什么是菲涅爾透鏡?它是怎么來的？
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(jù)光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設計的，其原理特點在于它將光線集中在一處形成中心焦點，通過每個凹槽（可視為獨立的小透鏡）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
在航海時期，燈塔作為港口重要的信標，其光學特性對航行安全至關重要。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。當時的法國物理學家奧古斯汀·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)個獨立的截面安裝在一個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。在此基礎上，著名的法國物理學家奧古斯汀·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(jù)光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來制定的，每個同心圓凹槽都可以看作一個獨立的小透鏡，它們共同工作，將光線集中一處，形成中心焦點，最終發(fā)明出了菲涅爾透鏡。
根據(jù)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（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，這極大地增強了燈塔的導航效果。
二、發(fā)展與推廣
得利于大航海時期蘇格蘭物理學家大衛(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）安裝了第一個菲涅爾透鏡。這個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、技術影響
菲涅爾透鏡的發(fā)明不僅改進了燈塔的光學特性，而且為后續(xù)的光學研究提供了新的方向。它的設計理念和制作技術對于后續(xù)的光學透鏡制作和應用產(chǎn)生了深遠的影響。
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四、菲涅爾透鏡的劃分
從光學設計上來劃分：
正菲涅爾透鏡：光線從一側進入，經(jīng)過菲涅爾透鏡在另一側出來聚焦成一點或以平行光射出。這類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（如太陽能用聚光聚熱用菲涅爾透鏡）。
負菲涅爾透鏡：焦點和光線在同一側，通常在其表面進行涂層，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，且在很多時候相當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精度要求不甚高的場合，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原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，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現(xiàn)“隱身”效果，通過特殊設計的負折射率材料，使光線彎曲繞過物體，從而讓物體看起來消失。
六、應用領域
投影顯示：菲涅爾透鏡在投影系統(tǒng)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(diào)整為平行光，顯著提高顯示面板四周亮度，消除太陽斑效應，從而提高整體顯示亮度均勻性。
聚光聚能：在太陽能聚光聚熱領域，菲涅爾透鏡是聚光太陽能系統(tǒng)（CPV）中重要的光學部件之一。應用菲涅爾透鏡能夠將太陽光聚焦到入光面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：在航海領域，大型航標燈專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(tǒng)中也有應用，如激光檢測系統(tǒng)等。透鏡與水平面成45°±5°夾角，如果兩同波長的光線平行穿過透鏡，就能夠聚焦在直徑2mm光斑上。
其他領域：菲涅爾透鏡還應用于裸眼3D顯示、智能汽車抬頭顯示、VR等諸多領域。作為激光顯示光學屏的核心，它能夠吸收環(huán)境光，達到最優(yōu)顯示。