一塊透明薄板,聚光能熔化鋼鐵,菲涅爾透鏡為何這麼牛…


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一塊透明薄板,聚光能熔化鋼鐵,菲涅爾透鏡為何這麼牛?

放大鏡相信大家都知道,就是一塊凸透鏡,除了可以將被觀察物放大,還可以匯聚陽光產生高溫。小時候大家應該都玩過放大鏡,在陽光下聚焦後,產生的高溫足以點燃木材,一些調皮的還會用它來燒螞蟻。

凸透鏡是根據光的折射原理製成的一類透鏡,中間厚、邊緣薄,可分為雙凸、平凸和凹凸等形式,放大鏡上的鏡片就屬於雙凸式的凸透鏡。

除了凸透鏡,還有一種透鏡的聚光能力在凸透鏡之上,這類透鏡被叫做菲涅爾透鏡。

它的設計理念通常認為是由布封伯爵最早提出。 1822年,法國物理學家奧古斯汀.菲涅爾成功將它製造出來,並應用於燈塔。通過這種透鏡可以將燈塔發出的光更好地匯聚成平行光束,在32公里以外的地方也能觀察到。而在此之前,最明亮燈塔的光束最多也只能在20公里外被看到。

這種透鏡看起來像一塊薄板,仔細端詳,你就會發現它上面有一圈圈的同心螺紋,所以這種透鏡又叫做螺紋透鏡。你可不要小瞧了它,雖然很薄,但是聚光能力卻遠超同樣大小的凸透鏡。

菲涅爾透鏡通常由玻璃或者塑料製作而成,該透鏡一面是光滑的平面,另一面就是由一系列相套的同心凸起小透鏡構成。

菲涅爾透鏡的原理並不復雜。

眾所周知,光從一種透明介質傳播到另一種透明介質時,由於兩種介質存在差異,就會在交界面處產生折射。光透過凸透鏡時,折射也只發生於透鏡的表面。

根據這一思想,那我們把凸透鏡部分材料拿掉,僅保留透鏡表面的彎曲部分就行了,再讓分割出來的若干小曲面平移到同一個平面上,這樣就可以製造出更加薄的透鏡。這種設計雖然比凸透鏡複雜點,但是能夠節省材料,還能夠將透鏡做得很薄、很輕。

凸透鏡由於中間部分較厚,光線穿過時會發生一定程度的衰減。而菲涅爾透鏡的聚光效率比凸透鏡高很多,測試表明,菲涅爾透鏡最多只會損失20%的光。如果投射光源是平行光,匯聚後還能保持圖像各處亮度一致,且不會出現凸透鏡上的邊角變暗、模糊這種現象。

菲涅爾透鏡的聚光能力非常強大,如果你將一塊大號的菲涅爾透鏡置於太陽之下,凸面對準太陽,再將一塊薄鋼板置於聚光處,只需要持續一會兒,就能將鋼板燒穿。鋼鐵的熔點大約1500多攝氏度,可見菲涅爾透鏡的聚光能力真的是很強大。如果是凸透鏡,要想達到這種效果,就要做得很大,人根本搬不動,更別說拿在手裡了。

有優點,也會有缺點。菲涅爾透鏡雖然能夠當凸透鏡用,但由於菲涅爾透鏡的曲面部分是不連續的,因此對於一些成像精度要求比較高的場合,比如望遠鏡,就不適合用這種透鏡了。

菲涅爾透鏡是一種十分重要的光學元件,應用很廣泛,它的出現改變了現有的聚光照明設備。比如智能手機閃光燈上就有這種小透鏡,此外,交通信號燈、車燈、投影儀等設備上也有這種透鏡。

菲涅爾透鏡的種類也很多,如果將菲涅爾透鏡表面的同心圓換成平行棱,還能在一些特殊場合起到隱形的效果。

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