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菲涅爾鏡片的原理和應用

更新時(shí)間:2017/6/6 8:41:04    閱讀:32694    分享此文章:
菲涅爾鏡片是紅外線(xiàn)探頭的“眼鏡”,它就象人的眼鏡一樣,配用得當與否直接影響到使用的功效,配用不當產(chǎn)生誤動(dòng)作和漏動(dòng)作,致使用戶(hù)或者開(kāi)發(fā)者對其失去信心。配用得當充分發(fā)揮人體感應的作用,使其應用領(lǐng)域不斷擴大。

菲涅爾鏡片是根據法國光物理學(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(xiàn)多而密感應角度大,焦距遠;圓環(huán)線(xiàn)刻錄的深感應距離遠,焦距近。紅外光線(xiàn)越是靠進(jìn)同心環(huán)光線(xiàn)越集中而且越強。同一行的數個(gè)同心環(huán)組成一個(gè)垂直感應區,同心環(huán)之間組成一個(gè)水平感應段。垂直感應區越多垂直感應角度越大;鏡片越長(cháng)感應段越多水平感應角度就越大。區段數量多被感應人體移動(dòng)幅度就小,區段數量少被感應人體移動(dòng)幅度就要大。不同區的同心圓之間相互交錯,減少區段之間的盲區。區與區之間,段與段之間,區段之間形成盲區。由于鏡片受到紅外探頭視場(chǎng)角度的制約,垂直和水平感應角度有限,鏡片面積也有限。鏡片從外觀(guān)分類(lèi)為:長(cháng)形、方形、圓形,從功能分類(lèi)為:?jiǎn)螀^多段、雙區多段、多區多段。

下圖是常用鏡片外觀(guān)示意圖:

 

下圖是常用三區多段鏡片區段劃分、垂直和平面感應圖。

 

當人進(jìn)入感應范圍,人體釋放的紅外光透過(guò)鏡片被聚集在遠距離A區或中距離B區或近距離C區的某個(gè)段的同心環(huán)上,同心環(huán)與紅外線(xiàn)探頭有一個(gè)適當的焦距,紅外光正好被探頭接收,探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅動(dòng)負載工作。整個(gè)接收人體紅外光的方式也被稱(chēng)為被動(dòng)式紅外活動(dòng)目標探測器。

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、黑色用于防強光干擾。鏡片還可以結合產(chǎn)品外觀(guān)注色,使產(chǎn)品整體更美觀(guān)。

每一種鏡片有一型號(以年號+系列號命名),鏡片主要參數:
一、外觀(guān)描述——外觀(guān)形狀(長(cháng)、方、圓)、尺寸(直徑)。以毫米為單位。
二、探測范圍——指鏡片能探測的有效距離(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點(diǎn)為單位。長(cháng)形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對準探頭窗口。

鏡片與探頭的配合應用——我們常用的是雙源式探頭,揭開(kāi)濾光玻璃片,其內部有兩點(diǎn)對7—14um的紅外波長(cháng)特別敏感的TO—5材料連接著(zhù)場(chǎng)效管。

 

靜態(tài)情況下空間存在紅外光線(xiàn),由于雙源式探頭采用互補技術(shù),不會(huì )產(chǎn)生電信號輸出。動(dòng)態(tài)情況下,人體經(jīng)過(guò)探頭先后被A源或被B源感應,SaSb產(chǎn)生差值,雙源失去互補平衡作用而很敏感地產(chǎn)生信號輸出,見(jiàn)圖(3C)。當人對著(zhù)探頭呈垂直狀態(tài)運動(dòng),Sa=Sb不產(chǎn)生差值,雙源很難產(chǎn)生信號輸出。因此,探測器安裝的位置與人行走方向呈平行為宜。根據以上原理探頭與鏡片結合可以做成以下感應方式的人體探測器。

A、單區多段水平式和單區多段垂直式。

 

圖(4)單區多段水平式感應角度大,這是探頭水平視場(chǎng)角度大的緣故,形成一個(gè)長(cháng)方形扇面感應區,單區多段水平式亦稱(chēng)水平幕簾式感應,此感應方式能避開(kāi)上下紅外線(xiàn)干擾。圖(5)單區多段垂直式感應角度小,這是探頭垂直視場(chǎng)角度小的緣故,形成一個(gè)垂直形扇面感應區,單區多段垂直式亦稱(chēng)垂直幕簾式感應,此感應方式能避開(kāi)左右紅外線(xiàn)干擾。圖(6)探頭與鏡片配合不符合SaSb產(chǎn)生差值的要求,因此感應不靈敏。采用雙區同心圓相近的鏡片也能達到幕簾式感應效果。單區多段和雙區多段多用于局部區域感應。

B、多區多段感應式和多區多段圓錐體式。

 

圖(7)是多區多段感應式探頭與鏡片對應位置和探測效果圖,多區多段感應式多用于掛墻式安裝,傾斜向下探測三個(gè)不同的區域。圖(8)是多區多段圓錐體感應式,多用于吸頂式安裝,直接向下探測。采用雙源探頭配用圓形鏡片感應方向圖不似圓錐體,因為探頭水平視角大于垂直視角而且出現Sa=Sb的現象,圓錐體效果圖會(huì )中間凹陷。如果圓形鏡片配用四源探頭,感應方向圖更趨似圓錐體,見(jiàn)圖(8)探測效果圖。多區多段感應式和多區多段圓錐體式感應區域寬廣,多用于大面積探測。

 

探頭與鏡片配合不符合要求,上圖左中鏡片上下放反,上圖右中探頭設置在鏡片中間,均無(wú)遠距離感應效果,下盲區加大,出現不感應現象。

 

C、另類(lèi)探測效果的方法。探頭與鏡片偏離,產(chǎn)生不同的探測方向和效果。探頭偏上,探測方向向下,見(jiàn)下圖左。同理,探頭偏下,探測方向向上。探頭偏左,探測方向向右,見(jiàn)下圖中。同理,探頭偏右,探測方向向左。探頭偏45度,降低人體活動(dòng)受方向的限制,見(jiàn)下圖右。探頭偏45度且稍微傾斜,適宜探測狹長(cháng)區域。

D、增強探測動(dòng)作靈敏度的方法。前面已經(jīng)闡述區段數量越多被感應人體移動(dòng)幅度就越小,因此,選用區段多且密的鏡片就能增強探測動(dòng)作靈敏度,人體只要在感應的有效范圍內稍微移動(dòng)就有效。段密度高的鏡片在50mm長(cháng)度有26段之多。
 
E、增強抗干擾的方法。從前面闡述的原理中得知,區段數量少被感應人體移動(dòng)幅度就要大,選用區段數量少的鏡片就能減少誤動(dòng)作,一是人體運動(dòng)幅度要大二是區段數量少的鏡片形成局部探測,減少外圍干擾源。

菲涅耳(Fresnel)透鏡系統

菲涅爾透鏡作用有兩個(gè):一是聚焦作用,即將熱釋紅外信號折射(反射)在PIR上,第二個(gè)作用是將探測區域內分為若干個(gè)明區和暗區,使進(jìn)入探測區域的移動(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。

菲涅爾透鏡,簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側有等距的齒紋.通過(guò)這些齒紋,可以達到對指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用.傳統的打磨光學(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(xiàn)探測器)。PIR廣泛的用在警報器上。如果你拿一個(gè)看看,你會(huì )發(fā)現在每個(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(xiàn)輻射的峰值)。成本相當的低。

菲涅爾透鏡的主要作用就是將探測空間的紅外線(xiàn)有效地集中到傳感器上。通過(guò)分布在鏡片上的同心圓的窄帶(視窗)用來(lái)實(shí)現紅外線(xiàn)的聚集,相當于凸透鏡的作用。這部分選擇主要是看透鏡窄帶的設計及透鏡材質(zhì)?紤]透鏡的參數主要有: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(guò)率、焦距誤差等。菲涅爾透鏡窄帶(視窗)的設計一般都是不均勻的,自上而下分為幾排,上面較多、下邊較少,一般中間密集、兩側疏。因為人臉部、膝部、手臂紅外輻射較強,正好對著(zhù)上邊的透鏡;下邊較少,一是因為人體下部紅外輻射較弱,二是為防止地面小動(dòng)物紅外輻射干擾。材質(zhì)一般用有機玻璃。

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