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WO 2020/144231 PCT/EP2020/050312
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ACCESSOIRE DE VISION DE COUCHE SOUS PLAFOND POUR DETECTEUR
INFRAROUGE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des systèmes optiques comportant un
ou plusieurs composants optiques adaptés pour réfléchir ou faire converger ou
diverger un
rayonnement infrarouge.
L'invention vise plus particulièrement à proposer un dispositif optique simple
et
peu coûteux qui permette de modifier le champ de vision d'un détecteur
infrarouge installé
au plafond d'une pièce, dans le but d'observer la couche sous plafond de la
pièce.
Sous un autre de ses aspects, l'invention concerne également un accessoire
optique pouvant être monté ou démonté sur un détecteur infrarouge existant,
l'accessoire
optique comportant un dispositif optique tel que mentionné.
L'application principale visée par l'invention concerne la modification du
champ de vision d'un détecteur infrarouge comprenant un capteur de résolution
modérée,
comportant par exemple 64x64 ou 80x80 éléments sensibles. Ce type de détecteur
possède
une résolution suffisante pour permettre des applications d'imagerie.
Bien que décrite en référence à l'application principale, l'invention
s'applique à
tout type de détecteur infrarouge pour lequel existe un besoin de modifier de
façon simple
et peu coûteuse le champ de vision du détecteur.
Par couche sous plafond , on entend une couche située directement sous un
plafond d'une pièce, et qui présente une faible épaisseur en comparaison de la
hauteur de la
pièce. Typiquement, une couche sous plafond présente une épaisseur de moins de
15% de la
hauteur de la pièce, directement sous le plafond.
Technique antérieure
Plusieurs technologies peuvent être utilisées pour fabriquer des capteurs
fonctionnant dans le domaine infrarouge. Ainsi, les capteurs pyroélectriques
et les
thermopiles sont largement utilisés pour des détecteurs de très faible
résolution comportant
classiquement seulement quelques éléments sensibles. Des capteurs intégrant
des micro-
bolomètres sont mis en oeuvre dans des capteurs de moyenne et haute résolution
pouvant
servir d' imageurs .
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Il existe un intérêt grandissant pour des capteurs de résolution modérée, qui
permettent la mise en oeuvre de fonctions basiques d'imagerie, telle que la
localisation d'une
source infrarouge.
De tels capteurs peuvent avoir une résolution comprise entre 16x16 pixels et
80x80 pixels et peuvent fonctionner sur la base de l'une des technologies
précitées.
L'exécution de nombreuses fonctions des détecteurs de très faible résolution
peut être améliorée par la mise en oeuvre de capteurs de résolution modérée.
De plus, ce type
de capteurs autorise de nouvelles applications.
Une des principales applications des capteurs infrarouges existants, de type
pyroélectrique, est la détection de mouvement.
C'est le principe mis en oeuvre par exemple par les détecteurs anti-intrusion,
qui
sont installés dans un grand nombre de bâtiments. Un système d'alarme anti-
intrusion repose
typiquement sur un capteur pyroélectrique comportant deux ou quatre éléments
sensibles
associés à un dispositif optique simple et bon marché définissant le champ de
vision du
détecteur. Ce dispositif optique peut notamment être une matrice de lentille
de Fresnel
réalisée en polyéthylène ou un ensemble de miroirs réalisés chacun à partir
d'un substrat en
plastique, tel que du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou du polycarbonate
(PC),
métallisé au moins sur sa surface fonctionnelle.
Un détecteur anti-intrusion de ce type est qualifié de détecteur passif car il
n'émet aucun rayonnement.
Le fonctionnement d'un détecteur anti-intrusion repose sur l'observation d'une
variation simultanée du flux infrarouge ambiant reçu par tous les éléments
sensibles du
capteur.
Plusieurs configurations de détecteur anti-intrusion sont possibles : une
installation au plafond, auquel cas le champ de vision est de 360 en azimut
et typiquement
de l'ordre d'environ 45 en élévation, de part et d'autre de la verticale, ou
une installation
murale, auquel cas le champ de vision du détecteur peut être déterminé en
fonction de la
configuration des murs de la pièce dans laquelle il est installé.
Les détecteurs d'occupation, qui contrôlent usuellement l'allumage automatique
d'un éclairage, sont semblables aux détecteurs anti-intrusion dans leur
fonctionnement.
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Il existe également, pour des alarmes anti-incendie, des détecteurs dits
thermo-
vélocimétriques, sensibles à une augmentation anormale de la température des
parois d'une
pièce qui caractérise la présence d'un foyer de chaleur.
Bien que fiables, ces détecteurs sont limités en ce qu'ils ne permettent pas
la
localisation du foyer de chaleur.
De plus, un intérêt grandissant pour des applications de comptage de personnes
ou de gestion de files d'attente peut être constaté, par exemple pour des
raisons de sécurité
ou de gestion d'espace. Dans ce cadre, la société Irisys a développé un
capteur pyroélectrique
de résolution 16x16 pixels. Ce capteur, qui peut par exemple être installé au-
dessus d'une
file d'attente d'un magasin, est associé à une lentille en germanium ou en
verre de
chalcogénure qui permet d'obtenir un champ de vision ayant un angle limité, de
l'ordre de
500 à 60 . La résolution du capteur, bien que relativement faible, est
néanmoins suffisante
pour obtenir une bonne approximation du nombre de personnes et de leur
localisation dans
la file d'attente.
La figure 1 représente de manière schématique un détecteur infrarouge 1
comportant un imageur de résolution modérée destiné à être agencé sur un
plafond. Le
rayonnement infrarouge entre dans le détecteur à travers le système optique 2,
qui comporte
notamment une lentille d'entrée et un capteur infrarouge.
L'angle a du champ de vision d'un tel détecteur est classiquement compris
entre
70 et 90 .
Dans un grand nombre d'applications pratiques, les différents types de
détecteurs précités sont installés sur le plafond d'une pièce.
Or, les inventeurs ont déterminé qu'il existait un intérêt à surveiller la
couche
sous plafond d'une pièce.
En effet, la couche sous plafond joue un rôle primordial pour le confort d'un
lieu
de vie. Il s'agit notamment de la couche limite de la convection, où une
accumulation de
chaleur peut avoir lieu, notamment en été.
D'autre part, des points froids peuvent y apparaître par exemple lorsque des
fenêtres sont ouvertes par temps hivernal. Autrement dit, la surveillance de
la couche sous
plafond produit des informations importantes pour la gestion du confort
thermique d'une
pièce.
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Par ailleurs, la surveillance de la couche sous plafond améliore la sécurité
dans
le cadre de la prévention ou de la détection d'un départ de feu. Elle permet
en effet d'observer
la thermo-vélocimétrie des parois, c'est-à-dire la vitesse de changement de
température des
parois, et donc de détecter une montée anormale de leur température
caractéristique d'une
situation de pré-incendie. De plus, l'accumulation de fumée chaude dans la
couche sous
plafond en cas d'incendie peut également être détectée.
Par rapport aux solutions existantes de détecteurs anti-incendie dont le champ
de
vision est dirigé vers le sol d'une pièce, un détecteur anti-incendie
observant la couche sous
plafond a pour avantage de ne pas pouvoir déclencher une alarme sur la base
d'un faux signal
issu par exemple des occupants de la pièce ou d'objets chauds que ceux-ci sont
susceptibles
de manipuler.
Il existe donc un intérêt pour une fonctionnalité de surveillance infrarouge
de
couche sous plafond.
Il existe par ailleurs de nombreux détecteurs infrarouges, d'ores et déjà
installés
sur un plafond d'une pièce, mais dont le champ de vision est orienté vers le
sol de la pièce.
Par conséquent, il existe un besoin pour une solution permettant de modifier
le
champ de vision des détecteurs existants afin de surveiller la couche sous
plafond.
Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif optique, destiné à être
agencé
sur un détecteur muni d'un capteur infrarouge pour modifier le champ de vision
du détecteur,
comportant :
- un miroir primaire de forme générale tronconique, comportant en son
centre
une ouverture circulaire,
- un miroir secondaire de forme générale conique,
- au moins un moyen de liaison pour lier le miroir primaire et le miroir
secondaire, de telle sorte que la surface réfléchissante du miroir primaire
est agencée en
regard de la surface réfléchissante du miroir secondaire,
les miroirs primaire et secondaire étant adaptés pour réfléchir des
rayonnements
dans 1 'infrarouge ; et
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les miroirs primaire et secondaire étant configurés pour définir le champ de
vision du dispositif, pour former un système afocal et pour former une image
continue de la
périphérie du dispositif, le centre de l'image étant masqué par le miroir
secondaire.
Dans le contexte de l'invention, on entend par périphérie du dispositif
5 l'ensemble des directions sensiblement perpendiculaires à l'axe de
symétrie du cône du
miroir primaire, délimitant une vue panoramique.
Ainsi, l'invention consiste essentiellement en l'utilisation de deux miroirs
coniques, le miroir primaire recueillant le rayonnement infrarouge en
provenance de la
couche sous plafond autour du dispositif pour le renvoyer sur le miroir
secondaire, qui à son
tour le réfléchit au capteur du détecteur infrarouge.
Les surfaces réfléchissantes des miroirs sont configurées pour remplir cette
fonction.
De manière avantageuse, l'image obtenue par le dispositif optique selon
l'invention comporte un masquage central: en effet, la présence du miroir
secondaire en
regard de l'ouverture centrale du miroir primaire a pour conséquence de
bloquer le
rayonnement infrarouge en provenance du sol, lorsque le dispositif est agencé
sur un
détecteur installé sur le plafond d'une pièce.
Le capteur ne reçoit donc que les signaux issus de la couche sous plafond : le
sol
et les occupants éventuels de la pièce sont complètement masqués.
L'utilisation de miroirs permet d'une part d'éviter l'utilisation de lentilles
infrarouges, coûteuses, et d'autre part d'obtenir une optique réflective
afocale évitant ainsi
des réglages de mise au point.
En outre, des corrections asphériques de l'image peuvent avantageusement être
obtenues.
Grâce à l'invention, on obtient donc un dispositif optique infrarouge simple,
peu
coûteux et permettant de modifier le champ de vision d'un détecteur et de
procurer une image
de la périphérie du dispositif (qui peut être une couche sous plafond) nette,
corrigée et avec
masquage du sol.
De préférence, l'angle du champ de vision est compris entre 50 et 100. Ainsi,
le
champ de vision s'ouvre sur la couche sous plafond : c'est uniquement le
rayonnement
infrarouge en provenance de la couche sous plafond qui est transmis au
détecteur, et ce sur
toute la périphérie du dispositif, c'est-à-dire sur 360 en azimut.
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Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif est constitué d'une
seule
pièce en matière plastique moulée par injection, tel que polyméhtylacrylate de
méthyle
(PMMA) ou du polycarbonate (PC), au moins les surfaces du miroir primaire et
du miroir
secondaire étant métallisées.
De manière préférentielle, le diamètre maximal du miroir primaire est
inférieur
à 1010 mm, de préférence inférieur à 70 mm, et la hauteur du dispositif dans
la direction de
l'axe du cône définissant la surface réfléchissante est inférieure à 40 mm, de
préférence
inférieure à 30 mm.
L'invention concerne également un détecteur infrarouge comprenant un
dispositif optique tel que décrit précédemment, le dispositif étant agencé de
manière à former
l'image sur le capteur infrarouge du détecteur.
L'invention porte sur l'utilisation de ce détecteur infrarouge pour détecter
une
accumulation de chaleur ou un point froid dans la couche sous plafond d'une
pièce. Elle
porte également sur l'utilisation de ce détecteur infrarouge pour détecter une
accumulation
de fumées chaudes dans la couche sous plafond ou une évolution anormale de la
température
des parois d'une pièce au niveau de la couche sous plafond.
L'invention concerne enfin un accessoire optique destiné à être agencé sur un
détecteur infrarouge, comportant un dispositif optique tel que décrit
précédemment et un
mécanisme d'accroche du dispositif optique sur le détecteur infrarouge.
Brève description des dessins
La figure 1 est une vue schématique de profil d'un détecteur infrarouge selon
l'état de l' art ;
La figure 2 est une vue schématique d'un dispositif optique selon l'invention
;
La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif optique selon
.. l'invention dans une vue en coupe ;
La figure 4 est une vue schématique d'un dispositif optique selon l'invention
agencé sur un détecteur infrarouge selon l'état de l'art ;
La figure 5 est une vue de côté d'un dispositif optique selon l'invention
agencé
sur un détecteur infrarouge selon l'état de l'art ;
La figure 6 est une image obtenue par un détecteur infrarouge selon l'état de
l'art
=
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La figure 7 est une simulation de l'image obtenue par un détecteur infrarouge
selon l'état de l'art sur lequel est agencé un dispositif optique selon
l'invention.
Description détaillée
Dans l'ensemble de la présente demande, les termes vertical , inférieur
,
supérieur , bas , haut , dessous et dessus sont à comprendre par
référence par
rapport à un détecteur infrarouge en configuration de fonctionnement installé
sur un plafond
et faisant face au sol. Ainsi, dans une configuration de fonctionnement, le
capteur du
détecteur infrarouge fait face au sol dans la direction verticale.
La figure 1 a déjà été décrite en préambule et n'est donc pas commentée ci-
après.
On décrit maintenant, en référence aux figures 2 à 5, un dispositif optique
selon
1 ' invention.
Le dispositif optique 10 comporte un miroir primaire 11, un miroir secondaire
12 et des moyens de liaison 13 pour lier le miroir primaire et le miroir.
Dans le mode de réalisation illustré, les moyens de liaison 13 sont des moyens
de liaison rigides, constitués par quatre supports de forme allongée, répartis
équi-
angulairement, chacun attaché par une de leurs extrémités au miroir primaire
et par l'autre
extrémité au miroir secondaire.
La hauteur du dispositif optique, c'est-à-dire sa dimension selon la direction
verticale, peut être typiquement de l'ordre de 25 mm.
Le miroir primaire comporte une ouverture centrale 14 ainsi qu'une surface
réfléchissante 15.
Typiquement, le diamètre du miroir primaire peut être de l'ordre de 60 mm.
Le miroir secondaire comporte une surface réfléchissante 16. La surface
réfléchissante 16 du miroir secondaire est agencée en regard de l'ouverture
centrale 14 du
miroir primaire.
Ainsi, du point de vue du capteur, le miroir secondaire 12 masque le sol, et
seul
le rayonnement réfléchi par le miroir secondaire pénètre dans l'ouverture
centrale 14 pour
atteindre le système optique 2 du détecteur 1.
Comme cela apparaît plus clairement en figure 3 qui montre les tracés optiques
de rayons infrarouges en provenance de la couche sous plafond, les surfaces
réfléchissantes
15, 16 des miroirs primaire et secondaire sont de forme tronconique et conique
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respectivement, et sont configurées pour transmettre au système optique 2 du
détecteur les
rayons en provenance de la couche sous plafond.
Le profil tronconique du miroir primaire est tel que les rayons incidents en
provenance de la couche sous plafond sont renvoyés sur le miroir secondaire,
dont le profil
est adapté pour réfléchir les rayons sur le système optique 2 du détecteur 1.
Le champ de vision du dispositif s'étend en continu sur 360 autour de la
verticale et possède un angle de champ a sur la couche sous plafond compris
entre 5 et 10 ,
comme plus particulièrement visible en figure 5.
Les miroirs sont configurés de sorte que l'image formée sur le capteur soit
nette,
avec des corrections asphériques.
De manière avantageuse, les deux miroirs forment un dispositif afocal.
Le dispositif optique 10 est de préférence réalisé en un une seule pièce en
matière
plastique moulée par injection, tel que du polyméthacrylate de méthyle (PMMA)
ou du
polycarbonate (PC). Toute la pièce, ou a minima les surfaces réfléchissantes
des miroirs,
sont ensuite métallisées, afin de pouvoir réfléchir un rayonnement infrarouge
incident.
Les figures 4 et 5 représentent schématiquement un dispositif optique 10 selon
l'invention agencé sur un détecteur infrarouge 1.
De manière avantageuse, le système optique 2 du détecteur ne nécessite aucune
modification et aucune connexion électrique n'est nécessaire pour agencer le
dispositif
optique 10 sur le détecteur 1.
Afin de fixer le dispositif optique 10 au détecteur 1, un mécanisme d'accroche
peut être prévu. Ce mécanisme peut par exemple comporter un dôme hémisphérique
semi-
transparent en polyéthylène (PE) de faible épaisseur, typiquement proche de
0,5 mm pour
transmettre efficacement le rayonnement infrarouge. Le miroir secondaire est
solidaire de la
face interne du dôme et ce dernier est rattaché à la base du détecteur,
recouvrant ainsi le
dispositif.
La figure 6 est une image obtenue par un détecteur infrarouge selon l'état de
l'art. Le champ de vision du détecteur est dirigé vers le sol de la pièce, et
son angle a ne
dépasse pas 90 .
La figure 7 montre pour comparaison le résultat d'une simulation informatique
reproduisant l'effet obtenu par la mise en place d'un dispositif optique selon
l'invention sur
le détecteur infrarouge utilisé pour l'obtention de l'image de la figure 6.
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On constate que le champ de vision du détecteur est modifié et permet
l'observation de la couche sous plafond. Un masquage total du sol au centre de
l'image est
obtenu, car le miroir secondaire bloque le champ de vision du détecteur en
direction du sol.
Dans le cas d'un détecteur anti-incendie, ce masquage central permet d'éviter
tout risque de déclenchement intempestif de l'alarme par un faux signal
provoqué par
exemple par un occupant de la pièce ou un objet que celui-ci manipule (tasse
de café par
exemple).
Ainsi, grâce à l'invention, un dispositif optique simple, compact et ne
comportant pas de lentilles peut être utilisé pour modifier le champ de vision
d'un détecteur
infrarouge afin d'observer la couche sous plafond.
Il peut notamment s'agir d'un accessoire que l'on monte sur un détecteur
existant. L'installation d'un dispositif optique sur un détecteur existant est
aisée : en effet, la
lentille d'origine du détecteur est toujours utilisable, aucune connexion
électrique n'est
nécessaire et le positionnement du dispositif optique ne requiert pas une
précision
importante.
L'invention peut être mise en oeuvre pour remplir une fonction d'alarme
incendie. En effet, la surveillance infrarouge de la couche sous plafond
permet la détection
de fumées chaudes. Elle permet également d'observer la thermo-vélocimétrie des
parois
d'une pièce, c'est-à-dire la vitesse d'élévation de leur température,
susceptible d'indiquer
une situation de pré-incendie.
L'invention peut aussi être mise en oeuvre dans le but d'améliorer le confort
thermique d'une pièce : la surveillance infrarouge de la couche sous plafond
peut indiquer
une accumulation de chaleur ou permet de détecter une fenêtre restée ouverte
lorsque les
conditions climatiques extérieures sont hivernales.
D'autres variantes et avantages de l'invention peuvent être réalisés sans pour
autant sortir du cadre de l'invention. L'invention n'est ainsi pas limitée aux
exemples décrits
précédemment.
Bien que décrite en référence à l'application principale visée, à savoir
modifier
le champ de vision d'un détecteur infrarouge installé au plafond d'une pièce,
l'invention est
également applicable à tout domaine dans lequel il est avantageux de modifier
le champ de
vision d'un appareil de vision infrarouge avec un dispositif optique simple et
peu coûteux
pour obtenir un champ de vision périscopique.
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Ainsi, le dispositif optique décrit peut aussi être utilisé dans le domaine
automobile et des transports.
