Usadas em conjunto com os sensores piroelétricos de infravermelho (sensores de presença) em alarmes e detectores de incêndios, estas lentes são fundamentais para seu desempenho. Veja neste artigo, o que são e como funcionam as lentes de Fresnel.
Diante dos sensores de alarmes e aberturas de portas que empregam de sensores piroelétricos encontramos lentes plásticas arredondadas que possuem diversas estrias, conforme é mostrado na figura 1.
Estas peças são denominadas Lentes de Fresnel e cumprem uma função importante no funcionamento dos sensores.
Se bem que já tenhamos explicados, em outros artigos como funcionam os sensores piroelétricos que detectam a radiação infravermelha emitida pelos corpos das pessoas, não falamos das lentes, o que foi notado por muitos leitores que nos pediram um artigo sobre o assunto.
Explicamos, então, o que são as Lentes de Fresnel, o que pode dar um excelente material inclusive para os estudantes de Engenharia e Física.
AS APLICACÕES
Quando se deseja detectar movimento ou ainda radiação de fontes de infravermelho muito fracas é importante usar lentes com pequena distância focal e grande abertura.
Materiais comuns, entretanto, como o vidro e mesmo o cristal não podem ser utilizados no caso da radiação infravermelha por apresentarem grandes perdas. Isso ocorre principalmente na faixa dos 6 aos 14 µm, que é justamente a faixa que os sensores usados nestes aparelhos operam.
No entanto, materiais como o polietileno que possuem propriedades de condução melhores na faixa dos infravermelhos não podem ser moldados de modo a termos uma lente comum.
O que se faz é utilizar uma lente com estrias em que a distância e a inclinação delas são calculadas de acordo com o índice de refração do material de modo a concentrar a radiação incidente em cada uma num foco único, veja a figura 2.
Cada estria funciona então como uma "micro-lente" que pode dirigir a luz captada para um foco. Pelas suas dimensões esta lente pode ser extremamente fina, eliminando-se o problema da absorção do material, que afetaria o seu desempenho na faixa dos infravermelhos.
Nos sensores modernos estas lentes são projetadas por computadores de modo a garantir que a luz desviada por cada estria seja dirigida diretamente para o foco, obtendo-se assim uma imagem muito mais precisa para o objeto que está diante dela.
A principal vantagem deste tipo de lente está no fato de que as suas dimensões dependem apenas da quantidade de estrias usadas no projeto. Nas lentes comuns, quanto maior for a dimensão, mais crítica se torna sua elaboração, pois a curvatura deve ser mantida dentro de limites rígidos de precisão para que a energia captada seja dirigida para o foco, conforme ilustra a figura 3.
As pessoas que possuem telescópios sabem como é crítico obter um bom instrumento que tenha uma objetiva grande (para pode captar mais luz e, portanto, ser capaz de permitir a observação de objetos de menor brilho).
No caso das lentes de Fresnel basta repetir as estrias tendo-se apenas o cuidado de modificar a direção em que a luz seja refratada de modo a incidir no foco obtendo-se com isso lentes de qualquer tamanho.
Na prática, entretanto, existe um limite para as dimensões da lente e, portanto, para a quantidade de radiação que ela pode captar.
Não se recomenda que o seu diâmetro seja maior que a distância focal. A radiação incidente em regiões além deste limite simplesmente reflete de volta para a lente.
FÓRMULAS E PROJETOS
Uma lente é definida como um dispositivo que possui propriedades refratoras que permitem seu uso para coletar raios paralelos de radiação (visível ou infravermelha), concentrando-os num único ponto denominado foco.
O foco será tanto mais próximo da lente quanto maior for seu "poder" refrator, de acordo com a figura 4.
A distância focal é definida como a distância entre o ponto focal e o centro da lente.
Esta distância pode ser calculada pela fórmula:
1/f = (n-1) x (1/r)
Onde:
f é a distância focal
n é o índice de refração da lente (1,5 para o polietileno)
r é o raio de curvatura da lente no seu centro.
A posição do objeto e da imagem podem ser calculadas pela fórmula:
1/f = 1/L' - 1/L
As distâncias envolvidas nesta fórmula são dadas na figura 5.
LENTES DE FRESNEL MULTI-ELEMENTOS
Para serem usadas com sensores piroelétricos são escolhidas lentes de Fresnel multi-elementos de polietileno, que favorecem a captação de energia na faixa da radiação infravermelha.
Como cada elemento tem a radiação detectada refratada em uma direção que depende da posição do objeto focalizado, a passagem diante da lente de um objeto que se movimenta, faz com que ocorra um processo de modulação na radiação presente no foco, gerando assim o sinal no elemento sensor que o circuito precisa para acionar um circuito externo.
Isso significa que um sinal relativamente forte pode ser gerado no momento em que qualquer fonte de radiação infravermelha se mover diante do sensor que esteja no foco de uma destas lentes, conforme mostra a figura 6.
Nesta figura mostramos a montagem típica de um sensor no foco da lente de modo a se obter o seu funcionamento correto.
Nela também mostramos o modo de se montar uma lente de 15 elementos da Philips Componentes diante de um sensor como o RPY97 (Philips), que possibilita a cobertura de uma distância de até 12 metros com uma abertura de 90 graus volumétricos.
Na figura 7 fornecemos um gráfico que mostra a cobertura zonal nominal desta lente numa aplicação típica num sensor piroelétrico.
Observe que o "modo de visão" desta lente apresenta estrias em que temos faixas nas quais a sensibilidade é máxima. É por este motivo que este tipo de lente não serve para aplicações ópticas que envolvam a captação de imagens, mas apenas o direcionamento de radiação.
CONCLUSÃO
As lentes de Fresnel são elementos fundamentais para o funcionamento de sensores piroelétricos. Sem elas, a quantidade de radiação captada pela pequena superfície do sensor não seria suficiente para obter a sensibilidade desejada numa aplicação prática.
Da mesma forma, somente com este tipo de lente pode-se obter a precisão necessária e a sensibilidade com uma radiação que normalmente não pode ser trabalhada com lentes de vidro comuns.
