手機閃光燈同心圓里的秘密

宋凡

當我們仔細觀察手機的閃光燈時，會發現上面有一圈圈同心圓模樣的螺紋。這樣的設計有什么不為人知的玄機嗎？

閃光燈面臨的問題

手機電池續航能力不足，一直是制約智能手機進一步發展的絆腳石。要想掃除這個障礙，必須高效率地利用手機的高耗能器件，閃光燈便是其中的代表。

閃光燈作為一個普通的發光源，其發出的光線是發散的。為了提高能源的利用率，我們需要讓光線平行射出。為了實現這一目的 ，可以將光源放置在球心上，利用半球形的凹面鏡來實現，手電筒采用的便是這種設計。這樣的設計雖然巧妙，但由于光線的散射，會浪費掉近一半的能量。要提高能量的利用率，必然要增加凹面鏡的深度。能量利用率的問題雖然可以如此解決，但凹面鏡的厚度必然會增加，所需的容納空間也會增大，這顯然違背了電子產品小型化的發展要求。那么，怎樣才能解決這個問題呢？

手機是小型化電子產品的代表，因此它對閃光燈的重量和厚度都有特殊的要求。在手機閃光燈的選擇上，到底有著怎樣的小機關呢？

手機閃光燈必須要盡可能多地利用光源的能量，并減少光能在路徑上的損耗，如果成本也能做到低廉，那就更完美了。而要滿足這些條件，平凸透鏡必定是首選。平凸透鏡可以實現使光匯聚的功能，它有平面和曲面兩個表面，光線從平面一面入射，不會影響光線的傳播方向，只有透過曲面的時候，才會發生折射。既然曲面才是凸透鏡的功能結構，有沒有一種設計僅采取功能部分就能實現光線的匯聚呢？菲涅爾透鏡就完美地實現了這個功能，它不但提升了光能傳遞效率，還進一步削減了透鏡的厚度、重量和體積。

菲涅爾透鏡是一種螺紋透鏡，它將平凸透鏡的曲面部分微分成多個部分。從菲涅爾透鏡上方俯視，它的形態就如同一個凹陷的同心圓，看起來像一個盤子。將菲涅爾透鏡應用于手機閃光燈時，光源放在其焦點上，就可以在其平面一端得到一束平行光。利用菲涅爾透鏡，光線通過的材料的厚度會減小，從而減少光能損耗。菲涅爾透鏡的使用既可以減輕閃光燈重量，又可以減小其體積，滿足了手機對閃光燈“盡可能薄”的基本要求。與我們常見的平凸透鏡一樣，菲涅爾透鏡通常可以使用玻璃或者聚烯烴樹脂等材料制成，這也使得手機閃光燈的成本不再是問題。

菲涅爾透鏡除了能夠用于閃光燈外，它還在其他多個領域有所應用。

在光伏領域，如果使用平鋪的方法接收太陽光，我們不得不使用大量太陽能板。由于太陽能板面積巨大，為了縮減成本，我們只能使用效率不高的低成本太陽能板。大量太陽能板的制造廢料還會對環境造成嚴重污染。為了盡可能多地利用太陽能，同時減少對環境造成的污染，我們要盡可能采用高效率的太陽能板，而這種太陽能板的造價十分昂貴。但如果把傳統的太陽能板上的玻璃換成菲涅爾透鏡來實現對太陽能的聚焦，就可以使用遠小于傳統太陽能板接收面積的太陽能菲涅爾透鏡面板，達到較高的光電轉換效率。

除了在光伏領域的應用之外，菲涅爾透鏡在探測領域也有非常普遍的應用，比如用作紅外探測器的燈罩。紅外光雖然不可見，但它同樣也是一種電磁波。與太陽能接收裝置一樣，使用菲涅爾透鏡，可以大幅度地匯聚接收到的紅外光能量，同時也大大增強了探測裝置的靈敏程度。在實際應用中，紅外探測器的燈罩通常使用塑料進行制造，這大大減少了探測器整體的成本和重量。

既然菲涅爾透鏡的設計如此巧妙，我們不禁要問，為何還有很多傳統的應用仍然一如既往采用平凸透鏡呢？

盡管菲涅爾透鏡的優勢不容小覷，但在追求超薄的道路上，成像質量不佳也是其不可回避的問題。當我們要求更高的成像品質時，對菲涅爾透鏡的加工工藝也變得復雜。目前，數控技術中加工菲涅爾透鏡的能力還遠低于加工光滑表面的能力。在一些對成像質量要求特別高的產品中，打磨表面的技術，世界頂尖的機器都遠不如一個有經驗的技師的打磨能力和精度控制。所以，目前在眼鏡片、高級投影設備、攝影機鏡頭等領域還會保留平凸透鏡的使用。另外，在不考慮盡量利用能源、盡可能薄、體積小和價格便宜等因素時，平凸透鏡仍然是高成像質量的最佳選擇。