什么是菲涅爾透鏡?它是怎么來(lái)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(lái)設計的，其原理特點(diǎn)在于它將光線(xiàn)集中在一處形成中心焦點(diǎn)，通過(guò)每個(gè)凹槽（可視為獨立的小透鏡）將光線(xiàn)調整成平行光或聚光。
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一、發(fā)明背景與過(guò)程
在航海時(shí)期，燈塔作為港口重要的信標，其光學(xué)特性對航行安全至關(guān)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(shí)的法國物理學(xué)家?jiàn)W古斯汀·菲涅爾便基于這種環(huán)境下設計發(fā)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。
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菲涅爾透鏡的設計初衷是用于建立一個(gè)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(gè)獨立的截面安裝在一個(gè)框架上來(lái)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(lái)研磨出這樣的透鏡。在此基礎上，著(zhù)名的法國物理學(xué)家?jiàn)W古斯汀·菲涅爾結合先人的經(jīng)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(lái)制定的，每個(gè)同心圓凹槽都可以看作一個(gè)獨立的小透鏡，它們共同工作，將光線(xiàn)集中一處，形成中心焦點(diǎn)，最終發(fā)明出了菲涅爾透鏡。
根據史密森學(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。通過(guò)這枚透鏡發(fā)射的光線(xiàn)，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(fā)展與推廣
得利于大航海時(shí)期蘇格蘭物理學(xué)家大衛·布儒斯特爵士發(fā)明的萬(wàn)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(gè)菲涅爾透鏡。這個(gè)透鏡使得燈塔的光束能夠照射到32公里外（即20英里），顯著(zhù)提高了燈塔的指引效果。
三、技術(shù)影響
菲涅爾透鏡的發(fā)明不僅改進(jìn)了燈塔的光學(xué)特性，而且為后續的光學(xué)研究提供了新的方向。它的設計理念和制作技術(shù)對于后續的光學(xué)透鏡制作和應用產(chǎn)生了深遠的影響。
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四、菲涅爾透鏡的劃分
從光學(xué)設計上來(lái)劃分：
正菲涅爾透鏡：光線(xiàn)從一側進(jìn)入，經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡在另一側出來(lái)聚焦成一點(diǎn)或以平行光射出。這類(lèi)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(yáng)能用聚光聚熱用菲涅爾透鏡）。
負菲涅爾透鏡：焦點(diǎn)和光線(xiàn)在同一側，通常在其表面進(jìn)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(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
五、菲涅爾透鏡特性
優(yōu)質(zhì)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(shí)候相當于紅外線(xiàn)及可見(jiàn)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(chǎng)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(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個(gè)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(shí)現“隱身”效果，通過(guò)特殊設計的負折射率材料，使光線(xiàn)彎曲繞過(guò)物體，從而讓物體看起來(lái)消失。
六、應用領(lǐng)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(fā)出的束光源調整為平行光，顯著(zhù)提高顯示面板四周亮度，消除太陽(yáng)斑效應，從而提高整體顯示亮度均勻性。
聚光聚能：在太陽(yáng)能聚光聚熱領(lǐng)域，菲涅爾透鏡是聚光太陽(yáng)能系統（CPV）中重要的光學(xué)部件之一。應用菲涅爾透鏡能夠將太陽(yáng)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(fā)電效率提高30%以上。
航空航海：在航海領(lǐng)域，大型航標燈專(zhuān)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(jiàn)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(cháng)的光線(xiàn)平行穿過(guò)透鏡，就能夠聚焦在直徑2mm光斑上。
其他領(lǐng)域：菲涅爾透鏡還應用于裸眼3D顯示、智能汽車(chē)抬頭顯示、VR等諸多領(lǐng)域。作為激光顯示光學(xué)屏的核心，它能夠吸收環(huán)境光，達到最優(yōu)顯示。