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菲涅爾透鏡的應(yīng)用
菲涅爾透鏡是透鏡的一個(gè)分支，由于它同其他的透鏡相比，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它擁有不遜于其它透鏡的良好聚光性和成像性能，因此在國(guó)防、航空、空...[查看全部]
菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡的在很多時(shí)候相當(dāng)于凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。
菲涅爾透鏡的基本原理菲涅爾透鏡的工作原理十分簡(jiǎn)單：假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面(如：透鏡表面)，拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個(gè)平面上。如圖：
菲涅爾透鏡塌陷到平面從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。菲涅爾透鏡還能夠消除部分球形像差。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，菲涅爾透鏡一面是平坦的，另一面是凸起的。人們首次使用菲涅爾透鏡是在18世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)它被用在燈塔的探照燈上，聚焦射出來(lái)的光束。當(dāng)人們需要一面又薄又輕的透鏡時(shí)，塑料菲涅爾透鏡便派上了用場(chǎng)。盡管成像質(zhì)量不如玻璃透鏡，但是在很多應(yīng)用中并不需要完美的圖像質(zhì)量。
菲涅爾透鏡背后的基本思想很簡(jiǎn)單。想象一下，取一面塑料放大鏡并將其切成一百個(gè)同心圓環(huán)(就像樹的年輪)薄片。每個(gè)圓環(huán)都比旁邊的圓環(huán)稍微小一點(diǎn)，并將光會(huì)聚到中心?，F(xiàn)在，取出并修改每一個(gè)圓環(huán)，使其一邊平坦并且與其余圓環(huán)等厚。為了保持圓環(huán)向中心會(huì)聚光線的能力，各個(gè)圓環(huán)的斜面的角度將有所不同?，F(xiàn)在，若將所有圓環(huán)堆疊在一起，就可以得到一面菲涅爾透鏡了。當(dāng)然也可以將透鏡做得特別大，大型菲涅爾透鏡經(jīng)常用作太陽(yáng)能聚光器。
菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋。通過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴，菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。
菲涅爾透鏡在PIR上的作用
典型的例子就是PIR(被動(dòng)紅
... 查看全文菲涅爾透鏡是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據(jù)相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度一般在1mm左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測(cè)距離遠(yuǎn)。
什么是菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀.菲涅爾發(fā)明的，他在1822年最初使用這種透鏡設(shè)計(jì)用于建立一個(gè)玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng)——燈塔透鏡。
菲涅爾透鏡是一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，從正面看其象一個(gè)飛鏢盤，由一環(huán)一環(huán)的同心圓組成。
菲涅爾透鏡工作原理十分簡(jiǎn)單:假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面(如:透鏡表面)，拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個(gè)平面上。
從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。
菲涅爾透鏡發(fā)展歷史通過(guò)將數(shù)個(gè)獨(dú)立的截面安裝在一個(gè)框架上從而制作出更輕更薄的透鏡，這一想法常被認(rèn)為是由布封伯爵提出的?？锥嗳?1743-1794)提議用單片薄玻璃來(lái)研磨出這樣的透鏡。而法國(guó)物理學(xué)家兼工程師菲涅耳亦對(duì)這種透鏡在燈塔上的應(yīng)用寄予厚望。根據(jù)史密森學(xué)會(huì)的描述，1823年，第一枚菲涅爾透鏡被用在了吉倫特河口的哥杜昂燈塔上;透過(guò)它發(fā)射的光線可以在20英里(32千米)以外看到。蘇格蘭物理學(xué)家大衛(wèi)布儒斯特爵士被看作是促使英國(guó)在燈塔中使用這種透鏡的推動(dòng)者。
菲涅爾透鏡發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀：
國(guó)際上有人研制大型菲涅爾透鏡，試圖用于制作太陽(yáng)能聚光集熱器。菲涅爾透鏡是平面化的聚光鏡，重量輕，價(jià)格比較低，也有點(diǎn)聚焦和線聚焦之分
... 查看全文菲涅爾透鏡是一種應(yīng)用十分廣泛的光學(xué)元件，其設(shè)計(jì)和制造設(shè)計(jì)到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括光學(xué)工程，高分子材料工程，CNC機(jī)械加工，金剛石車削工藝，鍍鎳工藝;模壓、注塑、澆鑄等制造工藝。
菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)原理1、邊緣光線原理
邊緣光線原理是指在設(shè)計(jì)菲涅爾透鏡的時(shí)候，入射光中的最外邊光線也要入射到接受面的邊緣上，而不是指在最大接收角之內(nèi)的入射光線在接收面上形成一個(gè)清晰的像。
根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡雖然不具有最高的聚光性能，但幾何聚光比上還是具有很大優(yōu)勢(shì)的，因此這一原理在高倍聚光菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)過(guò)程中有著很重要的指導(dǎo)性意義。
2、光線追跡方法
以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)，光線為分析單元的光線追跡方法主要有光學(xué)圖解法和計(jì)算法。幾何光學(xué)中有三條光線傳播定律，即直線傳播定律，獨(dú)立傳播定律，反射定律和折射定律。
根據(jù)直線傳播定律，獨(dú)立傳播定律，反射定律和折射定律，研究人員在研究菲涅爾透鏡聚光系統(tǒng)的性能的時(shí)候可以確定系統(tǒng)中的每條光線走過(guò)的路徑和光線最后的匯聚位置和角度。
光線追跡法主要有兩種不同的形式，即序列光線追跡和非序列光線追跡。序列光線追跡法是講究光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)表面的先后順序，其在分析過(guò)程中是以系統(tǒng)中的每一個(gè)光學(xué)表面作為研究的對(duì)象，根據(jù)光學(xué)表面的先后順序，每次計(jì)算每一個(gè)光學(xué)表面的相關(guān)研究參數(shù)。序列光線追跡的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，可以優(yōu)化和公差分析。
非序列光線追跡法相比于序列光線追跡法最大的不同是不考慮光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)表面的先后順序和在分析的過(guò)程中不以每一個(gè)光學(xué)表面作為研究對(duì)象。菲涅爾透鏡光學(xué)系統(tǒng)中采用非序列光線追跡法進(jìn)行研究的時(shí)候，不用考慮光學(xué)系統(tǒng)中每個(gè)光學(xué)面相互之間先后順序。光學(xué)系統(tǒng)中光源的相關(guān)參數(shù)即光源發(fā)出的每一條光線的初始參數(shù)，每一條光線的具體位置，每一條光線的具體方向等等都是不確定的。
非序列光線追跡需要追跡大量光線來(lái)分析光學(xué)系統(tǒng)的特性，光線追跡是通過(guò)Monte
... 查看全文菲涅爾透鏡是透鏡的一個(gè)分支，由于它同其他的透鏡相比，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它擁有不遜于其它透鏡的良好聚光性和成像性能，因此在國(guó)防、航空、空間、工業(yè)生產(chǎn)和民用等各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
菲涅爾透鏡用于投影顯示菲涅爾透鏡被證明最佳應(yīng)用就是在投影系統(tǒng)中，其作用就是準(zhǔn)直光線和聚焦光線。菲涅爾透鏡將光源發(fā)出的束光源調(diào)整為平行光，顯著提高顯示面板四周亮度，消除了太陽(yáng)斑效應(yīng)，從而提高整體顯示亮度均勻性。通常菲涅爾透鏡與其他顯示元件(如柱面鏡)一起使用。
菲涅爾透鏡應(yīng)用在投影系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)就是，通過(guò)聚焦或調(diào)整光線準(zhǔn)直從而增增體顯示亮度，如果取消準(zhǔn)直鏡，光線在穿過(guò)面板時(shí)會(huì)大量損失，顯示中會(huì)出現(xiàn)明顯的熱斑效應(yīng)，降低顯示屏幕四周亮度。同樣，在LCD屏幕的另一面，我們也必須將光線從面板上集中到投影透鏡中。
在光學(xué)系統(tǒng)中，應(yīng)用菲涅爾透鏡的作用就是將光線從相對(duì)較大的區(qū)域面積轉(zhuǎn)換成相當(dāng)小的面積上，這種透鏡也被稱做集光器或聚光器。
在太陽(yáng)聚光領(lǐng)域，菲涅爾透鏡是聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)(CPV)中重要的光學(xué)部件之一。太陽(yáng)能菲涅爾透鏡聚光鏡就是，透鏡的焦點(diǎn)剛好落在太陽(yáng)能芯片上。當(dāng)透鏡面垂直面向太陽(yáng)時(shí)，光線將會(huì)被聚焦在電池片上，匯聚了更多的能量，因而需要較小的電池片面積，大大節(jié)約了成本。
應(yīng)用菲涅爾透鏡能夠?qū)⑻?yáng)光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面(高性能電池片)上，比傳統(tǒng)平板光伏(FPV)發(fā)電效率提高30%以上，滿足太陽(yáng)能聚光發(fā)電(CPV)和聚熱系統(tǒng)(TPV)中高能量高溫需求。
典型的太陽(yáng)能菲涅爾透鏡就是將齒型朝向電池片，這和之前談到的準(zhǔn)直應(yīng)用中齒型朝向長(zhǎng)共軛方向剛好相反。齒型朝內(nèi)的另外潛在好處的減少太陽(yáng)輻射對(duì)干擾角的沖擊，也能夠避免結(jié)構(gòu)面里堆積灰塵和沙礫。
這種類型菲涅爾透鏡通常看作是非成像透鏡，因?yàn)榇┻^(guò)透鏡的有效區(qū)域焦距是固定的。其主要的作用是最大限
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