菲涅尔透镜 基本概念与产生背景 菲涅尔透镜，本质上是一种平板化的透镜。它的产生源于经典透镜（尤其是大孔径、短焦距的透镜）的一个固有缺点：厚重、昂贵且材料消耗大。传统透镜通过表面连续弯曲来偏折光线，其厚度与直径和焦距相关，这导致了上述问题。菲涅尔透镜的设计理念是： 在不改变光线宏观偏折路径的前提下，将透镜连续的光学曲面“压缩”成一个阶梯状的锯齿形结构 。这样，绝大部分不参与光线偏折的透镜材料被去除，只保留了关键的折射面部分，从而实现了透镜的轻薄化、轻量化和低成本。 工作原理（基于折射定律的分区实现） 其工作原理的核心是 光的折射定律 。以一个会聚的平凸透镜为例，平行光入射后，透镜不同环带（从中心到边缘）将光线偏折到同一个焦点。菲涅尔透镜的关键在于，它将这些不同环带“平移”到了同一个平面上。 原理解构 ：想象将一个标准凸透镜沿与光轴垂直的方向切成多个同心环带，然后将每个环带的弯曲表面“掰平”，使其底面落在同一个平面上，但保持其表面倾斜角不变。这个倾斜角正好对应于原透镜在该环带位置的切面角。 光线作用 ：每个锯齿状环带实际上是一个微小的棱镜断面。当平行光线照射到这些环带上时，每个“小棱镜”根据自己的倾斜角度，将入射光以特定的方向折射，所有折射光最终汇聚于预设的焦点。 整个菲涅尔透镜就是由一系列同心的、具有不同倾角的小棱镜环带构成的阵列 。 结构与设计关键参数 菲涅尔透镜的基本结构是 一系列同心圆环 ，每个环带包含两个关键表面： 工作面（倾斜面） ：这是一个具有精确计算角度的斜面，负责对光线进行折射，是实现光学功能的核心表面。其角度从中心到边缘逐渐增大。 非工作面（竖直面/平台面） ：通常垂直于透镜基面，其主要作用是分隔各个工作面，几乎不参与光线偏折。 齿距与深度 ：环带的宽度（齿距）和高度（齿深）是重要参数。齿距越小，透镜的成像质量通常越好（因为更接近连续曲面），但加工难度也越大。设计时需要权衡光学性能、加工工艺和成本。 主要类型与特点 菲涅尔透镜主要分为两类，区别在于成像质量与设计目标： 成像型菲涅尔透镜 ：其环带非常密集（齿距很小，通常小于1毫米），旨在尽可能精确地模拟理想透镜的光路，用于投影、聚光摄影等对像质有一定要求的场合。其工作面通常设计为 非球面 ，以更好地校正球差等像差。 聚光型菲涅尔透镜 ：环带相对较宽，其主要设计目标是 高效率地收集和汇聚光能 ，而非形成高清晰度的像。它广泛应用于太阳能集热器、灯塔、交通信号灯、红外探测器和大型显示屏（背光模组）中，其核心优势是能在大面积上实现高透光率和聚光比。 优缺点及应用领域 优点 ： 轻薄、重量轻、材料成本低 ；可制造非常大的口径（可达数米）而不会过重或变形；塑料材质易于注塑成型，适合大规模生产。 缺点 ：由于存在不连续的工作面和非工作面， 杂散光（散射、内反射）较多 ，成像对比度通常低于传统透镜；环带边缘可能产生衍射效应；表面精细结构易磨损、积灰，影响性能。 应用领域 ： 光学传感与探测 ：红外防盗报警器、自动门传感器、体温测量仪。 能源与照明 ：聚光光伏（CPV）系统、太阳能灶、舞台灯光、汽车尾灯、交通信号灯、大型场馆照明。 显示与成像 ：液晶投影仪、虚拟现实（VR）头戴设备、大型菲涅尔放大镜、简易相机（如一次性相机）。 其他 ：灯塔、导航信标、摄影用柔光板等。