菲涅爾透鏡:聚烯烴材料鏡片-中文百科頻道

概述

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，它的紋理是根據光的幹涉及擾射以及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表面光潔，紋理清晰，其厚度随用途而變，多在1mm左右，特性為面積大、厚度薄及偵測距離遠。

菲涅爾透鏡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。

使用普通的凸透鏡，會出現邊角變暗、模糊的現象，這是因為光的折射隻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，隻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。菲涅耳透鏡就是采用這種原理的。菲涅爾透鏡看上去像一片有無數多個同心圓紋路（即菲涅耳帶)的玻璃，卻能達到凸透鏡的效果，如果投射光源是平行光，彙聚投射後能夠保持圖像各處亮度的一緻。

作用

菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方産生一個交替變化的“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号以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度。

菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即将熱釋紅外信号折射（反射）在PIR上，第二個作用是将探測區域内分為若幹個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上産生變化熱釋紅外信号。

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上都有個塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的内部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以将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）。

菲涅耳透鏡可以把透過窄帶幹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。

現在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。為了配合更精确地對焦，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，表明對焦準确了。

AF單反機的标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單反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，新一代單反機對焦屏上的對焦點會發光，或者有對焦聲音提示，便于在複雜環境中确認對焦。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适用于建築物攝影和文件翻拍；中間部分沒有裂像而隻有微棱的對焦屏适用于小光圈鏡頭，它不會有裂像一邊亮一邊黑的缺點。不少單反相機焦屏可由用戶自己更換。又稱螺紋透鏡。

基本原理

什麼是菲涅爾透鏡

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于建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統——燈塔透鏡。

菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)是一種微細結構的光學元件，從正面看其象一個飛镖盤，由一環一環的同心圓組成。

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），拿掉盡可能多的光學材料，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，但都将光線集中一處，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。

曆史

通過将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。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耳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英裡（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。

發展現狀

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。

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後由光纖傳至使用處。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闆（一般為有機玻璃），可吸收太陽光中與熒光吸收帶波長一緻的部分，然後以比吸收帶波長更長的發射帶波長放出熒光。放出的熒光由于闆和周圍介質的差異，而在闆内以全反射的方式導向平闆的邊緣面，其聚光比取決于平闆面積和邊緣面積之比，很容易達到10一100，這種平闆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。