作者：GCNASH

菲涅尔透镜的应用越来越广泛，智麦通（ID:智麦通）帮大家捋清思路，让大家对菲涅尔透镜有更全面的了解。

菲涅尔透镜介绍

菲涅尔透镜基本原理

1882年法国物理学家Augustin Jean Fresnel根据光学成像中光学表面曲率决定成像特这一原理，提出在光学透镜的设计中可以保持其表面曲率不变，但在加工的过程中减少其表面的厚度，这样设计的透镜依然能对光线起到汇聚作用，能将入射到其表面的光线聚焦到焦点处。

菲涅尔透镜是在平凸透镜（或非球面透镜）基础之上演变而来，其实质上就是将原透镜中对透镜曲率变化无影响的部分挖除，只保留那些能够起有效折射作用的部分，其形成过程如图1所示。

图1 菲涅尔透镜形成示意图

菲涅尔透镜采用同心圆环结构，每个环带保留原来透镜的曲率特，聚焦能不变，如图2所示。与传统透镜相比，菲涅尔透镜的聚焦能没有改变，由于去除了部分材料，其体积更小、重量更轻，可以制作较大的口径。考虑到实际加工，透镜各环带的曲面轮廓可以用平面替代，由于透镜环距比较小，对透镜聚焦能影响不大。这些环形锥面从透镜中心一直延伸至透镜边缘，锥面的倾斜角从中心向外逐渐增大，以适应原透镜表面的曲率变化。

图2 菲涅尔透镜与其等效的平凸透镜截面图

早期菲涅尔透镜主要均是由玻璃制作而成，采用传统的研磨抛光技术进行加工，可以获得较高的光学质量，但是价格昂贵，利用金属模具热压玻璃进行加工，成本降低，但由于玻璃具有很大的表面应力，致使菲涅尔透镜的部分细节丢失，这在一定程度上限制了菲涅尔透镜的广泛应用。上世纪50年代，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料开始流行，其质量轻、透明度高、质稳定，并且具有与玻璃十分接近的光学特。1951年，Miller等人制作了第一块高质量的塑料材质菲涅尔透镜，自此之后，PMMA材料取代玻璃成为菲涅尔透镜制作的主流材料。伴随着新型模塑技术、数控车床技术的发展，菲涅尔透镜的质量不断提高，应用日益广泛。

图3 菲涅尔透镜聚光示意

图4 菲涅尔透镜演化原理

菲涅尔透镜分类

菲涅尔透镜形状多样，可按照不同标准对其进行分类。根据其外形结构不同可以分为曲面菲涅尔透镜和平面菲涅尔透镜，如图5（a）（b）所示。按其对入射光线的聚焦方式不同可分为点聚焦菲涅尔透镜和线聚焦菲涅尔透镜，如图5（b）（c）所示。

图5 不同类型菲涅尔透镜

曲面菲涅尔透镜聚光效率高，但是加工较为复杂，由于其基面为曲面，所占空间较大，增加了系统安装调试难度。与之相比，平面菲涅尔聚光器聚光效率稍低，但是其易于加工，体积小，安装调试简单，因而在太阳能聚光领域得到广泛应用。

从聚光倍数来看，可分为低倍、中倍、高倍、超高倍聚光器。目前，业界没有具体的、统一的标准来划分聚光器聚光倍数界限，常见的分类方式是：低倍聚光系统（LCPV）2-10倍，中倍聚光系统（MCPV）10-300倍，高倍聚光系统（HCPV）300-1000倍，超高倍聚光系统（UHCPV）大于1000倍。

菲涅尔透镜光路分析

当前广泛使用的菲涅耳透镜普遍使用轴上点消球差的方法设计。如图6所示，左边是一个经过消球差设计的菲涅耳透镜（为清楚起见，齿形有相当程度的夸大），平行光经过透镜以后，会聚到同一点；右边的非球面平凸透镜具有相同的功能，但是与菲涅耳透镜相比更厚，需要更多的材料。与传统的光学玻璃透镜相比，菲涅耳透镜具有重量轻，材料来源丰富，成本低，制作方便，口径大，厚度薄等特点。

图6 消球差的菲涅尔透镜和消球差的非球面透镜

当前菲涅耳透镜与传统透镜相比成像质量较差，尤其是对轴外点成像；当透镜相对口径较大时，这种缺点更为明显。菲涅耳透镜成像质量差主要有以下几个原因：

一般设计菲涅耳透镜时只能保证通过工作面上一点的光线会聚到焦点F。如图7（a）所示，平行光从A点入射，出射后会聚到点F，则从B，C两点入射的光线势必不能与主光轴相交与点F，会产生球差，透镜的齿距越大，球差越大。缩小透镜的齿距可以减轻这个问题，由于齿距不可能无限制的缩小，所以这个问题只能尽量减轻，不可能完全消除；如果透镜的齿距较宽，把工作面设计成曲面可以解决这个问题，即把图7（a）中的直线BC改为弧形，使射到弧BC上的所有水平平行光都能会聚到点F，但是齿距较宽的菲涅耳透镜一般厚度较大而且厚薄不均匀，应用场合受限制。

图7（a） 光路示意图

图7（b） 单齿工作面挡光示意图

非工作面上的光线损失。在非工作面上损失的光线有两种：从非工作面入射的光线，图7（a）中从D点入射的光线；以及从工作面入射以后被折射到非工作面上的光线，如图7（b）中入射位置较低的光线，光线经过非工作面以后不能到达F点，而且出射的方向未知，会对整体成像产生干扰。所以，非工作面的面积越小越好。但是非工作面无法消除，只能尽量减小。减小透镜的齿距，可以减小非工作面与工作面的面积之比，提高光线的利用率。

图2-5（b）中表现了平行光垂直入射时菲涅耳透镜的一个齿上与基面垂直的非工作面挡光的情况（其中n为折射率、α为工作面角度，i为入射角、r为出射角、h为齿深、k为齿距、t为光线不能通过的区域的高度），当光线入射位置高于图中光线时，就可以从透镜的另一面出射，会聚于透镜的焦点处；如果光线入射位置低于图中的光线，会被非工作面阻挡。把光线能通过的高度与齿距之比（k-t）/k叫做这个齿上的通光比，记为η，根据图中所示的几何关系可推出：

可以看出，越靠近边缘的齿上通光比越小，又因为越靠近边缘，齿深越大，所以可以得出结论：齿深越浅，通光比越大，光线利用率越高。

菲涅尔透镜的应用

菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹。通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用。传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵，菲涅尔透镜可以极大的降低成本。

典型的例子就是PIR（被动红外线探测器）。PIR广泛的用在警报器上，每个PIR上都有个塑料的小帽，此即菲涅尔透镜。小帽的内部都刻上了齿纹，这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（红外线辐射的峰值）。在PIR上菲涅尔透镜主要有以下两个作用：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。其利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的"盲区"和"高灵敏区"，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，发出的红外线就不断地交替从"盲区"进入"高灵敏区"，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。由于菲涅尔透镜的主要是将探测空间的红外线有效地集中到传感器上。通过分布在镜片上的同心圆的窄带（视窗）用来实现红外线的聚集，相当于凸透镜的作用，这部分选择主要是看透镜窄带的设计及透镜材质。考虑透镜的参数主要有：光通量、不同透镜同心度、厚度不均匀、透镜光轴与外形同心度、透过率、焦距误差等。菲涅尔透镜窄带（视窗）的设计一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少，一是因为下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。材质一般用有机玻璃。

另一个典型例子是相机的对焦屏。现在的相机对焦屏都是磨砂毛玻璃菲涅尔透镜，其优点是明亮和亮度均匀。对焦不准时，在对焦屏上的成像是不清晰的。为了配合更精确地对焦，一般在对焦屏装有裂像和微棱环装置。当对焦不准时，被摄体在对焦屏的像是分裂成两个图像，当两个分裂的图像合二为一时，表明对焦准确了。AF单反机的标准对焦屏一般不设有裂像装置，而是刻有一个小矩形框来表示AF区域，有些对菲涅尔透镜焦屏上还刻有局部测光或点测光区域。早期AF单反机在光线较暗环境中对焦时，往往很难看见对焦框，就难以判断相机是以哪一点来作为对焦点，新一代单反机对焦屏上的对焦点会发光，或者有对焦声音提示，便于在复杂环境中确认对焦。不同类型的对焦屏有不同的用途、拍摄人像可能用如裂像对焦屏更好，带横竖线或刻度的对焦屏适用于建筑物摄影和文件翻拍；中间部分没有裂像而只有微棱的对焦屏适用于小光圈镜头，它不会有裂像一边亮一边黑的缺点。不少单反相机焦屏可由用户自己更换。又称螺纹透镜。

由于菲涅尔透镜由有机玻璃制成,不能用任何有机溶液(如酒精等)擦拭，除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗,再用脱脂棉擦拭。

菲涅尔透镜是透镜的一个分支，由于它同其他的透镜相比，具有体积小，重量轻，结构紧凑的优点，同时它拥有不逊于其它透镜的良好聚光和成像能，因此在国防、航空、空间、工业生产和民用等各个领域获得广泛的应用。

比较常用的是以下几个方面的应用：

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。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。

图8 菲涅尔透镜在投影中的应用

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。

科研系统用菲涅尔透镜

科研系统中也经常用到菲涅尔透镜，透镜与水平面成45±5°夹角。如果两道不同波长的光线平行穿过透镜，就能够聚焦在直径2mm光斑上；它也可以用于视景系统模拟与仿真。

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；其焦距短，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。

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。菲涅尔放大镜，是一个超薄的放大镜。用透明有机玻璃（当然也可以用更多的材料）制成的。用PVC制成的菲涅尔放大镜，最小的厚度可以在0.45mm~0.90mm之间，与一般的放大镜不同，它的表面布满了微小的条纹，在它旋涡状条纹中包含着许多凸透镜（简称圆环状），使得穿过它的光线弯曲即产生衍射现象，从而形成放大的影像。菲涅尔透镜的特点是比普通透镜亮度高且表面平整，辐射面积也大。一般普通凹凸透镜它的直径很有限，而菲涅尔在放大镜这块领域上起了很好的作用，达到了一般普通透镜所不能达到的效果。而且现在做出来的菲涅尔放大镜厚度只有0.45mm，便携带，其实主要作用就是减轻传统放大镜制造出的普通有机玻璃、玻璃放大镜的重量和体积。

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。

菲涅尔透镜加工及厂家概述

菲涅尔透镜加工制造工艺包括CNC机械加工，金刚石车削工艺，镀镍工艺；模压、注塑、浇铸等工艺。

国内的生产厂家有山东宇影光学仪器，可生产菲涅尔透镜最大口径2.2m。最小环距0.01mm。同时可以生产菲涅尔反射镜。

同时成都菲斯特科技生产的菲涅尔透镜也很专业。可生产小尺寸菲涅尔透镜（0-φ200mm），中型菲涅尔透镜 φ200mm-φ600mm；大型菲涅尔透镜（φ600mm-φ1000mm）；超大型菲涅尔透镜（φ1000mm以上）。供多种材料多种形式的产品选择：光学级亚克力有机玻璃PMMA、PC；玻璃基硅树脂复合材料SOG；各种规格形状，如圆形、方形、长方形、以及多透镜阵列。菲涅尔模具加工服务可提供：铝合金、铜、镍磷合金、电铸镍等材料模芯，适合后期注塑、热压、浇铸等成型方式。

深圳光波光能科技是一家专业研发生产光学透镜，光栅薄膜的高新技术公司。可生产圆菲涅尔透镜，线菲涅尔透镜，以及菲涅尔模具。

深圳美英科技是一家专业的菲涅尔透镜，LED透镜供应商。

运营人员：吴佳哲

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