JPH0658441B2 - レンズアレイ及び熱放射記録装置 - Google Patents

レンズアレイ及び熱放射記録装置

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JPH0658441B2
JPH0658441B2 JP61067394A JP6739486A JPH0658441B2 JP H0658441 B2 JPH0658441 B2 JP H0658441B2 JP 61067394 A JP61067394 A JP 61067394A JP 6739486 A JP6739486 A JP 6739486A JP H0658441 B2 JPH0658441 B2 JP H0658441B2
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lenses
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、扇形に広がった個別の方向から入射する熱放
射光を記録する熱放射検出器と共に使用するレンズアレ
イであって、各レンズの極を利用すると共に検出器が扇
形に広がった方向のうちの1個の検出方向を規定し、ア
レイが整列したレンズの極と共に形成されているレンズ
アレイに関するものである。ここではレンズの極は、レ
ンズの光軸とレンズ素子とが交差するように画成されて
いる。このため、極に入射する光線は屈折せずにレンズ
を通過する。従って、極と検出器とを結ぶラインは検出
方向を規定することになる。
熱放射を記録する装置、特に侵入警報装置においては扇
形に広がる個別の方向が少なくとも90°の方位角、好適
には120°の角度、また上下方向には水平方向から45°
以上下方に及ばねばならない。このような侵入警報装置
は、例えば矩形の部屋の高い位置に取り付けられ、部屋
全体に亘って有効に保守している。
アレイ中の全てのレンズの放射集光効率を等しくし、扇
形に亘る全ての方向に対して等しく保守することが望ま
しい。複数のレンズが曲線状の面上に配置され、この曲
線状面の中心に検出器を配置した記録装置が既知であ
る。この装置ではアレイ中の各レンズは、少なくとも1
個の方位角中における検出方向に垂直になっている。各
レンズは像を光軸上に結像し、その収差が最小のものと
されている。
プラスチック材料のシート上にモールディング成型によ
ってレンズアレイを形成し、複数のレンズをフレネルレ
ンズとして形成してシートの厚さを最小としたレンズア
レイは既知である。しかし、このような薄い曲線状のシ
ートは装置から突出しているので、傷が付いて損傷し易
い欠点がある。装置を組立る場合やレンズアレイを装置
に固定する場合には平坦又はほぼ平坦なレンズアレイが
望ましい。アレイの端部を平坦な縁部とすれば、装置を
矩形ハウジングとしその外部壁の一部分を簡単に構成す
ることができる。
シート上に形成された平坦なレンズアレイは、複数のレ
ンズをゾーンプレートとした米国特許明細書第3.547.54
6号から既知である。しかし、ゾーンプレートを用いた
場合、現在の侵入警報装置において必要な45°の角度に
亘って軸からずれると、像の品質が著しく劣化してしま
うと共に反射によって損失が生じレンズ効率が低下して
しまう。アレイを構成するレンズをフレネルレンズとし
た場合でも、45°の角度に亘って軸からずれるとレンズ
の外周面での反射及びレンズのフレネルレンズ素子内で
の総内部反射により反射損失が生じてしまう。
モールド成型したフレネルレンズアレイも米国特許明細
書4.321.594号から既知である。しかし、このレンズア
レイでは扇形に広がる個別の方向を形成するためモール
ド成型したシートが実質的に曲線状をなし或いは曲げら
れているため、上述した装置からの不所望な突出部分が
形成されてまう欠点がある。
本発明の目的は、アレイと外側検出方向との間に顕著な
角度があるにもかかわらず、アレイ中の全てのレンズの
効率をほぼ等しく維持できる熱放射検出装置を用いる平
坦なレンズアレイを提供するものである。
本発明によるレンズアレイは、複数のアーチ状に変位し
た方向からの放射光を単一の検出器に入射させるレンズ
アレイにおいて、複数のレンズを、光透過性材料から成
るほぼ平坦なシートに変形させて形成した角度をなす小
平面とし、各小平面がそれらレンズの光軸にほぼ垂直で
あり、各レンズの光軸が前記検出器を通過し、前記複数
のレンズの極が単一面内にほぼ位置するように構成した
ことを特徴とするものである。
アレイ中の複数のレンズがシートに対して段階的に一層
大きな角度で傾斜すると、これらレンズの大きさが一層
大きくなるおそれがあり、シートの変形量が一層大きく
なるおそれがある。この不都合を解消するため本発明
は、1個の小平面が、その極を通過するラインにより2
個の半小平面に分割され、これら半小平面がレンズ小平
面の光軸に沿って互いに相対的に変位して、前記変形量
が減少するように構成したことを特徴とするものであ
る。
以下図面に基き本発明を詳細に説明する。
第1図は既知の型式の受動式赤外線侵入警報装置を示
す。第1図においてパイロ電気性赤外線検出器1が円筒
状単一シート基板2の曲率の軸上に配置されている。こ
の基板2はフレネルレンズアレイを有し、各レンズ3,
4,5,6及び7はリング状パターンとして線図的に示
され、本例では総計16個のレンズが配置されている。各
レンズは、遠方からの熱放射光を検出器1に集束する凸
レンズとする。各レンズの極、例えばレンズ3の極8は
検出器1の受光領域21と対応しており、方向9,10,11,
12,13,14及び15から成る扇形に広がる検出方向を画成
し、例えば各方向からの放射光は各レンズにより検出器
1上に集束する。例えば侵入者が検出方向の1個を横切
ると検出1に入射する波長域6〜14μmの放射の総量が
変動し、検出器1からの出力信号が高くなる。この信号
は可視又は可聴警報機17から警報を発する前に、信号処
理装置16でこの信号に対して予め定めた限界値を適用す
ることにより解析される。第2図は侵入者19の背の高さ
以上の位置で壁20に取り付けられた上述した侵入警報装
置18を示す。垂直面内の検出方向9,10及び12は壁20か
ら遠い領域、中間領域及び近接領域をそれぞれ防衛して
いる。方位的な防衛範囲は、各範囲について関連する水
平方向のゾーンプレート列により、例えば壁に近接する
範囲についてはゾーンプレート5,6及び7により行な
う。
より詳細に説明すると、検出器1はパイロ電気性材料体
で構成されたパイロ電気性検出素子を具え、このパイロ
電気性材料は例えば英国特許明細書に開示されているラ
ンタン及びマンガンをドープした鉛ジルコン酸チタンの
ようなセラミック材料とする。入射熱放射光を検出素子
に集束するフレネルレンズが上側に設けられたシリコン
窓の後側に設けたパイロ電気性素子を有するカプセル封
止した検出器の構成は、英国特許出願第8421507号明細
書に記載されている。このカプセル封止は、電界効果ト
ランジスタを具え、素子の極めて高い出力インピーダン
ス信号源を外部回路に結合している。このような検出器
は、入射熱放射光の強度変化に対してだけ応答すると共
に、a.c.結合信号源を有効に具えている。上記特許
出願の明細書では、このような検出器を受動式赤外線侵
入警報装置に応用することについても開示されている。
シート状基板2は熱放射に対して透明なプラスチック材
料から成り、例えば厚さ0.5mmのポリエチレンシートを
以て構成する。ポリエチレンは光熱成形が可能であるの
で、このような素材として極めて好適であり、しかも5
μm以上の波長の放射を透過する。複数のレンズはポリ
エチレンシートの表面を変形させて成形される。このシ
ートは、上側のレンズ列のレンズの焦点距離にほぼ等し
い半径Rの円筒状にカーブしている。このようなレン
ズアレイは、レンズ面が各検出方向に対してほぼ垂直に
なると共にシートの外側表面での反射による放射損失及
び各レンズのフレネル素子内での総内部反射による損失
が最小となることが望ましい。
しかしながら、製造上において及び侵入警報装置に対し
てアレイを固定配置する場合には平坦或いはほぼ平坦な
レンズアレイであることが望ましい。アレイ上の縁部を
平坦なものとすれば、矩形ハウジングの外部壁の一部分
を容易に形成することができる。また、アレイをハウジ
ング壁と同一平面内又は若干ひっ込ませれば、突出した
円筒又は球面レンズに比べてアレイの損傷を受ける可能
性が減少する。
第3図に本発明によるレンズアレイを示す。第1図に示
す警報装置と対応する装置の上側レンズ列を通る水平断
面を示す。第3図において円弧22は第1図の円筒レンズ
アレイ2の水平断面を示し、レンズ23,24及び25の各々
は各検出方向26,27及び28に対して垂直になっている。
本発明ではフレネルレンズが形成されているシート材料
29をほぼ平坦とする。各レンズ30,31及び32は小平面の
ように形成されているので、それらの光軸33,34及び35
はそれらの各検出方向26,27及び28とそれぞれ一致し、
各極36,37及び38は本例では中間の下側レンズ列のレン
ズの極を含む面内で整列している。符号39で1個のフレ
ネルレンズ30の拡大部を例として示す。シート材料29は
極の配列方向の外側に部分的に変形し、曲線状アレイ22
のレンズ23の対応する弦に平行な小平面を形成してい
る。通常のフレネルレンズ40は検出器と対向するシート
の内側表面上の輪郭のように形成され、シートの外側表
面は平坦である。従って、各フレネルレンズは、そのレ
ンズにより検出器上に集束する入射放射光の方向に対し
て垂直になる。この結果、各レンズの内外部における反
射損失が最小となる。
理想的には、角度を有する各レンズ小平面はオリジナル
(通常の)レンズの中心において接線に対して平行にな
ることが必要であり、平行になることにより光損失を最
小のものとすることができる。実際には、レンズ小平面
をオリジナル曲線(通常レンズの)と正確に対応させる
必要なく、急勾配でないレンズ小平面を形成することに
より一層平坦なアレイ装置を作成することができる。
一般的に、平坦な或いはほぼ平坦なレンズアレイの外側
部分が検出器から一層遠くなることが避けられないた
め、鮮明に結像するための物点の位置及び/又は物体の
大きさは等価的な曲線状のアレイにおけるものと同一に
はならないであろう。明らかに物体、例えば侵入者は特
定の範囲内のどこかに存在するので、一般的には侵入者
の像は検出器に結像されないであろう。しかし、十分な
放射エネルギーを集束できる限り、検出を行なうことが
できる。
等価的に真っすぐなフレネルレンズの位置は、都合よく
面Aと面Bとの間にあり、面Bはオリジナル曲線状アレ
イの接線である。位置Bはレンズアレイが位置する場合
に同等の観察視野(θ)を確保するには、レンズが極め
て大型になり自己支持できなくなってしまう。しかし、
レンズの焦点距離を有効値に近ずけることによってその
面は、面Bの近傍に位置決めされる。面Bに又はその近
傍に位置決めすることは、検出器に斜めに入射する放射
を補償するように作用する外側素子の幅を増大させる利
点もある。各レンズの焦点距離は、アレイから等距離に
ある物点を結像するように選択されるべきである。その
他の方法としては、アレイから等距離にある物点の全て
のレンズによる像の大きさを、等価的な曲線状のアレイ
によって形成される像の大きさと同一になるように選択
することでもできる。
第4図はシートの変形高さhを小さくした一層鋭利な角
度を有するレンズの別の形態を示す。符号41に光軸44に
垂直なライン50により2個の半小平面42及び43に分割さ
れ紙面に垂直なレンズ極を通るレンズ小平面の拡大部を
示す。半小平面は光軸に沿って互いに相対的に変位して
いるので、変形高さh′が小さくなる。2個の半小面が
等しい焦点距離を有するように、或いは検出器からの距
離に比例する焦点距離を有するように選択することがで
きる。
第5図は、シートの変形として一層鋭利な角度のレンズ
小平面45及び46だけが形成されているシート断面を示
す。シートが変形していないほとんど角度のないレンズ
小平面47及び48が形成されている。これらのレンズは、
ある程度軸からずれて結像し、この結果集光効率の損失
を生ずる。しかし、検出器は有限の大きさを有している
ので鮮明に結像する必要はなく、これらの損失は許容で
きるものである。
上述した全ての実施例では、フレネルレンズを用いた。
しかし、ゾーンプレートのようなレンズとして機能する
偏向素子を代りに用いることもできる。
1816年フレネルによって最初に発表された通常のゾーン
プレートは、テキスト「幾何光学」アール・エス・ロン
グハースト(R.S.Longhurst)著、ロングマン(Longma
n〕発行の第2版の283頁に開示されている。このゾーン
プレートは、平坦なシート上に一連の同心状円形ゾーン
を具え、一連のゾーンは透明ゾーンと不透明ゾーンを交
互に有している。連続したゾーンの半径は自然数の1/2
乗に比例しているので、各ゾーンの面積は全て等しい。
ゾーンプレートに入射する放射のある波面は透明ゾーン
により偏向され、波面のもう一つのゾーンは不透明ゾー
ンにより除去される。透過した波面の複数のゾーンは、
単一の凸レンズの焦点に類似した点で互いに干渉する。
ゾーンプレートの焦点距離FはR/λで与えられる。
ここで、Rは第1ゾーンの半径、すなわちゾーンプレー
トの中心円形領域の半径であり、λは波長である。不透
明ゾーンが、位相反転すなわち隣接するゾーンに対して
λ/2の光路差を作成する透明ゾーンにより置換されれ
ば一層高い透過効率を達成することができる。ある入射
放射光は、F/3,F/5,F/7等の焦点距離を有する副次的
な、或いは高次の焦点の方向に向いている。この放射光
の大部分は、各ゾーンのリーフ構造体が適切なプロフィ
ール又はブレーズ角を持てば、1個の第1焦点上に向か
わせることができる。従って、このゾーンプレートを適
切に作成してレンズとして十分作成させることができる
と共に、シート表面上に複数のリングのリーフパターン
として形成することもでき、しかもパターンの高さは通
常のフレネルレンズよりも一層小さくなる。
典型的なパイロ電気検出装置は、異なる検出モードで作
動する2個の検出器に分割され、2.1mm×2.8mmの総検出
面積を有することができる。アレイの中心におけるレン
ズとしての典型的な焦点距離は30mmであり、一層鋭利な
角度のレンズの外側領域においては40mmまで増加する。
【図面の簡単な説明】
第1図は既知の受動式赤外線侵入警報装置の構成を示す
線図、 第2図は第1図の装置の垂直面内の検出範囲を示す側面
図、 第3図は本発明によるレンズアレイの水平断面図、 第4図は第3図に示すアレイに用いるレンズ小平面の変
形例の構成を示す水平断面図、 第5図は集光効率を犠牲にして平坦性を改善したアレイ
の構成を示す断面図である。 1……検出器 16……信号処理装置、17……警報機 26,27,28……検出方向、29……シート材料、 30,31,32……レンズ、36,37,38……極 40……フレネルレンズ、42,43……半小平面 44……光軸 45,46,47,48……レンズ小平面

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数のアーチ状に変位した方向からの放射
    光を単一の検出器に入射させるレンズアレイにおいて、
    複数のレンズを、光透過性材料から成るほぼ平坦なシー
    トに変形させて形成した角度をなす小平面とし、各小平
    面がそれらレンズの光軸にほぼ垂直であり、各レンズの
    光軸が前記検出器を通過し、前記複数のレンズの極が単
    一面内にほぼ位置するように構成したことを特徴とする
    レンズアレイ。
  2. 【請求項2】1個の小平面が、その極を通過するライン
    により2個の半小平面に分割され、これら半小平面がレ
    ンズ小平面の光軸に沿って互いに相対的に変位して、前
    記変形量が減少するように構成したことを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載のレンズアレイ。
  3. 【請求項3】前記複数のレンズをフレネルレンズとした
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載
    のレンズアレイ。
  4. 【請求項4】前記複数のレンズをゾーンプレートとした
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載
    のレンズアレイ。
  5. 【請求項5】熱放射検出器と、レンズアレイと、各方向
    に対して1個のレンズと、前記検出器に入射する熱放射
    光の変化を検出する検出器からの出力信号を処理する回
    路手段とを具え、扇形に広がった複数の個別の方向から
    入射する熱放射光を記録する装置において、前記レンズ
    アレイのレンズを光透過性材料から成るほぼ平坦なシー
    トに変形させて形成した角度をなす小平面とし、各小平
    面がそれらレンズの光軸にほぼ垂直であり、各レンズの
    光軸が前記検出器を通過し、前記複数のレンズの極が単
    一面内にほぼ位置するように構成したことを特徴とする
    熱放射記録装置。
  6. 【請求項6】前記検出器をパイロ電気赤外線検出器とし
    たことを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の熱放射
    記録装置。
JP61067394A 1985-03-29 1986-03-27 レンズアレイ及び熱放射記録装置 Expired - Lifetime JPH0658441B2 (ja)

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JPS61235803A JPS61235803A (ja) 1986-10-21
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GB (1) GB2173013A (ja)

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