EP0588232A1 - Optischer Rauchmelder - Google Patents

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EP0588232A1
EP0588232A1 EP93114472A EP93114472A EP0588232A1 EP 0588232 A1 EP0588232 A1 EP 0588232A1 EP 93114472 A EP93114472 A EP 93114472A EP 93114472 A EP93114472 A EP 93114472A EP 0588232 A1 EP0588232 A1 EP 0588232A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
optical
scattered
smoke detector
planar
Prior art date
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Granted
Application number
EP93114472A
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English (en)
French (fr)
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EP0588232B1 (de
Inventor
Kurt Müller
Peter Ryser
Dieter Wieser
Rino Ernst Kunz
Markus Rossi
Michael Thomas Gale
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cerberus AG
Original Assignee
Cerberus AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Cerberus AG filed Critical Cerberus AG
Publication of EP0588232A1 publication Critical patent/EP0588232A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0588232B1 publication Critical patent/EP0588232B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G08B17/107—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device for detecting light-scattering due to smoke
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas
    • G08B17/113—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to an optical smoke detector according to the preamble of claim 1.
  • Smoke detectors of this type are generally known. They are used in particular as automatic fire detectors for the early detection of fires.
  • Smoke detectors occupy a special position among the multitude of types of automatic fire detectors on the market, since they are best suited to detect fires at such an early stage that countermeasures can still be successfully initiated.
  • ionization smoke detectors there are two main types of smoke detectors: ionization smoke detectors and optical smoke detectors.
  • ionization smoke detectors the accumulation of air ions on smoke particles is used;
  • the second type of smoke detector uses the optical properties of aerosols to detect smoke.
  • extinction detector the weakening of a light beam by smoke
  • scattered light detector the scattering of light on smoke particles. Since the extinction due to smoke is relatively low, the measuring section must be quite long in order to enable reliable detection of smoke; or complex constructive and / or electronic measures must be taken to enable safe detection of damage fires.
  • the latter scattered light detectors are therefore the most widespread, since the measuring path can be so short that they can be designed as so-called "point detectors”.
  • the diaphragms in the measuring chamber of the smoke detector according to EP-A1-0'031'096 are also used in combination with optical converging lenses in front of the light source and the receiver to focus the light beam directed onto the measuring space or the radiation scattered from the measuring space in order to focus reduce the overall length of the smoke detector.
  • a stray radiation smoke detector was proposed in GB-A1-2'236'390 (Matsushita; April 3, 1991), which uses a wired IRED as a radiation source and as an integrated circuit on a printed circuit board Receiver has a photodiode lying flat on the print; a prism with an integrated lens serves as a deflecting and focusing element for concentrating the scattered radiation from the measuring space onto the photodiode.
  • This prism with its integrated lens is relatively expensive; in addition, the exact placement of the lens required is quite complicated.
  • the invention has for its object to provide an optical smoke detector that does not have the disadvantages of the known optical smoke detectors and, in particular, to provide an optical smoke detector which, due to its compact design and reduced number of components for one inexpensive mass production.
  • Another object of the invention is to improve the manufacturing technology, in particular to reduce the manufacturing tolerances to such an extent that the partially. adjustment work that is still required manually is eliminated or is reduced to a minimum.
  • a particular advantage of the smoke detector according to the scattered radiation principle is the expansion of the degrees of freedom State-of-the-art optical smoke detectors through the planar-optical elements (POE), such as holographic-optical elements (HOE), microfresh elements (MFE), such as, for example, microfresh reflectors (MFR) and phase-matched microfresh reflectors (PMFR), according to the present invention and in the evaluation of the polarization of the scattered radiation given improvement in the detection of different fires.
  • POE planar-optical elements
  • HOE holographic-optical elements
  • MFE microfresh elements
  • MFR microfresh reflectors
  • PMFR phase-matched microfresh reflectors
  • the detector is constructed in such a way that it has a very small number of components and an electronic circuit with components lying flat, and that it has a surface-mounted photodiode, SMD photodiode or an integrated circuit ( IC) with integrated photodiode and inexpensive and automatically populated optical elements or a surface-mounted photodiode (SMD photodiode) are used.
  • planar-optical elements as focusing optical deflection elements [holographic-optical elements (HOE), microsfresnel elements (MFE), e.g. Microfresh Reflectors (MFR) and Phase Adjusted Microfresh Reflectors (PMFR)].
  • HOE planar-optical elements
  • MFE microsfresnel elements
  • PMFR Phase Adjusted Microfresh Reflectors
  • planar-optical elements as focusing optical elements
  • HOE holographic-optical elements
  • MFE microsfresnel elements
  • PMFR phase-matched microfresh reflectors
  • microstructures that can be produced, for example, by coherent superposition of two waves (for example, the wavelength 441.6 nm [HeCd laser]) in photoresist or using a computer as a micro-relief. They can be manufactured inexpensively, for example, by replication in plastic. The micro-relief is coated with a reflective layer, for example Au or Ni.
  • Holographic-optical elements (HOE) currently have a rather small one Diffraction efficiency. The reason lies in the underdeveloped manufacturing technology. By embossing in plastic substrates, the holographic-optical elements (HOE) can be mass-produced inexpensively.
  • Microfresh elements are diffractive Fresnel lens structures in microscopic dimensions, as are mentioned as transmissive elements in US-A-4,936,666 (3M-Company; June 22, 90).
  • the production of such microfresh lenses for transmission and reflection in an on-axis configuration is described, for example, by T. Shiono et al. in Optics Letters, Vol. 15, No. 1, 84 (01/01/90).
  • the phase-adapted microfresh reflectors (PMFR) used according to the invention are a planar arrangement of inclined and curved microfaces, which consist of sections of ellipsoids. They are used as surface mirrors and are therefore covered with a reflective layer.
  • the micro surfaces are phase-matched, that is, the optical path from one focal point to the other over each of the micro surfaces always differs by an integral multiple of the light wavelength.
  • the optical smoke detectors according to the invention have the advantage that they are less sensitive to chromatic aberration than the holographic optical elements (HOE). Another advantage is that the optical smoke detectors according to the invention are more suitable for mass production.
  • the phase-matched microfresh elements (MFE) and the holographic-optical elements (HOE) are flat optical elements that can be automatically equipped and precisely placed. Both are simply constructed and can therefore be manufactured very inexpensively.
  • optical smoke detectors Another advantage of the optical smoke detectors according to the invention is that the photodiode and the control electronics of the infrared light-emitting diode (IRED) can be integrated into the integrated circuit (IC) of the receiving electronics. Only a few switching elements remain, e.g. the charging capacitor, voltage stabilization and protective elements for the communication lines that cannot be integrated into the IC. This significantly reduces the number and space requirements of the electronic components.
  • IRED infrared light-emitting diode
  • the connecting wires, which otherwise act as antennas, between the photodiode and the first stage for current / voltage conversion are very short. This makes the optical smoke detector significantly less sensitive to interference, which makes it possible to achieve detection reliability equivalent to the previous optical smoke detectors with a smaller, cheaper photodiode area and thus a lower signal level.
  • microfresh elements MFE
  • HOE holographic-optical elements
  • microfresh elements allow a design with two (or more) focal points.
  • a stray light detector of this type maps the stray volume onto two (or more) separate radiation receivers, which can be covered with crossed polarizers.
  • both photodiodes receive radiation from an identical background (assuming that radiation from the background only falls on the photodiodes after several reflections on the labyrinth and thus unpolarized).
  • the so-called basic pulses for each of the two photodiodes therefore remain the same even when the scattered light detector becomes increasingly dirty.
  • the scattered light detector according to the invention can thus be easily expanded into a detector using polarization filters without further optical elements.
  • FIG. 1 shows an optical smoke detector according to the invention, namely a scattered-light smoke detector with two planar optical elements (POE).
  • SMD-IRED surface mounting technology
  • SMD photodiode surface mounting technology
  • a planar-optical element (POE) 5 is arranged above the radiation source (SMD-IRED) 1 or above the radiation receiver (SMD photodiode) 2 in order to deflect the radiation emitted or scattered on aerosol particles.
  • HOE holographic optical elements
  • MFE microsfresnel elements
  • holographic-optical elements HOE
  • microsfresnel elements MFE
  • the surface of the diffraction-optical element acts as a diffuse scattered light source, as a result of which a considerable part of the radiation emitted by the radiation source 1 floods the measuring space 8 as diffuse radiation.
  • This scattered radiation can be a multiple of the light that is scattered on fire aerosol particles.
  • a reduction of the interference radiation requires much more complex mechanical diaphragms than were previously common.
  • FIGS. 2 and 3 show an embodiment of a scattered light smoke detector according to the invention which is improved compared to the scattered light detector according to FIG. 1, with a wired infrared light-emitting diode 1 without an optical element and with a photodiode 2 on the printed circuit board 9 and a holographic-optical element (HOE) 5 or one phase-matched microfresh reflector (PMFR) 5 shown as a deflecting element.
  • the photodiode serving as the radiation receiver 2 is located in a blackened compartment 16, which is only connected to the interior of the detector by an aperture 4.
  • the interference radiation emanating from the surface of the planar-optical element (HOE or PMFR) as diffuse scattered radiation can largely be eliminated.
  • the diaphragm opening 4 is covered with a radiation-permeable film or a polarization filter in order to keep any dust that may enter the detector from the radiation receiver.
  • a scattering angle of 70 to 110 ° is often used.
  • the use of a polarization filter with an oscillation plane which is perpendicular to the scattering plane causes an adjustment of the sensitivities of the detectors for the detection of open fires which produce aerosols with small particles and of detectors for the detection of smoldering fires which Generate aerosols (smoke) with large particles.
  • two different colored light sources e.g. red and infrared
  • two radiation receivers photodiodes
  • PMFR phase-matched microfresh reflector Due to the achromasia of the phase-adjusted microfresh reflectors (PMFR), no chromatic aberrations are to be expected as a result of the relatively broad spectral distribution of IRED and LED radiation.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the scattered light smoke detector according to the invention, but there is no planar-optical element (POE) above the radiation source 1.
  • the radiation source 1 an infrared radiation emitting diode (IRED), is mounted on the printed circuit board 4.
  • the radiation beam 6 of the radiation source 1 is kept narrow by diaphragms 4, and the radiation which is not scattered on smoke particles 12 in the direction of the planar-optical element 5 attached above the radiation receiver 2 disappears in the light sump (labyrinth) 3.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the scattered light detector according to FIG. 4, in which a flat or curved second mirror 13 is mounted above the radiation source 1, through which the light of the radiation beam 6, which is not scattered by smoke particles 12 in the direction of the radiation receiver 2, is deflected sideways into a labyrinth 3 and is absorbed there.
  • This makes it possible to mount the labyrinth 3 in a place where it can take up more space and can therefore be made more effective.
  • FIG. 6 shows the structure of a phase-adapted microfresh reflector (PMFR), as can be used in a scattered light smoke detector according to the invention, seen from above.
  • Figures 7 and 8 show Cuts through the phase-adjusted microfresh reflector (PMFR).
  • the PMFR is called "phase-adjusted" because the optical path li + l'k or li + k + l'i + k from the radiation source 1 to the radiation receiver via each of the ellipsoid micro-areas always differs by a whole multiple of the light wavelength.
  • the structure can be on the front or on the back of the substrate.
  • the latter version is the least sensitive to dust and corrosion, since the mirrored structure can be provided with a protective lacquer.
  • the phase-adjusted microfresh reflector (PMFR) can be manufactured in such a way that the structure is written in photoresist using a laser writing system. A nickel embossing stamp is made and reproduced.
  • PMFR phase-adjusted microfresh reflector
  • phase-adjusted microfresh reflectors are optimized for a wavelength of 880 nm (infrared) and have an active area of e.g. 17 x 12 mm2 varying profile depth of up to approx. 3 ⁇ m ( Figures 7 and 8).
  • the phase-adjusted microfresh reflectors (PMFR) lie on the transition zone between diffractive and purely reflective or refractive elements. Reflection or transmission takes place on the micro-surfaces and diffraction appears at the transition edges between the micro-surfaces with superimposed superposition of the refracted light component in the second focal point.
  • the phase-matched microfresh reflectors also have the advantage that they are less sensitive to chromatic aberration than the holographic optical elements (HOE).
  • FIG. 9 shows a further preferred embodiment of a scattered light detector according to the invention.
  • This scattered light detector has a planar-optical element (POE), which has a structure consisting of (concentric) areas A, B, .., which is arranged and designed such that the radiation emitted by the radiation source 1 is directed onto two different radiation receivers 21 , 22 falls.
  • POE planar-optical element
  • the radiation is deflected by the concentric zones A onto the photodiode 21 and through the zones B onto the photodiode 22; the area ratio of the sum of zones A and the sum of zones B can be chosen freely.
  • Polarization filters 14, 15, preferably those with mutually perpendicular polarization planes, can be arranged above the two radiation receivers 21, 22, which makes it possible to detect the scattered radiation after its polarization; this enables the advantages described above with regard to the adjustment of the sensitivity of the detectors for the detection of open fires and smoldering fires to be achieved.
  • two elements would be required for this, which would also represent two different areas (with different background radiation) of the measurement volume.
  • the planar-optical element (POE) described here forms one and the same area from the measurement volume.
  • the scattered radiation deflected by the planar-optical element (POE) can be divided into a plurality of radiation receivers, for example, with a planar-optical element, as shown in FIG. 11.
  • the deflection of the scattered radiation takes place here by means of a phase-adapted microfresh reflector (PMFR), as shown in FIG. 6, and the distribution of the scattered radiation among the various radiation receivers is carried out by diffraction on a linear grating superimposed on the phase-matched microfresh reflector (PMFR), the grating structure is adapted to the main wavelength of the radiation source.
  • PMFR phase-adapted microfresh reflector
  • the energy distribution within the different diffraction orders can also be selected by a suitable choice of the lattice structure, e.g. a sine grating has the diffraction orders -1, 0, +1, whereby the energy in the orders -1 and / or +1 can be made large by suitable selection of the structure depth or by suitable "blazing".
  • a rectangular grid has many orders.
  • a lattice structure of suitable shape can always be found for a freely selectable number of focal points and a freely selectable energy distribution in the focal points.
  • FIG. 10 shows an embodiment of an optical smoke detector according to the invention in which a planar-optical element (POE) is used as a deflecting mirror 5 is used.
  • the planar-optical element (POE) is shown in FIG.
  • the deflection of the scattered radiation takes place here through the elliptically arranged, phase-adapted micro-surfaces, which alternately belong to ellipsoids with different focal points, and the distribution of the scattered radiation among the different radiation receivers 21, 22, 23, 24, 25 takes place by diffraction at a phase-adapted microfresh reflector ( PMFR) superimposed, linear grating, the grating structure is adapted to the main wavelength of the radiation source.
  • PMFR phase-adapted microfresh reflector
  • the radiation source 1 consists of a radiation in the near infrared emitting diode (IRED) and a red light emitting diode (LED), which are arranged in a common housing.
  • the structure of the linear grating of the mirror 5 is selected so that the radiation is deflected to five different focal points, in which radiation receivers 21, 22, 23, 24, 25 are located.
  • polarization filters 14 with parallel polarization planes are arranged in front of two of the radiation receivers 21, 22, while polarization filters 15, whose polarization planes are perpendicular to the polarization planes of the first two polarization filters 14, are arranged in front of two other radiation receivers 24, 25. There is no polarization filter in front of one of the radiation receivers 23, so that this radiation receiver 23 receives light of all wavelengths and all polarization planes.
  • First radiation receiver 21 infrared light, polarized perpendicularly (to the scattering plane); second radiation receiver 22: red light, vertically polarized; third radiation receiver 23: infrared light and red light, not polarized; fourth radiation receiver 24: red light polarized in parallel; fifth radiation receiver 25: infrared light, polarized in parallel.
  • First radiation receiver 21 infrared light, polarized perpendicularly (to the scattering plane); second radiation receiver 22: red light, vertically polarized; third radiation receiver 23: infrared light and red light, not polarized; fourth radiation receiver 24: red light polarized in parallel; fifth radiation receiver 25: infrared light, polarized in parallel.
  • FIG. 12 shows a cross section through a smoke detector according to the invention based on the extinction principle.
  • a planar-optical one Element (POE) 5 arranged by which the radiation from the radiation source 1 is combined to form an approximately parallel radiation beam 6.
  • a second planar-optical element 23 is arranged in front of a radiation receiver 2, by means of which the radiation which has passed through the measurement volume 8 is focused on the radiation receiver 2.
  • planar-optical elements can also be used, which are arranged at an angle of, for example, 45 ° to the radiation in the measurement volume 8 (cf. FIG. 13).
  • FIG. 14 shows a further embodiment of a scattered light smoke detector according to the invention with a wired diode 1 emitting infrared light without an optical element and with a photodiode 2 on the printed circuit board 9 and an ellipsoid mirror 24 as a deflection element.
  • the photodiode serving as the radiation receiver 2 is located in a blackened compartment 16, which is only connected to the interior of the detector by an aperture 4.

Abstract

Ein verbesserter optischer Rauchmelder wird erhalten, wenn in dem Strahlengang zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) mindestens ein planar-optisches Element (5) angeordnet ist. Dieses Element kann entweder ein diffraktives Element, vorzugsweise ein holographisch-optisches Eleement (HOE), oder ein Mikrofresnelreflektor (MFR) sein. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optischen Rauchmelder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Rauchmelder dieser Art sind allgemein bekannt. Sie werden insbesondere als automatische Brandmelder zur Früherkennung von Bränden eingesetzt.
  • Unter der Vielzahl der auf dem Markt befindlichen Typen von automatischen Brandmeldern nehmen die Rauchmelder eine besondere Stellung ein, da sie am besten geeignet sind, Brände in einem derart frühen Zeitpunkt zu erkennen, daß Gegenmaßnahmen noch erfolgreich eingeleitet werden können.
  • Man unterscheidet im wesentlichen zwei Arten von Rauchmeldern: Ionisationsrauchmelder und optische Rauchmelder. Bei den Ionisationsrauchmeldern wird die Anlagerung von Luftionen an Rauchpartikel ausgenutzt; bei der zweiten Art von Rauchmeldern werden die optischen Eigenschaften von Aerosolen zur Detektion von Rauch herangezogen. Hierbei nutzt man entweder die Schwächung eines Lichtstrahls durch Rauch ("Extinktionsmelder") oder die Streuung von Licht an Rauchteilchen ("Streulichtmelder") aus. Da die Extinktion durch Rauch verhältnismäßig gering ist, muß die Meßstrecke ziemlich lang sein, um eine sichere Detektion von Rauch zu ermöglichen; oder es müssen aufwendige konstruktive und/oder elektronische Maßnahmen ergriffen werden, um eine sichere Detektion von Schadenfeuern zu ermöglichen. Die letztgenannten Streulichtmelder, sind daher am weitesten verbreitet, da bei ihnen die Meßstrecke so kurz sein kann, daß sie als sogenannte "Punktmelder" ausgebildet sein können.
  • In der DE-A1-28'22'547 (Hochiki Corp.; 07.12.78) ist ein Linienextinktionsmelder beschrieben, bei dem ein Sender Licht aussendet. Ein Teil des ausgesandten Lichts fällt auf einen Strahlungsempfänger nachdem er eine Meßstrecke durchlaufen hat. Bei Anwesenheit von Rauch in der Meßstrecke wird das Ausgangssignal des Strahlungsempfängers in Abhängigkeit von der Rauchdichte verringert und das Ausgangssignal wird einer Schwellenwert- und Vergleichsschaltung zugeführt, wobei in einer nachgeschalteten Auswerteschaltung ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn das Ausgangssignal einen vorbestimmten Wert, die Alarmschwelle, unterschreitet. Sowohl vor der Strahlungsquelle als vor dem Strahlungsempfänger sind Linsen angeordnet, um den Lichtstrahl, der die Meßstrecke durchläuft, zu bündeln. Die Bündelungssysteme sind konstruktiv sehr aufwendig.
  • Die meisten älteren optischen Rauchmelder, die nach dem Lichtstreuungsprinzip arbeiten, nützen die Vorwärtsstreuung aus. Hierbei verursachen große Rauchaerosolteilchen einen starken Effekt, während kleine Rauchteilchen nur wenig Streulicht verursachen. Rauchmelder, welche die Rückwärtsstreuung ausnutzen, haben eine gleichmäßigere Empfindlichkeit, was einen universelleren Einsatz ermöglicht. Die schwächere Streulichtintensität erfordert jedoch einen höheren elektronischen Aufwand. Außerdem ist die Gefahr, daß Streulicht von den Wänden des Gehäuses auf den Empfänger reflektiert wird, besonders groß, so daß ein kompliziertes optisches Labyrinth (beispielsweise eine Vielzahl von Blenden, wie bei der EP-A1-0'031'096) erforderlich ist, um Reflexionen im Inneren des Melders vom Strahlungsempfänger fernzuhalten.
  • Die Blenden in der Meßkammer des Rauchmelders gemäß EP-A1-0'031'096 dienen außerdem dazu in Kombination mit optischen Sammellinsen vor der Lichtquelle und dem Empfänger den auf den Meßraum gerichteten Lichtstrahl, bzw. die aus dem Meßraum gestreute Strahlung zu fokussieren, um die Baulänge des Rauchmelders zu reduzieren.
  • Die Verringerung der Baugröße von Rauchmeldern ist nicht nur aus ästhetischen Gründen erwünscht, sondern wird auch aus Gründen der vereinfachten Massenherstellung der Rauchmelder angestrebt. So wurde beispielsweise in der DE-A1-37'43'737 (Hochiki; 07.07.88) ein Rauchmelder vorgeschlagen, bei dem es durch eine spezielle Formgebung gelungen ist, die Melderdimensionen zu verringern. Die wirtschaftliche Massenproduktion wird aber beispielsweise dadurch erschwert, daß eine Leiterplatte in einem separaten Arbeitsgang, eventuell von Hand, mit einer bedrahteten Photodiode bestückt werden muß.
  • Dabei darf jedoch nicht außer acht gelassen werden, daß störende Streustrahlung (die beispielsweise durch Verschmutzung verursacht sein kann) aus dem Meßkammerraum auf den lichtempfindlichen Empfänger treffen kann. In der DE-A1-38'31'654 (Beyersdorf; 22.03.90) wurde vorgeschlagen, die Verschmutzung der Meßkammer durch eine zweite Photodiode zu messen und gegebenenfalls einen Alarm zu verhindern, wenn die Verschmutzung einen vorgegebenen Wert übersteigt.
  • Um die Dimensionen und die Zahl der Bauteile zu verringern, wurde in der GB-A1-2'236'390 (Matsushita; 03.04.91) ein Streustrahlungsrauchmelder vorgeschlagen, der auf einer auf einem Print plazierten integrierten Schaltung eine bedrahtete IRED als Strahlungsquelle und als Empfänger eine Photodiode, die flach auf dem Print liegt, aufweist; dabei dient ein Prisma mit integrierter Linse als Umlenk- und Fokussierelement für die Konzentration der Streustrahlung aus dem Meßraum auf die Photodiode. Dieses Prisma ist mit seiner integrierten Linse relativ kostenaufwendig; außerdem ist die erforderliche genaue Plazierung der Linse ziemlich kompliziert.
  • In der nicht vorveröffentlichten CH-Patentanmeldung 2719/91-0 {C_371_CH, "Polar. Rauchmelder"} und der EP-A1-0'462'642 (Ajax de Boer;27.12.91) sind Streulichtrauchmelder beschrieben, bei denen die Polarisation des gestreuten Lichts zur Erkennung der Rauchkonzentration, der Partikelgröße und z.T. der Form der Partikeln ausgenutzt wird. Damit kann ein gleichmäßigeres Ansprechen des Rauchmelders auf unterschiedliche Brandtypen erreicht werden. Die Patentdokumente geben keine Anhaltspunkte für ein kompakteres Design oder eine vereinfachte Konstruktion von optischen Rauchmeldern.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Rauchmelder zu schaffen, der die genannten Nachteile der bekannten optischen Rauchmelder nicht aufweist und insbesondere einen optischen Rauchmelder zu schaffen, welcher sich durch seine kompakte Bauweise und verringerte Zahl von Bauteilen für eine kostengünstige Massenproduktion eignet.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Fertigungstechnologie so zu verbessern, insbesondere die Fertigungstoleranzen so weit zu verringern, daß die z.T. noch manuell erforderliche Abgleicharbeit entfällt oder doch auf ein Minimum reduziert wird.
  • Diese Aufgabe wird bei einem optischen Rauchmelder der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Rauchmelders nach dem Streustrahlungsprinzip besteht in der Erweiterung der Freiheitsgrade der optischen Rauchmelder des Standes der Technik durch die planar-optischen Elemente (POE), wie holographisch-optische Elemente (HOE), Mikrofresnelelemente (MFE), wie z.B. Mikrofresnelreflektoren (MFR) und phasenangepaßte Mikrofresnelreflektoren (PMFR), gemäß vorliegender Erfindung und in der durch die Auswertung der Polarisation der Streustrahlung gegebenen Verbesserung der Erkennung unterschiedlicher Brände.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Rauchmelders besteht darin, daß der Melder so konstruiert ist, daß er eine sehr geringe Anzahl von Bauteilen und eine elektronische Schaltung mit flach liegenden Komponenten aufweist und daß bei ihm eine oberflächenmontierte Photodiode, SMD-Photodiode oder ein integrierter Schaltkreis (IC) mit integrierter Photodiode und kostengünstig und automatisch bestückbare optische Elementen oder eine oberflächenmontierte Photodiode (SMD-Photodiode) zur Anwendung kommen.
  • Die Tatsache, daß bei dem erfindungsgemäßen optischen Rauchmelder nach dem Streustrahlungsprinzip die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung und die von den Rauchteilchen zum Strahlungsempfänger gestreute Strahlung praktisch parallel zur Raumdecke geführt wird, ermöglicht eine sehr flache Bauweise des Melders. Diese Strahlungsführung wird durch die Verwendung von planar-optischen Elementen (POE) als fokussierende optische Umlenkelemente [holographisch-optische Elemente (HOE), Mikrosfresnelelemente (MFE), wie z.B. Mikrofresnelreflektoren (MFR) und phasenangepaßte Mikrofresnelreflektoren (PMFR)] erreicht.
  • Auch bei einem erfindungsgemäßen Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip ermöglicht die Verwendung von planar-optischen Elementen (POE) als fokussierende optische Elemente [holographisch-optische Elemente (HOE), Mikrosfresnelelemente (MFE), wie z.B. Mikrofresnelreflektoren (MFR) und phasenangepaßte Mikrofresnelreflektoren (PMFR)] eine vereinfachte Bauweise der Rauchmelder, was eine billige Massenproduktion ermöglicht.
  • Dabei sind Mikrostrukturen, die z.B. durch kohärente Überlagerung zweier Wellen (z.B. der Wellenlänge 441,6 nm [HeCd-Laser]) in Photolack oder mit Hilfe eines Computers als Mikro-Relief hergestellt werden können. Sie können z.B. durch Replikation in Kunststoff kostengünstig hergestellt werden. Das Mikro-Relief ist mit einer reflektiven Schicht, z.B. Au oder Ni, überzogen. Holographisch-optische Elemente (HOE) weisen im Moment eine eher noch kleine Beugungseffizienz auf. Der Grund liegt in der noch zu wenig ausgereiften Herstellungstechnologie. Durch Prägen in Kunststoffsubstrate können die holographisch-optischen Elemente (HOE) kostengünstig als Massenprodukte hergestellt werden.
  • Mikrofresnelelemente (MFE) sind diffraktive Fresnellinsenstrukturen in mikroskopischer Abmessung, wie sie als transmissive Elemente in der US-A-4,936,666 (3M-Company; 22.06.90) erwähnt werden. Die Herstellung solcher Mikrofresnellinsen für Transmission und Reflexion in einer on-axis Konfiguration ist beispielsweise von T. Shiono et al. in Optics Letters, Vol. 15, No. 1, 84 (01.01.90), beschrieben. Die erfindungsgemäß verwendeten phasenangepaßten Mikrofresnelreflektoren (PMFR) sind eine planare Anordnung von geneigten und gekrümmten Mikroflächen, die aus Ausschnitten von Ellipsoiden bestehen. Sie werden als Oberflächenspiegel gebraucht und sind deshalb mit einer reflektiven Schicht überzogen. Die Mikroflächen sind phasenangepaßt, das heißt, der optische Weg von einem Brennpunkt zum andern über jede der Mikroflächen unterscheidet sich immer um ein ganzzahliges Vielfaches der Lichtwellenlänge.
  • Die erfindungsgemäßen optischen Rauchmelder haben den Vorteil, daß sie weniger empfindlich gegenüber chromatischer Aberration sind als die holographisch-optischen Elemente (HOE). Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die erfindungsgemäßen optischen Rauchmelder besser für die Massenproduktion eignen. Die phasenangepaßten Mikrofresnelelemente (MFE) und die holographisch-optischen Elemente (HOE) sind ebene optische Elemente, die automatisch bestückt und genau plaziert werden können. Beide sind einfach konstruiert und können daher sehr preiswert hergestellt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Rauchmelder besteht darin, daß die Photodiode und die Ansteuerelektronik der Infrarotlicht emittierenden Diode (IRED) in den integrierten Schaltkreis (IC) der Empfangselektronik integriert werden können. Es verbleiben nur noch wenige Schaltelemente, wie z.B. der Ladekondensator, die Spannungsstabilisierung und Schutzelemente für die Kommunikationsleitungen, die nicht in den IC integriert werden können. Die Zahl und der Platzbedarf der Elektronikkomponenten werden dadurch erheblich herabgesetzt.
  • Mit der Integration der Photodiode und der Empfangselektronik in einen IC werden die sonst als Antennen wirkenden Verbindungsdrähte zwischen Photodiode und der ersten Stufe zur Strom/Spannungs-Wandlung sehr kurz. Der optische Rauchmelder wird dadurch wesentlich störungsunempfindlicher, was es ermöglicht, mit einer kleineren, preiswerteren Photodiodenfläche und damit tieferem Signalniveau ein den bisherigen optischen Rauchmeldern gleichwertige Detektionssicherheit zu erreichen.
  • Die Mikrofresnelelemente (MFE) und die holographisch-optischen Elemente (HOE) erlauben eine größere optische Apertur als konventionelle Linsen. Es gelingt somit mehr Streustrahlung aufzufangen und die Signale auf ein höheres Detektionsnineau zu heben mit dem Vorteil besserer Immunität gegen elektrische Störeinflüsse.
  • Ferner erlauben die Mikrofresnelelemente (MFE) ein Design mit zwei (oder mehreren) Brennpunkten. Ein Streulichtmelder dieser Art bildet das Streuvolumen auf zwei (oder mehrere) separate Strahlungsempfänger ab, die mit gekreuzten Polarisatoren bedeckt werden können. Beide Photodioden erhalten in Abwesenheit von Rauch Strahlung von identischem Hintergrund (unter der Annahme, daß Strahlung vom Hintergrund erst nach mehreren Reflexionen am Labyrinth und damit unpolarisiert auf die Photodioden fällt). Die sogenannten Grundpulse für je die beiden Photodioden bleiben also auch bei wachsender Verschmutzung des Streulichtmelders gleich. Damit kann der erfindungsgemäße Streulichtmelder ohne weitere optische Elemente auf einfache Art zu einem Melder unter Verwendung von Polarisationsfiltern ausgebaut werden.
  • Im folgenden wird die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausfünrungsformen näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1
    einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Streulichtrauchmelder mit zwei planaren optischen Elementen (POE),
    Figur 2
    einen Horizontalschnitt durch eine andere Ausfünrungsform eines erfindungsgemäßen Streulichtrauchmelders mit einer Strahlungsquelle ohne optisches Element und einer Photodiode mit einem planaren optischen Element als Umlenkelement darüber.
    Figur 3
    einen Vertikalschnitt durch den Streulichtrauchmelder gemäss Figur 2 entlang der Linie A...B (Photodiodenkompartment und Meßvolumen),
    Figur 4
    eine weitere Ausfünrungsform eines Streulichtrauchmelders gemäß Figur 1 mit Strahlungsquelle auf dem Print und planarem optischen Element über dem Strahlungsempfänger,
    Figur 5
    eine weitere Ausfünrungsform eines Streulichtrauchmelders gemäß Figur 4 mit zusätzlichem ebenen oder gekrümmten Spiegel,
    Figur 6
    die Draufsicht auf die Struktur eines phasenangepaßten Mikrofresnelreflektors (PMFR),
    Figur 7
    einen Querschnitt durch einen phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR) gemäß Figur 6, bei dem die Mikrostruktur auf der Vorderseite des Substrates liegt,
    Figur 8
    einen Querschnitt durch einen phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR) gemäß Figur 6, bei dem die Mikrostruktur auf der Rückseite des Substrates liegt,
    Figur 9
    eine weitere Ausfünrungsform eines optischen Rauchmelders mit einem planaren optischen Element, welches die Strahlung auf zwei Strahlungsempfänger konzentriert und Polarisatoren unterschiedlicher Polarisationsebene in jedem der Strahlengänge,
    Figur 10
    eine weitere Ausfünrungsform eines optischen Rauchmelders mit einem planaren optischen Element, dem ein Gitter überlagert ist, welches die Strahlung auf mehrere Strahlungsempfänger konzentriert und Polarisatoren unterschiedlicher Polarisationsebene in jedem der Strahlangänge,
    Figur 11
    die Draufsicht auf einen phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR) mit aufgeprägtem linearem Gitter,
    Figur 12
    einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Extinktionsrauchmelder mit transmissiven planar-optischen Elementen,
    Figur 13
    einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Extinktionsrauchmelder mit reflektiven planar-optischen Elementen und
    Figur 14
    einen Vertikalschnitt durch einen Streulichtrauchmelder mit Ellipsoidspiegel.
  • In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer optischer Rauchmelder und zwar ein Streulichtrauchmelder mit zwei planaren optischen Elementen (POE) dargestellt. Es sind eine Infrarotlicht aussendende Diode 1 in Oberflächen-Montage-Technik (SMD-IRED) und eine Photodiode 2 in Oberflächen-Montage-Technik (SMD-Photodiode) auf einer Printplatte 9 montiert. Ein planar-optisches Element (POE) 5 ist jeweils über der Strahlungsquelle (SMD-IRED) 1, bzw. über dem Strahlungsempfänger (SMD-Photodiode) 2 angeordnet, um die ausgesandte, bzw. an Aerosolteilchen gestreute Strahlung umzulenken. Hierbei sind zwei ablenkende und fokussierende optische Elemente erforderlich, beispielsweise zwei holographisch-optische Elemente (HOE) 5 oder zwei Mikrosfresnelelemente (MFE) 5.
  • Mit den z. Zt. erhältlichen holographisch-optischen Elementen (HOE) und Mikrosfresnelelementen (MFE) können bei der Realisierung eines den konventionellen Streulichtmeldern gleichwertigen, erfindungsgemäßen Streulichtrauchmelders gewisse Schwierigkeiten auftreten, da beugungsoptische Elemente nur mit einem Wirkungsgrad hergestellt werden können, der weit unter 100 % liegt. Als Folge davon wirkt die Oberfläche des beugungs-optischen Elements als diffuse Streulichtquelle, wodurch ein beträchtlicher Teil der von der Strahlungsquelle 1 ausgesandten Strahlung als diffuse Strahlung den Meßraum 8 überschwemmt. Diese Streustrahlung kann ein Mehrfaches des Lichtes betragen, das an Brandaerosolteilchen gestreut wird. Eine Reduktion der Störstrahlung erfordert wesentlich aufwendigere mechanische Blenden als sie bisher üblich waren.
  • In den Figuren 2 und 3 ist eine gegenüber dem Streulichtmelder gemäß Figur 1 verbesserte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Streulichtrauchmelders mit einer bedrahteten Infrarotlicht aussendenden Diode 1 ohne optisches Element und mit einer Photodiode 2 auf der Printplatte 9 und einem holographisch-optischen Element (HOE) 5 oder einem phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR) 5 als Umlenkelement dargestellt. Die als Strahlungsempfänger 2 dienende Photodiode befindet sich in einem geschwärzten Fach 16, das nur durch eine Blende 4 mit dem Melderinneren verbunden ist. Dadurch kann die von der Oberfläche des planar-optischen Elements (HOE oder PMFR) als diffuse Streustrahlung ausgehende Störstrahlung weitgehend ausgeschaltet werden.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform (s. Figur 3) ist die Blendenöffnung 4 mit einer strahlungsdurchlässigen Folie oder einem Polarisationsfilter abgedeckt, um eventuell in das Melderinnere eindringenden Staub von dem Strahlungsempfänger abzuhalten. Bei Streulichtrauchmeldern wird häufig ein Streuwinkel von 70 bis 110° verwendet. Bei solchen Meldern wird durch die Verwendung eines Polarisationsfilters mit einer Schwingungsebene, die senkrecht zur Streuebene steht, bewirkt, daß eine Angleichung der Empfindlichkeiten der Melder zur Detektion von offenen Bränden, die Aerosole mit kleinen Partikeln erzeugen, und von Meldern zur Detekton von Schwelbränden, die Aerosole (Rauch) mit großen Partikeln erzeugen, erfolgt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfünrungsform des vorstehend beschriebenen Streulichtmelders werden zwei nahe beieinander liegende verschiedenfarbige Lichtquellen (z.B. rot und infrarot) verwendet. In diesem Fall werden zwei Strahlungsempfänger (Photodioden) verwendet, die an den Stellen angebracht sind, an denen die Strahlung durch den phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR) fokussiert wird. Auf Grund der Achromasie der phasenangepaßten Mikrofresnelreflektoren (PMFR) sind keine chromatischen Aberrationen als Folge der relativ breiten spektralen Verteilung von IRED- und LED-Strahlung zu erwarten.
  • In Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Streulichtrauchmelders dargestellt, es befindet sich aber über der Strahlungsquelle 1 kein planar-optisches Element (POE). Die Strahlungsquelle 1, eine Infrarotstrahlung aussendende Diode (IRED), ist auf der Printplatte 4 montiert. Das Strahlungsbündel 6 der Strahlungsquelle 1 wird durch Blenden 4 schmal gehalten, und die nicht an Rauchpartikeln 12 in Richtung des oberhalb des Strahlungsempfängers 2 angebrachten planar-optischen Elements 5 gestreute Strahlung verschwindet im Lichtsumpf (Labyrinth) 3.
  • In Figur 5 ist eine weitere Ausgestaltung des Streulichtmelders gemäß Figur 4 dargestelt, bei dem oberhalb der Strahlungsquelle 1 ein ebener oder gekrümmter zweiter Spiegel 13 angebracht ist, durch den das Licht des Strahlungsbündels 6, das nicht an Rauchteilchen 12 in Richtung Strahlungsempfänger 2 gestreut wird, seitwärts in ein Labyrinth 3 abgelenkt und dort absorbiert wird. Dadurch wird es ermöglicht, das Labyrinth 3 an einer Stelle anzubringen, wo es mehr Raum einnehmen kann und daher wirksamer gestaltet werden kann.
  • In Figur 6 ist die Struktur eines phasenangepaßten Mikrofresnelreflektors (PMFR), wie er in einem erfindungsgemäßen Streulichtrauchmelder verwendet werden kann, von oben gesehen, dargestellt. Die Figuren 7 und 8 zeigen Schnitte durch den phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR). Die PMFR heißen "phasenangepaßt", weil der optische Weg li + l'k, bzw. li+k + l'i+k von der Strahlungsquelle 1 zum Strahlungsempfänger über jede der Ellipsoid-Mikroflächen sich immer um ein ganzes Vielfaches der Lichtwellenlänge unterscheidet.
  • Die Struktur kann auf der Vorderseite oder auf der Rückseite des Substrates liegen. Die, letztgenannte Ausführung ist die am wenigsten staubund korrosionsempfindliche, da die verspiegelte Struktur mit einem Schutzlack versehen werden kann. Die Herstellung des phasenangepaßten Mikrofresnelreflektors (PMFR) kann so erfolgen, daß die Struktur mit einem Laserschreibsystem in Photolack geschrieben wird. Davon wird ein Nickel-Prägestempel hergestellt und vervielfältigt. Durch Prägen in Kunststoffsubstrate, wie Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polycarbonat (PC), können nun die phasenangepaßten Mikrofresnelreflektoren (PMFR) kostengünstig in großen Mengen produziert werden.
  • Die phasenangepaßten Mikrofresnelreflektoren (PMFR) sind für eine Wellenlänge von 880 nm (Infrarot) optimiert und weisen eine über die aktive Fläche von z.B. 17 x 12 mm² variierende Profiltiefe von bis zu ca. 3 µm auf (Figuren 7 und 8). Die phaseangepaßten Mikrofresnelreflektoren (PMFR) liegen auf der Übergangszone zwischen diffraktiven und rein reflektiven oder refraktiven Elementen. An den Mikroflächen erfolgt Reflexion oder Transmission und an den Übergangsrändern zwischen den Mikroflächen erscheint Diffraktion mit phasengleicher Superposition des gebrochenen Lichtanteils im zweiten Brennpunkt. Die phasenangepaßten Mikrofresnelreflektoren (PMFR) haben, wie gesagt, außerdem den Vorteil, daß sie weniger empfindlich auf chromatische Aberration sind als die holographisch-optischen Elemente (HOE).
  • In Figur 9 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Streulichtmelders dargestellt. Dieser Streulichtmelder weist ein planar-optisches Element (POE) auf, das eine aus (konzentrischen) Bereichen A,B,.. bestehende Struktur besitzt, die so angeordnet und ausgebildet ist, daß die von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlung auf zwei verschiedene Strahlungsempfänger 21, 22 fällt. Beispielsweise wird die Strahlung durch die konzentrischen Zonen A auf die Photodiode 21 und durch die Zonen B auf die Photodiode 22 umgelenkt; das Flächenverhältnis der Summe der Zonen A und der Summe der Zonen B kann dabei frei gewählt werden.
  • Über den beiden Strahlungsempfängern 21, 22 können Polarisationsfilter, 14, 15, vorzugsweise solche mit senkrecht aufeinanderstehenden Polarisationsebenen, angeordnet werden, wodurch eine Detektion der Streustrahlung nach ihrer Polarisation möglich ist; dadurch können die weiter oben beschriebenen Vorteile hinsichtlich der Angleichung der Empfindlichkeit der Melder zur Detektion von offenen Bränden und von Schwelbränden erzielt werden. Mit den bisher bekannten Optiken wären dazu zwei Elemente erforderlich, welche zudem zwei unterschiedliche Bereiche (mit unterschiedlicher Hintergrundstrahlung) des Meßvolumens abbilden würden. Demgegenüber bildet das hier beschriebene planar-optische Element (POE) ein und denselben Bereich aus dem Meßvolumen ab. Durch den Einsatz zweier Strahlungsquellen kann man vier Brennpunkte erhalten, wodurch eine Analyse der Streustrahlung nach Farbe und Polarisation möglich ist.
  • Eine Aufteilung der vom planar-optischen Element (POE) abgelenkten Streustrahlung auf mehrere Strahlungsempfänger kann beispielsweise auch mit einem planar-optischen Element, wie es in Figur 11 dargestellt ist, vorgenommen werden. Die Ablenkung der Streustrahlung erfolgt hierbei durch einen phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR), wie er in Figur 6 dargestellt ist, und die Aufteilung der Streustrahlung auf die verschiedenen Strahlungsempfänger erfolgt durch Beugung an einem dem phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR) überlagerten, linearen Gitter, wobei die Gitterstruktur an die Hauptwellenlänge der Strahlungsquelle angepaßt ist.
  • Je nach der Struktur des überlagerten Gitters können ein, zwei oder mehr Beugungsordnungen (=Brennpunkte) erhalten werden. Die Energieverteilung innerhalb der unterschiedlichen Beugungsordnungen kann ebenfalls durch passende Wahl der Gitterstruktur gewählt werden, z.B. hat ein Sinusgitter die Beugungsordnungen -1, 0, +1, wobei die Energie in den Ordnungen -1 und/oder +1 durch geeignete Wahl der Strukturtiefe oder durch geeignetes "Blazing" groß gemacht werden kann. Im Gegensatz dazu hat ein Rechteckgitter sehr viele Ordnungen. Noch weitergehend kann für eine frei wählbare Anzahl von Brennpunkten und eine frei wählbare Energieverteilung in den Brennpunkten immer eine Gitterstruktur geeigneter Formgebung gefunden werden.
  • In Figur 10 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, optischen Rauchmelders dargestellt, in dem ein planar-optisches Element (POE) als Umlenkspiegel 5 verwendet wird. In Figur 11 ist das planar-optische Element (POE) dargestellt. Die Ablenkung der Streustrahlung erfolgt hierbei durch die elliptisch angeordneten, phasenangepaßten Mikroflächen, die abwechselnd zu Ellipsoiden mit unterschiedlichen Brennpunkten gehören, und die Aufteilung der Streustrahlung auf die verschiedenen Strahlungsempfänger 21, 22, 23, 24, 25 erfolgt durch Beugung an einem dem phasenangepaßten Mikrofresnelreflektor (PMFR) überlagerten, linearen Gitter, wobei die Gitterstruktur an die Hauptwellenlänge der Strahlungsquelle angepaßt ist.
  • Die Strahlungsquelle 1 besteht aus einer Strahlung im nahen Infrarot aussendenden Diode (IRED) und einer rotes Licht aussendenden Diode (LED), welche in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die Struktur des linearen Gitters des Spiegels 5 ist so gewählt, daß die Strahlung auf fünf verschiedene Brennpunkte, in denen sich Strahlungsempfänger 21, 22, 23, 24, 25 befinden, umgelenkt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind vor zwei der Strahlungsempfänger 21, 22, Polarisationsfilter 14 mit parallelen Polarisationsebenen angeordnet, während vor zwei anderen Strahlungsempfängern 24, 25 Polarisationsfilter 15, deren Polarisationsebenen senkrecht zu den Polarisationsebenen der beiden erstgenannten Polarisationsfilter 14 steht, angeordnet sind. Vor einem der Strahlungsempfänger 23 befindet sich kein Polarisationsfilter, so daß dieser Strahlungsempfänger 23 Licht aller Wellenlängen und aller Polarisationsebenen empfängt.
  • Auf die Strahlungsempfänger kann dann beispielsweise folgende Strahlung auffallen: Erster Strahlungsempfänger 21: Infrarotlicht, senkrecht (zur Streuebene) polarisiert; zweiter Strahlungsempfänger 22: rotes Licht, senkrecht polarisiert; dritter Strahlungsempfänger 23: Infrarotlicht und rotes Licht, nicht polarisiert; vierter Strahlungsempfänger 24: rotes Licht parallel polarisiert; fünfter Strahlungsempfänger 25: Infrarotlicht, parallel polarisiert. - Dadurch wird es bei einer entsprechenden Auslegung der Auswerteschaltung ermöglicht, festzustellen, ob die im Meßvolumen 8 gestreute Strahlung von großen oder kleinen Rauchpartikeln stammt. Dadurch kann auch ein gleichmäßigeres Ansprechverhalten der Rauchmelder gegenüber unterschiedlichen Bränden (offene Feuer - kleine Rauchteilchen oder Schwelbrände - große Rauchteilchen) erzielt werden.
  • Figur 12 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip. Vor einer Strahlungsquelle 1 ist ein planaroptisches Element (POE) 5 angeordnet durch den die Strahlung der Strahlungsquelle 1 zu einem annähernd parallelen Strahlungsbündel 6 zusammengefaßt wird. Vor einem Strahlungsempfänger 2 ist ein zweites planar-optisches Element 23 angeordet, durch das die Strahlung, die das Meßvolumen 8 passiert hat, auf den Strahlungsempfänger 2 fokussiert wird. Anstelle der transmissiven planar-optischen Elemente 5, 23 können auch reflektive, planar-optische Elemente verwendet werden, die im Winkel von beispielsweisse 45° zu der Strahlung im Meßvolumen 8 angeordnet sind (vgl. Figur 13).
  • In der Figur 14 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Streulichtrauchmelders mit einer bedrahteten Infrarotlicht aussendenden Diode 1 ohne optisches Element und mit einer Photodiode 2 auf der Printplatte 9 und einem Ellipsoidspiegel 24 als Umlenkelement dargestellt. Die als Strahlungsempfänger 2 dienende Photodiode befindet sich in einem geschwärzten Fach 16, das nur durch eine Blende 4 mit dem Melderinneren verbunden ist.
  • Abwandlungen der vorbeschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Rauchmelders sind im Rahmen der Erfindung gemäß den Ansprüchen möglich und dem Fachmann geläufig.
    Figure imgb0001

Claims (18)

  1. Optischer Rauchmelder mit mindestens einer Strahlungsquelle (1), mindestens einem Strahlungsempfänger (2), einer zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) befindlichen gegen die Außenatmosphäre offenen Meßstrecke (8), wobei der Strahlungsempfänger (2) die Strahlungsveränderungen, die von in der Meßstrecke (8) vorhandenen Rauchteilchen (12) hervorgerufen werden, detektiert und in Abhängigkeit von der auffallenden Strahlung ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, sowie einer elektronischen Auswerteschaltung, welche das von dem Strahlungsempfänger (2) abgegebene elektrische Signal auswertet und ein Alarmsignal abgibt, wenn das Ausgangssignal eine vorbestimmte Signatur annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) mindestens ein planar-optisches Element (5) angeordnet ist.
  2. Optischer Rauchmelder gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet und eine gegen die Außenatmosphäre offene Meßkammer (8), mindestens eine Strahlungsquelle (1), mindestens einen Strahlungsempfänger (2), welcher Strahlung, die von in der Meßkammer (8) vorhandenen Rauchteilchen (12) gestreut wird, detektiert und in Abhängigkeit von der auffallenden Strahlung ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, ein Labyrinth (3), welches in die Meßkammer eingedrungene oder dort entstandene Störstrahlung absorbiert, sowie eine elektronische Auswerteschaltung aufweist, welche das von dem Strahlungsempfänger (2) abgegebene elektrische Signal auswertet und ein Alarmsignal abgibt, wenn das Ausgangssignal eine vorbestimmte Signatur annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) mindestens ein planar-optisches Element (5), vorzugsweise ein holographischoptisches Element (HOE), oder ein Mikrofresnelreflektor (MFR), angeordnet ist.
  3. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das planar-optische Element (5) ein reflektives Element ist und daß sich die Mikroflächenstruktur auf der Vorderseite des reflektiven Elements (5) befindet.
  4. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das planar-optische Element (5) ein reflektives Element ist und daß sich die Mikroflächenstruktur auf der Rückseite des reflektiven Elements (5) befindet.
  5. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das planar-optische Element (5) ein Mikrofresnelreflektor (MFR) ist, dessen Oberflächenstruktur so angeordnet und eingerichtet ist, daß der Wegunterschied von Strahlen, die von diesem reflektiert werden, über die verschiedenen Mikroflächen ein ganzzahliges Vielfaches der zentralen Lichtwellenlänge Lambda, vorzugsweise der Wellenlänge von 880 µm, beträgt.
  6. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) und der Strahlungsempfänger (2) auf einer Printplatte (9) angeordnet sind und daß über der Strahlungsquelle (1) oder über dem Strahlungsempfänger (2) ein planar-optisches Element (5) angeordnet ist.
  7. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) und der Strahlungsempfänger (2) auf einer Printplatte (9) angeordnet sind und daß über der Strahlungsquelle (1) und über dem Strahlungsempfänger (2) planar-optische Elemente (5) angeordnet sind.
  8. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß über der Strahlungsquelle (1) ein ebener oder gekrümmter zweiter Spiegel (13) so angeordnet ist, daß das nicht an Rauchpartikeln (12) gestreute Licht in das Labyrinth (3) gelenkt wird.
  9. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) eine Infrarotstrahlung aussendende Diode oder eine Laserdiode ist.
  10. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem auf einer Printplatte (9) angeordneten Strahlungsempfänger (2) ein Polarisationsfilter (15), vorzugsweise ein Polarisationsfilter mit einer Polarisationsebene senkrecht zu der durch die Ausbreitungsrichtung der Strahlung von der Strahlungsquelle (1) und dem Strahlungsempfänger (2) definierten Streuebene, angeordnet ist.
  11. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens zwei nahe beieinander liegende verschiedenfarbige Strahlungsquellen (1), mindestens zwei örtlich getrennte Strahlungsempfänger (2) und im Strahlengang ein planar-optisches Element (5) aufweist.
  12. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Strahlungsquelle (1) und zwei räumlich voneinander getrennte Strahlungsempfänger (21, 22), sowie ein planar-optisches Element (5) aufweist, dessen die auftreffende Strahlung umlenkende Oberfläche zwei Bereiche (A, B) aufweist, die örtlich unterschiedliche Brennpunkte aufweisen und die so eingerichtet und angeordnet sind, daß das aus dem Meßvolumen (8) auf das planar-optische Element (5) fallende Streulicht auf die beiden Strahlungsempfänger (21, 22) fällt und dadurch gekennzeichnet, daß vor den Strahlungsempfängern (21, 22) zwei Polarisationsfilter (14, 15) mit unterschiedlichen, vorzugsweise senkrecht aufeinander stehenden, Polarisationsebenen angeordnet sind.
  13. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei räumlich getrennte, verschiedenfarbige Strahlungsquellen (1) und mindestens fünf räumlich voneinander getrennte Strahlungsempfänger (21, 22, 23, 24, 25), sowie ein planar-optisches Element (5) aufweist, dessen die auftreffende Strahlung umlenkende Oberfläche zwei Bereiche (A, B) aufweist, die örtlich unterschiedliche Brennpunkte aufweisen, sowie eine überlagerte Struktur, vorzugsweise eine Gitterstruktur trägt, die so eingerichtet und angordnet sind, daß das aus dem Meßvolumen (8) auf das planar-optische Eleement (5) fallende Streulicht durch Beugung auf die fünf Strahlungsempfänger (21, 22, 23, 24, 25) fokussiert wird und daß vor vier der Strahlungsempfänger (21, 22, 24, 25) Polarisationsfilter (14, 15) mit unterschiedlichen - vorzugsweise paarweise senkrecht aufeinander stehenden - Polarisationsebenen angeordnet sind.
  14. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er ein planar-optisches Element aufweist, das auf das Labyrinth (3) auflaminiert ist.
  15. Optischer Rauchmelder, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet, gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er ein planar-optisches Element aufweist, das nach dem Spritzgußverfahren direkt auf das Labyrinth (3) aufgeprägt ist.
  16. Optischer Rauchmelder gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet und eine gegen die Außenatmosphäre offene Meßkammer (8), mindestens eine Strahlungsquelle (1), mindestens einen Strahlungsempfänger (2), welcher Strahlung, die von in der Meßkammer (8) vorhandenen Rauchteilchen (12) gestreut wird, detektiert und in Abhängigkeit von der auffallenden Strahlung ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, ein Labyrinth (3), welches in die Meßkammer eingedrungene oder dort entstandene Störstrahlung absorbiert, sowie eine elektronische Auswerteschaltung aufweist, welche das von dem Strahlungsempfänger (2) abgegebene elektrische Signal auswertet und ein Alarmsignal abgibt, wenn das Ausgangssignal eine vorbestimmte Signatur annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) mindestens ein flacher Umlenkspiegel (24) angeordnet ist.
  17. Optischer Rauchmelder gemäß Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Umlenkspiegel (24) eine relativ flache Delle in einem kleinen Kunststoffgehäuse ist.
  18. Optischer Rauchmelder gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzichnet, daß er nach dem Extinktionsprinzip arbeitet und daß er eine Strahlungsquelle (1) und mindestens einen Strahlungsempfänger (2), eine zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) befindliche offene Meßstrecke (8), wobei der Strahlungsempfänger (2) die Abschwächung der von der Strahlungsquelle (1) ausgesandten Strahlung durch die von in der Meßstrecke (8) vorhandenen Rauchteilchen (12) detektiert und in Abhängigkeit von der auffallenden Strahlung ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, sowie eine elektronische Auswerteschaltung aufweist, welche das von dem Strahlungsempfänger (2) abgegebene elektrische Signal auswertet und ein Alarmsignal abgibt, wenn das Ausgangssignal eine vorbestimmte Signatur annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) mindestens ein planar-optisches Element (5) angeordnet ist.
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