DE2653110B2 - Infrarotstrahlungs-Einbruchdetektor - Google Patents
Infrarotstrahlungs-EinbruchdetektorInfo
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Description
60
Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahlungs-Einbruchdetektor
mit einer Optik zur Bündelung der Strahlung auf einen Strahlungsempfänger, wobei durch
reflektierende Teile mehrere getrennte Gesichtsfelder entstehen.
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 μπι oder speziell das
Gebiet zwischen 14 und 7 um. Stattdessen kann jedoch auch Fremdstrahlung von einer Strahlungsquelle in
einem geeigneten, besser beherrschbaren Wellenlängengebiet verwendet werden, z. B. im nahen Infrarot
oberhalb 1 μπι, welche von nachzuweisenden Personen reflektiert wird. In jedem Fall ist die Durchlässigkeit
oder das Reflexionsvermögen der Optik sowie die Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers auf diesen
Wellenlängenbereichen 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 (US 21 98 725) 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 Ausgangssignals zur
Signalgabe kann auf einfache Weise mittels eines bekannten Impuls- oder Wechselspannungsdetektor
erfolgen.
Zur Erzeugung solcher unterschiedlichen, voneinander getrennten Empfangsbereiche ist es bekannt
geworden (DE-OS 21 03 909, F i g. 2 bis 5), mehrere Optiken, z. B. mehrere Linsen, bzw. Kugelabschnittoder
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 Einbruchsdetektoren 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 (DE-OS 21 03 909, F i g. 6 bis 8), 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 (DE-OS 26 45 040), 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.
Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile vorbekannter oder früher voi geschlagener
Infrarot-Einbruchdetektoren und die Schaffung eines solchen Detektors mit mehreren, getrennten
Empfangsbereichen und mit einfacherer, weniger
aufwendiger Konstruktion, besserer Wirksamkeit und Betriebssicherheit wobei insbesondere hur eine Optik
konventioneller Art verwendet wird.
Ein erfindungsgemäßer Infrarotstrahlungs-Einbruchdetektor
ist dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Teile zwischen Optik und Strahlungsempfänger
angebracht sind und als die Achse der Optik umschließende und achsenparallel angeordnete, innenreflektierende
Prismenflächen ausgebildet sind.
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... n-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, entsteht ein Empfangsrichtungsmuster 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 Fig. 1—3 dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.
F i g. 1 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen Anordnung.
F i g. 2 zeigt einen Einbruchdetektor mit zylindrischem Reflektor.
Fig.3 zeigt einen Einbruchdetektor mit einem Vierkantprisma.
Bei der in F i g. 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.
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 senkrecht
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, so daß deren Dicke und Infrarotabsorption klein gehalten werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, statt
einer Linse einen Reflektor zu verwenden. Als Strahlungsempfänger 5 wird zweckmäßigerweise ein
Infraro*empfänger verwendet, welcher selektiv im ausgewerteten Wellenlängenbereich empfindlich ist,
z. B. ein Thermoempfänger 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, so daß ein Vielkantprisma entsteht.
Die Innenfläche des Gehäuses 2 oder des Prismas bzw. Zylinders ist ganz oder stellenweise reflektierend
ausgebildet zumindest im Wellenlängenbereich der verwendeten Infrarotstrahlung.
Die beschriebene Anordnung bewirkt nun, daß nicht nur die Strahlung η = 0 in Richtung der optischen
Achse von der Optik 3 auf den Empfänger 5 fokussiert wird, sondern ebenfalls Strahlung aus anderen, genau
definierten Richtungen, welche einen bestimmten Winkel al, a2,... 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 « i = 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 λ 2 = arctg (2d/f) bildet, und allgemein nach
n-maliger Reflexion nur solche Strahlung, die einen Winkel <xn = 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 öffnungswinkel 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.
Die Auswerteschaltung für die Ausgangssignale des Strahlungsempfängers 5 ist im Zwischenraum 7
zwischen der Trägerplatte 4 und der Basisplatte 1 angeordnet und kann im Prinzip in beliebiger vorbekpnnter
Art ausgeführt sein.
F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Einbruchdetektors mit kreisförmigem Querschnitt, also mit
zylinderförmig ausgebildetem Reflektor 2. Durch diese axialsymmetrische Anordnung entstehen konzentrische,
kegelringförmige Empfangsbereiche um die optische
Achse n = 0 verschiedener Ordnung /7=1, /7 = 2, η = 3..., je nach Zahl der Reflexionen an der
Innenwand vor Auftreffen der Strahlung auf den Empfängers.
Ein solcher Einbruchdetektor kann, wie in der F i g. 2
dargestellt, auf einem Befestigungssockel 8 mittels eines Kugelgelenks 9 drehbar oder schwenkbar befestigt sein,
so daß 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 Fig.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 Empfangsrichtungen, während
durch Reflexionen an der Ober- und Unterseite eine vertikale Aufgliederung entsteht. Bei Kombination von
Reflexionen sowohl an den Seitenflächen als auch an der Ober- und Unterseite entsteht dann das dargestellte
Gittermuster um die optische Achse £0, 0. In der Figur ist beispielsweise der Strahlengang aus einer Empfangsrichtung £2, 1 mit zweimaliger Reflexion an den
Seitenflächen und einmaliger Reflexion an der Oberseite dargestellt Im Ganzen ergibt sich also ein
gitterartiges Muster von Empfangsrichtungen E n, 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-Muster, ähnlich den aus der Optik
bekannten Beugungsmustern. Beispielsweise entsteht bei hexagonalem Querschnitt ein Empfangsrichtungsgitter,
welches aus gleichschenkligen Dreiecken zusammengesetzt ist, entsprechen dem Beugungsbild eines
hexagonalen Kristalls.
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. F i g. 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 F i g. 3 nur die Seiten verspiegelt sind,
erscheinen nur die Empfangsrichtungen E n, o. Durch Verwendung einer Zylinderlinse als Optik können diese
ίο jedoch zu senkrechten Empfangsstreifen verzerrt
werden.
Abschließend sei bemerkt, daß das Prinzip der Erfindung, nämlich die Erzeugung diskreter Empfangsrichtungen mittels ein- oder mehrmaliger Reflexion an
is einer achsenparalleien Fläche, auch bei anderen
Strahlungsdetektions-Einrichtungen mit äquivalenter Wirkung verwendet werden kann. Beispielsweise ist es
denkbar, statt einer Sammellinse einen Kugel- oder Paraboloid-Reflektor zu verwenden, in dessen Brennpunkt
der Strahlungsempfänger 5 angebracht ist. Dabei besteht auch die Möglichkeit, statt eines luftgefüllten
Rohres 2 einen massiven, strahlungstransparenten Glasoder Kunststoffkörper mit einem Brechungsindex
größer 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 F i g. 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 Optik 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
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Infrarotstrahlungs-Einbruchdetektor mit einer Optik zur Bündelung der Strahlung auf einen
Strahlungsempfänger, wobei durch reflektie»onde Teile mehrere getrennte Gesichtsfelder entstehen,
dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Teile zwischen Optik (3) und Strahlungsempfänger
(5) angebracht sind und als die Achse der Optik (n = 0) umschließende und achsparallel
angeordnete, innenreflektierende Prismenflächen (2) ausgebildet sind.
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 Prismenfläche (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.
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 Anspräche 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 strahlungsdurchlässigen Körpers mit einem Brechungsindex größer 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 Stirnfläche 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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