菲涅爾透鏡的原理與應用

 

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。

其工作原理：假設一個透鏡的折射能量僅僅發生在光學表面（如：透鏡表面），拿掉儘可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度，透鏡的厚度也會變薄。如下圖所示。

                         

 

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差。

 

菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料壓注而成，也可以用玻璃製作，透鏡一面為光面，另一面為有小到大的同心圓，它的紋理是利用光的幹涉、衍射以及結合相對靈敏度、接收角度要求來設計的。

 

菲涅爾透鏡的主要用途：

1）菲涅爾放大鏡，

菲涅爾放大鏡可以做到超薄，最小厚度可以在0.45-0.90mm之間，與普通放大鏡不同，它的表面布滿了微小的細紋，每個環帶都相當於一個獨立的折射面，十字剖面像許多小稜鏡，這些環帶都能使入射光線會聚到一個共同的焦點。

因為菲涅爾透鏡非常薄，故由於吸收而損失的光能非常少。

其缺點是畸變比較大，圖像失真嚴重。

 

2）LED準直

菲涅爾透鏡能夠較好地將點光源校準為平行光源。

在實際應用中，多用於LED光源的準直。

 

 

3）太陽能聚光

菲涅爾透鏡最常見的應用之一是收集太陽光，通常認為太陽光是非常接近平行的（無限共軛系統）。菲涅爾透鏡的光線收集特性非常適用於將光線集中到光伏電池或加熱表面。

在太陽能電池中，菲涅爾透鏡是聚光太陽能系統（CPV）的重要組成部分，

 

4）被動紅外探測器（PIR）

菲涅爾透鏡將探測區域分為若干個明區和暗區，使進入到探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在被動紅外探測器（PIR）上產生變化的熱釋紅外信號。

被動紅外探測器（PIR）的工作原理及特性：

人體有恆定的體溫，一般在37度，所以會發出特定波長10um左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10um左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10um左右的紅外線通過菲涅爾透鏡增強後聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常採用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，後續電路經檢測處理後就能產生報警信號。

菲涅爾透鏡根據性能要求不同，具有不同的焦距（感應距離），從而產生不同的監控視場。

紅外菲涅爾透鏡容易成型，乳白色塑料，在8-14um範圍內最少吸收損失，可以做到一致的尺寸、大孔徑和最小的膨脹係數。

5）投影儀

菲涅爾透鏡用在投影系統的優勢是通過將光線聚焦或者準直從而增加顯示亮度。