菲涅耳透鏡的優點

理論 | 製造 | 應用

菲涅耳透鏡由蝕刻在塑膠中的一系列同心凹槽組成。憑藉超薄輕巧的結構、大小可選的尺寸以及卓越的聚光能力，適用於各種應用。 菲涅耳透鏡 通常用於聚光應用，例如聚光鏡系統或發射/檢測設備。也可用作照明系統的放大鏡或投影透鏡，以及影像生成。

菲涅耳（稱為 fray-NEL）透鏡用一系列同心凹槽代替傳統光學透鏡的曲面。這些輪廓作為單獨的折射表面，將平行光線彎曲至共同焦距內（圖 1）。因此，菲涅耳透鏡雖然在外形輪廓較窄，但能夠聚光，這與傳統光學透鏡相似，但比起較厚的傳統光學透鏡有較多優勢。

圖 1：菲涅耳透鏡的輪廓

菲涅耳透鏡的原理

菲涅耳透鏡的工作原理是光傳播的方向在介質中不會改變（散射光除外）。相反，光線只在介質的表面偏移。因此，透鏡中心的大部分材料只會增加系統內的重量和光線吸收。

利用這一物理特性，18世紀的物理學家們開始嘗試發明這種新型透鏡，也就是現在的菲涅耳透鏡。 當時，為了製造曲面輪廓的環形，在一塊玻璃中切出凹槽。擠壓這個曲面輪廓時，會產生傳統、彎曲的透鏡，要麼是球面透鏡，要麼是非球面透鏡（圖 2）。憑藉與傳統光學透鏡類似的光學特性，菲涅耳透鏡可以提供更好的聚焦性能，具體情況取決於應用場景。此外，高密度凹紋可改善成像品質，低密度凹紋可提升效率（符合聚光應用需求）。然而，需要注意的是，需要高精度的成像時，傳統的單片透鏡、雙合透鏡或非球面光學透鏡仍然是最佳選擇。

圖 2：平凸透鏡 （PCX）和菲涅耳透鏡的側面輪廓比較

製作菲涅耳透鏡

第一個菲涅耳透鏡是手工研磨並拋光玻璃製成。最終發展成為將熔融玻璃倒入模具製作，但只有當 20 世紀出現了光學級塑膠和注塑技術後，在工業和商業應用中使用菲涅耳透鏡才變得更普遍。

可以使用各種各樣的基片製造出菲涅耳透鏡。 可使用丙烯酸到聚碳酸酯再到乙烯基等材料製成，具體材料取決於操作所需波長。丙烯酸是最常見的基材，因其在可見光和紫外線（UV）區域的透光率很高，而聚碳酸酯由於耐衝擊且耐高溫，成為適用於惡劣環境的理想基片。

應用圖例

雖然法國物理學家 Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) 並不是第一個定義菲涅耳透鏡概念之人， 但他是將其集成到燈塔中進行推廣之人。自此以後，菲涅耳透鏡就被廣泛用於光準直和收光到放大影像等各種各樣的應用中。

光準直

菲涅耳透鏡透過將點光源放在距離透鏡一個焦距的位置，進而輕鬆地準直點光源。在有限共軛系統中，菲涅耳透鏡的溝槽面應面對較長的共軛（圖 3-4），這樣可產生最佳性能。

圖 3：使用菲涅耳透鏡對點光源進行光準直

光線收集

菲涅耳透鏡最常見的應用之一是收集太陽光，通常認為太陽光是非常接近平行的光（無限共軛系統）。菲涅耳透鏡的光線收集特性非常適用於將光線集中到光伏電池或加熱表面。例如，可將菲涅耳透鏡用於家庭的日常維護，如提高室內溫度或加熱游泳池！在這些情況下，透鏡的整體表面積決定收集到的光量。

圖 4：菲涅耳透鏡的準直光源的光集合

放大倍率

菲涅耳透鏡的另一個常見應用是放大倍率。可以用作放大鏡或投影透鏡，但由於影像高度失真，故不作推薦。此外，考慮到失真程度，其影像質量無法與更高精密系統的影像質量相比。

儘管普遍應用於太陽能應用， 但菲涅耳透鏡 對於任何需要廉價、輕薄、輕量的正透鏡的應用來說都是理想之選。菲涅耳透鏡並不是新技術，但隨著製造技術和材料的改進，其普及性也得到極大改善。菲涅耳透鏡是真正獨特的光學透鏡，因此是適用於有趣光學設計的絕佳工具。