Brevet FR3091583A1 — publié le 20200710

Description Titre de l'invention : DETECTEUR INFRAROUGE DE COUCHE SOUS PLAFOND Domaine technique [0001] 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. [0002] L'invention vise plus particulièrement à proposer un détecteur infrarouge destiné à être installé au plafond d'une pièce et dont le champ de vision est adapté pour observer la couche sous plafond de la pièce. [0003] Sous un autre de ses aspects, l'invention concerne également un détecteur combinant un détecteur de couche sous plafond et un détecteur de fumée. [0004] Sous encore un autre de ses aspects, l'invention concerne un détecteur combinant un détecteur de couche sous plafond et un détecteur d'occupation. [0005] L'application principale visée par l'invention consiste en l'observation de la couche sous plafond d'une pièce à l'aide d'un capteur infrarouge de résolution modérée, comportant par exemple 64x64 ou 80x80 éléments sensibles. Ce type de capteur possède une résolution suffisante pour permettre des fonctionnalités basiques d'imagerie. 100061 Bien que décrite en référence à l'application principale, l'invention s'applique à tout type de détecteur infrarouge pour lequel existe un besoin d'obtenir un champ de vision latéral et panoramique. 100071 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 [0008] 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 clans des capteurs de moyenne et haute résolution pouvant servir d'imageurs. [0009] 11 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. 2 [0010] De tels capteurs peuvent avoir une résolution comprise entre 16x16 pixels et 80x80 pixels et peuvent fonctionner sur la hase de l'une des technologies précitées. [0011] 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. [0012] Les applications existantes des capteurs infrarouges consistent majoritairement à surveiller un intérieur pour déterminer la présence d'un point chaud. [0013] Une des principales applications des capteurs infrarouges de type pyroélectrique existants est la détection de mouvement. [0014] 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 lentilles 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. [0015] Un détecteur anti-intrusion de ce type est qualifié de détecteur passif car il n'émet aucun rayonnement. [0016] Le fonctionnement d'un détecteur anti-intrusion repose sur l'observation d'une variation du flux infrarouge ambiant simultanément dans tous les éléments sensibles du capteur. [0017] Plusieurs configurations de détecteur anti-intrusion sont possibles : une installation au plafond, auquel cas le champ de vision est typiquement de l'ordre de 360° en azimut et 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. [0018] Les détecteurs d'occupation, qui contrôlent usuellement l'allumage automatique d'un éclairage, sont semblables aux détecteurs anti-intrusion dans leur fonctionnement. [0019] 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. [0020] 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 3 verre de chalcogénure qui permet d'obtenir un champ de vision ayant une ouverture limitée, de l'ordre de 50° 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. [0021] La figure 1 représente de manière schématique un détecteur infrarouge 1 selon l'état de l'art comportant un imageur de résolution modérée et destiné à être agence sur un plafond de pièce. Le rayonnement infrarouge entre dans le détecteur à travers le système optique 2, qui comporte notamment une lentille d'entrée et un capteur infrarouge. [0022] L'angle d'ouverture a du champ de vision d'un tel détecteur est classiquement compris entre 70' et 90°. [0023] Dans un grand nombre d'applications pratiques, les différents types de détecteurs précités sont installés sur le plafond d'une pièce. [0024] Or, les inventeurs ont déterminé qu'il existait un intérêt à surveiller la couche sous plafond d'une pièce. [0025] En effet, la couche sous plafond joue un rôle primordial pour le confort d'un lieu de vie. Il s'agit de la couche limite de la convection, où une accumulation de chaleur peut avoir lieu, notamment en été. [0026] D'autre part, des points froids peuvent y apparaître par exemple lorsque des fenêtres sont ouvertes par temps hivernal. [0027] Autrement dit, la surveillance de la couche sous plafond produit des informations im- portantes pour la gestion du confort thermique d'une pièce. [0028] 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. [0029] 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, comme par exemple une tasse remplie de café chaud. [0030] Par conséquent, il existe un besoin pour une solution de détecteur infrarouge permettant de surveiller la couche sous plafond d'une pièce. [0031] Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Exposé de l'invention [0032] Pour ce faire, l'invention a pour objet un détecteur infrarouge destiné à être agencé sur un plafond d'une pièce pour observer une couche sous plafond, comportant : [0033] - un boîtier de forme générale cylindrique comportant une partie supérieure et une partie inférieure reliées par au moins un moyen de liaison et définissant entre elles des ouvertures latérales, un miroir primaire en forme de couronne, agencé sur la partie inférieure du boîtier, et comportant une ouverture circulaire en son centre, un miroir secondaire en forme de couronne, solidaire du boîtier et/ou du miroir primaire, et comportant une ouverture circulaire en son centre, un troisième miroir en forme de couronne, agencé entre l'ouverture centrale du miroir primaire et l'ouverture centrale du miroir secondaire, solidaire du boîtier et/ou du miroir primaire et/ou du miroir secondaire, et comportant une ouverture circulaire en son centre, un quatrième miroir agencé en regard de l'ouverture centrale du miroir primaire, solidaire du boîtier et/ou du miroir secondaire, et un capteur infrarouge agencé au centre de la partie inférieure du boîtier, les miroirs primaire et secondaire, les troisième et quatrième miroirs étant adaptés pour réfléchir des rayonnements dans l'infrarouge ; et [0034] les ouvertures latérales et le miroir primaire définissant le champ de vision du détecteur, et le miroir primaire, le miroir secondaire, le troisième miroir et le quatrième miroir étant configurés pour former sur le capteur infrarouge une image de la couche sous plafond. [0035] Ainsi, l'invention consiste essentiellement en la mise en oeuvre et l'agencement au sein d'un même boitier d'un ensemble de plusieurs miroirs réfléchissant dans l'infrarouge, afin de former une image de la couche sous plafond d'une pièce. [0036] Le champ de vision du détecteur est déterminé d'une part par la configuration des ou- vertures latérales qui permet à un rayonnement infrarouge de pénétrer dans le détecteur, et par la configuration du miroir primaire. [0037] Une image de la couche sous plafond est formée sur le capteur du détecteur après réflexion sur chacun de la pluralité de miroirs, judicieusement configurés. [0038] L'utilisation de miroirs permet d'une part d'éviter l'utilisation de lentilles in- frarouges, coûteuses, et d'autre part de permettre l'obtention d'une optique purement réflective. [0039] En outre, des corrections asphériques de l'image peuvent avantageusement être obtenues. [0040] De manière avantageuse, les ouvertures latérales ne permettent pas au rayonnement infrarouge en provenance du sol de pénétrer dans le détecteur. Le capteur ne reçoit donc que les sienaux issus de la couche sous plafond : le sol et les occupants éventuels de la pièce sont complètement masqués. [0041] Grâce à l'invention, on obtient donc un détecteur infrarouge permettant d'observer la couche sous plafond d'une pièce et d'en fournir une image nette, corrigée et avec masquage du sol. [0042] De préférence, le champ de vision du détecteur tel que décrit précédemment a un angle compris entre 5° et 10°. [0043] Le détecteur est avantageusement constitué d'une seule pièce en matière plastique moulée par injection, tel que du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou du polycarbonate (PC), au moins les surfaces de la pluralité de miroirs étant métallisées. [0044] L'invention porte en outre sur un ensemble de détection destiné à être installé sur un plafond d'une pièce, comportant un détecteur infrarouge de couche sous plafond tel que décrit précédemment et un détecteur de fumée agencé sur une face extérieure de la partie inférieure du boîtier du détecteur de couche sous plafond. [0045] L'invention concerne également un ensemble de détection destiné à être installé sur un plafond d'une pièce, comportant un détecteur infrarouge de couche sous plafond tel que décrit précédemment et un détecteur d'occupation agencé sur une face extérieure de la partie inférieure du boîtier du détecteur de couche sous plafond. [0046] L'invention concerne enfin l'utilisation d'un détecteur infrarouge tel que décrit pré- cédemment pour détecter une accumulation de chaleur ou un point froid dans la couche sous plafond d'une pièce, ainsi que l'utilisation d'un détecteur infrarouge tel que décrit précédemment pour détecter une accumulation de fumées chaudes dans la couche sous plafond d'une pièce ou une évolution anormale de la température des parois d'une pièce au niveau de la couche sous plafond. Brève description des dessins [0047] [fig.1] est unc vue schématique de profil d'un détecteur infrarouge selon l'état dc l'art ; [0048] [fig.2] est unc vue schématique d'un détecteur infrarouge dc couche sous plafond selon l' invention ; [0049] [fig.3] est une vue de côté d'un détecteur infrarouge selon l'invention ; [0050] [fig.4] est une vue schématique en coupe longitudinale d'un détecteur infrarouge selon l'invention dans une vue en coupe ; [0051] [fig.5] est une image obtenue par un détecteur infrarouge selon l'état de l'art ; 6 100521 Ifig.61 est une simulation de l'image obtenue par un détecteur infrarouge selon l'invention ; [0053] [fig.7] est une vue de côté un détecteur infrarouge selon l'invention associé à un détecteur de fumée ; [0054] [fig.8] est une reproduction photographique d'un détecteur infrarouge selon l'invention associé à un détecteur d'occupation. Description détaillée [0055] 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, les ouvertures latérales du détecteur infrarouge donnent sur la couche sous plafond de la pièce. [0056] La figure 1 a déjà été décrite en préambule et n'est donc pas commentée ci-après. [0057] On décrit maintenant, en référence aux figures 2 à 4, un détecteur infrarouge selon l' invention. [0058] La figure 2 représente de manière schématique un détecteur 100 selon l'invention, qui possède un champ de vision mesuré par l'angle a débouchant sur la couche sous plafond de la pièce où est installé le détecteur. [0059] Lc champ de vision est continu sur 360° en azimut, c'est-à-dire dans le plan or- thogonal à la direction verticale. [0060] Lc mode de réalisation de la figure 3 illustre les différents éléments qui composent un détecteur 100 selon l'invention. [0061] Comme visible sur cette figure, le détecteur 100 comporte un boîtier 10 constitué d'une partie supérieure 11 et d'une partie inférieure 12. Au moins un moyen de liaison 13 assemble les parties supérieure 11 et inférieure 12 du boîtier 10, tout en définissant des ouvertures latérales 14. Les ouvertures latérales 14 permettent au rayonnement infrarouge en provenance de la couche sous plafond de pénétrer dans le détecteur. [0062] 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 équiangulairement sur la circonférence du boîtier 10, chacun attaché par une de leurs extrémités à la partie supérieure du boîtier et par l'autre extrémité à la partie inférieure du boîtier. Les parties inférieure et supérieure du boitier ainsi que les supports peuvent être constitués par une seule pièce. [0063] Un ensemble de quatre miroirs 15, 17, 19, 21 est agencé dans le boîtier 10 de 7 manière fixe. Le miroir primaire 15, le miroir secondaire 17 et le troisième miroir 19 comportent chacun une ouverture circulaire en leur centre, respectivement désignée par les références 16, 18, 20. [0064] Le miroir primaire 15 est agencé sur la partie inférieure 12 du boîtier, de manière à renvoyer le rayonnement infrarouge du champ de vision du détecteur d'angle d'ouverture a vers le miroir secondaire. [0065] Ainsi, les ouvertures latérales 14 et la surface réfléchissante du miroir primaire 15 sont conformées de manière à ce que le miroir primaire réfléchisse le rayonnement incident en provenance de la couche sous plafond pour le diriger vers le miroir secondaire 19. [0066] La surface réfléchissante du miroir secondaire 19 fait face à la surface réfléchissante du miroir primaire 15. Elle est conformée, de manière à capter le rayonnement en provenance du miroir primaire pour le renvoyer sur le troisième miroir 19. [0067] Le troisième miroir 19 est agencé au-dessus de l'ouverture centrale 16 du miroir primaire 15 et en-dessous de l'ouverture centrale 18 du miroir secondaire 17. Sa surface réfléchissante est conformée pour recevoir le rayonnement infrarouge renvoyé par le miroir secondaire et pour le transmettre au quatrième miroir 21. [0068] Le quatrième miroir 21 est agencé au-dessus de l'ouverture centrale 18 du miroir se- condaire 17. Sa surface réfléchissante est de forme généralement parabolique, sans ouverture centrale, et est conformée pour renvoyer le rayonnement issu du troisième miroir 19 vers le capteur infrarouge 22, agencé au centre de la partie inférieure du boîtier 10 sous l'ouverture centrale 16 du miroir primaire 15. [0069] Le champ de vision du détecteur est déterminé par la configuration des ouvertures latérales 14 et par celle du miroir primaire 15, comme visible en figure 3. Le champ de vision du détecteur s'étend en continu sur 360° autour de la verticale et possède un champ de vision sur la couche sous plafond dont l'angle a est compris entre 5° et 10°. [0070] Les miroirs sont conformés de sorte que l'image obtenue soit nette, avec des cor- rections asphériques. [0071] La figure 4 montre les tracés optiques de rayons infrarouges en provenance de la couche sous plafond. On constate que le trajet d'un rayon infrarouge dans le détecteur 1 comporte quatre réflexions, une sur chacun des miroirs 15, 17, 19, 21, et se termine sur le capteur infrarouge 22. [0072] Ainsi, grâce à l'invention, un dispositif uniquement basé sur des miroirs est mis en oeuvre afin d'obtenir un champ de vision ouvert sur la couche sous plafond. On évite notamment l'utilisation de lentilles infrarouges, qui peuvent être coûteuses. [0073] La figure 5 est une reproduction photographique de l'image infrarouge obtenue par un détecteur selon l'état de l'art tel que représenté en figure 1. Le détecteur est installé sur le plafond et son champ de vision est dirigé vers le sol de la pièce. L'angle 8 d'ouverture du champ de vision ne dépasse pas 90°. [0074] Par contraste, la figure 6 est une simulation de l'image obtenue par un détecteur selon l'invention installé au même endroit que le détecteur de la figure 5. Grâce au détecteur selon l'invention, on obtient une image de la couche sous plafond de la pièce. [0075] On constate que l'image obtenue comprend un masquage total du sol au centre de l'image: le champ de vision du détecteur ne couvre que la couche sous plafond. Dans le cas d'une application de détection anti-incendie, cc 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 par un objet chaud qu'il serait susceptible de manipuler, telle qu'une tasse remplie de café chaud. [0076] L'invention peut être mise en oeuvre pour remplir une fonction d'alarme incendie. En effet, la surveillance infrarouge de la couche sous plafond autorise la détection de fumées chaudes et permet d'observer la thermo-vélocimétrie des parois d'une pièce, c'est-à-dire la vitesse d'élévation de leur température, susceptible d'indiquer unc situation de pré-incendie. [0077] 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 unc accumulation de chaleur ou permet de détecter une fenêtre restée ouverte lorsque les conditions climatiques extérieures sont hivernales. [0078] Il est particulièrement avantageux de combiner un détecteur infrarouge selon l'invention avec d'autres types de dispositifs destinés à être installés sur le plafond d'une pièce. Cela permet en effet de tirer parti des caractéristiques de chaque dispositif et de combiner leurs effets. Cela permet également de limiter l'effet inesthétique qui provient de la présence de plusieurs instruments sur le plafond d'une pièce. [0079] Comme représenté en figure 7, il est envisageable de combiner un détecteur 100 selon l'invention avec un détecteur de fumée 1 1 1 pour obtenir un unique détecteur 110. Le détecteur de fumée 1 1 1 est un détecteur selon l'état de l'art, comportant notamment une chambre à fumée 112 dont l'obscurcissement, dû par exemple à l'accumulation de fumée, est le déclencheur du signal d'alarme. [0080] Le détecteur de fumée est agencé sur la face inférieure de la partie inférieure 12 du boîtier 10 du détecteur 100 : il s'agit de sa face extérieure qui est en regard du sol de la pièce en configuration montée du détecteur. [0081] De manière avantageuse, cet agencement du détecteur de fumée permet de simplifier l'architecture mécanique et électronique du détecteur 110. En effet, les composants électroniques de chacun des détecteurs 100 et 111 peuvent alors être agencés sur deux faces opposées d'un circuit imprimé, pouvant être en particulier un circuit imprimé à quatre couches. [0082] En combinant les informations reçues par le détecteur de couche sous plafond et le 9 détecteur de fumée, le détecteur unique 110 permet de minimiser les risques de déclenchement intempestif d'un signal d'alarme. [0083] La figure 8 illustre la combinaison en un unique détecteur 120 d'un détecteur de couche sous plafond 100 selon l'invention et d'un détecteur d'occupation 121. [0084] Un détecteur d'occupation selon l'état de l'art permet de réaliser plusieurs fonctions liées à la gestion du confort d'un intérieur : on pourra citer par exemple le contrôle de l'éclairage ou encore le contrôle de la modulation de la ventilation. [0085] La combinaison d'un détecteur de couche sous plafond selon l'invention et d'un détecteur d'occupation selon l'état de l'art permet d'intégrer des fonctionnalités de gestion du confort thermique aux fonctionnalités liées à la détection d'occupation. [0086] Les détecteurs d'occupation ainsi que les détecteurs de fumée selon l'état de l'art sont typiquement installés vers le centre d'une pièce. Or, il s'agit avantageusement d'une position favorable de placement pour un détecteur de couche sous plafond: la combinaison de ces détecteurs en un détecteur unique permet de tirer profit de cc fait. [0087] De plus, la combinaison du détecteur de couche sous plafond avec soit un détecteur de fumée, soit un détecteur d'occupation autorise de nouvelles fonctionnalités sans qu'il ne soit nécessaire d'ajouter un nouveau détecteur au plafond d'une pièce. Ceci permet donc d'éviter la multiplication des détecteurs de plafond, qui peut avoir un effet inesthétique. [0088] 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. [0089] Bien que décrite en référence à l'application principale visée, à savoir l'observation de la couche sous plafond d'une pièce, l'invention est également applicable à tout domaine dans lequel il est avantageux d'obtenir un champ de vision latéral s'étendant en continu sur toute une périphérie, i.e. à 360°. Le détecteur tel que décrit précédemment peut par exemple être utilisé dans le domaine automobile et des transports en général. 10