Augustin Fresnel : les lentilles à échelons.

Jusqu’au 18° siècle, les côtes étaient peu éclairées. On compte 15 phares construits avant 1775 le long des côtes françaises.
Il faut attendre la création de la Commission des Phares en 1811 et le programme d’éclairage de 1825 pour changer les choses.
Ce programme propose de construire 51 phares, 40 feux de port (lire la page «Histoire des phares français») et d’augmenter la portée des optiques.

Jusque là, les phares anglais érigés par la Trinity House sont équipés de réflecteurs en cuivre. Le principe est simple.
On place la source lumineuse (lampe à huile) au foyer du réflecteur parabolique. Ce réflecteur a la propriété de rendre parallèle les rayons réfractés. Ce système peut être installé sur un ensemble rotatif.
Vers 1770, ces réflecteurs sont installés en France. Un système avec 12 miroirs paraboliques argentés est installé au phare de Cordouan en 1791.
Augustin Fresnel (né à Broglie le 10 mai 1788) est engagé à la Commission des Phares le 21 juin 1819. Il n’est pas convaincu par cette technique.
Il pense que la perte de lumière est trop importante. Il a entendu parler des études de Georges-Louis Leclerc Buffon.

Buffon a utilisé une lentille pour construire une loupe. Celle ci va focaliser les rayons du soleil en un point appelé foyer.
Il veut agrandir sa loupe en utilisant une plus grande lentille. Mais la lentille devient lourde et l’épaisseur du verre au centre augmente la perte de lumière. Il invente alors la lentille à échelon.

Le principe est simple. On fabrique une grande lentille et on enlève l’épaisseur du verre qui n’est pas utile. Le poids est fortement réduit mais la fabrication n’est pas simple. Buffon est bloqué.

L’image de gauche montre comment Buffon est arrivé à alléger son optique. L'image de droite montre, en bleu, la partie utile et en pointillé la partie enlevée.

Fresnel reprend cette étude de Buffon, non plus pour concentrer la lumière du soleil au foyer de la lentille mais pour diffuser la lumière d’une lampe à huile placée au foyer.

Il a besoin d’une grande optique à échelon mais sa fabrication est quasi impossible. Il va donc faire fabriquer son optique en plusieurs petits morceaux qui seront ensuite assemblés.
Buffon n’y avait pas pensé.
Fresnel n’est donc pas l’inventeur de cette nouvelle optique mais il l' a améliorée et adaptée aux phares.

Voici une photo de la lentille de Fresnel de 1820 et une photo de 1821.

Le 29 août 1819, il propose le remplacement des réflecteurs métalliques par des lentilles à échelons. Son projet est accepté.

Après différents tests, il présente un projet de phare à 8 optiques dioptriques.

Ce projet sera accepté et installé au phare de Cordouan en juillet 1823. Ce phare n’est pas choisi par hasard.
Il veut encore prouver que son optique est plus performante que le système anglais dont le phare est pourvu depuis 1791.

L’ensemble fourni à Cordouan était composé de l’optique, d’un nouveau système de rotation et d’une lampe à huile améliorée.

L’optique comprenait 8 lentilles de Fresnel verticales de sections carrées. Celles-ci étaient placées dans le même plan que la source lumineuse et formaient un octogone régulier.

Pour récupérer la lumière passant à côté des lentilles, il place des réflecteurs métalliques au dessus de ceux-ci.
Une ouverture est laissée au-dessus pour la cheminée et en-dessous de l’ensemble pour l’alimentation en air de la lampe.

Ci-contre l’optique livrée à Cordouan en 1823.

Plus tard, ces réflecteurs seront remplacés par des prismes catadioptriques.

L'animation ci dessous permet de visualiser le trajet des rayon lumineux.

Son travail sera couronné de succès. Il a démontré que son optique a un meilleur rendement. Le verre est inaltérable et son entretien plus facile que le métal. Mais il passera sous silence le prix de ces optiques.

Son travail ne s’arrête pas là. Chaque phare aura des caractéristiques différentes tant au niveau optique qu’au niveau de sa rotation. Cela les rendra reconnaissables.

Augustin Fresnel.

Léonor Fresnel.

Augustin Fresnel reçoit la médaille d’or à l’exposition industrielle de Paris en 1823 et est élu la même année à l’Académie des Sciences.
Ses lentilles vont connaitre un succès mondial, mais il n’en profitera pas. Il décède le 14 juillet 1827.
Son frère Léonor le remplace à la Commission des Phares et continue son travail.
Il a contribué à la sécurité en mer et le nombre de naufrages va fortement diminuer.
Les anglais attendront 20 ans avant d’adopter les lentilles.

En conclusion on peut dire qu’en 4 ans Augustin Fresnel aura révolutionné l’éclairage avec le premier phare lenticulaire. D’autres évolutions verront le jour plus tard.
Il y aura la modernisation des systèmes de rotation des optiques (commencé par Fresnel pour Cordouan).
L’électrification des deux premiers phares a lieu en Angleterre en 1858 et 1862.
Le premier phare français (la Hève) est électrifié en 1863.
Il s’ensuit une évolution dans le type de lampe. Il ne faut pas oublier l’arrivée des éoliennes et des panneaux solaires.

L’arrivée de leds, leurs faibles consommations et leurs grandes durées de vie, va encore changer les choses. Voici, pour la France, les dernières informations reçues:
"Toutes les bouées et les feux jusqu'à 40 W en sont équipés. Un nouveau programme est en cours de déploiement pour équiper les phares et tourelles jusqu'à 180 W, ce qui doit faire les 3/4 des phares si ce n'est plus. Pour les phares de puissances supérieures (type Fréhel) ils sont équipés de lampes à halogénures métalliques."
Le premier phare européen équipé de leds est espagnol.

Pour terminer, il faut mentionner l’automatisation .

Les classifications.

La première classification se fait suivant la taille de l'optique. La mesure est prise sur la plan focal, entre la lentille centrale et le point focal.
Le classement se fait en 9 catégories, du 1° ordre ( 920 mm) au 8° ordre ( 75 mm) sans oublier les optiques hyper-radiales et méso-radiales. Ces derniers font l'objet d'une autre page.
Les deux dessins ci dessous montrent les 6 ordres les plus fréquents.

Ordre.	Focale.	Hauteur.	Poids.
Premier ordre	920 mm 36,2 inches	2590 mm 101,97 inches.	5800 kg 12787 pounds
Second ordre	700 mm 27,6 inches	2070 mm 81,46 inches.	1600 kg 3527 pounds
Troisième ordre	500 mm 19,7 inches	1576 mm 62,05 inches.	900 kg 1984 pounds
Troisième ordre et demi	375 mm 14,7 inches	1090 mm 42,9 inches.	545 kg 1200 pounds
Quatrième ordre	250 mm 9,8 inches	722 mm 28,43 inches.	200 à 300 kg 441 à 661 pounds
Cinquième ordre	187,5 mm 7,4 inches	541 mm 21,3 inches.	120 à 200 kg 265 à 441 pounds
Sixième ordre	150 mm 5,9 inches	433 mm 17,05 inches.	30 à 100 kg 65 à 220 pounds
Septième ordre *	140 mm 5.7 inches	165 mm 6.5 inches.	6.8 kg 15 pounds
Huitième ordre *	75 mm 3.1 inches	82 mm 3.25 inches.	2.75 kg 6 pounds

* Les optiques du 7° et 8° ordre ont été fabriquées pour le Canada et l'Ecosse et en peu d'exemplaires.

Optique de troisième ordre et demi du phare de
Sodus Point, lac Ontario.

Optique de troisième ordre et demi du phare Grays Reef - lac Michigan.
Exposé au Charlevoix Historical Society Museum à Charlevoix.

Une seconde classification peut se faire suivant que l'optique est fixe ou tournante.
La photo ci contre montre la différence d'éclairage entre les deux types d'optique.

Optique fixe du 6° ordre.

Optique tournante du 6° ordre.

Enfin, une optique particulière est disposée sur certains phares. Elle est placée dans le bas et elle dirige la lumière vers le haut.
Le but est de fournir un balisage de nuit pour le trafic aérien. Ci contre, une photo de cette optique.

La double lentille du phare de la Canche, film réalisé par Alain Roupie.

L'optique du phare de la Garoupe - vidéo de Joël Rosti.

Un des panneaux de l'optique du Créach.

Optique de La Désirade.

Plusieurs pages présentent différentes optiques dans les phares.

Articles de référence.

Les premières lentilles de Fresnel – Patrice Lehuédé.
Les lentilles à échelons de Fresnel – Vincent Guigueno.
Artworks Florida , Floride.
Les livres renseignés dans la rubrique «Liens».

Origine des photos.

Le Musée des Phares et Balises situé sur l'île d'Ouessant et géré par le Parc Naturel Régional d'Armorique.
Patrice Lehuédé.
Artworks Florida , Floride.

Je les en remercie.