約略在1822年，法國物理學家奧古斯丁·菲涅爾(Augustin Jean Fresnel)發明的薄透鏡設計方法，一般簡稱菲涅爾透鏡(Fresnel一字中的s，在法文是不發音)；此設計初始應用於燈塔的準直透鏡，在大孔徑的需求之下，菲涅爾透鏡可以設計比傳統準直透鏡來得減薄許多，可以實現更大且短焦距的準直透鏡，就能大幅增強投遠燈的能量，一時之間，廣泛的應用在投遠燈的設計(燈塔的信號燈即為一例)。

上述是標準的菲涅爾透鏡的緣起，標準的菲涅爾透鏡，意思是透鏡的一面帶鋸齒狀的結構，另一面是平面或略為弧面的透鏡，基於此「鋸齒」的透鏡概念，延伸出許多變形的菲涅爾透鏡，舉如警示燈常用的柱狀菲涅爾(cylinder type fresnel lens)，或稱為標燈型菲涅爾透鏡(Beacon fresnel lens)，如圖一所示。

圖一 柱狀菲涅爾透鏡的應用 - beacon fresnel lens light

菲涅爾透鏡的發展與應用，在愈來愈多領域受到關注，以及持續的變化，從前述的標準型(圓狀)，到立體的變化(柱狀)，還有其他的變化，例如把菲涅爾透鏡的截面設計，做一維的伸長，此種菲涅爾透鏡，稱之為線性菲涅爾透鏡( linear fresnel lens)，該透鏡外觀如圖二所示[1]。線性菲涅爾透鏡的光學表現的特徵是把點光源轉換成線性光斑，常用應用在光型太陽能裝置；其他還有應用到驗鈔機的線性光斑光學件，以及航空器使用到的抬頭顯示器(HUD)，也能見到線性菲涅爾透鏡的應用。

圖二 線性菲涅爾透的外觀結構圖[1]

基於線性菲涅爾透鏡，后續有學者再延伸至變形式線性菲涅爾透鏡，如Ralf and Akio等學者發表的期刊論文[2]，設計如圖三所示，該設計把平面式的線性菲涅爾，做一個凸狀面的線性菲涅爾的透鏡結構，利用邊際光束理論的數值方法，可得到更佳的線性光斑的效果，把能量集中比做得更佳，截止更好，更高效率應用於集光型太陽能裝置。

圖三 變形式線性菲涅爾透的外觀結構圖[2]

菲涅爾透鏡的發展，最初十九世紀時，當時並沒有很明確的非成像光學的概念，時值當下，是成像光學快速發展的年代，著名的高斯光學(1841)也是在該年代快速發展，十九世紀是光學科學領域偉大的世紀，光的波動性質、馬克士威方程式(Maxwell’s equation)，乃至於光電效應的量子光學基礎，都在此年代開始偉大的詩篇[3]。
菲涅爾透鏡的發展是從成像理論出發，自然應用者會把關注的重點，擺放在成像的產品；以成像理論的觀點來看，菲涅爾透鏡，其實就是成像透鏡，他是用來取代單鏡片的成像透鏡，只是可以變得更薄；瞭解此中心概念，可以直接理解，任何單鏡片的成像產品，都可以置換成等效的菲涅爾透鏡，舉例菲涅爾放大鏡(如圖四舉例)和PIR lens，PIR lens的原理和應用，本站另外有專頁做詳細介紹，在止不多贅述。
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圖四 菲涅爾放大鏡舉例[3]

在20年之前，菲涅爾透鏡曾廣泛應用至汽車前大燈，主要有兩大項的應用，首先，把從凹面鏡反射出來的平行光，透過菲涅爾透鏡做偏轉的效果，如圖五所示，光學效果除了照亮前方的路面之外，也能起到防止前方和對向的人車造成眩光；第二項的光學效果是把點光源的發光，轉換成接近平行光的效果，如圖六所示，再配合擴散花紋光學件，完成配光效果；可惜此類設計方法已被時代淘汰，2000年之后，LED和雷射光源快速發展，智能式車前燈的快速發展，菲涅爾透鏡的優勢已不再具吸引力。

圖五 偏向的光學效果舉例[4]

圖六 準直的光學效果舉例[4]

其他還有各種應用產品，例如AR/VR鏡片、投影機準直鏡片和LED照明，是當前常見的菲涅爾透鏡的熱門應用領域，其中LED照明是藉用菲涅爾透鏡的非成像性質，稍后再做進一步說明；其他還有零星的冷門應用，例如穿戴式裝置的心跳血氧感測器，常見的架構如圖七所示[5]，菲涅爾透鏡也在其中扮演重要的關鍵光學件。

圖七 常見心跳血氧感測器[5]

[1] XinQuan Zhang, Kui Liu, Xuechuan Shan, and Yuchan Liu, "Roll-to-roll embossing of optical linear Fresnel lens polymer film for solar concentration", Optics Express, Vol. 22, No. S7, A1835-A1842, 2014.
[2] Ralf Leutz, Akio Suzuki, Atsushi Akisawa and Takao Kashiwagi, "Shaped nonimaging Fresnel lenses", Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, Vol. 2, Number 2, 2000. [3]光學史，維基百科
[3]非我司產品，僅為說明示意
[4]百度文庫，絕密汽車車燈配光精講。
[5]光學技術於車用照明、資訊顯示與生理感測之趨勢與發展介紹, 台灣中輛中心, 施淳耀、許日滔和鄭舜文。

Fresnel lens的基礎概念很直觀，觀察圖八的動畫所示[6]，大家可直觀理解到，在原本基於非球面厚透鏡的理想焦點位置發出的光束，經過厚透鏡的配光，光束路徑調整成平行光束；由於光束在折射介面已經調整為平行光，此時，透鏡厚度並不會影響到光束行進，此時，把厚度直接減薄，並有限度的把出光面的曲率保留(原始的出光曲面，理論上需要切割成無數段才能理想還原)，此時能得到和原本厚透鏡的光學效果極為接近(焦距值要重新設計)，但厚度更薄的透鏡結構，就是Fresnel lens的基礎概念。用一句話來概念，Fresnel lens就是取代成像厚透鏡效果的等效薄透鏡。

圖八 Fresnel lens理論光束示意[6]

LED照明大約在2010年快速發展，初期LED照明定位在節能高效，價格還在高端水平，製造LED燈時，不論是燈源的選用，散熱的設計，光學的設計，產品定位朝向技面的盡善盡美的方向，時值當下，奇異公司(GE)發佈了圖九的射燈燈源取代品 – LED PAR燈，LED燈源選用高功率瓷封裝(能效高)，結構件採用鰭片式鐵鑄設計(散熱佳)，光學件採用菲涅爾透鏡(配光和外觀考量)，此種設計，完美的呈現全新的LED燈源，既能取代傳統燈源，又盡善發揮LED的特性。

圖九 GE短頸PAR燈圖[7]

上述LED PAR的架構有幾種發展，其中一種是採用COB做為燈源，本文拆解如圖十所示，圖十是COB燈源的長頸PAR燈，採用反光杯和Fresnel lens做為光學配光設計，Fresnel lens厚度設計成3mm，採用PC材料，以符合防水等級要求。回想前述的Fresnel lens的光學理論，檢視圖十的設計概念，很容易可觀察出，此設計架構不甚善用到透鏡的光學特性，原因在於：
1．COB光源面積較大，焦距過短，不易形成透鏡焦點上的點光源。
2．反射杯光學輔助效果不佳，若要整成平行光，則與焦點光源矛盾；若要整成焦點發散光束，則光學曲面難以滿足。

圖十 LED PAR燈設計截面圖

隨著LED燈源的普及化，價格快速滑落，前述LED PAR燈也朝向經濟式的設計改善，LED燈源改採EMC架構的多燈源設計，光學件直接用TIR Lens取代反光杯和Fresnel lens，外觀改採深抽無鰭片設計，整個設計簡化成如圖十一所示；圖十一的設計雖然是經濟化的產品，但整體功能甚佳，逐漸在近年成為LED PAR的設計主流架構；若要指出缺點，則有兩大缺點： 1．有多光源的架構，會衍生重影現象，在投太距離不夠長的情況，會更明顯，此缺失在商業照明應用，一般是視為扣分。 2．傳統商業投射燈的取向定位在單光源設計，此類多光源，不受商業照明歡迎。

圖十一 GE LED PAR38 燈[7]

Fresnel lens並未從LED照明應用退出(不若似車用照明)，當前仍有一些燈具採用，採為配光的光學件，例如菲涅爾舞台聚光燈(如圖十二)，當前仍很受到歡迎。

圖十二 PIXAPRO聚光燈[8]

工藝粗分成模具設計、模仁加工和透鏡成形的三個環節，模具設計牽涉較廣，先不做討論，模仁加工和閃光燈透鏡接近，常見的加工方式是採金鋼石超精車床進行模仁超精加工，加工精度高，表面光潔度高，但限制較多，尤其是尖角(tip)部位注A。在此，本文重點放在生產透鏡的成形工藝種類，做初步的說明，就相關的工藝有初步的概念。

熱壓工藝：

傳統熱壓機台的原理，是採用加熱線圈或陶瓷加熱板的方式，讓模具溫度升高，再進行壓擠成形，通常應用在生產橡膠類產品。熱壓機雖然是傳統產業常見的機台，但近年來，光學相關產生的技術人員，嘗試導入到生產光學件，例如導光板，以及菲涅爾透鏡，兩種光學件的生產原理相同，藉由熱壓模具的溫度(模具示意如圖十三)，讓塑料基材的表面呈現軟化狀態，此時藉由加壓的方式，讓模具上的光學外形，轉寫到基材上，並等待冷卻成形。理論來說，上述的轉寫過程並無太大的問題，熱壓的優點在於：
1．轉寫的效果甚好，模具表面光潔度高，轉寫后的光學表面的光潔度也會高。
2．光學件平整度佳，因為來料基材可以取自板材，板材可透過其他工藝完成生產。
3．能製作大尺寸的光學件，不容易受限在塑料成形的困擾。
4．壓熱機機台成本很低，有諸多標準機台可以選用。
看似優勢不少，但實際導入生產，常見的工程困擾：
1．擠料現象，由於物質不滅, 轉寫后會排擠出多餘的材料，在材料邊緣溢料。
2．模具的模面降/升溫時間過長，不利生產周期。
3．模仁容易黏模，尤其是接觸面積較大，以及光學微結構形狀較多。
4．轉寫的光學的結構尺寸小，例如製造菲涅爾透鏡，較適用在淺齒形的設計。
第1點，可以採用CNC或激光的方式處理溢料問題；第2點的困擾，可採用快速模面加熱技術，例如電漿加熱，可以讓模面的表面溫度快速升高，同時因為加熱時間短，模面高溫溫度層控制得當，有機會能快速縮短生產周期；第3點的情況，一般是直接採用離模劑來幫助脫模，適當的離模劑不會影響到光學件表面狀況；淺齒形的處理，可以藉過光學設計來做對應。

注：我司並無熱壓生產機台。

圖十三 熱壓模具示意圖

UV固化工藝：

UV固化技術應用在光學膜片居多，尤其是roll to roll製程，例如BEF，經過滾輪轉寫微結構之后，照射UV固化，讓光學結構外形固化，達到光學聚光的效果；roll to roll受制於製程關係，是先經過轉寫后再固化，由於UV固化膠處於非固化狀態，所以光學外形難以維持高的深寬比，一般應用於低深寬比的光學結構，BEF膜片就是典型的應用實例。
類似的工程概念，在壓印產業發展起來，壓印產業的做法，一般是先製作可透光的拋棄式的軟模，注入固化膠，加壓合模，再照射UV光進行固化，固化完之后再脫模，完成轉寫與固化的工序；應用到菲涅爾透鏡的生產，工藝工序示意如圖十四，利用透明基材做為UV固化膠的載體，把模具加壓合模，最后UV照射固化，再脫膜取出，該工藝的優點為：
1．UV固化的縮水率極小，尖角處(tip)可保持非常小的半徑值。
2．生產過程為冷製程，不會因熱脹冷縮造成材料應力不平均而有平整度問題。
3．製造周期短，生產成本低。
4．模具加壓合模生產，能製造高深寬比的材料。
5．可一體固化，透過透明可拋式模具，不必然需要基底材料做載體，但轉寫會變差(可拋式模具的關係)。
此工藝的缺點是：
1．材料種類少，只能使用UV固化型材料。
2．材質本身較軟，不若塑膠或玻璃的硬度高。
3．原料比一般常見光學級塑料貴很多。
有此製程的供應商極少，大多是做明板行業或壓印行業，與超精密光學件相距較遠，當異業合作時，難免會有磨合狀況。
注：我司並無UV壓印產機台，但有合作廠商可提供服務。

圖十四 UV固化製程示意圖

射出工藝：

採用的工序和一般光學精密成形接近，差異在於模具設計、模仁加工以及成形控制會更精密和精確；精密射出成形是很成熟的光學透鏡大量生產的工藝，相關的量產經驗豐富，機台設備也成熟，優點為：
1．生產成本低。
2．流水式連續性生產，產能大。
3．成形品質穩定，不良率極低。
但是，應用至Fresnel lens生產時，射出工藝的天缺，會帶出下述的影響：
1．平整度不佳。模具上下的模面模溫差，造成應力殘留，不易控制翹曲。
2．薄板成形不易，需要高速射機台，同時又難以避免第1項的影響。
3．尖角形狀保持不易，塑料在冷卻時，會有縮水現象，形成自然R角。
當透鏡尺寸較大或較薄時，上述第1點和第2點的影響會更為明顯，此時Fresnel lens成形的狀況會不佳，影響到整個光學性能；基於這幾項理由，應用至成像領域，若採用射出成形工藝來生產Fresnel lens，建議尺寸控制在2吋以下，超過2吋，就要看厚度來決定是否合適？另外，若是應用在LED照明領域，尺寸可稍微再放寬，畢竟脫焦現象，並非是LED照明的常規規格條件，規格允收，一般是看最后的光斑表現以及相關的尺寸公差是否到位。
最后，曾經行業界一度流行聚光型太陽能(Concentrated Photovoltaics，CPV)，此太陽能系統主要有採用了複合拋物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator, CPC)和Fresnel lens兩個路線，由於太陽光的光線是遠方平行光，經過Fresnel lens透鏡，的確可以做到非常高的集光比，而且光效超過85％以上，效果非常優秀；可惜當下並無合適的光學級塑料或高分子材料，能耐過太陽直接曝曬二十年而不劣化(一般太陽能電廠希望的規格)，當前還是玻璃材料是為上選，採用塑料成形的方案，逐漸無人問津。

模造工藝

最初生產Fresnel lens的工藝是採用精密研磨和拋光法，由匠師打造，工藝歷史悠久，成熟高度，但相對成本極高；光學玻璃透的成本遠較塑料材料來得高，但如前述實例，玻璃材料仍有塑料無法取代的應用場所。近代要降低玻璃透鏡的成本，較為流行的方式是採用玻璃模造，再配合后製的打磨，仍具備有大量量產的能力；玻璃模造和我司服務的項目相距較遠，在此不多做說明。
上述為我司Fresnel lens的相關基礎知識、應用以及生產工藝，做一些概要式的描述，如有服務需求，請與我司連繫。