菲涅尔透镜的原理与应用

菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔（Augustin.Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。

其工作原理：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度，透镜的厚度也会变薄。如下图所示。

透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球差。

菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料压注而成，也可以用玻璃制作，透镜一面为光面，另一面为有小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉、衍射以及结合相对灵敏度、接收角度要求来设计的。

菲涅尔透镜的主要用途：

1）菲涅尔放大镜，

菲涅尔放大镜可以做到超薄，最小厚度可以在0.45-0.90mm之间，与普通放大镜不同，它的表面布满了微小的细纹，每个环带都相当于一个独立的折射面，十字剖面像许多小棱镜，这些环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点。

因为菲涅尔透镜非常薄，故由于吸收而损失的光能非常少。

其缺点是畸变比较大，图像失真严重。

2）LED准直

菲涅尔透镜能够较好地将点光源校准为平行光源。

在实际应用中，多用于LED光源的准直。

3）太阳能聚光

菲涅尔透镜最常见的应用之一是收集太阳光，通常认为太阳光是非常接近平行的（无限共轭系统）。菲涅尔透镜的光线收集特性非常适用于将光线集中到光伏电池或加热表面。

在太阳能电池中，菲涅尔透镜是聚光太阳能系统（CPV）的重要组成部分，

4）被动红外探测器（PIR）

菲涅尔透镜将探测区域分为若干个明区和暗区，使进入到探测区域的移动物体能以温度变化的形式在被动红外探测器（PIR）上产生变化的热释红外信号。

被动红外探测器（PIR）的工作原理及特性：

人体有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10um左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。人体发射的10um左右的红外线通过菲涅尔透镜增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

菲涅尔透镜根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场。

红外菲涅尔透镜容易成型，乳白色塑料，在8-14um范围内最少吸收损失，可以做到一致的尺寸、大孔径和最小的膨胀系数。

5）投影仪

菲涅尔透镜用在投影系统的优势是通过将光线聚焦或者准直从而增加显示亮度。