什么是菲涅尔透镜?它是怎么来的？

菲涅尔透镜是一种螺纹透镜，由聚烯烃材料注压而成，也可用玻璃制作，一面为光面，另外一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的，其原理特点在于它将光线集中在一处形成中心焦点，通过每个凹槽（可视为独立的小透镜）将光线调整成平行光或聚光。

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一、发明背景与过程

在航海时期，灯塔作为港口重要的信标，其光学特性对航行安全至关重要。早期灯塔的光束辐射距离有限，只能达到12至20公里，这限制了其在更远距离的指引作用。当时的法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔便基于这种环境下设计发明最早的用于航海灯塔的透镜，以提高灯塔光的亮度和射程。

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菲涅尔透镜的设计初衷是用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统，即灯塔透镜。在此之前，布封伯爵提出的“将数个独立的截面安装在一个框架上来制作更轻更薄的透镜”的想法，而孔多塞（1743-1794）则提议用单片薄玻璃来研磨出这样的透镜。在此基础上，著名的法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔结合先人的经验，设计出一种全新的透镜，这种透镜镜片表面一面为光面，另一面则刻录了由小到大的同心圆纹理，这些纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来制定的，每个同心圆凹槽都可以看作一个独立的小透镜，它们共同工作，将光线集中一处，形成中心焦点，最终发明出了菲涅尔透镜。

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）上。通过这枚透镜发射的光线，人们可以在20英里（32千米）以外看到，这极大地增强了灯塔的导航效果。

 二、发展与推广

得利于大航海时期苏格兰物理学家大卫·布儒斯特爵士发明的万花筒和改良了用于摄影的立体镜和灯塔照明灯。使得灯塔照明与基于灯塔设计的菲涅尔透镜得到大力的推广和应用。

1823年，吉伦特海口的哥杜昂灯塔（Phare de Cordouan）安装了第一个菲涅尔透镜。这个透镜使得灯塔的光束能够照射到32公里外（即20英里），显著提高了灯塔的指引效果。

三、技术影响

菲涅尔透镜的发明不仅改进了灯塔的光学特性，而且为后续的光学研究提供了新的方向。它的设计理念和制作技术对于后续的光学透镜制作和应用产生了深远的影响。

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四、菲涅尔透镜的划分

从光学设计上来划分：

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。这类透镜通常设计为准直镜（如投影用菲涅尔透镜、放大镜）以及聚光镜（如太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜）。

负菲涅尔透镜：焦点和光线在同一侧，通常在其表面进行涂层，作为第一反射面使用。

从结构上划分：

圆形菲涅尔透镜

菲涅尔透镜阵列

柱状菲涅尔透镜

线性菲涅尔透镜

衍射菲涅尔透镜

菲涅尔反射透镜

菲涅尔光束分离器

五、菲涅尔透镜特性

优质的菲涅尔透镜必须表面光洁、纹理清晰，厚度一般在1mm左右，具有面积大、厚度薄、侦测距离远等特性，它能够消除部分球形像差，且在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，但成本更低。

菲涅尔透镜被广泛用于对精度要求不甚高的场合，例如幻灯机、薄膜放大镜以及红外探测器等。在红外探测器中，菲涅尔透镜利用特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，从而提高探测接收灵敏度。不仅如此，菲涅尔透镜还能用于实现“隐身”效果，通过特殊设计的负折射率材料，使光线弯曲绕过物体，从而让物体看起来消失。

六、应用领域

投影显示：菲涅尔透镜在投影系统中被广泛应用，如菲涅尔投影电视、背投菲涅尔屏幕、高射投影仪、准直器等。它能够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，消除太阳斑效应，从而提高整体显示亮度均匀性。

聚光聚能：在太阳能聚光聚热领域，菲涅尔透镜是聚光太阳能系统（CPV）中重要的光学部件之一。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。

航空航海：在航海领域，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，能够在气象能见度10海里的条件下，灯光射程可达30海里。

科技研究：菲涅尔透镜在科研系统中也有应用，如激光检测系统等。透镜与水平面成45°±5°夹角，如果两同波长的光线平行穿过透镜，就能够聚焦在直径2mm光斑上。

其他领域：菲涅尔透镜还应用于裸眼3D显示、智能汽车抬头显示、VR等诸多领域。作为激光显示光学屏的核心，它能够吸收环境光，达到最优显示。