石頭都能熔化，聚光產(chǎn)生上千度高溫，神奇的菲涅爾透鏡

機極級技

相信很多小伙伴都玩過用放大鏡來聚太陽光，通過將太陽聚光后，很快就能達到非常高的溫度。

小時候知道放大鏡這個功能后，就會用它去做各種破壞實驗，如點火柴，燒紙，燒木頭，還會用它來燒螞蟻，馬上也能讓其沒有反應，相信很多小伙伴都干過這樣的事吧。

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不過，要說聚光能力有種鏡子可是比放大鏡要強得多，這種鏡子的名字叫菲涅爾透鏡。

什么是菲涅爾透鏡‍

其實，從這個名字就可以猜出一二，它是一個叫菲涅爾的法國人發(fā)明的，其形狀就像一圈圈的螺紋，所以又被稱為螺紋透鏡。

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菲涅爾透鏡一般是由塑料或者玻璃制成的，其一面非常光滑，而另一面則是有許多微型凸起的透鏡，這些凸起由小到大按等間距排列的，形成螺紋一樣的紋理。

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雖然我們平時可能見到的菲涅爾透鏡不多，但是其在國防，航空，交通，工業(yè)生產(chǎn)以及民用等各個領域中都有廣泛的使用。

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菲涅爾透鏡的歷史‍

在人類航海時期，作為標志性建筑，燈塔起到了非常重要的作用，一直在指引著人類不斷探索未知的世界，而在燈塔中最重要的并不是塔，而是燈，準確的說應該是燈中的透鏡。

水手們依靠燈光導航已有2000多年的歷史了，當時的人們通過燒鯨魚油來為漁船提供指引方向的光亮，這些燈塔也成為港口重要的信標。

隨著海上旅行和商業(yè)的增長，燈塔的數(shù)量和質(zhì)量也隨之增加，磚和金屬燈塔取代了木制平臺，燃燒更亮的油燈取代了簡單的柴火或煤火，雖然它們能為船只指引方向，但燈光的照射距離還是很有限的。

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直到1822年，當時法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅爾（Freh-nel）發(fā)明了一種新的透鏡，該透鏡設計將徹底改變燈塔的光學特性，讓船只的航行更加安全，成為真正的指路明燈。

1823年，第一個菲涅爾透鏡被用在吉倫特海口的哥杜昂燈塔上；用菲涅爾鏡片制造的燈極大地提高了燈塔的效率，在其發(fā)明之前，最明亮的燈塔光束只能在12至20公里外看到，菲涅爾透鏡發(fā)出的光可以一直照射到32公里外。

如今不光是燈塔，像我們?nèi)粘Ｋ玫慕煌ㄐ盘枱簦嚽盁舳加袘茫瓦B一些手機上使用的閃光燈都能看到一圈圈同心圓，也是使用了菲涅爾透鏡。

菲涅爾透鏡的特性和原理‍

菲涅耳透鏡分為不同的尺寸，如常在燈塔上使用的，一階鏡頭是最大，功能最強大的鏡頭，直徑超過1.8米，它的光束主要用作海岸燈，在出海32公里處可見，第六級鏡頭是最小的鏡頭，僅約30厘米寬，用于港口和航道。

菲涅爾透鏡比傳統(tǒng)光源聚光效率要高得多，經(jīng)過測試表明，用明火會損失近97％的光，使用反射鏡會損失約60-80％的光，但是，菲涅爾透鏡最多只會損失20％的光。

菲涅耳透鏡的另一個特點是，它能夠制造出獨特的單個圖案，或者是組合圖案，這讓其使用的范圍也就更廣。

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相對于普通的透鏡，菲涅爾透鏡更輕，更薄，聚光能力更強，所以相對的成本也就會更低。

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菲涅爾透鏡從平面上看，就像有無數(shù)多個同心圓組成的玻璃，其聚焦效果卻超過了凸透鏡，如果投射光源是平行光，匯聚投射后能夠保持圖像各處亮度的一致。

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通常使用普通的凸透鏡聚光時，會出現(xiàn)邊緣變暗和模糊，這是因為光的折射只發(fā)生在凹透鏡的交界面，由于其鏡片較厚，所以光在玻璃中傳播就會出現(xiàn)光線衰減。

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如果能夠讓光線只發(fā)生折射，這樣不但能夠節(jié)約材料還能達到更好的聚光效果，菲涅爾透鏡就是采用了這種原理。

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根據(jù)光的折射只是在空氣和玻璃的界面發(fā)生，通過將透鏡曲面內(nèi)部掏空，只保留發(fā)生折射的部分，然后再讓它“塌陷”到一個平面上接受光線，所以，螺紋狀的菲涅爾透鏡每一個凹槽都能成為一個獨立的透鏡。

菲涅爾透鏡的隱身能力‍

菲涅爾透鏡不但有著強大的聚光能力，現(xiàn)在有人還發(fā)現(xiàn)它的另一個強大的功能，那就是隱身。

其實，將菲涅爾透鏡同心圓換成平行棱狀，這樣就能改變?nèi)肷涔獾慕嵌龋瑢㈢R面外的畫面折射到正前方，從而達到隱身的效果。

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但是，這種隱身也只能改變水平方向的物體，當被隱形的物體與平行棱垂直時就不能達到隱形的效果。

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所以說，菲涅爾透鏡的這種隱身能力，就好像給視覺物體加上了較高的模糊效果，并不能達到真正的隱身，但它的這種功能還是能在一些領域得到應用。

菲涅爾透鏡的發(fā)明的天才之處在于，它在亮度，距離，效率和識別性等多個方面改進了現(xiàn)有的照明和聚光設備。

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由于它擁有的這些特性，很容易忽略其鏡片本身的美感，其實菲涅爾透鏡所具有的立體輪廓相對于普通透鏡，應該算是一件藝術(shù)品吧。

菲涅爾透鏡聚光實驗‍
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下面就來看一組菲涅爾透鏡強大的聚光實驗（大號的菲涅爾透鏡）

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將一張菲涅爾鏡片凸面對著太陽，聚光處放一張水泥板，讓一塊木頭從聚光處劃過，木頭瞬間就會冒煙，水泥板上還會有熔化和發(fā)黑的現(xiàn)象。

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又將一瓶啤酒放在聚光處，玻璃瓶首先開始熔化冒煙，瓶中的啤酒也開始沸騰，最后就是整個啤酒瓶炸裂，整個過程就在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生。

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在聚光水泥板上打一個生雞蛋，3秒鐘就能達到9分熟，撒上調(diào)料就可以吃了。

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最后再來個狠的，把光線聚焦到石頭上會怎么樣？（火山巖石）

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持續(xù)了一會，巖石上面已經(jīng)熔化了，聚光后溫度達到了1650攝氏度。

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玩是挺好玩的，但也要注意安全哦，千萬不能照到身上了。

參考資料：維基百科，USA National Park Service

文中圖片截取自Youtube《pixabay》《Fresnel Lens》

文中g(shù)if截取自Youtube《Fresnel Lens Section Animation》

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制造原理

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厲害👍