菲涅尔透镜地原理及应用.doc

菲涅尔透镜的原理与应用〔国防科某某学院光学小组第六组〕［摘 要］菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片， 镜片外表一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆 菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线与 可见光的凸透镜，效果较好，但本钱比普通的凸透镜低很多 菲涅尔透镜可按照 光学设计或结构进展分类菲涅尔透镜作用有两个：一是聚某某用；二是将探测 区域内分为假如干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形 式在PIR上产生变化热释红外信号［关键词］菲涅尔透镜；原理；分类；应用；研究与开展状况本文主要从菲涅尔透镜的历史，根本原理，分类，作用，应用以与国内外的研究与开展状况等方面完整介绍了菲涅尔透镜的相关知识1.简介菲涅尔透镜(Fresnel lens) ，又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀•菲涅尔〔August in • Fres nel)发明的，他在1822年最初使用这种透 镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统一一灯塔透镜菲涅尔透镜多是 由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片外表一面为光面， 另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干预与扰射和根据 相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜 必须是外表光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在 1mm左右，特性为面积较大，厚度薄与侦测距离远。

菲涅尔透镜菲涅尔透镜作用有两个：一是聚某某用；二是将探测区域内分为假如干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在 PIR上产生变化热释红外信号菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线与可见 光的凸透镜，效果较好，但本钱比普通的凸透镜低很多多用于对精度要 求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等2. 菲涅尔透镜的历史通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜，这一想法常被认为是由布封伯爵提出的孔多塞 (1743-1794)提议用单片薄玻璃来研磨出这样的透镜而法国物理学家兼工程师菲涅尔亦对这种透镜在灯塔上的应用寄予厚望根据史密森学会的描述， 1823年，第一枚菲涅尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔〔 Phare de Cordouan丨上； 透过它发射的光线可以在 20英里〔32千米〕以外看到苏格兰物理学家大 卫•布儒斯特爵士被看作是促使英国在灯塔中使用这种透镜的推动者3. 菲涅尔透镜的根本原理菲涅尔透镜的工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生 在光学外表〔如：透镜外表〕，拿掉尽可能多的光学材料，而保存外表的 弯曲度传统透镜到菲涅尔透镜结构的变化另外一种理解就是，透镜连续外表局部“坍陷〃到一个平面上。

如图:塌陷到平面从剖面看，其外表由一系列锯齿型凹槽组成，中心局部是椭圆型弧线 每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦 点，也就是透镜的焦点每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线 调整成平行光或聚光这种透镜还能够消除局部球形像差简单地说，菲涅尔透镜一面是平坦的，另一面是凸起的人们首次使 用菲涅尔透镜是在 18世纪初，当时它被用在灯塔的探照灯上，聚焦射出来 的光束当人们需要一面又薄又轻的透镜时，塑料菲涅尔透镜便派上了用 场尽管成像质量不如玻璃透镜，但是在很多应用中我们并不需要完美的 图像质量菲涅尔透镜的原理基于菲涅尔波带片，菲涅尔波带片具有类似透镜的 作用，它可以使入射光会聚起来，产生极大的光强它也有类似于透镜的111成像公式一一 一，式中 为光源到波带的距离， r0为透镜中心到像点的r f距离f Rm〔 R透镜半径、m为波带数、为入射光波长〕但波带片与透镜有 个重要的区别，即一个波带片有很多焦点，上式给出的是它的主焦点，除 此之外，还有一系列的次焦点，它们的距离分别是 f 3、f 5、f 7.. •在其对称位置〔即 f、 f 3 f f 5 f f 7 ...〕还存在着一系列虚焦点。

菲涅尔透镜背后的根本思想很简单想象一下，取一面塑料放大镜并 将其切成一百个同心圆环〔就像树的年轮〕薄片每个圆环都比旁边的圆 环稍微小一点，并将光会聚到中心现在，取出并修改每一个圆环，使其 一边平坦并且与其余圆环等厚为了保持圆环向中心会聚光线的能力，各 个圆环的斜面的角度将有所不同现在，假如将所有圆环堆叠在一起，就 可以得到一面菲涅尔透镜了当然也可以将透镜做得特别大大型菲涅尔 透镜经常用作太阳能聚光器4. 菲涅尔透镜的分类4.1从光学设计上来划分：a）正菲涅尔透镜：光线从一侧进入， 经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或以平 行光射出焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭这类透镜通常设计为准直镜〔如投影用菲涅尔透镜，放大镜〕以与 聚光镜〔如太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜校准为平行光线 把光线聚焦到一个点b）负菲涅尔透镜：和正焦菲涅尔透镜刚好相反，焦点和光线在同一侧，通常在其外表进展 涂层，作为第一反射面使用4.2从结构上划分：1） 圆形菲涅尔透镜2） 菲涅尔透镜阵列3） 柱状菲涅尔透镜4） 线性菲涅尔透镜5） 衍射菲涅尔透镜6） 菲涅尔反射透镜7） 菲涅尔光束别离器和菲涅尔棱镜5. 菲涅尔透镜的作用菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹。

通过这些齿纹，可以达到对指定光谱 X围的光带通（反射或者折射）的作用传统的打 磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵，菲涅尔透镜可以极大的降低本钱典型的例子就是 PIR〔被动红外线探测器〕‘ PIR广泛的用在警报器上，每个 PIR上都有个塑料的小帽，此即菲涅尔透镜〔见右图〕小 帽的内部都刻上了齿纹，这种菲涅尔透镜可以 将入射光的频率峰值限制到 10微米左右〔人体红外线辐射的峰值〕在PIR上菲涅尔透镜主要 菲涅尔透镜有以下两个作用：一是聚某某用，即将热释红外信号折射〔反射〕在 PIR上；二是将探测区域内分为假如干个明区和暗区，使进入探测区域的移动 物体能以温度变化的形式在 PIR上产生变化热释红外信号其利用透镜的 特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的 “盲区〃和“高灵敏区〃，以提高它的探测接收灵敏度当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线 就不断地交替从“盲区〃进入“高灵敏区〃，这样就使接收到的红外信号 以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度由于菲涅尔透镜的主要是 将探测空间的红外线有效地集中到传感器上 通过分布在镜片上的同心圆的窄带 〔视窗〕用来实现红外线的聚集，相当于凸透镜的作用，这局部选择主要是看透 镜窄带的设计与透镜材质。

考虑透镜的参数主要有：光通量、不同透镜同心度、 厚度不均匀性、透镜光轴与外形同心度、透过率、焦距误差等菲涅尔透镜窄带〔视窗〕的设计一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少， 一般中间密集、两侧疏因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边 的透镜；下边较少，一是因为人体下部红外辐射较弱， 二是为防止地面小动物红 外辐射干扰材质一般用有机玻璃另一个典型例子是相机的对焦屏现在的相机对焦屏都是磨砂毛玻璃菲涅尔透镜，其优点是明亮和亮度均匀对焦不准时，在对焦屏上的成像是不清晰 的为了配合更准确地对焦，一般在对焦屏中央装有裂像和微棱环装置 当对焦不准时，被摄体在对焦屏中央的像是分裂成两个图像，当两个分裂的图像合二为 一时，明确对焦准确了 AF单反机的标准对焦屏一般不设有裂像装置，而是刻 有一个小矩形框来表示 AF区域，有些对菲涅尔透镜焦屏上还刻有局部测光或点 测光区域早期AF单反机在光线较暗环境中对焦时，往往很难看见对焦框，就 难以判断相机是以哪一点来作为对焦点，新一代单反机对焦屏上的对焦点会发 光，或者有对焦声音提示，便于在复杂环境中确认对焦不同类型的对焦屏有不 同的用途、拍摄人像可能用如裂像对焦屏更好，带横竖线或刻度的对焦屏适用于 建筑物摄影和文件翻拍；中间局部没有裂像而只有微棱的对焦屏适用于小光圈镜 头，它不会有裂像一边亮一边黑的缺点。

不少单反相机焦屏可由用户自己更换 又称螺纹透镜由于菲涅尔透镜由有机玻璃制成，不能用任何有机溶液（如酒精等）擦拭, 除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗，再用脱脂棉擦拭6. 菲涅尔透镜的应用菲涅尔透镜是透镜的一个分支，由于它同其他的透镜相比，具有体积小，重 量轻，结构紧凑的优点，同时它拥有不逊于其它透镜的良好聚光性和成像性能， 因此在国防、航空、空间、工业生产和民用等各个领域获得广泛的应用比拟常用的是以下几个方面的应用：投影显示菲涅尔透镜被证明最优应用就是在投影系统中，其作用就是准直光线和聚焦 光线菲涅尔透镜将光源发出的束光源调整为平行光， 显著提高显示面板四周亮 度，消除了太阳斑效应，从而提高整体显示亮度均匀性 通常菲涅尔透镜与其他 显示元件〔如柱面镜〕一起使用菲涅尔透镜应用在投影系统中的优势就是， 通过聚焦或调整光线准直从而增 加增体显示亮度，如果取消准直镜，光线在穿过面板时会大量损失，显示中会出 现明显的热斑效应，降低显示屏幕四周亮度同样，在 LCD屏幕的另一面，我们 也必须将光线从面板上集中到投影透镜中 在观看屏幕前使用菲涅尔透镜所增加 的亮度，在如下图中看光线分布1•jo・eeh・4s,-p¥o!:—Witrx>utFr^Srt^l—WrthF「沪耐I太阳能菲涅尔透镜在光学系统中，应用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转 换成相当小的面积上，这种透镜也被称做集光器或聚光器。

在太阳聚光领域，菲涅尔透镜是聚光太阳能系统〔CPV中重要的光学部件之 一太阳菲涅尔透镜聚光镜就是，透镜的焦点刚好落在太阳能芯片上 当透镜面 垂直接面向太阳时，光线将会被聚焦在电池片上，会聚了更多的能量，因而需要 较小的电池片面积，大大节约了本钱应用菲涅尔透镜能够将太阳光聚焦到入光面 1/10至1/1000甚至更小的接收面〔高性能电池片〕上，比传统平板光伏〔FPV）发电效率提高30%以上，满足太阳能聚光发电〔CPV和聚热系统〔TPV）中高能量高温需求典型的太阳能菲涅尔透镜就是将齿型朝向电池片， 这和之前谈到的准直应用 中齿型朝向长共轭方向刚好相反齿型朝内的另外潜在好处的减少太阳辐射对干 扰角的冲击，也能够防止结构面里堆积灰尘和沙砾这种类型菲涅尔透镜通常看作是非成像透镜，因为穿过透镜的有效区域焦距 是固定的其主要的作用是最大限度增加太阳辐射到电池片上， 用于转化成电力, 因而无须考虑降低图象球面误差科研系统用菲涅尔透镜科研系统中也经常用到菲涅尔透镜，透镜与水平面成 45土 5o夹角如果两 道不同波长的光线平行穿过透镜， 就能够聚焦在直径2mn光斑上；它也可以用于 视景系统模拟与仿真航海照明大型航标灯专用菲涅尔透镜配合海上灯塔 光源而特别设计；其焦距短，透光率高；光线发 散角小。

在气象能见度10海里的条件下，灯光 射程可达30海里菲涅尔放大镜放大镜是菲涅尔透镜最简单的应用案例通常来说，一个放大镜是正焦透镜， 形成虚拟正立图象菲涅尔放大镜，是一个超薄的放大镜用透明有机玻璃〔当 然也可以用更多的材料〕制成的用PVC制成的菲涅尔放大镜，最小的厚度可以 在0.45mm~0.90mr之间，与一般的放大镜不同，它的外表布满了微小的条纹， 在 它旋涡状条纹中包含着许多凸透镜 〔简称圆环状〕，使得穿过它的光线弯曲即产 生衍射现象，从而形成放大的影像菲涅尔透镜的特点是比普通透镜亮度高且外 表平整，辐射面积也大一般普通凹凸透镜它的 直径很有限，而菲涅尔在放大镜这块领域上起了 很好的作用，达到了一般普通。