DE3235250C3 - Facettenoptik zum Erfassen von Strahlung aus einem großen Raumwinkel, insbesondere für Bewegungsmelder - Google Patents
Facettenoptik zum Erfassen von Strahlung aus einem großen Raumwinkel, insbesondere für BewegungsmelderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Facettenoptik entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine Facettenoptik gemäß dem Gattungsbegriff des An
spruches 1 ist beispielsweise durch Fig. 4 der DE-AS
25 37 380 bekannt. Die Linsenelemente sind hierbei rotati
onssymmetrisch zu ihrer optischen Achse ausgebildet,
wobei die optischen Achsen aller Linsenelemente inner
halb des Gesichtswinkels des Strahlungsempfängers lie
gen.
Der Gesichtswinkel wird im allgemeinen durch Halterun
gen, Gehäusewände oder sonstige Bauteile begrenzt und
ist meist nicht größer als 120°; in der Regel liegt er
bei etwa 110 bis 115°.
Um einen größeren Raumwinkel zu erfassen, ist es be
kannt, gesonderte Umlenkspiegel anzubringen. Derartige
Einrichtungen sind jedoch verhältnismäßig aufwendig, da
für jedes Sichtfeld ein gesonderter Umlenkspiegel er
forderlich ist und zusätzlich zumindest ein fokussie
rendes Element benötigt wird, das alle Strahlenbündel
erfaßt. Das fokussierende Element muß dabei so groß
ausgebildet sein, daß eine ausreichend intensive Strah
lung aus allen Gesichtsfeldern auf die Empfängerebene
fokussiert werden kann, ohne daß beispielsweise die Um
lenkspiegel eine unzulässige Abschwächung der benach
barten Sichtfelder hervorrufen.
Durch die US-PS 40 52 616 ist weiterhin eine Facetten
optik bekannt, bei der Linsenelemente längs einer Halb
kugelfläche angeordnet sind, in deren Zentrum die Emp
fängerebene liegt. Die Linsenelemente fokussieren die
Strahlung auf eine halbkugelförmige Brennfläche, die
zwischen der die Linsenelemente enthaltenden Halbkugel
fläche und der zentralen Empfängerebene liegt. Von der
Brennfläche wird die Strahlung durch ein Bündel von
Lichtleitern zur Empfängerebene weitergeleitet. Eine
derartige Facettenoptik ermöglicht zwar das Erfassen
von Strahlung aus einem großen Raumwinkel, sie bedingt
jedoch einen verhältnismäßig großen technischen Auf
wand.
Es ist weiterhin ein Passiv-Infrarot-Alarmmelder (Typ
S8100 der Firma Arrow Head Enterprises Inc.) mit folgendem
Aufbau bekannt:
Hinter einer halbzylindrischen Gehäusewand, die für Infrarotstrahlung
durchlässig und im sichtbaren Bereich
opak ist, befindet sich eine Sensoreinheit mit einem
mittig angeordneten Strahlungsempfänger und einer davor
im Abstand der Brennweite aufgespannten, auf einem
trichterförmigen Trägerrahmen angeordneten, kreisbogenförmigen
Linsenfacettenoptik. Dabei sind die optischen
Achsen der Linsenelemente umso mehr nach außen versetzt,
je weiter die Linsenelemente von der Mittelebene
des Gerätes entfernt sind. Bei den äußersten Linsenelementen
fällt die jeweilige optische Achse mit der durch
den trichterförmigen Trägerrahmen gegebenen Begrenzung
des Gesichtswinkels des Strahlungsempfängers zusammen.
Der horizontale Gesichtswinkel des Strahlungsempfängers
wird hierbei durch den trichterförmigen Trägerrahmen
auf einen Wert von 80° begrenzt. Das Gesichtsfeld der
Linsenfacettenoptik entspricht diesem Gesichtswinkel
des Strahlungsempfängers und beträgt gleichfalls 80°.
Die Sensoreinheit (mit Strahlungsempfänger und Facettenoptik)
kann im übrigen mittels des Chassis unter einem
Winkel von 45° (in einer Wandecke) oder unter einem
Winkel von 90° (an einer Wandfläche) montiert werden;
sie läßt sich ferner innerhalb des Gehäuses um +/- 45°
verschwenken.
Auch bei dieser bekannten Ausführung kann der Strahlungsempfänger
in der jeweils gewählten Einstellung somit
Strahlung nur aus einem Raumwinkel (von 80°) erfassen,
der nicht größer als der durch den trichterförmigen
Trägerrahmen begrenzte Gesichtswinkel ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Facettenoptik entsprechend dem Oberbegriff des Anspru
ches 1 so auszubilden, daß sie bei einfacher Bauweise,
insbesondere ohne Verwendung zusätzlicher Umlenkspie
gel, Strahlung aus einem Raumwinkel erfaßt, der größer
als der maximale Gesichtswinkel des Strahlungsempfän
gers ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich
nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen
stand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich
nung veranschaulicht.
Ein Strahlungsempfänger 1 weist eine Empfängerebene 8
auf, die sich in einem Gehäuse befindet und nur unter
einem maximalen Gesichtswinkel 2ϕ Strahlung empfangen
kann. Ausgehend von der Rotationsachse 9 des Strah
lungsempfängers 1 ergeben sich also Begrenzungen 2 des
Gesichtswinkels, die mit der Rotationsachse einen Win
kel ϕ bilden. Nur innerhalb der Begrenzungen 2 können
fokussierende Linsenelemente 4, 6, 11 untergebracht
sein, wenn sie Strahlung auf die Empfängerebene 8 des
Strahlungsempfängers 1 fokussieren sollen.
Um den Gesichtswinkel des Detektors zu erweitern,
sind zumindest die im Randbereich des Gesichtswinkels
des Strahlungsempfängers 1 angeordneten Linsenelemente
als Segmente von Linsen ausgebildet, deren jeweilige
optische Achse mit der Winkelhalbierenden des Gesichts
winkels des Strahlungsempfängers (d. h. mit der Rotati
onsachse 9) einen Winkel ψ einschließt, der größer ist
als die Hälfte des Gesichtswinkels (2ϕ) des Strahlungs
empfängers.
So ist beispielsweise das Linsenelement 11 als Segment
einer optischen Linse 12 ausgebildet, deren optische
Achse 7 parallel zur Empfängerebene 8 und in dieser
verläuft. Das Linsensegment 11 fokussiert somit die
parallel zur Empfängerebene 8 eintreffende Strahlung
auf diese Empfängerebene 8.
Die zum Linsenelement 11 gehörende, gedachte Linse 12
hat vorteilhaft einen wesentlich größeren Durchmesser,
der so dimensioniert ist, daß die optisch wirksame Flä
che des Linsensegmentes 11 auf die optisch wirksamen
Flächen der übrigen fokussierenden Linsenelemente 4 und
6 der Facettenoptik abgestimmt ist. Dabei können die
optisch wirksamen Querschnitte aller fokussierenden
Linsenelemente gleichgroß gemacht werden; vorteilhaft
kann aber auch der optisch wirksame Querschnitt der am
Rand befindlichen Linsenelemente größer gemacht werden,
so daß ggf. ein Intensitätsverlust, der aufgrund der
zur Empfängerebene schrägen Strahlrichtung auftreten
kann, kompensiert wird.
Das fokussierende Linsenelement 4 ist als Segment einer
Fresnellinse ausgebildet, deren optische Achse 3 außer
halb der Begrenzungen 2 des Gesichtswinkels des Detek
tors liegt. Die optische Achse 3 bildet also mit der
Winkelhalbierenden 9 des Gesichtswinkels des Strah
lungsempfängers einen Winkel ψ, der größer ist als der
Winkel ϕ zwischen der Begrenzung 2 des Gesichtswinkels
und der Winkelhalbierenden 9 des Gesichtswinkels. Das
von dem Linsenelement 4 erfaßte Gesichtsfeld liegt also
außerhalb des maximalen Gesichtswinkels 2ϕ des Detek
tors; es kann ebenfalls parallel zur Empfängerebene 8
liegen, es kann auch die Empfängerebene 8 schneiden,
also Strahlung erfassen, die unter einem Winkel ψ von
mehr als 90° ankommt.
Das fokussierende Linsenelement 6 und weitere nicht
dargestellte fokussierende Elemente können ebenfalls
segmentförmig ausgebildet sein; sie können aber auch
rotationssymmetrische Linsen oder Fresnellinsen sein.
Derartige Fresnellinsen können aus infrarotdurchlässigem Ma
terial hergestellt werden; in diesem Falle ist der
Strahlungsempfänger 1 vorteilhaft ein Infrarotdetektor.
Eine derartige Ausführungsform eignet sich vor allem
zur Raumüberwachung unter Auswertung der Körperstrah
lung von Personen.
Bei einer bevorzugten Ausführung sind als Linsenele
mente Fresnellinsen vorgesehen, die in eine infrarot
durchlässige Kunststoffolie eingeformt sind, die einen
Infrarotdetektor umschließt und die Form eines Zylin
der- oder Kugelsegmentes besitzt. Diese einfache Form
bildet zweckmäßigerweise gleichzeitig einen Teil des
Gehäuses des Bewegungsmelders.
Für eine Raumüberwachung ergänzen die als Segmente von
Linsen ausgebildeten Linsenelemente das Gesichtsfeld
des Empfängers vorteilhaft zu einem Raumwinkel von
180°.
Claims (7)
1. Facettenoptik zum Erfassen von Strahlung aus einem
großen Raumwinkel, insbesondere für Bewegungsmelder,
enthaltend eine Anzahl von benachbarten Linsenelementen,
die die erfaßte Strahlung auf die
Empfängerebene (8) eines Strahlungsempfängers (1)
fokussieren, der nur unter einem durch Halterungen,
Gehäusewände oder sonstige Bauteile begrenzten maximalen
Gesichtswinkel (2ϕ) von bis zu 120° Strahlung
empfangen kann, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
die im Randbereich des Gesichtswinkels des
Strahlungsempfängers (1) angeordneten Linsenelemente
(4, 6, 11) als Segmente von Linsen (z. B. 12) ausgebildet
sind, deren jeweilige optische Achse (3, 7)
mit der Winkelhalbierenden (9) des Gesichtswinkels
des Strahlungsempfängers (1) einen Winkel (ψ) einschließt,
der größer ist als die Hälfte des Gesichtswinkels
(2ϕ) des Strahlungsempfängers (1), so daß
die Linsenelemente einen Gesichtsfeldwinkel (2ψ)
von mehr als 120° erfassen.
2. Facettenoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Linsen durch Fresnellinsen gebildet
werden.
3. Facettenoptik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der optisch wirksame Querschnitt
aller Linsenelemente gleich groß ist.
4. Facettenoptik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der optisch wirksame Querschnitt
der im Randbereich des Gesichtswinkels des Strah
lungsempfängers befindlichen Linsenelemente größer
als der Querschnitt der übrigen Linsenelemente ge
wählt ist, so daß ein aufgrund der zur Empfänger
ebene schrägen Strahlrichtung auftretender Intensi
tätsverlust kompensiert wird.
5. Facettenoptik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Fresnellinsen aus infrarotdurchlässigem
Material hergestellt sind.
6. Facettenoptik nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Fresnellinsen in eine infrarot
durchlässige Kunststoffolie eingeformt sind, die
einen Infrarotdetektor umschließt und die Form eines
Zylinders oder Kugelsegmentes besitzt.
7. Facettenoptik nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenelemente
zur Erfassung eines Winkels von 180° angelegt sind.
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