Датчики и сенсоры

Датчики и сенсоры онлайн журнал

Практика использования, теоретические основы и современные тенденции

 

 

ЛИНЗЫ ФРЕНЕЛЯ

Линзы Френеля — это оптические элементы, имеющие ступенчатую поверхность. Они широко используются в датчиках, где не требуется высокого качества фокусировки: в световых конденсорах, увеличителях и устройствах фокусировки детекторов присутствия. линзы Френеля изготавливаются из стекла, акрила (для видимого и ближнего И К диапазона) и полиэтилена (для дальнего ИК диапазона). История линз Френеля началась в 1748 году, когда граф Буффо предложил вытачивать внутри стеклянных линз концентрические круглые ступеньки. После разрезки все кольца остаются линзами, направляющими падающие лучи в точку общего фокуса, положение того определяется уравнением (4.24). При изменении кривизны поверхности меняется угол преломления лучей. Части колец,

отображенные на рисунке буквами «х», не вносят никакого вклада в фокусирование лучей. При удалении этих секций (рис. 4.13Б) фокусирующие свойства линзы останутся прежними. Если теперь оставшиеся кольца сместить относительно друг друга до образования плоской поверхности (рис. 4.13В), получится линза Френеля, фокусирующие свойства той будут почти такие же, как у исходной плосковыпуклой линзы. Все концентрические элементы линз Френеля направляют падающие световые лучи в общую точку фокуса.

ЛИНЗЫ ФРЕНЕЛЯ9

Рис. 4.13 Концепция линз Френеля

Линзы Френеля обладают рядом достоинств по сравнению с обычными линзами: некрупным весом, малой толщиной, способностью менять кривизну (справедливо для пластиковых линз), и, самое главное, низкими потерями на поглощение светового потока Последнее свойство особенно важно при изготовлении линз для среднего и дальнего ИК диапазонов, где поглощение в материалах может быть очень значительным. По этой причине почти все детекторы движения, работающие в дальнем ИК диапазоне, построены на основе линз Френеля.

В настоящее время широко применяются линзы Френеля двух типов: с постоянным шагом (рис. 4.14А) и с постоянной глубиной (рис. 4.14Б). На практике бывает очень трудно изготовить линзы с одинаковой крутизной поверхности каждой ступени, поэтому все ступеньки выполняют с плоским профилем Чтобы не ухудшать фокусирующие свойства линзы, все ступени должны располагаться, как можно, ближе друг к другу.

Рис. 4.14. линзы Френеля А — с постоянным шагом, Б — с постоянной глубиной

ЛИНЗЫ0

В линзах с постоянным шагом угол наклона <р каждого зубца зависит от расстояния h до оптической оси, поэтому по мере удаления от центра глубина зубцов возрастает. Если диаметр линзы, по крайней мере, в 20 раз меньше фокусного расстояния, ее центральная часть может быть плоской. Для более коротких фокусных расстояний центральная часть должна быть сферической. Угол наклона каждой ступени может быть определен по следующей формуле, справедливой только для малых значений И:

ЛИНЗЫ1

(4.28)

В линзах с постоянной глубиной при увеличении расстояния от центра меняются и угол наклона <р, и расстояние между зубцами г. При расчете линз могут потребоваться следующие уравнения. Расстояние от зубца до центра может быть найдено по его порядковому номеру Ј (считается, что центр имеет нулевой порядковый номер).

а угол наклона зубца по формуле:

ЛИНЗЫ2

Полное количество ступеней в линзе может быть найдено через апертуру (максимальный размер) линзы:

ЛИНЗЫ3

Линзы Френеля могут быть слегка изогнутыми, если этого требует конструкция датчика. Однако это может привести к смещению точки фокуса. Это позволило уменьшить толщину линз и снизить потери энергии. Однако в таких линзах преломление света происходит только на поверхности, поскольку внутри них лучи проходят строго по прямым линиям. Идея графа Буффо была модифицирована в 1822 году Августином Френелем (1788–1827), сконструировавшим линзы, кривизна различных колец которых зависит от расстояния до центра, в связи с чем, в таких устройствах практически отсутствует сферическая аберрация.

На рис. 4.13 проиллюстрирована концепция линз Френеля на примере плосковыпуклых линз, разрезанных на несколько концентрических колец. Если линза изгибается внутрь радиуса кривизны, фокусное расстояние уменьшается.

Поскольку линзы со сферической поверхностью страдают от явлений аберрации, в устройствах, где требуется осуществлять фокусировку с высокой точностью, непрерывная поверхность линзы, контур той определяется концентрическими зубцами, не должна быть сферической. На практике часто используется коническая поверхность с осевой симметрией относительно оси z, описываемая стандартным уравнением (рис. 4.15):

ЛИНЗЫ4

С и К определяются несколькими факторами: необходимым фокусным расстоянием, коэффициентом преломления и особенностями конструкции устройства, для того предназначена линза.

ЛИНЗЫ5

Рис. 4.15. Сравнение профилей сферической и несферической линз


.

  Список тем   Назад   Вперед

 

 

Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями.

 

По вопросам размещения статей   пишите на email:

datchikisensor@yandex.ru

 

 

Хостинг от uCoz