordes de las crestas.CilíndricoUna lente Fresnel cilíndrica es equivalente a una lente cilíndrica simple, utilizando segmentos rectos con sección transversal circular, enfocando la luz en una sola línea. Este tipo produce una imagen nítida, aunque no tan clara como la lente cilíndrica simple equivalente debido a la difracción en los bordes de las crestas.

Sin imágenes

LugarUna lente de Fresnel puntual que no genera imágenes utiliza segmentos en forma de anillo con secciones transversales que son líneas rectas en lugar de arcos circulares. Tal lente puede enfocar la luz en un punto pequeño, pero no produce una imagen nítida. Estas lentes tienen aplicación en la energía solar, como enfocar la luz solar en un panel solar. Las lentes Fresnel se pueden usar como componentes de la óptica de iluminación Köhler, lo que da como resultado concentradores solares Fresnel-Köhler (FK) de óptica sin imágenes muy efectivos.LinealUna lente de Fresnel lineal que no genera imágenes utiliza segmentos rectos cuyas secciones transversales son líneas rectas en lugar de arcos. Estas lentes enfocan la luz en una banda estrecha. No producen una imagen nítida, pero se pueden usar en la energía solar, por ejemplo, para enfocar la luz del sol en una tubería, para calentar el agua del interior.

Usos

Imágenes

Las lentes de Fresnel se utilizan como simples lupas de mano. También se utilizan para corregir varios trastornos visuales, incluidos los trastornos de la motilidad ocular como el estrabismo. Se han utilizado lentes Fresnel para aumentar el tamaño visual de las pantallas CRT en televisores de bolsillo, en particular el Sinclair TV80. También se utilizan en los semáforos.

Las lentes de Fresnel se utilizan en camiones europeos con el volante a la izquierda que ingresan al Reino Unido y la República de Irlanda (y viceversa, camiones irlandeses y británicos con el volante a la derecha que ingresan a Europa continental) para superar los puntos ciegos causados ​​por el conductor que maneja el camión mientras sentarse en el lado equivocado de la cabina en relación con el lado de la carretera en el que se encuentra el automóvil. Se adhieren a la ventana del lado del pasajero.

Otra aplicación automotriz de una lente Fresnel es un potenciador de la vista trasera, ya que el amplio ángulo de visión de una lente acoplada a la ventana trasera permite examinar la escena detrás de un vehículo, en particular uno alto o de cola rizada, de manera más efectiva que una vista trasera. espejo solo.

Las lentes Fresnel multifocales también se utilizan como parte de las cámaras de identificación de retina, donde proporcionan múltiples imágenes enfocadas y desenfocadas de un objetivo de fijación dentro de la cámara. Para prácticamente todos los usuarios, al menos una de las imágenes estará enfocada, lo que permitirá una correcta alineación de los ojos.

Las lentes Fresnel también se han utilizado en el campo del entretenimiento popular. El artista de rock británico Peter Gabriel los utilizó en sus primeras presentaciones en vivo en solitario para aumentar el tamaño de su cabeza, en contraste con el resto de su cuerpo, para lograr un efecto dramático y cómico. En la película Brazil de Terry Gilliam, las pantallas de Fresnel de plástico aparecen ostensiblemente como lupas para los pequeños monitores CRT que se utilizan en las oficinas del Ministerio de Información. Sin embargo, ocasionalmente aparecen entre los actores y la cámara, distorsionando la escala y la composición de la escena con un efecto humorístico. La película de Pixar Wall-E presenta una lente Fresnel en las escenas en las que el protagonista ve el musical Hello, Dolly! ampliada en un iPod.

Fotografía

Canon y Nikon han utilizado lentes Fresnel para reducir el tamaño de los teleobjetivos. Las lentes fotográficas que incluyen elementos Fresnel pueden ser mucho más cortas que el diseño de lente convencional correspondiente. Nikon llama a la tecnología Phase Fresnel.

La cámara Polaroid SX-70 utilizó un reflector Fresnel como parte de su sistema de visualización.

Las cámaras de gran formato y de vista pueden utilizar una lente Fresnel junto con el vidrio esmerilado, para aumentar el brillo percibido de la imagen proyectada por una lente sobre el vidrio esmerilado, lo que ayuda a ajustar el enfoque y la composición.

Iluminación

Las lentes Fresnel de vidrio de alta calidad se utilizaron en los faros, donde se consideraron de última generación a fines del siglo XIX y mediados del siglo XX; la mayoría de los faros ahora han retirado del servicio las lentes de Fresnel de vidrio y las han reemplazado con balizas aéreas mucho menos costosas y más duraderas, que a menudo contienen lentes de Fresnel de plástico.Los sistemas de lentes Lighthouse Fresnel generalmente incluyen elementos prismáticos anulares adicionales, dispuestos en cúpulas facetadas por encima y por debajo del Fresnel planar central, para capturar toda la luz emitida por la fuente de luz. El camino de la luz a través de estos elementos puede incluir una reflexión interna, en lugar de la simple refracción en el elemento plano de Fresnel. Estas lentes otorgaron muchos beneficios prácticos a los diseñadores, constructores y usuarios de faros y su iluminación. Entre otras cosas, las lentes más pequeñas podrían caber en espacios más compactos. Una mayor transmisión de luz en distancias más largas y patrones variados hicieron posible triangular una posición.

Quizás el uso más generalizado de lentes de Fresnel, durante un tiempo, ocurrió en los faros de los automóviles, donde pueden moldear el haz más o menos paralelo del reflector parabólico para cumplir con los requisitos de los patrones de luz de cruce y luz de carretera, a menudo ambos en la misma unidad de faro (como como el diseño europeo H4). Por razones de economía, peso y resistencia a los impactos, los automóviles más nuevos han prescindido de las lentes de Fresnel de vidrio, utilizando reflectores multifacéticos con lentes de policarbonato simple. Sin embargo, las lentes de Fresnel continúan usándose ampliamente en las luces traseras, marcadoras y de marcha atrás de los automóviles.

Las lentes Fresnel de vidrio también se utilizan en instrumentos de iluminación para teatro y películas (ver linterna Fresnel); estos instrumentos a menudo se denominan simplemente Fresnels. El instrumento completo consta de una carcasa de metal, un reflector, un conjunto de lámparas y una lente de Fresnel. Muchos instrumentos de Fresnel permiten que la lámpara se mueva en relación con el punto focal de la lente, para aumentar o disminuir el tamaño del haz de luz. Como resultado, son muy flexibles y, a menudo, pueden producir un haz tan estrecho como 7° o tan ancho como 70°. La lente de Fresnel produce un haz de bordes muy suaves, por lo que a menudo se usa como luz de lavado. Un soporte frente a la lente puede contener una película de plástico coloreada (gel) para teñir la luz o pantallas de alambre o plástico esmerilado para difundirla. La lente de Fresnel es útil en la realización de películas no solo por su capacidad de enfocar el haz más brillante que una lente típica, sino también porque la luz tiene una intensidad relativamente constante en todo el ancho del haz de luz.

Los portaaviones y las estaciones aéreas navales suelen utilizar lentes de Fresnel en sus sistemas de aterrizaje óptico. La luz de "albóndiga" ayuda al piloto a mantener la pendiente de planeo adecuada para el aterrizaje. En el centro hay luces ámbar y rojas compuestas por lentes de Fresnel. Aunque las luces están siempre encendidas, el ángulo de la lente desde el punto de vista del piloto determina el color y la posición de la luz visible. Si las luces aparecen encima de la barra horizontal verde, el piloto está demasiado alto. Si está por debajo, el piloto está demasiado bajo, y si las luces están rojas, el piloto está muy bajo.

Las lentes de Fresnel también se usan comúnmente en reflectores, focos y linternas.

Proyección

El uso de lentes Fresnel para la proyección de imágenes reduce la calidad de la imagen, por lo que tienden a ocurrir solo donde la calidad no es crítica o donde la mayor parte de una lente sólida sería prohibitiva. Las lentes Fresnel baratas se pueden estampar o moldear de plástico transparente y se utilizan en retroproyectores y televisores de proyección.

Las lentes Fresnel de diferentes distancias focales (un colimador y un colector) se utilizan en proyecciones comerciales y de bricolaje. La lente colimadora tiene la distancia focal más baja y se coloca más cerca de la fuente de luz, y la lente colectora, que enfoca la luz en la lente triple, se coloca después de la imagen de proyección (un panel LCD de matriz activa en los proyectores LCD). Las lentes de Fresnel también se utilizan como colimadores en retroproyectores.

Energía solar

Dado que las lentes de Fresnel de plástico pueden fabricarse más grandes que las lentes de vidrio, además de ser mucho más baratas y livianas, se utilizan para concentrar la luz solar para calentar en cocinas solares, en fraguas solares y en colectores solares utilizados para calentar agua para uso doméstico. También se pueden utilizar para generar vapor o para alimentar un motor Stirling.

Las lentes Fresnel pueden concentrar la luz solar en las células solares con una proporción de casi 500:1. Esto permite reducir la superficie activa de las células solares, lo que reduce los costes y permite el uso de células más eficientes que, de otro modo, serían demasiado caras. A principios del siglo XXI, los reflectores Fresnel comenzaron a usarse en plantas de concentración de energía solar (CSP) para concentrar energía solar. Una aplicación fue para precalentar agua en la central eléctrica Liddell, que funciona con carbón, en Hunter Valley, Australia.

Las lentes Fresnel se pueden usar para sinterizar arena, lo que permite la impresión 3D en vidrio.

Historia

Precursores

Augustin-Jean Fresnel no fue la primera persona en enfocar el haz de luz de un faro usando una lente. Aparentemente, esa distinción pertenece al cortador de vidrio londinense Thomas Rogers, quien propuso la idea a Trinity House en 1788. Las primeras lentes Rogers, de 53 cm de diámetro y 14 cm de espesor en el centro, se instalaron en el Old Lower Lighthouse en Portland Bill. en 1789. Detrás de cada lámpara había un espejo de vidrio esférico con revestimiento posterior, que reflejaba la radiación trasera a través de la lámpara y hacia la lente. Se instalaron más muestras en Howth Baily, North Foreland, y al menos en otros cuatro lugares en 1804. Pero gran parte de la luz se desperdiciaba por absorción en el vidrio.

Fresnel tampoco fue el primero en sugerir reemplazar una lente convexa con una serie de prismas anulares concéntricos, para reducir el peso y la absorción. En 1748, el Conde Buffon propuso moler estos prismas como escalones en una sola pieza de vidrio. En 1790 (aunque fuentes secundarias dan la fecha de 1773 o 1788), el marqués de Condorcet sugirió que sería más fácil hacer las secciones anulares por separado y ensamblarlas en un marco; pero incluso eso era poco práctico en ese momento. Estos diseños no estaban destinados a faros, sino a vidrios encendidos. David Brewster, sin embargo, propuso un sistema similar al de Condorcet en 1811, y en 1820 abogaba por su uso en los faros británicos.

Las contribuciones de Fresnel

La Comisión francesa des Phares (Comisión de Faros) fue establecida por Napoleón en 1811 y puesta bajo la autoridad del empleador de Fresnel, el Cuerpo de Puentes y Carreteras. Como los miembros de la comisión estaban ocupados en otras cosas, logró poco en sus primeros años. Pero el 21 de junio de 1819, tres meses después de ganar el Gran Premio de física de la Academia de Ciencias por sus célebres memorias sobre difracción, Fresnel fue adscrito "temporalmente" a la comisión por recomendación de François Arago (miembro desde 1813), para revisar posibles mejoras en la iluminación del faro.

A fines de agosto de 1819, sin conocer la propuesta de Buffon-Condorcet-Brewster, Fresnel hizo su primera presentación a la comisión, recomendando lo que llamó lentilles à échelons ('lentes por pasos') para reemplazar los reflectores en uso, lo que reflejaba aproximadamente la mitad de la luz incidente. Para vergüenza de Fresnel, uno de los comisionados reunidos, Jacques Charles, recordó la sugerencia de Buffon. Sin embargo, mientras que la versión de Buffon era biconvexa y de una sola pieza,El de Fresnel era plano-convexo y estaba hecho de múltiples prismas para facilitar la construcción. Con un presupuesto oficial de 500 francos, Fresnel se acercó a tres fabricantes. El tercero, François Soleil, encontró una forma de eliminar los defectos recalentando y remodelando el vidrio. Arago ayudó a Fresnel con el diseño de una lámpara Argand modificada con mechas concéntricas (un concepto que Fresnel atribuyó al Conde Rumford). ), y descubrió accidentalmente que la cola de pescado era resistente al calor, lo que la hacía adecuada para su uso en la lente. El prototipo, terminado en marzo de 1820, tenía un panel de lentes cuadradas de 55 cm de lado, que contenía 97 prismas poligonales (no anulares), e impresionó tanto a la Comisión que se pidió a Fresnel una versión completa de ocho paneles. Este modelo, completado un año después a pesar de la financiación insuficiente, tenía paneles de 76 cm cuadrados. En un espectáculo público en la noche del 13 de abril de 1821, se demostró por comparación con los reflectores más recientes, que repentinamente quedaron obsoletos.

Poco después de esta demostración, Fresnel publicó la idea de que la luz, incluida la luz aparentemente no polarizada, consiste exclusivamente en ondas transversales y pasó a considerar las implicaciones de la doble refracción y la reflexión parcial.

Fresnel reconoció las lentes británicas y la invención de Buffon en una memoria leída el 29 de julio de 1822 e impresa el mismo año. La fecha de esas memorias puede ser la fuente de la afirmación de que la defensa del faro de Fresnel comenzó dos años después que la de Brewster; pero el texto deja en claro que la participación de Fresnel comenzó a más tardar en 1819.

La siguiente lente de Fresnel era un aparato giratorio con ocho paneles de "ojo de buey", fabricados en arcos anulares por Saint-Gobain, que proporcionaban ocho haces giratorios, para que los marineros los vieran como un destello periódico. Encima y detrás de cada panel principal había un panel de ojo de buey inclinado más pequeño de contorno trapezoidal con elementos trapezoidales. Esto refractó la luz a un espejo plano inclinado, que luego la reflejó horizontalmente, 7 grados por delante del haz principal, aumentando la duración del destello. Debajo de los paneles principales había 128 pequeños espejos dispuestos en cuatro anillos, apilados como las lamas de una persiana o persiana veneciana. Cada anillo, con forma de tronco de cono, reflejaba la luz hacia el horizonte, dando una luz más tenue y constante entre los destellos. La prueba oficial,el 20 de agosto de 1822, fue presenciado por la Comisión, y por Luis XVIII y su séquito, desde 32 kilómetros (20 millas) de distancia. El aparato se almacenó en Burdeos durante el invierno y luego se volvió a ensamblar en Cordouan Lighthouse bajo la supervisión de Fresnel, en parte por las propias manos de Fresnel. El 25 de julio de 1823 se encendió la primera lente Fresnel de faro del mundo. Como se esperaba, la luz era visible en el horizonte, a más de 32 kilómetros (20 millas) de distancia.

El día anterior a la prueba de la lente de Cordouan en París, un comité de la Academia de Ciencias informó sobre las memorias y suplementos de Fresnel sobre la doble refracción, que, aunque menos conocida por los lectores modernos que su trabajo anterior sobre la difracción, asestó un golpe más decisivo. para la teoría ondulatoria de la luz. Entre la prueba y el reensamblaje en Cordouan, Fresnel presentó sus trabajos sobre fotoelasticidad (16 de septiembre de 1822), polarización elíptica y circular y rotación óptica (9 de diciembre) y reflexión parcial y reflexión interna total (7 de enero de 1823), completando esencialmente su reconstrucción. de la óptica física sobre la hipótesis de la onda transversal. Poco después de que se encendiera la lente de Cordouan, Fresnel comenzó a toser sangre.

En mayo de 1824, Fresnel fue ascendido a Secretario de la Comisión des Phares, convirtiéndose en el primer miembro de ese organismo en recibir un salario, aunque en el papel concurrente de Ingeniero en Jefe. A fines de ese año, cada vez más enfermo, redujo su investigación fundamental y renunció a su trabajo temporal como examinador en la École Polytechnique, para ahorrar el tiempo y la energía que le quedaban para su trabajo de faro.

En el mismo año, diseñó la primera lente fija, para difundir la luz de manera uniforme alrededor del horizonte y minimizar el desperdicio por encima o por debajo. Idealmente, las superficies de refracción curvas serían segmentos de toroides alrededor de un eje vertical común, de modo que el panel dióptrico pareciera un tambor cilíndrico. Si esto se complementara con anillos reflectores (catóptricos) por encima y por debajo de las partes refractoras (dióptricas), todo el aparato parecería una colmena. La segunda lente de Fresnel que entró en servicio fue de hecho una lente fija, de tercer orden, instalada en Dunkerque el 1 de febrero de 1825. Sin embargo, debido a la dificultad de fabricar grandes prismas toroidales, este aparato tenía un plano poligonal de 16 lados.

En 1825, Fresnel amplió su diseño de lente fija al agregar una matriz giratoria fuera de la matriz fija. Cada panel de la matriz giratoria debía refractar parte de la luz fija de un abanico horizontal en un haz estrecho.

También en 1825, Fresnel dio a conocer la Carte des Phares ('mapa de faros'), que pedía un sistema de 51 faros más luces de puerto más pequeñas, en una jerarquía de tamaños de lentes llamados "órdenes" (siendo el primero el más grande), con diferentes características para facilitar el reconocimiento: una luz constante (de una lente fija), un destello por minuto (de una lente giratoria con ocho paneles) y dos por minuto (16 paneles).

A fines de 1825, para reducir la pérdida de luz en los elementos reflectantes, Fresnel propuso reemplazar cada espejo con un prisma catadióptrico, a través del cual la luz viajaría por refracción a través de la primera superficie, luego por reflexión interna total en la segunda superficie y luego por refracción. a través de la tercera superficie. El resultado fue la lente del faro tal como la conocemos ahora. En 1826 montó un pequeño modelo para su uso en el Canal Saint-Martin, pero no vivió para ver una versión de tamaño completo: murió el 14 de julio de 1827, a la edad de 39 años.

Después de Fresnel

La primera etapa del desarrollo de las lentes de los faros después de la muerte de Augustin Fresnel consistió en la implementación de sus diseños. Esto fue impulsado en parte por su hermano menor, Léonor, quien, como Augustin, se formó como ingeniero civil pero, a diferencia de Augustin, tenía una gran aptitud para la gestión. Léonor entró al servicio de la Comisión del Faro en 1825 y sucedió a Augustin como secretario.

La primera lente fija que se construyó con prismas toroidales fue un aparato de primer orden diseñado por el ingeniero escocés Alan Stevenson bajo la dirección de Léonor Fresnel y fabricado por Isaac Cookson & Co. utilizando vidrio francés; entró en servicio en la isla de May, Escocia, el 22 de septiembre de 1836. Las primeras lentes catadióptricas grandes se fabricaron en 1842 para los faros de Gravelines e Île Vierge, Francia; se trataba de lentes fijas de tercer orden cuyos anillos catadióptricos (hechos en segmentos) tenían un metro de diámetro. La lente Skerryvore de primer orden de Stevenson, encendida en 1844, era solo parcialmente catadióptrica; era similar a la lente Cordouan, excepto que las lamas inferiores fueron reemplazadas por prismas catadióptricos de fabricación francesa, mientras que los espejos se mantuvieron en la parte superior. El primero totalmentela lente catadióptrica de primer orden, instalada en Pointe d'Ailly en 1852, también proporcionó ocho haces giratorios más una luz fija en la parte inferior; pero su sección superior tenía ocho paneles catadióptricos que enfocaban la luz unos 4 grados por delante de los haces principales, con el fin de alargar los destellos. La primera lente totalmente catadióptrica con haces puramente giratorios, también de primer orden, se instaló en Saint-Clément-des-Baleines en 1854 y marcó la finalización de la Carte des Phares original de Augustin Fresnel.

Thomas Stevenson (hermano menor de Alan) fue un paso más allá de Fresnel con su lente "holofotal", que enfocaba la luz irradiada por la lámpara en casi todas las direcciones, hacia adelante o hacia atrás, en un solo haz.La primera versión, descrita en 1849, constaba de una lente de ojo de buey de Fresnel estándar, un reflector paraboloidal y un reflector hemisférico trasero (funcionalmente equivalente al espejo Rogers de 60 años antes, excepto que subtendía un hemisferio completo). La luz irradiada hacia el hemisferio delantero, pero sin la lente de ojo de buey, fue desviada por el paraboloide en un haz paralelo que rodeaba la lente de ojo de buey, mientras que la luz irradiada hacia el hemisferio posterior fue reflejada a través de la lámpara por el reflector esférico (como en Rogers). ' arreglo), a ser recogido por los componentes delanteros. La primera unidad se instaló en North Harbour, Peterhead, en agosto de 1849. Stevenson llamó a esta versión "holofota catadióptrica", aunque cada uno de sus elementos era puramente reflectante o puramente refractivo. En la segunda versión del concepto de holofoto, la lente de ojo de buey y el reflector paraboloidal fueron reemplazados por una lente de Fresnel catadióptrica, tal como la concibió Fresnel, pero expandida para cubrir todo el hemisferio delantero. La tercera versión, que Stevenson denominó confusamente "holofota dióptrica", fue más innovadora: retuvo la lente de Fresnel catadióptrica para el hemisferio frontal, pero reemplazó el reflector hemisférico posterior con una matriz hemisférica de prismas anulares, cada uno de los cuales usabados reflexiones internas totales para convertir la luz divergente desde el centro del hemisferio hacia el centro. El resultado fue un holofoto totalmente de vidrio, sin pérdidas por reflejos metálicos.

James Timmins Chance modificó el diseño holofotológico completamente de vidrio de Thomas Stevenson al colocar los prismas de doble reflexión alrededor de un eje vertical. El prototipo se mostró en la Exposición Internacional de 1862 en Londres. Más tarde, para facilitar la fabricación, Chance dividió los prismas en segmentos y los dispuso en forma cilíndrica mientras conservaba la propiedad de reflejar la luz desde un solo punto hacia ese punto. Los reflectores de esta forma, paradójicamente llamados "espejos dióptricos", demostraron ser particularmente útiles para devolver la luz desde el lado de la lámpara que da a tierra hacia el lado que da al mar.

A medida que proliferaron los faros, se volvieron más difíciles de distinguir entre sí, lo que llevó al uso de filtros de colores, que desperdiciaban luz. En 1884, John Hopkinson eliminó la necesidad de filtros al inventar la lente de "destello grupal", en la que los paneles dióptricos y/o catadióptricos se dividían para generar múltiples destellos, lo que permitía identificar los faros no solo por la frecuencia de los destellos., sino también por multiplicidad de destellos. Se instalaron lentes de doble destello en Tampico (México) y Little Basses (Sri Lanka) en 1875, y lentes de triple destello en Casquets Lighthouse (Islas del Canal) en 1876. El ejemplo que se muestra (a la derecha) es el lente de doble destello de el Point Arena Light, que estuvo en servicio desde 1908 hasta 1977.

El desarrollo de lentes hiperradiales fue impulsado en parte por la necesidad de fuentes de luz más grandes, como las luces de gas con chorros múltiples, que requerían una distancia focal más larga para un ancho de haz dado, por lo tanto, una lente más grande para captar una fracción dada de la luz generada. La primera lente hiperradial fue construida para los Stevenson en 1885 por F. Barbier & Cie de Francia y probada en South Foreland Lighthouse con varias fuentes de luz. Chance Brothers (empleadores de Hopkinson) luego comenzó a construir hiperradiales, instalando el primero en Bishop Rock Lighthouse en 1887. En el mismo año, Barbier instaló un hiperradial en Tory Island. Pero solo unos 30 hiperradiales entraron en servicio antes de que el desarrollo de lámparas brillantes más compactas hiciera innecesarias ópticas tan grandes (ver Lente de Fresnel hiperradiante).

La producción de lentes dioptrías escalonadas de una pieza, más o menos como lo imaginó Buffon, se volvió factible en 1852, cuando John L. Gilliland de Brooklyn Flint-Glass Company patentó un método para fabricar lentes de vidrio prensado y moldeado. La empresa fabricó pequeñas lentes de ojo de buey para usar en ferrocarriles, barcos de vapor y muelles; tales lentes eran comunes en los Estados Unidos en la década de 1870. En 1858, la compañía produjo "una cantidad muy pequeña de lentes de sexto orden de vidrio de pedernal prensado" para usar en faros, las primeras lentes de faro Fresnel fabricadas en Estados Unidos. En la década de 1950, la sustitución del vidrio por plástico hizo económico el uso de lentes de Fresnel como condensadores en retroproyectores.