公司動（dòng）態

   塑料菲涅爾透鏡（jìng）應用背投影係統中，擴散屏幕前麵，可以顯著提高四周亮度，提高整體顯示亮度均勻性。菲涅爾透鏡也（yě）應用在光引擎中，校準透過LCD麵板的光（guāng）線，使光線聚焦後通過投影透鏡。不足之處是增加了透鏡成（chéng）本，重影現象（xiàng），菲涅爾環，莫爾條紋等（děng）。另外，雙折射控製在偏光敏感的應用（yòng）中也十分重要。

1. 介紹                                             

    一旦光（guāng）學（xué）係統中需要（yào）較大（dà）尺寸透鏡（jìng），通常采用菲涅爾透鏡。透鏡直徑（jìng）超過3或4英寸（76mm或100mm）時，玻璃透鏡的製造成本就相當可觀。如果是應用在顯示係統中（zhōng），另一個需要考慮的因素，就是透鏡重量和所占空間都不能（néng）過大（dà）。而菲涅爾透鏡可以做出很平薄，用塑料材料，體（tǐ）積輕，成本低廉。

    塑料菲（fēi）涅爾透鏡也（yě）不適合所有的大尺寸應用。因為它的特定結構表麵，以及塑料材料的熱機械性能限製，導致其精度無法達到某些科技要求（qiú），如（rú）天文設備中通常需（xū）要大尺寸透鏡。但是菲涅爾（ěr）透鏡在顯示應用中則相當完美。

2. 應用                                             

一個菲涅爾（ěr）透鏡（jìng）可以安裝在投影係（xì）統中，從而減少（shǎo）元器（qì）件（jiàn）的數量，體積、尺寸和成本（běn）。一般在（zài）單片式LCD投影機（jī）(single-panel LCD projector)中使用向場透鏡(Field lense)和聚光透鏡（jìng）(Condenser lense),使光線更有（yǒu）效地通（tōng）過LCD。這兩種透鏡在背投（tóu）顯（xiǎn）示器中屏幕係統中廣泛使用（yòng），使出光（guāng）更加（jiā）均勻。圖1:

    高射投影係統（Overhead projection system)中使用菲涅爾透鏡作為向場透鏡(Field lense)和聚光透鏡(Condenser lense)，在相機中，菲涅爾透鏡是重（chóng）要聚焦部件，能夠明顯提高亮度（dù）和分辨率。

    菲涅爾透鏡在背投電視係統中多處運用。包括向場透鏡（jìng）(Field lense)和聚光透鏡(Condenser lense),使光線更有效地通過LCD，然後在屏幕係統中使用一個大菲涅爾透鏡（jìng）使輸出圖象更加均勻。圖2.

    其他的應用包（bāo）括菲涅爾透鏡陣列，如移動探測係統中被動式紅外（PIR:Passive Infra Red)感應器，大型（xíng）的菲涅爾透鏡陣列也作為（wéi）太（tài）陽聚光器用於高聚光光伏（fú）係統。

3. 背投                                               

    菲涅爾透鏡被證明最佳應用就（jiù）是（shì）在投（tóu）影係統中（zhōng），其作（zuò）用就是準直光線和（hé）聚焦光線。圖3中有兩（liǎng）個例子說（shuō）明。

    菲（fēi）涅爾透鏡應（yīng）用在投影係統中的優勢就是，通過（guò）聚焦或調整光線準直從而增加增體（tǐ）顯（xiǎn）示亮度，圖3下麵一幅圖顯示了光（guāng）線從照明係統（燈泡、鏡子、集（jí）成器）出來後朝向LCD顯示器。照明光線將在靠近LCD麵（miàn）板（bǎn）時候轉向。如果取消準直鏡，光（guāng）線在穿（chuān）過麵板時會大量損（sǔn）失，顯示中會出現明（míng）顯的熱斑效應，降低顯示屏幕四周亮度。同樣，在LCD屏幕的另一麵（miàn），我（wǒ）們也必須將光線從麵板上集中到投影透鏡中。在觀（guān）看屏幕（圖3上麵）前使用（yòng）菲涅爾透（tòu）鏡所增加的亮度，在（zài）圖4中看光線分布（bù）。

          Figure 3 菲涅爾透鏡應用在投影係統中

               使用菲涅爾透鏡亮度提升

4. 菲涅爾透鏡                                         

4.1 背景

    菲涅爾透鏡是循環同心棱鏡折（shé）射結構，這些棱鏡的表（biǎo）麵結構的設計是為了能夠折射光線，通過改（gǎi）變傳統透鏡的曲麵為幾乎坍塌成平麵，通過這（zhè）種方式，菲涅爾透鏡的厚度大（dà）大（dà）降低，見圖5。

    同心棱鏡折（shé）射表麵結構成為Slope（傾（qīng）斜麵（miàn）） 和Draft (幹擾麵）。傾斜麵實際上接近於傳統非球麵透鏡的曲麵。理論（lùn）上，所有反射應該發生在傾斜麵上。為了使透鏡厚度變薄，相鄰工作麵之間的幹擾麵有必要設（shè）計（jì）成不相等高度，從而能夠把曲麵還原成平麵。光入（rù）射在幹（gàn）擾麵（miàn）上會在散落在成像麵上，除了使（shǐ）效率降低外，同（tóng）時會造成其他（tā）一些問題（如雜散光（guāng）：stray light和重影 ghosting）。

    合理設計幹擾麵以及菲涅爾透鏡方向，幹擾光損失可（kě）以降到最低。見圖6顯示了壓克力透鏡在隨（suí）著焦距在準直/顯示（shì）應用中對光線透過的變化。

    當準直（zhí）光線時，菲涅爾透（tòu）鏡結構麵朝向無（wú）窮共軛。這種方式的話，幹擾角可以設（shè）計出不影（yǐng）響光線路徑。圖6展示了如果應用在（zài）錯誤的方向，透鏡光透（tòu）過損失（shī）有多大。

4.2. 菲涅爾透鏡弊端(detriments)

4.2.1 重影

    菲涅爾透鏡應用（yòng）在顯示係統（特別是快速顯示係統）裏常見的一個問題就是存在重影。重影是一種非常（cháng）令人討厭的圖象遊（yóu）離，看起（qǐ）來象畫麵在（zài）屏幕上移位時的圖象複製。尤其是（shì）在高對（duì）比度圖象中尤為明（míng）顯，在文本顯示時絕對不能接受（shòu）的。

    重（chóng）影是由於（yú）菲（fēi）涅爾透鏡工作麵內部（bù）反（fǎn）射所造成的。光線從工作麵反射出，在通過透鏡平（píng）麵一側時發生內部（bù）全反射(TIR)，然後通過工作麵（miàn）或幹擾麵（miàn）從錯誤的方向出（chū）來，見圖七（qī）。盡管幹擾角度可以（yǐ）設計成不幹擾光的直線路徑，但重影反（fǎn）射出的光（guāng）仍然將不可避免地（dì）射到幹擾麵上。

    當透鏡（jìng）焦距/直徑比例較低（dī）時，壓克力正常發生內部反射的幾率從3.9%到10%以上。正常視頻應用中，這種比例的反射光（guāng）是覺察不出的。但（dàn）隻要一顯示銳度和高對比度（如文本顯示），重影圖象就十分明顯且令人覺得不舒服。另外菲涅爾透鏡內部多次反射還可能導致多（duō）重重影。

    目前有很多種方式能夠降（jiàng）低重影圖象的可見性。一（yī）個十分有效的方（fāng）式就是將透鏡材料染色。因為重影光線比圖象光線光路更長，根據Beer 法則，重影光線也更加稀薄。其缺（quē）點就是降低（dī）了（le）光線（xiàn）透過率。這在背投影應用中是不可接受的，因為背投影應用中最高原則就是最大限度保（bǎo）留亮度。

另外一種消除重影方法已經試驗成功，就是加深幹擾麵顏色。盡管很難（nán）做（zuò）到，但可以用（yòng）黑色吸收性材料僅將幹擾麵部（bù）分塗黑（hēi），因為大部分重影光強通過幹擾麵傳播，因此這樣能夠有效地消除重影。

    原則（zé）上，應用一種寬（kuān）帶抗反射（AR）塗（tú）層在菲涅爾（ěr）透鏡結構（gòu）麵，增加（jiā）了透過效率，能夠降低重影現象（xiàng）。但塗層應用卻還未完全成功實現，因為抗反射塗層功能角（jiǎo）度需隨著菲涅（niè）爾透鏡中心向外逐（zhú）漸變化，因（yīn）其結構麵的角度在（zài）變化。

4.2.2 Moir （莫爾條紋）

    當（dāng）不同的光強穿過菲（fēi）涅爾透鏡結構時會產生重疊（dié），從而產生明顯的莫爾條紋。當（dāng）應用在背投影顯示中，屏幕通（tōng）常由菲涅爾透鏡和柱麵鏡加（jiā）擴（kuò）散（sàn）劑組（zǔ）成，當成像元件被投（tóu）影到屏幕上，就（jiù）會產生很嚴重（chóng）假影。因此，菲（fēi）涅爾透鏡和擴散劑屏幕的（de）設計必須仔（zǎi）細考慮（lǜ）與係統成像元件的（de）節距匹配。圖八顯示了柱麵鏡條紋和菲涅爾透鏡園環產生的莫爾條紋。

4.3 測量 (Metrology)

    為了對菲涅爾透鏡在顯示中性能進行量化，需要新的測量方（fāng）法測量（liàng）重影和莫爾條紋現象。測量重影時使用CCD相機對準菲涅爾透鏡，高強光源（yuán）對準菲涅爾（ěr）透鏡中心，前麵蒙上一層帶小孔的不透明外罩，測（cè）量出有（yǒu）效的焦距是由孔位置與菲涅爾透鏡直徑比例（lì）決定（按圖9 F/#=F/D），CCD相機能夠自旋轉記錄擴散麵上亮（liàng）斑強度和重（chóng）影與強度的比例。 

    測量莫（mò）爾（ěr）條紋，目（mù）前采（cǎi）用均勻白光照射菲涅爾透鏡和柱麵擴散。裝置和上麵重影測（cè）量裝置很類似，但沒有外罩，CCD連續抓拍產生的摩爾條紋，黑光對白色邊緣的比例則是（shì）對比度。這種測（cè）量方法也可以進一步擴展至測量投影放大的光柵圖案到測試屏幕上（shàng）產生莫（mò）爾效果。