菲涅爾透鏡的歷史和基本原理

摘要：菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡的在很多時候相當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。菲涅爾透鏡可按照光學設計或結構進行分類。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用；二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。

本文主要從菲涅爾透鏡的歷史，基本原理，分類，作用，應用以及國內外的研究與發展狀況等方面完整介紹了菲涅爾透鏡的相關知識。

1.簡介

菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡 (Fresnel lens)，又稱螺紋透鏡，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于建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統——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相對靈敏度和接收角度要求來設計的，透鏡的要求很高，一片優質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，厚度薄及偵測距離遠。

菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用；二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。菲涅爾透鏡的在很多時候相當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。

2.菲涅爾透鏡的歷史

通過將數個獨立的截面安裝在一個框架上從而制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?？锥嗳?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應用寄予厚望。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。

3.菲涅爾透鏡的基本原理

菲涅爾透鏡的工作原理十分簡單：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），拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度。

傳統透鏡到菲涅爾透鏡結構的變化

另外一種理解就是，透鏡連續表面部分“坍陷”到一個平面上。如圖：

塌陷到平面

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。

簡單地說，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世紀初，當時它被用在燈塔的探照燈上，聚焦射出來的光束。當人們需要一面又薄又輕的透鏡時，塑料菲涅爾透鏡便派上了用場。盡管成像質量不如玻璃透鏡，但是在很多應用中我們并不需要完美的圖像質量。

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，產生極大的光強。它也有類似于透鏡的......

7.國內外研究與發展情況

國外進展：國際上有人研制大型菲涅爾透鏡，試圖用于制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料制成，也有用玻璃制作的，主要用于聚光太陽電池發電系統。

國內進展：我國從70年代直至90年代，對用于太陽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的點聚焦菲涅爾透鏡，結果都不大理想。近來，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計的新型太陽能聚光器，雖然尚未獲得實際應用，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后由光纖傳至使 用處。另一種是熒光聚光器，它實際上是一種添加熒光色素的透明板（一般為有機玻璃），可吸收太陽光中與熒光吸收帶波長一致的部分，然后以比吸收帶波長更長的發射帶波長放出熒光。放出的熒光由于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，其聚光比取決于平板面積和邊緣面積之比，很容易 達到10~100倍，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。

8.結語

菲涅爾透鏡與傳統的透鏡相比，具有面積大、重量輕、價格比較低、輕便易攜帶等優點，是一種應用十分廣泛的光學元件，其設計和制造涉及到多個技術領域，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、澆鑄等制造工藝。因此，大型、高精密菲涅爾透鏡的設計、開發和生產成為目前國內外生產部門技術發展的主要方向。

審核編輯：湯梓紅