CN102608681B - 菲涅尔透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开的菲涅尔透镜包括第一透镜部、第二透镜部、第三透镜部、第四透镜部，所述四个透镜部集成在一个透镜面上，且每个透镜部均包括多个视窗。本发明的菲涅尔透镜采用多层组合透镜的设计，每层采用不同的透镜设计焦距，通过变焦来实现远距离、中距离、近距离的探测。而且，通过多层透镜的相互弥补，减少了探测区域的盲区。在本发明中，通过调整透镜的光心位置，实现光线聚集到同一点。从而解决了测试物体迎着透镜方向走动而探测不到或者需要到很近的距离时才能探测到的问题。本发明采用超薄壁厚设计的本发明的菲涅尔透镜，减少了因菲涅尔透镜厚，能量损失大产生的问题。

Description

菲涅尔透镜

技术领域

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种用于安防探测器的菲涅尔透镜。

背景技术

菲涅尔透镜就是在一侧有等距的齿纹的透镜，通过这些齿纹，可以起到对指定光谱范围的光带进行反射或者折射的作用。

菲涅尔透镜通常是由聚烯烃等聚合材料注塑而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的齿纹同心圆。在很多情况下，菲涅尔透镜相当于红外线及可见光的凸透镜。菲涅尔透镜作用主要有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在具有菲涅尔透镜的被动红外线探测器(PIR)上产生变化的热释红外信号。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。因此，菲涅尔透镜经常用于报警器等装置。

现有的菲涅尔透镜存在以下问题：

一、探测距离单一，且探测存在盲区。目前的菲涅尔透镜通常由具有单一焦距的多个镜片构成，而且镜片之间会出现检测范围的“盲区”。

二，近距离探测不好。当红外光线斜射近距离透镜的同心圆齿纹时，会产生折射，但其光圈很大，无聚焦点，因此此类的透镜不具备近距离的探测功能。反映在具体应用中，当被检测物体迎着透镜方向运动会出现探测不到或者移动到很近的距离时才能探测到的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够实现多种探测距离、减少盲区、并改善近距离探测效果的菲涅尔透镜。

本发明提供的菲涅尔透镜包括第一透镜部、第二透镜部、第三透镜部、第四透镜部，所述四个透镜部集成在一个透镜面上，且，每个透镜部均包括多个视窗。其中：第一透镜部的焦距小于第二透镜部的焦距；第二透镜部的焦距小于第三透镜部的焦距；第三透镜部的焦距小于第四透镜部的焦距，第二透镜部相邻地设置在第一透镜部下方、第三透镜部相邻地设置在第二透镜部下方，第四透镜部相邻地设置在第三透镜部下方，且所述四个透镜部的焦点位于同一点.

优选地，第二透镜部中各视窗的中部与第一透镜部中相邻视窗之间的边对齐、第三透镜部中各视窗的中部与第二透镜部中相邻视窗之间的边对齐、第四透镜部中各视窗的中部与第三透镜部中相邻视窗之间的边对齐。

优选地，所述第一透镜部的焦距为26mm，探测的距离为10米-18米；第二透镜部的焦距为26.5mm，探测的距离为10米-15米；第三透镜部的焦距为27.5mm，探测的距离为6米-10米；第四透镜部的焦距为29mm，探测的距离为0.5米-6米。

优选地，第一透镜部、第二透镜部、第三透镜部、第四透镜部中的每一个均包括一排视窗，每个视窗的尺寸相同。

优选地，第一透镜部包括排成一排的13个视窗；第二透镜部包括排成一排的10个视窗；第三透镜部包括排成一排的7个视窗；第四透镜部包括排成一排的5个视窗。

优选地，第三排视窗与第四排视窗的齿纹同心圆的圆心偏置于视窗几何中心的下方。

优选地，所述菲涅尔透镜的厚度为0.38毫米-0.42毫米。

优选地，所述菲涅尔透镜的厚度为0.4毫米。

优选地，齿形加工公差小于0.002毫米。

优选地，所述四个透镜部集成在一个圆柱型透镜面或球型透镜面上。

相对于现有技术，本发明的菲涅尔透镜采用多层组合透镜的设计，每层采用不同的透镜设计焦距，通过变焦来实现远距离、中距离、近距离的探测。而且，通过多层透镜的相互弥补，减少了探测区域的盲区。

在本发明中，通过调整透镜的光心位置，实现光线聚集到同一点。从而解决了物体迎着透镜方向移动探测不到或需要到距离透镜很近距离时才能探测到的问题。

本发明采用超薄壁厚的菲涅尔透镜，减少了因菲涅尔透镜厚，能量损失大产生的问题。

另外，传统的菲涅尔透镜由于采用电铸模具拷贝加工，因此加工误差大，使光线往往不能折射到一点上，从而导致能量损失大的问题。而本发明的菲涅尔透镜采用超高精度机加工，提高了透镜的加工精度，减少了能量损失。

附图说明

图1是本发明一种优选实施方式的菲涅尔透镜的镜面的平面投影示意图；

图2是图1所示的第一排透镜的齿形示意图；

图3是图1所示的第二排透镜、第三排透镜的齿形示意图；

图4是图1所示的第四排透镜的齿形示意图；

图5是本发明一种优选实施方式的菲涅尔透镜的单个透镜的光路图；

图6是本发明一种优选实施方式的菲涅尔透镜的光路图。

具体实施方式

在本发明的一种具体实施方式中，菲涅尔透镜包括第一透镜部10、第二透镜部20、第三透镜部30、第四透镜部40，所述四个透镜部集成在一个透镜面上。四个透镜部在沿竖直方向上从上至下排列，即：第二透镜部相邻地设置在第一透镜部下方、第三透镜部相邻地设置在第二透镜部下方，第四透镜部相邻地设置在第三透镜部下方。而且，所述四个透镜部的焦点位于同一点。

具体到本实施方式中，采用四排透镜设计，第一透镜部10、第二透镜部20、第三透镜部30、第四透镜部40分别为第一排透镜，第二排透镜，第三排透镜与第四排透镜。每排透镜分别具有不同的焦距，以对应不同的探测距离。本领域技术人员可以理解，每个透镜部也可以为多排透镜。

在本实施方式中，第一排透镜10为远距离探测透镜，第二排透镜20、第三排透镜30为中距离探测透镜，第四排透镜40为近距离探测透镜。第一透镜部10的焦距小于第二透镜部20的焦距。第二透镜部20的焦距小于第三透镜部30的焦距。第三透镜部30的焦距小于第四透镜部40的焦距。

在本实施方式中，所述四个透镜部集成在一个圆柱型透镜面上。在其他优选实施方式中，四个透镜部可以集成在一个球型透镜面上。

在一个优选实施例中，第一透镜部的焦距为26mm，探测距离为10米-18米；第二透镜部的焦距为26.5mm，探测距离为10米-15米；第三透镜部的焦距为27.5mm，探测距离为6米-10米；第四透镜部的焦距为29mm，探测距离为0.5米-6米。

图1为本发明一种优选实施方式的菲涅尔透镜的整体布局图，在本具体实施方式中，整个菲涅尔透镜采用35个视窗，每个视窗即一片透镜。

图1中第一排透镜10为远距离探测区，从齿纹同心圆的中心到边缘的尺寸比较大，光线穿透的区域比较大。第二排透镜20、第三排透镜30为中距离探测区，面积比较小，光线穿透的区域比较小，探测的范围相对比较小。第四排透镜40为近距离探测区。

图2为第一排透镜10的齿形示意图，此排透镜包括13个等齿深设计的视窗。以在一个圆柱曲面上设置菲涅尔透镜为例：第一排透镜的相邻两个视窗在圆周方向上间隔7.5度安装，每个视窗具有相同大小的尺寸，以保证每个视窗探测范围相等，同时也可以保证在配合被动红外探测器使用时每个视窗的能量采集是相同的。另外，第一排透镜10的视窗为扁长形状，这可以有效地保证在远距离探测时能收集更多的能量，以便探测效果与中距离探测、近距离探测相一致。

图3是菲涅尔透镜中距离探测透镜的齿型排列图，即第二排透镜20、第三排透镜30的示意图，第二排包括10个视窗；第三排包括7个视窗。图4是菲涅尔透镜近距离探测齿型排列图，即第四排透镜的示意图，第四排透镜包括5个视窗。

上述第一排透镜10，第二排透镜20，第三排透镜30与第四排透镜40中的每个视窗都采用等齿深设计的。各排中的视窗个数以及每个视窗的尺寸都可以根据实际应用确定。

在本发明的优选实施方式中，为了使不同探测距离的视窗折射的光线汇聚在同一点，需要将第三排视窗30与第四排视窗40的齿纹同心圆的圆心偏离于视窗几何中心设置。如图1所示，第三排视窗30与第四排视窗40的齿纹同心圆的圆心偏置于视窗几何中心的下方。具体的偏置量需要根据具体的应用来调试确定。这样做的目的是将中距离探测、近距探测离时的焦点落在第一排视窗10的焦点上，从而实现采用一个传感器用一个焦点来实现不同距离的探测。

图5是本发明一种优选实施方式的菲涅尔透镜中的单个透镜(即视窗)的光路图；如图5所示，平行光照射到菲涅尔透镜中的单个透镜(例如一个视窗)上，经过透镜的折射，光线汇聚到该透镜的焦点f上。

图6是本发明一种优选实施方式的菲涅尔透镜的光路图。在图6中，示出了本发明中包括了四个透镜部的菲涅尔透镜的光路图。远距离检测中的平行光照射到第一排透镜10上，而近距离的斜射光线照射第二排透镜20、第三排透镜30、第四排透镜40后，也都汇聚到焦点f上。根据透镜的折射原理，当光线经过齿纹同心圆的“上半圆”部分折射后，形成的是俯角，即向内弯折的光线；当光线经过齿纹同心圆的“下半圆”部分折射后，形成的是仰角，即向外弯折的光线。所以，结合图1、2、3、4、6所示，在本发明的菲涅尔透镜中，第一、三、四排视窗都是利用了齿纹同心圆的“上半圆部分”，第二排视窗则利用了齿纹同心圆的“圆心”部分。

在本发明中，每排透镜相互错位地设置，即，第二透镜部20中各视窗的中部与第一透镜部10中相邻视窗之间的边对齐、第三透镜部30中各视窗的中部与第二透镜部20中相邻视窗之间的边对齐、第四透镜部40中各视窗的中部与第三透镜部30中相邻视窗之间的边对齐。这样可以避免探测范围中盲区过大，还可以在移动物体正对着探测器走动的情况下，探测到探测区域中的物体移动。这样，可以在整个探测区域形成网状结构，有效地减少探测区域的死角。

优选地，菲涅尔透镜上每个视窗的齿型加工公差小于0.002mm。传统的菲涅尔透镜由于加工误差大，使光线往往不能折射到一点上，从而导致能量损失大的问题。菲涅尔透镜的加工过程包括：将聚烯烃等聚合材料注塑成型；在注塑后的部件上通过机床加工出相应的齿纹同心圆，从而形成菲涅尔透镜。在本发明中，菲涅尔透镜注塑成型可以使用的机床为卧式注塑机，例如台湾振雄、日本三菱等品牌的卧式注塑机。而且，为了保证上述加工精度，本发明利用超高精密度加工设备来加工菲涅尔透镜，加工的工具为超高精密度车床或超高精密度铣床，例如，三轴联动数控车床、三轴联动数控铣床、加工中心等设备。车床或铣床的刀具为钻石刀头。

优选地，通过上述加工设备和加工方式，本发明的菲涅尔透镜的厚度为0.38毫米-0.42毫米。更优选地，菲涅尔透镜的厚度为0.4毫米。因此，本发明减少了传统菲涅尔透镜厚度大造成的能量损失大的问题。

以上实施方式仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜包括第一透镜部、第二透镜部、第三透镜部、第四透镜部，所述四个透镜部集成在一个透镜面上，且每个透镜部均包括多个视窗，其中：

第一透镜部的焦距小于第二透镜部的焦距；第二透镜部的焦距小于第三透镜部的焦距；第三透镜部的焦距小于第四透镜部的焦距，第二透镜部相邻地设置在第一透镜部下方、第三透镜部相邻地设置在第二透镜部下方，第四透镜部相邻地设置在第三透镜部下方，且所述四个透镜部的焦点位于同一点；

第一透镜部、第二透镜部、第三透镜部、第四透镜部中的每一个均包括一排视窗，每个视窗的尺寸相同，第三排视窗与第四排视窗的齿纹同心圆的圆心偏置于视窗几何中心的下方。

2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，第二透镜部中各视窗的中部与第一透镜部中相邻视窗之间的边对齐、第三透镜部中各视窗的中部与第二透镜部中相邻视窗之间的边对齐、第四透镜部中各视窗的中部与第三透镜部中相邻视窗之间的边对齐。

3.根据权利要求1或2所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述第一透镜部的焦距为26mm，探测的距离为10米-18米；第二透镜部的焦距为26.5mm，探测的距离为10米-15米；第三透镜部的焦距为27.5mm，探测的距离为6米-10米；第四透镜部的焦距为29mm，探测的距离为0.5米-6米。

4.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，第一透镜部包括排成一排的13个视窗；第二透镜部包括排成一排的10个视窗；第三透镜部包括排成一排的7个视窗；第四透镜部包括排成一排的5个视窗。

5.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜的厚度为0.38毫米-0.42毫米。

6.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜的厚度为0.4毫米。

7.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，齿形加工公差小于0.002毫米。

8.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述四个透镜部集成在一个圆柱型透镜面或球型透镜面上。