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菲涅爾鏡片的原理和應用,Principle and Application of Fresnel lenses

關鍵字：菲涅爾鏡片的原理和應用

菲涅爾鏡片是紅外線探頭的“眼鏡”，它就象人的眼鏡一樣，配用得當與否直接影響到使用的功效，配用不當產生誤動作和漏動作，致使用戶或者開發者對其失去信心。配用得當充分發揮人體感應的作用，使其應用領域不斷擴大。

菲涅爾鏡片是根據法國光物理學家FRESNEL發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。圓環線多而密感應角度大，焦距遠；圓環線刻錄的深感應距離遠，焦距近。紅外光線越是靠進同心環光線越集中而且越強。同一行的數個同心環組成一個垂直感應區，同心環之間組成一個水平感應段。垂直感應區越多垂直感應角度越大；鏡片越長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幅度就小，區段數量少被感應人體移動幅度就要大。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。鏡片從外觀分類為：長形、方形、圓形，從功能分類為：單區多段、雙區多段、多區多段。

下圖是常用鏡片外觀示意圖：

下圖是常用三區多段鏡片區段劃分、垂直和平面感應圖。

當人進入感應范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離A區或中距離B區或近距離C區的某個段的同心環上，同心環與紅外線探頭有一個適當的焦距，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。鏡片還可以結合產品外觀注色，使產品整體更美觀。

每一種鏡片有一型號（以年號+系列號命名），鏡片主要參數：

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用——我們常用的是雙源式探頭，揭開濾光玻璃片，其內部有兩點對7—14um的紅外波長特別敏感的TO—5材料連接著場效管。

靜態情況下空間存在紅外光線，由于雙源式探頭采用互補技術，不會產生電信號輸出。動態情況下，人體經過探頭先后被A源或被B源感應，SaSb產生差值，雙源失去互補平衡作用而很敏感地產生信號輸出，見圖（3C）。當人對著探頭呈垂直狀態運動，Sa=Sb不產生差值，雙源很難產生信號輸出。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，這是探頭水平視場角度大的緣故，形成一個長方形扇面感應區，單區多段水平式亦稱水平幕簾式感應，此感應方式能避開上下紅外線干擾。圖（5）單區多段垂直式感應角度小，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區，單區多段垂直式亦稱垂直幕簾式感應，此感應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，均無遠距離感應效果，下盲區加大，出現不感應現象。

C、另類探測效果的方法。探頭與鏡片偏離，產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，適宜探測狹長區域。

D、增強探測動作靈敏度的方法。前面已經闡述區段數量越多被感應人體移動幅度就越小，因此，選用區段多且密的鏡片就能增強探測動作靈敏度，人體只要在感應的有效范圍內稍微移動就有效。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，區段數量少被感應人體移動幅度就要大，選用區段數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：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域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產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.傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。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，你會發現在每個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）。成本相當的低。

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）用來實現紅外線的聚集，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。考慮透鏡的參數主要有：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。材質一般用有機玻璃。

菲涅耳透鏡

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