專利名稱：菲涅爾透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學器件，尤其涉及一種用于安防探測器的菲涅爾透鏡。
背景技術：
菲涅爾透鏡就是在一側有等距的齒紋的透鏡，通過這些齒紋，可以起到對指定光譜范圍的光帶進行反射或者折射的作用。菲涅爾透鏡通常是由聚烯烴等聚合材料注塑而成的薄片，鏡片表面一面為光面， 另一面刻錄了由小到大的齒紋同心圓。在很多情況下，菲涅爾透鏡相當于紅外線及可見光的凸透鏡。菲涅爾透鏡作用主要有兩個一是聚焦作用；二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在具有菲涅爾透鏡的被動紅外線探測器(PIR)上產生變化的熱釋紅外信號。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發出的紅外線就不斷地交替從“盲區”進入“高靈敏區”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度。因此，菲涅爾透鏡經常用于報警器等裝置。現有的菲涅爾透鏡存在以下問題一、探測距離單一，且探測存在盲區。目前的菲涅爾透鏡通常由具有單一焦距的多個鏡片構成，而且鏡片之間會出現檢測范圍的“盲區”。二，近距離探測不好。當紅外光線斜射近距離透鏡的同心圓齒紋時，會產生折射， 但其光圈很大，無聚焦點，因此此類的透鏡不具備近距離的探測功能。反映在具體應用中， 當被檢測物體迎著透鏡方向運動會出現探測不到或者移動到很近的距離時才能探測到的問題。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種能夠實現多種探測距離、減少盲區、并改善近距離探測效果的菲涅爾透鏡。本發明提供的菲涅爾透鏡包括第一透鏡部、第二透鏡部、第三透鏡部、第四透鏡部，所述四個透鏡部集成在一個透鏡面上，且，每個透鏡部均包括多個視窗。其中第一透鏡部的焦距小于第二透鏡部的焦距；第二透鏡部的焦距小于第三透鏡部的焦距；第三透鏡部的焦距小于第四透鏡部的焦距，第二透鏡部相鄰地設置在第一透鏡部下方、第三透鏡部相鄰地設置在第二透鏡部下方，第四透鏡部相鄰地設置在第三透鏡部下方，且所述四個透鏡部的焦點位于同一點.優選地，第二透鏡部中各視窗的中部與第一透鏡部中相鄰視窗之間的邊對齊、第三透鏡部中各視窗的中部與第二透鏡部中相鄰視窗之間的邊對齊、第四透鏡部中各視窗的中部與第三透鏡部中相鄰視窗之間的邊對齊。優選地，所述第一透鏡部的焦距為26mm，探測的距離為10米-18米；第二透鏡部的焦距為26. 5mm，探測的距離為10米-15米；第三透鏡部的焦距為27. 5mm，探測的距離為 6米-10米；第四透鏡部的焦距為29mm，探測的距離為O. 5米-6米。優選地，第一透鏡部、第二透鏡部、第三透鏡部、第四透鏡部中的每一個均包括一排視窗，每個視窗的尺寸相同。優選地，第一透鏡部包括排成一排的13個視窗；第二透鏡部包括排成一排的10個視窗；第三透鏡部包括排成一排的7個視窗；第四透鏡部包括排成一排的5個視窗。優選地，第三排視窗與第四排視窗的齒紋同心圓的圓心偏置于視窗幾何中心的下方。優選地，所述菲涅爾透鏡的厚度為O. 38毫米-O. 42毫米。優選地，所述菲涅爾透鏡的厚度為O. 4毫米。優選地，齒形加工公差小于O. 002毫米。優選地，所述四個透鏡部集成在一個圓柱型透鏡面或球型透鏡面上。相對于現有技術，本發明的菲涅爾透鏡采用多層組合透鏡的設計，每層采用不同的透鏡設計焦距，通過變焦來實現遠距離、中距離、近距離的探測。而且，通過多層透鏡的相互彌補，減少了探測區域的盲區。在本發明中，通過調整透鏡的光心位置，實現光線聚集到同一點。從而解決了物體迎著透鏡方向移動探測不到或需要到距離透鏡很近距離時才能探測到的問題。本發明采用超薄壁厚的菲涅爾透鏡，減少了因菲涅爾透鏡厚，能量損失大產生的問題。另外，傳統的菲涅爾透鏡由于采用電鑄模具拷貝加工，因此加工誤差大，使光線往往不能折射到一點上，從而導致能量損失大的問題。而本發明的菲涅爾透鏡采用超高精度機加工，提高了透鏡的加工精度，減少了能量損失。
圖I是本發明一種優選實施方式的菲涅爾透鏡的鏡面的平面投影示意圖；圖2是圖I所示的第一排透鏡的齒形示意圖；圖3是圖I所示的第二排透鏡、第三排透鏡的齒形示意圖；圖4是圖I所示的第四排透鏡的齒形示意圖；圖5是本發明一種優選實施方式的菲涅爾透鏡的單個透鏡的光路圖；圖6是本發明一種優選實施方式的菲涅爾透鏡的光路圖。
具體實施例方式在本發明的一種具體實施方式
中，菲涅爾透鏡包括第一透鏡部10、第二透鏡部 20、第三透鏡部30、第四透鏡部40，所述四個透鏡部集成在一個透鏡面上。四個透鏡部在沿豎直方向上從上至下排列，即第二透鏡部相鄰地設置在第一透鏡部下方、第三透鏡部相鄰地設置在第二透鏡部下方，第四透鏡部相鄰地設置在第三透鏡部下方。而且，所述四個透鏡部的焦點位于同一點。具體到本實施方式中，采用四排透鏡設計，第一透鏡部10、第二透鏡部20、第三透鏡部30、第四透鏡部40分別為第一排透鏡，第二排透鏡，第三排透鏡與第四排透鏡。每排透鏡分別具有不同的焦距，以對應不同的探測距離。本領域技術人員可以理解，每個透鏡部也可以為多排透鏡。在本實施方式中，第一排透鏡10為遠距離探測透鏡，第二排透鏡20、第三排透鏡30為中距離探測透鏡，第四排透鏡40為近距離探測透鏡。第一透鏡部10的焦距小于第二透鏡部20的焦距。第二透鏡部20的焦距小于第三透鏡部30的焦距。第三透鏡部30的焦距小于第四透鏡部40的焦距。在本實施方式中，所述四個透鏡部集成在一個圓柱型透鏡面上。在其他優選實施方式中，四個透鏡部可以集成在一個球型透鏡面上。在一個優選實施例中，第一透鏡部的焦距為26mm，探測距離為10米-18米；第二透鏡部的焦距為26. 5mm,探測距離為10米-15米；第三透鏡部的焦距為27. 5mm,探測距離為6米-10米；第四透鏡部的焦距為29mm，探測距離為0. 5米-6米。圖I為本發明一種優選實施方式的菲涅爾透鏡的整體布局圖，在本具體實施方式
中，整個菲涅爾透鏡采用35個視窗，每個視窗即一片透鏡。圖I中第一排透鏡10為遠距離探測區，從齒紋同心圓的中心到邊緣的尺寸比較大，光線穿透的區域比較大。第二排透鏡20、第三排透鏡30為中距離探測區，面積比較小，光線穿透的區域比較小，探測的范圍相對比較小。第四排透鏡40為近距離探測區。圖2為第一排透鏡10的齒形示意圖，此排透鏡包括13個等齒深設計的視窗。以在一個圓柱曲面上設置菲涅爾透鏡為例第一排透鏡的相鄰兩個視窗在圓周方向上間隔7. 5度安裝，每個視窗具有相同大小的尺寸，以保證每個視窗探測范圍相等，同時也可以保證在配合被動紅外探測器使用時每個視窗的能量采集是相同的。另外，第一排透鏡10的視窗為扁長形狀，這可以有效地保證在遠距離探測時能收集更多的能量，以便探測效果與中距離探測、近距離探測相一致。圖3是菲涅爾透鏡中距離探測透鏡的齒型排列圖，即第二排透鏡20、第三排透鏡30的示意圖，第二排包括10個視窗；第三排包括7個視窗。圖4是菲涅爾透鏡近距離探測齒型排列圖，即第四排透鏡的示意圖，第四排透鏡包括5個視窗。上述第一排透鏡10，第二排透鏡20，第三排透鏡30與第四排透鏡40中的每個視窗都采用等齒深設計的。各排中的視窗個數以及每個視窗的尺寸都可以根據實際應用確定。在本發明的優選實施方式中，為了使不同探測距離的視窗折射的光線匯聚在同一點，需要將第三排視窗30與第四排視窗40的齒紋同心圓的圓心偏離于視窗幾何中心設置。如圖I所示，第三排視窗30與第四排視窗40的齒紋同心圓的圓心偏置于視窗幾何中心的下方。具體的偏置量需要根據具體的應用來調試確定。這樣做的目的是將中距離探測、近距探測離時的焦點落在第一排視窗10的焦點上，從而實現采用一個傳感器用一個焦點來實現不同距離的探測。圖5是本發明一種優選實施方式的菲涅爾透鏡中的單個透鏡(即視窗)的光路圖；如圖5所示，平行光照射到菲涅爾透鏡中的單個透鏡(例如一個視窗)上，經過透鏡的折射，光線匯聚到該透鏡的焦點f上。圖6是本發明一種優選實施方式的菲涅爾透鏡的光路圖。在圖6中，示出了本發明中包括了四個透鏡部的菲涅爾透鏡的光路圖。遠距離檢測中的平行光照射到第一排透鏡10上，而近距離的斜射光線照射第二排透鏡20、第三排透鏡30、第四排透鏡40后，也都匯聚到焦點f上。根據透鏡的折射原理，當光線經過齒紋同心圓的“上半圓”部分折射后，形成的是俯角，即向內彎折的光線；當光線經過齒紋同心圓的“下半圓”部分折射后，形成的是仰角，即向外彎折的光線。所以，結合圖1、2、3、4、6所示，在本發明的菲涅爾透鏡中，第一、三、四排視窗都是利用了齒紋同心圓的“上半圓部分”，第二排視窗則利用了齒紋同心圓的“圓心”部分。在本發明中，每排透鏡相互錯位地設置，S卩，第二透鏡部20中各視窗的中部與第一透鏡部10中相鄰視窗之間的邊對齊、第三透鏡部30中各視窗的中部與第二透鏡部20中相鄰視窗之間的邊對齊、第四透鏡部40中各視窗的中部與第三透鏡部30中相鄰視窗之間的邊對齊。這樣可以避免探測范圍中盲區過大，還可以在移動物體正對著探測器走動的情況下，探測到探測區域中的物體移動。這樣，可以在整個探測區域形成網狀結構，有效地減少探測區域的死角。優選地，菲涅爾透鏡上每個視窗的齒型加工公差小于O. 002_。傳統的菲涅爾透鏡由于加工誤差大，使光線往往不能折射到一點上，從而導致能量損失大的問題。菲涅爾透鏡的加工過程包括將聚烯烴等聚合材料注塑成型；在注塑后的部件上通過機床加工出相應的齒紋同心圓，從而形成菲涅爾透鏡。在本發明中，菲涅爾透鏡注塑成型可以使用的機床為臥式注塑機，例如臺灣振雄、日本三菱等品牌的臥式注塑機。而且，為了保證上述加工精度，本發明利用超高精密度加工設備來加工菲涅爾透鏡，加工的工具為超高精密度車床或超高精密度銑床，例如，三軸聯動數控車床、三軸聯動數控銑床、加工中心等設備。車床或銑床的刀具為鉆石刀頭。優選地，通過上述加工設備和加工方式，本發明的菲涅爾透鏡的厚度為O. 38毫米-0. 42毫米。更優選地，菲涅爾透鏡的厚度為O. 4毫米。因此，本發明減少了傳統菲涅爾透鏡厚度大造成的能量損失大的問題。以上實施方式僅用以說明本發明而并非限制本發明所描述的技術方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施方式對本發明已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或者等同替換；而一切不脫離本發明的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡包括第一透鏡部、第二透鏡部、第三透鏡部、第四透鏡部，所述四個透鏡部集成在一個透鏡面上，且每個透鏡部均包括多個視窗，其中第一透鏡部的焦距小于第二透鏡部的焦距；第二透鏡部的焦距小于第三透鏡部的焦距；第三透鏡部的焦距小于第四透鏡部的焦距，第二透鏡部相鄰地設置在第一透鏡部下方、 第三透鏡部相鄰地設置在第二透鏡部下方，第四透鏡部相鄰地設置在第三透鏡部下方，且所述四個透鏡部的焦點位于同一點。
2.根據權利要求I所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，第二透鏡部中各視窗的中部與第一透鏡部中相鄰視窗之間的邊對齊、第三透鏡部中各視窗的中部與第二透鏡部中相鄰視窗之間的邊對齊、第四透鏡部中各視窗的中部與第三透鏡部中相鄰視窗之間的邊對齊。
3.根據權利要求I或2所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述第一透鏡部的焦距為 26mm，探測的距離為10米-18米；第二透鏡部的焦距為26. 5mm，探測的距離為10米-15米； 第三透鏡部的焦距為27. 5mm,探測的距離為6米-10米；第四透鏡部的焦距為29mm，探測的距離為O. 5米-6米。
4.根據權利要求I或2所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，第一透鏡部、第二透鏡部、第三透鏡部、第四透鏡部中的每一個均包括一排視窗，每個視窗的尺寸相同。
5.根據權利要求4所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，第一透鏡部包括排成一排的13個視窗；第二透鏡部包括排成一排的10個視窗；第三透鏡部包括排成一排的7個視窗；第四透鏡部包括排成一排的5個視窗。
6.根據權利要求4所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，第三排視窗與第四排視窗的齒紋同心圓的圓心偏置于視窗幾何中心的下方。
7.根據權利要求I所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡的厚度為O.38毫米-O. 42毫米。
8.根據權利要求6所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述菲涅爾透鏡的厚度為O.4毫米。
9.根據權利要求I所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，齒形加工公差小于O.002毫米。
10.根據權利要求I所述的菲涅爾透鏡，其特征在于，所述四個透鏡部集成在一個圓柱型透鏡面或球型透鏡面上。
全文摘要
本發明公開的菲涅爾透鏡包括第一透鏡部、第二透鏡部、第三透鏡部、第四透鏡部，所述四個透鏡部集成在一個透鏡面上，且每個透鏡部均包括多個視窗。本發明的菲涅爾透鏡采用多層組合透鏡的設計，每層采用不同的透鏡設計焦距，通過變焦來實現遠距離、中距離、近距離的探測。而且，通過多層透鏡的相互彌補，減少了探測區域的盲區。在本發明中，通過調整透鏡的光心位置，實現光線聚集到同一點。從而解決了測試物體迎著透鏡方向走動而探測不到或者需要到很近的距離時才能探測到的問題。本發明采用超薄壁厚設計的本發明的菲涅爾透鏡，減少了因菲涅爾透鏡厚，能量損失大產生的問題。
文檔編號G02B7/02GK102608681SQ20121009359
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者李偉強, 馬楚, 黃祖衡 申請人:浙江大華智網科技有限公司