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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。
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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。 " k" {+ X2 U0 \& [4 d% e
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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。 4 s- B m: M0 T2 w$ {3 {6 K
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。 6 `* ]9 F1 V% T8 A e
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。  ; B" ?( [( ^9 O
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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。 + A, `0 J# k) B: w o& U
菲涅尔透镜的历史, k x5 K8 y$ y) O6 a1 U
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。 + ?6 _1 W8 a4 c& Y) g
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。 3 i3 z* ?8 T- e; Y4 F9 a/ ?4 ]
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9 _$ ]# c4 r ?$ {2 V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。  + q2 J! J7 Q- k% H- z
9 y2 ^4 R* f8 @% O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 ^' e u: A) Q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。 4 N2 V3 Y* N) O; L* B8 w5 {
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。 ' a) ~0 X: R% u8 s0 N$ m
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2 X6 ]3 {, \; P1 Q2 `, Q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。 ; @" ^( S+ K: W* {- W
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。
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5 o" `+ J# Q: w: E) o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。 # j. C# [+ d5 k$ Q- R
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# _6 q6 L' l. C1 }菲涅尔透镜的隐身能力
, ^; z+ O5 o {9 j4 X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。 Z( x H" D/ d" |3 ?/ b
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。 " F+ v3 I' [9 z
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。
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% V+ G) M2 H: ^. v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。 ; J, K; m4 \% N. ~) l
菲涅尔透镜聚光实验
2 X$ n. D( s, W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） , U" p! e6 {$ g, d4 N5 d7 |
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4 `* b' u: E4 M0 A3 D6 j1 f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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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。 6 ?# z0 x! L+ {& c' L/ R
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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。
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- ?: M( y7 ]' H. o; t- r6 d最后再来个狠的，把光线聚焦到石头上会怎么样？（火山岩石）
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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。 ) e0 L0 T( ^% Y( q1 j' b' c
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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
