DE2653110A1

DE2653110A1 - Infrarotstrahlungs-einbruchdetektor

Info

Publication number: DE2653110A1
Application number: DE19762653110
Authority: DE
Inventors: Hansjuerg Dipl Phys Keller
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1976-06-16
Filing date: 1976-11-23
Publication date: 1977-12-22
Also published as: CH596619A5; DE2653110B2; GB1561407A; FR2355345A1; FR2355345B1; AU2523077A; DE7636763U1; US4087688A; NL7706035A; JPS5931757B2; SE417256B; SE7706626L; DE2653110C3; JPS52153699A; AU501317B2

Description

PATENT A N V/ Ά' L" T E DR.-!NG. WOLFF, :!. CARTELS

DR.-1KG. l·;£Lü, DiPU-PHYS. WOLFF 7. STUTTGART 1, LASMGE STRASSE 51

EV. J976

Reg.-Nr. 125 174 Unsere Ref.: 84 O9src

CERBERU5 AE

Männedorf/Schweiz

Infrarotstrahlungs-Einbruchdetektor

Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahlungs-Einbruchdetektor mit einer Optik zur Bündelung der Strahlung auf einen Strahlungsempfänger.

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Solche Detektoren sind eingerichtet, die aus einem überwachten Raum oder Bereich einfallende Infrarotstrahlung aufzunehmen und bei einer Veränderung dieser Infrarotstrahlung mittels einer geeigneten Auswerteschaltung ein Alarmsignal zu geben. Zum Nachweis eines Einbrechers wird vorzugsweise Infrarotstrahlung in einem solchen Wellenlängengebiet benützt, welches für die Eigenstrahlung von Personen charakteristisch ist, z.B. der Bereich bis 20 μ oder speziell das Gebiet zwischen 14 und 7 μ. Stattdessen kann jedoch auch Fremdstrahlung "von einer Strahlungsquelle in einem geeigneten, besser beherrschbaren Wellenlängengebiet verwendet werden, z.B. im nahen Infrarot oberhalb .1 μ, welche von nachzuweisenden Personen reflektiert wird. In jedem Fall ist die Durchlässigkeit oder das Reflexionsvermögen der Optik sowie die Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers auf diesen Wellenlängenbereich abzustimmen. .

Um bereits kleinste Bewegungen einer Person, z.B. eines Einbrechers, in dem geschützten Raum oder Bereich nachweisen zu können, hat es sich als zweckmässig erwiesen, einzelne getrennte Empfangsrichtungen mit dazwischenliegenden Dunkelfeldern vorzusehen. Bei Bewegung eines Einbrechers -und Durchschreiten eines oder mehrerer Empfangsbereiche wird daher der Strahlungsempfänger impulsförmig oder mit wechselnder Strahlungsintensität beaufschlagt und die Auswertung dessen Ausgangssignales zur Signalgabe kann auf einfache Weise mittels eines bekannten Impulsoder Wechselspannungsdetektors erfolgen.

Zur Erzeugung solcher unterschiedlichen, voneinander getrennten Empfangsbereiche ist es bekannt geworden, mehrere Optiken, z.B.

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mehrere Linsen, bzw. Kugelabschnitt- oder Paraboloidreflektoren vorzusehen, in deren gemeinsamem Brennpunkt der Strahlungsempfänger angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine der Zahl der Optiken entsprechende Anzahl von Empfangsbereichen erzielen, jedoch ist eine solche Anordnung ausserordentlich kompliziert, insbesondere bei. einer grossen Anzahl vorgesehener Empfangsrichtungen, und die Einstellung und Justierung ist extrem mühsam. Derartige Einbruchdetektoren sind daher nicht nur aufwendig und teuer, sondern darüber hinaus nur schwer an gewünschte Betriebsbedingungen anpassbar und nicht in allen Fällen wirksam.

Es ist ebenfalls bekannt geworden, einen kegelringförmigen Empfangsbereich mittels kegelförmiger Reflektoren oder konischer Linsen oder Rotations—Prismen in Zusammenwirkung mit nur einer einzigen Optik zu erzeugen. Zur Erzielung mehrerer Empfangsbereiche wäre jedoch auch hier eine Vielzahl von Reflektoren erforderlich, was die Anordnung erheblich komplizieren und verteuern würde. Solche Anlagen sind daher in der Praxis auf einen einzigen, kegelförmigen Empfangsbereich beschränkt geblieben.

Bei einer weiteren, inzwischen vorgeschlagenen Anordnung mit streifenförmigen Empfangsbereichen wird zwar die Betriebssicherheit und Wirksamkeit verbessert, jedoch ist immer noch eine komplizierte, zusammengesetzte Optik, z.B. mit Flächen mit zwei verschiedenen Hauptkrümmungsradien oder mit Zylinderlinsen erforderlich.

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile vorbe— kannter oder früher vorgeschlagener Infrarot-Einbruchdetektoren und

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to

die Schaffung eines solchen Detektors mit mehreren, getrennten Empfangsbereichen und mit einfacherer, weniger aufwendiger Konstruktion, besserer Wirksamkeit und Betriebssicherheit, wobei insbesondere nur eine Optik konventioneller Art verwendet wird.

Ein erfindungsgemässer Infrarotstrahlungs-Einbruchdetektor ist gekennzeichnet durch eine zwischen Optik und Strahlungsempfänger angebrachte, die Achse der Optik umschliessende und achsenparallel angeordnete, innenreflektierende Prismenfläche.

Unter Prismenflächen werden dabei alle solchen Flächen verstanden, die durch Parallelverschiebung einer Geraden entstehen, und mit beliebigem krummlinigem oder aus Geraden zusammengesetztem Querschnitt, z.B. auch Zylinder mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt, oder Vielkantprismen mit polygonförmigem, z.B. rechteckigem Querschnitt.

Durch diese Prismenfläche wird erreicht, dass nicht nur Strahlung aus der Richtung der optischen Achse auf den Strahlungsempfänger gebündelt wird, sondern zusätzlich Strahlung aus bestimmten Einfallrichtungen,

welche einmal, zweimal, dreimal η-mal an der Prismeninnenfläche

reflektiert wurde, auf den Strahlungsempfänger fokussiert wird. Damit wird erreicht, dass der Strahlungsempfänger fast nur Strahlung aus mehreren diskreten Richtungen, welche vorgegebene Winkel mit der optischen Achse bilden, aufnimmt. Je nach Querschnitt des Prismas entstehen verschiedene Empfangsrichtungsmuster. Bei kreisförmigem Querschnitt, also bei Ausbildung der Prismenfläche als Zylinder,

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- ar-

entsteht ein Empfangsrichtungsmustex mit konzentrischen Kegelringen um die optische Achse. Die Anzahl der Kegelringe entspricht dabei der maximal möglichen Anzahl von Reflexionen an der'Zylinderinnenfläche. Bei rechteckigem oder quadratischem Querschnitt des Prismas entsteht ein gitterförmiges oder rasterförmiges Empfangsrichtungsmuster. Bei quadratischem Querschnitt sind dabei die beiden Gitterkonstanten gleich, bei rechteckigem Querschnitt dagegen verschieden. In jedem Fall lässt sich mittels dieser reflektierenden Prismenfläche auf einfachste Weise und mit geringem Aufwand mit nur einer einzigen, in konventioneller Weise aufgebauten Optik eine Vielzahl von Empfangsrichtungen.oder Empfangsbereichen erzeugen.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1-3 dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Figur 1 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemässen Anordnung. Figur 2 zeigt einen Einbruchdetektor mit zylindrischem Reflektor. Figur 3 zeigt einen Einbruchdetektor mit einem Vierkantprisma.

Bei der in Figur 1 wiedergegebenen Strahlungsdetektor-Anordnung ist in einem an einer Basisplatte 1 befestigten, rohrförmigen Gehäuse 2 an der Vorderseite eine als Bündelungsoptik dienende Sammellinse 3 und in deren Brennpunkt auf einer Trägerplatte 4 ein Strahlungsempfänger 5 angebracht.

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- tr-

Die Optik 3 kann als einfache sphärische Linse ausgebildet sein oder als konventionelles Linsensystem, welches zweckmässigerweise so korrigiert ist, dass die Brennfläche wenigstens angenähert eine Ebene senk-· recht zur optischen Achse ist. Das Material der Linsen muss natürlich für die aufzunehmende Infrarotstrahlung durchlässig sein. Anstelle von Glas kann auch ein geeigneter Kunststoff oder Germanium mit besserer Infrarotdurchlässigkeit verwendet werden. Die Linse kann auch als Stufenlinse vom Fresnel-Typ ausgebildet sein, sodass deren Dicke und Infrarotabsorbtion klein gehalten werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, statt einer Linse einen Reflektor zu verwenden. Als Strahlungsempfänger 5 wird zweckmässigerweise ein Infrarotempfänger verwendet, welcher selektiv im ausgewerteten Wellenlängenbereich empfindlich ist, z.B. ein Thermoempfanger mit vorgeschaltetem Infrarotbandfilter z.B. aus Germanium, aus einem geeigneten Alkalihalogenid oder aus einer oder mehreren Kunststoffschichten, mit oder ohne zusätzlicher Oberflächenbedampfung.

Die Innenfläche des rohrförmigen Gehäuses 2 hat die Form eines allgemeinen Prismas mit beliebigem, krummlinig begrenztem oder aus Geraden zusammengesetztem Querschnitt. Speziell kann ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt verwendet werden, wobei die Prismenfläche zu einer Zylinderfläche wird, oder ein Rohr mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt, wobei ein Vierkantprisma entsteht. Stattdessen kann der Querschnitt jedoch auch polygonförmig gewählt sein,- sodass ein Vielkantprisma entsteht.

Die Innenfläche des Gehäuses 2 oder des Prismas bzw. Zylinders ist

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ganz oder stellenweise reflektierend ausgebildet, zumindest im Wellenlängenbereich der verwendeten Infrarotstrahlung.

Die beschriebene Anordnung bewirkt nun, dass nicht nur die Strahlung n=D in Richtung der optischen Achse von der Optik 3 auf den Empfänger fokussiert wird, sondern ebenfalls Strahlung aus anderen, genau definierten Richtungen, welche einen bestimmten Winkel oCl, oC 2, .... mit der optischen Achse bilden, während Strahlung aus dazwischen liegenden Winkelbereichen nicht auf den Empfänger fokussiert wird, sondern die strahlungsabsorbierend ausgebildete Trägerplatte 4 trifft. Man erkennt, dass beispielsweise Strahlung aus einer Richtung, welche mit der optischen Achse einen Winkel Λ1 = arctg (d/f) bildet, nach einmaliger Reflexion an der Innenwand auf den Strahlungsempfänger 5 trifft, nicht jedoch Strahlung aus anderen Richtungen, Nach zweimaliger Reflexion an der Innenwand trifft dagegen nur solche Strahlung auf den Empfänger 5, welche mit der optischen Achse einen Winkel ot 2 -arctg (2d/f) bildet, und allgemein nach n-maÜger Reflexion nur solche Strahlung, die einen Winkel oC η = arctg (n.d/f) bildet. In den dazwischen liegenden Winkelbereichen wird dagegen keine Strahlung empfangen. Die Ordnungszahl η der reflektierten Strahlung, welche gerade noch von einem solchen Strahlungsdetektor empfangen werden kann, wird durch die Länge des reflektierenden Teiles der Innenwand des Gehäuses 2 bestimmt und kann durch zusätzliche Blenden 6 nach oben begrenzt werden, gegebenenfalls auch durch vor der Optik angeordnete nicht dargestellte Sichtblenden. Der Oeffnungswinkel der einzelnen Empfangsrichtungen ist im wesentlichen bestimmt durch die Güte der Optik 3, der Präzision der Anordnung des Empfängers 5 im Brennpunkt und der Ausdehnung des Strahlungsempfängers 5.

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Die Auswerteschaltung für die Ausgangssignale des Strahlungsempfängers ist im Zwischenraum 7 zwischen der Trägerplatte 4 und der Basisplatte angeordnet und kann im Prinzip in beliebiger vorbekannter Art ausgeführt sein.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Einbruchdetektors mit kreisförmigem Querschnitt, also mit zylinderförmig ausgebildetem Reflektor Durch diese axialsymmetrische Anordnung entstehen konzentrische, kegelringförmige Empfangsbereiche um die optische Achse n=0 verschiedener Ordnung n=l, n=2, n=3 ...... je nach Zahl der Reflexionen an der Innenwand vor Auftreffen der Strahlung auf den Empfänger 5.

Ein solcher Einbruchdetektor kann, wie in der Figur 2 dargestellt, auf einem Befestigungssockel 8 mittels eines Kugelgelenks 9 drehbar oder schwenkbar befestigt sein, sodass er leicht auf bestimmte Betriebsbedingungen eingestellt werden kann. Der geschützte Raum oder Bereich wird dabei von konzentrischen Empfangsbereichen überdeckt, welche von einem Einbrecher nur ausserordentlich schwer umgangen werden können.

In der Praxis wird häufig ein gitter- oder rasterförmiges Empfangsmuster gefordert. Wie Figur 3 zeigt, lässt sich eine solche Anordnung der Empfangsbereiche oder Empfangsrichtungen dadurch erreichen, dass die reflektierende Fläche als Vierkantprisma mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt ausgebildet ist. Durch Reflexion an den Seitenflächen entsteht eine horizontale Auffächerung der Empfangs— richtungen, während durch Reflexionen an der Ober- und Unterseite eine vertikale Aufgliederung entsteht. Bei Kombination von Reflexionen sowohl

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an den Seitenflächen als auch an der Ober- und Unterseite entsteht dann das dargestellte Gittermuster um die optische Achse E 0,0. In der Figur ist beispielsweise der Strahlengang aus einer Empfangsrichtung E 2,1 mit zweimaliger Reflexion an den Seitenflächen und einmaliger Reflexion an der Oberseite dargestellt. Im Ganzen ergibt sich also _f ein gitterartiges Muster von Empfangsrichtungen En, m, wobei die Gitterkonstanten in beiden Richtungen vom Seitenverhältnis des Querschnitt-Rechteckes abhängen. Bei quadratischem Querschnitt werden beide Gitterkonstanten gleich.

Bei Wahl anderer Querschnitte ergeben sich andere Empfangsrichtungs-Huster, ähnlich den aus der Optik bekannten Beugungsmustern. Beispielsweise entsteht bei hexagonalem Querschnitt ein Empfangsrichtungsgitter, welches aus gleichschenkligen Dreiecken zusammengesetzt ist, entspxe-chend dem Beugungsbild eines hexagonalen Kristalles.

Statt sämtliche Prismenflächen zu verspiegeln, können auch nur zwei gegenüberliegende Flächen innen reflektierend ausgebildet sein. Die Prismenflächen bestehen in diesem Fall aus zwei parallelen Ebenen, zwischen denen sich die optische Achse befindet. Figur 1 stellt dabei einen Schnitt durch diese linearsymmetrische Anordnung senkrecht zu den Reflexionsflächen und parallel zur Achse dar. Dabei entsteht eine Reihe von auf einer Geraden aufgereihten Empfangsrichtungen, d.h. wenn in Figur 3 nur die Seiten verspiegelt sind, erscheinen nur die Empfangsrichtungen E n,o. Durch-Verwendung einer Zylinderlinse als Optik können diese jedoch zu senkrechten Empfangsstreifen verzerrt werden.

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- ie--

Abschliessend sei bemerkt, dass das Prinzip der Erfindung, nämlich die Erzeugung diskreter Empfangsrichtungen mittels ein- oder mehrmaliger Reflexion an einer achsenparallelen Fläche, auch bei anderen Strahlungsdetektions-Einrichtungen mit äquivalenter Wirkung verwendet werden kann. Beispielsweise ist es denkbar, statt einer 5ammellinse einen Kugeloder Paraboloid-Reflektor zu verwenden, in dessen Brennpunkt der Strahlungsempfänger 5 angebracht ist. Babei besteht auch die Möglichkeit, statt eines luftgefüllten Rohres 2 einen massiven, strahlungstransparenten Glas- oder Kunststoffkörper mit einem Brechungsindex grosser als 1 zu verwenden, wobei die innere Reflexion ausgenützt wird oder auf die Oberfläche dieses Körpers 2 eine reflektierende Schicht aufgebracht wird. Bei einer solchen Umkehrung der Konstruktion nach Figur 2 wird die empfängerseitig durch die Stirnfläche 4, oder bei etwas schrägem Einfall durch die Seitenflächen des Prismas, in das Innere eintretende Strahlung nach Reflexion an der als Dptik wirkenden sphärischen Stirnfläche 3 und nach ein- oder mehrmaliger Reflexion an den Begrenzungsflächen 2 auf den Strahlungsempfänger 5 fokussiert. Um zu vermeiden, dass sich Strahlungseintritt durch die Seitenflächen und Reflexion gegenseitig behindern oder ausschliessen, können die gegenüberliegenden Prismenflächen nur teilweise verspiegelt sein, z.B. halb durchlässig oder aber nur jeweils eine Seite verspiegelt, wobei die Reflexionsfelder auf beiden Seiten gegeneinander versetzt mit Transparentfeldern abwechseln. Mit einer solchen inversen Anordnung lässt sich ein ähnliches, gitterförmiges Empfangsbereichsmuster erzeugen, wobei lediglich jedes zweite Empfangsfeld ausfällt.

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Claims

- 4Γ- C 176

Patentansprüche

[ 1./Infrarotstrahlungs-Einbruchdetektar mit einer Optik zur Bündelung der-Strahlung auf einen Strahlungsempfänger, gekennzeichnet durch zwischen Optik (3) und Strahlungsempfänger (5) angebrachte, die Achse der Optik (n=0) umschliessende und achsenparallel angeordnete innenreflektierende Prismenfläche bzw. -flächen (2).
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (3) wenigstens eine Linse aufweist.
3-, Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (3) wenigstens einen Reflektor aufweist.
4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsempfänger (5) im Brennpunkt der Optik (3) angeordnet ist.
5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenflache (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und als Zylinder ausgebildet ist.
6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenfläche (2) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenfläche (2) einen quadratischen Querschnitt aufweist.

RIQfNAL INSPECTED

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8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenflächen zwei parallele, ebene, innenverspiegelte Flächen aufweisen.
9. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dreh- und schwenkbare Anordnung (8, 9) auf einem Befestigungsteil.
10. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenfläche (2) die Innenfläche eines innen verspiegelten Rohres ist.
11. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenflächen (2) die Aussenflächen eines strahlungsdurch— lässigen Körpers mit einem Brechungsindex grosser als 1 sind.
12. Detektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Körpers (2) wenigstens teilweise verspiegelt ist.
13. Detektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (3) von einer Stirmfläche des strahlungsdurchlässigen Körpers gebildet wird .
14. Detektor nach einem der Ansprüche 1, 3, 6—8, oder 11 - 13, gekennzeichnet durch zwei parallele, ebene Flächen mit abwechselnd gegeneinander versetzten Reflexionszonen.

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