Fresnel公司菲涅尔镜使用手册：结构原理，无球差聚焦，材料性能参数，槽向选择，典型应用

菲涅尔透镜结构原理通过去除传统透镜中的体材料，在实现轻量化的同时保留了光学功能。其中，无球差螺纹透镜采用非球面设计，从根本上消除了球差，实现了从中心到边缘光线的一致聚焦。在实际工程中，阶梯透镜槽向选择直接影响光效与焦距，是系统设计的关键。透镜的最终性能则高度依赖于菲涅尔透镜材料性能参数，其决定了透射波段与环境适应性。基于这些特性，锯齿透镜应用已广泛覆盖准直照明、红外感应及屏幕增亮等领域。作为菲涅尔镜行业专业供应商，Fresnel Technologies定制菲涅尔透镜服务可为不同光谱范围与应用场景提供针对性解决方案。

一、菲涅尔透镜结构原理与球差校正特性

菲涅尔镜的核心设计思想源于一个基本光学事实：传统透镜中，只有折射面的轮廓决定其聚焦性能，两个折射面之间的体材料对光线的会聚并无实质贡献，仅增加吸收损耗。基于这一菲涅尔透镜结构原理，菲涅尔镜通过移除一组同轴环形圆柱体材料，将传统透镜压缩为薄片结构，仅保留有效折射面，从而在保持光学功能的同时大幅减轻重量、减少吸收（见图1）。

图 SEQ 图 \* ARABIC 1菲涅尔透镜结构图。

正焦距菲涅尔镜几乎均为平凸形式。其曲面轮廓由两部分交替构成：正圆柱部分（垂直台阶）不参与光学作用，而圆锥形“槽”则是实际的有效折射面。靠近透镜中心处，槽面几乎与平面平行；随着向边缘延伸，槽面逐渐变得陡峭，尤其在低f数透镜中更为明显。每个槽面实质上是原始非球面曲面向透镜平面方向平移后的一部分，其角度也经过微调，以补偿平移带来的光程变化，这是菲涅尔透镜结构原理在工程实现中的关键细节（图1）。

球差校正是菲涅尔镜的重要特性之一。传统球面透镜因不同孔径区域的光线会聚于光轴不同位置而产生纵向球差，如图2所示，一个f/1.3的平凸球面透镜表现出显著的球差。而无球差螺纹透镜从设计之初即采用非球面轮廓，其表面曲率沿径向连续变化，使通过透镜任意位置的光线均会聚于同一点，从而实现螺纹透镜无球差聚焦（图3）。因此，无球差螺纹透镜更准确的描述是“天生无球差”，而非“经过球差校正”。

图2 纵向球面像差图

图3 非球面透镜上焦点的图示。

这种非球面设计结合透镜的薄型结构，使得无球差螺纹透镜能够实现远大于传统球面透镜的孔径（更小的f数），同时保持优异的光学性能。如图4所示，与传统非球面透镜相比，菲涅尔透镜结构原理带来的主平面间距可以忽略，其有效焦距直接由槽面算起，结构更为紧凑。

二、槽向、共轭、f数与孔径

       槽向选择：阶梯透镜通常针对槽面朝向准直光束、平面侧朝向焦点（槽“朝外”）进行校正。此时两个表面均参与折射，光学性能最优。阶梯透镜槽向选择中若采取槽面朝向焦点（槽“朝内”），外缘槽面与平面夹角较小，对透镜翘曲、倾斜或光线不平行更为敏感，收集效率降低。若将槽“朝外”透镜反用（槽“朝内”使用），焦距会因槽角较大而略有缩短，离轴性能有所改善，但外缘部分可能发生全内反射，造成约f/1以外区域失效。

共轭比：透镜两侧光线会聚点称为共轭点。大多数阶梯透镜针对焦距与无穷远共轭设计，槽侧朝向无穷远共轭。部分产品针对有限共轭设计，如共轭比3:1（槽侧朝向较长共轭）。有限共轭下的像距i和物距o满足1/f = 1/i + 1/o，当共轭比为3:1时，两共轭点分别为4f和4f/3。即使透镜为特定共轭比设计，也可用于其他比例，引入的误差通常较小。

f数与孔径：阶梯透镜通常具有比传统透镜更小的f数（更大的相对孔径），这既是其优势，也带来更严格的装配和对中要求。低f数时，边缘槽面陡峭，对加工精度和入射光平行度要求更高。这种大孔径特性与菲涅尔透镜无球差聚焦优势相结合，使其在大口径聚光系统中具有不可替代性。

       在具体工程应用中，阶梯透镜槽向选择需结合共轭比综合考量：槽“朝外”配置适合准直场景，槽“朝内”配置则在特定离轴应用中具有优势。此外，阶梯透镜槽向选择还会影响透镜的有效焦距和光效，槽“朝外”使用时光学性能最优，是大多数标准产品的默认配置。

三、菲涅尔透镜材料性能对比

菲涅尔透镜的性能高度依赖于基材选择，菲涅尔透镜材料性能参数直接决定了其适用场景。Fresnel Technologies针对不同应用需求，提供三种标准可见光材料（丙烯酸、聚碳酸酯和硬质乙烯基）和七种红外材料（POLYIR®1-7）。对于红外应用，菲涅尔透镜材料性能参数尤为重要：POLY IR®系列材料在8–14 μm波段具有优异透射率，是人体感应和红外探测的首选。标准材料的参数如表1所示，透射特性如图4所示。红外材料的参数如表2所示，透射特性如图4所示。

表1 标准材料性能对比表

表2 POLYIR®系列红外材料性能对比表

图4 各种塑料材料的透射特性图

标准材料选型建议：

- 丙烯酸：92%透过率，户外不变黄，通用型首选

- 聚碳酸酯：耐温120°C+抗冲击，恶劣环境专用

- 硬质乙烯基：可模切、折射率高，低价异形定制，但新设计建议优先选聚碳酸酯

红外材料选型建议：

选择菲涅尔透镜材料时，建议按以下顺序评估菲涅尔透镜材料性能参数：

- 光谱匹配：材料透射范围是否覆盖应用波段

- 使用温度：最高工作温度是否低于材料耐受上限

- 环境耐受性：日光、酸碱、溶剂等化学环境影响

- 机械性能：是否需要高抗冲击或特定硬度

- 成本与可加工性：大批量生产时的经济性考量

四、产品类型、定制服务、典型应用及安全注意事项

1．产品类型

Fresnel Technologies提供多种标准光学元件，包括：

- 菲涅尔透镜：正焦距和负焦距，多种尺寸和焦距，可提供毛坯或定心圆盘

- 柱面菲涅尔透镜：仅在一个维度聚焦，f数介于f/1至f/2之间，正负焦距可选

- 菲涅尔棱镜阵列：由多个小棱镜组成，可实现光束偏转

- 六边形透镜阵列：采用传统小透镜或菲涅尔小透镜，适用于大孔径、短焦距场合

- 矩形透镜阵列：方形阵列，槽面可朝向无穷远或光滑面朝向无穷远，适用于LED照明、光电二极管阵列跟踪等

- 柱透镜阵列：一维扩散器，f数从f/1.2至f/5.4，可用于3D摄影

- 交叉柱透镜阵列：在板材两面模制柱透镜阵列，实现二维扩散

2．Fresnel Technologies定制菲涅尔透镜

Fresnel Technologies定制菲涅尔透镜，包括透镜磨砂处理、标准透镜特定修改、漫射表面、定制透镜阵列模具与生产、透镜切割成定制形状、定制材料开发等。

3．锯齿透镜应用

- 准直器：将点光源转换为平行光束，槽面朝向较长共轭侧时光学效果最佳，总透光率可达90%，这是锯齿透镜应用之一

- 收集器：将平行光束聚焦于一点，槽面朝向无穷远共轭侧为光学优选配置，需考虑边缘光线的菲涅尔反射损失及沟槽台阶造成的散射和遮挡损耗

- 聚光镜：将光源聚焦于投影镜头内，用于投影仪、幻灯机等系统，当透镜速度过快（f/小于0.5）时可将两片锯齿透镜槽面相对组合，合成焦距为两片透镜焦距的几何平均值

- 场镜/屏幕增亮器：重定向磨砂背投影显示屏边缘的光线至观察者眼睛，消除屏幕中心的“热点”，槽面需朝向光源侧（即较短共轭侧）

- 放大镜：形成位于明视距离（25 cm）的虚像，角放大率约为250mm/f，可实现1.2×至1.5×的低倍放大，具有无畸变、可双眼立体观察的优点，在强光源、激光器或阳光下使用需格外谨慎

- 成像：通常不推荐用于可见光波段成像，因不连续表面对波前的破坏会降低成像质量，彗差和色差随f数减小而恶化，仅适用于光线严格平行于光轴（如激光测距仪）或成像于大尺寸探测器（如热释电探测器、热电堆）的场合

- 近红外应用：丙烯酸、聚碳酸酯等材料可用于约1.3 μm以下的近红外波段，折射率略有降低但色散不强

- 被动红外应用：收集人体及其他温血动物发射的8–14 μm红外辐射，需使用POLY IR®系列红外透射材料，是红外域锯齿透镜应用场景

- 太阳能收集：作为光伏电池或电池阵列的聚光器使用，但因焦平面存在破坏性“热点”，不推荐用于此用途

4．安全注意事项

- 在阳光下使用菲涅尔透镜时，太阳的影像极易引燃易燃材料，并可能损伤非易燃材料

- 特别注意保护衣物、皮肤和眼睛，避免阳光或激光直射

- 在强光源、激光器附近使用放大镜功能时需格外谨慎

- 全内反射造成的“镀银”现象表明该部分透镜已失效，不应继续用于关键光路