菲尼尔透镜

1.1 什么是菲涅尔透镜

菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔（Augustin.Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。

菲涅尔透镜(Fresnel Lense)是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心园组成。

1.2 基本原理

其工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。

另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。如下图：

从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。

二、菲涅尔透镜分类2.1 从光学设计上来划分：

1.1 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。焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭。

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。

2.2 负菲涅尔透镜 ：

和正焦菲涅尔透镜刚好相反，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。

2. 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，

菲涅尔光束分离器和菲涅尔棱镜。

菲涅尔透镜应用领域：

1 采用聚焦功能用于太阳能电池，组成聚光太阳能电池组，提高光电转换效率，降低使用成本，大量节约能源。

2 采用光学成像功能，用于教育投影仪，多媒体投影机，背投式电视，大屏幕投影仪，家庭影院等。

3 采用普通放大成像功能，适用于超薄型放大镜，超薄型书签，高档名片等。

菲涅尔透镜的应用菲涅尔透镜应用于多个领域，包括：

l 投影显示：菲涅尔投影电视，背投菲涅尔屏幕，高射投影仪，准直器；

l 聚光聚能：太阳能用菲涅尔透镜，摄影用菲涅尔聚光灯，菲涅尔放大镜；

l 航空航海：灯塔用菲涅尔透镜，菲涅尔飞行模拟；

l 科技研究：激光检测系统等；

l 红外探测：无源移动探测器；

l 照明光学：汽车头灯，交通标志，光学着陆系统。

菲涅尔透镜的经典应用

1、投影显示：

菲涅尔透镜被证明最佳应用就是在投影系统中，其作用就是准直光线和聚焦光线。菲涅尔透镜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，消除了太阳斑效应，从而提高整体显示亮度均匀性。通常菲涅尔透镜与其他显示元件（如柱面镜）一起使用。

菲涅尔透镜应用在投影系统中的优势就是，通过聚焦或调整光线准直从而增加增体显示亮度，如果取消准直镜，光线在穿过面板时会大量损失，显示中会出现明显的热斑效应，降低显示屏幕四周亮度。同样，在LCD屏幕的另一面，我们也必须将光线从面板上集中到投影透镜中。

2、 太阳能菲涅尔透镜:

在光学系统中，应用菲涅尔透镜的作用就是将光线从相对较大的区域面积转换成相当小的面积上，这种透镜也被称做集光器或聚光器。

在太阳聚光领域，菲涅尔透镜是聚光太阳能系统（CPV)中重要的光学部件之一。太阳菲涅尔透镜聚光镜就是，透镜的焦点刚好落在太阳能芯片上。当透镜面垂直接面向太阳时，光线将会被聚焦在电池片上，汇聚了更多的能量，因而需要较小的电池片面积，大大节约了成本。

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，满足太阳能聚光发电（CPV)和聚热系统（TPV)中高能量高温需求。

典型的太阳能菲涅尔透镜就是将齿型朝向电池片，这和之前谈到的准直应用中齿型朝向长共轭方向刚好相反。齿型朝内的另外潜在好处的减少太阳辐射对干扰角的冲击，也能够避免结构面里堆积灰尘和沙砾。

这种类型菲涅尔透镜通常看作是非成像透镜，因为穿过透镜的有效区域焦距是固定的。其主要的作用是最大限度增加太阳辐射到电池片上，用于转化成电力，因而无须考虑降低图象球面误差。

3、科技研究

科研系统用菲涅尔透镜

透镜与水平面成45±5º夹角；

有两道不同波长的光线平行穿过透镜；

聚焦在直径2mm光斑；

也可以用于视景系统模拟与仿真

菲涅尔透镜的其他应用1、航海照明

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；

焦距短，透光率高；光线发散角小；

在气象能见度10海里的条件下，灯光射程可达30海里。

2、菲涅尔放大镜

放大镜是菲涅尔透镜最简单的应用案例。通常来说，一个放大镜是正焦透镜，形成虚拟正立图象。

3、 照明光学——菲涅尔透镜准直器

通常，菲涅尔透镜是球型表面形状切割而成，为了最大限度降低成像时图象光学象差。透镜能够较好地将理想的点光源校准成平行光源。

在现实生活中，没有光源是真正的点光源，然而固体态发光器如LED就非常小，因此只要透镜和LED之间的距离适当，就可以当成点光源。因此菲涅尔透镜能够校准LED输出光线为平行光。

而传统的白炽光源产生大量辐射热量，从而限制了塑料光学材料在非常接近光源处的应用。由于LED产生的大部分热是可传导的，就可以比较容易应用塑料光学透镜。

当需要将LED发光体的束光源校准为更宽广的角度范围时候，最常见的做法就是使用反射镜与菲涅尔透镜相结合从而减少光学部件使用量。

总结：菲涅尔透镜是一种应用十分广泛的光学元件，其设计和制造设计到多个技术领域，包括光学工程,高分子材料工程，CNC机械加工，金刚石车削工艺，镀镍工艺；模压、注塑、浇铸等制造工艺。国内拥有设计及制造能力的公司不多，成都菲斯特科技有限公司从1999年开始致力于菲涅尔透镜的研究，开发和生产，拥有先进的大型单点金刚石超精密模具加工设备和多种生产手段，擅长大型、高精密菲涅尔透镜的设计、开发和生产，同时是成都光电显示工程技术中心的依托单位。