菲涅爾鏡片的原理

菲涅爾鏡片的原理
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)生誤動作和漏動作，致使用戶或者開發(fā)者對其失去信心。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；圓環(huán)線刻錄的深感應(yīng)距離遠，焦距近。紅外光線越是靠進同心環(huán)光線越集中而且越強。同一行的數(shù)個同心環(huán)組成一個垂直感應(yīng)區(qū)，同心環(huán)之間組成一個水平感應(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)人體移動幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯，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：長形、方形、圓形，從功能分類為：單區(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：

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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)人進入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當(dāng)?shù)慕咕?，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(qū)動負載工作。整個接收人體紅外光的方式也被稱為被動式紅外活動目標探測器。

????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(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（以年號+系列號命名），鏡片主要參數(shù)：

一、外觀描述——外觀形狀（長、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(shù)點為單位。長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(yīng)用——我們常用的是雙源式探頭，揭開濾光玻璃片，其內(nèi)部有兩點對7—14um的紅外波長特別敏感的TO—5材料連接著場效管。

????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技術(shù)，不會產(chǎn)生電信號輸出。動態(tài)情況下，人體經(jīng)過探頭先后被A源或被B源感應(yīng)，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，見圖（3C）。當(dāng)人對著探頭呈垂直狀態(tài)運動，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(jù)以上原理探頭與鏡片結(jié)合可以做成以下感應(yīng)方式的人體探測器。

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，這是探頭水平視場角度大的緣故，形成一個長方形扇面感應(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，這是探頭垂直視場角度小的緣故，形成一個垂直形扇面感應(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SaSb產(chǎn)生差值的要求，因此感應(yīng)不靈敏。采用雙區(qū)同心圓相近的鏡片也能達到幕簾式感應(yīng)效果。單區(qū)多段和雙區(qū)多段多用于局部區(qū)域感應(yīng)。

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)式探頭與鏡片對應(yīng)位置和探測效果圖，多區(qū)多段感應(yīng)式多用于掛墻式安裝，傾斜向下探測三個不同的區(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。采用雙源探頭配用圓形鏡片感應(yīng)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(xiàn)Sa=Sb的現(xiàn)象，圓錐體效果圖會中間凹陷。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。

????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，降低人體活動受方向的限制，見下圖右。探頭偏45度且稍微傾斜，適宜探測狹長區(qū)域。

????D、增強探測動作靈敏度的方法。前面已經(jīng)闡述區(qū)段數(shù)量越多被感應(yīng)人體移動幅度就越小，因此，選用區(qū)段多且密的鏡片就能增強探測動作靈敏度，人體只要在感應(yīng)的有效范圍內(nèi)稍微移動就有效。段密度高的鏡片在50mm長度有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(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動幅度就要大，選用區(qū)段數(shù)量少的鏡片就能減少誤動作，一是人體運動幅度要大二是區(qū)段數(shù)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(tǒng)

????菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動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,可以達到對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（被動紅外線探測器）。PIR廣泛的用在警報器上。如果你拿一個看看，你會發(fā)現(xiàn)在每個PIR上都有個塑料的小帽子。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?

????菲涅爾透鏡的主要作用就是將探測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。因為人臉部、膝部、手臂紅外輻射較強，正好對著上邊的透鏡；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物紅外輻射干擾。材質(zhì)一般用有機玻璃。

產(chǎn)品1：菲涅耳透鏡 A 每個1元

焦距：10.5 毫米
角度：100°
探測距離：8米
尺寸：Ф23
體積：25X25X25毫米

產(chǎn)品2：超小型菲涅耳透鏡 B 每個2元

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焦距：5 毫米
角度：150度
探測距離：5米
體積：16X16X6毫米

產(chǎn)品3：超小型菲涅耳球型透鏡 E 每個1.9元

????這是我們最新開發(fā)的超小球型紅外透鏡，它分兩部分組成，底座可以直接戴到RE200B上，上蓋是菲涅爾透鏡，它解決了菲涅爾透鏡不好固定的問題，右圖是我們做好的成品模塊，客戶可以點擊詳細了解性能！

感應(yīng)角度：110度
焦距：5 毫米
角度：150度
探測距離：3米
體積：直徑14毫米，高10毫米

產(chǎn)品4：56*36毫米長方形廣角菲涅耳透鏡 C 每個1元

焦距：25毫米
探測距離：12米
外形 ：56X36毫米

產(chǎn)品5：56*36毫米長方形幕簾菲涅耳透鏡 D 每個1元

焦距：25毫米
探測距離：12米
外形：56X36毫米

紅外檢測專用BISS0001芯片 DIP每片2.9元 貼片每片3元

配套的熱釋電元件RE200B 體積：8.3*4.2mm 每個3元

靈敏元面積 2.0×1.0mm2
基片材料 硅
基片厚度 0.5mm
工作波長 7-14μm
平均透過率 ＞75%
輸出信號 ＞2.5V
(420°k黑體1Hz調(diào)制頻率0.3-3.0Hz 帶寬72.5db增益)
噪聲 ＜200mV
(mVp-p) (25℃)
平衡度 ＜20%
工作電壓 2.2-15V
工作電流 8.5-24μA
(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)
源極電壓 0.4-1.1V
(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)
工作溫度 -20℃- +70℃
保存溫度 -35℃- +80℃
視場 139°×126°

???? 說明 該傳感器采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射，采用雙靈敏元互補方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。

1、上述特性指標是在源極電阻R2=47KΩ條件下測定的，用戶使用傳感器時，可根據(jù)自己的需要調(diào)整R2的大小。
2、注意靈敏元的位置及視場大小，以便得到最佳光學(xué)設(shè)計。
3、所有電壓信號的測量都是采用峰一峰值定標。平衡度B中的EA和EB分別表示兩個靈敏元的電壓輸出信號的峰一峰值。
4、使用傳感時，管腳的彎曲或焊接部位應(yīng)離開管腳基部4mm以上。
5、使用傳感器前，應(yīng)先參考說明書，尤其要防止接錯管腳