菲涅尔透镜的发展1800 年至今

在参观 19 世纪建造的灯塔时，您可能会注意到灯周围有一个奇怪的蜂巢状玻璃笼子。这就是菲涅尔透镜，最初由奥古斯丁-菲涅尔*设计。当时，灯塔开始使用透镜来延长光束的距离。然而，他们面临着传统透镜的一个问题，那就是透镜很重，会损失很多光线。菲涅尔意识到可以去掉大量的散装玻璃，于是设计出了具有同心阶梯环和平背的奇特透镜。这种新设计可以使光线准直，减少损失。如今，这种透镜应用广泛，从自行车灯到放大镜都有。在本文中，我们将了解它们的工作原理和使用方法。

灯塔使用的一阶菲涅尔透镜示例，陈列在旧金山海事博物馆。国家公园管理局提供

传统透镜回顾
传统的聚光透镜至少由一个凸面组成。这个凸面通常具有球面弧度，但也会使用其他形状。例如，抛物面透镜的像差较小，但价格昂贵得多。其他镜片形状包括圆锥形和圆柱形。此外，透镜的排列方式也会影响透镜的聚焦方式。例如，有两个凸面的镜片会产生发散镜片，焦点位于镜片后方。另一方面，配光眼镜通常采用半月形镜片，即一边凸一边凹。在所有情况下，每个表面的曲率都可能不同。这些参数都会影响镜片的焦距和放大率。

透镜的关键因素是其制造材料的折射率。这是构成透镜的材料的属性。例如，空气的折射率为 1（实际上略大于 1，但为了简单起见通常四舍五入），玻璃的折射率为 1.52。在空气中传播的光束入射到玻璃表面时，会发生折射。

利用斯涅尔定律，您可以根据材料的折射率和入射角度计算出光线的弯曲程度。如果表面是弯曲的，比如透镜，那么入射光线的折射量将取决于入射点与光轴的距离。入射到凸面上的平行光线会向光轴弯曲，并汇聚到焦点处。


传统透镜与菲涅尔透镜的对比示意图。材料科学杂志》提供
 

菲涅尔透镜有什么不同？ 
从灯塔上观察菲涅尔透镜时，你会注意到两个截然不同的部分。第一部分是围绕透镜中心的一组矩形片。这就是典型的菲涅尔透镜的样子，也是菲涅尔透镜的主要部分。与传统透镜不同的是，菲涅尔透镜的表面被分割成环状，从侧面看就像锯齿一样。从上图可以看出这一点。

蜂巢状结构的顶部和底部经过精心设计，可以反射原本会流失的光线。这些面板的两侧都有阶梯状边缘，而不仅仅是外表面，并且采用了全内反射技术，当光线以临界角或临界角以上的角度照射到表面时，就会产生全内反射。反射板凹槽的角度就是根据这个临界角专门设计的。光源发出的光线入射角较小，因此能被棱镜捕捉到。

菲涅尔透镜视图 由《内部科学》提供

中央光源向各个方向辐射光线，距离透镜非常近，尤其是与透射光束传播的千米长度尺度相比。因此，透镜需要具有较短的焦距，这样光线才能聚焦成准直光束。选择合适的焦距对于确保光线达到最大范围非常重要。

因此，菲涅尔创建了一个 6 序系统，详细列出了每个组件的尺寸、焦距、每个序的使用位置，甚至中央光源的灯芯数量。这份清单后来又增加了一些更大和更小的透镜。第一阶，也是最初最大的菲涅尔透镜的焦距为 92 厘米，能见度约为 35 千米。在另一端，六阶菲涅尔透镜的焦距为 15 厘米，能见度为 8 千米。

七阶菲涅尔透镜示意图菲涅尔透镜的大小差异。由 CHSD 提供。

菲涅尔透镜只能用于灯塔吗？
虽然菲涅尔透镜最初是为灯塔设计的，但在任何需要集中光束的地方，菲涅尔透镜都很有用。如今，许多自行车车灯都使用菲涅尔透镜来提高骑车人和周围车辆的能见度。塑料菲涅尔透镜可在阅读时提供额外的放大效果，但通常会出现变形，尤其是靠近边缘的部分。可在此处找到菲涅尔透镜的购买示例。

随着人们对替代能源的需求，太阳能正受到广泛关注。太阳能的主要缺点之一是许多太阳能电池效率低下。它们无法充分利用进入大气层的太阳能。菲涅尔透镜通过在太阳能电池表面聚光，提供了一种解决方案。

由于许多应用都集中在可见光波长范围内，它们可以用塑料制成，从而进一步降低成本和重量。这最初是通过模具实现的，但如今已有许多在材料表面制造结构的技术。之所以能做到这一点，是因为许多塑料对可见光是透明的。不过，紫外线或红外线波长的透镜需要用不同的材料制成。

菲涅尔透镜的缺点
虽然菲涅尔透镜在准直明亮的中心光源时效果非常好，但也可用于聚焦进入的准直光。不过，透镜的位置必须精确，以尽量减少发生的像差。最显著的两种像差是球差和色差。在这两种情况下，都可以通过多透镜系统来解决像差问题，即光线通过一个以上的透镜，而透镜的曲率、焦距和材料属性都可以专门选择。

当透镜边缘的光线与中心附近的光线聚焦位置不同时，就会产生球差。这是由透镜的形状造成的，透镜通常具有球面弧度。改变透镜形状，使其具有抛物线曲率，可以纠正像差，但成本要高得多。更经济有效的方法是增大透镜的曲率半径，使边缘和中心的光线聚焦到同一点。但这会增加镜头的焦距。

另一方面，色差是由于不同波长的光线以不同角度折射造成的。色差的程度由镜头的特性决定。在使用多色光源（如白炽灯）时，尤其需要考虑这一点。在这种情况下，光源由整个可见光光谱组成，红色波长与蓝色波长的折射角度不同。色差更难校正，因为色差源于透镜材料的自然属性。不过，菲涅尔透镜的大多数应用都不需要这一步骤，因此色差是可以预期和容忍的。 

除了球差和色差，菲涅尔透镜还存在图像失真的问题。这意味着光线通过菲涅尔透镜后看到的图像并不是原始物体的完美复制品。当使用菲涅尔透镜放大文字时，字母和单词可能会更难分辨，尤其是在放大倍数较高的情况下。这一特性限制了菲涅尔透镜作为放大工具的有效性。当然，这对灯塔等明亮的白光没有影响。