CN103091738A - 一种广角度热释红外菲涅尔透镜 - Google Patents

Abstract

本发明适用于防盗报警及光学照明技术领域，提供了红外探测器及自动红外感应灯光学器件上的一种广角度热释红外菲涅尔透镜，本发明采用以单个镜片为单元，每单个镜片探测一个角度与距离，由四层组合，每层分别探测不同的距离，而且每层又由多个单镜片组成，分别探测不同的角度。每层镜片采用不同焦距设计及相互错开排列的方式，以菲涅尔透镜折射原理与实际使用的方法，将通过每单个镜片的热释红外光线都聚焦在同一个位置，实现同时探测由远距离，中距离，近距离，超近距离以及大角度而组成的一个立体式探测区域，有效的减少了探测区域中的盲区。另外本发明采用通过改变入射红外光线角度的方式，使焦点的位置产生位移，改变探测的距离。

Description

一种广角度热释红外菲涅尔透镜

技术领域

本发明属于一种光学元件，尤其涉及用于防盗报警产品及光学照明产品等技术领域的一种广角度热释红外菲涅尔透镜。

背景技术

菲涅尔透镜是根据普通圆形凸透镜按透镜连续表面部分以等齿深与等齿距的方式“坍陷”到一个平面上，形成一个与普通透镜等效的菲涅尔透镜。都是基于光线穿越不同材质分界面产生光学折射原理，把光线调整成平行光或聚光。

菲涅尔透镜应用多个技术领域，使用材料及加工的方式多种。在红外探测领域使用中；通常采用聚乙烯材料注塑而成，其作用在于：一是聚焦作用，将热释红外光通过折射聚焦成一点，此焦点正好在热释红外传感器感应面上，二是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“感应区”，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“感应区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而判断是否有入侵者。

现有菲涅尔透镜存在的问题一，探测的远距离不够，因采用拷贝的方式使菲涅尔透镜的齿形有很大的变形，远距离的热释红外无法接收集聚焦到热释红外传感器上，一般只能达到8-12米范围。

现有菲涅尔透镜存在的问题二，探测的近距离盲区过大，目前的菲涅尔透镜通常采用的是单一焦距的镜片组成，而近距离探测需要大角度的入射红外光线通过折射才能与远距离焦点重合，单一焦距的菲涅尔透镜无法满足要求，因此使近距离的盲区增大，盲区范围一般在2-3米。

现有菲涅尔透镜存在的问题三，探测的角度不精准及角度范围小，目前的菲涅尔透镜探测的角度一般在0-90度范围内，另外国内制造商因缺乏设计经验，加上加工精度误差大原因，无法保证菲涅尔透镜本身探测的角度与防盗报警产品与光学照明产品的需求。

现有菲涅尔透镜存在的问题四，每一层组合的镜片，其镜片与镜片探测能量相比不一致。目前的菲涅尔透镜每一层的透镜尺寸大小都一致，因组合透镜的左右两边镜片的折射角度大，引起两边部分的镜片与中间部分的镜片在探测能量上不一致。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供防盗报警产品被动红外探测器与光学照明产品自动红外感应灯使用的广角度热释红外菲涅尔透镜，旨在解决现有国内市场上防盗报警与光学照明产品使用的菲涅尔透镜远距离，近距离探测效果不好，探测范围内盲区大，镜片与镜片之间探测能量不均匀，探测角度小及不精准等问题点，有效的整体提高现有市场两大系列产品品质及解决国内设计技术瓶颈。

本发明实施例，采用以单个镜片为单元，每单个镜片探测一个角度与距离，分四层组合，第一层组合视区，第二层组合视区，第三层组合视区，第四层组合视区，每层组合视区按照探测不同距离的方式排列，第一层组合视区探测远距离，排列在透镜的最上面，且面积尺寸比较大。第二层视区探测中距离，排列在透镜最上层的下面。第三组合视区探测近距离，排列在第二层透镜的下面。第四组合视区探测近距离，排列在透镜的最下面。每层组合视区由多个单镜片组成，每单个镜片探测不同的角度。

本发明实施例，采用四层及每层由不同数量的单个镜片组合，第一层用11片单一的镜片组合，第二层用8片单一的镜片组合，第三层用6片单一的镜片组合，第四层用5片单一的镜片组合，共30片镜片组成一个整体。

本发明实施例，使用每层不同的单个镜片面积尺寸，第一层采用4组不同面积的镜片尺寸，优选为4mm，4.5mm，5mm，6mm。第二层采用3组不同面积的镜片尺寸，优选为5mm，6.5mm，7.5mm。第三层采用3组不同面积的镜片尺寸，优选为8mm，8.5mm，9mm。第四层采用3组不同面积的尺寸，优选为9mm，10mm，11mm，保证每一层单个镜片所聚的能量相同。在本发明中每个单个镜片根据探测的角度及范围不同，可任意调整镜片的面积尺寸。优选地，镜片面积尺寸范围可在2-20mm。

本发明实施例，使用每层不同焦距的组合镜片及探测不同的距离，第一层组合的镜片焦距为29mm，探测远距离为12米-20米。第二层组合的镜片焦距为29mm，探测中距离为6米-10米。第三层组合的镜片焦距为33mm，探测近距离为3米-5米。第四层组合的镜片焦距为36mm，探测超近距离为0.3米-2米。

本发明实施例，以单个镜片为单元，每单个镜片探测一个角度与距离，组成为一个90度的广角式菲涅尔透镜。第一层为11个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为8.4度，共90度。第二层为8个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为12度，共90度。第三层为6个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度16.8度，共90度。第四层为5个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为21度，共90度。

本发明实施例，采用菲涅尔透镜折射原理及使用的方法，以不同入射的热释红外光线角度与菲涅尔透镜感光位置，将所有单个镜片的焦点都聚焦在同一个位置，实现同时探测由远距离，中距离，近距离，超近距离及大角度而组成的一个立体式探测区域。

本发明实施例，采用每层单个镜片相互错开排列方式，使第二层每单个镜片探测的范围在第一层两个镜片探测范围盲区的中间，第三层每单个镜片探测的范围在第二层两个镜片探测范围盲区的中间，从而有效的弥补了探测范围中盲区过大的问题，另外解决了透镜在红外探测器中使用时物体迎着透镜方向直线移动不报警的问题。

本发明实施例，采用调整每单个镜片尺寸的大小，圆心位置及数量来实现增大或减小探测的角度。

本发明实施例，采用每单个镜片为等齿距式菲涅尔透镜，优选地，每个齿形与齿形的距离范围为0.05-1.0mm，其宽度越小，齿形的高度就越小，本发明优选齿距为0.25mm，可以有效的减小因齿形高而增大干扰侧面的面积所带来的能量损失。

本发明实施例，采用0.35mm超薄的壁厚，纳米级精度的超高精密度机床加工，高精密度的塑料注塑成型工艺制作。有效的改善了目前的菲涅尔透镜用电铸方式加工与因产品过厚在注塑成型工艺时引起透镜表面的齿变形所带来的能量损失。

本发明实施例，采用配合红外探测器使用前形状与使用时形状不一样的方式，使用前为平面式，长为51mm，宽为38.5mm。实际使用时为圆弧型，需把透镜转成半径为29mm的圆弧形状。

本发明实施例，采用可通过改变入射红外光线的角度，使焦点的位置产生位移，改变探测的距离，实现多种不同距离的探测方式。

附图说明

图1是本发明实施方式的一种广角度热释红外菲涅尔透镜平面主视图；

图2是本发明实施方式的一种广角度热释红外菲涅尔透镜侧视图；

图3是图2，E，G，F局部放大图及齿型示意图；

图4是图1所示的第一层透镜的排列及位置示意图；

图5是图1所示的第二层透镜的排列及位置示意图；

图6是图1所示的第三层透镜的排列及位置示意图；

图7是图1所示的第四层透镜的排列及位置示意图；

图8是本发明实施方式的一种广角度热释红外菲涅尔透镜距离探测光路图；

图9是本发明实施方式的一种广角度热释红外菲涅尔透镜角度探测光路图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种广角度热释红外菲涅尔透镜具体实施方式，采用以单个镜片为单元，每单个镜片探测一个角度与距离，分四层组合，包括第一层组合视区A，第二层组合视区B，第三层组合视区C，第四层组合视区D，每层组合视区按照探测不同距离的方式排列，第一层组合视区A探测远距离，排列在透镜的最上层。第二层组合视区B探测中距离，排列在最上层透镜的下面。第三层组合视区C探测近距离，排列在第二层透镜的下面。第四层组合视区D探测超近距离，排列在第三层透镜的下面。每层组合视区由多个单镜片组成，分别探测不同的角度。采用菲涅尔透镜折射原理及使用的方法，以不同入射角度的热释红外光线与菲涅尔透镜感光位置，将每层单个镜片的焦点都聚焦在同一个位置，实现同时探测一个大角度大范围的立体空间区域。

具体到本实施方式中，采用四层组合镜片设计，第一层组合镜片A，第二层组合镜片B，第三层组合镜片C，第四层组合镜片D，每一层组合镜片由多个单一的镜片组合，每层组合镜片具有不同的探测距离，探测角度及不同的焦距。另外本技术领域的菲涅尔透镜可由多层与多个镜片组合。

本实施方式中，第一层组合视区A的镜片焦距为29mm，探测距离为12米-20米。第二层组合视区B的镜片焦距为29mm，探测距离为6米-10米。第三层组合视区C的镜片焦距为33mm，探测距离为3米-5米。第四层组合视区D的镜片焦距为36mm，探测距离为0.3米-2米。

本实施方式中，以单个镜片为单元，每单个镜片探测一个角度与距离，组成为一个90度的广角式菲涅尔透镜。第一层组合镜片为11个单镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为8.4度，共90度。第二层组合镜片为8个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为12度，共90度。第三层组合镜片为6个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为16.8度，共90度。第四层组合镜片为5个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为21度，共90度。另外可采用调整每单个镜片尺寸的大小，圆心位置及数量来实现增大或减小探测的角度。

本实施方式中，使用每层不同的单个镜片面积尺寸，第一层组合视区A采用4组不同面积的镜片尺寸，第二层组合视区B采用3组不同面积的镜片尺寸，第三层采用3组不同面积的镜片尺寸，第四层采用3组不同面积的镜片尺寸。使用不同面积尺寸的镜片，其目的保证每一层单个镜片所聚的能量相同。

图1为本发明实施方式中整体镜片布局示意图，在具体实施方式中，整个广角度热释红外菲涅尔透镜以单个镜片为单元，优选由四层组合，第一层组合镜片A，第二层组合镜片B，第三层组合镜片C，第四层组合镜片D，每层组合镜片由多个单镜片组成，共30个镜片组成一个整体。

图1在本发明实施方式中，采用每层单个镜片相互错开排列方式，使第二层每单个镜片探测的范围在第一层两个镜片探测范围盲区的中间，第三层每单个镜片探测的范围在第二层两个镜片探测范围盲区的中间，从而有效的弥补了探测范围中盲区过大的问题，另外解决了透镜在红外探测器中使用时物体迎着透镜方向直线移动不报警的问题。

图2为本发明实施方式中整体镜片侧面示意图，在具体实施方式中，每层组合镜片采用相同的壁厚，其壁厚设计范围可在0.35mm-1.2mm，壁厚越小对于因产品过厚在注塑成型工艺时引起镜片表面的齿变形所带来的能量损失就越少，本发明优选采用0.35mm的壁厚。

图3为每层镜片的齿型放大图及齿形示意图，每层单个镜片采用等齿距的方式设计，每个齿距的设计范围可在0.05mm-1mm之间，其宽度越小，齿形的高度就越小，本发明优选齿距为0.25mm，可以有效的减小因齿形高而增大干扰侧面的面积所带来的能量损失。

图4为第一层组合镜片A排列图，此层包括11个由四组不同面积尺寸的单镜片，其第1组镜片的宽度为4mm，共5个，排列在中间位置。第2组镜片的宽度为4.5mm，共2个，排列在4mm镜片的两边。第3组镜片的宽度为5mm，共2个，排列在4.5mm镜片的两边。第4组镜片的宽度为6mm，共2个，排列在5mm镜片的两边。每个镜片与镜片之间采用8.4度的夹角设计，采用不同面积尺寸设计，其目的，保证第一层组合镜片中的每单个镜片所探测的能量能保持均匀一致。另外此层为远距离探测区域，根据人体高度探测的方式以每单个镜片采用长而窄的形状设计，可以有效的扩大远距离探测，采集更多的能量，来保证远距离探测效果。

图5为第二层组合镜片B排列示意图，探测中距离，此层包括8个，三组不同面积尺寸的单镜片，其第5组镜片的宽度为5mm，共2个，排列在中间位置。第6组镜片的宽度为6.5mm，共2个，排列在5mm镜片的两边。第7组镜片的宽度为7.5mm，共2个，排列在6.5mm镜片的两边。每个镜片与镜片之间采用12度的夹角设计。采用较小尺寸的设计，其在使用时结合远距离一起探测移动物体。

图6为第三层组合镜片C排列示意图，探测近距离，此层包括6个，三组不同面积尺寸的单镜片，其第8组镜片的宽度为8mm，共2个，排列在中间位置。第9组镜片的宽度为8.5mm，共2个，排列在8mm镜片的两边。第10组镜片的宽度为9mm，共2个，排列在8.5mm镜片的两边。每个镜片与镜片之间采用16.8度的夹角设计。采用较小尺寸的设计，其在使用时结合远距离，中距离一起探测移动物体。

图7为第四层组合镜片D排列示意图，此层包括5个，三组不同面积尺寸的单镜片，其第11组镜片的宽度为9mm，共1个，排列在中间位置。第12组镜片的宽度为10mm，共2个，排列在9mm镜片的两边。第13组镜片的宽度为11mm，共2个，排列在10mm镜片的两边。每个镜片与镜片之间采用16.8度的夹角设计。采用较小尺寸的设计，其在使用时结合中距离，近距离一起探测移动物体。

图8为本发明一种优选实施方式的广角度热释红外菲涅尔透镜的探测距离的光路图。在图8中，表示出了菲涅尔透镜探测距离的一组镜片光路系统图，最上层一组远距离外界热释红外平行光线通过第一层组合镜片A其中的一个单镜片，把光线聚焦成一点，此焦点作为中距离，近距离，超近距离，既第二层组合镜片B，第三层组合镜片C，第四层组合镜片D其中单一镜片焦点的基点，采用菲涅尔透镜折射原理，以不同入射的热释红外光线角度与菲涅尔透镜感光位置，将第二层，第三层，第四层单个镜片的焦点都聚焦在第一层单个镜片的焦点位置，实现同时探测远距离，中距离，近距离及超近距离。

图9为本发明一种优选实施方式的广角度热释红外菲涅尔透镜的探测角度的光路图。在图9中，表示出了其中第一层组合镜片探测角度的光路系统图，以本发明实施例在实际使用中的情况与菲涅尔透镜折射原理，把各角度入射的外界热释红外平行光线通过第一层组合镜片中每个单镜片聚焦在同一个焦点位置。另外第二层组合镜片，第三层组合镜片及第四层组合镜片需要结合图8的光路系统图与图9的光路系统图把每层组合镜片中的单个镜片焦点都聚焦在第一层组合镜片的焦点位置上，实现每层角度的探测。

在本发明实施方式中，通过调整广角度热释红外菲涅尔透镜焦点的位置，改变入射红外光线的角度，来改变探测的距离，实现多种不同距离的探测方式。

在本发明实施方式中，采用配合红外探测器使用前形状与使用时形状不一样的方式，使用前为平面式，长为51mm，宽为38.5mm。实际使用时为圆弧型，需把透镜转成半径为29mm的圆弧形状。

本发明实施例，优选采用0.35mm超薄的壁厚，纳米级精度的超高精密度机床加工，高精密度的塑料注塑成型工艺制作。有效的改善了目前的菲涅尔透镜用电铸方式加工与因产品过厚在注塑成型工艺时引起透镜表面的齿变形所带来的能量损失。

以上实施方式仅用以说明本发明实现的技术方案，并不限于本发明。例如，透镜的排列方式，组合层的排列数量，每层单个镜片排列的个数，每个镜片面积大小尺寸，镜片感光位置，使用的齿距等，这些都应该属于本发明的范围。凡一切不脱离本发明的精神与原则，在这基础上进行的修改，均应包含在本发明的权利保护范围中。

Claims (14)

1.一种广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，所述透镜以单个镜片为单元，每单个镜片探测一个角度与距离，由多个单镜片按方形多排多列平面方式组合为一体，组成一个大角度，大范围探测区域。 

所述广角度热释红外菲涅尔透镜分四层，分别为第一层透镜组合区，第二层透镜组合区，第三层透镜组合区，第四层透镜组合区。每层透镜探测不同的距离，第一层透镜组合区探测远距离，第二层透镜组合区探测中距离，第三层透镜组合区探测近距离，第四层透镜组合区探测超近距离。每层由多个单个镜片组成，每层透镜的焦距不同，通过菲涅尔透镜的折射原理与实际使用的方法，把不同入射角度的热释红外光线聚焦在同一个焦点位置，实现同时探测不同角度，不同距离的热释红外移动物体。所述广角度热释红外菲涅尔透镜采用不同的感应面积尺寸，保证每一层的单个镜片所感应的能量均匀。另外所述广角度热释红外菲涅尔透镜可通过移动焦点的位置来改变探测的距离。 

2.根据权利要求1所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，每单个镜片的齿形排列方式为等齿距式菲涅尔透镜，优选地，每个齿形与齿形的间距范围为0.05-1.0mm，本菲涅尔透镜优选齿距为0.25mm。齿距越小，其齿形的高度就越小，可以减小齿形高而增大干扰侧面的面积所带来的能量损失。 

3.根据权利要求1或2所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，所述透镜优选四层组合视区，第一层组合视区，第二层组合视区，第三层组合视区，第四层组合视区。按照探测不同的距离方式排列，第一层探测远距离(12-20米)，在透镜的最上层。第二层探测中距离(6-10米)，在透镜最上层的下面。第三层探测近距离(3-5米)，在透镜第二层的下面。第四层探测超近距离(0.3-2米)，在透镜的最下层。 

4.根据权利要求1或3所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，每层以单个镜片为单元组成，每单个镜片探测一个角度与距离，组成为广角度菲涅尔透镜。优选第一层为11个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为8.4度，共90度。第二层为8个镜片，每单个镜片探测的角 度为6度，镜片与镜片之间的角度为12度，共90度。第三层为6个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为16.8度，共90度。第四层为5个镜片，每单个镜片探测的角度为6度，镜片与镜片之间的角度为21度，共90度。 

5.根据权利要求4所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，可根据调整单个镜片的宽度尺寸，镜片圆心排列位置尺寸及镜片数量来实现不同的探测角度。优选地，探测角度可在10-140度范围。 

6.根据权利要求1或3所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，每层镜片的焦距不一样。优选地，热释红外菲涅尔透镜焦距范围可在5mm-200mm，本发明优选第一、二层镜片的焦距为29mm，第三层镜片的焦距为33mm，第四层镜片的焦距为36mm。 

7.根据权利要求1所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，实际使用前为平面式的，长为51mm，宽为38.5mm。实际使用中为圆弧型，把透镜转成半径为29mm的弧型使用。 

8.根据权利要求5或7所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，采用菲涅尔透镜折射原理与实际使用的方法，通过不同入射角度的热释红外光线与菲涅尔透镜感光位置，将所有单个镜片的焦点都聚焦在同一个位置，实现同时探测由远距离，中距离，近距离，超近距离及大角度而组成的一个立体式探测区域。 

9.根据权利要求1或4所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，每一层单个镜片面积尺寸不一样，第一层为4组不同面积尺寸的镜片，分别为4mm，4.5mm，5mm，6mm。第二层为3组不同面积尺寸的镜片，分别为5mm，6.5mm，7.5mm。第三层为3组不同面积的尺寸，分别为8mm，8.5mm，9mm。第四层为3组不同面积的尺寸，分别为9mm，10mm，11mm。保证使每一层中单个镜片在探测范围中所聚集的能量保持均匀一致。 

10.根据权利要求1所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，优选地，热释红外菲涅尔透镜壁厚范围可在0.35-1.2mm。 

11.根据权利要求10所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，本发明优选0.35mm超薄的壁厚设计，齿形采用超高精密度机床加工，成品采用精密塑料注塑成型工艺制作。超薄的壁厚设计，纳米级的精度加工，可以减少因产品过厚在注塑成型工艺时引起透镜表面的齿变形所带来的能量损失。 

12.根据权利要求1所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，可通过改变入射红外光线的角度，使焦点的位置产生位移，改变探测的距离。 

13.根据权利要求3或4所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，每层单个镜片的中心位置采用相互错开的方式排列，有效减少探测区域中的盲区。 

14.根据上述权利要求所述的广角度热释红外菲涅尔透镜，其特征在于，整片广角度热释红外菲涅尔透镜根据探测距离范围的要求，可由(1-10)多层组合。根据探测角度范围的要求，每层可由(1-20)多个单一镜片排列。每单个镜片可采用(5mm-200mm)多种不同的焦距，另外每单个镜片可采用(0.35mm-1.2mm)多种不同的厚度，其每单个镜片可采用(0.05mm-1.0mm)多种不同的齿距排列方式。 

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