在我们日常的概念中,灯具的表面总是光滑透明的,这样才能保证更好的光线输出,然而细心的你一定早就注意到,手机的闪光灯往往设计成一圈一圈的同心圆,这样的设计有什么作用吗?
这个问题的答案很简单,这些圆环是一个独特的光学设计,叫做“菲涅尔透镜(Fresnel lens)”,顾名思义,这是法国物理学家兼工程师菲涅耳推广的光学设计。1823年,第一枚菲涅尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔(Phare de Cordouan)上,而同样的设计广泛应用于目前的手机闪光灯上。
闪光灯的功能为拍照时用更强的光照照射在物体上,保证镜头能够捕捉到更强的反光。为了尽可能利用灯管所发出的光线,需要将这些光线集中射向前方。
闪光灯的灯管发出的光自然是向任意方向散射的:
对于向灯管后方发射的光线,人们首先想到的是利用凹面反光镜:
上图可以看到,光源射向后方的光线(蓝色)被凹面反光镜聚集以后水平射向前方,但是射向前方和侧方的光线(黄色)只有一小部分,也就是真正笔直向前的可以照到被摄物体,其它方向的也全都散失了。为了解决这个问题,最简单的方法就是加深反光镜:
这样做虽然使得光线发射的问题得到改善,但是大大增加了闪光灯的厚度,并且还是有一部分光线(蓝色表示)散失了。因此这种方法一般用于探照灯这类对体积没有太多限制的设备。当然,我们还可以利用更复杂的光路系统,比如:
但这些系统都更加复杂,并且也非常厚,显然不能适用在闪光灯上。那么为了解决“闪光灯射向前方的光线发散”这一问题,人们很自然的想到了利用凸透镜:
为了使得透镜外表面与闪光灯外壳齐平,可以采用半球形的凸透镜:
但是凸透镜对于一些闪光灯来说仍然较厚,比如追求超薄的手机,因此人们就用更薄的菲涅尔镜来代替凸透镜。菲涅尔镜的构造如下:
这种神奇的镜片比凸透镜薄得多,但可以实现与凸透镜相同的光路:
除了更薄之外,菲涅尔镜还有更少的色差,因此,许多闪光灯(包括手机)上都会利用较浅的反光凹面镜和菲涅尔镜一起来实现“任何方向的光线都向前方汇聚”的效果啦。菲涅尔镜看起来是这样的:
手机闪光灯上同心圆