2012年12月19日

科學玩具-光學-菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)


1819年,從事光線與光學研究的法國物理學家菲涅爾,設計出適用於燈塔照明,但比傳統透鏡薄,卻能有相同的光學效能的新型組合透鏡。在這之前,燈塔所使用的探照燈光源不夠集中,亮度也不夠。1822年,這一款透鏡首度被使用在燈塔照明上,由於較能夠將所有的光線聚集在中央,讓在遠方的船隻也能看得很清楚,能發揮指引船隻的功能。
這是我到手的第一片 Fresnel 透鏡

透鏡本身是由聚烯烴材料注壓而成的薄片,一片好的透鏡必須是表面光滑,紋理清晰,鏡片表面一面為光面,另一面刻錄了由小到大的同心圓,不過每一圈的角度和厚薄程度都不一樣,基本上相當於傳統光學元件中的平凸透鏡,同樣有將一光束聚焦於一點的功能,其厚度一般在 mm 左右。它的紋理是利用光的干涉及擾射,和根據相對靈敏度和接收角度要求來設計的,特性為面積較大,厚度較薄及偵測距離遠。
上面是後來在高雄品美買的 Fresnel 透鏡書籤(40片/100元)

塑膠射出成型透鏡的優點:
1、依需求批次生產,價格較便宜。
2、可機械化大量生產。
3、形狀自由度高,可以設計成不同的款式,而非傳統的圓形透鏡樣式。

塑膠射出成型透鏡的缺點:
1、熱塑性聚合物的耐熱性差,常溫下使用就不是大問題。
2、硬度低,應避免與外界摩擦。
生活應用:聚光燈、投影機、汽車大燈、小尺寸放大鏡、紅外線人體感應器、各式書籤、自動門感應器、額溫槍、紅外線溫度計、LED照明等等。
其實在各地的大創(Daiso)百貨中也有販售專供閱讀用的 Fresnel 透鏡
還有提供放大倍率上的不同選擇哦(右上角圓形是4X,左側是2X)
一片才39元,但誠品書局可以賣到三四百元(大小不同?倍率不同?)

基本上,可以讓學生實作的部分,提供大家參考:
1、試著找出透鏡的中心點(可用目測,也可以用較嚴謹的科學方法)
2、試著測量出透鏡的焦距(光源可自選)
3、觀察物距不同時的影像呈現方式
4、放在針孔成像筒的小洞前,調整距離,讓光線集中後影像更清晰
5、將透鏡放在手電筒前,在暗室中可形成牛頓環的彩虹光圈,觀察光的色散
6、加入反射面鏡的組合來製作簡易型投影機
7、使用伸縮暗箱來做簡單的望遠鏡(或顯微鏡)
8、使用雷射光源觀察不同的角度所造成的光線偏折現象
9、將透鏡片彎曲後再用雷射光源穿透看看
10...

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