Dank abgestrahlter Wärme lassen sich Personen erkennen

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Funktion und Aufbau einer Fresnellinse

Wie die Fresnellinse prinzipiell aus einer konvexen Linse konstruiert wird, zeigt das Bild 3. Die für die optische Abbildung irrelevanten planparallelen Bereiche werden entfernt (im Bild gestrichelt gezeichnet) und die verbleibenden Bereiche werden anschließend bündig in eine Ebene verschoben. Man erhält eine flache Linse, die nur die für die Brechung wichtigen abgeschrägten Segmente enthält.

Fresnellinsen bestehen meist aus High-Density-(HD-PE-) Polyethylen. Dieses Material ist kostengünstig, weist aber im Vergleich zu Silizium eine relativ hohe Dämpfung auf. Eine Materialdicke von 0,1 mm absorbiert etwa 15 Prozent der Wärmestrahlung. Hier wird der Vorteil von Fresnellinsen deutlich: durch die konstruktionsbedingte geringe Dicke der Linsen im Vergleich zu konvexen Linsen sind geringere Absorptionsverluste der durch die Linse hindurch tretenden Infrarotstrahlung möglich.

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Die Fresnellinse hat die Aufgabe, die Wärmestrahlung eines Objektes in der Ebene der pyroelektrischen Elemente abzubilden. Besteht die Fresnellinse nur aus einer Linse, darf sich das Objekt nur in einem engen räumlichen Bereich bewegen, damit dessen Wärmebild auf die beiden Elemente abgebildet wird. Deshalb sind die Fesnellinsen für Bewegungsmelder in der Regel aus mehreren, unterschiedlich orientierten Segmenten aufgebaut, das jedes für sich eine Linse mit anderer optischer Achse darstellt (siehe hierzu die Bilder 4a und b). Durch eine passend gewählte Orientierung der Segmente wird das Erfassungsfeld des Bewegungsmelders damit deutlich vergrößert und auf die Erfordernisse der Anwendung angepasst.

Am einfachsten lässt sich die Funktionsweise der segmentierten Fresnellinsen veranschaulichen, wenn man den umgekehrten Fall der Abbildung der beiden pyroelektrischen Elemente in der Objektebene betrachtet (Bild 5). Das obere Bild zeigt schematisch eine Fresnellinse mit fünf Segmenten A bis E. Im unteren Bild sind die fiktiven Bilder der beiden Pyrosensorelemente in der Ebene der zu detektierenden Person gezeigt. Als Bilder der Pyrosensor-Elemente entstehen genau so viele Paare von Rechtecken, wie Segmente in der Fresnellinse vorhanden sind. Ein messbares Signal entsteht am Pyrosensor genau dann, wenn das Objekt von einem Bild des linken Elements in ein beliebiges Abbild des rechten Elements wandert.

Der Aufbau und die Auswahl eines Pyrosensors

Pyrosensoren sind meist als bedrahtetes TO-5- oder TO-39-Gehäuse mit einem Siliziumfenster ausgeführt, das für die von einem 37 °C warmen Objekt ausgestrahlte Wärme ab 5 µm transparent ist. Im Innern sind die beiden thermisch gut isoliert gelagerten pyroelektrischen Elemente der Größe 1 mm x 2 mm angeordnet. Die Isolation ist wichtig, damit die Energie der IR-Strahlung zur Erwärmung der Elemente verwendet und nicht an das Gehäuse abgeleitet wird.

Im Gehäuse befinden sich außer den Sensorelementen noch ein FET als Impedanzwandler, ein Gate-Widerstand und bei manchen Sensortypen auch Kondensatoren zur Verbesserung der Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung. Die Größe des Siliziumfensters und deren Abstand zu den pyroelektrischen Elementen bestimmen den Detektionswinkel des Sensors.

Der Montageort des Bewegungsmelders hat einen wichtigen Einfluss auf die Auswahl des Pyrosensors und der Fresnellinse. Im Fall eines Bewegungsmelders, der in der Höhe eines Wandschalters in einer Höhe von 1,1 m montiert wird, bewegen sich die Objekte bzw. Personen in einer eindimensionalen Bewegung am Sensor vorbei. Deshalb wird in dieser Anordnung ein Pyrosensor mit zwei Elementen gewählt.

Die zugehörige Linse wird meist in Form eines Zylindermantels oder als Kuppel ausgeführt, deren Linsensegmente auf die eindimensionale Bewegungsrichtung des Objekts hin ausgerichtet sind. Für Bewegungsmelder, die an der Raumdecke montiert werden sollen, müssen die Segmente der Fresnellinse in zwei Raumrichtungen orientiert sein, da sich das Objekt in zwei Dimensionen unter dem Bewegungsmelder hindurchbewegen kann.

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