菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) ，又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃製作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是根據光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設計的。

基本介紹

• 中文名：菲涅爾透鏡
• 外文名：Fresnel lens
• 別名：螺紋透鏡
• 材料：聚烯烴材料
• 方法：注壓
• 形狀：薄片

基本原理

由來

菲涅爾透鏡是由法國物理學家奧古斯汀.菲涅爾（Augustin.Fresnel)發明的，他在1822年最初使用這種透鏡設計用於建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統——燈塔透鏡。

菲涅爾透鏡套用

通過將數個獨立的截面安裝在一個框架上從而製作出更輕更薄的透鏡，這一想法常被認為是由布封伯爵提出的。孔多塞(1743-1794)提議用單片薄玻璃來研磨出這樣的透鏡。而法國物理學家兼工程師菲涅爾亦對這種透鏡在燈塔上的套用寄予厚望。根據史密森學會的描述，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；透過它發射的光線可以在20英里（32千米）以外看到。蘇格蘭物理學家大衛·布儒斯特爵士被看作是促使英國在燈塔中使用這種透鏡的推動者。

基本原理

其工作原理十分簡單：假設一個透鏡的折射能量僅僅發生在光學表面（如：透鏡表面），拿掉儘可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度。

另外一種理解就是，透鏡連續表面部分“坍陷”到一個平面上。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，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。

菲涅爾透鏡v.s.普通凸透鏡

特性

使用普通的凸透鏡，會出現邊角變暗、模糊的現象，這是因為光的折射只發生在介質的交界面，凸透鏡片較厚，光在玻璃中直線傳播的部分會使得光線衰減。如果可以去掉直線傳播的部分，只保留發生折射的曲面，便能省下大量材料同時達到相同的聚光效果。菲涅爾透鏡就是採用這種原理的。菲涅爾透鏡看上去像一片有無數多個同心圓紋路（即菲涅爾帶）的玻璃，卻能達到凸透鏡的效果，如果投射光源是平行光，匯聚投射後能夠保持圖像各處亮度的一致。

功能

菲涅爾透鏡在很多時候相當於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。多用於對精度要求不是很高的場合，如幻燈機、薄膜放大鏡、紅外探測器等。

菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發出的紅外線就不斷地交替從“盲區”進入“高靈敏區”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈衝形式輸入，從而強其能量幅度。

菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號。

菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達到對指定光譜範圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。

典型的例子就是PIR。PIR廣泛的用在警報器上。如果你拿一個看看，你會發現在每個PIR上都有個塑膠的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內部都刻上了齒紋。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）。

菲涅爾透鏡可以把透過窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在矽光電二級探測器的光敏面上，菲涅爾透鏡不能用任何有機溶液(如酒精等)擦拭，除塵時可先用蒸餾水或普通淨水沖洗，再用脫脂棉擦拭。

如今的相機對焦屏都是磨砂毛玻璃菲涅爾透鏡，其優點是明亮和亮度均勻。對焦不準時，在對焦屏上的成像是不清晰的。為了配合更精確地對焦，一般在對焦屏中央裝有裂像和微棱環裝置。當對焦不準時，被攝體在對焦屏中央的像是分裂成兩個圖像，當兩個分裂的圖像合二為一時，表明對焦準確了。AF單眼機的標準對焦屏一般不設有裂像裝置，而是刻有一個小矩形框來表示AF區域，有些對焦屏上還刻有局部測光或點測光區域。早期AF單眼機在光線較暗環境中對焦時，往往很難看見對焦框，就難以判斷相機是以哪一點來作為對焦點，新一代單眼機對焦屏上的對焦點會發光，或者有對焦聲音提示，便於在複雜環境中確認對焦。不同類型的對焦屏有不同的用途、拍攝人像可能用如裂像對焦屏更好，帶橫豎線或刻度的對焦屏適用於建築物攝影和檔案翻拍；中間部分沒有裂像而只有微棱的對焦屏適用於小光圈鏡頭，它不會有裂像一邊亮一邊黑的缺點。不少單眼相機焦屏可由用戶自己更換。又稱螺紋透鏡。

菲涅爾透鏡

分類

設計上來劃分

1.1正菲涅爾透鏡：

光線從一側進入，經過菲涅爾透鏡在另一側出來聚焦成一點或以平行光射出。焦點在光線的另一側，並且是有限共軛。

這類透鏡通常設計為準直鏡（如投影用菲涅爾透鏡，放大鏡）以及聚光鏡（如太陽能用聚光聚熱用菲涅爾透鏡。

2.2負菲涅爾透鏡：

和正焦菲涅爾透鏡剛好相反，焦點和光線在同一側，通常在其表面進行塗層，作為第一反射面使用。

從結構上劃分

圓形菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡陣列，柱狀菲涅爾透鏡，

菲涅爾透鏡套用

線性菲涅爾透鏡，

衍射菲涅爾透鏡，

菲涅爾反射透鏡，

菲涅爾光束分離器和菲涅爾稜鏡。

套用領域

菲涅爾透鏡現階段主要套用領域包括投影以及太陽能光伏領域。因為菲涅爾透鏡射出的光線邊緣較為柔和，故它常用在染色燈上。在透鏡前方的支架上放置一塊有顏色的塑膠膜給光線染色，也可放置金屬紗網或磨砂塑膠使光線彌散。許多含有菲涅爾透鏡的設備都允許燈在焦點前後移動，以放大或縮小光束的大小，其非常適合在透鏡式投影儀、背投電視、幻燈機以及準直器上使用，不僅因為透過它的光線比透過普通透鏡的亮度高，也由於透過它的整束光線在各個部位的亮度都相對一致。

在太陽能光伏領域，菲涅爾主要作為聚光光伏系統中的聚光部件，將光線從相對較大的區域面積轉換成相對小的面積上。廉價的菲涅爾透鏡一般由透明塑膠壓鑄或模塑而成，其尺寸可以在做得比玻璃大的同時更輕、更經濟，因此，大型的菲涅爾透鏡也被廣泛用在太陽灶聚集陽光或是太陽能熱水器上。除此之外，菲涅爾透鏡也廣泛套用在汽車前燈、汽車尾燈以及倒車燈上。它能使大燈最初由凹面鏡反射出來的平行光向下傾斜，因此，菲涅爾透鏡也用於校正一些視覺障礙，比如斜視。

菲涅爾透鏡是一種套用十分廣泛的光學元件，其設計和製造設計到多個技術領域，包括光學工程,高分子材料工程，CNC機械加工，金剛石車削工藝，鍍鎳工藝；模壓、注塑、澆鑄等製造工藝。菲涅爾透鏡套用於多個領域，包括：

投影顯示：菲涅爾投影電視，背投菲涅爾螢幕，高射投影儀，準直器；

聚光聚能：太陽能用菲涅爾透鏡，攝影用菲涅爾聚光燈，菲涅爾放大鏡；

航空航海：燈塔用菲涅爾透鏡，菲涅爾飛行模擬；

科技研究：雷射檢測系統等；

紅外探測：無源移動探測器；

照明光學：汽車頭燈，交通標誌，光學著陸系統。

智慧型家居：安防系統探測器等

菲涅爾透鏡太陽能

國際上有人研製大型菲涅爾透鏡，試圖用於製作太陽能聚光集熱器。菲涅爾透鏡是平面化的聚光鏡，重量輕，價格比較低，也有點聚焦和線聚焦之分，一般由有機玻璃或其它透明塑膠製成，也有用玻璃製作的，主要用於聚光太陽電池發電系統。

我國從70年代直至90年代，對用於太陽能裝置的菲涅爾透鏡開展了研製。有人採用模壓方法加工大面積的柔性透明塑膠菲涅爾透鏡，也有人採用組合成型刀具加工直徑1.5m的點聚焦菲涅爾透鏡，結果都不大理想。近來，有人採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計的新型太陽能聚光器，雖然尚未獲得實際套用，但具有一定啟發性。一種是光導纖維聚光器，它由光導纖維透鏡和與之相連的光導纖維組成，陽光通過光纖透鏡聚焦後由光纖傳至使 用處。另一種是螢光聚光器，它實際上是一種添加螢光色素的透明板（一般為有機玻璃），可吸收太陽光中與螢光吸收帶波長一致的部分，然後以比吸收帶波長更長的發射帶波長放出螢光。放出的螢光由於板和周圍介質的差異，而在板內以全反射的方式導向平板的邊緣面，其聚光比取決於平板面積和邊緣面積之比，很容易 達到10一100，這種平板對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。