EP0617389B1 - Intrusionsmelder - Google Patents

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EP0617389B1
EP0617389B1 EP94104158A EP94104158A EP0617389B1 EP 0617389 B1 EP0617389 B1 EP 0617389B1 EP 94104158 A EP94104158 A EP 94104158A EP 94104158 A EP94104158 A EP 94104158A EP 0617389 B1 EP0617389 B1 EP 0617389B1
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EP
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infrared
radiation
micrometres
wavelength range
mirror surfaces
Prior art date
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EP94104158A
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Kurt Mueller
Martin Allemann
René Lange
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Cerberus AG
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Cerberus AG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
    • G08B13/18—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength
    • G08B13/189—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems
    • G08B13/19—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems using infrared-radiation detection systems
    • G08B13/193—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems using infrared-radiation detection systems using focusing means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S250/00—Radiant energy
    • Y10S250/01—Passive intrusion detectors

Definitions

  • the invention relates to an infrared intrusion detector according to the preamble of patent claim 1.
  • Infrared intrusion detectors are well known; they are used to detect movements of people and objects within a given space by the infrared radiation emanating from them is detected.
  • Such infrared intrusion detectors contain one or more infrared sensitive sensors, each with two or more pyroelectric sensor elements, which change when the incident infrared radiation changes give an electrical signal.
  • the infrared radiation from the room to be monitored enters through Infrared-transparent entry window into the detector housing and is focused by optical Elements focused on the infrared sensor elements.
  • These optical elements are generally made of several concave mirrors or a number of Fresnel lenses, which on Entry windows are attached. As a rule, the sensor elements are switched in pairs in order to the thermal effects of air currents which sweep over the sensors or the entrance window, to compensate.
  • infrared intrusion detectors To the infrared radiation emanating from warm bodies from the radiation of other optical To distinguish wavelength ranges, i.e. from stray light (such as the light from Car headlights), and thus to prevent false alarms of the detector, infrared intrusion detectors are included various optical filters.
  • the insensitivity of an infrared intrusion detector Incident light is also from official inspection authorities such as the Association of property insurers in the Federal Republic of Germany.
  • An entry window of an infrared intrusion detector is mentioned here, which also acts as an infrared filter serves.
  • This infrared filter consists of a polyethylene film in which zinc sulfide particles with a Particle sizes of 0.5 to 50 microns are evenly distributed.
  • This filter has a high optical Transmission in the wavelength range from 4 to 15 micrometers.
  • the stray light in the visible and nearby The infrared range is scattered on the zinc sulfide particles, so that it is only in a low intensity on the Infrared sensor elements falls.
  • these infrared intrusion detectors that through Secondary radiation, which emanates from filters or protective windows on the sensor housing, or also through Thermal conduction from the sensor housing to the sensor elements triggers false alarms.
  • the object of the invention is to overcome the above-mentioned disadvantages of infrared intrusion detectors avoid and create a detector that optimizes increased false alarm security through a Noise immunity.
  • the intensity of the radiation in the useful band (6-15 micrometers Wavelength) which falls on the infrared sensor elements, in an enlarged ratio to the intensity of the stray light falling on the sensor elements.
  • Next are said to be through secondary radiation as well False signals caused by heat conduction can be reduced.
  • the infrared intrusion detector according to the invention has an am to filter out the stray light Detector housing attached entry window, which allows the stray light to pass through reduced, and a optical transmission filter, which is attached to the sensor housing.
  • the spectral transmission of a Entry window and an optical transmission filter are shown in Fig. 1 and are marked with (E) or (OT) marked.
  • the infrared intrusion detector has Mirror surfaces that focus the radiation in the useful band on the sensor elements, but at the same time also serve as diffusers in the area of the stray light. This spread causes a reduction the intensity of the stray light that falls on the filter and the sensor housing, and thus also one Reduction of the heat conduction and secondary radiation emanating from them.
  • the surface of the focusing mirror surfaces has a roughness, the structure sizes of which distributed that it causes infrared red selectivity.
  • the infrared radiation is in the wavelength range specularly reflected from 6 to 15 micrometers according to the geometric optical function of the mirror, respectively focused; the radiation in the visible and near infrared range up to 3 micrometers, that is Stray light, on the other hand, is diffusely scattered.
  • a typical specular reflection of a mirror surface with a rough one Surface is based on the example of an ELAMET layer from the Deutschen für heatntechnik mbH in Dependence of the wavelength of the incident radiation in, marked with SR, Fig. 1 shown.
  • the stray light diffusely scattered on the rough mirror surfaces strikes the optical at low intensity Transmission filter so that the secondary radiation resulting from the absorption of the stray light is strong is reduced. If some secondary radiation is emitted anyway, it strikes with a more uniform one Intensity distribution on the sensor elements, since the stray light also has a uniform intensity distribution hits the filter. The resulting difference signal of the two sensor elements is then almost the same Zero.
  • the sensor elements are heated by heat conduction from the sensor housing also equally, so that the signals caused by the heating on both sensor elements equivalent and these are compensated for by the differential circuit of the sensor elements.
  • the surface structure of the focusing mirror is preferably such that the specular Reflectivity at wavelengths below 3 micrometers is significantly less than 50% and at wavelengths between 6 and 15 micrometers is more than 80%.
  • the preferred mirror materials are on Plastic-coated layers of aluminum, nickel or chrome.
  • a random surface structure can be created by various methods.
  • One method is the treatment of injection molding tools by etching, in which the steel matrix is approximately one micrometer is etched away.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer
  • the resulting rough textured surface is then electroplated or coated with a metal layer.
  • Evaporation replicates the etched surface accurately, in the case of galvanic application, the Surface structure slightly leveled again.
  • Another method of producing randomly structured surfaces is pearlescent chrome plating according to standard process.
  • the production is also by vapor deposition with aluminum at a rapid vapor deposition rate possible, as practiced by the Deutschen fürmaschinentechnik mbH.
  • the resulting Surface structure has the desired spectral property.
  • Another embodiment consists of a mirror which is randomly rough instead of one Surface structure has a regular structure.
  • a regular structure is one for the spraying process certain use of tools according to the photolithographic method and a laser beam writing process created a regular structure.
  • This structure is then sputtered with nickel or chrome. in the Injection mold is used to replicate the regular structure in the injection molding process.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Infraroteindringdetektor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Infraroteindringdetektoren sind allgemein bekannt; sie dienen zur Erkennung von Bewegungen von Personen und Objekten innerhalb eines bestimmten Raumes, indem die von ihnen ausgehende Infrarotstrahlung detektiert wird.
Solche Infraroteindringdetektoren enthalten einen oder mehrere Infrarot-empfindliche Sensoren mit je zwei oder mehr pyroelektrischen Sensorelementen, welche bei Veränderung der einfallenden Infrarot-Strahlung ein elektrisches Signal abgeben. Die Infrarot-Strahlung von dem zu überwachenden Raum tritt durch ein Infrarot-durchlässiges Eintrittsfenster in das Detektorgehäuse hinein und wird durch fokussierende optische Elemente auf die Infrarot-Sensorelemente fokussiert. Diese optischen Elemente sind im allgemeinen aus mehreren Spiegelflächen bestehende Hohlspiegel oder eine Anzahl von Fresnellinsen, welche am Eintrittsfenster angebracht sind. In der Regel sind die Sensorelemente paarweise differentiell geschaltet, um die thermischen Effekte von Luftströmungen, welche über die Sensoren oder das Eintrittsfenster streichen, zu kompensieren.
Um die von warmen Körpern ausgehende Infrarot-Strahlung von der Strahlung anderer optischer Wellenlängenbereiche zu unterscheiden, also von Störlicht (wie zum Beispiel das Licht von Autoscheinwerfern), und so Fehlalarme des Detektors zu verhindern, sind Infraroteindringdetektoren mit verschiedenen optischen Filtern versehen. Die Unempfindlichkeit eines Infraroteindringdetektors auf Störlicht wird ausserdem von amtlichen Prüfbehörden wie zum Beispiel dem Verein der Sachversicherer in der Bundesrepublik Deutschland geprüft.
In US 3,703,718 ist ein solcher Infraroteindringdetektor beschrieben, bei dem zwischen dem fokussierenden Spiegel und dem Infrarot-Sensor ein Filter angeordnet ist, welcher die Strahlung im Bereich des Nutzbandes von 4.5 bis 20 Mikrometer, also die typische Körperstrahlung von Lebewesen, durchlässt. Es ist in einem solchen System jedoch möglich, dass das optische Filter sich durch die absorbierte Strahlung erwärmt und Sekundärstrahlung im Bereich des Nutzbandes emittiert. Diese Sekundärstrahlung kann auf den Sensor fallen und einen Fehlalarm auslösen.
In US 5,055,685 ist ein Infraroteindringdetektor erwähnt, bei welchem die Sekundärstrahlung, welche vom bestrahlten optischen Filter ausgeht, vermindert Fehlalarm auslöst. Hierzu wird das optische Infrarot-Filter über den Infrarot-Sensorelementen so angeordnet, dass zwischen dem Filter und den Sensorelementen ein genügend grosser Abstand besteht. Dies bezweckt, dass die Sekundärstrahlung, welche von dem Infrarot-Filter ausgeht, mit nahezu gleicher Intensität auf die beiden Infrarot-Sensorelemente fällt. Das resultierende Differenzsignal ist für diese Anordnung sodann nahezu null.
In CH 680,687 ist eine weitere Methode beschrieben, welche Fehlalarme durch Störlicht weiter vermeidet. Hier ist ein Eintrittsfenster eines Infraroteindringdetektors erwähnt, welches zugleich als Infrarot-Filter dient. Dieses Infrarot-Filter besteht aus einer Polyethylenfolie, in welchem Zinksulfid-Partikel mit einer Partikelgrösse von 0.5 bis 50 Mikrometer gleichmässig verteilt sind. Dieses Filter hat eine hohe optische Durchlässigkeit im Wellenlängenbereich von 4 bis 15 Mikrometern. Das Störlicht im sichtbaren und nahen Infrarot-Bereich wird an den Zinksulfidpartikeln gestreut, so dass es nur in geringer Intensität auf die Infrarot-Sensorelemente fällt. Es ist jedoch auch bei diesen Infraroteindringdetektoren möglich, dass durch Sekundärstrahlung, welche von Filtern oder Schutzfenstern am Sensorgehäuse ausgeht, oder auch durch Wärmeleitung vom Sensorgehäuse auf die Sensorelemente Fehlalarme ausgelöst werden.
Angesichts der im Laufe der Zeit erhöhten Anforderungen der Prüfbehörden an Infraroteindringdetektoren sind Optimierungen der Fehlalarmsicherheit und Störlichtfestigkeit der Detektoren durch weitere Verminderungen des Störlichts erforderlich.
Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die obengenannten Nachteile bei Infraroteindringdetektoren zu vermeiden und einen Detektor zu schaffen, welcher eine erhöhte Fehlalarmsicherheit durch eine optimiert Störlichtfestigkeit verfügt. Insbesondere soll die Intensität der Strahlung im Nutzband (6-15 Mikrometer Wellenlänge), welche auf die Infrarot-Sensorelemente fällt, in vergrössertem Verhältnis zu der Intensität des auf die Sensorelemente fallenden Störlichts sein. Weiter sollen die durch Sekundärstrahlung sowie durch Wärmeleitung verursachten Fehlsignale vermindert werden.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Infraroteindringdetektor durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemässe Infraroteindringdetektor besitzt zur Ausfilterung des Störlichts ein am Detektorgehäuse angebrachtes Eintrittsfenster, welches das Störlicht vermindert durchlässt, sowie ein optisches Transmissionsfilter, welches am Sensorgehäuse angebracht ist. Die spektrale Transmission eines Eintrittsfensters und eines optischen Transmissionsfilters sind in Fig. 1 gezeigt und sind mit (E) beziehungsweise (OT) gekennzeichnet. Im weiteren verfügt der Infraroteindringdetektor über Spiegelflächen, welche die Strahlung im Nutzband auf die Sensorelemente fokussieren, zugleich aber auch als Diffusoren (Streuer) im Bereich des Störlichts dienen. Diese Streuung bewirkt eine Verminderung der Intensität des Störlichts, welches auf das Filter und das Sensorgehäuse fällt, und somit auch eine Verminderung der von ihnen ausgehenden Wärmeleitung und Sekundärstrahlung.
Die Oberfläche der fokussierenden Spiegelflächen weist eine Rauhigkeit auf, deren Strukturgrössen derart verteilt sind, dass sie eine Infrarrotselektivität bewirkt. Die Infrarotstrahlung wird im Wellenlängenbereich von 6 bis 15 Mikrometern gemäss der geometrisch optischen Funktion des Spiegels spekulär reflektiert, respektive fokussiert; die Strahlung im sichtbaren und nahen Infrarotbereich bis 3 Mikrometer, also das Störlicht, wird dagegen diffus gestreut. Eine typische spekuläre Reflexion einer Spiegelfläche mit rauher Oberfläche ist am Beispiel einer ELAMET-Schicht der Gesellschaft für Oberflächentechnik mbH in Abhängigkeit der Wellenlänge der einfallenden Strahlung in, mit SR gekennzeichnet, Fig. 1 dargestellt.
Das an den rauhen Spiegelfächen diffus gestreute Störlicht trifft in geringer Intensität auf das optische Transmissionsfilter, so dass die von der Absorption des Störlichts resultierende Sekundärstrahlung stark vermindert ist. Wird trotzdem etwas Sekundärstrahlung emittiert, trifft diese mit gleichmässiger Intensitätsverteilung auf die Sensorelemente, da das Störlicht auch mit gleichmässiger Intensitätsverteilung auf das Filter trifft. Das resultierende Differenzsignal der beiden Sensorelemente ist dann nahezu gleich Null. Andererseits ist die Erwärmung der Sensorelemente durch Wärmeleitung vom Sensorgehäuse ebenfalls gleichmässig, so dass die durch die Erwärmung verursachten Signale auf beiden Sensorelementen gleichwertig und diese durch die Differentialschaltung der Sensorelemente auskompensiert werden.
Die Oberflächenstruktur des fokussierenden Spiegels ist vorzugsweise derart, dass die spekuläre Reflektivität bei Wellenlängen unter 3 Mikrometern deutlich weniger als 50% beträgt und bei Wellenlängen zwischen 6 und 15 Mikrometern mehr als 80% beträgt. Die bevorzugten Spiegelmaterialien sind auf Kunststoff aufgetragene Schichten aus Aluminium, Nickel oder Chrom.
Eine zufällige Oberflächenstruktur kann durch verschiedene Methoden hergestellt werden. Eine Methode ist die Behandlung von Spritzgusswerkzeugen durch Ätzung, bei welcher die Stahlmatrix ca. ein Mikrometer abgeätzt wird. Die bei Stahlherstellung vorhandenen Carbid-Partikel von ca. einem Mikrometer Durchmesser bleiben jedoch zurück und bilden die gewünschte Oberflächenstruktur.
In einer anderen Methode wird ein glatter Spiegel aus Kunststoff, im allgemeinen ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Mischpolymerisat), geeignet lange geätzt. Die resultierende rauhe strukturierte Oberfläche wird anschliessend galvanisch oder durch Bedampfung mit einer Metallschicht überzogen. Im Fall der Bedampfung wird die geätzte Oberfläche genau repliziert, im Fall von galvanischer Auftragung wird die Oberflächenstruktur leicht wieder ausgeebnet.
Eine weitere Methode zur Herstellung von zufällig strukturierten Oberflächen ist die Perlglanzverchromung nach Standard-Prozess.
Schliesslich ist die Herstellung auch durch eine Bedampfung mit Aluminium bei schneller Bedampfungsrate möglich, wie sie von der Gesellschaft für Oberflächentechnik mbH praktiziert wird. Wächst die Aluminiumschicht auf über ein Mikrometer so bilden sich auf der Oberfläche Dendriten. Die resultierend Oberflächenstruktur weist die gewünschte spektrale Eigenschaft auf.
Eine weitere Ausführungsform besteht aus einem Spiegel, welcher anstelle einer zufällig rauhen Oberflächenstruktur ein regelmässige Struktur besitzt. Hier wird auf einem für den Spritzvorgang bestimmten Werkzeugeinsatz nach photolithographischer Methode und einem Laserstrahlschreibverfahren eine regelmässige Struktur geschaffen. Diese Struktur wird sodann mit Nickel oder Chrom bedampft. Im Spritzgusswerkzeug eingesetzt wird die regelmässige Struktur im Spritzgussvorgang repliziert.

Claims (7)

  1. Infraroteindringdetektor bestehend aus einem strahlungsundurchlässigen Gehäuse mit einem infrarotstrahlungsdurchlässigen Eintrittsfenster und mit mindestens einem im Gehäuse angeordneten Infrarotsensor mit mindestens zwei strahlungsempfindlichen pyroelektrischen Sensorelementen, über welchen ein infrarotstrahlungsdurchlässiges optisches Filter angeordnet ist und auf welche die aus dem zu überwachenden Raum ausgehende Strahlung durch mehrere Spiegelflächen auf die Sensorelemente fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierenden Spiegelflächen eine Oberflächenrauhigkeit derart aufweisen, dass die Strahlung im Wellenlängenbereich von 6 bis 15 Mikrometern durch die Spiegelflächen auf die Infrarot-sensorelemente fokussiert wird und die Strahlung mit Wellenlängen unter 3 Mikrometern durch die Spiegelflächen diffus gestreut wird.
  2. Infraroteindringdetektor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierenden Spiegelflächen eine Oberflächenrauhigkeit derart aufweisen, dass die spekuläre Reflexion im Wellenlängenbereich von 6 bis 15 Mikrometern mehr als 50% und im Wellenlängenbereich von 0.4 bis 3 Mikrometern weniger als 90% beträgt.
  3. Infraroteindringdetektor gemäss den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des spekulären Reflexionskoeffizienten im Wellenlängenbereich von 6 bis 15 Mikrometern zum spekulären Reflexionskoeffizienten im Wellenlängenbereich von 0.4 bis 3 Mikrometern grösser als 1.1 ist.
  4. Infraroteindringdetektor gemäss den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierenden Spiegelflächen eine regelmässige Oberflächenstruktur aufweisen.
  5. Infraroteindringdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmässige Oberflächenstruktur durch ein direktes Laserstrahlschreibverfahren auf einem für die Spiegelherstellung bestimmten Spritzgusswerkzeug hergestellt worden ist.
  6. Infraroteindringdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelflächen aus Aluminium, Nickel oder Chrom bestehen.
  7. Infraroteindringdetektor gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsdurchlässige Eintrittsfenster auf mindestens einer seiner Oberflächen eine Oberflächenrauhigkeit derart aufweist, dass die Strahlung im Wellenlängenbereich von 6 bis 15 Mikrometern ungehindert durchgelasssen wird und die Strahlung im Wellenlängenbereich von 0.4 bis 3 Mikrometern an der rauhen Oberfläche diffus gestreut wird.
EP94104158A 1993-03-26 1994-03-17 Intrusionsmelder Expired - Lifetime EP0617389B1 (de)

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CH936/93A CH684717A5 (de) 1993-03-26 1993-03-26 Infraroteindringdetektor.
CH936/93 1993-03-26

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EP0617389A1 EP0617389A1 (de) 1994-09-28
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