導(dǎo)讀： 菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) ，又稱螺紋透鏡，是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀·菲涅爾（Augustin·Fresnel)發(fā)明的，他在1822年最初使用這種透鏡設(shè)計(jì)用于建立一個(gè)玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng)--燈塔透鏡。
1.菲涅爾透鏡
菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) ，又稱螺紋透鏡，是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀·菲涅爾（Augustin·Fresnel)發(fā)明的，他在1822年最初使用這種透鏡設(shè)計(jì)用于建立一個(gè)玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng)--燈塔透鏡。菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據(jù)相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在1mm左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測(cè)距離遠(yuǎn)。
菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用；二是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。菲涅爾透鏡的在很多時(shí)候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。多用于對(duì)精度要求不是很高的場(chǎng)合，如幻燈機(jī)、薄膜放大鏡、紅外探測(cè)器等。
2.菲涅爾透鏡的歷史
通過(guò)將數(shù)個(gè)獨(dú)立的截面安裝在一個(gè)框架上從而制作出更輕更薄的透鏡，這一想法常被認(rèn)為是由布封伯爵提出的?？锥嗳?1743-1794)提議用單片薄玻璃來(lái)研磨出這樣的透鏡。而法國(guó)物理學(xué)家兼工程師菲涅爾亦對(duì)這種透鏡在燈塔上的應(yīng)用寄予厚望。根據(jù)史密森學(xué)會(huì)的描述，1823年，第一枚菲涅爾透鏡被用在了吉倫特河口的哥杜昂燈塔（Phare de Cordouan）上；透過(guò)它發(fā)射的光線可以在20英里（32千米）以外看到。蘇格蘭物理學(xué)家大衛(wèi)·布儒斯特爵士被看作是促使英國(guó)在燈塔中使用這種透鏡的推動(dòng)者。
3.菲涅爾透鏡的基本原理
菲涅爾透鏡的工作原理十分簡(jiǎn)單：假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。
另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分"坍陷"到一個(gè)平面上。如圖：
從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，菲涅爾透鏡一面是平坦的，另一面是凸起的。人們首次使用菲涅爾透鏡是在18世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)它被用在燈塔的探照燈上，聚焦射出來(lái)的光束。當(dāng)人們需要一面又薄又輕的透鏡時(shí)，塑料菲涅爾透鏡便派上了用場(chǎng)。盡管成像質(zhì)量不如玻璃透鏡，但是在很多應(yīng)用中我們并不需要完美的圖像質(zhì)量。
菲涅爾透鏡的原理基于菲涅爾波帶片，菲涅爾波帶片具有類似透鏡的作用，它可以使入射光匯聚起來(lái)，產(chǎn)生極大的光強(qiáng)。
菲涅爾透鏡背后的基本思想很簡(jiǎn)單。想象一下，取一面塑料放大鏡并將其切成一百個(gè)同心圓環(huán)（就像樹的年輪）薄片。每個(gè)圓環(huán)都比旁邊的圓環(huán)稍微小一點(diǎn)，并將光會(huì)聚到中心。現(xiàn)在，取出并修改每一個(gè)圓環(huán)，使其一邊平坦并且與其余圓環(huán)等厚。為了保持圓環(huán)向中心會(huì)聚光線的能力，各個(gè)圓環(huán)的斜面的角度將有所不同?，F(xiàn)在，若將所有圓環(huán)堆疊在一起，就可以得到一面菲涅爾透鏡了。當(dāng)然也可以將透鏡做得特別大。大型菲涅爾透鏡經(jīng)常用作太陽(yáng)能聚光器。
4.菲涅爾透鏡的分類
4.1從光學(xué)設(shè)計(jì)上來(lái)劃分：
a)正菲涅爾透鏡：
光線從一側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡在另一側(cè)出來(lái)聚焦成一點(diǎn)或以平行光射出。焦點(diǎn)在光線的另一側(cè)，并且是有限共軛。
這類透鏡通常設(shè)計(jì)為準(zhǔn)直鏡（如投影用菲涅爾透鏡，放大鏡）以及聚光鏡（如太陽(yáng)能用聚光聚熱用菲涅爾透鏡。
b)負(fù)菲涅爾透鏡 ：
和正焦菲涅爾透鏡剛好相反，焦點(diǎn)和光線在同一側(cè)，通常在其表面進(jìn)行涂層，作為第一反射面使用。
4.2從結(jié)構(gòu)上劃分：
1)圓形菲涅爾透鏡
2)菲涅爾透鏡陣列
3)柱狀菲涅爾透鏡
4)線性菲涅爾透鏡
5)衍射菲涅爾透鏡
6)菲涅爾反射透鏡
7)菲涅爾光束分離器和菲涅爾棱鏡。
5.菲涅爾透鏡的作用
菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋。通過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴，菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。
典型的例子就是PIR（被動(dòng)紅外線探測(cè)器）。PIR廣泛的用在警報(bào)器上，每個(gè)PIR上都有個(gè)塑料的小帽，此即菲涅爾透鏡。小帽的內(nèi)部都刻上了齒紋，這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右（人體紅外線輻射的峰值）。在PIR上菲涅爾透鏡主要有以下兩個(gè)作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上；二是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。其利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的"盲區(qū)"和"高靈敏區(qū)"，以提高它的探測(cè)接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從"盲區(qū)"進(jìn)入"高靈敏區(qū)"，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而強(qiáng)其能量幅度。由于菲涅爾透鏡的主要是將探測(cè)空間的紅外線有效地集中到傳感器上。通過(guò)分布在鏡片上的同心圓的窄帶（視窗）用來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外線的聚集，相當(dāng)于凸透鏡的作用，這部分選擇主要是看透鏡窄帶的設(shè)計(jì)及透鏡材質(zhì)?？紤]透鏡的參數(shù)主要有：光通量、不同透鏡同心度、厚度不均勻性、透鏡光軸與外形同心度、透過(guò)率、焦距誤差等。菲涅爾透鏡窄帶（視窗）的設(shè)計(jì)一般都是不均勻的，自上而下分為幾排，上面較多、下邊較少，一般中間密集、兩側(cè)疏。因?yàn)槿四槻俊⑾ゲ?、手臂紅外輻射較強(qiáng)，正好對(duì)著上邊的透鏡；下邊較少，一是因?yàn)槿梭w下部紅外輻射較弱，二是為防止地面小動(dòng)物紅外輻射干擾。材質(zhì)一般用有機(jī)玻璃。
另一個(gè)典型例子是相機(jī)的對(duì)焦屏?，F(xiàn)在的相機(jī)對(duì)焦屏都是磨砂毛玻璃菲涅爾透鏡，其優(yōu)點(diǎn)是明亮和亮度均勻。對(duì)焦不準(zhǔn)時(shí)，在對(duì)焦屏上的成像是不清晰的。為了配合更精確地對(duì)焦，一般在對(duì)焦屏中央裝有裂像和微棱環(huán)裝置。當(dāng)對(duì)焦不準(zhǔn)時(shí)，被攝體在對(duì)焦屏中央的像是分裂成兩個(gè)圖像，當(dāng)兩個(gè)分裂的圖像合二為一時(shí)，表明對(duì)焦準(zhǔn)確了。AF單反機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焦屏一般不設(shè)有裂像裝置，而是刻有一個(gè)小矩形框來(lái)表示AF區(qū)域，有些對(duì)菲涅爾透鏡焦屏上還刻有局部測(cè)光或點(diǎn)測(cè)光區(qū)域。早期AF單反機(jī)在光線較暗環(huán)境中對(duì)焦時(shí)，往往很難看見對(duì)焦框，就難以判斷相機(jī)是以哪一點(diǎn)來(lái)作為對(duì)焦點(diǎn)，新一代單反機(jī)對(duì)焦屏上的對(duì)焦點(diǎn)會(huì)發(fā)光，或者有對(duì)焦聲音提示，便于在復(fù)雜環(huán)境中確認(rèn)對(duì)焦。不同類型的對(duì)焦屏有不同的用途、拍攝人像可能用如裂像對(duì)焦屏更好，帶橫豎線或刻度的對(duì)焦屏適用于建筑物攝影和文件翻拍；中間部分沒(méi)有裂像而只有微棱的對(duì)焦屏適用于小光圈鏡頭，它不會(huì)有裂像一邊亮一邊黑的缺點(diǎn)。不少單反相機(jī)焦屏可由用戶自己更換。又稱螺紋透鏡。
由于菲涅爾透鏡由有機(jī)玻璃制成,不能用任何有機(jī)溶液(如酒精等)擦拭，除塵時(shí)可先用蒸餾水或普通凈水沖洗,再用脫脂棉擦拭。
6.菲涅爾透鏡的應(yīng)用
菲涅爾透鏡是透鏡的一個(gè)分支，由于它同其他的透鏡相比，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它擁有不遜于其它透鏡的良好聚光性和成像性能，因此在國(guó)防、航空、空間、工業(yè)生產(chǎn)和民用等各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
菲涅爾透鏡應(yīng)用在投影系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)就是，通過(guò)聚焦或調(diào)整光線準(zhǔn)直從而增加增體顯示亮度，如果取消準(zhǔn)直鏡，光線在穿過(guò)面板時(shí)會(huì)大量損失，顯示中會(huì)出現(xiàn)明顯的熱斑效應(yīng)，降低顯示屏幕四周亮度。同樣，在LCD屏幕的另一面，我們也必須將光線從面板上集中到投影透鏡中。在觀看屏幕前使用菲涅爾透鏡所增加的亮度，在下圖中看光線分布。
比較常用的是以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：
6.1投影顯示
菲涅爾透鏡被證明最佳應(yīng)用就是在投影系統(tǒng)中，其作用就是準(zhǔn)直光線和聚焦光線。菲涅爾透鏡將光源發(fā)出的束光源調(diào)整為平行光，顯著提高顯示面板四周亮度，消除了太陽(yáng)斑效應(yīng)，從而提高整體顯示亮度均勻性。通常菲涅爾透鏡與其他顯示元件（如柱面鏡）一起使用。
菲涅爾透鏡應(yīng)用在投影系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)就是，通過(guò)聚焦或調(diào)整光線準(zhǔn)直從而增加增體顯示亮度，如果取消準(zhǔn)直鏡，光線在穿過(guò)面板時(shí)會(huì)大量損失，顯示中會(huì)出現(xiàn)明顯的熱斑效應(yīng)，降低顯示屏幕四周亮度。同樣，在LCD屏幕的另一面，我們也必須將光線從面板上集中到投影透鏡中。在觀看屏幕前使用菲涅爾透鏡所增加的亮度，在下圖中看光線分布。
6.2太陽(yáng)能菲涅爾透鏡
在光學(xué)系統(tǒng)中，應(yīng)用菲涅爾透鏡的作用就是將光線從相對(duì)較大的區(qū)域面積轉(zhuǎn)換成相當(dāng)小的面積上，這種透鏡也被稱做集光器或聚光器。
在太陽(yáng)聚光領(lǐng)域，菲涅爾透鏡是聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)（CPV)中重要的光學(xué)部件之一。太陽(yáng)菲涅爾透鏡聚光鏡就是，透鏡的焦點(diǎn)剛好落在太陽(yáng)能芯片上。當(dāng)透鏡面垂直接面向太陽(yáng)時(shí)，光線將會(huì)被聚焦在電池片上，匯聚了更多的能量，因而需要較小的電池片面積，大大節(jié)約了成本。
應(yīng)用菲涅爾透鏡能夠?qū)⑻?yáng)光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面（高性能電池片）上，比傳統(tǒng)平板光伏（FPV)發(fā)電效率提高30％以上，滿足太陽(yáng)能聚光發(fā)電（CPV)和聚熱系統(tǒng)（TPV)中高能量高溫需求。
典型的太陽(yáng)能菲涅爾透鏡就是將齒型朝向電池片，這和之前談到的準(zhǔn)直應(yīng)用中齒型朝向長(zhǎng)共軛方向剛好相反。齒型朝內(nèi)的另外潛在好處的減少太陽(yáng)輻射對(duì)干擾角的沖擊，也能夠避免結(jié)構(gòu)面里堆積灰塵和沙礫。
這種類型菲涅爾透鏡通?？醋魇欠浅上裢哥R，因?yàn)榇┻^(guò)透鏡的有效區(qū)域焦距是固定的。其主要的作用是最大限度增加太陽(yáng)輻射到電池片上，用于轉(zhuǎn)化成電力，因而無(wú)須考慮降低圖象球面誤差。
6.3科研系統(tǒng)用菲涅爾透鏡
科研系統(tǒng)中也經(jīng)常用到菲涅爾透鏡，透鏡與水平面成45±5?夾角。如果兩道不同波長(zhǎng)的光線平行穿過(guò)透鏡，就能夠聚焦在直徑2mm光斑上；它也可以用于視景系統(tǒng)模擬與仿真。
6.4航海照明
大型航標(biāo)燈專用菲涅爾透鏡配合海上燈塔光源而特別設(shè)計(jì)；其焦距短，透光率高；光線發(fā)散角小。 在氣象能見度10海里的條件下，燈光射程可達(dá)30海里。
6.5菲涅爾放大鏡
放大鏡是菲涅爾透鏡最簡(jiǎn)單的應(yīng)用案例。通常來(lái)說(shuō)，一個(gè)放大鏡是正焦透鏡，形成虛擬正立圖象。菲涅爾放大鏡，是一個(gè)超薄的放大鏡。用透明有機(jī)玻璃（當(dāng)然也可以用更多的材料）制成的。用PVC制成的菲涅爾放大鏡，最小的厚度可以在0.45mm~0.90mm之間，與一般的放大鏡不同，它的表面布滿了微小的條紋，在它旋渦狀條紋中包含著許多凸透鏡（簡(jiǎn)稱圓環(huán)狀），使得穿過(guò)它的光線彎曲即產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，從而形成放大的影像。菲涅爾透鏡的特點(diǎn)是比普通透鏡亮度高且表面平整，輻射面積也大。一般普通凹凸透鏡它的直徑很有限，而菲涅爾在放大鏡這塊領(lǐng)域上起了很好的作用，達(dá)到了一般普通透鏡所不能達(dá)到的效果。而且現(xiàn)在做出來(lái)的菲涅爾放大鏡厚度只有0.45mm，便攜帶，其實(shí)主要作用就是減輕傳統(tǒng)放大鏡制造出的普通有機(jī)玻璃、玻璃放大鏡的重量和體積。
6.6照明光學(xué)--菲涅爾透鏡準(zhǔn)直器
通常，菲涅爾透鏡是球型表面形狀切割而成，為了最大限度降低成像時(shí)圖象光學(xué)象差。透鏡能夠較好地將理想的點(diǎn)光源校準(zhǔn)成平行光源。
在現(xiàn)實(shí)生活中，沒(méi)有光源是真正的點(diǎn)光源，然而固體態(tài)發(fā)光器如LED就非常小，因此只要透鏡和LED之間的距離適當(dāng)，就可以當(dāng)成點(diǎn)光源。因此菲涅爾透鏡能夠校準(zhǔn)LED輸出光線為平行光。
而傳統(tǒng)的白熾光源產(chǎn)生大量輻射熱量，從而限制了塑料光學(xué)材料在非常接近光源處的應(yīng)用。由于LED產(chǎn)生的大部分熱是可傳導(dǎo)的，就可以比較容易應(yīng)用塑料光學(xué)透鏡。
當(dāng)需要將LED發(fā)光體的束光源校準(zhǔn)為更寬廣的角度范圍時(shí)候，最常見的做法就是使用反射鏡與菲涅爾透鏡相結(jié)合從而減少光學(xué)部件使用量。
7.國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展情況
國(guó)外進(jìn)展：國(guó)際上有人研制大型菲涅爾透鏡，試圖用于制作太陽(yáng)能聚光集熱器。菲涅爾透鏡是平面化的聚光鏡，重量輕，價(jià)格比較低，也有點(diǎn)聚焦和線聚焦之分，一般由有機(jī)玻璃或其它透明塑料制成，也有用玻璃制作的，主要用于聚光太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)。
國(guó)內(nèi)進(jìn)展：我國(guó)從70年代直至90年代，對(duì)用于太陽(yáng)能裝置的菲涅爾透鏡開展了研制。有人采用模壓方法加工大面積的柔性透明塑料菲涅爾透鏡，也有人采用組合成型刀具加工直徑1.5m的點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡，結(jié)果都不大理想。近來(lái)，有人采用模壓方法加工線性玻璃菲涅爾透鏡，但精度不夠，尚需提高。 還有兩種利用全反射原理設(shè)計(jì)的新型太陽(yáng)能聚光器，雖然尚未獲得實(shí)際應(yīng)用，但具有一定啟發(fā)性。一種是光導(dǎo)纖維聚光器，它由光導(dǎo)纖維透鏡和與之相連的光導(dǎo)纖維組成，陽(yáng)光通過(guò)光纖透鏡聚焦后由光纖傳至使 用處。另一種是熒光聚光器，它實(shí)際上是一種添加熒光色素的透明板（一般為有機(jī)玻璃），可吸收太陽(yáng)光中與熒光吸收帶波長(zhǎng)一致的部分，然后以比吸收帶波長(zhǎng)更長(zhǎng)的發(fā)射帶波長(zhǎng)放出熒光。放出的熒光由于板和周圍介質(zhì)的差異，而在板內(nèi)以全反射的方式導(dǎo)向平板的邊緣面，其聚光比取決于平板面積和邊緣面積之比，很容易 達(dá)到10~100倍，這種平板對(duì)不同方向的入射光都能吸收，也能吸收散射光，不需要跟蹤太陽(yáng)。
8.結(jié)語(yǔ)
菲涅爾透鏡與傳統(tǒng)的透鏡相比，具有面積大、重量輕、價(jià)格比較低、輕便易攜帶等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用十分廣泛的光學(xué)元件，其設(shè)計(jì)和制造涉及到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括光學(xué)工程,高分子材料工程，CNC機(jī)械加工，金剛石車削工藝，鍍鎳工藝；模壓、注塑、澆鑄等制造工藝。因此，大型、高精密菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)成為目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)部門技術(shù)發(fā)展的主要方向。
聯(lián)系客服
