DE2904654A1 - Optische anordnung fuer einen passiven infrarot-bewegungsmelder - Google Patents
Optische anordnung fuer einen passiven infrarot-bewegungsmelderInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA yg η g η Q 5 QRQ
Optische Anordnung für einen passiven Infrarot-Bewegungsmelder
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.
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 erfaBten Infrarotstrahlung zu Alarmzwecken
aus.
RH 1 Zi / 6.2.1979
030033/0275 25
79 P 8 0 0 5 BRO
Für einen möglichst großen Signal-Störabstand teilt man
den Raum in mehrere Sichtfelder auf, so daß sich Sichtfelder und Dankelfelder, 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.
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 Helder 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
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"<**" 79P 8 0 0 5 BRO
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.
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.
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-Λ-
79Ρ 8 0 05 BRET
Zur Lasting 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 ihr· reflektierten Strahlungen auf ein einziges Fokussiersystem;
d) das Fokussiersystem fokussiert die empfangene Strahlung auf den Detektor über einen gefalteten Strahlengang.
Die funktionale Trennung von Strahlaufteilung und Strahlfokussierung
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 Win-.
kein 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.
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An sich ist eine spezielle Aasführimg einer solchen Tren
nung 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 jedeeh nicht hervorgehoben.
Für die Wahl der Brennweite gelten folgende Überlegungen: Das Gerät soll bis zu einer vorgegebenen sogenannten
"sicheren Reichweite" E 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 erreichtf 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 -Gesetz durch die änderung
der im Sichtfeld befindlichen Teilfläche des Eindringlings kompensiert. Für Abstände r2s.R fällt das
Signal zunächst proportional zu (r-R) 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
*> - d.R
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-β-
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mit
d = wirksamer Durchmesser des Detektors
R β "sichere Reichweite"
D = Breite des Eindringlings.
.
Zum Beispiel ergibt sich mit
D = 40 cm
R = 8 m
d => 3,5 mm
eine optimale Brennweite £ - 70 mm.
eine optimale Brennweite £ - 70 mm.
In einer Ausgestaltung enthält das Fokussiersystem
einen Hohlspiegel, auf den jalousieartig angeordnete
plane Richtspiegel die zugehörigen Sichtfelder pr.ojizieren.
Damit für alle Sichtfelder die gleiche Ansprechempfindlichkeit gilt, sollte für jedes Teilstrah.-lenbündel
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 Riehtspie-
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79 p 8 0 0 5 BRD
gel so gestellt, daß ein zur optischen Achse unsymmetrischer
Überwachungsbereich entsteht und der Bewegungs melder 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.
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.
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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-Strahl enteilung;
die
Fig. 2 eine Seitenansicht dieser Anordung; die 30
Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen optischen
Anordnung mit planen Spiegelfacetten und die
Fig. 4 eine dazu senkrechte Seitenansicht.
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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.
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.
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 Strahlenbtindel
durch ein jeweils separates Gehäusefenster in ausreichender Breite auf den zugehörigen Richtspiegel
fallen kann. Einzelne Fenster können ohne weiteres ab-
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TB P 8 0 0 S BRQ
gedeckt 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.
„Ans 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.
Die Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer optischen An-Ordnung
für einen Bewegungsmelder, der statt der Jalousie-Strahlenaufteilung eine Facetten-Strahlenaufteilung hat.
Diese ist geeignet für vertikale Raumwinkel bis zu 45°.
I bedeutet wieder einen Infrarot-Detektor, 1 einen planen
Umlenkspiegel und 3 einen Hohlspiegel. Hit 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
II 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 aneinanderschließen. 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
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von waagrecht insgesamt 180° und senkrecht entsprechend der Hohe 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 Strahl, en über den Umlenkspiegel 2 auf den Detektor
1, der an der Rückwand des Gehäuses 11 angebracht ist.
7 Patentansprüche 4 Figuren
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Leerseite
Claims (7)
- - X- VPA 79 P 3 0 0 5 BROPatentansprücheOptische 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 Straklengang..
- 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 ge kennzeichnet j daß die Richtspiegel (4 bis 9)030033/0275"2" 79P 8 0 05 BROzwischen überwachtem Raum und Detektor (1) liegen und daß zwischen den einzelnen Richtspiegeln (4 bis 9) senkrecht in Bezug auf die optische Achse flächenmäßig gleiche öffnungen liegen.
- 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß die Richtspiegel (4 bis 9) verstellbar sind.
- 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Fefcussiersystem 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, d a d u r ch gekennzeichnet, daß sich zwischen Hohlspiegel (3) und Detektor (1) ein Umlenkspiegel (2) befindet.030033/0275
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