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(jù)光的干涉及擾射以及相對(duì)靈敏度和接收角度要求來設(shè)計(jì)的，其原理特點(diǎn)在于它將光線集中在一處形成中心焦點(diǎn)，通過每個(gè)凹槽（可視為獨(dú)立的小透鏡）將光線調(diào)整成平行光或聚光。

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一、發(fā)明背景與過程

在航海時(shí)期，燈塔作為港口重要的信標(biāo)，其光學(xué)特性對(duì)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(dá)到12至20公里，這限制了其在更遠(yuǎn)距離的指引作用。當(dāng)時(shí)的法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀·菲涅爾便基于這種環(huán)境下設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)初衷是用于建立一個(gè)玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng)，即燈塔透鏡。在此之前，布封伯爵提出的“將數(shù)個(gè)獨(dú)立的截面安裝在一個(gè)框架上來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研磨出這樣的透鏡。在此基礎(chǔ)上，著名的法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀·菲涅爾結(jié)合先人的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(jù)光的干涉及擾射以及相對(duì)靈敏度和接收角度要求來制定的，每個(gè)同心圓凹槽都可以看作一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，它們共同工作，將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，最終發(fā)明出了菲涅爾透鏡。

根據(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。通過這枚透鏡發(fā)射的光線，人們可以在20英里（32千米）以外看到，這極大地增強(qiáng)了燈塔的導(dǎo)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(wèi)·布儒斯特爵士發(fā)明的萬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(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡得到大力的推廣和應(yīng)用。

1823年，吉倫特海口的哥杜昂燈塔（Phare 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(xù)的光學(xué)研究提供了新的方向。它的設(shè)計(jì)理念和制作技術(shù)對(duì)于后續(xù)的光學(xué)透鏡制作和應(yīng)用產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

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四、菲涅爾透鏡的劃分

從光學(xué)設(shè)計(jì)上來劃分：

正菲涅爾透鏡：光線從一側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過菲涅爾透鏡在另一側(cè)出來聚焦成一點(diǎn)或以平行光射出。這類透鏡通常設(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）。

負(fù)菲涅爾透鏡：焦點(diǎn)和光線在同一側(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(cè)距離遠(yuǎn)等特性，它能夠消除部分球形像差，且在很多時(shí)候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，但成本更低。

菲涅爾透鏡被廣泛用于對(duì)精度要求不甚高的場(chǎng)合，例如幻燈機(jī)、薄膜放大鏡以及紅外探測(cè)器等。在紅外探測(cè)器中，菲涅爾透鏡利用特殊光學(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)”，從而提高探測(cè)接收靈敏度。不僅如此，菲涅爾透鏡還能用于實(shí)現(xiàn)“隱身”效果，通過特殊設(shè)計(jì)的負(fù)折射率材料，使光線彎曲繞過物體，從而讓物體看起來消失。

六、應(yīng)用領(lǐng)域

投影顯示：菲涅爾透鏡在投影系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，如菲涅爾投影電視、背投菲涅爾屏幕、高射投影儀、準(zhǔn)直器等。它能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的束光源調(diào)整為平行光，顯著提高顯示面板四周亮度，消除太陽(yáng)斑效應(yīng)，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(tǒng)（CPV）中重要的光學(xué)部件之一。應(yīng)用菲涅爾透鏡能夠?qū)⑻?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(tǒng)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(biāo)燈專用菲涅爾透鏡配合海上燈塔光源而特別設(shè)計(jì)，其焦距短，透光率高，能夠在氣象能見度10海里的條件下，燈光射程可達(dá)30海里。

科技研究：菲涅爾透鏡在科研系統(tǒng)中也有應(yīng)用，如激光檢測(cè)系統(tǒng)等。透鏡與水平面成45°±5°夾角，如果兩同波長(zhǎng)的光線平行穿過透鏡，就能夠聚焦在直徑2mm光斑上。

其他領(lǐng)域：菲涅爾透鏡還應(yīng)用于裸眼3D顯示、智能汽車抬頭顯示、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(dá)到最優(yōu)顯示。