菲涅尔透镜的工作原理

本文介绍了菲涅尔透镜的工作原理。

在现代智能手机的设计中，闪光灯是一个不可或缺的组件，它不仅能够在光线不足的环境中为拍照提供辅助照明，还能在紧急情况下作为信号灯使用。如果你仔细观察手机背面的闪光灯，会发现一个有趣的现象：闪光灯上有一圈一圈的圆环。其实，这些圆环并非是用来装饰的。那么，这些圆环背后究竟藏着怎样的科学原理呢？

现代手机的闪光灯通常采用发光二极管（LED）或氙气闪光灯作为光源。这些光源发出的光线大多是发散的，即光线向各个方向散射。然而，为了提高照明效率，我们希望闪光灯发出的光线能够尽可能地集中照射在被摄物体上，而不是浪费在其他方向。

为了解决光线发散的问题，一个常见的解决方案是在光源外加装一个凸透镜。凸透镜能够利用光线在不同折射率介质界面的偏折，将发散的光线汇聚到一点或一定区域内。然而，由于手机的厚度限制，使用的凸透镜焦距较短，导致其凸面曲率较大，从而使凸透镜相对较厚，这在追求超薄设计的手机中是不可行的。

凸透镜的汇聚作用示意（图片来源：［1］）

为了解决上述问题，菲涅尔透镜应运而生。菲涅尔透镜由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（AugustinFresnel）在1822年最早提出，并应用于灯塔透镜系统。与传统凸透镜不同，菲涅尔透镜的一面为平面，另一面则刻有由小到大的同心圆环。这些圆环的设计基于光的干涉和衍射原理，以及相对灵敏度和接收角度的要求。

普通透镜变成菲涅尔透镜的过程（图片来源：［3］）

菲涅尔透镜的工作原理相对简单。如果一个透镜的折射作用只发生在其表面，那么可以去掉透镜内部的材料，只保留表面的弯曲度。这样，每个圆环下面的对应一个高度不同的圆环柱，通过去掉圆环柱中间较厚的部分，使每个圆环柱的高度接近，从而形成一个带有环形凹槽的平板。每一个圆环的曲率和倾角均使通过它的光线汇聚到共同的焦点上，这样就形成了菲涅尔透镜。

与传统凸透镜相比，菲涅尔透镜具有以下优势：

1.薄型设计：

菲涅尔透镜的厚度远小于传统凸透镜，这使得它非常适合应用于追求超薄设计的智能手机中。

2.材料节省：

由于菲涅尔透镜的特殊结构，它使用的材质更少，降低了材料成本。

3.高透光率：

菲涅尔透镜的厚度较薄，减少了材料对透射光的吸收，因此具有更高的透光率。

4.加工容易：

菲涅尔透镜可以采用聚烯烃材料注压成型，加工过程相对简单，易于大规模生产。

在手机闪光灯中，菲涅尔透镜的作用是将LED或氙气闪光灯发出的发散光线调整成平行光或聚光，从而照射到被摄物体表面。这种设计不仅提高了光的利用率，还增强了闪光灯的照明效果。

除了在手机闪光灯中的应用，菲涅尔透镜还在许多其他领域发挥着重要作用。例如，在灯塔中，菲涅尔透镜系统能够将光线聚焦并照射到很远的距离，提高航海安全。在投影仪、汽车前灯、红外探测器等设备中，菲涅尔透镜也被用来汇聚光线，提高光效。

手机闪光灯上的一圈一圈圆环，实际上是菲涅尔透镜的同心圆环纹理。这些纹理的设计基于光的干涉和衍射原理，它们使得闪光灯发出的光线能够更有效地汇聚，提高了照明效率和闪光灯的性能。菲涅尔透镜的引入，不仅解决了手机闪光灯设计中的厚度问题，还带来了材料节省、高透光率和易于加工等一系列优势。

参考文献

［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