基于被動(dòng)式紅外傳感器防寵菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)

摘 要：隨著智能安防技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱釋電紅外傳感器已成為研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的熱釋電傳感器因探測(cè)距離短、探測(cè)靈敏度和視場(chǎng)精度較低，不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。針對(duì)這些缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種“豆點(diǎn)形菲涅爾透鏡陣列”，并引入了一種分區(qū)設(shè)計(jì)策略來優(yōu)化透鏡結(jié)構(gòu)。首先，構(gòu)建了單個(gè)透鏡的數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)。其次，利用3D建模技術(shù)去除透鏡的多余部分，并且根據(jù)從內(nèi)層至外層分區(qū)面積逐漸增大的原則，對(duì)透鏡進(jìn)行分區(qū)與拼接，得到新型菲涅爾透鏡。該設(shè)計(jì)不僅優(yōu)化了探測(cè)距離，還精確控制了探測(cè)角度，有效實(shí)現(xiàn)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(xué)性能。同時(shí)，構(gòu)建了自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)新型菲涅爾透鏡進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，該透鏡在探測(cè)精度與靈敏度方面均表現(xiàn)出色，為熱釋電紅外傳感器實(shí)現(xiàn)高效防寵功能提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：菲涅爾透鏡；熱釋電傳感器；防寵功能

中圖分類號(hào)：O 435 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

熱釋電紅外傳感器探測(cè)系統(tǒng)是一種基于熱釋電效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，能夠檢測(cè)目標(biāo)（例如行人）釋放的紅外線能量，并且將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行處理。隨著成本的持續(xù)下降，該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于防火、防盜報(bào)警系統(tǒng)以及非接觸式測(cè)溫裝置等民用產(chǎn)品領(lǐng)域。傳統(tǒng)的熱釋電紅外探測(cè)器存在探測(cè)距離近、靈敏度較低的問題。由于技術(shù)原因，當(dāng)前市場(chǎng)上的紅外探測(cè)器在探測(cè)距離、探測(cè)角度以及探測(cè)范圍的精準(zhǔn)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(tǒng)菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，通過分區(qū)拼接技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)圓形菲涅爾透鏡陣列。該設(shè)計(jì)提高了熱釋電紅外探測(cè)器的性能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)探測(cè)器在探測(cè)精度和靈敏度方面的缺陷。

1 菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)的形成

根據(jù)幾何光學(xué)的折射定律可知，一束光經(jīng)過透鏡的前、后表面都會(huì)發(fā)生折射，但是該折射角的大小只與玻璃材料有關(guān)，與玻璃的厚度無關(guān)[1]。根據(jù)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(duì)光路無影響的部分，得到能夠?qū)嶋H應(yīng)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(huán)組成，從側(cè)面看由許多鋸齒狀的凹槽組成[2]。在幾何形狀和結(jié)構(gòu)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(yīng)用場(chǎng)景和光學(xué)需求。其表面不同弧度的圓環(huán)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(jīng)模具熱壓制成的，其具有輕、薄和生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。

2 菲涅爾透鏡建模

2.1 菲涅爾透鏡參數(shù)選取

根據(jù)不同的功能將菲涅爾透鏡分為單區(qū)多段、雙區(qū)多段和多區(qū)多段等不同結(jié)構(gòu)[4]。本文設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡主要應(yīng)用于防寵，對(duì)視場(chǎng)精度、靈敏度有較高要求，可以采用圓形多區(qū)多段多焦點(diǎn)菲涅爾透鏡，也稱為豆點(diǎn)形菲涅爾陣列[5]。與傳統(tǒng)的單透鏡不同，圓形菲涅爾透鏡不是一個(gè)平滑的曲面，而是由20個(gè)單鏡片拼接形成的自由曲面[6]，即具有20個(gè)分區(qū)，能夠大幅度提高菲涅爾透鏡的探測(cè)靈敏度。該陣列分為4層，第一層分為1個(gè)區(qū)，第二個(gè)區(qū)段分為4個(gè)區(qū)，第三個(gè)區(qū)段分為7個(gè)區(qū)，第四區(qū)段分為8個(gè)區(qū)。每個(gè)區(qū)段由同一結(jié)構(gòu)參數(shù)的單透鏡構(gòu)成，透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

2.2 菲涅爾透鏡3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡應(yīng)用于防寵領(lǐng)域，由于該領(lǐng)域?qū)儆诜浅上窆鈱W(xué)，因此不對(duì)透鏡的像差進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是精度控制，因此在優(yōu)化過程中對(duì)焦距進(jìn)行優(yōu)化，保證所有光線全部聚集在一點(diǎn)，使菲涅爾透鏡對(duì)紅外光的利用率達(dá)到最高。一個(gè)完整的菲涅爾透鏡陣列由N個(gè)單透鏡拼接形成，菲涅爾透鏡陣列3D模型的設(shè)計(jì)過程可以分為2步。

2.2.1 建模分割

將單透鏡導(dǎo)入SolidWorks中，得到其3D模型。根據(jù)菲涅爾透鏡形成原理，即一束光經(jīng)過透鏡的后表面會(huì)發(fā)生折射，折射角的大小與透鏡材料有關(guān)，與玻璃的厚度無關(guān)，需要剔割透鏡中對(duì)光路無影響的部分。本設(shè)計(jì)采用SolidWorks進(jìn)行切割，得到的單透鏡片如圖2所示。

2.2.2 拼接、分區(qū)

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(duì)單透鏡片進(jìn)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(chǎng)精度能夠控制透鏡分區(qū)。根據(jù)人體不同部位的射能量不同，將陣列中心設(shè)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(shí)現(xiàn)菲涅爾透鏡的防寵功能，本文設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡能夠精準(zhǔn)控制視場(chǎng)精度，并采用半分區(qū)處理得到如圖2（b）所示的菲涅爾透鏡陣列。

在光學(xué)設(shè)計(jì)中，通常采用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)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(dǎo)入仿真[7]。仿真包括全分區(qū)型菲涅爾透鏡光線追跡和半分區(qū)菲涅爾透鏡光線追跡。在分區(qū)過程中，菲涅爾透鏡陣列內(nèi)圈分區(qū)面積較小，由內(nèi)向外分區(qū)面積依次增大。由能量強(qiáng)度和接收面積的關(guān)系可知，本文提出的分區(qū)設(shè)計(jì)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(cè)精度和靈敏度。

3 菲涅爾透鏡試驗(yàn)與分析

3.1 菲涅爾透鏡檢測(cè)原理

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

（1）

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

測(cè)量原理如圖3所示。對(duì)電流I（即電信號(hào)）進(jìn)行提取分析，能夠獲取人體或動(dòng)物的相關(guān)信息。

試驗(yàn)主要檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡是否具有防寵功能和探測(cè)視場(chǎng)精度是否足夠高。記錄感應(yīng)燈報(bào)警時(shí)的坐標(biāo)并進(jìn)行計(jì)算，可以得出探測(cè)視場(chǎng)精度。人體與寵物身高不同，根據(jù)該特征對(duì)整個(gè)圓形透鏡陣列進(jìn)行半分區(qū)處理，從而實(shí)現(xiàn)防寵功能。

3.2 試驗(yàn)步驟

3.2.1 裝配樣機(jī)

在設(shè)計(jì)樣機(jī)過程中，將樣機(jī)中傳感器接收面源中心點(diǎn)到菲涅爾透鏡中心距離精確控制為7 mm，使菲涅爾透鏡對(duì)人體紅外輻射光線的利用率達(dá)到最大。樣機(jī)與裝配實(shí)物如圖4所示。

3.2.2 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)測(cè)量原理設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)、B2X2熱釋電紅外傳感器、熱釋電紅外感應(yīng)燈、恒溫恒濕箱和檢測(cè)樣機(jī)組成。

3.2.3 熱釋電紅外傳感器探測(cè)靈敏度檢測(cè)

在相同的探測(cè)距離下，人體分別以不同的速度做橫向移動(dòng)，獲取不同移動(dòng)速度下的傳感器信號(hào)，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)移動(dòng)速度進(jìn)行靈敏度標(biāo)定。

3.2.4 精度測(cè)量和誤報(bào)檢測(cè)

檢測(cè)平臺(tái)地面呈現(xiàn)出由傳感器向外刻畫若干圈的測(cè)量路徑，每隔1 m刻畫一圈。為了使檢測(cè)結(jié)果更精確，分別建立6個(gè)測(cè)試模型。在試驗(yàn)過程中，使人體離開探測(cè)區(qū)域，記錄小燈閃亮次數(shù)，完成誤報(bào)檢測(cè)，要求人體以0.5 m/s的速度沿刻畫線移動(dòng)，進(jìn)而對(duì)菲涅爾透鏡視場(chǎng)精度進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.5 防寵功能檢測(cè)

本次試驗(yàn)要求人體以0.5 m/s的速度勻速走動(dòng)，經(jīng)過傳感器探測(cè)區(qū)域時(shí)小燈亮，即停止走動(dòng)，等待小燈熄滅時(shí)再進(jìn)行下一次走動(dòng)。再采用人體半蹲式的走法模擬寵物走動(dòng)，以檢測(cè)防寵功能。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

綜上所述，分別以0.5 m/s的速度進(jìn)行正常姿態(tài)行走和半蹲式行走，對(duì)傳感器的探測(cè)效果進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

在圖5中，小燈亮表示探測(cè)器檢測(cè)到人體，并進(jìn)行報(bào)警；小燈熄滅表示沒有檢測(cè)到人體。小燈亮、滅的結(jié)果，即菲涅爾透鏡的探測(cè)效果見表2。

人體以0.5 m/s速度正常行走，菲涅爾透鏡對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，小燈全部報(bào)警；人體模擬寵物運(yùn)動(dòng)，以半蹲式在0.5 m/s速度下行走，菲涅爾透鏡再一次對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，小燈未報(bào)警。由以上2種結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡配合B2X2傳感器能夠探測(cè)到的目標(biāo)包括距離該透鏡 1 m～5 m 并且運(yùn)動(dòng)速度≥ 0.5 m/s 的人體，不包括在同樣距離、速度條件下運(yùn)動(dòng)的寵物，因此可以有效避免寵物誤入探測(cè)區(qū)域帶來的誤報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)防寵功能。

根據(jù)光線追跡方法和模擬計(jì)算可知，本文設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡的視場(chǎng)為140°。在試驗(yàn)過程中記錄了感應(yīng)燈每一個(gè)亮的單元，計(jì)算得出測(cè)量視場(chǎng)精度約為135°，兩者相差5°。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的熱釋電傳感器感應(yīng)距離lt;2 m，隨著智能家居和智能安防鏡頭發(fā)展，傳統(tǒng)的熱釋電傳感器已經(jīng)不能滿足工作需求，為了提高傳感器的探測(cè)精度和靈敏度，本文提出一種新型防寵菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的防寵菲涅爾透鏡提高了傳感器的探測(cè)精度和靈敏度，實(shí)現(xiàn)了防寵功能，但是在對(duì)寵物進(jìn)行誤報(bào)探測(cè)方面也存在一定不足。本文提出的檢測(cè)方案只能探測(cè)水平移動(dòng)的物體，關(guān)于在垂直區(qū)域運(yùn)動(dòng)的寵物，例如日常生活中的鳥類寵物，本文沒有進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)，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(jìn)一步研究。

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