菲涅尔透镜的典型应用

菲涅尔透镜（Fresnel lenses）作为一种光学元件，是传统透镜的一种延伸。由于菲涅尔透镜同其他的透镜相比，具有体积小，重量轻，结构紧凑的优点。同时菲涅尔透镜拥有不逊于其它透镜的良好聚光性和成像性能，菲涅尔技术公司（Fresnel Technologies）的菲涅尔透镜的典型应用包含准直器、收集器、近红外、太阳能等。

今天的现代计算机控制的加工方法可以用来精确地切割菲涅尔透镜每个锥体的表面，以使所有近轴光线精确地聚焦在同一点，避免球面像差。更好的是，可以使用更新的方法将菲涅尔透镜每个折射表面切割成正确的非球面轮廓(而不是该轮廓的圆锥近似)，从而避免甚至凹槽的宽度(通常为0.1至1 mm)限制焦点的锐度。即使每个凹槽或小平面将光精确地聚焦，菲涅耳透镜的不连续表面对波前的破坏也会降低可见图像的质量。除了在某些情况下，菲涅耳透镜通常不推荐用于光谱的可见光区域的成像应用。菲涅尔透镜的典型应用如下：

菲涅尔透镜准直器：

从点光源产生准直光束可以说是菲涅尔透镜的完美应用在这种情况下，来自点光源的光的空间分布倾向于透镜的中央部分，因此透镜的总透射率可高达90%。当沟槽面朝向较长的共轭面时，可获得最佳光学效果在实践中，点光源实际上并不是一个点光源，而是一个延伸的点光源，因此，人们永远不会注意到锥形近似非球面凹槽形状的不完美之处。图1显示了准直过程中通常会遇到的三种情况: 仅透镜、仅反射镜和透镜/反射镜组合。请注意，在纯镜面情况下添加透镜会产生极差的结果。反射镜必须经过特殊设计，才能在非常靠近光源的地方成像。

图1：产生准直光束的三种典型配置：仅透镜、仅反射镜、以及透镜和反射镜的组合。

菲涅尔透镜收集器：

将准直光束聚焦在一个点上是菲涅尔透镜的另一个常用用途，菲涅尔透镜至少可以满足这一用途。同样，朝向无限共轭的凹槽面是光学上的首选配置。由于假定准直光束是均匀的，因此在这种情况下，通过透镜的边缘光线会有很大的损耗。这种损耗是由于入射角和出射角在接近透镜边缘时不断增大造成的。这可以通过菲涅尔方程来预测，该方程描述了光在不同折射率介质界面上的反射和透射。反射造成的损耗与入射光线和（平面）界面之间角度的函数关系如图2所示。

图2：反射损耗与入射角的函数关系。所示角度为入射光线与表面法线之间的角度。图中显示的是非偏振光的损耗，是通过对平行于入射角和垂直于入射角的偏振光的损耗进行非相干平均而得到的。

在要求苛刻的应用中，必须考虑两个额外的损失。其一是由于凹槽之间不可避免的垂直台阶宽度造成的。在制作精良的菲涅尔透镜中，这种损耗通常很小，但台阶散射的光线会使焦平面变亮，从而降低图像的对比度。另一种损耗是由于垂直台阶造成的阴影和遮挡效应。与光轴平行的光线撞击 "镜片 "上的凹槽时不会产生这种损耗，但在所有其他情况下都会产生这种损耗。对于与光轴成较大角度（20° 或更大）的光线来说，这可能是最大的损失。此外，被遮挡的光线还可能增加焦平面的整体亮度。

在评估这些损失时，必须详细考虑透镜的几何形状及其与焦平面和射入光线的关系。Fresneltech公司在解决此类问题方面拥有丰富的经验。

菲涅尔透镜聚光镜：

这种应用通常需要一个为有限共轭物设计的透镜。尽管它在光学上的要求通常很低，为焦距和无穷远的共轭物设计的镜头也可以使用。焦距和无穷远的共轭透镜也能胜任。它要求在投影镜头内聚焦光源。典型的例子包括：高射投影机镜头和幻灯机的聚光器。灯通常有大灯丝，投影透镜也很大。有时，为了使灯丝结构在投影图像中不那么明显，聚光镜甚至会磨砂。

光学设计人员有时可能需要使用 "快 "得不切实际的聚光透镜，即其直径大于焦距的两倍（<f/0.5）。在这种情况下，可以将两个菲涅尔透镜配对在一起，形成一个双透镜元件，其焦距等于配对使用的两个焦距的几何平均值。这对透镜必须分别校正其焦距和无限远的共轭，而无限远的共轭在有凹槽的一侧。必须格外小心，以确保透镜具有完全相同的沟槽密度，并且相互之间中心对正，否则摩尔纹会降低组合透镜的功能。成对的菲涅尔透镜对于有限共轭始终是正确的，而共轭仅仅是单个透镜的焦距。焦距不必相等，因此很容易实现 1:1 以外的共轭比。但是，配对透镜不可能正确地获得焦距和无穷远的共轭；这就要求其中一个 "透镜 "只是一个平面薄片。

菲涅尔屏幕“增亮器”：

菲涅尔透镜可用于将磨砂背投显示屏边缘的光线转向观众的眼睛，从而通过增亮显示屏边缘来消除此类屏幕中经常出现的 "热点"。这类屏幕包括相机对焦屏幕。在这种应用中，凹槽必须朝向光源；因此，凹槽通常必须朝向较短的共轭物，这是通常规则的一个例外。场透镜的共轭面应该是开槽面与投影仪镜头的距离，而磨砂面与观看者的距离。菲涅尔科技公司可以提供合适的平光侧光学抛光或磨砂透镜。

菲涅尔透镜成像：

Fresneltech公司一般不建议将其菲涅尔透镜用于可见光区域的图像形成，但也有一些重要的例外情况。成像通常需要一定的视场，否则图像就会失去趣味。使用简单的平凸透镜时，彗差仅会使图像在轴线外下降一度左右。色差也会使图像模糊。与照相机或复印机镜头一样，镜头速度越快（f 值越小），问题就越严重--菲涅尔镜头的小 f 值非常诱人。重要的例外包括两种情况：射线精确地平行于镜头轴线（例如激光测距仪）和成像到大型探测器上（例如热释电探测器或热电探测器）。成像可被视为收集的一般化。

菲涅尔透镜太阳能收集：

菲涅尔透镜经常被用作太阳能设备中光伏电池或电池阵列的聚光器。尽管反射器和非成像聚光器通常更胜一筹。但是，菲涅尔科技公司并不生产在典型光伏电池区域内能量分布均匀的菲涅尔透镜；Fresneltech公司的产品在焦平面上都有一个破坏性的 "热点"。因此，不推荐将产品用于这种应用；菲涅尔技术公司也不生产用于太阳能设备的反射镜或非成像集热器。用于太阳能设备的反射镜或非成像集热器。请在阳光下谨慎使用Fresnel Technologies的菲涅尔透镜。太阳的影像很容易迅速点燃易燃材料、并可能损坏不易燃的材料。这些注意事项尤其适用于衣服、皮肤和眼睛。这些注意事项尤其适用于在阳光和激光照射下的衣物、皮肤和眼睛。