CH684556A5

CH684556A5 - Optischer Rauchmelder.

Info

Publication number: CH684556A5
Application number: CH2884/92A
Authority: CH
Inventors: Kurt Albert Mueller; Peter Ryser; Dieter Wieser; Rino Ernst Kunz; Markus Rossi; Michael Thomas Gale
Original assignee: Cerberus Ag
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1994-10-14
Also published as: US5451931A; EP0588232B1; DE59306866D1; ATE155272T1; ES2106930T3; EP0588232A1

Description

1

CH 684 556 A5

2

Beschreibung

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 Gegen-massnahmen noch erfolgreich eingeleitet werden können.

Man unterscheidet im wesentlichen zwei Arten von Rauchmeldern: lonisationsrauchmelder und optische Rauchmelder. Bei den lonisationsrauchmel-dern 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 «Punkt-meider» ausgebildet sein können.

In der DE-A 2 822 547 (Hochiki; 7.12.78) 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-A 0 031 096) erforderlich ist, um Reflexionen im Innern des Melders vom Strahlungsempfänger fernzuhalten.

Die Blenden in der Messkammer des Rauchmelders gemäss EP-A 0 031 096 dienen ausserdem dazu, in Kombination mit optischen Sammellinsen vor der Lichtquelle und dem Empfänger den auf die Messkammer gerichteten Lichtstrahl, bzw. die aus der Messkammer gestreute Strahlung zu fokussie-ren, um die Baulänge des Rauchmelders zu reduzieren.

Die Verringerung der Baugrösse von Rauchmeldern ist nicht nur aus ästhetischen Gründen erwün-uht, sondern wird auch aus Gründen der vereinfachten Massenherstellung der Rauchmelder angestrebt. So wurde beispielsweise in der DE-A 3 743 737 (Hochiki; 7.7.88) 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 der Messkammer auf den lichtempfindlichen Empfänger treffen kann. In der DE-A 3 831 654 (Beyersdorf; 22.3.90) 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-A 2 236 390 (Matsushita; 3.4.91) 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 Messvolumen 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-A 682 428 und in der EP-A 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

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH 684 556 A5

4

Nachteile der bekannten optischen Rauchmelder nicht aufweist und insbesondere einen optischen Rauchmelder zu schaffen, der 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 zum Teil 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), Mikrofresnelele-mente (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.

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 pla-nar-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.

Mikrofresnelelemente (MFE) sind diffraktive Fres-nellinsenstrukturen in mikroskopischer Abmessung, wie sie als transmissive Elemente in der US-A 4 936 666 (3M-Company; 22.6.90) 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 (1.1.90), beschrieben. Die erfindungsgemäss verwendeten phasenan-gepassten 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 phasen-angepasst, 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 mit den Mikrofresnelelementen haben gegenüber denjenigen mit den holographisch-optischen Elementen den Vorteil, dass sie weniger empfindlich gegenüber chromatischer Aberration sind und sich besser für die Massenproduktion eignen. Die pha-senangepassten 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. Anzahl und 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 hologra-phisch-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 jede der 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.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 684 556 A5

6

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemässen Streulichtrauchmelder mit zwei pla-naren optischen Elementen (POE),

Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Streulichtrauchmelders mit einer Strahlungsquelle ohne optisches Element und einer Photodiode mit einem planaren optischen Element als Umlenkelement darüber,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch den Streulichtrauchmelder gemäss Fig. 2 entlang der Linie A-B (Photodiodenkompartment und Messkammer),

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Streulichtrauchmelders gemäss Fig. 1 mit Strahlungsquelle auf dem Print und planarem optischem Element über dem Strahlungsempfänger,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Streulichtrauchmelders gemäss Fig. 4 mit zusätzlichem ebenem oder gekrümmtem Spiegel,

Fig. 6 die Draufsicht auf die Struktur eines pha-senangepassten Mikrofresnelreflektors (PMFR),

Fig. 7 einen Querschnitt durch einen phasenan-gepassten Mikrofresnelreflektor (PMFR) gemäss Fig. 6, bei dem die Mikrostruktur auf der Vorderseite des Substrates liegt,

Fig. 8 einen Querschnitt durch einen phasenan-gepassten Mikrofresnelreflektor (PMFR) gemäss Fig. 6, bei dem die Mikrostruktur auf der Rückseite des Substrates liegt,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines optischen Rauchmelders mit einem planaren optischen Element, welches die Strahlung auf zwei Strahlungsempfänger konzentriert, und mit Polarisatoren unterschiedlicher Polarisationsebene in jedem der Strahlengänge,

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform eines optischen Rauchmelders mit einem planaren optischen Element, dem ein Gitter überlagert ist, welches die Strahlung auf mehrere Strahlungsempfänger konzentriert, und mit Polarisatoren unterschiedlicher Polarisationsebene in jedem der Strahlengänge,

Fig. 11 die Draufsicht auf einen phasenange-passten Mikrofresnelreflektor (PMFR) mit aufgeprägtem linearem Gitter,

Fig. 12 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Extinktionsrauchmelder mit transmissiven planar-optischen Elementen,

Fig. 13 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Extinktionsrauchmelder mit reflektiven planar-optischen Elementen; und

Fig. 14 einen Vertikalschnitt durch einen Streulichtrauchmelder mit Ellipsoidspiegel.

In Fig. 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 zur Zeit erhältlichen holographisch-optischen Elementen (HOE) und Mikrosfresnelelemen-ten (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 beugungsoptischen Elements als diffuse Streulichtquelle, wodurch ein beträchtlicher Teil der von der Strahlungsquelle 1 ausgesandten Strahlung als diffuse Strahlung das Messvolumen 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 Fig. 2 und 3 ist eine gegenüber dem Streulichtmelder gemäss Fig. 1 verbesserte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Streulichtrauchmelders dargestellt, die eine Infrarotlicht aussendende, bedrahtete Diode 1 ohne optisches Element, eine Photodiode 2 auf der Printplatte 9 und ein holographisch-optisches Element (HOE) 5 oder einen phasenangepassten Mikrofresnelreflektor (PMFR) 5 als Umlenkelement aufweist. 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 (siehe Fig. 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 Ausführungsform 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 Strah-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4

7

CH 684 556 A5

8

lung 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 Fig. 4 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Streulichtrauchmelders dargestelltes befindet sich aber über der Strahlungsquelle 1 kein planar-optisches Element (POE). Die Strahlungsquelle 1, eine Infrarotstrahlung aussendende Diode (IRED), ist auf der Printplatte 9 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 Fig. 5 ist eine weitere Ausgestaltung des Streulichtmelders gemäss Fig. 4 dargestellt, bei dem oberhalb der Strahlungsquelle 1 ein ebener oder gekrümmter 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 und daher wirksamer gestaltet werden kann.

In Fig. 6 ist die Struktur eines phasenangepassten Mikrofresnelreflektors (PMFR), wie er in einem erfindungsgemässen Streulichtrauchmelder verwendet werden kann, von oben gesehen, dargestellt. Die Fig. 7 und 8 zeigen Schnitte durch den phasenangepassten Mikrofresnelreflektor (PMFR). Die PMFR heissen «phasenangepasst», weil der optische Weg [li+l'i], 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 staub- und 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 um auf (Fig. 7 und 8). Die phasenangepassten Mikrofresnelreflektoren liegen auf der Obergangszone zwischen diffraktiven und rein re-flektiven 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 Fig. 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 aufeinanderstehehden Polarisationsebenen, angeordnet werden, wodurch eine De-tektion 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 Fig. 11 dargestellt ist, vorgenommen werden. Die Ablenkung der Streustrahlung erfolgt hier durch einen phasenangepassten Mikrofresnelreflektor (PMFR), wie er in Fig. 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 geeig-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

9

CH 684 556 A5

10

netes «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 Fig. 10 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen, optischen Rauchmelders dargestellt, in dem ein planar-optisches Element (POE) 5 in der Art eines Ilmlenkspiegels verwendet wird. In Fig. 11 ist das planar-optische Element (POE) dargestellt. Die Ablenkung der Streustrahlung erfolgt hierbei durch die elliptisch angeordneten, phasenangepassten Mikroflächen, die abwechselnd zu El-lipsoiden 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 eina 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 alier 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.

Fig. 12 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip. Vor einer Strahlungsquelle 1 ist ein planar-optisches Element (POE) 5 angeordnet durch das die Strahlung der Strahlungsquelle 1 zu einem annähernd parallelen Strahlungsbündel 6 zu-sammengefasst 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 re-flektive, planar-optische Elemente verwendet werden, die im Winkel von beispielsweise 45° zur Strahlung im Messvolumen 8 angeordnet sind (vgl. Fig. 13).

In der Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Streulichtrauchmelders dargestellt, der eine Infrarotlicht aussendende, bedrahtete Diode 1 ohne optisches Element, eine Photodiode 2 auf der Printplatte 9 und einen Ellip-soidspiegel 24 als Umlenkelement aufweist. 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.

Claims

Patentansprüche

1. Optischer Rauchmelder mit mindestens einer Strahlungsquelle (1), mindestens einem Strahlungsempfänger (2), einem zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) befindlichen gegen die Aussenatmosphäre offenen Messvolumen (8), wobei der Strahlungsempfänger (2) die Strahlungsveränderungen, die von im Messvolumen (8) vorhandenen Rauchteilchen (12) hervorgerufen werden, detektiert und in Abhängigkeit von der auffallenden Strahlung ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, sowie mit 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 Strahiengang zwischen Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2) mindestens ein planar-optisches Element (5) angeordnet ist.

2. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 1 zur Rauchdetektion nach dem Streustrahlunsprinzip, mit einer das Messvolumen (8) enthaltenden Messkammer und mit einem Labyrinth (3) zur Absorption von in die Messkammer eingedrungener oder in dieser entstandener Störstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine planar-optische Element (5) innerhalb der Messkammer angeordnet und vorzugsweise durch ein holographisch-optisches Element (HOE) oder durch einen Mikrofresnelreflektor (MFR) gebildet ist

3. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine planar-optische Element (5) durch ein auf seiner Vorderseite mit einer Mikroflächenstruktur versehenes reflektives Element gebildet ist.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

6

11

CH 684 556 A5

12

4. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine planar-optische Element (5) durch ein auf seiner Rückseite mit einer Mikroflächenstruktur versehenes reflektives Element gebildet ist.

5. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 2, bei dem das mindestens eine planar-optische Element (5) durch einen Mikrofresnelreflektor (MFR) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Oberflächenstruktur so angeordnet und eingerichtet ist, dass der Wegunterschied von Strahlen, die vom Mikrofresnelreflektor reflektiert werden, über die verschiedenen Mikroflächen ein ganzzahliges Vielfaches der zentralen Lichtwellenlänge Lambda, vorzugsweise der Wellenlänge von 880 (im, beträgt.

6. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) und der Strahlungsempfänger (2) auf einer Printplatte (9) angeordnet sind, und dass ein einziges, der Strahlungsquelle oder dem Strahlungsempfänger zugeordnetes planar-opti-sches Element (5) vorgesehen ist.

7. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) und der Strahlungsempfänger (2) auf einer Printplatte (9) angeordnet sind, und dass zwei planar-optische Elemente (5) vorgesehen sind, von denen das eine der Strahlungsquelle und und das andere dem Strahlungsempfänger zugeordnet ist.

8. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass über der Strahlungsquelle (1) ein ebener oder gekrümmter Spiegel (13) so angeordnet ist, dass das nicht an Rauchpartikeln (12) gestreute Licht in das Labyrinth (3) gelenkt wird.

9. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) durch eine Infrarotstrahlung aussendende Diode oder eine Laserdiode gebildet ist.

10. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strahlungsempfänger (2) ein Polarisationsfilter (15), vorzugsweise ein solches mit einer Polarisationsebene senkrecht zu der durch die Ausbreitungsrichtung der Strahlung von der Strahlungsquelle (1) und den Strahlungsempfänger definierten Streuebene, angeordnet ist.

11. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei verschiedenfarbige Strahlungsquellen (1) und mindestens zwei örtlich getrennte Strahlungsempfänger (2) vorgesehen sind.

12. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei räumlich voneinander getrennte Strahlungsempfänger (21, 22) und vor diesen angeordnete Polarisationsfilter (14, 15) mit unterschiedlichen, vorzugsweise senkrecht aufeinander stehenden, Polarisationsebenen vorgesehen sind, und dass das mindestens eine planar-optische Element (5) an seiner die auftreffende Strahlung umlenkende Oberfläche zwei Bereiche (A, B) aufweist, die örtlich unterschiedliche Brennpunkte aufweisen und so eingerichtet und angeordnet sind, dass das aus dem Messvolumen (8) auf das planar-optische Element fallende Streulicht auf die beiden Strahlungsempfänger (21, 22) fällt.

13. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei räumlich getrennte, verschiedenfarbige Strahlungsquellen (1) und mindestens fünf räumlich voneinander getrennte Strahlungsempfänger (21, 22, 23, 24, 25) vorgesehen sind, dass das mindestens eine planar-optische Element (5) an seiner die auftreffende Strahlung umlenkenden Oberfläche zwei Bereiche (A, B) mit örtlich unterschiedlichen Brennpunkten aufweist und eine überlagerte Struktur, vorzugsweise eine Gitterstruktur trägt, wobei die Brennpunkte so eingerichtet und angeordnet sind, dass das aus dem Messvolumen (8) auf das planar-optische Element fallende Streulicht durch Beugung auf die fünf Strahlungsempfänger fokussiert wird, und dass vor vier der Strahlungsempfänger Polarisationsfilter (14, 15) mit unterschiedlichen, vorzugsweise paarweise senkrecht aufeinander stehenden, Polarisationsebenen angeordnet sind.

14. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine planar-optische Element (5) auf das Labyrinth (3) auflaminiert ist.

15. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine planar-optische Element nach dem Spritzgussverfahren direkt auf das Labyrinth (3) aufgebracht ist.

16. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das planar-optische Element durch einen flachen Umlenkspiegel (24) gebildet ist.

17. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Umlenkspiegel (24) eine Delle in einem Kunststoffgehäuse gebildet ist.

18. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 1, zur Rauchdetektion nach dem Extinktionsprinzip, mit einem offenen Messvolumen (8) und mit seitlich von diesem angeordneter Strahlungsquelle (1) und Strahlungsempfänger (2), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine planar-optische Element (5, 23) im Bereich der Strahlungsquelle und/oder des Strahlungsempängers angeordnet und vorzugsweise durch ein holographisch-optisches Element (HOE) oder durch einen Mikrofresnelreflektor (MFR) gebildet ist.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7