什么是菲涅爾透鏡?它是怎么來的？

菲涅爾透鏡是一種螺紋透鏡，由聚烯烴材料注壓而成，也可用玻璃制作，一面為光面，另外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，其原理特點在于它將光線集中在一處形成中心焦點，通過每個凹槽（可視為獨立的小透鏡）將光線調整成平行光或聚光。

（圖源網絡，侵刪）

一、發明背景與過程

在航海時期，燈塔作為港口重要的信標，其光學特性對航行安全至關重要。早期燈塔的光束輻射距離有限，只能達到12至20公里，這限制了其在更遠距離的指引作用。當時的法國物理學家奧古斯汀·菲涅爾便基于這種環境下設計發明最早的用于航海燈塔的透鏡，以提高燈塔光的亮度和射程。

（圖源網絡，侵刪）

菲涅爾透鏡的設計初衷是用于建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統，即燈塔透鏡。在此之前，布封伯爵提出的“將數個獨立的截面安裝在一個框架上來制作更輕更薄的透鏡”的想法，而孔多塞（1743-1794）則提議用單片薄玻璃來研磨出這樣的透鏡。在此基礎上，著名的法國物理學家奧古斯汀·菲涅爾結合先人的經驗，設計出一種全新的透鏡，這種透鏡鏡片表面一面為光面，另一面則刻錄了由小到大的同心圓紋理，這些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制定的，每個同心圓凹槽都可以看作一個獨立的小透鏡，它們共同工作，將光線集中一處，形成中心焦點，最終發明出了菲涅爾透鏡。

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。通過這枚透鏡發射的光線，人們可以在20英里（32千米）以外看到，這極大地增強了燈塔的導航效果。

 二、發展與推廣

得利于大航海時期蘇格蘭物理學家大衛·布儒斯特爵士發明的萬花筒和改良了用于攝影的立體鏡和燈塔照明燈。使得燈塔照明與基于燈塔設計的菲涅爾透鏡得到大力的推廣和應用。

1823年，吉倫特?？诘母缍虐簾羲≒hare de Cordouan）安裝了第一個菲涅爾透鏡。這個透鏡使得燈塔的光束能夠照射到32公里外（即20英里），顯著提高了燈塔的指引效果。

三、技術影響

菲涅爾透鏡的發明不僅改進了燈塔的光學特性，而且為后續的光學研究提供了新的方向。它的設計理念和制作技術對于后續的光學透鏡制作和應用產生了深遠的影響。

（圖源網絡，侵刪）

四、菲涅爾透鏡的劃分

從光學設計上來劃分：

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。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）。

負菲涅爾透鏡：焦點和光線在同一側，通常在其表面進行涂層，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

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

五、菲涅爾透鏡特性

優質的菲涅爾透鏡必須表面光潔、紋理清晰，厚度一般在1mm左右，具有面積大、厚度薄、偵測距離遠等特性，它能夠消除部分球形像差，且在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，但成本更低。

菲涅爾透鏡被廣泛用于對精度要求不甚高的場合，例如幻燈機、薄膜放大鏡以及紅外探測器等。在紅外探測器中，菲涅爾透鏡利用特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，從而提高探測接收靈敏度。不僅如此，菲涅爾透鏡還能用于實現“隱身”效果，通過特殊設計的負折射率材料，使光線彎曲繞過物體，從而讓物體看起來消失。

六、應用領域

投影顯示：菲涅爾透鏡在投影系統中被廣泛應用，如菲涅爾投影電視、背投菲涅爾屏幕、高射投影儀、準直器等。它能夠將光源發出的束光源調整為平行光，顯著提高顯示面板四周亮度，消除太陽斑效應，從而提高整體顯示亮度均勻性。

聚光聚能：在太陽能聚光聚熱領域，菲涅爾透鏡是聚光太陽能系統（CPV）中重要的光學部件之一。應用菲涅爾透鏡能夠將太陽光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面（高性能電池片）上，比傳統平板光伏（FPV）發電效率提高30%以上。

航空航海：在航海領域，大型航標燈專用菲涅爾透鏡配合海上燈塔光源而特別設計，其焦距短，透光率高，能夠在氣象能見度10海里的條件下，燈光射程可達30海里。

科技研究：菲涅爾透鏡在科研系統中也有應用，如激光檢測系統等。透鏡與水平面成45°±5°夾角，如果兩同波長的光線平行穿過透鏡，就能夠聚焦在直徑2mm光斑上。

其他領域：菲涅爾透鏡還應用于裸眼3D顯示、智能汽車抬頭顯示、VR等諸多領域。作為激光顯示光學屏的核心，它能夠吸收環境光，達到最優顯示。