菲涅耳透镜对平行光的成像特性分析

　　1　引　言

　　作为一种新型的光学元件,菲涅耳透镜在各个行业的许多领域中得到越来越广泛的应用[1]:如在太阳能利用方面,大口径的菲涅耳透镜作为聚光系统,可以尽可能多地吸收来自太阳的能量;在大屏幕投影中,使用菲涅耳透镜代替昂贵而笨重的球面透镜为准直投影系统,可以大大降低成本;在照相机行业中,已经普遍采用菲涅耳透镜为其取景系统;另外,在许多测量仪器中,由于特殊需要,菲涅耳透镜则是必然选择,如我们目前正在研制的海洋波浪坡度测量仪,其准直成像系统要求口径大(700mm),重量轻,还要求其厚度越薄越好,综观各种透镜,只有菲涅耳透镜能满足要求。

　　与传统的光学玻璃透镜相比,菲涅耳透镜具有重量轻、材料来源丰富、成本低、制作方便、口径大、厚度薄等特点,这些都是它能够在各领域中广泛应用的根本原因。虽然有这么多的优点,它并不能取代传统的光学透镜。比较起来,菲涅耳透镜的成像质量普遍不如传统光学透镜,尤其是对轴外点成像,当透镜口径较大时,像质是很差的。所以在选择使用菲涅耳透镜时,一定要考虑它的成像质量能否满足系统要求。下面我们对菲涅耳透镜的成像特性在理论上与实验上作了定量分析,并给出了相应的图表,以供相关的研究人员进行对照查找。

　　2　菲涅耳透镜的特点

　　2.1　菲涅耳透镜的结构特点[2]

　　菲涅耳透镜一般是一块其中一面刻有一系列同心棱形槽的轻薄光学塑料片,如图1所示。其每个环带都相当于一个独立的折射面,这些棱形环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点。因此,消球差是菲涅耳透镜的固有特点。

　　普通的菲涅耳透镜是具有正光焦度的平面型透镜,其中一个面为棱形槽面,另一个面是平面。这种透镜结构简单、加工方便。另一种形式为弯月型,即它的基面为曲面,其优点是为消像差增加了自由度,对提高成像质量有利,但工艺较复杂。另外,菲涅耳透镜还有透射式与反射式之分。菲涅耳透镜的棱形槽一般为每毫米2到8个槽。精密型的可达每毫米20个槽左右,这样使菲涅耳透镜完全有可能同以衍射极限为分辨力的一般透镜相比拟。通常菲涅耳透镜在整个直径范围内厚度基本相同,所以使用它能节省材料,减轻重量,也减少光吸收作用。

　　2.2　菲涅耳透镜的成像特点

　　菲涅耳透镜有非球面透镜的作用:在平行光垂直入射情况下,在其焦面上能得到一个无像差的会聚点。但对于轴外点像差则较大。作为准直透镜,表现在物方焦平面上轴外一点发出的光线经过透镜后不是绝对的平行光,而是有一定的空间发散角。作为聚光透镜则表现为斜入射平行光经过透镜后得到的不是一个理想无像差会聚点,而是一个有一定大小的弥散斑。倾斜的角度越大,弥散斑越大。