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菲涅尔透镜的原理及应用

〔国防科**学院光学小组第六组〕

[摘要]菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片外表一面为光面，

另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见

光的凸透镜，效果较好，但本钱比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜可按照光学

设计或构造进展分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚**用；二是将探测区域内

分为假设干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在

PIR上产生变化热释红外信号。

[关键词]菲涅尔透镜；原理；分类；应用；研究与开展状况

本文主要从菲涅尔透镜的历史，根本原理，分类，作用，应用以及国内

外的研究与开展状况等方面完整介绍了菲涅尔透镜的相关知识。

1.简介

菲涅尔透镜(Fresnellens)，又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯

汀·菲涅尔〔Augustin·Fresnel)创造的，他在1822年最初使用这种透镜设计

用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯

烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片外表一面为光面，另一面

刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干预及扰射和根据相对灵

敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须

外表光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较

大，厚度薄及侦测距离远。

菲涅尔透镜

菲涅尔透镜作用有两个：一是聚**用；二是将探测区域内分为假设干个

明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产

生变化热释红外信号。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的

凸透镜，效果较好，但本钱比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不

是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。

2.菲涅尔透镜的历史

通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜，

这一想法常被认为是由布封伯爵提出的。孔多塞(1743-1794)提议用单片薄

玻璃来研磨出这样的透镜。而法国物理学家兼工程师菲涅尔亦对这种透镜

在灯塔上的应用寄予厚望。根据史密森学会的描述，1823年，第一枚菲涅

尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔〔PharedeCordouan〕上；透过

它发射的光线可以在20英里〔32千米〕以外看到。苏格兰物理学家大卫·布

儒斯特爵士被看作是促使英国在灯塔中使用这种透镜的推动者。

3.菲涅尔透镜的根本原理

菲涅尔透镜的工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在

光学外表〔如：透镜外表〕，拿掉尽可能多的光学材料，而保存外表的弯

曲度。

传统透镜到菲涅尔透镜构造的变化

另外一种理解就是，透镜连续外表局部“坍陷〞到一个平面上。如图：

塌陷到平面

从剖面看，其外表由一系列锯齿型凹槽组成，中心局部是椭圆型弧线。

每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦

点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线

调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除局部球形像差。

简单地说，菲涅尔透镜一面是平坦的，另一面是凸起的。人们首次使用

菲涅尔透镜是在18世纪初，当时它被用在灯塔的探照灯上，聚焦射出来的

光束。当人们需要一面又薄又轻的透镜时，塑料菲涅尔透镜便派上了用场。

尽管成像质量不如玻璃透镜，但是在很多应用中我们并不需要完美的图像

质量。

菲涅尔透镜的原理基于菲涅尔波带片，菲涅尔波带片具有类似透镜的作

用，它可以使入射光会聚起来，产生极大的光强。它也有类似于透镜的成

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像公式，式中为光源到波带的距离，r为透镜中心到像点的距离

0

r0f

fR2m〔R透镜半径、m为波带数、为入射光波长〕。但波带片与透镜有个重



要的区别，即一个波带片有很多焦点，上式给出的