菲涅爾透鏡（Fresnel lens）又稱(chēng)為螺紋透鏡，是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡紋理根據(jù)光的干涉及擾射以及相對(duì)靈敏度和接收角度要求設(shè)計(jì)，多用于對(duì)精度要求不是很高的場(chǎng)合，如幻燈機(jī)、薄膜放大鏡、紅外探測(cè)器等。菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通 - 反射或者折射的作用。菲涅爾透鏡是平面化的聚光鏡，重量輕，價(jià)格比較低，也有點(diǎn)聚焦和線(xiàn)聚焦之分，一般由有機(jī)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(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)。

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(jù)光的干涉及擾射以及相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的。透鏡的要求很高。一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在1mm左右，特性為面積大、厚度薄及偵測(cè)距離遠(yuǎn)。

菲涅爾透鏡在很多時(shí)候相當(dāng)于紅外線(xiàn)及可見(jiàn)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(duì)精度要求不是很高的場(chǎng)合，如幻燈機(jī)、薄膜放大鏡、紅外探測(cè)器等。

使用普通的凸透鏡，會(huì)出現(xiàn)邊角變暗、模糊的現(xiàn)象，這是因?yàn)楣獾恼凵渲话l(fā)生在介質(zhì)的交界面，凸透鏡片較厚，光在玻璃中直線(xiàn)傳播的部分會(huì)使得光線(xiàn)衰減。如果可以去掉直線(xiàn)傳播的部分，只保留發(fā)生折射的曲面，便能省下大量材料同時(shí)達(dá)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(wú)數(shù)多個(gè)同心圓紋路（即菲涅耳帶的玻璃，卻能達(dá)到凸透鏡的效果，如果投射光源是平行光，匯聚投射后能夠保持圖像各處亮度的一致。

作用

菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測(cè)接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線(xiàn)就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而強(qiáng)其能量幅度。

菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。

菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通 - 反射或者折射的作用。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)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(bào)器上。如果你拿一個(gè)看看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右（人體紅外線(xiàn)輻射的峰值）。

菲涅耳透鏡可以把透過(guò)窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在硅光電二級(jí)探測(cè)器的光敏面上，菲涅爾透鏡不能用任何有機(jī)溶液 - 如酒精等擦拭，除塵時(shí)可先用蒸餾水或普通凈水沖洗，再用脫脂棉擦拭。

現(xiàn)在的相機(jī)對(duì)焦屏都是磨砂毛玻璃菲涅爾透鏡，其優(yōu)點(diǎn)是明亮和亮度均勻。對(duì)焦不準(zhǔn)時(shí)，在對(duì)焦屏上的成像是不清晰的。為了配合更精確地對(duì)焦，一般在對(duì)焦屏中央裝有裂像和微棱環(huán)裝置。當(dāng)對(duì)焦不準(zhǔn)時(shí)，被攝體在對(duì)焦屏中央的像是分裂成兩個(gè)圖像，當(dāng)兩個(gè)分裂的圖像合二為一時(shí)，表明對(duì)焦準(zhǔn)確了。

AF單反機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焦屏一般不設(shè)有裂像裝置，而是刻有一個(gè)小矩形框來(lái)表示AF區(qū)域，有些對(duì)焦屏上還刻有局部測(cè)光或點(diǎn)測(cè)光區(qū)域。早期AF單反機(jī)在光線(xiàn)較暗環(huán)境中對(duì)焦時(shí)，往往很難看見(jiàn)對(duì)焦框，就難以判斷相機(jī)是以哪一點(diǎn)來(lái)作為對(duì)焦點(diǎn)，新一代單反機(jī)對(duì)焦屏上的對(duì)焦點(diǎn)會(huì)發(fā)光，或者有對(duì)焦聲音提示，便于在復(fù)雜環(huán)境中確認(rèn)對(duì)焦。不同類(lèi)型的對(duì)焦屏有不同的用途、拍攝人像可能用如裂像對(duì)焦屏更好，帶橫豎線(xiàn)或刻度的對(duì)焦屏適用于建筑物攝影和文件翻拍；中間部分沒(méi)有裂像而只有微棱的對(duì)焦屏適用于小光圈鏡頭，它不會(huì)有裂像一邊亮一邊黑的缺點(diǎn)。不少單反相機(jī)焦屏可由用戶(hù)自己更換。又稱(chēng)螺紋透鏡。

基本原理

什么是菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡是由法國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯汀.菲涅爾（Augustin.Fresnel發(fā)明的，他在1822年最初使用這種透鏡設(shè)計(jì)用于建立一個(gè)玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng)——燈塔透鏡。

菲涅爾透鏡 - Fresnel Lens是一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，從正面看其象一個(gè)飛鏢盤(pán)，由一環(huán)一環(huán)的同心圓組成。

基本原理

其工作原理十分簡(jiǎn)單：假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。

另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個(gè)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(xiàn)。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線(xiàn)集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線(xiàn)調(diào)整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。

分類(lèi)

設(shè)計(jì)上來(lái)劃分

1.1正菲涅爾透鏡：

光線(xiàn)從一側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡在另一側(cè)出來(lái)聚焦成一點(diǎn)或以平行光射出。焦點(diǎn)在光線(xiàn)的另一側(cè)，并且是有限共軛。

這類(lèi)透鏡通常設(shè)計(jì)為準(zhǔn)直鏡（如投影用菲涅爾透鏡，放大鏡）以及聚光鏡（如太陽(yáng)能用聚光聚熱用菲涅爾透鏡。

2.2負(fù)菲涅爾透鏡：

和正焦菲涅爾透鏡剛好相反，焦點(diǎn)和光線(xiàn)在同一側(cè)，通常在其表面進(jìn)行涂層，作為第一反射面使用。

從結(jié)構(gòu)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(xiàn)性菲涅爾透鏡，

衍射菲涅爾透鏡，

菲涅爾反射透鏡，

菲涅爾光束分離器和菲涅爾棱鏡。

歷史

通過(guò)將數(shù)個(gè)獨(dú)立的截面安裝在一個(gè)框架上從而制作出更輕更薄的透鏡，這一想法常被認(rèn)為是由布封伯爵提出的。孔多塞 - 1743-1794提議用單片薄玻璃來(lái)研磨出這樣的透鏡。而法國(guó)物理學(xué)家兼工程師菲涅耳亦對(duì)這種透鏡在燈塔上的應(yīng)用寄予厚望。根據(jù)史密森學(xué)會(huì)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(guò)它發(fā)射的光線(xiàn)可以在20英里（32千米）以外看到。蘇格蘭物理學(xué)家大衛(wèi)·布儒斯特爵士被看作是促使英國(guó)在燈塔中使用這種透鏡的推動(dòng)者。

發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際上有人研制大型菲涅爾透鏡，試圖用于制作太陽(yáng)能聚光集熱器。菲涅爾透鏡是平面化的聚光鏡，重量輕，價(jià)格比較低，也有點(diǎn)聚焦和線(xiàn)聚焦之分，一般由有機(jī)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(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)。

我國(guó)從70年代直至90年代，對(duì)用于太陽(yáng)能裝置的菲涅爾透鏡開(kāi)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(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡，結(jié)果都不大理想。近來(lái)，有人采用模壓方法加工線(xiàn)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(shè)計(jì)的新型太陽(yáng)能聚光器，雖然尚未獲得實(shí)際應(yīng)用，但具有一定啟發(fā)性。

一種是光導(dǎo)纖維聚光器，它由光導(dǎo)纖維透鏡和與之相連的光導(dǎo)纖維組成，陽(yáng)光通過(guò)光纖透鏡聚焦后由光纖傳至使 用處。另一種是熒光聚光器，它實(shí)際上是一種添加熒光色素的透明板（一般為有機(jī)玻璃），可吸收太陽(yáng)光中與熒光吸收帶波長(zhǎng)一致的部分，然后以比吸收帶波長(zhǎng)更長(zhǎng)的發(fā)射帶波長(zhǎng)放出熒光。放出的熒光由于板和周?chē)橘|(zhì)的差異，而在板內(nèi)以全反射的方式導(dǎo)向平板的邊緣面，其聚光比取決于平板面積和邊緣面積之比，很容易 達(dá)到10一100，這種平板對(duì)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(yáng)。

相關(guān)

AF單反機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焦屏一般不設(shè)有裂像裝置，而是刻有一個(gè)小矩形框來(lái)表示AF區(qū)域，有些對(duì)焦屏上還刻有局部測(cè)光或點(diǎn)測(cè)光區(qū)域。早期AF單反機(jī)在光線(xiàn)較暗環(huán)境中對(duì)焦時(shí)，往往很難看見(jiàn)對(duì)焦框，就難以判斷相機(jī)是以哪一點(diǎn)來(lái)作為對(duì)焦點(diǎn)，新一代單反機(jī)對(duì)焦屏上的對(duì)焦點(diǎn)會(huì)發(fā)光，或者有對(duì)焦聲音提示，便于在復(fù)雜環(huán)境中確認(rèn)對(duì)焦。不同類(lèi)型的對(duì)焦屏有不同的用途、拍攝人像可能用如裂像對(duì)焦屏更好，帶橫豎線(xiàn)或刻度的對(duì)焦屏適用于建筑物攝影和文件翻拍；中間部分沒(méi)有裂像而只有微棱的對(duì)焦屏適用于小光圈鏡頭，它不會(huì)有裂像一邊亮一邊黑的缺點(diǎn)。不少高級(jí)相機(jī)焦屏可由用戶(hù)自己更換。

應(yīng)用

菲涅爾透鏡應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括：

投影顯示：菲涅爾投影電視，背投菲涅爾屏幕，高射投影儀，準(zhǔn)直器；

聚光聚能：太陽(yáng)能用菲涅爾透鏡，攝影用菲涅爾聚光燈，菲涅爾放大鏡；

航空航海：燈塔用菲涅爾透鏡，菲涅爾飛行模擬；

科技研究：激光檢測(cè)系統(tǒng)等；

紅外探測(cè)：無(wú)源移動(dòng)探測(cè)器；

照明光學(xué)：汽車(chē)頭燈，交通標(biāo)志，光學(xué)著陸系統(tǒng)。

智能家居：安防系統(tǒng)探測(cè)器等

總結(jié)

菲涅爾透鏡是一種應(yīng)用十分廣泛的光學(xué)元件，其設(shè)計(jì)和制造設(shè)計(jì)到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括光學(xué)工程,高分子材料工程，CNC機(jī)械加工，金剛石車(chē)削工藝，鍍鎳工藝；模壓、注塑、澆鑄等制造工藝。