被动红外入侵探测器的光学系统(阅)

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1、被动红外入侵探测器的光学系统（1）HoneywellSecurity徐浦关键词：视区，探测范围，镜头阵列，菲涅尔透镜，抛物面反射镜，遮挡片本文讨论被动红外入侵探测器（下称探测器）的光学系统，介绍视区的概念，视区与焦距的关系，设置多层多组镜头阵列，多视区扩展移动目标探测范围的原理，描述菲涅尔透镜、反射镜、遮挡片在被动红外入侵探测器产品中的应用。本期问答题：视区横截面是怎样形状，什么是视区的最大设计距离，焦距与视区的探测范围有怎样的关系，探测器光学系统与普通照相机镜头有怎样的区别。本期思考题：设计探测器的光学系统需要考虑那些因素，菲涅尔透镜、抛物面反射镜、

2、遮挡片在光学系统里适用的探测范围是怎样的。被动红外探测器的光学系统其基本功能是将目标的热能辐射汇聚到热释电探测器表面，视区概念的建立能将入侵目标在防护区域内的移动转化为热电器件表面的脉动热能变化，为信号的后续处理奠定基础。为了将移动目标从静态热背景下区分出来，被动红外入侵探测器设有一个复杂的光学系统，分层结构的多组光学透镜或/和反射镜，形成向下俯瞰的扇形防护区，张开扇形视角的同时，兼顾远、中、近等不同区域的目标探测。聚乙烯菲涅尔透镜因加工成形方便，价格低廉，被广泛应用于探测距离在30米以内的探测器中，抛物面反射镜构成的光学系统因效率高，聚焦准确，但体积

3、较大。大尺寸的反射镜组合常用于超过40-60米的探测器中。为了取长补短，菲涅尔透镜、抛物面反射镜、遮挡片三种类型的聚焦手段经常用于同一个探测器中，相互配合搭建出最佳的光学系统。111mm2mm图1-1热释电元件大小与排列1、热释电元件的光学视区在“热释电传感器的频率响应”一文中，我们已经了解到，热释电传感器内封装了两片热电元件，其大小及排列如图1-1所示。为了探测红外移动目标，需要将移动目标的热能辐射反映到热电元件上，这是靠特殊设计的光学系统实现的。在热电元件近旁设置光学系统，经由透镜、反射镜将现场的景物成像在热释电元件表面，形成红外影像，这一过程与常

4、见照相机在底片上成像的原理完全相同，只是被动红外探测器的光学系统不需要很高的成像精度，更不必考虑影像轮廓是否准确。8普通照相机设有一组镜头，在底片上的影像是唯一的。探测器设计目的不同，为了使单一热释电器件检测特定范围的移动目标，被动红外探测器的光学系统设有多组镜头组成有序的光学阵列，阵列中各个镜头的光轴有不同指向，但汇聚在同一热电元件表面，将不同方位的景物同时成像在同一热电元件表面，即多幅红外影像在同一热电元件表面重叠在一起。在没有移动目标的情况下，这些重叠的影像反映了现场背景的热能辐射情况，持续的静态热辐射并不会引起热电输出。当有移动目标进入防范区域

5、，就会破坏背景形成的热电平衡，产生反映目标移动规律的热电输出。下面从单一镜头的热能成像开始，介绍热电元件视区的概念，讨论被动红外探测器光学系统视区设计的基本考虑。1.1、透镜成像为了方便讨论，这里对光学透镜的焦点、焦距等术语稍做回顾。图1.1-1是焦距、焦点定义的图示表述，在凸透镜左侧用一束平行光射向镜头，经过凸透镜的折射，在镜头右侧这束平行光汇聚成一点，称为焦点，焦点到镜头光学平面的距离称为焦距。8焦距f焦点图1.1-1平行光束的焦点、焦距面对实际景物，镜头前方的物体都会反射或/和自身辐射（红外）光线，即任何物体都可以看作光线辐射体，物体上的每一个点

6、都可以看成是一个点光源，向各个方向辐射光能。点光源射向镜头的光线不再是平行光束，因此这些光束不能在镜头焦点处汇聚成点，而是在焦距后方某个位置上汇聚成点。物体的每一个点发出的光线都以同样的方式在焦距后方汇聚成点，如果在这些汇聚点处设置一个平面，在平面上将形成物体的倒像，如图1.1-2所示，这就是凸透镜的成像原理。对于被动红外探测器而言，凸透镜是将物体的红外影像投射在热电元件表面。红外入侵探测器所使用的热电元件没有像素解析能力，并不关心热能影像的形态与细节。热电元件只是感受到整个元件表面有了一个热能总量的变化。焦距f焦点成像距离d目标距离D图1.1平行光束

7、的焦点、焦距图1.1-2中，目标距离D，成像距离d，焦距f三者之间存在如下的函数关系。1/D+1/d=1/f(式1.1-1)由式1.1-1看出，目标离光学透镜越近，成像平面离焦点就越远，当目标远离透镜，光束趋向平行，成像平面越接近焦点。1.2、热电元件的视区8如果用图1-1所示的热电元件充当透镜成像面，两个热电元件表面就会呈现现场景物的倒像。由于每一个热电元件的大小只有2x1mm，经过透镜能够投射到元件矩形范围内的现场景物就局限在一个漏斗型的空间里，换言之，热电元件只能“看”到这个漏斗形空间内的热能景物，我们称这个漏斗形热敏感空间为热电元件的视区。双元

8、件热电器件在墙装探测器中普遍采用，配用单一凸透镜后会形成两个规则排列的热敏感视区，如图1.2-