有许多教科书都说:菲涅尔波带片有聚光的作用,类似一个普通透镜,因此又称菲涅尔透镜(比如梁铨廷:物理光学,电子工业出版社第3版:P217)。其实 这个讲法并不准确。菲涅尔透镜和菲涅尔波带片不是一回事。请读者下载附件:刘锡印介绍的《菲涅尔透镜》(PDF格式)。
菲涅尔透镜又称螺纹透镜,由法国物理学家A.J.菲涅尔于1820年首先研制成功,并应用于灯塔上。可以认为它是通过改造普通透镜(展平,挖去多余的不产生光程差的部分)得到的。
光线经过玻璃透镜时会发生折射现象。仔细观察一块放大镜,就会发现,实际上能够改变光线传播方向的,只是透镜与空气的界面。透镜中间相同厚度部分对光程差没有贡献,光线经过这一部分时,方向没有改变。因此,可以拿掉这一部分,将不会影响透镜对此区域光线的偏折作用。假设挖掉这一部分(该区域为一个圆盘),为了保证透镜与空气的界面形状不变,相当于要把剩余部分保留并平移,使它的底面与透镜原来的底面重合。这就是含有两个螺纹的菲涅尔透镜。
对中心部分再进行上述处理,就可以得到多螺纹的菲涅尔透镜。为了使改造后的透镜与原来透镜的曲面形状尽量一致,就要把每一个螺纹环做得尽量窄,螺纹环的数量因此而增加。
由于每个球面锯齿仍然具有平凸透镜的球面和平面,因此它与平凸透镜一样,具有对光的会聚作用。螺纹透镜可以用塑料、有机玻璃等材料通过模具热压而成,具有成本低,重量轻,厚度薄,对光的吸收少,便于大规模生产等优点。
如果把各环带的球面曲率半径按消球差的要求进行加工,这样的菲涅尔透镜就可以做到孔径大而无球差,其相对孔径(直径与焦距之比)可达1:1或1:0.8。
但是,由于螺纹透镜的一个表面带有突变的锯齿形,所以出射光的波面也是不连续的,它只能用作几何成像的元件,成像质量也不易提高。在成像质量要求不高的场合,螺纹透镜可用作放大镜或聚光镜。菲涅尔透镜可作成名片大小的放大镜,用来阅读书报。舞台照明、汽车前灯、电影机光源等照明灯具中可作为大孔径聚光镜。投影仪的大孔径聚光镜也是螺纹透镜。
采用类似的原理,菲涅尔透镜也可以做成发散透镜。
至于菲涅尔波带片(Fresnel zone plates),它是根据光学中惠更斯一菲涅尔原理制成的。
在透明胶片上作一组同心圆,使各圆半径之比满足一个特定的条件(使相邻环带的光程差均为波长的一半,“半波带”由此得名),把奇数(或偶数)半波带涂黑,使偶数(或奇数)半波带透光,就成为一个菲涅尔波带片。用照相方法可使半径按比例缩小,以达到衍射光栅的要求。
波带片的焦距与光的波长有密切关系。因此,发白光的物体在波带片后面不同位置会得到不同颜色的像,而看不到白光的像。同一物体会得到许多组像,有实像,也有虚像。而菲涅尔透镜则与平凸透镜一样,能够得到白光的像。
于螺纹透镜与波带片结构不同,外观也有所区别,波带片看起来稍暗一些。
现在可以用全息方法,按照波带片的半径比,制成衍射光栅,但各环带之间不是黑白相间,而是从黑到白、再从白到黑的明暗程度按照正弦规律分布,这样的光栅可以象平凸透镜那样只成一个像,称为全息透镜。
相关的英文介绍见:http://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_lens
http://en.wikipedia.org/wiki/Zone_plate