CN107678146A - 一种被动式红外传感器广角光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外传感器技术领域，公开了一种被动式红外传感器广角光学系统，其包括：红外传感器模组和广角透镜组，所述广角透镜组包括：形成在透镜本体上的聚光透镜阵列，用于对大视角范围各个方位的红外热辐射进行会聚；形成在透镜本体上的广角凹面或广角散焦菲涅尔面，聚光透镜阵列会聚后的光线经由广角凹面或广角散焦菲涅尔面折射，视角缩小，视角缩小后会聚的红外热辐射由红外传感器模组接收。本发明通过设置起会聚作用的聚光透镜阵列，实现对大视角范围各个方位的红外热辐射进行会聚，会聚后的光线进一步折射，缩小视角，由红外传感器接收，从而实现整个红外传感器系统的广角探测，整体结构易于实现，体积小，成本低。
Description
技术领域
本发明属于红外传感器技术领域，涉及一种被动式红外传感器广角光学系统。
背景技术
被动式红外传感器具有体积小、性能稳定以及反应灵敏等优点，广泛应用于防火、防盗、监测、非接触温度测量、人体探测、红外雷达、人工智能、移动物体、以及微波炉、空调等领域。其核心部件主要由光学系统、红外热电堆传感器模组(或者是热释电传感器及其他红外传感器)、信号处理及控制电路组成。传感器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外热辐射。
所述的被动式红外传感器，其通过光学系统的聚焦作用，探测位于某一个立体防范空间内的红外热辐射的变化。当防范区域内没有移动的人体等目标时，由于所有背景物体(如墙、家具等)在室温下红外热辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所有不能触发报警。当有人体在探测区域内走动时，就会造成某一方位红外热辐射能量的突然变化。红外热辐射能量的突然变化触发红外探测器中电压信号的变化，经过控制电路的信号处理后，送往报警控制器，从而发出报警信号。所述的被动式红外传感器，其探测波长范围是8～14μm，而人体的红外热辐射波长约为10μ左右，正好在此探测波长的窗口范围之内，因此能较好地探测到活动的人体。红外传感器模组前方的光学系统可以将来自多个方向的红外热辐射能量经光学系统后全部集中在红外传感器模组上。这杆，一方面可以提高红外传感器的热电转换效力，另一方面还起到了加长探测距离、扩大警戒视场的作用。
现有全方位探测的被动式红外传感器技术，其光学系统一般为类似于足球的空心球体形状，通过在球体的内侧表面或外侧表面设置凸透镜阵列，将不同方位的辐射光进行会聚，聚焦于探测器上，就可以进行全方位的探测，探测出不同方位的人员走动。其结构类似于图1所示松下电器(Matsushita electric works)提出的专利号为US006051836A的一种被动式红外传感器透镜，透镜阵列31、32、33设置于球体的内侧表面，其分别将β1、β2、β3方位的红外热辐射进行会聚，聚焦到红外传感器模组的芯片P1上，从而可以探测这些方位的热辐射变化。
现有全方位探测的被动式红外传感器技术，其光学系统的另一种结构为通过在球体的内侧表面或外侧表面设置环纹形状的菲涅尔聚光透镜阵列，将不同方位的热辐射光线进行会聚，聚焦于探测器上，进行全方位的探测，探测出不同方位的热辐射源的变化。其结构类似于图2所示瑞士Cerberus AG公司提出的专利号为US 4757204A的一种被动式红外传感器透镜，透镜阵列28、30为设置于球体内侧表面的菲涅尔聚光透镜阵列，其将不同方位的光线会聚到下方红外传感器模组52的芯片上，从而可以探测这些方位的热辐射变化。
现有全方位探测的被动式红外传感器技术，其空心球体形状的光学系统，解决了对3维空间不同方位的热辐射探测，但是当探测方位角变大的时候，由于会聚光线变得比较倾斜，红外传感器芯片接收热辐射的等效面积变小，红外传感器芯片收集到的热辐射强度与探测方位角的大小呈余弦函数的分布关系，导致其对边缘方位探测到的热辐射强度越来越低，探测视角受到限制。一般情况下，现有被动式红外传感器技术，其探测方位在80°～90°以内可以获得比较清晰的信号，而超过这个方位角，信号就会变弱、变得比较模糊。另外，如图3所示，红外传感器模组在封装时候还有一片红外滤波片12，其透过红外线，并将可见光过滤掉，由于该滤波片12与红外传感器模组的芯片11也有一定的距离，受到滤波片口径的限制，现有技术的最大探测视角θmax也进一步受到限制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种被动式红外传感器广角光学系统，解决探测器方位角较小的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种被动式红外传感器广角光学系统，其包括：红外传感器模组和广角透镜组，所述广角透镜组包括：形成在透镜本体上的聚光透镜阵列，用于对大视角范围各个方位的红外热辐射进行会聚；形成在透镜本体上的广角凹面或广角散焦菲涅尔面，聚光透镜阵列会聚后的光线经由广角凹面或广角散焦菲涅尔面折射，视角缩小，视角缩小后会聚的红外热辐射由红外传感器模组接收。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的被动式红外传感器广角光学系统，通过设置起会聚作用的聚光透镜阵列，实现对大视角范围各个方位的红外热辐射进行会聚，会聚后的光线进一步折射，缩小视角，由红外传感器接收，从而实现整个红外传感器系统的广角探测，整体结构易于实现，体积小，成本低。
附图说明
图1松下电器提出的一种被动式红外传感器透镜结构示意图。
图2瑞士Cerberus AG公司提出的另一种被动式红外传感器透镜结构示意图。
图3现有技术的最大探测方位角受到限制的示意图。
图4实施例1所述被动式红外传感器广角光学系统的结构示意图。
图5实施例1所述被动式红外传感器广角光学系统的透镜阵列的三视图。
图6实施例1所述被动式红外传感器广角光学系统的聚光原理图。
图7实施例1所述被动式红外传感器广角光学系统，所述透镜阵列130，其边缘单个小聚光透镜131a的光路图。
图8实施例1所述被动式红外传感器广角光学系统的计算机模拟图。
图9实施例1所述被动式红外传感器广角光学系统在5米远处的探测区域。
图10实施例1所述被动式红外传感器广角光学系统在水平方向的探测角度分布图。
图11实施例2所述被动式红外传感器广角光学系统的剖面图。
图12实施例2所述被动式红外传感器广角光学系统的聚光原理图。
图13实施例3所述被动式红外传感器广角光学系统的剖面图。
图14实施例3所述被动式红外传感器广角光学系统的聚光原理图。
图15实施例4所述被动式红外传感器广角光学系统的剖面图。
图16实施例4所述被动式红外传感器广角光学系统的聚光原理图。
图17实施例5所述被动式红外传感器广角光学系统的剖面图。
图18实施例5所述被动式红外传感器所述广角透镜阵列的3视图。
图19实施例5所述被动式红外传感器广角光学系统的聚光原理图。
图20实施例5所述被动式红外传感器广角光学系统，所述复合透镜520，其其外侧面弧面上单个小聚光透镜522a的光路图。
图21实施例6所述被动式红外传感器广角光学系统的剖面图。
图22实施例6所述被动式红外传感器广角光学系统，所述复合透镜620，其其外侧面弧面上单个小透镜622a的聚光光路图。
图23实施例7所述被动式红外传感器广角光学系统的剖面图。
图24实施例7所述被动式红外传感器广角光学系统，所述复合透镜720，其外侧面弧面上单个小菲涅尔聚光透镜722a的光路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
基于现有技术中探测方位角较小的情况，本发明提出一种广角光学系统的配光技术。该被动式红外传感器广角光学系统，包括：红外传感器模组和广角透镜组，所述广角透镜组包括：形成在透镜本体上的聚光透镜阵列，用于对大视角范围各个方位的红外热辐射进行会聚；形成在透镜本体上的广角凹面或广角散焦菲涅尔面，聚光透镜阵列会聚后的光线经由广角凹面或广角散焦菲涅尔面折射，视角缩小，视角缩小后会聚的红外热辐射由红外传感器模组接收。
其中，透镜本体可以为两个分离的透镜本体，记为：第一透镜本体和第二透镜本体，聚光透镜阵列形成在第一透镜本体上，广角凹面或广角散焦菲涅尔面形成在第二透镜本体上；或者透镜本体为一个复合本体，聚光透镜阵列形成在复合本体的一侧表面上，广角凹面或广角散焦菲涅尔面形成在复合本体的另一侧表面上。
聚光透镜阵列用于对大视角范围各个方位的红外热辐射进行会聚，可以设置为凸透镜阵列或菲涅尔聚光透镜阵列，由许多小聚光透镜在一个球体的内侧表面或外侧表面排列而成。
广角凹面或广角散焦菲涅尔面用于增大传感器的视场角，其对物方视角进行扩束，探测视角范围可以增大至110°～180°；广角凹面或广角散焦菲涅尔面形成在透镜本体上，形成广角负透镜，为非球面凹透镜或散焦的菲涅尔广角透镜。
实施例1
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例1的结构示意图如图4所示，本实施例中，透镜本体为两个分离的透镜本体。
图中110为红外传感器模组，本实施例优选其为红外热电堆传感器模组，其包括传感器芯片111、红外滤波片112。120为广角负透镜，其为非球面凹透镜，其用于增大传感器的视角，其包括与球形透镜阵列130相对的凸面122、以及与红外滤波片112相对的凹面121。130为球形透镜阵列，其内侧表面131划分成多个面积一致的小格子，每个小格分别设置有一个小的聚光凸透镜，形成一个排列于球面上的透镜阵列；其外侧表面132为球面。所述的球形透镜阵列130，其用于会聚各个方位的热辐射红外线；其3D视图如图5所示，其排列方式类似于足球，由多个大小一致的小凸透镜在球体的内侧表面由中心至外围层层排布，小凸透镜排布的数量按照由中心至外围分别为1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列。
所述的球形透镜阵列130及广角透镜120，其材料为透红外的HDPE(高密度聚乙烯)或者为透红外PC(聚碳酸树脂)。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例1的聚光原理如图6所示。首先，球形透镜阵列130内侧表面排列的每个小凸透镜大视角范围各个方位的红外热辐射经过分别进行会聚。会聚后的光线，经过广角负透镜120的折射后，其视角缩小，视角缩小后会聚的红外热辐射正好可以通过红外热电堆传感器模组110的红外滤光片112的窗口，最后会聚到传感器芯片111上，经过信号处理后就可以判断哪个方位的红外热辐射有无变化。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例1所述的球形透镜阵列130，其内侧表面单个小透镜131a的聚光光路图如图7所示，图中所述的单个小透镜131a，其位于球形透镜阵列130的最边缘位置。其所探测的角度Ψmax为该传感器的最大视角。在没经过广角负透镜120之前，经过该小透镜131a会聚的红外热辐射光线的会聚点位于红外滤波片112的中心O′点位置。广角负透镜120起到扩展物方视角的作用，反过来就是将小透镜131a会聚光线的像方视角进行压缩，使其正好可以通过红外滤波片112的窗口，会聚到传感器芯片111上，视角压缩后，入射到传感器芯片111的中心O点位置最大的像方视场角为δmax，δmax≤±40°。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例1所述的广角负透镜120，其焦距为负，其为非球面凹透镜，其内侧表面121为凹面非球面，其以O′点作为其物点(其为虚物)，以O点作为像点。O′点经过广角负透镜120成像后，其像点位于红外传感器芯片111中心O点的位置。由于红外滤波片112为平面玻璃，其对广角负透镜120的光焦度无影响。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例1中所述的O′点与O点，其相对于广角负透镜120互为物像共轭点。所述的O′点，其位于红外滤波片112的顶面，其会聚光线与光轴OZ所形成的最大视角Ψmax为±55°～±90°之间(最大视角的全角为110°～180°的范围)，通过调整广角负透镜120上下曲面的曲率半径和非球面系数，可以得到最大全角为110°至180°之间视角范围。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，所述的实施例1，如果该系统没有设置广角负透镜120，那么由于红外滤波片112窗口的限制，传感器芯片111只能探测最大视角δmax≤±40°的范围，加上广角负透镜120，该红外传感系统的探测角度扩展到最大视角Ψmax为±55°～±90°之间(即最大视角的全角为110°～180°的范围)，因此，该系统极大地扩展了红外探测的视角。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例1的计算机模拟如图8所示；其5米远处探测区域的模拟结果如图9所示，其中圆环形排列的白色小方块为该红外传感器的探测区域；图10为本实施例1的水平方向的探测角度分布，其中黑色条幅为探测角度。相邻两个黑色条幅的角度间隔则为探测角度间隔，其在5°～15°之间，本实施例优选该探测角度间隔为8°。本实施例1的最边缘位置的两条黑色条幅为±55°(全角为110°)。由于探测区域为圆环状排列，其竖直方向的探测角度分布也差不多，稍微有些错开。
实施例2
本实施例中，透镜本体为两个分离的透镜本体。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，所述用于扩大视场角的广角负透镜，其可以为一个散焦的菲涅尔广角透镜。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例2的剖面图如图11所示，图中210为红外传感器模组，本实施例优选其为红外热电堆传感器模组，其包括传感器芯片211、红外滤波片212。220为散焦的菲涅尔广角透镜，其用于增大传感器的视角，其包括与球形透镜阵列230相对的凸面222、以及与红外传感器模组相对的锯齿状的散焦的菲涅尔面221。所述的散焦菲涅尔面221，其等效于实施例1中的凹面121，其起到发散光线的作用，用于增大视角，其只是将凹面分割成环形的锯齿形状，去掉厚度的部分，排列在一个圆弧基面上。230为球形透镜阵列，其内侧表面231划分成许多面积一致的小格子，每个小格分别设置有一个小的聚光凸透镜，形成一个排列于球面上的透镜阵列；其外侧表面232为球面。所述的球形透镜阵列230，其用于会聚各个方位的热辐射红外线；其排列方式类似于足球，由多个大小一致的小凸透镜在球体的内侧表面按照1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列，同实施例1。
所述的球形透镜阵列230及散焦的菲涅尔广角透镜220，其材料为透红外的HDPE(高密度聚乙烯)或者为透红外PC(聚碳酸树脂)。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例2的聚光原理如图12所示。首先球形透镜阵列230内侧表面排列的每个小凸透镜231对大视角范围各个方位的红外热辐射经过分别进行会聚。会聚后的光线，经过散焦的菲涅尔广角透镜220的折射后，由于散焦的菲涅尔广角透镜220具有扩大物方视角的作用，反过来就是将会聚光线的像方视角进行缩小，视角缩小后会聚的红外热辐射正好可以通过选用红外热电堆传感器模组的红外传感器模组210的红外滤光片212的窗口，最后会聚到传感器芯片211上，经过信号处理后就可以判断哪个方位的红外热辐射有无变化。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例2所述的球形透镜阵列230，其内侧表面单个小透镜的聚光原理，以及所述散焦的菲涅尔广角透镜220，其关于O点的成像原理，其与实施例1所述的基本一致。
实施例3
本实施例中，透镜本体为两个分离的透镜本体。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，所述球形透镜阵列，其可以为锯齿状的菲涅尔聚光透镜阵列。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例3的剖面图如图13所示，图中310为红外传感器模组，本实施例优选其为红外热电堆传感器模组，其包括传感器芯片311、红外滤波片312。320为广角负透镜，其用于增大传感器的视角，其包括与球形透镜阵列330相对的凸面322、以及与红外传感器模组310相对的凹面321。其与实施例1中的广角负透镜320一致，其起到发散光线的作用，用于增大视角。330为球形透镜阵列，其内侧表面331划分成许多面积一致的小格子，每个小格分别设置有一个小的菲涅尔聚光透镜，形成一个排列于球面上的菲涅尔透镜阵列；其外侧表面332为球面。所述的球形透镜阵列330，其用于会聚各个方位的热辐射红外线；其排列方式类似于足球，由多个大小一致的菲涅尔聚光透镜在球体的内侧表面按照1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列，排布方式同实施例1。
所述的球形透镜阵列330及广角负透镜320，其材料为透红外的HDPE(高密度聚乙烯)、透红外PC(聚碳酸树脂)或者为透红外硅胶材料。其中硅胶材料由于其柔韧性比较好，注塑脱模比较容易，因此即使在球体内外侧面排列结构复杂、具有倒扣特征的锯齿形菲涅尔透镜阵列，也可以轻易脱模。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例3的聚光原理如图12所示。首先球形透镜阵列330内侧表面排列的每个小的菲涅尔聚光透镜331对大视角范围各个方位的红外热辐射经过分别进行会聚。会聚后的光线，经过广角负透镜320的折射后，其像方视角缩小，视角缩小后会聚的红外热辐射正好可以通过选用红外热电堆传感器模组的红外传感器模组310的红外滤光片312的窗口，最后会聚到传感器芯片311上，经过信号处理后就可以判断哪个方位的红外热辐射有无变化。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例3所述的球形透镜阵列330，其内侧表面单个小菲涅尔聚光透镜的聚光原理，以及所述广角负透镜320，其关于O点的成像原理，其与实施例1所述的基本一致。
实施例4
本实施例中，透镜本体为两个分离的透镜本体。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，所述球形透镜阵列，其为菲涅尔聚光透镜阵列，所述的用于扩大视场角的广角透镜，其同时为一个散焦的菲涅尔广角透镜。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例4的剖面图如图15所示，图中410为红外传感器模组，本实施例优选其为红外热电堆传感器模组，其包括传感器芯片411、红外滤波片412。420为散焦的菲涅尔广角透镜，其用于增大传感器的视角，其包括与球形透镜阵列430相对的凸面422、以及与红外传感器模组410相对的散焦菲涅尔面421。所述的散焦菲涅尔面421，其等效于实施例1中的凹面121，其起到发散光线的作用，用于增大视角。430为球形透镜阵列，其内侧表面431划分成许多面积一致的小格子，每个小格分别设置有一个小的菲涅尔聚光透镜，形成一个排列于球面上的菲涅尔透镜阵列；其外侧表面432为球面。所述的球形透镜阵列430，其用于会聚各个方位的热辐射红外线；其排列方式类似于足球，由多个大小一致的菲涅尔聚光透镜在球体的内侧表面按照1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列，排布方式同实施例3。
所述的球形透镜阵列430及散焦的菲涅尔广角透镜420，其材料为透红外的HDPE(高密度聚乙烯)、透红外PC(聚碳酸树脂)或者为透红外硅胶材料。其中硅胶材料由于其柔韧性比较好，注塑脱模比较容易，因此即使在球体内外侧面排列结构复杂、具有倒扣特征的锯齿形菲涅尔透镜，也可以轻易脱模。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例4的聚光原理如图16所示。首先球形透镜阵列430内侧表面排列的每个小菲涅尔聚光透镜431对大视角范围各个方位的红外热辐射经过分别进行会聚。会聚后的光线，经过散焦的菲涅尔广角透镜420的折射后，其视角缩小，视角缩小后会聚的红外热辐射正好可以通过选用红外热电堆传感器模组的红外传感器模组410的红外滤光片412的窗口，最后会聚到传感器芯片411上，经过信号处理后就可以判断哪个方位的红外热辐射有无变化。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例4所述的球形透镜阵列430，其内侧表面单个小菲涅尔聚光透镜的聚光原理，以及所述散焦的菲涅尔广角透镜420，其关于O点的成像原理，其与实施例1所述的基本一致。
实施例5
本实施例中，透镜本体为复合本体。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，所述聚光的球形透镜阵列及增大视角的广角透镜，其可以合成为一个复合透镜，如本实施例5所述。所述的复合透镜，其由位于透镜外侧弧面上小的聚光透镜阵列、以及位于透镜内侧用于增大视角的凹面组成。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例5的剖面图如图17所示，图中510为红外传感器模组，本实施例优选其为红外热电堆传感器模组，其包括传感器芯片511、红外滤波片512。
实施例5所述的结合了聚光透镜阵列及扩大视角功能的复合透镜520，其3视图如图18所示。其外侧弧面522划分成许多面积一致的小格子，每个小格子分别设置有一个小聚光凸透镜，形成一个排列于外侧弧面上的透镜阵列；所形成的小聚光凸透镜阵列，其用于会聚各个方位的热辐射红外线；其排列方式类似于足球，由多个大小相近的小凸透镜在透镜外侧表面按照1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列，排布方式同实施例1，在没有经过凹面521之前，其会聚点的位置为O′(虚物的位置)，如图19所示。
实施例5所述的结合了聚光透镜阵列及扩大视角功能的复合透镜520，其内侧弧面521用于增大探测视角(即具有增大物方视场角的作用)，其以O′点作为其物点(其为虚物)，以O点作为像点。O′点经过内侧弧面521成像后，其像点位于传感器芯片511中心O点的位置。由于红外滤波片512为平面玻璃，其对内侧弧面521的光焦度无影响。所述的内侧弧面521，其与外侧弧面522(去掉网格状小的聚光透镜阵列)组成的透镜，其等效焦距为负，即其为广角的负透镜。
实施例5所述的结合了聚光透镜阵列及扩大视角功能的复合透镜520，其设置于外侧面弧面上单个小透镜522a的聚光光路图如图20所示，图中所述的单个小透镜，其位于复合透镜520外侧弧面522的边缘位置。其所探测的角度Ψmax为该传感器的最大视角。在没经过内侧弧面521之前，经过该小透镜522a会聚的红外热辐射光线的会聚点位于O′点位置(虚物)。由于内侧弧面521具有增大物方视场角的作用，反过来就是对像方视角进行压缩，其对小透镜522a会聚光线的像方视角进行压缩后，正好可以通过红外滤波片512的窗口，会聚到传感器芯片511上，视角压缩后，入射到传感器芯片511的O点位置最大的像方视场角为δmax，δmax≤40°。
其实施例5中所述的O′点与O点，其相对于内侧弧面521互为物像共轭点。所述的O′点，其位于红外滤波片512的上方，其会聚光线与光轴OZ所形成的最大视角Ψmax为±55°～±90°之间(最大视角的全角为110°～180°之间)，通过调整内侧弧面521的曲率半径和非球面系数，可以得到最大全角为110°至180°之间视角范围。
本实施例中，复合透镜的材料为透红外的高密度聚乙烯、或透红外的聚碳酸树脂、或透红外硅胶材料。
实施例6
本实施例中，透镜本体为复合本体。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，所述聚光的球形透镜阵列及增大视角的广角透镜，其可以合成为一个复合透镜，如本实施例6所述。所述的复合透镜，其由位于透镜外侧弧面上小的凸透镜阵列、以及位于透镜内侧散焦的菲涅尔广角透镜组成。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例6的剖面图如图21所示，图中610为红外传感器模组，本实施例优选其为红外热电堆传感器模组，其包括传感器芯片611、红外滤波片612。
实施例6所述的结合了聚光透镜阵列及扩大视角功能的复合透镜620，其外侧弧面622划分成许多面积一致的小格子，每个小格子分别设置有一个小的凸透镜，形成一个排列于外侧弧面上的聚光凸透镜阵列；所述的聚光凸透镜阵列，其用于会聚各个方位的热辐射红外线；其排列方式类似于足球，由多个大小相近的聚光凸透镜在透镜外侧表面按照1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列，在没有经过内侧弧面上的散焦的菲涅尔广角透镜621之前，其会聚点的位置为O′(虚物的位置)。其内侧散焦的菲涅尔广角透镜621用于增大探测视角(即具有增大物方视场角作用)，其以O′点作为其物点(其为虚物)，以O点作为像点。O′点经过散焦的菲涅尔广角透镜621成像后，其像点位于传感器芯片611中心O点的位置。由于红外滤波片612为平面玻璃，其对散焦的菲涅尔广角透镜621的光焦度无影响。
实施例6所述的结合了聚光透镜阵列及扩大视角功能的复合透镜620，其设置于外侧面弧面上单个小凸透镜622a的聚光光路图如图22所示，图中所述的单个小凸透镜，其位于复合透镜620外侧弧面的边缘位置。其所探测的角度Ψmax为该传感器的最大视角。在没经过内侧散焦的菲涅尔广角透镜621之前，经过该小凸透镜622a会聚的红外热辐射光线的会聚点位于O′点位置(虚物)。散焦的菲涅尔广角透镜621具有增大物方视角的作用，反过来就是对像方视角进行压缩，其对小凸透镜622a会聚光线的像方视角进行压缩后，使会聚光束正好可以通过红外滤波片612的窗口，会聚到传感器芯片611上，视角压缩后，入射到传感器芯片611的O点位置最大的像方视场角为δmax，δmax≤40°。
其实施例6中所述的O′点与O点，其相对于散焦的菲涅尔广角透镜621互为物像共轭点。所述的O′点，其位于红外滤波片612的上方，其会聚光线与光轴OZ所形成的最大视角Ψmax为±55°～±90°之间(最大视角的全角为110°～180°之间)，通过调整散焦的菲涅尔广角透镜621的曲率半径和非球面系数，可以得到最大全角为110°至180°之间视角范围。
本实施例中，复合透镜的材料为透红外的高密度聚乙烯、或透红外的聚碳酸树脂、或透红外硅胶材料。
实施例7
本实施例中，透镜本体为复合本体。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，所述聚光的球形透镜阵列及增大视角的广角透镜，其可以合成为一个复合透镜，如本实施例7所述。所述的复合透镜，其由位于透镜外侧弧面上小的菲涅尔聚光透镜阵列、以及位于透镜内侧散焦的菲涅尔广角透镜组成。
本发明所述的一种被动式红外传感器广角光学系统的配光技术，其实施例7的剖面图如图23所示，图中710为红外传感器模组，本实施例优选其为红外热电堆传感器模组，其包括传感器芯片711、红外滤波片712。
实施例7所述的结合了聚光透镜阵列及扩大视角功能的复合透镜720，其外侧弧面722划分成许多面积相当的小格子，每个小格子分别设置有一个小的菲涅尔聚光透镜，形成一个排列于外侧弧面上的菲涅尔聚光透镜阵列；所述的菲涅尔聚光透镜阵列，其用于会聚各个方位的热辐射红外线；其排列方式类似于足球，由多个大小相近的菲涅尔聚光透镜在透镜外侧表面按照1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列，在没有经过内侧弧面上的散焦的菲涅尔广角透镜721之前，其会聚点的位置为O′(虚物的位置)。其内侧散焦的菲涅尔广角透镜721用于增大探测视角(即对物方视场进行扩束的作用)，其以O′点作为其物点(其为虚物)，以O点作为像点。O′点经过散焦的菲涅尔广角透镜721成像后，其像点位于红外传感器芯片711中心O点的位置。由于红外滤波片712为平面玻璃，其对散焦的菲涅尔广角透镜721的光焦度无影响。
实施例7所述的结合了聚光透镜阵列及扩大视角功能的复合透镜720，其设置于外侧面弧面上单个小菲涅尔聚光透镜722a的聚光光路图如图24所示，图中所述的单个小菲涅尔聚光透镜，其位于复合透镜720外侧弧面的边缘位置。其所探测的角度Ψmax为该传感器的最大视角。在没经过内侧散焦的菲涅尔广角透镜721之前，经过该单个小菲涅尔聚光透镜722a会聚的红外热辐射光线的会聚点位于O′点位置(虚物)。由于散焦的菲涅尔广角透镜721具有扩展物方视角的作用，反过来就是对像方视角进行压缩，其对单个小菲涅尔聚光透镜722a会聚光线的像方视角进行压缩后，使会聚光束正好可以通过红外滤波片712的窗口，会聚到传感器芯片711上，视角压缩后，入射到传感器芯片711的O点位置最大的像方视场角为δmax，δmax≤40°。
其实施例7中所述的O′点与O点，其相对于散焦的菲涅尔广角透镜721互为物像共轭点。所述的O′点，其位于红外滤波片712的上方，其会聚光线与光轴OZ所形成的最大视角Ψmax为±55°～±90°之间(最大视角的全角为110°～180°之间)，通过调整散焦的菲涅尔广角透镜721的曲率半径和非球面系数，可以得到最大全角为110°至180°之间视角范围。
本实施例中，复合透镜的材料为透红外的高密度聚乙烯、或透红外的聚碳酸树脂、或透红外硅胶材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (22)
1.一种被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，包括：红外传感器模组和广角透镜组，所述广角透镜组包括：形成在透镜本体上的聚光透镜阵列，用于对大视角范围各个方位的红外热辐射进行会聚；形成在透镜本体上的广角凹面或广角散焦菲涅尔面，聚光透镜阵列会聚后的光线经由广角凹面或广角散焦菲涅尔面折射，视角缩小，视角缩小后会聚的红外热辐射由红外传感器模组接收。
2.如权利要求1所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述红外传感器模组包括传感器芯片和红外滤波片，所述视角缩小后会聚的红外热辐射经由红外滤光片由传感器芯片接收。
3.如权利要求2所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述透镜本体可以为两个分离的透镜本体，记为：第一透镜本体和第二透镜本体，聚光透镜阵列形成在第一透镜本体上，广角凹面或广角散焦菲涅尔面形成在第二透镜本体上。
4.如权利要求3所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述聚光透镜阵列设置为凸透镜阵列或菲涅尔聚光透镜阵列，由多个凸透镜或菲涅尔透镜在一个球体的内侧表面或外侧表面排列而成。
5.如权利要求3所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述聚光透镜阵列形成在第一透镜本体上，其内侧表面排布聚光凸透镜，外侧表面为球面，形成球形透镜；第二透镜本体为非球面凹透镜，包括与球形透镜相对的凸面、以及与红外滤波片相对的凹面，形成广角负透镜。
6.如权利要求3所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述聚光透镜阵列形成在第一透镜本体上，其内侧表面排布聚光凸透镜，外侧表面为球面，形成球形透镜；第二透镜本体为散焦的菲涅尔广角透镜，其包括与球形透镜相对的凸面、以及与红外滤光片相对的锯齿状的散焦的菲涅尔面，形成广角负透镜。
7.如权利要求5或6所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述聚光凸透镜在球形透镜内侧表面由中心至外围层层排布，聚光凸透镜排布的数量按照由中心至外围每层数量分别为1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列。
8.如权利要求7所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述球形透镜和广角负透镜的材料为透红外的高密度聚乙烯或者透红外的聚碱酸树脂。
9.如权利要求3所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述聚光透镜阵列形成在第一透镜本体上，其内侧表面排布锯齿状的菲涅尔聚光透镜，外侧表面为球面，形成球形透镜；第二透镜本体为非球面凹透镜，包括与球形透镜相对的凸面、以及与红外滤波片相对的凹面，形成广角负透镜。
10.如权利要求3所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述聚光透镜阵列形成在第一透镜本体上，其内侧表面排布锯齿状的菲涅尔聚光透镜，外侧表面为球面，形成球形透镜；第二透镜本体为散焦的菲涅尔广角透镜，其包括与菲涅尔聚光透镜相对的凸面、以及与红外滤光片相对的锯齿状的散焦的菲涅尔面，形成广角负透镜。
11.如权利要求9或10所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述菲涅尔聚光透镜在球形透镜内侧表面由中心至外围层层排布，菲涅尔聚光透镜排布的数量按照由中心至外围每层数量分别为1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列。
12.如权利要求11所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述球形透镜和广角负透镜的材料为透红外的高密度聚乙烯、或透红外的聚碳酸树脂、或透红外硅胶材料。
13.如权利要求5、6、9、10中任一项所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述红外滤波片的顶面中心记为O′点，传感器芯片的顶面中心记为O点，O′点与O点相对于广角负透镜互为物像共轭点，广角负透镜以O′点作为其物点，以O点作为像点，O′点经过广角负透镜成像后，其像点位于O点位置。
14.如权利要求2所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述透镜本体为一个复台本体，聚光透镜阵列形成在复合本体的一侧表面上，广角凹面或广角散焦菲涅尔面形成在复合本体的另一侧表面上。
15.如权利要求14所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述复合本体外侧弧面排布用于聚光的聚光凸透镜，内侧弧面设置为用于增大视角且与红外滤波片相对的凹面，形成复合透镜。
16.如权利要求14所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述复合本体外侧弧面排布用于聚光的聚光凸透镜，内侧弧面设置为用于增大视角且与红外滤波片相对的锯齿状的散焦的菲涅尔面，形成复合透镜。
17.如权利要求14所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述复合本体外侧弧面排布用于聚光的菲涅尔聚光透镜，内侧弧面设置为用于增大视角且与红外滤波片相对的锯齿状的散焦的菲涅尔面，形成复合透镜。
18.如权利要求15或16所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述聚光凸透镜在复合本体外侧弧面由中心至外围层层排布，聚光凸透镜排布的数量按照由中心至外围每层数量分别为1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列。
19.如权利要求17所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述菲涅尔聚光透镜在复合本体外侧弧面由中心至外围层层排布，菲涅尔聚光透镜排布的数量按照由中心至外围每层数量分别为1、6、12、18、24、30、36、42、48的个数排列。
20.如权利要求18所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述复合透镜的材料为透红外的高密度聚乙烯、或透红外的聚碳酸树脂、或透红外硅胶材料。
21.如权利要求19所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述复合透镜的材料为透红外的高密度聚乙烯、或透红外的聚碳酸树脂、或透红外硅胶材料。
22.如权利要求15-17中任一项所述的被动式红外传感器广角光学系统，其特征在于，所述红外滤波片的顶面中心记为O′点，传感器芯片的顶面中心记为O点，O′点与O点相对于复合透镜内侧弧面互为物像共轭点，复合透镜内侧弧面以O′点作为其物点，以O点作为像点，O′点经过复合透镜内侧弧面后，其像点位于O点位置。
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