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相信很多小伙伴都玩过用放大镜来聚太阳光，通过将太阳聚光后，很快就能达到非常高的温度。 / o2 l5 ^$ K$ ]4 t- p+ H% j
小时候知道放大镜这个功能后，就会用它去做各种破坏实验，如点火柴，烧纸，烧木头，还会用它来烧蚂蚁，马上也能让其没有反应，相信很多小伙伴都干过这样的事吧。 ( \0 `4 i+ I4 V" G
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( C# Y) e0 ?+ ?- q& s不过，要说聚光能力有种镜子可是比放大镜要强得多，这种镜子的名字叫菲涅尔透镜。 ) E$ [9 v- ~# n1 o7 W
什么是菲涅尔透镜‍其实，从这个名字就可以猜出一二，它是一个叫菲涅尔的法国人发明的，其形状就像一圈圈的螺纹，所以又被称为螺纹透镜。
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菲涅尔透镜一般是由塑料或者玻璃制成的，其一面非常光滑，而另一面则是有许多微型凸起的透镜，这些凸起由小到大按等间距排列的，形成螺纹一样的纹理。  $ d4 [ K. Y+ B; n2 I1 @( @+ {
, G. I, \- k4 r; P' C虽然我们平时可能见到的菲涅尔透镜不多，但是其在国防，航空，交通，工业生产以及民用等各个领域中都有广泛的使用。 $ b' R/ ^9 O. J9 U5 V, Y% w7 l% @
菲涅尔透镜的历史‍1 T$ Q8 f; s3 |3 a4 u1 i l c
在人类航海时期，作为标志性建筑，灯塔起到了非常重要的作用，一直在指引着人类不断探索未知的世界，而在灯塔中最重要的并不是塔，而是灯，准确的说应该是灯中的透镜。
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水手们依靠灯光导航已有2000多年的历史了，当时的人们通过烧鲸鱼油来为渔船提供指引方向的光亮，这些灯塔也成为港口重要的信标。
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随着海上旅行和商业的增长，灯塔的数量和质量也随之增加，砖和金属灯塔取代了木制平台，燃烧更亮的油灯取代了简单的柴火或煤火，虽然它们能为船只指引方向，但灯光的照射距离还是很有限的。
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2 M4 b# k2 A' C( a直到1822年，当时法国物理学家奥古斯丁·让·菲涅尔（Freh-nel）发明了一种新的透镜，该透镜设计将彻底改变灯塔的光学特性，让船只的航行更加安全，成为真正的指路明灯。
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1823年，第一个菲涅尔透镜被用在吉伦特海口的哥杜昂灯塔上；用菲涅尔镜片制造的灯极大地提高了灯塔的效率，在其发明之前，最明亮的灯塔光束只能在12至20公里外看到，菲涅尔透镜发出的光可以一直照射到32公里外。  ( L4 [- ~. j6 F
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如今不光是灯塔，像我们日常所用的交通信号灯，汽车前灯都有应用，就连一些手机上使用的闪光灯都能看到一圈圈同心圆，也是使用了菲涅尔透镜。 菲涅尔透镜的特性和原理‍6 @* K6 ]) F! p
菲涅耳透镜分为不同的尺寸，如常在灯塔上使用的，一阶镜头是最大，功能最强大的镜头，直径超过1.8米，它的光束主要用作海岸灯，在出海32公里处可见，第六级镜头是最小的镜头，仅约30厘米宽，用于港口和航道。
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菲涅尔透镜比传统光源聚光效率要高得多，经过测试表明，用明火会损失近97％的光，使用反射镜会损失约60-80％的光，但是，菲涅尔透镜最多只会损失20％的光。 菲涅耳透镜的另一个特点是，它能够制造出独特的单个图案，或者是组合图案，这让其使用的范围也就更广。 ( E* n$ |1 P# m1 N+ q
相对于普通的透镜，菲涅尔透镜更轻，更薄，聚光能力更强，所以相对的成本也就会更低。
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菲涅尔透镜从平面上看，就像有无数多个同心圆组成的玻璃，其聚焦效果却超过了凸透镜，如果投射光源是平行光，汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。
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通常使用普通的凸透镜聚光时，会出现边缘变暗和模糊，这是因为光的折射只发生在凹透镜的交界面，由于其镜片较厚，所以光在玻璃中传播就会出现光线衰减。 8 y4 `! J( E- |2 F3 P2 Y
如果能够让光线只发生折射，这样不但能够节约材料还能达到更好的聚光效果，菲涅尔透镜就是采用了这种原理。 ; T* R1 p, N# Z+ M, |# p! W
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1 N6 t+ j) F* ?0 _/ ^5 o( W- R$ V根据光的折射只是在空气和玻璃的界面发生，通过将透镜曲面内部掏空，只保留发生折射的部分，然后再让它“塌陷”到一个平面上接受光线，所以，螺纹状的菲涅尔透镜每一个凹槽都能成为一个独立的透镜。
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菲涅尔透镜的隐身能力‍
; p9 o' D: Y1 W x, P菲涅尔透镜不但有着强大的聚光能力，现在有人还发现它的另一个强大的功能，那就是隐身。
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其实，将菲涅尔透镜同心圆换成平行棱状，这样就能改变入射光的角度，将镜面外的画面折射到正前方，从而达到隐身的效果。 6 c0 s) m& K2 ?- p1 t7 g9 l
但是，这种隐身也只能改变水平方向的物体，当被隐形的物体与平行棱垂直时就不能达到隐形的效果。 1 O/ x1 S7 W& U* S9 C' D
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所以说，菲涅尔透镜的这种隐身能力，就好像给视觉物体加上了较高的模糊效果，并不能达到真正的隐身，但它的这种功能还是能在一些领域得到应用。 菲涅尔透镜的发明的天才之处在于，它在亮度，距离，效率和识别性等多个方面改进了现有的照明和聚光设备。
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由于它拥有的这些特性，很容易忽略其镜片本身的美感，其实菲涅尔透镜所具有的立体轮廓相对于普通透镜，应该算是一件艺术品吧。 ) G% ]9 {, a: v+ }5 X( ?
菲涅尔透镜聚光实验‍
Z' H- T4 A8 b0 Z. T7 r9 ^下面就来看一组菲涅尔透镜强大的聚光实验（大号的菲涅尔透镜） 3 U; V4 C) U2 ~& Q, F. A
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% J; r" I& ]+ F$ Q4 w将一张菲涅尔镜片凸面对着太阳，聚光处放一张水泥板，让一块木头从聚光处划过，木头瞬间就会冒烟，水泥板上还会有熔化和发黑的现象。
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% V; E! J: D$ H! P3 @2 M又将一瓶啤酒放在聚光处，玻璃瓶首先开始熔化冒烟，瓶中的啤酒也开始沸腾，最后就是整个啤酒瓶炸裂，整个过程就在几秒钟内发生。 # Z1 f! k* o, e
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在聚光水泥板上打一个生鸡蛋，3秒钟就能达到9分熟，撒上调料就可以吃了。 X) J2 S8 h9 ?! o
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最后再来个狠的，把光线聚焦到石头上会怎么样？（火山岩石） / S. G! ~3 \. i t
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持续了一会，岩石上面已经熔化了，聚光后温度达到了1650摄氏度。 - ^# y+ f/ R7 i) |* q; V) a9 V: l
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玩是挺好玩的，但也要注意安全哦，千万不能照到身上了。
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参考资料：维基百科，USA National Park Service 文中图片截取自Youtube《pixabay》《Fresnel Lens》 文中gif截取自Youtube《Fresnel Lens Section Animation》
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发表于 2022-11-14 10:13:40
