菲涅爾透鏡的工作原理

本文介紹了菲涅爾透鏡的工作原理。

在現(xiàn)代智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中，閃光燈是一個(gè)不可或缺的組件，它不僅能夠在光線不足的環(huán)境中為拍照提供輔助照明，還能在緊急情況下作為信號(hào)燈使用。如果你仔細(xì)觀察手機(jī)背面的閃光燈，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：閃光燈上有一圈一圈的圓環(huán)。其實(shí)，這些圓環(huán)并非是用來(lái)裝飾的。那么，這些圓環(huán)背后究竟藏著怎樣的科學(xué)原理呢？

現(xiàn)代手機(jī)的閃光燈通常采用發(fā)光二極管（LED）或氙氣閃光燈作為光源。這些光源發(fā)出的光線大多是發(fā)散的，即光線向各個(gè)方向散射。然而，為了提高照明效率，我們希望閃光燈發(fā)出的光線能夠盡可能地集中照射在被攝物體上，而不是浪費(fèi)在其他方向。

為了解決光線發(fā)散的問(wèn)題，一個(gè)常見(jiàn)的解決方案是在光源外加裝一個(gè)凸透鏡。凸透鏡能夠利用光線在不同折射率介質(zhì)界面的偏折，將發(fā)散的光線匯聚到一點(diǎn)或一定區(qū)域內(nèi)。然而，由于手機(jī)的厚度限制，使用的凸透鏡焦距較短，導(dǎo)致其凸面曲率較大，從而使凸透鏡相對(duì)較厚，這在追求超薄設(shè)計(jì)的手機(jī)中是不可行的。

凸透鏡的匯聚作用示意（圖片來(lái)源：［1］）

為了解決上述問(wèn)題，菲涅爾透鏡應(yīng)運(yùn)而生。菲涅爾透鏡由法國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯汀·菲涅爾（AugustinFresnel）在1822年最早提出，并應(yīng)用于燈塔透鏡系統(tǒng)。與傳統(tǒng)凸透鏡不同，菲涅爾透鏡的一面為平面，另一面則刻有由小到大的同心圓環(huán)。這些圓環(huán)的設(shè)計(jì)基于光的干涉和衍射原理，以及相對(duì)靈敏度和接收角度的要求。

普通透鏡變成菲涅爾透鏡的過(guò)程（圖片來(lái)源：［3］）

菲涅爾透鏡的工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單。如果一個(gè)透鏡的折射作用只發(fā)生在其表面，那么可以去掉透鏡內(nèi)部的材料，只保留表面的彎曲度。這樣，每個(gè)圓環(huán)下面的對(duì)應(yīng)一個(gè)高度不同的圓環(huán)柱，通過(guò)去掉圓環(huán)柱中間較厚的部分，使每個(gè)圓環(huán)柱的高度接近，從而形成一個(gè)帶有環(huán)形凹槽的平板。每一個(gè)圓環(huán)的曲率和傾角均使通過(guò)它的光線匯聚到共同的焦點(diǎn)上，這樣就形成了菲涅爾透鏡。

與傳統(tǒng)凸透鏡相比，菲涅爾透鏡具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.薄型設(shè)計(jì)：

菲涅爾透鏡的厚度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)凸透鏡，這使得它非常適合應(yīng)用于追求超薄設(shè)計(jì)的智能手機(jī)中。

2.材料節(jié)?。?/p>

由于菲涅爾透鏡的特殊結(jié)構(gòu)，它使用的材質(zhì)更少，降低了材料成本。

3.高透光率：

菲涅爾透鏡的厚度較薄，減少了材料對(duì)透射光的吸收，因此具有更高的透光率。

4.加工容易：

菲涅爾透鏡可以采用聚烯烴材料注壓成型，加工過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模生產(chǎn)。

在手機(jī)閃光燈中，菲涅爾透鏡的作用是將LED或氙氣閃光燈發(fā)出的發(fā)散光線調(diào)整成平行光或聚光，從而照射到被攝物體表面。這種設(shè)計(jì)不僅提高了光的利用率，還增強(qiáng)了閃光燈的照明效果。

除了在手機(jī)閃光燈中的應(yīng)用，菲涅爾透鏡還在許多其他領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，在燈塔中，菲涅爾透鏡系統(tǒng)能夠?qū)⒐饩€聚焦并照射到很遠(yuǎn)的距離，提高航海安全。在投影儀、汽車前燈、紅外探測(cè)器等設(shè)備中，菲涅爾透鏡也被用來(lái)匯聚光線，提高光效。

手機(jī)閃光燈上的一圈一圈圓環(huán)，實(shí)際上是菲涅爾透鏡的同心圓環(huán)紋理。這些紋理的設(shè)計(jì)基于光的干涉和衍射原理，它們使得閃光燈發(fā)出的光線能夠更有效地匯聚，提高了照明效率和閃光燈的性能。菲涅爾透鏡的引入，不僅解決了手機(jī)閃光燈設(shè)計(jì)中的厚度問(wèn)題，還帶來(lái)了材料節(jié)省、高透光率和易于加工等一系列優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

［1］https://mp.weixin.qq.com/s/KGcMVLlZsmvqeHRd1MjiqQ

［2］https://mp.weixin.qq.com/s/L6z2QjkR8TyBw5Xbcm99zw

［3］https://mp.weixin.qq.com/s/NVQQqIGwD1KujmIJsNw_Gg

［4］https://mp.weixin.qq.com/s/yOsMDqeWI9ekDsSXeC37Mg

［5］https://mp.weixin.qq.com/s/-_SVp33Z8fWNkT0Ecc8WOQ