菲涅爾鏡片的原理和應(yīng)用,Principle and Application of Fresnel lenses
菲涅爾鏡片的原理和應(yīng)用,Principle and Application of Fresnel lenses
關(guān)鍵字：菲涅爾鏡片的原理和應(yīng)用
菲涅爾鏡片是紅外線探頭的“眼鏡”，它就象人的眼鏡一樣，配用得當(dāng)與否直接影響到使用的功效，配用不當(dāng)產(chǎn)生誤動(dòng)作和漏動(dòng)作，致使用戶或者開發(fā)者對(duì)其失去信心。配用得當(dāng)充分發(fā)揮人體感應(yīng)的作用，使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
菲涅爾鏡片是根據(jù)法國光物理學(xué)家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應(yīng)角度大，焦距遠(yuǎn)；圓環(huán)線刻錄的深感應(yīng)距離遠(yuǎn)，焦距近。紅外光線越是靠進(jìn)同心環(huán)光線越集中而且越強(qiáng)。同一行的數(shù)個(gè)同心環(huán)組成一個(gè)垂直感應(yīng)區(qū)，同心環(huán)之間組成一個(gè)水平感應(yīng)段。垂直感應(yīng)區(qū)越多垂直感應(yīng)角度越大；鏡片越長(zhǎng)感應(yīng)段越多水平感應(yīng)角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯(cuò)，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場(chǎng)角度的制約，垂直和水平感應(yīng)角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為：長(zhǎng)形、方形、圓形，從功能分類為：?jiǎn)螀^(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段。
下圖是常用鏡片外觀示意圖：
下圖是常用三區(qū)多段鏡片區(qū)段劃分、垂直和平面感應(yīng)圖。
當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個(gè)段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕咕啵t外光正好被探頭接收，探頭將光信號(hào)變成電信號(hào)送入電子電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。整個(gè)接收人體紅外光的方式也被稱為被動(dòng)式紅外活動(dòng)目標(biāo)探測(cè)器。
鏡片主要有三種顏色，一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。二、白色主要用于適配外殼顏色。三、黑色用于防強(qiáng)光干擾。鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。
每一種鏡片有一型號(hào)（以年號(hào)+系列號(hào)命名），鏡片主要參數(shù)：
一、外觀描述——外觀形狀（長(zhǎng)、方、圓）、尺寸（直徑）。以毫米為單位。
二、探測(cè)范圍——指鏡片能探測(cè)的有效距離（米）和角度。
三、焦距——指鏡片與探頭窗口的距離，精確度以毫米的小數(shù)點(diǎn)為單位。長(zhǎng)形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對(duì)準(zhǔn)探頭窗口。
鏡片與探頭的配合應(yīng)用——我們常用的是雙源式探頭，揭開濾光玻璃片，其內(nèi)部有兩點(diǎn)對(duì)7—14um的紅外波長(zhǎng)特別敏感的TO—5材料連接著場(chǎng)效管。
靜態(tài)情況下空間存在紅外光線，由于雙源式探頭采用互補(bǔ)技術(shù)，不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)輸出。動(dòng)態(tài)情況下，人體經(jīng)過探頭先后被A源或被B源感應(yīng)，Sa
A、單區(qū)多段水平式和單區(qū)多段垂直式。
圖（4）單區(qū)多段水平式感應(yīng)角度大，這是探頭水平視場(chǎng)角度大的緣故，形成一個(gè)長(zhǎng)方形扇面感應(yīng)區(qū)，單區(qū)多段水平式亦稱水平幕簾式感應(yīng)，此感應(yīng)方式能避開上下紅外線干擾。圖（5）單區(qū)多段垂直式感應(yīng)角度小，這是探頭垂直視場(chǎng)角度小的緣故，形成一個(gè)垂直形扇面感應(yīng)區(qū)，單區(qū)多段垂直式亦稱垂直幕簾式感應(yīng)，此感應(yīng)方式能避開左右紅外線干擾。圖（6）探頭與鏡片配合不符合Sa
B、多區(qū)多段感應(yīng)式和多區(qū)多段圓錐體式。
圖（7）是多區(qū)多段感應(yīng)式探頭與鏡片對(duì)應(yīng)位置和探測(cè)效果圖，多區(qū)多段感應(yīng)式多用于掛墻式安裝，傾斜向下探測(cè)三個(gè)不同的區(qū)域。圖（8）是多區(qū)多段圓錐體感應(yīng)式，多用于吸頂式安裝，直接向下探測(cè)。采用雙源探頭配用圓形鏡片感應(yīng)方向圖不似圓錐體，因?yàn)樘筋^水平視角大于垂直視角而且出現(xiàn)Sa=Sb的現(xiàn)象，圓錐體效果圖會(huì)中間凹陷。如果圓形鏡片配用四源探頭，感應(yīng)方向圖更趨似圓錐體，見圖（8）探測(cè)效果圖。多區(qū)多段感應(yīng)式和多區(qū)多段圓錐體式感應(yīng)區(qū)域?qū)拸V，多用于大面積探測(cè)。
探頭與鏡片配合不符合要求，上圖左中鏡片上下放反，上圖右中探頭設(shè)置在鏡片中間，均無遠(yuǎn)距離感應(yīng)效果，下盲區(qū)加大，出現(xiàn)不感應(yīng)現(xiàn)象。
C、另類探測(cè)效果的方法。探頭與鏡片偏離，產(chǎn)生不同的探測(cè)方向和效果。探頭偏上，探測(cè)方向向下，見下圖左。同理，探頭偏下，探測(cè)方向向上。探頭偏左，探測(cè)方向向右，見下圖中。同理，探頭偏右，探測(cè)方向向左。探頭偏45度，降低人體活動(dòng)受方向的限制，見下圖右。探頭偏45度且稍微傾斜，適宜探測(cè)狹長(zhǎng)區(qū)域。
D、增強(qiáng)探測(cè)動(dòng)作靈敏度的方法。前面已經(jīng)闡述區(qū)段數(shù)量越多被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就越小，因此，選用區(qū)段多且密的鏡片就能增強(qiáng)探測(cè)動(dòng)作靈敏度，人體只要在感應(yīng)的有效范圍內(nèi)稍微移動(dòng)就有效。段密度高的鏡片在50mm長(zhǎng)度有26段之多。
E、增強(qiáng)抗干擾的方法。從前面闡述的原理中得知，區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就要大，選用區(qū)段數(shù)量少的鏡片就能減少誤動(dòng)作，一是人體運(yùn)動(dòng)幅度要大二是區(qū)段數(shù)量少的鏡片形成局部探測(cè)，減少外圍干擾源。
菲涅耳(Fresnel)透鏡系統(tǒng)
菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。
菲涅爾透鏡,簡(jiǎn)單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋.通過這些齒紋,可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用.傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是PIR（被動(dòng)紅外線探測(cè)器）。PIR廣泛的用在警報(bào)器上。如果你拿一個(gè)看看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右（人體紅外線輻射的峰值）。成本相當(dāng)?shù)牡汀?/font>
菲涅爾透鏡的主要作用就是將探測(cè)空間的紅外線有效地集中到傳感器上。通過分布在鏡片上的同心圓的窄帶（視窗）用來實(shí)現(xiàn)紅外線的聚集，相當(dāng)于凸透鏡的作用。這部分選擇主要是看透鏡窄帶的設(shè)計(jì)及透鏡材質(zhì)。考慮透鏡的參數(shù)主要有：光通量、不同透鏡同心度、厚度不均勻性、透鏡光軸與外形同心度、透過率、焦距誤差等。菲涅爾透鏡窄帶（視窗）的設(shè)計(jì)一般都是不均勻的，自上而下分為幾排，上面較多、下邊較少，一般中間密集、兩側(cè)疏。因?yàn)槿四槻?、膝部、手臂紅外輻射較強(qiáng)，正好對(duì)著上邊的透鏡；下邊較少，一是因?yàn)槿梭w下部紅外輻射較弱，二是為防止地面小動(dòng)物紅外輻射干擾。材質(zhì)一般用有機(jī)玻璃。
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菲涅耳透鏡
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