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(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。菲涅爾透鏡可按照光學(xué)設(shè)計或結(jié)構(gòu)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(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動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。

本文主要從菲涅爾透鏡的歷史，基本原理，分類，作用，應(yīng)用以及國內(nèi)外的研究與發(fā)展?fàn)顩r等方面完整介紹了菲涅爾透鏡的相關(guān)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(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)計用于建立一個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)相對靈敏度和接收角度要求來設(shè)計的，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(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動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。菲涅爾透鏡的在很多時候相當(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(shù)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(rèn)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(xué)家兼工程師菲涅爾亦對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(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(shè)一個透鏡的折射能量僅僅發(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。

傳統(tǒng)透鏡到菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)的變化

另外一種理解就是，透鏡連續(xù)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(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(jì)初，當(dāng)時它被用在燈塔的探照燈上，聚焦射出來的光束。當(dāng)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(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，產(chǎn)生極大的光強。它也有類似于透鏡的......

7.國內(nèi)外研究與發(fā)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(fā)電系統(tǒng)。

國內(nèi)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(jié)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(shè)計的新型太陽能聚光器，雖然尚未獲得實際應(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(fā)射帶波長放出熒光。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(jié)語

菲涅爾透鏡與傳統(tǒng)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(yōu)點，是一種應(yīng)用十分廣泛的光學(xué)元件，其設(shè)計和制造涉及到多個技術(shù)領(lǐng)域，包括光學(xué)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(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)成為目前國內(nèi)外生產(chǎn)部門技術(shù)發(fā)展的主要方向。

審核編輯：湯梓紅