Optische Anordnung für einen passiven Infrarot-Bewegungsmelder

Abstract

 Bei einer optischen Anordung für einen passiven Infrarot-Bewegungsmelder wird vorgeschlagen, funktionell die Strahlenaufteilung (4 bis 10) für mehrere Sichtfelder und die Fokussierung (2,3) auf einen Detektor (1) zu trennen. Dadurch vermeidet die Strahlenaufteilung Überschneidungen der Strahlenbündel.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen passiven Infrarot-Bewegungsmelder, bei der mehrere reflektierende Flächen so angeordnet sind, daß sie die aus mehreren Sichtfeldern kommende Infrarotstrahlung auf einen Detektor richten.

[0002] Eine solche optische Anordnung ist bekannt und beispielsweise in der.DE-AS 21 03 909 beschrieben. Der Infrarot-Bewegungsmelder registriert eine in den von ihm überwachten Raum eindringende Person oder einen sich darin bewegenden Gegenstand aufgrund der dadurch verursachten Störung der Infrarotstrahlung des Hintergrundes. Eine elektronische Einrichtung wertet die charakteristische Änderung der vom Detektor erfaßten Infrarotstrahlung zu Alarmzwecken aus.

[0003] Für einen möglichst großen Signal-Störabstand teilt man den Raum in mehrere Sichtfelder auf, so daß sich Sichtfelder und Dunkelfelder, d.h. vom Detektor erfaßte und nicht erfaßte Raumwinkel abwechseln. Der in der Bewegung des zu registrierenden Gegenstandes erfolgende Wechsel aus einem Sichtfeld in ein Dunkelfeld und umgekehrt verursacht die auswertbare Änderung der auf den Detektor fallenden Infrarotstrahlung.

[0004] Nach der DE-AS 21 03 909 wird die Aufteilung des zu überwachenden Raumes in mehrere Sichtfelder mit Hilfe einer Facettenoptik erreicht, abgesehen von einer kegelmantelförmigen Spiegelblende, die den Umkreis des zu überwachenden Raumes absteckt. Kleine Hohlspiegel bzw. Abschnitte eines Hohlspiegels fokussieren mit einer verhältnismäßig kurzen Brennweite auf einen gemeinsamen Punkt, an dem der Detektor angeordnet ist. Jeder dieser Hohlspiegel erfaßt Strahlung aus einem Sichtfeld. Eine solche Facettenoptik hat einige Nachteile:

1. Der größte mit einer Facettenoptik überwachbare Winkel liegt bei ca. 90°, weil der Einfallswinkel der Strahlung auf den Detektor etwa gleich groß ist wie der Einfallswinkel in den Melder und weil die gebräuchlichen Detektoren bei großen Einfallswinkeln nur geringe Signale liefern. Für eine Vielzahl von Anwendungen sind jedoch wesentlich größere überwachbare Winkelbereiche wünschenswert.

2. Wegen der kurzen Brennweite ist das vom Detektor erzeugte elektrische Signal stark abhängig von der Entfernung des zu registrierenden Körpers. Wenn die Verstärkung so eingestellt ist, daß aus großen Abständen noch ausreichende Signale empfangen werden, ist der Nahbereich stark überbewertet, so daß thermische Störungen unmittelbar vor dem Gerät (vorbeifliegende Insekten, aufsteigende Warmluftpakete usw.) unter ungünstigen Bedingungen zu Täuschungsalarmen führen können. Eine Vergrößerung der Brennweite wäre bei einer Facettenoptik mit sehr großen Gehäuseabmessungen verbunden.

3. Ein weiterer Nachteil der Facettenoptik ist das Überkreuzen der Strahlenbündel aus verschiedenen Sichtfeldern. Die lokal überhöhte Empfindlichkeit an solchen Kreuzungspunkten vergrößert die unter 2. angesprochene Gefahr eines Fehlalarms weiter. Zwar könnten die Kreuzungspunkte hinter die Frontplatte ins Innere des Gerätes verlegt werden, dennoch liegen die Strahlenbündel vor der Frontplatte eng nebeneinander, so daß eine thermische Störung leicht in mehrere Sichtfelder gleichzeitig geraten und Täuschungsalarm auslösen kann.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strahlenführung für einen Bewegungsmelder so zu gestalten, daß die geschilderten Nachteile der Facettenoptik vermieden werden. Die Gesamtheit der Sichtfelder soll einen größeren Raumwinkel überstreichen können als der Öffnungswinkel des Detektors ausmacht. Die einzelnen Sichtfelder sollen einander dabei nicht überschneiden. Es soll eine große Brennweite möglich sein, ohne die Baulänge des Gerätes zu vergrößern.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einer optischen Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß folgende Merkmale vorgeschlagen:

a) Trennung von Strahlaufteilung und Strahlfokussierung;

b) die reflektierenden Flächen sind plane Richtspiegel;

c) die Richtspiegel richten ihre reflektierten Strahlungen auf ein einziges Fokussiersystem;

d) das Fokussiersystem fokussiert die empfangene Strahlung auf den Detektor über einen gefalteten Strahlengang.

[0007] Die funktionale Trennung von Strahlaufteilung und Strahl - fokussierung ergibt eine weitgehende Freiheit, einesteils über beliebig anzuordnende Richtspiegel Strahlen aus Sichtfeldern unter beliebigen meridionalen und azimutalen Winkeln bei kleinem Raumwinkel ^pro Sichtfeld auf das Fokussiersystem zu richten und andernteils dieses einzige Fokussiersystem beliebig nach den Erfordernissen hinsichtlich Empfindlichkeit und Brennweite zu gestalten. Die einzelnen Sichtfelder können vollständig kreuzungsfrei gehalten werden. Das Fokussiersystem vergrößert mit dem gefalteten Strahlengang über ein Spiegelobjektsystem die Brennweite, ohne das Gehäuse vergrößern zu müssen. Der Detektor wird nur unter verhältnismäßig kleinen Winkeln bestrahlt. Bei handelsüblichen Detektoren mit begrenztem Gesichtsfeld führt dies zu einem hohen Ausnutzungsgrad der einfallenden Strahlung. Schließlich gibt der gefaltete Strahlengang die Möglichkeit, den Detektor außerhalb der optischen Achse an einer elektrisch und thermisch gut abgeschirmten Stelle unterzubringen. An sich ist eine spezielle Ausführung einer solchen Trennung von Strahlaufteilung und Strahlfokussierung von der Anmelderin selbst bereits vorgeschlagen worden (Patentanmeldung P 27 34 157.7) und im Zusammenhang mit der Beschichtung der Fokussierspiegel aus der dazu parallelen belgischen Patentschrift Nr. 869 369 bekannt. Die prinzipielle Bedeutung der funktionalen Trennung ist dort jedoch nicht hervorgehoben.

[0008] Für die Wahl der Brennweite gelten folgende Überlegungen: Das Gerät soll bis zu einer vorgegebenen sogenannten "sicheren Reichweite" R einen Eindringling mit der Breite D sicher erkennen, wobei die Signalhöhe im Entfernungsbereich 0≤r≤R entfernungsunabhängig sein soll. Die effektive Reichweite hängt von der Eindringgeschwindigkeit und vom Temperaturunterschied zwischen Eindringling und Hintergrund ab. Sie ist im allgemeinen wesentlich größer als R. Die Entfernungsunabhängigkeit wird dadurch erreicht, daß die Breite eines Sichtfeldes und die Breite des Eindringlings gerade im Abstand R übereinstimmen. Bei Entfernungen r≤R wird der Anstieg der Bestrahlungsstärke nach dem r^-2-Gesetz durch die Änderung der im Sichtfeld befindlichen Teilfläche des Eindringlings kompensiert. Für Abstände r>R fällt das Signal zunächst proportional zu (r-R)^-1 ab, solange der Eindringling noch in vertikaler Richtung das Meßfeld ausfüllt; bei weiter vergrößertem Abstand ergibt sich ein quadratischer Signalabfall. Die optimale Brennweite errechnet sich zu

mit

d = wirksamer Durchmesser des Detektors

R = "sichere Reichweite"

D = Breite des Eindringlings.

[0009] Zum Beispiel ergibt sich mit

D = 40 cm

R = 8 m

d = 3,5 mm

eine optimale Brennweite f = 70 mm.

[0010] In einer Ausgestaltung enthält das Fokussiersystem einen Hohlspiegel, auf den jalousieartig angeordnete plane Richtspiegel die zugehörigen Sichtfelder projizieren. Damit für alle Sichtfelder die gleiche Ansprecbempfindlichkeit gilt, sollte für jedes Teilstrahlenbündel der gleiche Flächenanteil des Hohlspiegels zur Verfügung stehen. Zusätzlich sollten die auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse projizierten Flächen der Richtspiegel für alle Sichtfelder gleich sein. Für den Fall, wo die Richtspiegel zwischen überwachtem Raum und Detektor liegen, ist für ein Strahlenbündel senkrecht in Bezug auf die optische Achse jeweils eine flächenmäßig gleiche Öffnung zwischen den einzelnen Richtspiegeln vorzusehen. Die Richtspiegel und damit die Lage einzelner Sichtfelder können verstellbar sein. Zusätzlich bietet die erfindungsgemäße Anordnung die Möglichkeit, einzelne Richtspiegel abzudecken und die entsprechenden Sichtfelder unwirksam zu machen. Damit können die Überwachungsbereiche des Gerätes optimal auf die besonderen Gegebenheiten des zu überwachenden Raumes eingestellt werden. Beispielsweise sind die Richtspiegel so gestellt, daß ein zur optischen Achse unsymmetrischer Uberwachungsbereich entsteht und der Bewegungsmelder in einer Ecke des zu überwachenden Raumes angebracht werden kann. Eine spezielle Ausgestaltung der Richtspiegel besteht darin, daß sie in einer zur optischen Achse senkrechten Richtung parallel zueinander verlaufen.

[0011] Nach einer anderen Ausgestaltung enthält das Fokussiersystem einen Hohlspiegel, auf den eine Spiegelanordnung mit planen Spiegelfacetten die zugehörigen Sichtfelder projiziert. Diese Spiegelanordnung liegt dann im Innern eines Gehäuses, das für die einzelnen Sichtfelder entsprechende Öffnungen hat. In einer Weiterbildung befindet sich zwischen Hohlspiegel und Detektor ein Umlenkspiegel. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft einsetzbar mit vertikaler optischer Achse, wenn ein vertikaler Gesamtwinkel von weniger als 45° überwacht werden soll.

[0012] Anhand zweier in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung weiter erläutert werden. Dabei zeigen die

Fig. 1 eine senkrechte Draufsicht auf eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit Jalousie-Strahlenteilung; die

Fig. 2 eine Seitenansicht dieser Anordung; die

Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäBen optischen Anordnung mit planen Spiegelfacetten und die

Fig. 4 eine dazu senkrechte Seitenansicht.

[0013] In der Figur 1 ist mit 1 ein Infrarot-Detektor bezeichnet, mit 2 ein planer Umlenkspiegel und mit 3 ein Hohlspiegel. Mit 4 bis 9 sind plane Richtspiegel bezeichnet, die jalousieartig angeordnet sind und senkrecht zur Figurenebene parallel verlaufen. Die einzelnen Spiegelflächen sind Rechtecke, die des Umlenkspiegels 2 trapezförmig.

[0014] Der Umlenkspiegel 2 und der Hohlspiegel 3 bilden ein Newton'sches Spiegelobjekt, mit dem die von den Richtspiegeln 4 bis 9 kommenden Strahlen auf den Detektor 1 fokussiert werden.

[0015] Die Strahlaufteilung erfolgt mit den Richtspiegeln 4 bis 9. Strahlenbündel aus fünf Richtungen, in der horizontalen Figurenebene gesehen, über einen Gesamtwinkel von 170° werden durch die Richtspiegel 4 bis 9 in achsenparallele Strahlenbündel verwandelt und als solche auf den Hohlspiegel 3 gerichtet. Um die Bautiefe klein zu halten, sind die Richtspiegel 7 und 8 parallel - dementsprechend die Richtspiegel 5 und 6 - zueinander und ergänzen sich für den Winkelbereich um 40° zur optischen Achse zu einem ausreichenden Sichtfeld. Strahlen aus dem Sichtfeld um die optische Achse fallen direkt auf den Hohlspiegel 3. Der Richtspiegel 9 erfaßt Strahlen aus dem Sichtfeld um den Winkel 85° zur optischen Achse. Dementsprechend symmetrisch dazu der Richtspiegel 4. Die Richtspiegel 4 bis 9 sind durch ausreichende Zwischenräume so angeordnet, daß jedes zu erfassende Strahlenbündel durch ein jeweils separates Gehäusefenster in ausreichender Breite auf den zugehörigen Richtspiegel fallen kann. Einzelne Fenster können ohne weiteres abgedeckt werden, wenn die jeweilige Anwendung es erfordert. Die vertikalen Öffnungswinkel der einzelnen Sichtfelder sind durch die vertikale Lage der Richtspiegel 4 bis 9 und durch deren optische Entfernung vom Detektor 1 bzw. durch die Abstände der gesamten Optik-Teile voneinander bestimmt.

[0016] Aus der Fig. 2 ist in der Seitenansicht die Lage des Detektors 1 über den Umlenkspiegel 2 zum Hohlspiegel 3 zu ersehen. Der Umlenkspiegel knickt die zum Hohlspiegel 3 waagrecht liegende optische Achse senkrecht nach unten zum Detektor 1 ab.

[0017] Die Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer optischen Anordnung für einen Bewegungsmelder, der statt der Jalousie-Strahlenaufteilung eine Facetten-Strahlenaufteilung hat. Diese ist geeignet für vertikale Raumwinkel bis zu 45°. 1 bedeutet wieder einen Infrarot-Detektor, 1 einen planen Umlenkspiegel und 3 einen Hohlspiegel. Mit 10 ist eine Facettenanordnung von planen Spiegeln bezeichnet. 11 ist ein Gehäuse, das an einer Raumwand angebracht ist. Auf der Vorderseite des Gehäuses 11 sind zwei Öffnungen, die entweder jeweils ein waagrechter Schlitz oder jeweils eine waagrechte Lochreihe mit dem waagrechten Raumwinkel von beispielsweise 180° sind. Die Facettenanordnung. 11 ist im oberen hinteren Teil des Gehäuses 10 angeordnet und enthält zwei übereinander und zueinander konvex stehende Reihen von planen Spiegeln, die jeweils facettenartig konvex aneinanderschlieBen. Die Spiegelreihen erfassen jeweils einen waagrechten Raumwinkel von 180°. Die oberen Einzelspiegel sind trapezförmig, die unteren dreieckförmig. Durch die beiden Schlitze oder Lochreihen gelangen Strahlen aus Sichtfeldern mit einem Raumwinkel von waagrecht insgesamt 180° und senkrecht entsprechend der Höhe der Schlitz- bzw. Lochreihen in waagrechter Richtung und 45° dazu nach unten auf die beiden Spiegelreihen. Diese werfen die Strahlen senkrecht nach unten auf den Hohlspiegel 3. Der Hohlspiegel fokussiert die strahlen über den Umlenkspiegel 2 auf den Detektor 1, der an der Rückwand des Gehäuses 11 angebracht ist..

Ansprüche

1. Optische Anordnung für einen passiven Infrarot-Bewegungsmelder,
bei der mehrere reflektierende Flächen so angeordnet sind, daß sie die aus mehreren Sichtfeldern kommende Infrarotstrahlung auf einen Detektor richten , gekennzeichnet durch folgende Merkmale :

a) Trennung von Strahlaufteilung und Strahlfokussierung;

b) die reflektierenden Flächen sind plane Richtspiegel (4 bis 9);

c) die Richtspiegel (4 bis 9) richten ihre reflektierten Strahlungen auf ein einziges Fokussiersystem;

d) das Fokussiersystem fokussiert die empfangene Strahlung auf den Detektor (1) über einen gefalteten Strahlengang.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Fokussiersystem einen Hohlspiegel (3) enthält, auf den jalousieartig angeordnete plane Richtspiegel (4 bis 9) die zugehörigen Sichtfelder projizieren.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtspiegel (4 bis 9) in einer zur optischen Achse senkrechten Richtung parallel zueinander verlaufen.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtspiegel (4 bis 9) zwischen überwachtem Raum und Detektor (1) liegen und daß zwischen den einzelnen Richtspiegeln (4 bis 9) senkrecht in Bezug auf die optische Achse flächesmäßig gleiche Öffnungen liegen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtspiegel (4 bis 9) verstellbar sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussiersystem einen Hohlspiegel (3) enthält, auf den eine Spiegelanordnung (10) mit planen Spiegelfacetten die zugehörigen Sichtfelder projiziert.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Hohlspiegel (3) und Detektor (1) ein Umlenkspiegel (2) befindet.

Zeichnung