菲涅耳透鏡

菲涅耳透鏡（英語：Fresnel lens），又譯菲涅爾透鏡，別稱螺紋透鏡，是由法國物理學家奧古斯丁·菲涅耳所發明的一種透鏡。此設計原來被應用於燈塔，這個設計可以建造更大孔徑的透鏡，其特點是焦距短，且比一般的透鏡的材料用量更少、重量與體積更小。和早期的透鏡相比，菲涅耳透鏡更薄，因此可以傳遞更多的光，使得燈塔即使距離相當遠仍可看見。

1：菲涅耳透鏡的截面圖
2：等效的一般平凸透鏡的截面圖

歷史

通過將數個獨立的截面安裝在一個框架上從而製作出更輕更薄的透鏡，這一想法常被認為是由布封伯爵提出的。孔多塞（1743-1794）提議用單片薄玻璃來研磨出這樣的透鏡。而法國物理學家兼工程師菲涅耳亦對這種透鏡在燈塔上的應用寄予厚望。根據史密森學會的描述，1823年，第一枚菲涅耳透鏡被用在了吉倫特河口的哥杜昂燈塔（Phare de Cordouan）上；透過它發射的光線可以在20英里（32公里）以外看到。蘇格蘭物理學家大衛·布儒斯特爵士被看作是促使英國在燈塔中使用這種透鏡的推動者。

描述

菲涅耳透鏡的原理演示動畫，此為透鏡截面視圖。由於光的折射發生在介質的交界面，這裡以玻璃與空氣為例，若能去除光在玻璃中直線傳播的部分而保留發生折射的曲面，便能省下大量材料同時達到相同的聚光效果。如圖，菲涅耳透鏡便是通過此法使透鏡變薄。曲面劃分得越細，透鏡越能夠做薄。

相比傳統的球面透鏡，菲涅耳透鏡通過將透鏡劃分出為一系列理論上無數多個同心圓紋路（即菲涅耳帶）達到相同的光學效果，同時節省了材料的用量。

在此透鏡的第一個也是最大的一個變種上，每一個環都實際上都是彼此不同的稜鏡。儘管菲涅耳透鏡也許看起來像一片單獨的玻璃，但仔細檢查會發現他是由許多微小的片狀結構組成的。現代的數控機床問世後，利用單塊玻璃生產菲涅耳透鏡已變為現實，而光學塑料的誕生也使得菲涅耳透鏡的製作變得容易。

正是因為這些紋路，透鏡的總體厚度減小了；菲涅耳透鏡實際上是普通凸透鏡連續的曲面被截為一段一段曲率不變的不連續曲面，因為曲面被劃分得很細，故看上去像一圈一圈的紋路。事實上菲涅耳透鏡可以被視作一系列的稜鏡按照環形排列，其中邊緣較為尖銳，而中心則是較為平滑的凸面。

菲涅耳透鏡的設計容許大幅度地削減透鏡厚度（以及重量與體積），但是付出的代價是成像品質會下降，這也是精密成像儀器例如單反相機以及數碼相機仍然使用傳統笨重的透鏡的原因。

菲涅耳透鏡常由玻璃或塑料製成，尺寸從大（老式燈塔，尺寸以米計）到中（閱讀放大鏡、幻燈片投影）再到小（單反相機對焦屏、顯微光學）。大多數情況下，它們很薄很平整，並且有韌性，大約3-5毫米厚。

應用

由於使用菲涅耳透鏡來投射光線會降低成像品質，所以它一般用在對成像品質要求不太苛刻或無法使用一般透鏡的地方。廉價的菲涅耳透鏡一般由透明塑料壓鑄或模塑而成，並使用在透鏡式投影儀、背投電視、便攜放大鏡上。同時它也被應用在交通信號燈上。菲涅耳透鏡也用於校正一些視覺障礙，比如斜視。

自從塑料菲涅耳透鏡可以做得比玻璃的大，同時更輕更經濟後，他便被用在太陽灶聚集陽光或是用在太陽能熱水器上。

也許菲涅耳透鏡最廣泛的應用是在汽車前燈上，它能使大燈最初由凹面鏡反射出來的平行光向下傾斜，除可照亮前方的路面，也可防止對於前方及對向的人車造成眩光。考慮到價格、重量以及抗衝擊性等因素，較新的車型已將玻璃菲涅耳透鏡淘汰，轉而採用多面反射鏡與平面的聚碳酸酯透鏡。然而，菲涅耳透鏡仍被廣泛使用於汽車尾燈、倒車燈上。

菲涅耳透鏡亦應用於駕駛座位於左邊而進入英國或是愛爾蘭的歐洲大陸卡車（駕駛座在右邊的英國或愛爾蘭卡車來到歐洲大陸亦然），來幫助司機克服坐在「錯誤」位置行駛在「錯誤」的車道造成的盲區。它們通常被粘附在乘客座的車窗上。

高品質的玻璃菲涅耳透鏡被用在燈塔上。從19世紀晚期到20世紀中期它們是「藝術的標杆」，不過現在他們大多數已不再被使用。燈塔使用的菲涅耳透鏡通常包括特別的環形稜鏡，分布在平面菲涅耳透鏡的上下，排列成多面的拱形，以收集從光源發出的光線。光線通過這些組件發生得更多的是的是內反射，而不像菲涅耳透鏡那樣發生單一的的折射。這樣的組件給予燈塔的設計者、建造者以及使用者切實的好處。除此之外，較小的透鏡可以適應更為狹小的空間。

美國海軍德懷特·D·艾森豪威爾號航空母艦上的光學着陸系統

玻璃菲涅耳透鏡同樣被應用於電影的照明設備上。整個設備由金屬外殼、反光鏡、燈以及菲涅耳透鏡組成。這種設備通常易於改變燈與透鏡的距離。因此，這種設備十分靈活，射出的光束可窄到7^°寬到70^°。由菲涅耳透鏡射出的光線邊緣較為柔和，故它常用在染色燈上。透鏡前方的支架上放置一塊有顏色的塑料膜來給光線染色，也可放置金屬紗網或磨砂塑料使光線彌散。許多含有菲涅耳透鏡的設備都允許燈在焦點前後移動，以放大或縮小光束的大小。菲涅耳透鏡非常適合在電影製作中使用，不僅因為透過它的光線比透過普通透鏡的亮度高，也由於透過它的整束光線在各個部位的亮度都相對一致。

隨著光學材質技術的發展，以往難以用在攝影用鏡頭的菲涅耳透鏡也逐漸出現在攝影鏡頭，如尼克爾鏡頭（Nikkor）的AF-S NIKKOR 300mm f/4E PF ED VR即使用了一片PF（Phase Fresnel）鏡片，大幅減輕了重量與體積，根據尼康說法，使用菲涅爾透鏡的鏡頭可以大幅降低色散。佳能EF接環鏡頭產品中有一部份使用了類似菲涅爾透鏡的衍射鏡片，稱為「DO鏡」。

延伸閱讀

• "The Fresnel Lens." The Keeper's Log (Winter 1985), pp. 12-14.
• Lighthouses, Illuminants, Lenses Engineering and Augustin Fresnel, An Historical Bibliography, United States Coast Guard.
• 美國海岸警衛隊, Aids to Navigation，（Washington, DC: U. S. Government Printing Office, 1945）。
• United States Coast Guard, Aids to Navigation Historical Bibliography. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• United States Coast Guard, Fresnel Lenses Still in Operation. Archive-It的存檔，存檔日期2009-03-25

外部連結

• Lighthouse Getaway: Fresnel lens（contains photographs.）
• Pepper, Terry. Seeing the Light: Lighthouses on the western Great Lakes. [2010-04-18]. （原始內容存檔於2008-01-30）. 
• Random Destructive Acts via Focused Solar Radiation. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• TruckView Fresnel lens combats the HGV Blind-Spot. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• How the Fresnel lens works. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• A computer analysis of the Fresnel lens cross section depicted in the 'graphic examples' section of this very Wikipedia article.