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菲涅尔透镜简介及发展历程

发布时间：

2019-04-24

菲涅尔透镜的设计原理是在加工时不再将透镜看作一个整体，而是看作由许多微结构组成的一个实体，这些微结构保留了原凸透镜的曲率半径，而去除了中间对光线偏折不起作用或影响很小的部分。菲涅尔透镜的设计过程如图 1 所示，图 2 是一种平面菲涅尔透镜的实物图。

早期由于材料的限制，透镜都由玻璃制成，菲涅尔透镜也不例外，但若采用传统的研磨抛光法来加工菲涅尔透镜，不仅耗时很长，且相当耗费人力，因而使得成本过高。后来人们发明了金属模具热压的加工方式，但玻璃的表面应力过大，导致在热压时一些细节部分无法压制出来，从而使菲涅尔透镜达不到预期的使用效果，这些原因使得早期的菲涅尔透镜无法被推广，从 1950 年左右开始，一种新型材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）因其具有与玻璃十分相似的光学特性，且重量更轻的优势，被广泛用在透镜制作上。1951 年Miller 等人采用 PMMA成功的制作出了菲涅尔透镜，由于 PMMA 成本低，且性质稳定，因此从那之后人们开始用其替代玻璃来制作菲涅尔透镜。

随着科技的进步，透镜加工工艺不断进步，菲涅尔透镜的光学性能也越来越好，逐渐被众多领域所重视由于菲涅尔透镜具有厚度薄、质量小、成本低、聚光效果好等优点使很多领域都开始关注菲涅尔透镜的应用，其中太阳能聚光光伏产业已经将菲涅尔透镜投入使用，随着科技的发展，科技人员还在对菲涅尔透镜的聚光性能进行进一步的研究与实验，也取得了很多可喜的成果。

1970 年起美国国家航空航天局开始对菲涅尔透镜进行详细的研究，取得的很多研究成果对以后的科学家在菲涅尔透镜研究的道路上起到了指路标的作用。在 1979 年 Kritchman 研制出了高倍聚光曲面线聚焦菲涅尔透镜该透镜的优势是在聚光性能上有了质的飞跃。2006 年韩国人 Kwang sun Ryu 提出将菲涅尔透镜的表面划分为细小模块的设计方法，该方法采用软件将菲涅尔透镜的细小模块进行处理，以便使入射太阳光能够均匀的照射在硅光电池上，解决了以往太阳能光线容易集中在一小块地方而烧毁电池的问题。

后来美国人 Daniel 对 Kwang sun Ryu 的菲涅尔透镜进行深入分析，设计出一款多点聚焦型菲涅尔透镜，光照均匀度比之前更加高。该款透镜对传统菲涅尔透镜的螺纹进行了优化，把原来的单点聚焦模式改为多点聚焦，从而使得菲涅尔透镜的聚焦光斑不再局限在某一个位置，光照均匀度由此提高。

在国内，山东宇影公司前身国营临邑洛北光学仪器厂60年代末已经从事菲涅尔透镜的生产与研发，在92年改制为私营企业，后改名为山东宇影光学仪器有限公司至今。

九十年代初期陕西省物理研究所的郭孝武提出了综合性菲涅尔透镜的统一设计方法，为后来的学者研究菲涅尔透镜起到了指导作用。

2002 年贾付云在柱面线聚焦菲涅尔透镜的研究中发现当 F 数处在 1.3 左右，聚光比在 5 或6 时其光学效率可以达到 85%以上。

2007 年李维谦设计出一种摒弃了传统的同心圆环结构而采用阿基米德螺线型沟槽的菲涅尔透镜，这种透镜虽与同心圆式菲涅尔透镜在应用上无本质差异，但为菲涅尔透镜开创了一种新的结构形式。

2009 年姚叙红通过研究发现菲涅尔透镜的聚光效率与入射光强度成正比，同时由于菲涅尔透镜表面存在一定的光反射，因此其透光率与入射光的角度成反比。

2011 年赵会富分别在室内、外对菲涅尔透镜的性能进行了研究，结果表明其透光率在室内外测试误差不变，但聚光效率的测试误差是室内测试比室外测试低，并分析了产生这种差异的原因，为以后人们在菲涅尔透镜的测试加工中提供了参考