摘要：

　　塑料菲涅爾透鏡應用背投影系統中，擴散屏幕前面，可以顯著提高四周亮度，提高整體顯示亮度均勻性。菲涅爾透鏡也應用在光引擎中，校準透過LCD 面板的光線，使光線聚焦后通過投影透鏡。不足之處是增加了透鏡成本，重影現象，菲涅爾環，莫爾條紋等。另外，雙折射控制在偏光敏感的應用中也十分重要。

　　1. 介紹

　　一旦光學系統中需要較大尺寸透鏡，通常采用菲涅爾透鏡。透鏡直徑超過3 或4英寸（76mm 或100mm）時，玻璃透鏡的制造成本就相當可觀。如果是應用在顯示系統中，另一個需要考慮的因素，就是透鏡重量和所占空間都不能過大。而菲涅爾透鏡可以做出很平薄，用塑料材料，體積輕，成本低廉。

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

　　2. 應用

　　一個菲涅爾透鏡可以安裝在投影系統中，從而減少元器件的數量，體積、尺寸和成本。一般在單片式LCD 投影機(single-panel LCD projector)中使用向場透鏡(Field lense) 和聚光透鏡(Condenserlense)，使光線更有效地通過LCD。這兩種透鏡在背投顯示器中屏幕系統中廣泛使用，使出光更加均勻。圖1：

　　高射投影系統（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，菲涅爾透鏡是重要聚焦部件，能夠明顯提高亮度和分辨率。

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

　　其他的應用包括菲涅爾透鏡陣列，如移動探測系統中被動式紅外（PIR：Passive Infra Red)感應器，大型的菲涅爾透鏡陣列也作為太陽聚光器用于高聚光光伏系統。

　　3. 背投

　　菲涅爾透鏡被證明最佳應用就是在投影系統中，其作用就是準直光線和聚焦光線。圖3 中有兩個例子說明。

　　菲涅爾透鏡應用在投影系統中的優勢就是，通過聚焦或調整光線準直從而增加增體顯示亮度，圖3 下面一幅圖顯示了光線從照明系統（燈泡、鏡子、集成器）出來后朝向LCD 顯示器。照明光線將在靠近LCD 面板時候轉向。如果取消準直鏡，光線在穿過面板時會大量損失，顯示中會出現明顯的熱斑效應，降低顯示屏幕四周亮度。同樣，在LCD 屏幕的另一面，我們也必須將光線從面板上集中到投影透鏡中。在觀看屏幕（圖3 上面）前使用菲涅爾透鏡所增加的亮度，在圖4 中看光線分布。

　　4. 菲涅爾透鏡

　　4.1 背景

　　菲涅爾透鏡是循環同心棱鏡折射結構，這些棱鏡的表面結構的設計是為了能夠折射光線，通過改變傳統透鏡的曲面為幾乎坍塌成平面，通過這種方式，菲涅爾透鏡的厚度大大降低，見圖5。

　　同心棱鏡折射表面結構成為Slope（傾斜面） 和Draft (干擾面）。傾斜面實際上接近于傳統非球面透鏡的曲面。理論上，所有反射應該發生在傾斜面上。為了使透鏡厚度變薄，相鄰工作面之間的干擾面有必要設計成不相等高度，從而能夠把曲面還原成平面。光入射在干擾面上會在散落在成像面上，除了使效率降低外，同時會造成其他一些問題（如雜散光：stray light 和重影ghosting）。

　　合理設計干擾面以及菲涅爾透鏡方向，干擾光損失可以降到最低。見圖6 顯示了壓克力透鏡在隨著焦距在準直/顯示應用中對光線透過的變化。

　　當準直光線時，菲涅爾透鏡結構面朝向無窮共軛。這種方式的話，干擾角可以設計出不影響光線路徑。圖6 展示了如果應用在錯誤的方向，透鏡光透過損失有多大。

　　4.2. 菲涅爾透鏡弊端(detriments)

　　4.2.1 重影

　　菲涅爾透鏡應用在顯示系統（特別是快速顯示系統）里常見的一個問題就是存在重影。重影是一種非常令人討厭的圖象游離，看起來象畫面在屏幕上移位時的圖象復制。尤其是在高對比度圖象中尤為明顯，在文本顯示時絕對不能接受的。

　　重影是由于菲涅爾透鏡工作面內部反射所造成的。光線從工作面反射出，在通過透鏡平面一側時發生內部全反射(TIR)，然后通過工作面或干擾面從錯誤的方向出來，見圖七。盡管干擾角度可以設計成不干擾光的直線路徑，但重影反射出的光仍然將不可避免地射到干擾面上。

　　當透鏡焦距/直徑比例較低時，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，這種比例的反射光是覺察不出的。但只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重重影。

　　目前有很多種方式能夠降低重影圖象的可見性。一個十分有效的方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。其缺點就是降低了光線透過率。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留亮度。

　　另外一種消除重影方法已經試驗成功，就是加深干擾面顏色。盡管很難做到，但可以用黑色吸收性材料僅將干擾面部分涂黑，因為大部分重影光強通過干擾面傳播，因此這樣能夠有效地消除重影。

　　原則上，應用一種寬帶抗反射（AR）涂層在菲涅爾透鏡結構面，增加了透過效率，能夠降低重影現象。但涂層應用卻還未完全成功實現，因為抗反射涂層功能角度需隨著菲涅爾透鏡中心向外逐漸變化，因其結構面的角度在變化。

　　4.2.2 Moir （莫爾條紋）

　　當不同的光強穿過菲涅爾透鏡結構時會產生重疊，從而產生明顯的莫爾條紋。當應用在背投影顯示中，屏幕通常由菲涅爾透鏡和柱面鏡加擴散劑組成，當成像元件被投影到屏幕上，就會產生很嚴重假影。因此，菲涅爾透鏡和擴散劑屏幕的設計必須仔細考慮與系統成像元件的節距匹配。圖八顯示了柱面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，需要新的測量方法測量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，高強光源對準菲涅爾透鏡中心，前面蒙上一層帶小孔的不透明外罩，測量出有效的焦距是由孔位置與菲涅爾透鏡直徑比例決定（按圖9 F/#=F/D）， CCD 相機能夠自旋轉記錄擴散面上亮斑強度和重影與強度的比例。

　　測量莫爾條紋，目前采用均勻白光照射菲涅爾透鏡和柱面擴散。裝置和上面重影測量裝置很類似，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對比度。這種測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產生莫爾效果。