菲涅爾透鏡的故事

2021-02-19 靜水流深光學

學習格言：

It is not your aptitude but your attitude that determines your altitude!

菲涅爾透鏡的故事

       菲涅爾透鏡是由法國物理學家奧古斯汀.菲涅爾（Augustin.Fresnel)發明的，他在1822年最初使用這種透鏡設計用於建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統——燈塔透鏡。

       通過將數個獨立的截面安裝在一個框架上從而製作出更輕更薄的透鏡，這一想法常被認為是由布封伯爵提出的。孔多塞(1743-1794)提議用單片薄玻璃來研磨出這樣的透鏡。而法國物理學家兼工程師菲涅耳亦對這種透鏡在燈塔上的應用寄予厚望。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上；透過它發射的光線可以在20英裡（32千米）以外看到。蘇格蘭物理學家大衛·布儒斯特爵士被看作是促使英國在燈塔中使用這種透鏡的推動者。

      透鏡連續表面部分「坍陷」到一個平面上。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。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。

       使用普通的凸透鏡，會出現邊角變暗、模糊的現象，這是因為光的折射只發生在介質的交界面，凸透鏡片較厚，光在玻璃中直線傳播的部分會使得光線衰減。如果可以去掉直線傳播的部分，只保留發生折射的曲面，便能省下大量材料同時達到相同的聚光效果。菲涅耳透鏡就是採用這種原理的。菲涅爾透鏡看上去像一片有無數多個同心圓紋路（即菲涅耳帶)的玻璃，卻能達到凸透鏡的效果，如果投射光源是平行光，匯聚投射後能夠保持圖像各處亮度的一致。

      菲涅爾透鏡是一種應用十分廣泛的光學元件，其設計和製造設計到多個技術領域，包括光學工程,高分子材料工程，CNC機械加工，金剛石車削工藝，鍍鎳工藝；模壓、注塑、澆鑄等製造工藝。菲涅爾透鏡應用於多個領域，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，準直器；

聚光聚能：太陽能菲涅爾透鏡，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：雷射檢測系統等；

紅外探測：無源移動探測器；

照明光學：汽車頭燈，交通標誌，光學著陸系統。

智能家居：安防系統探測器等

      我航母靠啥實現艦載機著艦艦載機降落被稱為「在刀尖上跳舞」。前不久，十九大代表、中船重工704所專業科科長李媛透露，她所在的團隊研發的一套被稱為「阿拉神燈」的特種裝置，實現了我國航母上首次艦載機著艦成功。

       所謂『阿拉神燈』可能是『菲涅爾』透鏡光學助降系統。用於近距離助降。在電子著艦系統的引導下，艦載機在距離航母2公裡左右時，就會進入光學助降系統工作範圍的窗口，飛行員在其發出光束的導引下，沿著特定的下滑角著艦。上世紀60年代，英國發明了「菲涅爾」透鏡光學助降系統，安放在航母飛行甲板中部靠左舷的一個穩定平臺上，以保證透鏡發出的光束不受航母搖擺的影響。


         


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相關焦點

  • 菲涅爾透鏡的原理及應用
    菲涅爾透鏡的在很多時候相當於紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。菲涅爾透鏡可按照光學設計或結構進行分類。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用；二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號。
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    這篇文章總結了OpticStudio序列模式和非序列模式中，理想菲涅爾透鏡和真實菲涅爾透鏡的模型。
  • 如何模擬複雜的菲涅爾透鏡
    這篇文章介紹了如何模擬每個菲涅爾環都由不同數據定義的複雜菲涅爾透鏡。這種方法也可以用於定義複雜物體。菲涅爾透鏡比等效的普通球面透鏡質量更輕，佔用的體積更小,且可被用於燈塔投影、背投電視以及太陽能聚光器等多種應用設備中。絕大多數菲涅爾透鏡都可以使用非序列模式物體類型中的菲涅爾1 (Fresnel 1) 來進行建模。
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    另一個性質是材料的角度與光線照射到它的角度之間的比率，也就是說光線的彎曲取決於1）它來自何處以及透鏡的形狀，2）進入和離開透鏡所需的時間，或更確切地說是透鏡的厚度，以及3）光的波長（顏色）。菲涅爾透鏡相對較薄，並不是一個光滑的形狀，具有一系列刻在其中的同心環，根據光線所碰到的透鏡的哪一部分來不同地彎曲光線。如果設計得正確，這可以幫助克服僅使用單個鏡頭（或者在HMD以及一對鏡頭的情況下）遇到的像差。因此，你不需要像相機那樣需要一堆的鏡頭。然而，再一次不幸的是，這並不能解決所有問題。
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  • 科普:凸透鏡
    凸透鏡分為雙凸、平凸和凹凸（或正彎月形）等形式，凸透鏡有會聚光線的作用故又稱會聚透鏡，較厚的凸透鏡則有望遠、會聚等作用，這與透鏡的厚度有關。遠視眼鏡是凸透鏡。一、原理凸透鏡擁有放大作用。凸透鏡二倍焦距分大小，一倍焦距分實虛正倒。
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  • 物理 | 凸透鏡成像的規律
    3、凸透鏡成實像都是倒立的，虛像都是正立的。4、物體離焦點越近，像離焦點越遠，且像越大。   凸透鏡成像公式,即透鏡成像公式、高斯成像公式，其形式為1/f=1/u+1/v。其中f為焦距，凸正凹負；u為物距；v為像距，實正虛負。凸透鏡的成像規律是1/u+1/v=1/f（即：物距的倒數與像距的倒數之和等於焦距的倒數。）一共有兩種推導方法 。
  • 光學球面凸透鏡與非球面透鏡的關係及成像原理/晶亮光電
    光學材料（透鏡）對於不同單色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同波長愈短折射率愈大，波長愈長折射率愈小（這也是不同望遠鏡所謂的色差不同的原因），同一薄透鏡對不同單色光，每一種單色光都有不同的焦距，按色光的波長由短到長，它們的像點離開透鏡由近到遠地排列在光軸上（不同的單色光的波長是不同的）這樣成像就產生了所謂位置色差。
  • 老花鏡和放大鏡都是同一種透鏡嗎?
    凸透鏡有匯聚作用故又稱匯聚透鏡, 將平行光線（如陽光）平行於主光軸（凸透鏡兩個球面的球心的連線）射入凸透鏡，經過凸透鏡折射後將集中在軸上的一點，稱為凸透鏡的焦點（記號為F），凸透鏡在鏡的兩側各有一焦點，對於較薄的凸透鏡這兩焦點至透鏡中心（光心）的距離大致相等，稱為凸透鏡的焦距，凸透鏡球面半徑越小，焦距越短。