DE102005040351A1

DE102005040351A1 - Strahlungsmodule, diese enthaltende Anordnungen sowie Verfahren zur Detektion, Kontrolle und Überwachung

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Publication number: DE102005040351A1
Application number: DE200510040351
Authority: DE
Inventors: Rudi Dr. habil. Danz; Burkhard Dr. rer. nat. Elling; Ivo Dipl.-Ing. Haulsen; Sergio Dr. Ing. Montenegro
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: DANZ, RUDI, DR., DE
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: DE102005040351B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Sicherheits-, Überwachungs- und Sensortechnik. Hierzu gehört ein Strahlungsmodul, das auf einem flächigen Substrat, einer mit einem Fluorophor versehenen Polymer-Beschichtung und einem Strahlungssensor basiert. Wird ein derartiges Strahlungsmodul zusammen mit einer Anregungsquelle verwendet, so kann diese Anordnung für beliebige Anwendungen für die Detektion, Kontrolle und Überwachung von Lebewesen, Gegenständen und Stoffen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft die Sicherheits-, Überwachungs-, und Sensortechnik. Hierzu gehört ein Strahlungsmodul, das aus einem flächigen Substrat, einer mit einem Fluorophor versehenen Polymer-Beschichtung und einem Strahlungssensor basiert. Wird ein derartiges Strahlungsmodul zusammen mit einer Anregungsquelle verwendet, so kann diese Anordnung für beliebige Anwendungen für die Detektion, Kontrolle und Überwachung von Lebewesen, Gegenständen und Stoffen eingesetzt werden.

Das einfachste Prinzip, die Anwesenheit oder Bewegungen von Personen und Gegenständen zu erkennen, ist die Lichtschranke. Sie besteht z. B. aus einer Leucht- oder Laserdiode als Lichtquelle, deren Lichtstrahl einen Raum durchquert, auf eine Photodiode trifft und dort einen Photostrom erzeugt. Wird der Lichtstrahl durch die Anwesenheit einer Person oder eines Gegenstandes gestört, wird der Lichtstrahl entweder vollständig unterbrochen oder in seiner Intensität verringert, wodurch eine Verringerung des Photostromes an der Photodiode bewirkt wird, die als Überwachungs- oder Kontrollsignal verwendet werden kann.

Eine einfache Lichtschranke überprüft nur punktuell, während eine linienförmige Anordnung von punktförmigen Lichtquellen einen Lichtvorhang darstellt, mit dem eine flächenmäßige Kontrolle realisiert werden kann. Statt mit Lichtschranken kann die Überwachung von Personen und Gegenständen auch mit Ultraschall-Schranken durchgeführt werden (Ultraschallsensor steuert Silobefüllung, Mess Tec & Automation 3/2005, S. 32–33). Zur dreidimensionalen Überwachung von Personen eignen sich Passiv-Infrarot-Detektoren oder auch Ultraschall-Sensoren. Im Falle der Infrarot-Detektoren wird ein pyroelektrisches Sensorelement eingesetzt, das auf Infrarotstrahlung, die von Personen oder anderen Lebewesen ausgeht, mit einem elektrischen Strom reagiert, mit dem ein Signal erzeugt und durch Funk an eine Alarmanlage übertragen wird. Die räumliche Überwachung nach dem Ultraschall-Prinzip beruht auf der Störung eines Ultraschallfeldes, die von Ultraschallsensoren gemeldet wird. Optische Flächensensoren und Zeilenkameras auf Basis von Silizium-CCD-Chips dienen zum Messen oder Prüfen von Objektgeometrien und -konturen, eignen sich für Zählaufgaben und Farbkontrollen (Alles im Fokus, optischer Flächensensor kann mehr, Information der Eltrotec Sensor GmbH, Mess Tec & Automation 3/2005, S. 42).

Die bekannten technischen Lösungen, z. B. Kameras, sind entweder für einen breiten und flächendeckenden Einsatz aus Kostengründen nachteilig oder sie sind für eine großflächige und großräumige Anwendung nicht geeignet oder sind auch hinsichtlich ihres Betriebes sowie ihrer Installation aufwendig, da Versorgungsleitungen erforderlich sind.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Strahlungsmodule zur Detektion, Kontrolle und Überwachung von Lebewesen, Gegenständen sowie Stoffen und Verfahren zu ihrer Anwendung zu entwickeln, die gegenüber dem Stand der Technik große technische Vorteile und Vorzüge aufweisen, sowie kostengünstig herzustellen, zu installieren und zu betreiben sind. Die erfindungsgemäßen Strahlungsmodule und Verfahren sollen für eine großflächige und großräumige Überwachung und Kontrolle anwendbar sein und an auch schwer zugänglichen Orten eingesetzt werden können. Sie sollen ohne äußere Betriebsspannungen und Versorgungsleitungen auskommen. Die Strahlungsmodule sind in ihrer Gestalt und nach ihrem Funktionsprinzip so zu konzipieren, dass sie entweder unsichtbar oder unauffällig zu installieren sind.

Diese Aufgabe wird durch das Strahlungsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 26 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 30 gelöst. In den Ansprüchen 32 bis 36 werden erfindungsgemäße Verwendungen genannt. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird ein Strahlungsmodul bereitgestellt, das mindestens ein flächiges Substrat aus einem lichtleitenden Material mit einer Polymer- Beschichtung aufweist. Die Polymer-Beschichtung enthält dabei mindestens ein fluoreszierendes Material. Zusätzlich enthält das Strahlungsmodul mindestens einen mit dem Substrat optisch gekoppelten Strahlungssensor.

Vorzugsweise ist das Substrat dabei so gewählt, dass Fluoreszenzstrahlung, die durch auf das Strahlungsmodul fallendes Licht entsteht, durch das Substrat zu dem mindestens einen Strahlungssensor geleitet wird. Einfallendes Licht wird zunächst durch das fluoreszierende Material der Polymer-Beschichtung in Fluoreszenzstrahlung umgewandelt, die in das Substrat eingekoppelt wird und aufgrund der lichtleitenden Eigenschaften des Substrates bis zum Strahlungssensor geleitet wird. Die lichtleitenden Eigenschaften werden vorzugsweise dadurch erreicht, dass das Substrat aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex auf den Brechungsindex der Polymer-Beschichtung und/oder der Umgebung so abgestimmt ist, dass eine Totalreflexion der Fluoreszenzstrahlung an den Grenzflächen zwischen Substrat und Polymer-Beschichtung einerseits und Umgebung andererseits ermöglicht wird.

Hinsichtlich des Materials des Substrats bestehen keinerlei Einschränkungen, sofern die lichtleitenden Eigenschaften gegeben sind. Vorzugsweise besteht das Substrat dabei aus Glas oder einem Kunststoff.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat optisch transparent. Dies ist insbesondere dann bevorzugt, wenn das Strahlungsmodul in Bereichen eingesetzt werden soll, in denen derartigen Systeme für den Betrachter nicht sichtbar sein sollen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Substrat geringe optische Verluste aufweist, die besonders bevorzugt < 1 dB/m betragen, um den Intensitätsverlust während der Lichtleitung zu minimieren.

Die Polymer-Beschichtung des Strahlungsmoduls ist vorzugsweise mit mindestens einem fluoreszierenden Material dotiert. Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass das mindestens eine fluoreszierende Material durch einen Extrusionsprozess in die Polymerfolie eingebracht ist. Auch die Polymerfolie besteht dabei vorzugsweise aus einem transparenten Material. Grundsätzlich bestehen hinsichtlich der Absorptionseigenschaften des fluoreszierenden Materials keine Beschränkungen, sodass Materialien mit Absorptionsbanden im UV-, VIS- und/oder IR-Bereich eingesetzt werden können. Besonders bevorzugt sind hier jedoch fluoreszierende Materialien, die im ultravioletten Spektralbereich absorbieren. Die fluoreszierenden Materialien können dabei aus einem organischen und/oder anorganischen Material bestehen. Besonders bevorzugt sind hier organische Laser- und Fluoreszenzfarbstoffe, Nanophosphore und Quantendots.

Polymerfolien, in die die fluoreszierenden Materialien durch einen Extrusionsprozess eingebracht wurden, können vorzugsweise zwischen zwei Substraten in Form eines Verbundes angeordnet werden. Der Gewichtsanteil des mindestens einen fluoreszierenden Materials in der Polymer-Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 % bis 10 %. Als Polymermateriale werden dabei insbesondere Polyacrylate, Polyurethane, Polycarbonate, Polystyren, Polyvinylchlorid, Ethylvinyl-Acetat-Polymere, Polyester, Polyethylene, Polypropylen und Cycloolefin-Polymere bevorzugt.

Der im Strahlungsmodul enthaltende Strahlungssensor ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der photo voltaischen und pyroelektrischen Strahlungssensoren. Um die optische Kopplung mit dem Substrat zu optimieren, werden zumindest Teilbereiche der zu den Substraten gehörenden Substratkanten insbesondere durch Polieren oder Schleifen mit glatten Oberflächen versehen. An diesen glatten Oberflächen wird dann der mindestens eine Lichtsensor, vorzugsweise sind es mehrere Lichtsensoren, befestigt. Hinsichtlich der Befestigung gibt es keinerlei Beschränkung bevorzugt sind hier jedoch optisch transparente Kleber. Die Anordnung der Strahlungssensoren erfolgt vorzugsweise so, dass eine optische Beeinträchtigung für einen Betrachter zum flächigen Substrat senkrechter Blickrichtung vermieden wird. So wird der Strahlungssensor vorzugsweise an den Kanten des flächigen Substrates angeordnet.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Strahlungsmodule beruht auf einem Fluoreszenzeffekt, der optischen Leitung der Fluoreszenzstrahlung, ihrer Detektion sowie der Signalübertragung mit einem Funkmodul. Bestrahlt man die auf bzw. zwischen den Glassubstraten befindlichen fluoreszierenden Polymerbeschichtungen mit kurz- und/oder langweiligem UV-Licht, so werden die in den Polymerbeschichtungen enthaltenen Fluoreszenzmaterialien elektronisch angeregt und senden im Vergleich zu den Wellenlängen der Anregungsstrahlung längerwellige, z. B. im blauen, langwelligen ultravioletten, roten oder grünen Spektralbereich liegende Fluoreszenzstrahlung aus. Die auf diese Weise erzeugte Fluoreszenzstrahlung koppelt optisch in die Glassubstrate ein und breitet sich dort bis zu den Kanten der Substrate aus. Aufgrund der inneren Totalreflexion gelangt der größte Anteil der Fluoreszenzstrahlung durch Lichtleitung zu den Kanten der freiliegenden Glassubstrate, trifft dort auf die Lichtsensoren, wo sie elektrische Ströme oder Spannungen erzeugt, deren Änderungen per Elektronikmodul zu einer Zentrale oder einem anderen Nutzer gesendet werden können. Im Falle der Verwendung von mit sichtbarem und infrarotem Licht anregbaren Materialien in den Polymerschichten wird als Anregungsstrahlung sichtbares und/oder infrarotes Licht eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion, Kontrolle und Überwachung von Lebewesen, Gegenständen und Stoffen beruht darauf, dass im Falle einer Störung der auf die Frontfläche der Strahlungsmodule auftreffenden Strahlung – z. B. durch Eintritt einer zu überwachenden Person oder eines Stoffes in das zwischen einer Strahlungslichtquelle und des Strahlungsmoduls befindlichen Strahlungsfeldes – zumindest ein Teil der Strahlung absorbiert oder gestreut wird, in dessen Folge weniger Strahlung auf die Fluoreszenzschichten gelangt und damit eine Abnahme der Fluoreszenzstrahlung bewirkt wird. Die Abnahme der Fluoreszenzstrahlung führt andererseits zu einer Verringerung der auf den Lichtsensoren auftreffenden Strahlung und damit zu einer Abnahme der erzeugten elektrischen Ströme bzw. Spannungen, die wiederum die Information zur Detektion von Lebewesen, Stoffen und Gegenständen darstellt. Entfernt sich z. B. die zu überwachende Person aus dem Strahlungsfeld, so kommt es wieder zu einem Anstieg der Fluoreszenzstrahlung und in dessen Folge auch der von den Lichtsensoren erzeugten elektrischen Ströme bzw. Spannungen auf den ursprünglichen Wert vor Eintritt der Person in das Strahlungsfeld. Diese Zunahme der elektrischen Ströme bzw. Spannungen kann ebenfalls als Detektionssignal verwendet werden. Als bevorzugte Strahlungsquellen werden z. B. kurz- oder langwellig emittierende UV-Strahler, als Notlicht verwendete Lampen mit UV-Anteil oder auch Leuchtstofflampen, die neben sichtbarem Licht einen gewissen Anteil an UV-Strahlung aussenden oder Strahlungsquellen, die unsichtbares Infrarotlicht aussenden, verwendet.

In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anregungsstrahlung moduliert und z. B. intensitätsmodulierte und eine Information tragende Lichtimpulse ausgesendet, die dann an den Strahlungsmodulen codierte elektrische Signale erzeugen. Zur Erzeugung modulierter bzw. codierter Anregungsstrahlung ist es günstig, elektrisch gesteuerte einzelne Leuchtdioden oder ganze Ensemble von Leuchtdioden, die UV-sichtbares oder Infrarotlicht aussenden, einzusetzen. Werden die lichterzeugenden Lampen direkt vom Wechselstrom aus dem Stromnetz angesprochen, entsteht moduliertes Licht mit einer Frequenz von 50 Hertz. Moderne Leuchtstoffröhren mit elektronischem Vorschaltgerät laufen mit einer Frequenz von ca. 30 KHz. Gleichstrom-Lampen, wie Halogenlampen, müssen mit einem Modulator versehen werden. Auf diese Weise ist es möglich, eventuell auftretende Stöhrstrahlung – z. B. von Autoscheinwerfern – zu eliminieren. Die mit den Fluoreszenzschichten, detektierenden Lichtsensoren und Funkmodulen kombinierten Glassubstrate stellen die wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Strahlungsmodule dar und können aufgrund ihrer hohen Transparenz im sichtbaren Spektralbereich in die Fensterfronten von Gebäuden, aber auch Räumen und Schränken unsichtbar integriert werden, als Bestandteil von Raumteilern und Spiegeln oder als Abdeckungen von zu überwachenden Vitrinen oder kostbaren Gemälden fungieren. Ergänzt werden die beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen durch einen Elektronikmodul. Die Signale aus den Lichtsensoren auf den Glaskanten werden durch ei ne kleine, ebenfalls auf der Glaskante anzubringende Elektronik-Einheit verarbeitet. Diese Einheit kann drahtlos und unabhängig von einer Stromquelle gestaltet werden. Zusätzlich angebrachte Solarzellen versorgen eine Leistungseinheit, welche die Energie in einem Akku speichert und geregelt zu den aktiven Komponenten liefert.

Wird mit moduliertem Licht gearbeitet, werden die Signale aus den Lichtsensoren durch passive analoge Filter geleitet, welche nur die modulierte Trägerfrequenz durchlassen. Da diese Filter passiv sind, verbrauchen sie keinen Strom. Die Analog-Digital-Konverter empfangen die Trägersignale aus dem analogen Filter und erzeugen ein digitales Signal, in dem kodiert ist, ob der Träger gefunden wurde und wenn ja, mit welcher Intensität. Je nach Auslegung der Modulationsfrequenz sind verschiedene Filter in der Sensorelektronik vorzusehen. Der extrem sparsame Mikroprozessor prüft in bestimmten Perioden die Signale aus dem Analog/Digital-Konverter. Dadurch kann er Schatten und andere Anomalien am Strahlungsmodul erkennen. Mit diesen Informationen kann entschieden werden, ob eine Anomalie gemeldet werden soll. Ist das der Fall, so wird der Funk-Sender aktiviert, so lange die Energiereserven aus der Leistungs-Einheit (Power unit) reichen. Wird mit mehreren Lichtsensoren gearbeitet, wird für jeden Sensor eine getrennte Aus wertung vorgenommen, so dass für die spätere Datenbearbeitung mehr Informationen zur Verfügung stehen. Neben der groben Position ist es dabei auch möglich, Richtung und Geschwindigkeit von Abschattungen zu berechnen. Die Reichweite des integrierten Funkmoduls ist begrenzt. Für eine Erweiterung der Funkstrecke wird ein externes Funkmodul installiert, welches das lokale Funkmodul entgegennimmt, und mittels eines globalen Systems für mobile Kommunikation (GSM)/paketorientierten Radio Service (GPRS) und mobilen universalen Telekommunikations Systems (UMTS)-Modulen einen entfernten Alarm auslöst, welcher per SMS (Kurzmitteilung Service) eine wachhabende Person erreichen kann. Statt einer SMS kann auch eine Übertragungskontroll-Protokoll (TCP)/Internet Protokoll (IP)-Verbindung ausgelöst werden, welche z. B. in einer Überwachungszentrale einen Alarm meldet.

Gegenüber dem Stand der Technik wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst eine Lücke geschlossen, zwischen Lichtschranken bzw. Lichtvorhängen und teuren Überwachungskameras zur Detektion, Überwachung und Kontrolle von Personen und Gegenständen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren gestatten eine großflächige und weiträumige Detektion und Überwachung von Lebewesen, Gegenständen und Stoffen mit einem hohen Öffnungswinkel (> 180 °C) und in einer großen Distanz (> 100 m) zwischen Anregungsstrahlungsquelle und Strahlungsmodul. Der erfindungsgemäße Strahlungsmodul bzw. das erfindungsgemäße Detektionsverfahren zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus, benötigen keinen hohen elektronischen Aufwand und sind sehr preisgünstig anzuwenden. Der Strahlungsmodul mit den Fluoreszenzschichten ist unsichtbar als Fenster, Spiegel, Raumteiler etc. zu gestalten oder z. B. in Werbeflächen zu integrieren.

Als Anregungsstrahlungsquellen können bereits vorhandene billige Notbeleuchtungen mit UV-Anteil in der emittierten Strahlung in der Steckdose angeordnet und mit geringem Energieverbrauch verwendet werden. Darüber hinaus haben in Fensterfronten integrierte, d.h. zur Verscheibung verwendete Strahlungsmodule den wei teren Vorteil, dass sie den unsichtbaren UV-Anteil der Solarstrahlung in sichtbares Licht wandeln und damit die Heiligkeit in Innenräumen erhöhen. Das ist insbesondere an trüben Tagen von Vorteil. Gleichzeitig wird durch die als Fensterscheiben gestalteten Strahlungsmodule die UV-Strahlung der Sonne absorbiert und kann damit keine Strahlenschäden z. B. an Möbeln, Büchern, Gardinen und wertvollen Gemälden anrichten. Da das physikalische Prinzip der erfindungsgemäßen Strahlungsmodule bzw. des erfindungsgemäßen Detektionsverfahrens auf einer Änderung der auf die Module auftreffenden Anregungsstrahlung – hervorgerufen durch Absorption, Streuung oder Reflexion – beruht, sprechen sie auch auf Rauch- und Staubentwicklung sowie Entstehung von Nebel und gefährlichen Gasen, Verschmutzung und Bewuchs von Glassubstraten, etc. an. Die auf den Kanten der Strahlungsmodule befindlichen Solarzellen sind geschützt vor Umwelteinflüssen angeordnet und können durch Fremdeinwirkung nicht zerstört werden. Andererseits kommt es im Falle einer Zerstörung der als Fenster gestalteten Strahlungsmodule -beispielsweise durch Einbruch – zu einem starken Abfall der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Stromes, da der Strahlungsfluss der Fluoreszenzstrahlung an den Solarzellen in diesem Fall unterbrochen wird. Die Veränderung der von den Solarzellen gemessenen Größen dient als Warnsignal und wird über den Funkmodul weitergeleitet zur Einbruchszentrale. Gegenüber langsam auftretenden Verstaubungen oder Verschmutzungen sind die erfindungsgemäßen Strahlungsmodule unempfindlich, da ihre Funktion auf Änderungen ihrer physikalischen Funktionsgrößen beruhen. Gegenüber dem Stand der Technik haben die erfindungsgemäßen Strahlungsmodule den bedeutenden Vorteil, dass sie aufgrund ihres Wirkprinzips der optoelektronischen Energiewandlung ohne äußere Energiever sorgung und elektrische Zu- und Ableitungen auskommen, also autonom funktionieren. Als Anregungsstrahlungsquellen können bereits vorhandene Strahlungsquellen, die Solarstrahlung oder kostengünstige und mit einem niedrigen Energieverbrauch auskommende Strahlungsquellen verwendet werden.

Anhand der nachfolgenden Figur und der nachfolgenden Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen beschränken zu wollen. Es handelt sich hier lediglich um beispielhafte Verwendungsmöglichkeiten.
1 zeigt in einer schematischen Abbildung eine erfindungsgemäße Variante des Strahlungsmoduls.
Beispiel 1
Zur Kontrolle und Überwachung von Fensterscheiben, Vitrinenverglasungen und anderen Glasabdeckungen werden die Glassubstrate zunächst mit einer transparenten und unsichtbaren mit einem Fluoreszenzstoff dotierten Polymethylmethacrylat (PMMA)-Schicht beschichtet, die 0,5 Gew.-%, bezogen auf den PMMA-Anteil eines fluoreszierenden Naphthalimids, enthält. Auf einer Kante eines ausgewählten Glassubstrates befindet sich eine detektierende Solarzelle, die im Falle einer Anregung des Naphthalimids das erzeugte Fluoreszenzlicht in eine elektrische Spannung umwandelt. Auf einer benachbarten Kante des Glassubstrates befindet sich eine weitere Energie bereitstellende Solarzelle und ein Akkumulator, der die von der Solarzelle erzeugte elektrische Leistung speichert und den ebenfalls auf der Glaskante angebrachten Funkmodul mit Energie versorgt. Als Überwachungslichtquel len dienen z. B. Leuchtstofflampen oder UV-Strahler. Es kann auch Tageslicht verwendet werden. Tritt in das Strahlungsfeld zwischen den Überwachungslichtquellen und den beschichteten Glassubstraten eine Person, so wird das in den dotierten PMMA-Schichten erzeugte Fluoreszenzlicht und die in der detektierenden Solarzelle erzeugte Spannung verringert. Die Spannungsverringerung wird elektronisch verarbeitet und über den Funkmodul als Alarmsignal zu einer Zentrale gesendet. Erfolgt ein Glasbruch an den Fensterscheiben, Vitrinen oder sonstigen Glasabdeckungen, so wird das an den detektierenden Solarzellen auftreffende Fluoreszenzlicht entweder unterbrochen oder abgeschwächt, wodurch ebenfalls ein Alarmsignal ausgelöst wird.
Beispiel 2
Zur Feststellung einer Rauchentwicklung, Nachweis von Nebel oder Gasen wird das zu überwachende Feld von einer Lichtquelle räumlich durchgestrahlt und das sichtbare und/oder UV-Licht gelangt dann auf den Strahlungsmodul. Dort wird Fluoreszenzstrahlung erzeugt, die durch Lichtleitung im Strahlungsmodul zur Solarzelle gelangt und ein elektrisches Signal hervorruft. Tritt z. B. eine Rauchentwicklung ein, so wird das auf den Strahlungsmodul eintreffende Licht mehr oder weniger oder stark absorbiert oder gestreut und bewirkt auch eine Abnahme sowohl der Fluoreszenzstrahlung als auch des elektrischen Signals an der Solarzelle. Die Verringerung des elektrischen Signals wird zur Alarmauslösung verwendet.
Beispiel 3
Zur Überwachung von Eingangshallen, Tresorräumen, Tiefgaragen und anderen Sicherheitsbereichen in Banken, Märkten, Automobilsalons, Juwelierläden etc. können die Strahlungsmodule ebenfalls verwendet werden. Als fluoreszierende unsichtbare Schichten werden vorzugsweise auch UV-anregbare Nanophosphore auf Basis von Selten Erden Nanokristallen mit ca. 1 Gew.-% in Sol-Gel-Siliziumoxid-Schichten eingelagert. Diese unsichtbaren Schichten werden auf Glas- oder optisch transparenten Kunststoffsubstraten, die als unsichtbares Auge als Raumteiler fungieren, als Abdeckungen von Hinweisschildern oder auch als Bild- oder Plakatabdeckungen gestaltet sind, z. B. durch Air-Brush-Verfahren aufgebracht. Als überwachende Strahlungsquellen werden Notbeleuchtungen mit einem UV-Anteil verwendet. Störungen des Strahlungsfeldes durch Eintritt oder Bewegung von Personen führen auch hier zu einer Signalabnahme bzw. Signaländerung an der auf den Kanten der Strahlungsmodule angebrachten Solarzelle und damit zur Personendetektion.
Beispiel 4
Bei einer Überwachung und Kontrolle von Außenanlagen, wie z. B. Baustellen, landwirtschaftlichen weiträumigen Höfen und Pferdekoppeln, Sportstätten etc. besteht die Möglichkeit, dass die Funktion der Strahlungsmodule durch Fremdlicht, wie z. B. Autoscheinwerfer, Taschenlampen, Suchscheinwerfer, erheblich gestört wird. Hier bieten sich Strahlungsquellen, wie z. B. Leuchtdioden, mit intensitätsmodulierter Abstrahlung an. Wird die Anregungsstrahlung z. B. mit einer Frequenz zwischen 100 und 1000 Hz moduliert, so entsteht auch intensitätsmodulierte Fluoreszenzstrah lung, die zu niederfrequenten elektrischen Wechselspannungssignalen am Solarzellen-Detektor führt. Die erzeugten Wechselspannungen sind elektronisch gut zu verarbeiten und unterscheiden sich von Störsignalen, die von Fremdstrahlungen hervorgerufen werden.
Beispiel 5
An Fassaden von Hochhäusern und anderen großen Gebäuden kommt es zum Vogeltod durch einfliegende Vögel, die sich in den Fassaden spiegeln und mit ihnen kollidieren. Zur Vermeidung bzw. Minderung dieses Vogeltodes wird vorgeschlagen, in die Fassaden die erfindungsgemäßen Strahlungsmodule zu integrieren. Im Falle eines auf die Fassade zufliegenden Vogels wird das auf den Strahlungsmodul auftreffende Tageslicht durch den Vogelschatten kurzzeitig partiell unterbrochen. Damit wird eine impulsförmige Abnahme der elektrischen Spannung am Solarzellensensor bewirkt, mit der z. B. eine Schallquelle getriggert werden kann, die ein starkes Warnsignal aussendet, welches die Vögel ihre Flugrichtung ändern lässt. Ebenso können die Strahlungsmodule an den Rotoren und Befestigungssäulen von Windkraftanlagen angeordnet werden. Die durch einfliegende Vogelschwärme hervorgerufenen Schatten bewirken ebenfalls Signaländerungen an den Solarzellen-Detektoren, die elektronisch verarbeitet zum Abschalten der Anlagen oder auch zur Aussendung von Warnsignalen verwendet werden.
Beispiel 6
Mit dieser Erfindung können auch interaktive Fensterscheiben, Vitrinen und Abdeckungen von Bildern in Museen oder auch Werbeplakate und andere Informationsträger gestaltet werden. Tritt ein Interessent z. B. vor eine Fensterscheibe, die mit den erfindungsgemäßen Strahlungsmodulen ausgestattet ist, kann der potentielle Kunde direkt über installierte Lautsprecher oder über das Abspielen von Videos angesprochen werden.
Beispiel 7
Die Erfindung dient auch dem Unfallschutz von Personen bei Gefährdungen durch Hochspannung, sich beweglichen Maschinen und Maschinenkomponenten, wie z. B. Schutz vor Roboterbewegungen oder vor Kranauslegern, ebenso Radioaktivität und gefährlichen Stoffen. Der gefährdete Raum wird dabei von den Strahlungsmodulen überwacht und kontrolliert und löst bei Personenzutritt eine Alarm aus oder veranlasst eine Eliminierung des gefährdenden Einflusses, z. B. durch Abschalten der Hochspannung.
Beispiel 8
Die Erfindung soll auch genutzt werden zur Kontrolle von Stoffen und Füllstandsmessungen in Glaszylinder. Dabei werden die Glaszylinder mit den Fluoreszenzmaterialien beschichtet und auf ihren Kanten senkrecht zu den Zylinderoberflächen die Strahlungssensoren angebracht. Die Anregung der Fluoreszenzschichten erfolgt dann mit einer Lampe, die außerhalb des Zylinders angeordnet ist. Bei Anwesenheit eines Stoffes im Zylinder wird die Anregungsstrahlung absorbiert, in dessen Folge das Fluoreszenzlicht abnimmt und zu einer Verringerung des elektrischen Signals führt.
Beispiel 9
Zur Herstellung intelligenter Autospiegel werden un sichtbare Fluoreszenzschichten auf die Spiegelgläser aufgebracht und auf ihren Kanten Spiegelrahmen sowie die Lichtsensoren und notwendige Elektronik angeordnet. Beim Überholen eines unbeleuchteten Fahrzeugs kommt es im Annäherungsvorgang im Strahlungsfeld des Spiegels zu einer Abschattung, in deren Folge das Fluoreszenzlicht und damit auch das elektrische Signal am Lichtsensor abnehmen. Diese Abnahme wird elektronisch verarbeitet und ein Warnsignal ausgelöst, z. B. durch Aufleuchten einer auf dem Spiegel angeordneten roten Leuchtdiode. Im Falle eines beleuchteten überholenden Fahrzeugs wird das Warnsignal durch Zunahme des Fluoreszenzlichtes und des Lichtsensors hervorgerufen.
Beispiel 10
Durch Integration unsichtbarer Strahlungsmodule in Automobil-Frontscheiben können Steuerfunktionen in den Scheiben realisiert werden, mit denen die Scheiben-Waschanlage aktiviert wird.

Claims

Strahlungsmodul enthaltend mindestens ein flächiges Substrat aus einem lichtleitenden Material mit einer mindestens ein fluoreszierendes Material enthaltenden Polymerbeschichtung sowie mindestens ein mit dem Substrat optisch gekoppelter Strahlungssensor.
Strahlungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat so gewählt ist, dass Fluoreszenzstrahlung, die durch auf das Strahlungsmodul fallendes Licht entsteht, durch das Substrat zu dem mindestens einen Strahlungssensor geleitet wird.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex auf den Brechungsindex der Polymerbeschichtung und/oder der Umgebung so abgestimmt ist, der eine Totalreflexion der Fluoreszenzstrahlung an der Grenzfläche zwischen Substrat und Polymerbeschichtung einerseits und der Umgebung andererseits erlaubt.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus anorganischem Glas oder einem Kunststoff besteht.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat im Spektralbereich von 400 nm bis 800 nm eine optische Transparenz von mindestens 90 aufweist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen optischen Verlust von ≤ 1 dB/m aufweist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung mit dem mindestens einen fluoreszierenden Material dotiert ist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine fluoreszierende Material durch Extrusion in die Polymerbeschichtung eingebracht ist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine fluoreszierende Material Absorptionsbanden im UV- oder Vis- und/oder IR-Bereich aufweist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine fluoresezierende Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus organischen Laser- und Fluoreszenzfarbstoffen, Nanophosphoren und Quantendots.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil des mindestens einen fluoreszierenden Materials in der Polymerbeschichtung im Bereich von 0,01 % bis 10 % liegt.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung auf einem Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polymethylmethacrylaten, Polymethacrylsäureestern, Polymethacrylsäuren, Polyacrylsäuren, deren Ester, aus Copolymeren dieser Materialien, wie Polymethacrylmethylimiden, Methylmethacrylat-Acrylnitrilvinylestern, Polymethylpenten, Acrylsäure-Styren-Acrylsäure-Vinylacetat-Copolymeren, Polystyren, Polyvinyltoluen, Polycarbonaten, Polypropylen, Polyethylen, Cellulosederivaten, Polyacetalen, Polyamiden, fluorierten Acrylsäure-Polymeren, Cycloolefin-Polymeren, Polymididen, Polyalylphthalaten, Acetatbutyraten und Polyestern, Polysulfonen, transparenten Epoxidharzen, Polyvinylchlorid, Polyurethanen, deren Copolymeren und Blends basiert.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung im sichtbaren Spektralbereich mindestens 90 % Transmission aufweist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahlungssensor ein photovoltaischer und/oder ein pyroelektrischer Strahlungssensor aus ferroelektrischen Kristallen, Keramiken oder Polymeren ist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahlungssensor an den Kanten des flächigen Substrates angeordnet ist, so dass der mindestens eine Sensor bei zum flächigen Sub strat senkrechter Blickrichtung für einen Betrachter nicht sichtbar ist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten des Substrates durch Polieren und/oder Schleifen geglättet sind, um Strahlungsverluste bei der optischen Kopplung zwischen Substrat und Strahlungssensor zu vermeiden.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmodul zusätzlich mindestens eine mit dem mindestens einen Strahlungssensor elektrisch verbundene Auswertungselektronik aufweist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmodul eine Übertragungsvorrichtung zur drahtlosen Datenfernübertragung aufweist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmodul mit einer Stromquelle verbunden ist.
Strahlungsmodul nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromguelle eine Solarzelle ist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmodul mit einer Leistungssteuerungseinheit verbunden ist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahlungssensor mit einem passiven analogen Filter und einem Analog-Digital-Wandler verbunden ist.
Strahlungsmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an den Sensormodulen elektrische Signale mit modulierter bzw. codierter Trägerfrequenz erzeugt werden.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmodul mindestens ein weiteres Substrat aufweist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmodul mindestens eine weitere Beschichtung aufweist.
Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsmodul in ein Fenster, einen Spiegel, eine Vitrine oder einen Raumteiler integriert ist.
Anordnung zur Detektion, Kontrolle und Überwachung von Lebewesen, Gegenständen und Stoffen mit einem Strahlungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Strahlungsquelle.
Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle ausgewählt ist aus der Gruppe der UV-, Vis- und IR-Strahlungsquellen.
Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Leuchtdioden, Leuchtstofflampen, Halogenlampen, Quecksilberdampflampen, Glühlampen und Metalldampf-Lampen.
Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle moduliert, codiert oder impulsförmig betrieben wird.
Verfahren zur Detektion, Kontrolle und Überwachung von Lebewesen, Gegenständen und Stoffen, bei dem eine Anordnung nach einem der Ansprüche 26 bis 30 verwendet wird und eine Intensitätssteigerung der von der Anregungsquelle auf das Strahlungsmodul auftreffenden Strahlung detektiert wird.
Verfahren zur Detektion, Kontrolle und Überwachung von Lebewesen, Gegenständen und Stoffen, bei dem eine Anordnung nach einem der Ansprüche 26 bis 30 verwendet wird und eine Intensitätsminderung der von der Anregungsquelle auf das Strahlungsmodul auftreffenden Strahlung detektiert wird.
Verwendung des Strahlungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 26 zur Filterung des UV-Anteils von einfallendem Sonnenlicht durch dessen Umwandlung in Vis-Strahlung.
Verwendung des Strahlungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 26 zur Detektion von Rauch-, Staub- und Gasentwicklung, Nebel und giftigen Gasen in der umgebenden Atmosphäre.
Verwendung des Strahlungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 26 zur Detektion von Verschmutzungen oder Bewuchs des Strahlungsmoduls.
Verwendung des Strahlungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 26 zur Warnung von Lebewesen vor transparenten Gebäudefassaden.
Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 27 bis 30 zur Überwachung von Sicherheitsbereichen, insbesondere in Banken, Supermärkten, Automobilsalons und Schmuckläden.