什么是菲涅尔区板？

菲涅尔区板是一种由多个同心环组成的衍射元件，这些环交替出现透明和不透明区域，用于聚焦光线或其他波动对象。它们最初在19世纪由法国科学家奥古斯丁-让·菲涅尔描述，因此得名“菲涅尔区板”。区板在摄影中作为成像镜头使用，代替传统镜头或针孔，以创造出迷人且柔和的图像。

与折射或反射不同，区板利用衍射原理。区板由多个称为菲涅尔区的径向对称同心环组成，这些环在不透明和透明状态之间交替。区板是圆形衍射光栅，径向方向上线密度逐渐增加。当透明环通过偶数菲涅尔区时，透明环允许光线通过，而不透明环则阻挡奇数菲涅尔区。相反，不透明环阻挡偶数区，透明环则允许光线通过奇数区。照射到区板上的光线将在不透明区域周围衍射，起到聚焦镜头的作用。为了在适当的焦点上创建图像，区板的区域可以间隔设置，使得衍射光在此处产生建设性干涉。图1展示了一个菲涅尔区板。

图1: 菲涅尔区板

设P为位于一定距离的屏幕上的点，该点具有最亮的衍射光强度（光束在此处聚焦）。光线通过区板的不同位置，会导致到达点P的光的相位变化。选择环的方式使得在P点，所有通过透明环的光相位都在某个范围内，约为π。这表明，所有通过透明区域并到达P的光不会相互抵消。尽管经过区域内外边缘的光在到达P时处于反相，但这将是光的极小成分。因此，从区域的内外边界到达P的光存在半波长的路径差。

菲涅尔区板的计算

对于完全平行的光束，菲涅尔数表示为

当Z > A时，给出

其中A为光束的径向大小 

Z为光束到观察点的距离。

随着Z的增加，菲涅尔数会减小。

当菲涅尔数较低（小于1）时，观察点的光束被认为处于“远场”，与入射光束相比。而当菲涅尔数大于1时，观察点的光束被称为“近场”。

对于非平行光束，如果观察点距离焦点较近，收敛光束的菲涅尔数将极低。由于没有任何区域的相位达到π，完全球形的聚焦光束将具有零的菲涅尔数。随着观察点远离焦点区域，菲涅尔数会增加。

菲涅尔区板的应用

菲涅尔区板在摄影中代替镜头或针孔使用。它被提议作为枪瞄准器或目标激光的廉价替代品。区板被用作成像镜头、反射器以及激光聚焦元件，具有多种应用，如微加工、材料处理和科学实验。

菲涅尔区板常用于荧光显微镜中，以高分辨率成像小型生物结构。它们也用于x射线成像，生成高分辨率的物体图像，适用于研究材料的内部结构或医学成像应用。

菲涅尔区板用于光学实验，以研究和观察光产生的干涉图样。这也可以用于聚焦阳光进行太阳能收集，从而提高太阳能电池板的效率。