一块透明薄板,聚光能熔化钢铁,菲涅尔透镜为何这么牛?

放大镜相信大家都知道,就是一块凸透镜,除了可以将被观察物放大,还可以汇聚阳光产生高温。小时候大家应该都玩过放大镜,在阳光下聚焦后,产生的高温足以点燃木材,一些调皮的还会用它来烧蚂蚁。

凸透镜是根据光的折射原理制成的一类透镜,中间厚、边缘薄,可分为双凸、平凸和凹凸等形式,放大镜上的镜片就属于双凸式的凸透镜。

除了凸透镜,还有一种透镜的聚光能力在凸透镜之上,这类透镜被叫做菲涅尔透镜。

它的设计理念通常认为是由布封伯爵最早提出。1822年,法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔成功将它制造出来,并应用于灯塔。通过这种透镜可以将灯塔发出的光更好地汇聚成平行光束,在32公里以外的地方也能观察到。而在此之前,最明亮灯塔的光束最多也只能在20公里外被看到。

这种透镜看起来像一块薄板,仔细端详,你就会发现它上面有一圈圈的同心螺纹,所以这种透镜又叫做螺纹透镜。你可不要小瞧了它,虽然很薄,但是聚光能力却远超同样大小的凸透镜。

菲涅尔透镜通常由玻璃或者塑料制作而成,该透镜一面是光滑的平面,另一面就是由一系列相套的同心凸起小透镜构成。

菲涅尔透镜的原理并不复杂。

众所周知,光从一种透明介质传播到另一种透明介质时,由于两种介质存在差异,就会在交界面处产生折射。光透过凸透镜时,折射也只发生于透镜的表面。

根据这一思想,那我们把凸透镜部分材料拿掉,仅保留透镜表面的弯曲部分就行了,再让分割出来的若干小曲面平移到同一个平面上,这样就可以制造出更加薄的透镜。这种设计虽然比凸透镜复杂点,但是能够节省材料,还能够将透镜做得很薄、很轻。

凸透镜由于中间部分较厚,光线穿过时会发生一定程度的衰减。而菲涅尔透镜的聚光效率比凸透镜高很多,测试表明,菲涅尔透镜最多只会损失20%的光。如果投射光源是平行光,汇聚后还能保持图像各处亮度一致,且不会出现凸透镜上的边角变暗、模糊这种现象。

菲涅尔透镜的聚光能力非常强大,如果你将一块大号的菲涅尔透镜置于太阳之下,凸面对准太阳,再将一块薄钢板置于聚光处,只需要持续一会儿,就能将钢板烧穿。钢铁的熔点大约1500多摄氏度,可见菲涅尔透镜的聚光能力真的是很强大。如果是凸透镜,要想达到这种效果,就要做得很大,人根本搬不动,更别说拿在手里了。

有优点,也会有缺点。菲涅尔透镜虽然能够当凸透镜用,但由于菲涅尔透镜的曲面部分是不连续的,因此对于一些成像精度要求比较高的场合,比如望远镜,就不适合用这种透镜了。


菲涅尔透镜是一种十分重要的光学元件,应用很广泛,它的出现改变了现有的聚光照明设备。比如智能手机闪光灯上就有这种小透镜,此外,交通信号灯、车灯、投影仪等设备上也有这种透镜。

菲涅尔透镜的种类也很多,如果将菲涅尔透镜表面的同心圆换成平行棱,还能在一些特殊场合起到隐形的效果。

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