科普 | 熱釋電傳感器中的菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀·菲涅爾（Augustin.Fresnel)發(fā)明的。

假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度，透鏡的厚度也會(huì)變薄。如下圖所示。

透鏡連續(xù)表面部分“塌陷”到一個(gè)平面上。從剖面看，其表面由一系列系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球差。

菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料壓注而成，也可以用玻璃制作，透鏡一面為光面，另一面為有小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉、衍射以及結(jié)合相對(duì)靈敏度、接收角度要求來設(shè)計(jì)的。

在被動(dòng)紅外探測(cè)器（PIR）中，菲涅爾透鏡可以將探測(cè)區(qū)域分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入到探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在被動(dòng)紅外探測(cè)器（PIR）上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)。

我們知道，熱釋電傳感器就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾透鏡增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

搭配菲涅爾透鏡的熱釋電模組
菲涅爾透鏡根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)。

紅外菲涅爾透鏡容易成型，乳白色塑料，在8-14um范圍內(nèi)最少吸收損失，可以做到一致的尺寸、大孔徑和最小的膨脹系數(shù)。

菲涅爾透鏡

其他用途

1）菲涅爾放大鏡

菲涅爾放大鏡可以做到超薄，最小厚度可以在0.45-0.90mm之間，與普通放大鏡不同，它的表面布滿了微小的細(xì)紋，每個(gè)環(huán)帶都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的折射面，十字剖面像許多小棱鏡，這些環(huán)帶都能使入射光線會(huì)聚到一個(gè)共同的焦點(diǎn)。

因?yàn)榉颇鶢柾哥R非常薄，故由于吸收而損失的光能非常少。其缺點(diǎn)是畸變比較大，圖像失真嚴(yán)重。

2）LED準(zhǔn)直

菲涅爾透鏡能夠較好地將點(diǎn)光源校準(zhǔn)為平行光源。

在實(shí)際應(yīng)用中，多用于LED光源的準(zhǔn)直。

3）太陽能聚光

菲涅爾透鏡最常見的應(yīng)用之一是收集太陽光，通常認(rèn)為太陽光是非常接近平行的（無限共軛系統(tǒng)）。菲涅爾透鏡的光線收集特性非常適用于將光線集中到光伏電池或加熱表面。

在太陽能電池中，菲涅爾透鏡是聚光太陽能系統(tǒng)（CPV）的重要組成部分，

4）投影儀

菲涅爾透鏡用在投影系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是通過將光線聚焦或者準(zhǔn)直從而增加顯示亮度。