DE3742031A1 - Bewegungsmelder mit einem infrarotdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Bei der Raumüberwachung sowohl innerhalb wie auch außerhalb von Gebäuden erfreuen sich Bewegungsmelder mit Infrarotdetektor zunehmender Beliebtheit. Als passive Detektoren sprechen sie unmittelbar auf Strahlungs­ objekte an, die Wärmestrahlung abgeben. Ein solches Strahlungsobjekt ist z.B. auch ein Mensch, der in einen zu überwachenden Raum eindringt. Es wird somit kein zusätzlicher Sender benötigt, wie er bei Bewegungs­ meldern anderer Art erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß moderne Infrarotdetektoren einen großen Erfassungsbereich ermöglichen, der bis zu 180° reicht, so daß ein an einer Wand angebrachter Detektor einen breiten vor dieser Wand liegenden Raumwinkel erfassen kann.

Aus der EP-A2-01 13 468 ist ein Infrarotdetektor be­ kannt, der aus einem überwachten Raum aufgenommene Wärmestrahlung mit Hilfe einer Sammeloptik auf einen im Infrarotbereich empfindlichen Sensor fokussiert. Die Sammeloptik besteht aus einer Vielzahl miteinander verbundener einzelner Sammellinsen, die im Halbkreis um den Detektor angeordnet sind. Jede einzelne Sammellinse bildet somit ein streifenförmiges Segment eines axial segmentierten Zylinderausschnittes. Die Sammellinsen haben dabei die Struktur einer Fresnel-Linse, so daß nicht nur radial zur zylindrischen Sammeloptik, sondern auch axial entlang der streifenförmigen Sammellinse ein breiter Erfassungsbereich gewährleistet ist.

Eine Besonderheit des Infrarotdetektors nach der vorge­ nannten Veröffentlichung besteht darin, daß zwei zu­ einander versetzt angeordnete Spiegel im Nahbereich der optischen Achse der Sammeloptik einfallende Strahlen unmittelbar zum Sensor durchlassen, dagegen die von der optischen Achse entfernteren Strahlen so umlenken, daß diese in einem spitzeren Winkel zur optischen Achse auf den Sensor treffen. Hierdurch wird erreicht, daß der Sensor, der seine höchste Empfindlichkeit bei senkrecht einfallender Strahlung erlangt, auch die sehr schräg, also bis zu 90° zur optischen Achse einfallenden Strahlen mit näherungsweise gleicher Empfindlichkeit bewertet.

Geht man davon aus, daß ein Detektor der beschriebenen Art so an einer Wand montiert ist, daß die Achse der zylindrischen Sammeloptik vertikal ausgerichtet ist, so kann er zumindest die sich horizontal vor ihm erstrec­ kende Ebene bis hin zur Wand, an der er befestigt ist, überwachen. Befindet sich ein Strahlungsobjekt in dem überwachten Raum, so kann dieses von dem Sensor nur dann registriert werden, wenn es sich im Bereich des Haupt­ strahles einer der Sammellinsen befindet. Denn nur ein zum Hauptstrahl paralleles Strahlenbündel wird von der jeweiligen Sammellinse auf den Sensor fokussiert. Die ebenfalls vom Strahlungsobjekt ausgehenden, von den anderen Sammellinsen erfaßten Strahlenbündel erzeugen weitere Brennpunkte, die zwar in die gleiche Brennebene fallen, in der auch der Sensor angeordnet ist, jedoch um so weiter vom Mittelpunkt des Sensors entfernt sind, je größer der Einfallwinkel ist, den das Strahlenbündel mit dem Hauptstrahl der jeweiligen Linse bildet.

Bewegt sich nun das Strahlungsobjekt ebenerdig parallel zur Wand des Detektors bzw. tangential zur zylindrischen Sammeloptik, so bewegen sich auch die Brennpunkte der einzelnen Segmente entlang der Brennebene auf einer Geraden, die durch den Sensor verläuft. Sobald das Strahlungsobjekt den Hauptstrahl des nächsten Segmentes erreicht, fällt dessen Brennpunkt auf den Sensor und das wiederholt sich in beiden Richtungen jeweils bis zum letzten, der Wand nächstliegenden Segment.

Bei jedem Auftreffen eines Brennpunktes auf der aktiven Kristallfläche eines Sensors, und auch sobald der Brennpunkt nach Durchqueren der Kristallfläche diese wieder verläßt, entsteht ein elektrisches Signal das als Schaltsignal verwertbar ist. Mit diesen Schaltsignalen läßt sich eine Alarmanlage steuern oder ggf. auch die Beleuchtung eines Raumes einschalten.

Betritt ein Strahlungsobjekt den überwachten Raum in radialer Richtung zum zylindrischen Sammelobjektiv, so könnte es sich auf einer Geraden bewegen, die als Winkelhalbierende zwischen den Hauptstrahlen zweier benachbarter Segmente liegt. In diesem Fall ist davon auszugehen, daß keiner der beiden Brennpunkte dieser Segmente auf den Sensor fällt, so daß auch kein Signal entstehen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Bewegungsmelder so zu gestalten, daß eine praktisch lückenlose Raumüberwachung erfolgen kann, so daß insbesondere auch solche Bewe­ gungen eines Strahlungsobjektes erfaßt werden, die unmittelbar auf den Bewegungsmelder zu oder von diesem weggerichtet sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Man könnte sich vorstellen, die Aufgabe dadurch zu lösen, daß man die Zahl der fokussierenden Elemente erhöht, um mehr bzw. dichter aufeinanderfolgende Brenn­ punkte zu erhalten. Dies würde aber die ohnehin schwer herzustellende Sammeloptik weiter verkomplizieren und zu besonders teueren Werkzeugen führen.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß eine bereits existierende Sammeloptik unverändert weiterver­ wendbar ist, und lediglich eine zusätzliche Ablenkoptik eingefügt werden muß. Zur Realisierung der Ablenkoptik bieten sich verschiedene, relativ einfach auszuführende Lösungsalternativen an.

Die Ausbildung der Strahlungsmaxima ist solange belang­ los, als sichergestellt ist, daß diese nacheinander auf den Sensor auftreffen. Bei punktförmigen und streifen­ förmigen Strahlungsmaxima ist das ohnehin gegeben, sobald ein optisch wirksamer Abstand zwischen ihnen vorliegt. Bei ringförmig angeordneten Strahlungsmaxima muß der Durchmesser der Ringe relativ groß im Verhältnis zur aktiven Fläche des Sensors sein.

Die Zahl der Impulse, die pro Segment der Sammeloptik erzielbar ist, läßt sich nicht nur durch zusätzliche Strahlungsmaxima, sondern auch durch mehrere, räumlich voneinander getrennte, einem Sensor zugeordnete Sensor­ elemente erhöhen. Unter einem Sensorelement soll jeweils eine aktiv wirksame Fläche eines Sensors, z.B. ein Lithium-Tantalat-Kristall verstanden werden. Verbindet man die Sensorelemente elektrisch miteinander, so erzeugt jedes Strahlungsmaximum, nachdem es den Zwi­ schenraum zwischen zwei Sensorelementen durchwandert hat, auf dem nachfolgenden Sensorelement erneut ein Signal beim Ein- und Austritt.

Die Sensorelemente werden normalerweise in Reihe ge­ schaltet, wobei im Sonderfall auch eine gegenpolige Reihenschaltung möglich ist. Durch die Gegenpoligkeit werden jeweils Signale unterschiedlicher Polarität erzeugt, so daß die Gesamtamplitude zwischen den Ampli­ tudenspitzen auf den doppelten Wert ansteigt. Man verwendet derartige Anordnungen auch zur Differenz­ bildung, die es ermöglicht, den beiden Sensorelementen Strahlen von verschiedenen Segmenten der Sammeloptik und damit auch verschiedenen Bereichen des überwachten Raumes zuzuführen, um somit gesamtwirksame Strahlungs­ quellen, wie z.B. Sonneneinstrahlung zu eliminieren. In Verbindung mit der vorstehenden Erfindung müßte dafür gesorgt werden, daß zur gleichen Zeit jeweils nur ein Strahlungsmaximum auf eines der beiden Sensorelemente trifft, damit sich deren Signale nicht gegenseitig kompensieren.

Um eine quasi lückenlose Überwachung zu gewährleisten, ist es von Vorteil, den Abstand zwischen den Strahlungs­ maxima einerseits, sowie den Abstand und die Breite der Sensorelemente andererseits, so zu optimieren, daß vorzugsweise jedes Maximum ab einer vorgegebenen Ampli­ tude beim Auftreffen auf und Austreten aus einem der Sensorelemente je ein separates Signal auslöst. Ein dichtes Aufeinanderfolgen der einzelnen Maxima stellt sicher, daß jede Bewegung in tangentialer Richtung zu einem Signal am Sensor führt. Da es in der Praxis nicht möglich ist eine radiale Bewegung völlig ohne tangen­ tiale Komponente auszuführen, weil schon der schwankende Gang einer Person eine solche bewirkt, wird der Bewe­ gungsmelder auch solche sicher erfassen.

Die einzelnen Segmente der Sammeloptik können in be­ kannter Weise als Sammellinsen oder auch mit Hilfe von fokussierenden Hohlspiegeln realisiert werden. Zur Sammeloptik werden auch ggf. einzufügende Spiegel gezählt, die zur Umlenkung zumindest eines Teiles der Strahlen dienen. Eine besonders zweckmäßige Sammellinse stellt die Fresnel-Linse dar, da sie einen breiten Erfassungsbereich ermöglicht, der sich bei einem Bewe­ gungsmelder der vorliegenden Art besonders in vertikaler Richtung erstreckt.

Eine einfache Möglichkeit zur Realisierung der Ablenk­ optik besteht in der Anordnung eines Beugungsgitters vor oder hinter der Sammeloptik. Das Beugungsgitter ist dabei, wie die Sammeloptik, konzentrisch zum Sensor positioniert.

Die Gestaltung des Beugungsgitters richtet sich nach der Zahl und dem Abstand der einzelnen Strahlungsmaxima. Zur Optimierung ist jedem Segment der Sammeloptik eine fest vorgegebene Zahl von Gitterspalten (Strichgitter) bzw. Gitterlöchern (Kreuzgitter) zugeordnet.

Eine dem Beugungsgitter entsprechende Ablenkung läßt sich auch mit Hilfe eines Beugungsschirms erzielen, wobei auch dieser an einer zur Sammeloptik konzen­ trischen Fläche anzuordnen wäre. An die Stelle von Spalten treten in diesem Fall Balken bzw. feine Drähte, die in gleicher Weise durch Beugung die Erzeugung von Strahlungsmaxima ermöglichen.

Eine weitere Alternative zur Erzeugung mehrerer Strah­ lungsmaxima ergibt sich, wenn man in den gemeinsamen Strahlenverlauf von allen oder zumindest mehreren Segmenten der Sammeloptik unmittelbar vor dem Sensor ein oder mehrere Beugungselemente als Ablenkoptik einfügt, die nun nicht mehr den einzelnen Segmenten der Sammel­ optik sondern dem Sensor zugeordnet sind. Hierbei muß ggf. die Lage des Brennpunktes zum Sensor so geändert werden, daß der Brennpunkt im Bereich der Ablenkoptik zu liegen kommt.

Wie bereits erläutert, läßt sich die Zahl der Signale pro Segment der Sammeloptik durch die Zahl der Sensor­ elemente erhöhen. Ein gleichartiger Effekt ist dadurch erzielbar, daß man ein relativ großes aktives Sensorele­ ment optisch teilt, indem man den Strahlenverlauf zwischen der Sammeloptik und dem Sensor durch ein Abdeckelement unterbricht. Erfolgt die Unterbrechung derart, daß die Strahlen vor und hinter dem Schirm auf jeweils einen Teilbereich des Sensorelementes fallen, so wird die Zahl der Signale verdoppelt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden näher beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 Den Detektor von oben gesehen mit Blickrich­ tung auf die Oberkante der Sammeloptik und des Beugungsgitters,

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung des Detektors seitlich im Schnitt entlang der Schnittlinie AB nach Fig. 1,

Fig. 3 den Strahlungsverlauf vor und innerhalb des Detektors bei Bewegungen eines Strahlungs­ objektes in tangentialer Richtung.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht der Detektor aus einer Sammeloptik 1, einem Beugungsgitter 3, einem Spiegel 4 und einem Sensor 5. Die Sammeloptik 1 ist in vertikaler Richtung bzw. axial so segmentiert, daß jedes Segment 2 eine eigene Sammellinse bildet, die alle zu ihrem Hauptstrahl parallel einfallenden Strahlen auf einen Brennpunkt fokussiert, in dessen Ebene der Sensor 5 angeordnet ist. Die beiden zueinander versetzt ange­ ordneten Spiegel 4 übernehmen hierbei lediglich eine Hilfsfunktion. Sie dienen dazu, auf den Sensor treffende Strahlen, die in einem Winkel von etwa 45 bis 90° zur optischen Achse 14 des Sensors einfallen, so umzulenken, daß sie nahezu senkrecht, aber zumindest in einem spitzeren Winkel zur optischen Achse 14 auf ein Sensor­ element 7 des Sensors 5 auftreffen. Da die Spiegel 4 in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung keine Bedeu­ tung haben, sondern lediglich die Darstellung des Strahlenverlaufs erschweren, bleiben sie im Rahmen der weiteren Beschreibung unberücksichtigt.

Die Darstellung in Fig. 2 soll die prinzipielle Wir­ kungsweise des Beugungsgitters 3 verdeutlichen. Es sei angenommen, daß es sich hierbei um ein Beugungsgitter 3 mit einer Vielzahl parallel angeordneter Spalten 16 handelt. Die von einem entsprechend weit entfernten Strahlungsobjekt zu einem Hauptstrahl 6 parallel ein­ fallenden Parallelstrahlen 8 werden durch eine Fresnel-Linse 2 fokussiert. Nach dem Austritt aus der Fresnel-Linse 2 treffen sie auf das Beugungsgitter 3, wobei an jedem Spalt 16 in bekannter Weise eine Beugung stattfindet. Hierdurch entstehen neben dem Brennpunkt, der auf dem Hauptstrahl 6 liegt, weitere Strahlungs­ maxima 10.

Als Beugungsgitter kann auch ein zweidimensionales Kreuzgitter mit an sich bekanntem Beugungsspektrum verwendet werden.

Bewegt sich ein Strahlungsobjekt 13, wie in Fig. 3 dargestellt, tangential zur zylindrisch gebogenen Sammeloptik 1, so bewegen sich auch die Brennpunkte aller Segmente 2 der Sammeloptik, sobald sie einen Teil der vom Strahlungsobjekt 13 ausgehenden Strahlung erfassen, entlang der Brennebene 15. Zur Verdeutlichung dieses Vorgangs ist zunächst ein Hauptstrahl 6 darge­ stellt, der ein symmetrisch zur optischen Achse ange­ ordnetes Segment 2 durchläuft und ungebrochen auf das Sensorelement 7 des Sensors 5 auftrifft. Alle zum Hauptstrahl 6 parallelen Strahlen erzeugen hier einen gemeinsamen Brennpunkt.

Bewegt sich das Strahlungsobjekt 13 nun von der Position A zur Position B, so entsteht ein Winkelstrahl 9, der im spitzen Winkel zum Hauptstrahl des Segmentes 2 einfällt und von diesem zwar zum Sensorelement 7 hin abgelenkt wird, aber nicht mehr auf dieses auftrifft. D.h. der Brennpunkt, der durch das Segment 2 einfallenden Strah­ len ist nunmehr aus dem Sensorelement 7 herausgewandert. Beim Austreten aus dem Sensorelement 7 ist dabei ein Signal entstanden. Ein weitereres Signal entsteht dadurch, daß das Strahlungsobjekt 13 in der Position B den Hauptstrahl 6′ des benachbarten Segmentes 2, erreicht und dadurch dessen Brennpunkt auf das Sensor­ element 7 fällt.

Sollte das Strahlungsobjekt 13 seinen Weg in gleicher Richtung fortsetzen, so würde es nach einer bestimmten Strecke s auf den Hauptstrahl des nachfolgenden Seg­ mentes treffen, wobei nun dessen Brennpunkt auf dem Sensorelement 7 zu liegen kommt, während der Brennpunkt des vorhergehenden Segmentes 2′ wiederum aus dem Bereich des Sensorelementes 7 herausgewandert ist. Der gleiche Vorgang wiederholt sich entlang der ganzen Sammeloptik.

Für eine möglichst lückenlose Erfassung ist es erforder­ lich, daß die tangentiale Wegstrecke Δ S, die das Strahlungsobjekt 13 zurückzulegen hat, um ein erneutes Signal am Sensor 5 auszulösen, möglichst klein ist. Denn bei sehr kleinem Δ S kann man davon ausgehen, daß auch in Verbindung mit einer radialen Bewegung 12 eine registrierbare tangentiale Bewegung 11 erfolgt.

Am Sensor 5 entsteht jeweils dann ein Signal, wenn ein sich entlang der Brennebene 15 bewegendes Strahlungs­ maximum auf ein Sensorelement auftrifft oder dieses verläßt. Ohne Ablenkoptik bestimmt der Abstand zwischen den Brennpunkten zweier Segmente 2 die Weg­ strecke Δ X. Durch Verringerung des Abstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Strahlungsmaxima kann bei sonst gleichen optischen Verhältnissen die kritische Wegstrecke Δ S reduziert werden. Bezogen auf den gesamten Erfassungsbereich der Sammeloptik bedeutet das eine Erhöhung der Zahl der Strahlungsmaxima; wobei ein näherungsweise gleicher Abstand zwischen den Strahlungs­ maxima vorausgesetzt ist.

Da einer Vermehrung der Strahlungsmaxima durch ver­ stärkte Segmentierung der Sammeloptik 1 Grenzen gesetzt sind, läßt sich diese auf einfache Weise durch ein Beugungsgitter 3 erzielen, das hinter der Sammeloptik 1 angeordnet wird. Das vorzugsweise mit Beugungsspalten zu versehende Beugungsgitter könnte zwar im Prinzip auch vor der Sammeloptik 1 angeordnet werden, es ist hinter dieser aber insbesondere vor Verschmutzung geschützt.

Das Beugungsgitter bewirkt, daß die Brennpunkte aller durch die Segmente 2 parallel einfallender Wärmestrahlen quasi in mehrere Strahlungsmaxima aufgeteilt werden, so daß sich hierdurch die Zahl der Strahlungsmaxima ver­ vielfacht. In Fig. 3 sind lediglich zwei weitere, symmetrisch zum Hauptstrahl 6 liegende Strahlungsmaxima 10 eingezeichnet. Es ist jedoch erkennbar, daß sich bereits hierdurch der Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlungsmaxima auf Δ X′ vermindert. Somit verkürzt sich auch die kritische Wegstrecke Δ S, was aber nicht dargestellt ist. Es ist außerdem davon auszugehen, daß sich bei einer Annäherung des Strahlenobjektes 13 an die Sammeloptik 1 die Beugung etwas ändert, und sich hier­ durch die Strahlungsmaxima zusätzlich noch etwas ver­ lagern.

Auf eine detaillierte Darstellung der übrigen Lösungs­ alternativen anhand von Zeichnungen wird verzichtet, da im wesentlichen die vorstehend beschriebenen Fakten auch hier zur Anwendung gelangen.

Claims (12)

1. Bewegungsmelder mit einem Infrarotdetektor, der die aus einem überwachten Raum aufgenommene Wärmestrah­ lung mit Hilfe einer Sammeloptik auf mindestens einen im Infrarotbereich empfindlichen Sensor fokussiert und dieser bei einer vorgegebenen Änderung der empfangenen Infrarotstrahlung ein Signal abgibt, das zur Auslösung einer Schaltfunktion dient, wobei die Sammeloptik aus einem axial segmentierten Zylinderausschnitt besteht und jedes Segment eine mit ihrem Hauptstrahl auf den Sensor gerichtete Fokussierung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder hinter der Sammeloptik (1) eine Ablenkoptik (3) angeordnet ist, die jeweils einen Teil des parallel zum Hauptstrahl (6) eines Segmentes (2) einfallenden Strahlenbündels (8) so ablenkt, daß mindestens zwei Strahlungsmaxima entstehen, die bei einer entsprechenden Positionsänderung des Strahlungsobjektes (13) nachei­ nander auf den Sensor (5) treffen.

2. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsmaxima punkt- , ring- oder streifenförmig sind, und ihr gegenseitiger Abstand vor­ zugsweise etwa gleich ist.

3. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (5) mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Sensor­ elemente (7) besitzt, die elektrisch miteinander verbun­ den sind.

4. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemen­ te (7) elektrisch, vorzugsweise gegenpolig, in Reihe geschaltet sind.

5. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Strahlungsmaxima einerseits und die Flächen der Sensorelemente (7) andererseits jeweils so optimiert sind, daß die meisten oder alle Maxima ab einer vorge­ gebenen Amplitude bei Auftreffen auf und Austreten aus einem der Sensorelemente (7) ein separates Signal auslösen.

6. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente der Sammeloptik (1) jeweils als Linsen, vorzugsweise als Fresnel-Linsen ausgebildet sind und eine Umlenkung bestimmter Strahlen mit Hilfe von Spiegeln (7) erfolgt.

7. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkoptik (3) aus einem vor oder hinter der Sammeloptik (1) angeordneten Beugungsgitter besteht, das auf einer zur zylindrischen Sammeloptik (1) koaxialen Fläche ange­ ordnet ist.

8. Bewegungsmelder nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedem Segment (2) der Sammeloptik (1) eine fest vorgegebene Zahl von Gitterspalten oder Gitter­ löchern zugeordnet ist.

9. Bewegungsmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkoptik (3) aus einem vor oder hinter der Sammeloptik (1) angeordneten Beugungsschirm besteht, der auf einer zur zylindrischen Sammeloptik (1) koaxialen Fläche angeordnet ist und dessen Schirmelemente aus dünnen Fäden oder Drähten oder Durchbrüchen bestehen.

10. Bewegungsmelder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Segment (2) der Sammeloptik (1) eine fest vorgegebene Zahl von Schirmelementen zugeordnet ist.

11. Bewegungsmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere oder alle Segmente (2) der Sammeloptik (1) gemeinsam ein oder mehrere Beugungselemente als Ablenkoptik (3) in den Strahlenverlauf zwischen der Sammeloptik (1) und dem Sensor (5) eingefügt sind.

12. Bewegungsmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, daß für mehrere oder alle Segmente (2) der Sammel­ optik (1) gemeinsam ein Abdeckelement in den Strahlen­ verlauf zwischen der Sammeloptik (1) und den Sensor (5) eingefügt ist, das die von einem Segment (2) ausgehenden Strahlen innerhalb eines mittleren Teilbereiches eines Sensorelementes (7) unterdrückt.