菲涅耳透镜 Fresnel lenses

2022-11-23 11:06:55 浏览:407

定义

表面轮廓具有环形台阶的透镜。

菲涅尔透镜是一种特殊的光学透镜,其表面轮廓包含环形台阶,使得可以在大幅减小透镜厚度的情况下实现给定的焦距。 这种厚度的减小在实现具有非常大直径和大量屈光度的透镜时非常有用。 发明者Augustin-Jean Fresnel的最初应用是灯塔,其中大功率灯产生的光必须通过相当紧凑的光学设置进行重定向。 这种工作原理如图1所示,显示了具有相同焦距的两个版本的镜头。 上部版本具有更多的环形台阶,因此可以做得更薄。

菲涅耳透镜 Fresnel lenses

图1:两个焦距相同的菲涅耳透镜,以不同的步长实现。

设计细节

设计这种透镜的第一种方法可能是简单地以平行方式平移表面的不同环形部分,保持其方向。 然而,这种方法不会产生与原始厚透镜相同的光学特性。 为了获得更好的性能,应调整外部零件的曲率。

通常,将使用非球面形状(→非球面透镜);鉴于表面形状无论如何都不能是球形的,如果另一种形状提供更好的光学性能,则没有理由为环形截面选择球形。 对于具有小步长的镜头,使用圆锥形可能就足够了,因为这只会产生很小的差异,至少对于非成像应用而言。

在衍射光学领域,人们有时会使用外观相似的微透镜设计,其中步骤的尺寸使其对应于2π的整数倍的光学相位变化。 然而,对于菲涅耳透镜,通常不使用这一原理;它们是纯粹的折射装置,不使用衍射。 实际上,对于具有所需精度的大型镜头,很难实现它。 因此,不同径向陈述对图像的贡献通常被认为是相互不相干的,并且衍射对分辨率的限制与段尺寸有关,而不是与透镜的整个直径有关,但无论如何,衍射限制性能通常无法达到。 人们至少可以调整台阶的斜率,以便将由此产生的光场干扰降至最低。

还有圆柱形菲涅耳透镜,曲率和台阶仅在一个方向上。 有些设备甚至不用于对焦(因此可能不称为镜头),而仅用于偏转光束或图像。

制造

菲涅尔透镜可以使用不同的制造技术。 通常,人们使用成型或压花工艺以塑料镜片的形式制造它们。玻璃菲涅尔透镜可以通过计算机控制的铣削制造。 通常,菲涅尔透镜是作为单片材料制成的。

光学性能

与具有光滑表面形状的普通透镜相比,菲涅尔透镜通常具有较差的光学性能;这些台阶会导致一些光损失和不必要的方向散射。 然而,对于典型的应用,这种缺陷是可以容忍的,而厚度大大减小和相应减轻重量的优势可能是有益的,甚至是必要的。

菲涅尔透镜的典型应用

菲涅尔透镜主要用于照明领域,在这些领域,很容易容忍非理想的光学性能。 例如,对于灯塔中的原始应用,某些光线不是理想定向的,这是没有问题的。 菲涅尔透镜被广泛用作高架投影仪中的聚光镜,其中小厚度至关重要,但还有许多其他应用领域,如投影电视、交通信号灯和聚光太阳能。

还有成像应用,例如轻型手持放大镜,甚至使用紧凑型相机进行摄影。

基础光学

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