基于被動式紅外傳感器防寵菲涅爾透鏡的設計

摘 要：隨著智能安防技術的不斷進步，熱釋電紅外傳感器已成為研究領域的焦點。傳統的熱釋電傳感器因探測距離短、探測靈敏度和視場精度較低，不能滿足實際應用需求。針對這些缺陷，本文設計了一種“豆點形菲涅爾透鏡陣列”，并引入了一種分區設計策略來優化透鏡結構。首先，構建了單個透鏡的數學模型作為基礎。其次，利用3D建模技術去除透鏡的多余部分，并且根據從內層至外層分區面積逐漸增大的原則，對透鏡進行分區與拼接，得到新型菲涅爾透鏡。該設計不僅優化了探測距離，還精確控制了探測角度，有效實現了防寵物誤觸的功能。最后，本文采用了光線追跡法，通過模擬光線在透鏡中的傳播路徑，分析其光學性能。同時，構建了自動化檢測平臺，對新型菲涅爾透鏡進行了檢測。結果表明，該透鏡在探測精度與靈敏度方面均表現出色，為熱釋電紅外傳感器實現高效防寵功能提供了技術支撐。

關鍵詞：菲涅爾透鏡；熱釋電傳感器；防寵功能

中圖分類號：O 435 " " " " 文獻標志碼：A

熱釋電紅外傳感器探測系統是一種基于熱釋電效應的測試系統，能夠檢測目標（例如行人）釋放的紅外線能量，并且將其轉換為電壓信號進行處理。隨著成本的持續下降，該系統已廣泛應用于防火、防盜報警系統以及非接觸式測溫裝置等民用產品領域。傳統的熱釋電紅外探測器存在探測距離近、靈敏度較低的問題。由于技術原因，當前市場上的紅外探測器在探測距離、探測角度以及探測范圍的精準度方面仍不能滿足人們的需求。因此，為解決上述問題，本文在傳統菲涅爾透鏡設計的基礎上進行了優化，通過分區拼接技術，構建了一個圓形菲涅爾透鏡陣列。該設計提高了熱釋電紅外探測器的性能，彌補了傳統探測器在探測精度和靈敏度方面的缺陷。

1 菲涅爾透鏡結構的形成

根據幾何光學的折射定律可知，一束光經過透鏡的前、后表面都會發生折射，但是該折射角的大小只與玻璃材料有關，與玻璃的厚度無關[1]。根據該原理，本文在保證透鏡表面曲率不變的條件下，剔割透鏡中對光路無影響的部分，得到能夠實際應用的菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的形成原理如圖1所示。

菲涅爾透鏡從表面看由若干圈不同半徑的同心圓環組成，從側面看由許多鋸齒狀的凹槽組成[2]。在幾何形狀和結構方面，菲涅爾透鏡可以分為圓形菲涅爾透鏡、菲涅爾透鏡陣列、柱狀菲涅爾透鏡和線性菲涅爾透鏡等，分別適用于不同的應用場景和光學需求。其表面不同弧度的圓環稱為螺紋，因此菲涅爾透鏡也稱為螺紋透鏡[3]。菲涅爾透鏡是由HDPE、PMMA等材料經模具熱壓制成的，其具有輕、薄和生產成本低等特點。

2 菲涅爾透鏡建模

2.1 菲涅爾透鏡參數選取

根據不同的功能將菲涅爾透鏡分為單區多段、雙區多段和多區多段等不同結構[4]。本文設計的菲涅爾透鏡主要應用于防寵，對視場精度、靈敏度有較高要求，可以采用圓形多區多段多焦點菲涅爾透鏡，也稱為豆點形菲涅爾陣列[5]。與傳統的單透鏡不同，圓形菲涅爾透鏡不是一個平滑的曲面，而是由20個單鏡片拼接形成的自由曲面[6]，即具有20個分區，能夠大幅度提高菲涅爾透鏡的探測靈敏度。該陣列分為4層，第一層分為1個區，第二個區段分為4個區，第三個區段分為7個區，第四區段分為8個區。每個區段由同一結構參數的單透鏡構成，透鏡結構參數見表1。

2.2 菲涅爾透鏡3D結構設計

本文設計的菲涅爾透鏡應用于防寵領域，由于該領域屬于非成像光學，因此不對透鏡的像差進行優化，設計的重點是精度控制，因此在優化過程中對焦距進行優化，保證所有光線全部聚集在一點，使菲涅爾透鏡對紅外光的利用率達到最高。一個完整的菲涅爾透鏡陣列由N個單透鏡拼接形成，菲涅爾透鏡陣列3D模型的設計過程可以分為2步。

2.2.1 建模分割

將單透鏡導入SolidWorks中，得到其3D模型。根據菲涅爾透鏡形成原理，即一束光經過透鏡的后表面會發生折射，折射角的大小與透鏡材料有關，與玻璃的厚度無關，需要剔割透鏡中對光路無影響的部分。本設計采用SolidWorks進行切割，得到的單透鏡片如圖2所示。

2.2.2 拼接、分區

切割多余厚度的材料后可以得到如圖2（a）所示的單透鏡片，并對單透鏡片進行拼接處理，可以得到由許多單透鏡片組成的自由曲面。菲涅爾透鏡的視場精度能夠控制透鏡分區。根據人體不同部位的射能量不同，將陣列中心設為第一層，依次往外為第二、第三和第四層。第一層為1片7 mm焦距的透鏡片，第二層為4片7.07 mm焦距的透鏡片，第三層為7片7.29 mm焦距的透鏡片，第四層為8片7.77 mm焦距的透鏡片。為了實現菲涅爾透鏡的防寵功能，本文設計的菲涅爾透鏡能夠精準控制視場精度，并采用半分區處理得到如圖2（b）所示的菲涅爾透鏡陣列。

在光學設計中，通常采用Zemax光學設計軟件進行光線追跡，在非序列模式下，將建立的菲涅爾透鏡3D模型導入仿真[7]。仿真包括全分區型菲涅爾透鏡光線追跡和半分區菲涅爾透鏡光線追跡。在分區過程中，菲涅爾透鏡陣列內圈分區面積較小，由內向外分區面積依次增大。由能量強度和接收面積的關系可知，本文提出的分區設計能夠使接收單元接收的能量分布均勻，提高了傳感器的探測精度和靈敏度。

3 菲涅爾透鏡試驗與分析

3.1 菲涅爾透鏡檢測原理

基于熱釋電效應，熱釋電紅外傳感器應用于檢測紅外輻射[8-9]，其工作原理如下：當紅外輻射照射到熱釋電材料表面時，只有在輻射出現情況下才會引起電荷釋放，進而利用測量材料表面的電壓變化來指示是否存在紅外輻射。設輻射造成的溫度變化為ΔT，那么此時外接設備中的電流I如公式（1）所示。

（1）

式中：PS為熱釋電系數；SA為傳感器材料面積；T為熱釋電晶體的溫度；t為時間；為熱釋電晶體的溫度變化率。

測量原理如圖3所示。對電流I（即電信號）進行提取分析，能夠獲取人體或動物的相關信息。

試驗主要檢驗本文設計的菲涅爾透鏡是否具有防寵功能和探測視場精度是否足夠高。記錄感應燈報警時的坐標并進行計算，可以得出探測視場精度。人體與寵物身高不同，根據該特征對整個圓形透鏡陣列進行半分區處理，從而實現防寵功能。

3.2 試驗步驟

3.2.1 裝配樣機

在設計樣機過程中，將樣機中傳感器接收面源中心點到菲涅爾透鏡中心距離精確控制為7 mm，使菲涅爾透鏡對人體紅外輻射光線的利用率達到最大。樣機與裝配實物如圖4所示。

3.2.2 自動化實驗平臺搭建

根據測量原理設計自動化實驗平臺，自動化檢測平臺由步進電機、B2X2熱釋電紅外傳感器、熱釋電紅外感應燈、恒溫恒濕箱和檢測樣機組成。

3.2.3 熱釋電紅外傳感器探測靈敏度檢測

在相同的探測距離下，人體分別以不同的速度做橫向移動，獲取不同移動速度下的傳感器信號，進而對目標移動速度進行靈敏度標定。

3.2.4 精度測量和誤報檢測

檢測平臺地面呈現出由傳感器向外刻畫若干圈的測量路徑，每隔1 m刻畫一圈。為了使檢測結果更精確，分別建立6個測試模型。在試驗過程中，使人體離開探測區域，記錄小燈閃亮次數，完成誤報檢測，要求人體以0.5 m/s的速度沿刻畫線移動，進而對菲涅爾透鏡視場精度進行檢測。

3.2.5 防寵功能檢測

本次試驗要求人體以0.5 m/s的速度勻速走動，經過傳感器探測區域時小燈亮，即停止走動，等待小燈熄滅時再進行下一次走動。再采用人體半蹲式的走法模擬寵物走動，以檢測防寵功能。

3.3 試驗結果分析

綜上所述，分別以0.5 m/s的速度進行正常姿態行走和半蹲式行走，對傳感器的探測效果進行檢測，測量結果如圖5所示。

在圖5中，小燈亮表示探測器檢測到人體，并進行報警；小燈熄滅表示沒有檢測到人體。小燈亮、滅的結果，即菲涅爾透鏡的探測效果見表2。

人體以0.5 m/s速度正常行走，菲涅爾透鏡對目標進行檢測，小燈全部報警；人體模擬寵物運動，以半蹲式在0.5 m/s速度下行走，菲涅爾透鏡再一次對目標進行檢測，小燈未報警。由以上2種結果可知，本文設計的菲涅爾透鏡配合B2X2傳感器能夠探測到的目標包括距離該透鏡 1 m～5 m 并且運動速度≥ 0.5 m/s 的人體，不包括在同樣距離、速度條件下運動的寵物，因此可以有效避免寵物誤入探測區域帶來的誤報，從而實現防寵功能。

根據光線追跡方法和模擬計算可知，本文設計的菲涅爾透鏡的視場為140°。在試驗過程中記錄了感應燈每一個亮的單元，計算得出測量視場精度約為135°，兩者相差5°。

4 結語

傳統的熱釋電傳感器感應距離lt;2 m，隨著智能家居和智能安防鏡頭發展，傳統的熱釋電傳感器已經不能滿足工作需求，為了提高傳感器的探測精度和靈敏度，本文提出一種新型防寵菲涅爾透鏡設計。本文設計的防寵菲涅爾透鏡提高了傳感器的探測精度和靈敏度，實現了防寵功能，但是在對寵物進行誤報探測方面也存在一定不足。本文提出的檢測方案只能探測水平移動的物體，關于在垂直區域運動的寵物，例如日常生活中的鳥類寵物，本文沒有進行探測試驗，不能保證配備該菲涅爾透鏡的熱釋電紅外傳感器能正常工作，需要進一步研究。

參考文獻

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