菲涅耳透镜的理论及优点

菲涅耳透镜由一系列蚀刻在塑料中的同心凹槽组成。它们轻薄的结构、小尺寸和大尺寸的可用性以及出色的聚光能力使它们在各种应用中都非常有用。菲涅耳透镜最常用于聚光应用，例如聚光系统或发射器/检测器设置。它们还可用作照明系统中的放大镜或投影透镜，以及图像配方。

菲涅耳（发音为 fray-NEL）透镜用一系列同心凹槽代替了传统光学透镜的曲面。这些轮廓充当单独的折射表面，将平行光线弯曲到共同的焦距。因此，菲涅耳透镜虽然外形较窄，但能够像传统光学透镜一样聚焦光线，但与较厚的透镜相比，它有几个优点。

菲涅耳透镜理论

菲涅耳透镜概念背后的驱动原理是光在介质中的传播方向不会改变（除非发生散射）。相反，光线仅在介质表面发生偏离。因此，透镜中心的大部分材料只会增加系统内的重量和吸收量。

要采取这种物理特性的优势，物理学家开始创造什么是今天所谓的实验菲涅尔透镜. 当时，在一块玻璃上切割凹槽以形成弯曲轮廓的圆环。这种弯曲轮廓在挤压时形成了传统的弯曲透镜——球面或非球面。由于这种与传统光学透镜相似的光学特性，菲涅耳透镜可以提供稍微更好的聚焦性能，具体取决于应用。此外，高凹槽密度可实现更高质量的图像，而低凹槽密度可产生更好的效率（如聚光应用所需）。然而，需要注意的是，当需要高精度成像时，传统的单合透镜、双合透镜或非球面光学透镜仍然是最佳选择。

制造菲涅耳透镜

第一个菲涅尔透镜是通过手工繁琐的研磨和抛光玻璃制成的。最后，熔融玻璃倒入模具中，但它只具有光学品质的塑料和注塑成型技术，在许多工业和商业应用中使用的菲涅耳透镜变得实际。

菲涅耳透镜可以由多种基材制成。它们由丙烯酸到聚碳酸酯再到乙烯基制成，具体取决于所需的操作波长。丙烯酸是最常见的基材，因为它在可见光和紫外线 (UV) 区域具有高透射率，但聚碳酸酯因其抗冲击和耐高温性而成为恶劣环境中的首选基材。

应用实例

虽然法国物理学家 Augustin-Jean Fresnel (1788 - 1827) 不是第一个将菲涅耳透镜概念化的人，但他能够通过将其集成到灯塔中来普及它。从那时起，菲涅耳透镜被用于各种应用，从光准直和光收集到放大。

光准直

菲涅耳透镜可以通过将点光源放置在距光源一个焦距的地方轻松校准点光源。在有限共轭系统中，菲涅耳透镜的凹槽侧应面向较长的共轭，因为这会产生最佳性能。

光系列

菲涅耳透镜最常见的应用之一是收集太阳光，这被认为是非常接近平行的（无限共轭系统）。使用菲涅耳透镜进行光收集是将光聚集到光伏电池或加热表面的理想选择。例如，菲涅耳透镜可用于流行的家庭维护，例如加热家庭或游泳池！在这些情况下，透镜的总表面积决定了收集的光量。

放大

菲涅耳透镜的另一个常见应用是放大。可用作放大镜或投影镜头；但是，由于失真度很高，因此不建议这样做。此外，考虑到失真量，图像质量无法与更高精度系统的图像质量相比。

虽然在太阳能应用中很常见，但菲涅尔透镜是任何需要廉价、薄、轻的正透镜元件的应用的理想选择。菲涅尔透镜并不是新技术，但随着制造技术和材料的改进，它们的普及程度有所提高。菲涅尔透镜是真正独特的光学透镜，使其成为一系列有趣和有趣的光学设计的绝佳工具。