ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНФРАКРАСНОГО ПРИБОРА ОБНАРУЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G02B23/12 H04N5/33 

Оптическое устройство для инфракрасного прибора обнаружения относится к устройствам инфракрасной техники с использованием оптических элементов.

В настоящее время инфракрасные (ИК) пассивные приборы обнаружения получили широкое распространение и являются наиболее популярным классом устройств для защиты помещений от проникновения нарушителей.

Это обусловлено, с одной стороны, достаточно высокой эффективностью обнаружения вторжения, а с другой стороны, низкой стоимостью этих устройств. Эффективность обнаружения проникновения в охраняемую зону определяется прежде всего тем, что пассивные инфракрасные приборы обнаружения позволяют контролировать весь объем помещения, тем самым решается задача регистрации вторжения практически при любом пути проникновения: через окно, двери, путем пролома пола, потолка, стены.

Десятки фирм многих стран мира производят сотни модификаций этих приборов, общий выпуск которых, по оценкам западных экспертов, превысил миллион экземпляров.

Инфракрасный прибор обнаружения является сложным высокочувствительным оптико-электронным прибором, воплотившим в себе многие современные достижения в области физики, схемотехники и теории обработки сигнала.

Принцип действия ИК-пассивного прибора обнаружения основан на регистрации изменения потока теплового излучения, возникающего при пересечении нарушителем чувствительных зон в охраняемом пространстве.

В состав ИК-пассивного прибора обнаружения входят следующие основные элементы:

- пироприемник - чувствительный элемент, преобразующий ИК-излучение из контролируемой зоны объекта в электрический сигнал, необходимый для схемы обработки;

- оптическая система, фокусирующая на пироприемнике ИК-излучение из определенной части контролируемой зоны и формирующая диаграмму направленности прибора, а следовательно, зону обнаружения прибора;

- схема обработки электрического сигнала с чувствительного элемента, реализующая определенный алгоритм при наличии нарушителя на объекте.

Каждая из этих трех составляющих ИК-прибора обнаружения совершенствуется и улучшается.

Итак, ИК-прибор обнаружения предназначен для обнаружения движущихся объектов с температурой, отличной от фонового значения. Диапазон регистрирующих скоростей перемещения 0,3-3 м/сек.

Оптическая система является одним из важнейших элементов ИК-прибора обнаружения, определяющим в значительной степени его характеристики обнаружения. В оптической системе в качестве оптических элементов могут быть использованы линзы Френеля, зеркала, растры, дифракционная решетка, дифрагирующая фокусирующая линза, голографическая линза. В настоящее время наиболее широкое применение получили линзы Френеля как наиболее технологичные в изготовлении и недорогие (штамповка, литье).

В известной международной заявке №000/62767, 06-04-2000, кл. G 02 В 3/08, для ИК-прибора обнаружения предложено использовать фокусирующий оптический элемент, содержащий дифрагирующий оптический элемент, в частности это может быть дифракционная решетка или голографический оптический элемент. Дифрагирующий оптический элемент выполнен посредством изготовления множества канавок на плоской пластине, на которую нанесен слой фоторезиста. Канавки могут быть выполнены различными методами: лучом лазера, электронным лучом или посредством фотолитографии. Данная конструкция дифрагирующего оптического элемента позволяет получить тонкий оптический элемент, который фокусирует именно выбранную длину волны излучения и позволяет обеспечить разную оптическую силу по вертикали и по горизонтали. Кроме того, он технологичен в изготовлении.

Недостатками данного решения являются: расстояния от приемника излучения до оптических элементов для всех зон обнаружения соизмеримы друг с другом, т.е. фокусные расстояния оптических элементов для ближних зон обнаружения не могут быть меньше фокусных расстояний оптических элементов для дальних зон обнаружения, следовательно, ширина средней зоны обнаружения и ближней зоны обнаружения не соизмеримы с размером объекта обнаружения, они значительно меньше, чем ширина зоны для дальней зоны обнаружения. Вследствие этого сигнал от нарушителя, прошедшего дальнюю зону обнаружения, не равен сигналу от нарушителя, прошедшего ближнюю зону. Следовательно, прибор обнаружения, использующий такое оптическое устройство, может либо не сработать на ближней или дальней зоне обнаружения, или может выдать ложный сигнал срабатывания на мелкое животное типа мыши.

Ближайшим аналогом заявляемого оптического устройства является устройство для выявления источника излучения по патенту Великобритании №2208523, заяв. 27-07-1987, кл. G 02 В 3/08.

Устройство по данному изобретению содержит приемник излучения, и в качестве оптической системы для фокусировки теплового инфракрасного излучения на приемник излучения содержит матрицу оптических элементов, выполненную в виде двух плоских пластин, перпендикулярных друг другу, т.е. одна горизонтально, другая - вертикально. Плоскости пластин пересекаются по краю, а каждая пластина содержит множество плоских концентратов излучения. Это могут быть зонные пластины или цилиндрические линзы Френеля. На горизонтальной пластине у края сгиба двух пластин может размещаться дифракционная решетка. Матрица линз может иметь различное расположение оптических элементов на пластинах: могут располагаться плоские линзы в параллельных рядах, параллельно краю сгиба пластин, а могут располагаться под углом 45°; могут располагаться цилиндрические линзы, имеющие фокусную силу только в одном направлении. Между пластинами установлен ИК-приемник, принимающий излучение с волной в диапазоне 8-13 мкм.

Недостатками известного устройства-аналога являются:

- сбалансированное фокусное расстояние имеют оптические элементы только самой дальней и самой ближней зоны обнаружения центральной части линзового блока;

- оптические элементы средней зоны обнаружения, расположенные на вертикальной плоскости, имеют фокусное расстояние больше, чем оптические элементы для дальней зоны обнаружения;

- оптические элементы для дальней и средней зон обнаружения имеют разные фокусные расстояния в рядах;

- в рядах оптических элементов для дальней зоны обнаружения отсутствие аберрации типа дисторсии имеет только центральный элемент в ряду. Все остальные оптические элементы в ряду имеют аберрации, при этом чем ближе оптических элемент к краю, тем больше аберрации и хуже пропускание оптического элемента.

Все перечисленные недостатки приводят к тому, что ширина зон обнаружения разная на разных расстояниях от прибора, и это приводит к неравномерной чувствительности на разных расстояниях от прибора обнаружения.

Следует отметить, что равномерная чувствительность по всей зоне обнаружения является важным фактором, которым не обладает практически ни один из известных ИК-приборов обнаружения с линзовой оптикой. Только при равномерной чувствительности по всей зоне обнаружения можно достичь высокой надежности обнаружения при низком уровне ложных тревог.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности обнаружения объекта на различных расстояниях охраняемой зоны в зависимости от его размера посредством повышения однозначности распознавания объекта нарушения в охраняемом пространстве независимо от расстояния до него, а также тем, что ширина всех зон обнаружения соизмерима близка с размером объекта обнаружения.

Указанный технический результат достигается тем, что:

- в оптическом устройстве для инфракрасного прибора обнаружения, содержащем приемник излучения и матрицу оптических элементов, расположенных на нескольких поверхностях и оптически сопряженных с инфракрасным приемником излучения, поверхности матрицы с упорядоченными оптическими элементами расположены под тупыми углами друг к другу в количестве не менее трех;

- поверхности матрицы оптических элементов, соответствующих дальней и средней зонам обнаружения, выполнены асферической формы, а поверхность матрицы оптических элементов, соответствующих ближней зоне обнаружения, выполнена в виде плоской поверхности;

- на каждой поверхности матрицы оптические элементы установлены в ряды и сопряжены со своей зоной обнаружения объекта;

- оптические элементы, расположенные в одном ряду, имеют одинаковые фокусные расстояния, расположенные в разных рядах - разные фокусные расстояния;

- фокусные расстояния оптических элементов в рядах, соответствующих зонам обнаружения, уменьшаются в зависимости от уменьшения дальности зон обнаружения и подобраны в зависимости от размера объекта обнаружения и от расстояния до него;

- оптические элементы, соответствующие дальней зоне обнаружения, сориентированы относительно приемника излучения так, что направление излучения проходит через них близко к нормали, и они имеют минимальные аберрации, а оптические элементы, соответствующие средней и ближней зонам обнаружения, для расширения зон обнаружения, сориентированы относительно приемника излучения под углом к нормали, т.е. с аберрациями, причем аберрация оптических элементов, соответствующих средней и дальней зонам обнаружения, одинакова для оптических элементов, расположенных в одном ряду, но разная для оптических элементов, расположенных в разных рядах.

Сущность изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточной для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Существенными признаками изобретения, совпадающими с признаками прототипа, являются: наличие приемника излучения и матрицы оптических элементов, расположенных на нескольких поверхностях и оптически сопряженных с инфракрасным приемником излучения.

Существенными отличительными признаками заявляемого решения являются:

1. В отличие от прототипа поверхности матрицы с упорядоченными оптическими элементами расположены под тупыми углами друг к другу в количестве не менее трех (у прототипа - две взаимно перпендикулярные поверхности).

2. В отличие от прототипа поверхности матрицы с оптическими элементами, соответствующими средней и дальней зонам обнаружения объекта, выполнены асферической формы (у прототипа плоские пластины).

3. Такая форма выполнения матрицы оптических элементов в заявляемом оптическом устройстве позволяет сориентировать приемник излучения относительно поверхностей матрицы так, что:

- оптические элементы, расположенные в одном ряду, имеют одинаковые фокусные расстояния, расположенные в разных рядах имеют разные фокусные расстояния;

- фокусные расстояния оптических элементов в рядах, соответствующих зонам обнаружения, уменьшаются в зависимости от уменьшения дальности зон обнаружения;

- для оптических элементов, соответствующих дальней зоне обнаружения, направление излучения проходит через оптические элементы близко к нормали, и они имеют минимальные аберрации для всего ряда, что обеспечивает необходимую дальность обнаружения, а для оптических элементов, соответствующих средней и ближней зонам обнаружения, световое излучение проходит через оптические элементы под углом к нормали, т.е. имеются такие аберрации, которые обеспечивают необходимую дальность обнаружения и позволяют увеличить ширину зоны обнаружения. Аберрация оптических элементов, соответствующих средней и дальней зонам обнаружения, для каждого оптического элемента в одном ряду одинакова, но разная между рядами оптических элементов.

Существенными отличиями данного устройства являются: новая совокупность признаков, выражающаяся в наличии новых функциональных связей между элементами, и новой формой выполнения элементов и устройства в целом, что позволяет повысить надежность обнаружения нарушителя на любом расстоянии от прибора по всей зоне обнаружения и угле охвата прибора посредством повышения однозначности распознавания объекта нарушения в охраняемом пространстве независимо от расстояния до него.

Указанные признаки в совокупности обеспечивают "изобретательский уровень".

Анализ известной научно-технической литературы и известных описаний патентов показывает, что в настоящее время неизвестны технические решения, идентичные заявляемому, что позволяет считать предлагаемое изобретение отвечающим критерию "новизна".

В качестве доказательства промышленной применимости заявляемого изобретения приводим пример конкретного осуществления.

Заявляемое оптическое устройство для ИК-прибора обнаружения представлено на фиг.1-6.

На фиг.1, 2, 3 представлено заявляемое оптическое устройство в общем виде, прямом виде в разрезе и виде сверху.

На фиг.4 показано схематичное положение поверхностей матрицы оптических элементов относительно приемника излучения.

На фиг.5 показана диаграмма вертикальной направленности заявляемого оптического устройства.

На фиг.6 показана диаграмма направленности по горизонту, т.е. горизонтальной направленности заявляемого оптического устройства.

Заявляемое "Оптическое устройство для инфракрасного прибора обнаружения" содержит приемник излучения 1 и матрицу оптических элементов, расположенных на нескольких поверхностях 2, 3, 4 и оптически сопряженных с инфракрасным приемником излучения 1 (фиг.1-3). Три поверхности матрицы 2, 3, 4 с упорядоченными оптическими элементами 5 расположены под тупыми углами друг к другу, в данном примере конкретного исполнения под углом 135° (фиг.4).

На каждой поверхности матрицы оптические элементы 5 установлены в ряды и сопряжены со своей зоной обнаружения: дальней fд, средней fcp и ближней fбл. Оптические элементы, расположенные в одном ряду, имеют одинаковые фокусные расстояния, а расположенные в разных рядах - разные фокусные расстояния. Фокусные расстояния оптических элементов подобраны в зависимости от размера объекта обнаружения и от расстояния до него. В данном конкретном примере исполнения фокусные расстояния оптических элементов, соответствующих дальней зоне обнаружения fд=22 мм, больше, чем фокусные расстояния оптических элементов, соответствующих средней зоне обнаружения fcp=18,8 мм, и больше, чем фокусные расстояния оптических элементов, соответствующих ближней зоне обнаружения fбл=11,8 мм.

Поверхности 2 и 3 матрицы оптических элементов, соответствующих дальней и средней зонам обнаружения, выполнены асферической формы (фиг.1-3). Поверхность 2 матрицы оптических элементов, соответствующих дальней зоне обнаружения объекта, выполнена цилиндрической формы, а поверхность 3 матрицы оптических элементов, соответствующих средней зоне обнаружения, выполнена конической формы. Поверхность 4 матрицы оптических элементов, соответствующих ближней зоне обнаружения объекта, выполнена плоской формы.

Поверхности 2, 3, 4 матрицы с оптическими элементами 5 установлены и сориентированы относительно центра инфракрасного приемника излучения 1 на определенных расстояниях, обеспечивающих равнозначность сигнала на приемник излучения 1 от объекта обнаружения в пределах угла охвата приемника 1, который составляет 110° (фиг.4). Оптические элементы на этих поверхностях сориентированы так, что для дальних зон обнаружения световое излучение проходит через оптические элементы близко к нормали, и они имеют минимальные аберрации для всего ряда, что обеспечивает необходимую дальность обнаружения объекта, а для средних и ближних зон обнаружения световое излучение проходит через оптические элементы под углом к нормали, т.е. имеются такие аберрации, которые обеспечивают необходимую дальность обнаружения и позволяют увеличить ширину зоны обнаружения (фиг.4, 5).

В данном конкретном примере выполнения для оптических элементов, расположенных на поверхности 3 матрицы и соответствующих средней зоне обнаружения, направление излучения проходит через оптический элемент под углом 25° и обеспечивает необходимую дальность обнаружения, а за счет уменьшенного фокусного расстояния относительно оптических элементов для дальних зон обнаружения и аберрации на оптическом элементе охватывает ширину зоны обнаружения, соизмеримую с дальними зонами обнаружения.

Для оптических элементов, расположенных на поверхности матрицы 4, соответствующих ближней зоне обнаружения, направление излучения проходит через оптический элемент под углом 40° и охватывает ширину зоны обнаружения, соизмеримую с дальними зонами обнаружения, благодаря маленькому фокусному расстоянию и увеличенной аберрации, в частности дисторсии. Поверхность матрицы 4, соответствующая ближней зоны обнаружения, выполнена в виде плоскости и размещена на самом близком расстоянии к приемнику излучения 1. Кроме того, данная конструкция матрицы позволяет сформировать антисаботажную зону, расположенную непосредственно под прибором обнаружения (фиг.5).

Для средних и дальних зон обнаружения аберрация для всех оптических элементов, расположенных в одном ряду, одинаковая.

Центры оптических элементов, размещенных на поверхности матрицы 2 и соответствующих дальней зоне обнаружения, расположены на границе поверхностей дальней и средней зон обнаружения.

Заявляемое оптическое устройство служит для обнаружения источника ИК-излучения с большого объема охраняемого пространства. Данная конструкция оптического устройства позволяет обнаружить объект высотой более 1 м на расстоянии от 1 м до 12 м. В качестве приемника излучения использован двухплощадный пироприемник с размером площадок 2×1 мм.

Для иллюстрации пространственного охвата представлены две диаграммы направленности: диаграмма вертикальной направленности - фиг.5 (прямой вид) и диаграмма горизонтальной направленности - фиг.6 (вид сверху оптического устройства).

На вертикальной диаграмме направленности (фиг.5) показаны зоны обнаружения ИК-прибора обнаружения с заявляемым оптическим устройством; прибор расположен на высоте 2,3 м.

На горизонтальной диаграмме направленности (фиг.6) показаны зоны чувствительности от всех зон обнаружения, развернутых по горизонту. Зоны имеют форму лепестков, каждая из зон обнаружения состоит из двух лучей, соответствующей двум площадкам приемника излучения. Угол развертки лучей в горизонтальной плоскости составляет 110°, что соответствует полю зрения приемника излучения.

По данным диаграммам видно, что ширина чувствительных зон на всем протяжении охраняемого пространства соизмерима друг с другом. При данной ширине чувствительных зон на приемник излучения попадает равнозначный оптический сигнал, что позволяет с высокой чувствительностью определять появление нарушителя в охраняемой зоне. В тоже время, если в охраняемой зоне появится маленькое животное типа мыши, то при пересечении чувствительной зоны на приемник излучения попадает сигнал в несколько раз меньше, чем от человека, т.к. размер животного меньше, чем ширина луча чувствительной зоны. И вследствие этого заявляемое оптическое устройство для ИК-прибора обнаружения при соответствующей обработке данных, полученных с приемника излучения, сигналы от животного не воспринимает как тревогу и не реагирует на появление в охраняемой зоне маленьких домашних животных типа мыши.

Заявляемое устройство может быть использовано в ИК-приборе обнаружения для охраны самых различных объемов помещений: прямоугольные, квадратные, вытянутые типа коридора, пространства возле окон. Выбирая различные варианты приемника излучения и количество сегментов в рядах, можно обеспечить охрану всех этих помещений с улучшенной обнаружительной способностью во всей охраняемой зоне, и при соответствующей электронной обработке надежно решать задачу обнаружения человека и в то же время игнорировать сигналы от мелких животных.

В качестве оптических элементов в заявляемом оптическом устройстве могут быть использованы линзы Френеля, дифрагирующие фокусирующие линзы, голографические линзы, растры, дифракционные решетки, зонные пластинки, цилиндрические линзы.

В данном конкретном примере исполнения заявляемого устройства в качестве оптических элементов предложены линзовые сегменты линз Френеля. В результате получается составная матрица линзового блока, так называемая объемная линза для охраны помещения объемного пространства.

В качестве инфракрасного приемника излучения взят дифференциальный двухплощадный пироприемник с размером площадок 2×1 мм с длиной волны от 7 до 14 мкм. Диапазон дальности обнаружения для ИК-прибора обнаружения с заявляемым оптическим устройством от 1 до 12 м. Приемник излучения в данном конкретном примере установлен под углом 65° (фиг.4) к плоской поверхности матрицы, соответствующей ближней зоне обнаружения объекта. Инфракрасный приемник сориентирован и установлен на определенном расстоянии относительно матрицы оптических элементов так, чтобы обеспечить разность фокусных расстояний для разных зон обнаружения и соизмеримость зон обнаружения на всей охраняемой зоне обнаружения, а также обеспечить получение с него равнозначного сигнала при пересечении нарушителем зоны обнаружения в любом месте охраняемой зоны, после чего ИК-прибор обнаружения выдаст тревогу (например, звуковой сигнал или световой сигнал на пульте охраны).

Использование заявляемого устройства "Оптическое устройство для инфракрасного прибора обнаружения" по сравнению с известными решениями позволяет повысить надежность обнаружения нарушителя во всем объеме контролируемого пространства благодаря равнозначности сигналов, попадающих на приемник излучения со всех зон обнаружения. Форма выполнения матрицы оптических элементов, расположенных на не менее трех поверхностях - двух асферических и одной плоской поверхностей, установленных под тупыми углами друг к другу, позволяет так расположить приемник излучения, что дает возможность подобрать фокусное расстояние оптических элементов для каждой зоны обнаружения для минимального размера объекта обнаружения и ее местоположения. В результате получается большой сигнал от нарушителя (человека) при его движении в охраняемой зоне с разными скоростями и маленький сигнал, недостаточный для появления тревоги, при появлении маленького животного (кошки или мышки). Следовательно, заявляемое оптическое устройство обеспечивает соразмерность зоны обнаружения с размером нарушителя, обеспечивает равные по ширине зоны обнаружения с размерами нарушителя на разных расстояниях.

Матрица оптических элементов заявляемого устройства может быть выполнена из любого материала, пропускающего инфракрасное излучение от 7 до 14 мкм, в частности из полиэтилена низкого давления (ПЭНД) толщиной от 0,5 до 0,8 мм. Она хорошо изготавливается на обычном литьевом оборудовании по несложной технологии. Изготовлен макет заявляемого оптического устройства, опробован на практике. Разработана технологическая оснастка. Устройство показало хорошие обнаружительные параметры, малогабаритно, имеет оригинальный дизайн, т.е. промышленно применимо. Предполагается серийное производство.

Оптическое устройство относится к устройствам инфракрасной техники и может быть использовано в инфракрасных приборах обнаружения для защиты различных помещений от проникновения нарушителей. Устройство содержит инфракрасный приемник излучения и матрицу оптических элементов, упорядоченно расположенных на не менее трех поверхностях, расположенных под тупыми углами друг к другу, и оптически сопряженных с инфракрасным приемником излучения. Оптические элементы расположены на каждой поверхности матрицы в ряды, сопряжены со своей зоной обнаружения и имеют одинаковые фокусные расстояния для расположенных в одном ряду, но разные фокусные расстояния для расположенных в разных рядах. Поверхности матрицы оптических элементов, соответствующих дальней и средней зонам обнаружения, выполнены асферической формы, а поверхность матрицы, соответствующая ближней зоне обнаружения, выполнена в виде плоской поверхности. Техническим результатом изобретения является повышение надежности обнаружения нарушителя на любом расстоянии от прибора по всей зоне обнаружения и угле охвата прибора. 6 ил.

Оптическое устройство для инфракрасного прибора обнаружения, содержащее приемник инфракрасного излучения и матрицу оптических элементов, упорядоченно расположенных на нескольких поверхностях и оптически сопряженных с инфракрасным приемником излучения, отличающееся тем, что поверхности матрицы оптических элементов расположены под тупыми углами друг к другу в количестве не менее трех, а оптические элементы, расположенные в ряды на каждой поверхности матрицы, сопряжены со своей зоной обнаружения и имеют одинаковые фокусные расстояния для расположенных в одном ряду, но разные фокусные расстояния для расположенных в разных рядах, причем фокусные расстояния оптических элементов уменьшаются в зависимости от уменьшения дальности зоны обнаружения, при этом поверхности матрицы оптических элементов, соответствующих дальней и средней зонам обнаружения, выполнены асферической формы, а поверхность матрицы оптических элементов, соответствующая ближней зоне обнаружения, выполнена в виде плоской поверхности, кроме того, оптические элементы сориентированы относительно приемника излучения так, что направление излучения проходит через оптические элементы, соответствующие дальней зоне обнаружения, близко к нормали и они имеют минимальные аберрации, а через оптические элементы, соответствующие средней и ближней зонам обнаружения, излучение проходит под углом к нормали, т.е. с аберрациями, причем аберрации оптических элементов, соответствующих средней и дальней зонам обнаружения, одинаковые для каждого ряда.