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   塑料菲涅爾透鏡應用背投影係統中，擴散屏幕前麵（miàn），可（kě）以顯著提（tí）高四周亮度，提高整體顯示亮度均勻性。菲涅爾透鏡（jìng）也應用在光引擎中，校（xiào）準透過（guò）LCD麵板的光線，使光線聚焦後通過投影透鏡。不足之處是增加了透（tòu）鏡成本，重影現（xiàn）象，菲（fēi）涅爾環（huán），莫爾條紋等。另外，雙折射控製在偏光敏感的應用中也十分重要。

1. 介紹                                             

    一旦光學係統中需（xū）要較大尺寸透鏡，通常采用菲涅（niè）爾透鏡。透鏡直徑超過3或（huò）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（xì）統中，另一個需要考慮的因（yīn）素，就是透鏡重量和所占空間都不能過大。而菲涅爾透（tòu）鏡可以做出（chū）很（hěn）平薄，用塑料材（cái）料，體積輕，成（chéng）本（běn）低廉。

    塑料菲涅（niè）爾透鏡也不適合所有的大尺寸應用。因為（wéi）它的特定結構表麵（miàn），以及塑料材料的熱機械性能（néng）限製（zhì），導致（zhì）其精度無法達到某些科技要（yào）求，如天文設備中通常需要大（dà）尺寸（cùn）透鏡。但是菲涅爾透鏡在顯示應（yīng）用中則（zé）相當完美。

2. 應用                                             

一個菲涅爾透鏡可以安裝在投影係統中，從而減少元器（qì）件的（de）數量，體積、尺寸和成本。一般在（zài）單片式LCD投影機(single-panel LCD projector)中使用向場（chǎng）透鏡(Field lense)和聚光透鏡(Condenser lense),使（shǐ）光線更有效地通過（guò）LCD。這兩種（zhǒng）透鏡在背投顯示器（qì）中屏幕係統中廣（guǎng）泛使用，使出光更加均勻。圖1:

    高射投影係統（Overhead projection system)中使用菲涅爾透鏡作為向場透（tòu）鏡(Field lense)和聚光透鏡(Condenser lense)，在相機中，菲涅爾透鏡是重要（yào）聚焦部件，能（néng）夠明顯提高亮度（dù）和分（fèn）辨（biàn）率。

    菲涅（niè）爾透鏡在背投電視係統中多處運用。包括向（xiàng）場透鏡(Field lense)和聚（jù）光透鏡(Condenser lense),使光（guāng）線更有效地通過（guò）LCD，然（rán）後在屏幕係統中使用一個大（dà）菲涅爾透鏡使輸出圖象更加均勻。圖（tú）2.

    其他的應用包括菲涅爾透鏡（jìng）陣列，如移動探測係統中被動（dòng）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（guāng）器用（yòng）於高聚（jù）光光伏係統。

3. 背投                                               

    菲涅爾透鏡被證明最佳應（yīng）用就是在投影係統中，其（qí）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係統中的優勢就是，通過聚焦或調（diào）整光線準直從而增加增體顯示亮度，圖3下麵一幅圖顯示了光線從照明係統（燈泡、鏡子、集成器）出來後（hòu）朝向LCD顯示器。照（zhào）明光線將在靠近LCD麵板時候轉向。如果取消準直鏡，光線（xiàn）在穿過麵板時會大量損失，顯示中會出現明顯的熱斑效應，降低顯示屏幕四（sì）周亮度。同樣，在LCD屏幕的另一麵，我們也必須將（jiāng）光線從麵板上集中到投影透（tòu）鏡中。在觀看屏幕（mù）（圖3上麵）前使用菲涅爾透鏡所增加的亮度，在圖4中看光線分布。

          Figure 3 菲涅爾透鏡應用在投（tóu）影係統中

               使用（yòng）菲涅爾透鏡亮度提升

4. 菲涅爾透鏡                                         

4.1 背景

    菲涅爾（ěr）透鏡是循環同心棱（léng）鏡折射結構，這些棱（léng）鏡的表麵結構的設計是為了能夠（gòu）折射光線，通過改變傳統透鏡的（de）曲麵為幾乎坍塌成平麵，通過這種方式，菲涅爾透（tòu）鏡的厚度大大降低，見圖5。

    同心棱鏡折射表麵（miàn）結構成（chéng）為Slope（傾斜麵） 和（hé）Draft (幹擾麵）。傾斜麵實際上接近於傳統非球麵透鏡的（de）曲麵。理論（lùn）上，所有反射（shè）應該發生在傾斜麵上。為了使透鏡厚度變薄（báo），相鄰工作麵之間的幹擾麵有必要設（shè）計成不相等（děng）高度，從而能（néng）夠把曲麵還原成（chéng）平麵。光入射在（zài）幹擾麵上會在散落在（zài）成像麵上（shàng），除了使效率降低外，同時會造成（chéng）其他一些問題（如雜散光：stray light和重影 ghosting）。

    合理設計（jì）幹擾麵以及菲涅爾透鏡方向，幹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（gòu）麵（miàn）朝向（xiàng）無窮共軛。這種方式的話，幹（gàn）擾角（jiǎo）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（sǔn）失有多大。

4.2. 菲涅爾透鏡弊端(detriments)

4.2.1 重影

    菲涅爾透鏡（jìng）應用在顯示係統（tǒng）（特別是（shì）快速顯示係統）裏常見的一個問題就是存在重影。重影是一（yī）種非常令人討厭的圖象遊離，看起來象畫麵在屏幕上移位時的圖象複製。尤其是在（zài）高對比度圖象中尤（yóu）為明顯，在文本顯示時絕（jué）對不能接受的（de）。

    重影是由（yóu）於菲（fēi）涅爾（ěr）透鏡工作麵內部反射所造成的。光線從工作麵反射出，在通過透鏡平麵一側時發生內部全反射(TIR)，然後通過工作麵或幹擾麵從錯誤的方向出來，見圖七。盡管幹擾角（jiǎo）度可以設計成（chéng）不（bú）幹擾（rǎo）光的直線路徑，但重影反射出的光（guāng）仍然將不可避免地射到幹擾（rǎo）麵上。

    當透鏡焦距/直徑比（bǐ）例較低時，壓克力正常發生內部反射的幾率從3.9%到（dào）10%以上。正（zhèng）常視頻應用中，這種（zhǒng）比例的反射光是覺察不出的。但隻要（yào）一顯（xiǎn）示銳度和高對比度（如文本顯示（shì）），重（chóng）影圖象（xiàng）就十分明顯且令人覺得不（bú）舒服。另（lìng）外菲涅爾透鏡內（nèi）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（jiàn）性。一個十分（fèn）有效的方式就是（shì）將透鏡材料染色。因為重影光線比圖象光線光（guāng）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（tóu）影應用中是不可接受的，因（yīn）為背投影應用中最高原則就是最大限度保留亮度。

另外一（yī）種消除重（chóng）影方法已經試（shì）驗成功，就（jiù）是加（jiā）深幹擾麵顏色。盡管很難做到，但可（kě）以用黑色吸收性材料僅將幹擾麵部分（fèn）塗黑，因為大部（bù）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。

    原則上，應用一種寬帶抗反射（shè）（AR）塗層在菲涅爾透鏡結構麵，增加了透過效率，能夠降（jiàng）低重影現象。但塗層（céng）應用卻還未完全成功實現，因為（wéi）抗反射塗層功能角度（dù）需隨著菲涅爾透鏡中心（xīn）向（xiàng）外（wài）逐漸變化，因其結構麵的角度在變化。

4.2.2 Moir （莫爾條紋）

    當不（bú）同的光強穿（chuān）過菲涅爾透鏡結構時會產生重疊，從（cóng）而產生（shēng）明顯的莫爾條紋。當應用在背投影顯示（shì）中，屏幕（mù）通（tōng）常由菲涅爾透鏡和柱麵鏡（jìng）加擴散劑組成（chéng），當成像元件（jiàn）被投影（yǐng）到屏幕上，就會（huì）產生很嚴重假影。因此，菲涅（niè）爾透（tòu）鏡和擴散劑屏幕的設計（jì）必須仔細考慮與係（xì）統成像元件的節距匹配。圖八顯示了柱麵鏡條紋和菲涅爾透鏡園環產生（shēng）的莫爾條（tiáo）紋。

4.3 測（cè）量（liàng） (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（cè）量（liàng）重影和莫爾條紋現象。測（cè）量重影時使用CCD相機對準菲涅（niè）爾透鏡，高（gāo）強光源對（duì）準菲涅爾（ěr）透鏡中心，前麵蒙上一層帶小孔的不（bú）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（dìng）（按（àn）圖9 F/#=F/D），CCD相機能夠自（zì）旋轉記錄（lù）擴（kuò）散麵上亮（liàng）斑強度和重影與強度的比例。 

    測量莫爾條紋，目（mù）前采用均勻白光照射菲涅爾透（tòu）鏡和柱（zhù）麵擴散。裝置（zhì）和上麵重影測量（liàng）裝置很（hěn）類似，但（dàn）沒有外罩，CCD連續（xù）抓拍產生的摩爾條（tiáo）紋，黑光對白色邊緣（yuán）的比例則是對比度。這種測量方法也（yě）可以進一步擴展至測量投影放大的光柵圖案到測試屏（píng）幕上產生莫爾效果。