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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。 - _+ n ]; i; T4 P( r6 y7 W4 F
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。 * N$ `/ \: @! |4 L
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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。 " b N$ j# ` o3 s) r
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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, U8 X! s) `% n; K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，工業生產以及民用等各個領域中都有廣泛的使用。 / T3 G, o* R+ n+ a
菲涅爾透鏡的歷史‍
, s4 k: A8 ~( n4 ~; e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。
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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。 6 v( P: Z1 O8 F( `
隨著海上旅行和商業的增長，燈塔的數量和質量也隨之增加，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。 " y5 W' l' D n7 R
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8 E {$ J( i' P- t: b$ O7 t8 q直到1822年，當時法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅爾（Freh-nel）發明了一種新的透鏡，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。 / D- R2 m( Z% L) L8 m; w8 c
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，菲涅爾透鏡發出的光可以一直照射到32公里外。 ![]() # n2 U; r" q" s; Z% Z) X: i3 w
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如今不光是燈塔，像我們日常所用的交通信號燈，汽車前燈都有應用，就連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‍8 }2 Q4 l5 l* Y8 t: Z9 E
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。
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菲涅爾透鏡比傳統光源聚光效率要高得多，經過測試表明，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。 3 h0 k, x: J* j% a
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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X' E1 F1 ^( |菲涅爾透鏡從平面上看，就像有無數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。 * G1 y( }# d" \0 q& m4 b8 v
通常使用普通的凸透鏡聚光時，會出現邊緣變暗和模糊，這是因為光的折射只發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光線衰減。 # Q# V6 B8 q6 R7 y0 e" v
如果能夠讓光線只發生折射，這樣不但能夠節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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% y2 T' q E2 @$ M9 q: a根據光的折射只是在空氣和玻璃的界面發生，通過將透鏡曲面內部掏空，只保留發生折射的部分，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。 ; p4 s: j+ v+ F7 K8 a m& I- U
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, A9 V: V$ P2 [, f, q9 i菲涅爾透鏡的隱身能力‍1 f5 P2 L3 T: C5 c& ~* P8 l6 W. @
菲涅爾透鏡不但有著強大的聚光能力，現在有人還發現它的另一個強大的功能，那就是隱身。
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其實，將菲涅爾透鏡同心圓換成平行棱狀，這樣就能改變入射光的角度，將鏡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。 ) w4 f* ?8 R; p# g; O: ]; v
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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有的照明和聚光設備。 $ B# `1 u& c* S
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" |( b$ c4 ^4 i1 b5 Y( p4 U8 ]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，應該算是一件藝術品吧。 & J' v/ o& j' G9 l1 M
菲涅爾透鏡聚光實驗‍
4 c+ H7 s6 E j- I0 X+ t( X! a+ W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黑的現象。 2 j3 G7 I. v- Q+ @
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' X- K) Z9 |5 l* |4 {5 ~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發生。
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4 F) X. C6 J* f/ O7 r( O7 ]在聚光水泥板上打一個生雞蛋，3秒鐘就能達到9分熟，撒上調料就可以吃了。 9 J0 T3 ? o+ _2 |5 y
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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） # u. f. }" w0 Q
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持續了一會，巖石上面已經熔化了，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。
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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gif截取自Youtube《Fresnel Lens Section Animation》
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發表于 2022-11-14 10:13:40
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