DE2935823A1

DE2935823A1 - Rauchdetektor

Info

Publication number: DE2935823A1
Application number: DE19792935823
Authority: DE
Inventors: Lawrence Richard Snowman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-09-05
Publication date: 1980-03-20
Also published as: AU4956179A; NL7906517A; US4226533A; JPS5548640A; BE878718A; GB2032617A; FR2435708A1

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady,

New York 12305 (USA)

Rauchdetektor
(Zusatz zu Patent ... (Patentanmeldung P 27 58 517.7))

Die Erfindung geht aus von einem Rauchdetektor mit einer Dunkelfeldoptik zur Bestimmung der in einer Meßkammer vorhandenen Rauchkonzentration durch Anstrahlung der Rauchteilchen mit einem Strahlenbündel und Messung des außerhalb der Achse des Strahlenbündels vorwärtsgestreuten Lichtes mittels eines Fotodetektors, wobei in der Meßkammer senkrecht und konzentrisch zu der Achse des Strahlenbündels eine innere Blendenöffnung und eine eine ringförmige öffnung zurücklassende Lichtfalle derart angeordnet sind, daß das Strahlenbündel nach Durchqueren der Blendenöffnung von der Lichtfalle auffangbar ist und in der ringförmigen öffnung um die Lichtfalle eine das in diese öffnung gestreute Licht sammelnde, gegenüber dem Strahlenbündel abgedeckte Linsenanordnung vorgesehen ist, hinter der sich in Richtung und auf der Achse des Strahlenbündels der das durch Rauchteilchen gestreute Licht erfassende Fotodetektor befindet.

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Für den Hausgebrauch verfügbare Rauchdetektoren fallen in eine von zwei Kategorien, nämlich solche, die zu der Kategorie der Ionisationsmelder und solche, die zu der Kategorie der optischen Melder gehören.

Der übliche optische Rauchdetektor enthält eine Lichtquelle, die eine möglicherweise Rauch enthaltende Luftprobe beleuchtet. Wenn Rauch vorhanden ist, wird von den Partikeln Licht in alle Richtungen gestreut. Bei bekannten optischen Systemen wird das Streulicht an einer Stelle neben der Achse des Lichtstrahles gesammelt. Es ist bekannt, daß die Streulichtmenge sehr stark von dem Streuungswinkel abhängig ist. Die Streulichtmenge verändert sich nahezu um zwei Größenordnungen beim übergang von der seitlichen Streuung (senkrecht zu dem Strahl) zu der Vorwärtsstreuung, die im wesentlichen in Richtung des Strahles verläuft. Da diese Grundlagen bereits bekannt sind, wurde ein Rauchdetektor vorgeschlagen, bei dem der beleuchtende Lichtstrahl in einer Lichtfalle aufgefangen wird und das Streulicht durch eine neben der Beleuchtungsachse und hinter der Lichtfalle angeordnete Linse gesammelt wird. Bei solchen außermittigen Rauchdetektoren ist der Raumwinkel,in dem Streulicht gesammelt wird, klein und die Wirksamkeit der Lichterfassung gering, da nur ein Teil des Streulichtes gesammelt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen das Streulicht von Rauchteilchen messenden, für Batteriebetrieb geeigneten und mit einer eigenen Lichtquelle sowie einer Dunkelfeldoptik ausgestatteten Rauchdetektor zu schaffen,

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der das vorwärtsgestreute Licht mit einem optimierten Wirkungsgrad mißt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Rauchdetektor durch die Merkmale des Hauptanspruches 1 gekennzeichnet. Ferner wird die Aufgabe durch einen Rauchdetektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 4 gelöst.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Rauchdetektors sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der Rauchdetektor verwendet eine Dunkelfeldoptik, in der eine Luftprobe beleuchtet wird und das vorwärtsgestreute Licht in einer auf der optischen Achse zentrierten ringförmigen Zone unter Ausschluß des sich entlang der optischen Achse ausbreitenden Lichtes gesammelt wird. Das gesammelte Licht wird dann,um das Vorhandensein von Rauch zu erkennen, gemessen. Der Rauchdetektor enthält eine Meßkammer, in die in der Luft enthaltene Partikel einer Verbrennung gelangen und die, mit Ausnahme einer eingangsseitigen Blendenöffnung an einem ihrer Enden sowie mit Ausnahme einer ringförmigen, eine mittige Lichtfalle enthaltenden öffnung, an ihrem anderen Ende lichtdicht ausgeführt ist. Die Meßkammer enthält ferner eine innere Blendenöffnung, die zusammen mit den anderen beiden Blendenöffnungen sowie der Lichtfalle auf der optischen Achse des Detektors senkrecht stehend zentriert ist.

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Der Rauchdetektor enthält ferner Einrichtungen, um ein Strahlenbündel entlang der optischen Achse durch die eingangsseitige Blendenöffnung in die Meßkammer zu projizieren, um in der Meßkammer vorhandene Rauchpartikel zu beleuchten, wobei der Lichtstrahl nach dem Durchgang durch die innere Blendenöffnung von der Lichtfalle aufgefangen wird. In der ringförmigen ausgangsseitigen Öffnung ist zum Sammeln des Streulichtes in der gesamten Öffnung eine ausgangsseitige Linsenanordnung vorgesehen, die durch die innere Blendenöffnung und die Lichtfalle gegen das Eindringen von direktem Licht aus dem Beleuchtungslichtstrahl abgedeckt ist, jedoch das vorwärtsgestreute Licht aufsammelt, das von in der Luft vorhandenen Streulichtzentren ausgeht. Schließlich verfügt der Rauchdetektor über einen auf der optischen Achse, hinter der ausgangsseitigen Linsengruppe angeordneten Fotodetektor, um das durch die ausgangsseitige Linsenanordnung gesammelte Streulicht zu messen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine vordere Kammer vorgesehen, die gegenüber in der Luft befindlichen Verbrennungspartikeln dicht und mit Ausnahme einer in die Meßkammer gerichteten ausgangsseitigen Öffnung lichtdicht ist. Die Lichtquelle enthält eine Leuchtdiode mit einer einstückig an die Leuchtdiode angeformten Kondensorlinse, die ein divergentes Strahlenbündel erzeugt. Durch eine strahlbildende Linse wird das divergente Strahlenbündel zu einem schmäleren Strahlenbündel gesammelt.Vorzugsweise ist die einstückig angeformte Kondensorlinse in eine kreisförmige Öffnung

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eingesetzt, um die Lichtquelle scharf zu begrenzen. Die strahlbildende Linse bildet die begrenzte virtuelle Lichtquelle in die Ebene der inneren Blendenöffnung scharf ab. Auf diese Weise sind die Bildränder der virtuellen Quelle festgelegt, und es wird eine Bleuchtung der Ränder der inneren Blendenöffnung vermieden, wenn das Bild kleiner als die innere Blendenöffnung ist. Um das Feld des Rauchdetektors dunkel zu halten, sollte eine Kantenbeleuchtung vermieden werden. Die strahlbildende Linse ist derart angeordnet, daß sie das stark divergierende Licht der Lichtquelle sammelt. Da unter diesen Umständen die sphärische Aberration das Bild der virtuellen Lichtquelle wesentlich vergrößert, weist die strahlbildende Linse eine asphärische Gestalt auf. Die genaue Krümmung dieser Linse ist so berechnet, daß bei den genannten Lagen des Gegenstandes und des Bildes die sphärische Aberration korrigiert ist, um so die Schärfe des Bildes der virtuellen Lichtquelle in der Ebene der inneren Blendenöffnung der Meßkammer zu verbessern. Dies führt, wie ausgeführt ist, zu einer Steigerung der Empfindlichkeit des Rauchmelders.

Um das Feld des Rauchdetektors weiter abzudunkeln, sind sowohl die vordere als auch die Meßkammer im wesentlichen zylindrisch ausgeführt und enthalten eine reflexionsarme Auskleidung. In jeder Kammer ist wenigstens eine von der zylindrischen Seitenwand hervorstehende Lichtfalle angeordnet, um die in die strahlbildende Linse oder die Ausgangsoptik gelangende Streulichtmenge zu verringern. Ein weiterer Schritt zur Verdunkelung des Feldes besteht darin, die zentrierte Lichtfalle in die

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ausgangsseitige Linsenanordnung kegelig eindringend auszuführen und sie lichtundurchlässig sowie reflexionsarm auszukleiden, so daß die in die ausgangsseitige Linsenanordnung einfallende Streulichtmenge verringert wird.

Die ausgangsseitige Linsenanordnung enthält drei stark brechende ringförmige Linsen mit wenigstens einer asphärischen Oberfläche, um die sphärische Aberration zu korrigieren und das Bild der Streulichtzentren auf dem Fotodetektor schärfer abzubilden. Im einzelnen ist die Vorderfläche der ersten Linse wenig brechend, um das Sammeln des stark divergenten Lichtes zu erleichtern, während die Hinterfläche dieser Linse asphärisch und stärker brechend als die Vorderfläche ist. Die Hinterfläche der zweiten Linse weist wiederum eine geringe Brechung auf, um in Richtung auf den Fotodetektor zu einen großen Konvergenzwinkel zu ermöglichen, während die Vorderfläche der zweiten Linse eine stärkere Brechung aufweist als die Hinterfläche. Die dritte Linse der ausgangsseitigen Linsenanordnung ist eine halbkugelförmige Immersionslinse, mit der das Licht aus einem großen Raumwinkel auf den kleinen Fotodetektor gesammelt wird.

Um eine kompakte Gestalt bei maximaler Empfindlichkeit zu erhalten, sind die einzelnen Parameter des optischen Rauchdetektors bei den gegebenen Abmessungsbeschränkungen optimiert und die Linsenscheitel abgeschnitten. Im einzelnen wurde festgestellt, daß die Streuwirkung so stark von dem Winkel abhängig ist, daß der Parameter mit dem stärksten Einfluß auf die Empfindlichkeit der Durchmesser der zentrierten Lichtfalle in der ausgangs-

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seitigen Linsenanordnung ist. Die übrigen Parameter des Rauchdetektors, von denen der Durchmesser der zentrierten Lichtfalle abhängig ist, einschließlich dem Abstand der einzelnen Bauelemente und dem Durchmesser der Blendenöffnungen, sind im Sinne einer Leistungsoptimierung ausgewählt. Zusammen mit der Verwendung von abgeschnittenen Linsenscheiteln bei den ausgangsseitigen Linsen wird eine sehr kompakte Gestalt des Rauchdetektors mit einer hervorragenden Empfindlichkeit erreicht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Rauchdetektors gemäß der Erfindung,in dem eine Luftprobe beleuchtet wird und das vorwärtsgestreute Licht zur Raucherkennung gesammelt wird, in einem axialen Schnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Rauchdetektors gemäß der Erfindung, in dem die den optischen Wirkungsgrad beeinflussenden Parameter enthalten sind, in einem axialen Schnitt,

Fig. 3 eine Darstellung der nutzbaren Lichtmenge einer Weitwinkelleuchtdiode als Funktion des Auffangwinkels einer strahlbildenden Linse und

Fig. 4 eine Reihe von Kurven zur Veranschaulichung der Optimierung des optischen Rauchdetektors gemäß der Erfindung bei geeigneter Parameterwahl.

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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel eines optischen Rauchdetektors, wie er in Fig. 1 veranschaulicht ist, wird in eine Rauch enthaltende Kammer Licht projiziert und das vorwärtsgestreute Licht gemessen, um die Rauchkonzentration zu bestimmen. Die optischen Komponenten des Rauchdetektors sind in drei, bezüglich der Lichtausbreitung miteinander gekuppelten, jedoch im wesentlichen lichtdichten, koaxial angeordneten zylindrischen Kammern 11, 12 und 13 untergebracht. In der ersten oder vorderen Kammer 11 sind eine Lichtquelle 14, eine Blende 15 für die Lichtquelle 1 4 und eine den Lichtstrahl formende Linse 16 eingebaut. Die vordere Kammer 11 ist,um das Eindringen von Rauch oder Staub zu verhindern, abgedichtet. Die Meßkammer 12 weist zwei mit der Umgebungsluft in Verbindung stehende öffnungen 10 auf, durch die in der Luft befindliche Verbrennungspartikel,d.h. Rauch, eindringen, und ist um eine weitere Lichteinkopplung mit Ausnahme der zwischen der vorderen und der hinteren Kammer durch ein Gehäuse abgeschirmt, das aus zwei U-förmigen, sich überlappenden Gehäuseteilen besteht. Die Meßkammer 12 enthält eine Blende 17, durch die Licht von der vorderen Kammer 11 eindringt und der eine strahlbildende Linse 16 zugeordnet ist; die Meßkammer 12 enthält ferner eine in ihr angeordnete Blende 18 sowie eine Ausgangslichtfalle 19. Die Lichtfalle 19 ist ein lichtundurchlässiger, geschwärzter, konischer Hohlraum in der Mitte von einer aus drei Linsen bestehenden Ausgangsoptik (20, 21, 22). Die Lichtfalle 19 und die Linse 20 bilden die Grenze zwischen der Meßkammer 12 und der hinteren Kammer 13. Die hintere

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Kammer 13, die ebenfalls gegen Rauch und Staub abgedichtet ist, ist durch einen lichtdurchlässigen ringförmigen Bereich der Linse 20 mit der Meßkammer 12 bezüglich des sich ausbreitenden Lichtes

verbunden. Die hintere Kammer 13 enthält die aus drei Linsen bestehende Linsengruppe 20, 21, 22 und den Fotodetektor 23. Wie noch gezeigt wird, ist die ausgangsseitige Linsengruppe maskiert, um das Einfallen direkter Lichtstrahlen der Lichtquelle 14, 15 und Licht von den Hauptstreuflächen zu vermeiden. Der unmaskierte Bereich der ausgangsseitigen Linsengruppe sammelt das durch Rauch in der Nähe der inneren Blende 18 der Meßkammer 12 gestreute Licht und fokussiert es auf den Fotodetektor 23.

Sinnvollerweise verwendet der Rauchdetektor das in einem großen Raumwinkel in einem Dunkelfeldsystem gesammelte vorwärtsgestreute Licht, damit eine hohe Empfindlichkeit des Rauchdetektors erhalten wird. Die ausgangsseitige Linsengruppe 20, 21 und 22 ist konzentrisch zu dem Strahlenbündel und der strahlenbildenden Optik in Strahlausbreitungsrichtung angeordnet. Deshalb befindet sich die ausgangsseitige Linsengruppe 20, 21, 22, die die zentrale Lichtfalle 19 aufweist, um die direkte Beleuchtung durch den Lichtstrahl zu verhindern, in dem Bereich des VQrwärtsgestreuten Lichtes, in dem das bei der gegebenen Konzentration von streuenden Rauchpartikeln gestreute Licht ein oder zwei Größenordnungen intensiver als das seitwärts oder rückwärtsgestreute Licht ist. Der zweite Vorteil der konzentrischen Anordnung besteht darin, daß die sammelnde Optik das

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Strahlenbündel umgeben und das gestreute Licht aus dem gesamten ringförmigen, das Strahlenbündel umgebenden Bereich sammeln kann, was nicht möglich ist, wenn die sammelnden Linsen an einer einzigen außerhalb der Achse liegenden Stelle angeordnet sind. Bei der vorliegenden Anordnung erfaßt die ausgangsseitige Linsengruppe einen größeren Raumwinkel als üblich und außerdem erfaßt der Raumwinkel zur Erzielung der besten Lichtsammeieigenschaft und der größten Empfindlichkeit den Bereich mit der stärksten Streuung. Der Rauchdetektor arbeitet nach dem Dunkelfeldprinzip, wobei im Idealfall die Ausgangsoptik beim Fehlen von Rauch kein Licht sammelt, aber beim Vorhandensein von Rauch eine bedeutende Lichtmenge empfängt.

Die Betriebsweise des Rauchdetektors ist nunmehr im einzelnen zusammen mit einer weiteren Erläuterung der einzelnen Komponenten beschrieben. Die Lichtquelle 14, 15 ist eine gepulste, energiesparend ausgelegte Festkörperlichtquelle. Der geringe Energieverbrauch dient dazu, einen jahrelangen durch eine kleine Trok-. kenbatterie mit Energie versorgten Betrieb zu erzielen. Die Lichtquelle ist eine Halbleiterdiode, die in dem infraroten oder roten Teil des elektromagnetischen Spektrums Licht aussendet. Das Bauelement hat einen typischen Durchmesser von 5,08 mm und weist einen lichtundurchlässigen Bodenteil sowie eine in sich abgeschlossene Optik auf, die zur Erzeugung von Licht in einem großen Raumwinkel einen Reflektor 26 und eine Kondensorlinse 27 enthält, wobei der Raumwinkel näherungsweise 40° beträgt. Da der Riehtfehler

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des emitierten Lichtes, bezogen auf den Grundteil der Leuchtdiode _+ 7 beträgt, ist das tatsächlich von der strahlbildenden Linse 16 aufgefangene Licht üblicherweise auf einen kleineren Raumwinkel beschränkt als es der Fall ist, wenn die Lichtemission ohne Richtfehler erfolgt. Der öffnungswinkel bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt in der Schnittebene näherungsweise 26 . Wie oben ausgeführt, sitzt die Lichtquelle 14, 26, 27 in einer vorderen Kammer 22, die bis auf die Blendenöffnung 15 zum Einlaß des von der Leuchtdiode 14 ausgesandten Lichtes und der Blendenöffnung 17, 28 zum Projizieren des Lichtes in die Meßkammer lichtdicht ist. Die äußere Begrenzung der Leuchtdiodenlichtquelle ist genau durch die kreisförmige Blendenöffnung 15 festgelegt, durch die das Licht in die vordere Kammer 11 eindringt. Die Blendenöffnung 15 hat einen verringerten Durchmesser (3,5 mm) und ist an der Oberseite der einstückig mit der Leuchtdiodenlichtquelle verbundenen Linse 27 angeordnet. Das Licht von der Leuchtdiode wird durch die Linse 16 gesammelt und zu einem Strahlenbündel geformt, das in die Meßkammer 12 projiziert wird.

Die strahlbildende Linse 16 ist eine Linse mit mittlerer Stärke und einer mittleren joumerisehen Apertur, um einen genau festgelegten gereich der Meßkammer in der Nähe der Mitte der innerWiti Blendenöffnung 18 gleichmäßig auszuleuchten. Die Linse 16 ist eine asphärische Linse mit einer" fla'dhen, ■ der Leuchtdiodenlichtquelle zugekehrten ersten Linsenfläche und einer konvexen, der Meßkammer 12 zugewandten, zweiten Linsenfläche.Die Krümmung der Linse 16 ist so bemessen, daß eine

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sphärische Aberration von Null erreicht wird. Das Rechnerprogramm,mit dem die Krümmung berechnet ist, berücksichtigt sowohl die Lage der virtuellen Quelle als auch die Lage des Bildes der virtuellen Quelle. Die konvexe Seite der Linse 16 ist in die Blende 17, 28 eingesetzt, die die öffnung bildet, durch die das Licht in die Meßkammer 12 projiziert wird. Die numerische Apertur der Linse 16 beträgt etwa O,23. Die Linse 16 bildet die Blendenöffnung der Lichtquelle 14, 15 in die Ebene der Blendenöffnung 18 ab, wobei das Bild größer (4,7625 mm) als die Lichtquelle (3,5 mm) ist und sich in der Nähe der Mitte der inneren Blendenöffnung 18 befindet. Gemäß den üblichen Ausleuchtungsprinzipien bildet nicht die lichtemitierende Diode selber, sondern vielmehr die Oberfläche der einstückig mit der Leuchtdiode verbundenen Linse die virtuelle Lichtquelle, die in die Ebene der Blendenöffnung 18 abgebildet ist. Mit dieser Technik der optischen Auslegung wird eine weiche, gleichmäßige Ausleuchtung der Ebene der Blendenöffnung erreicht, ohne daß die den ausgeleuchteten Bereich begrenzenden Ränder verlorengehen. Die innere Blendenöffnung 18 ist im Durchmesser größer (6,985 mm) als das fokussierte Bild (4,76 mm) und verfügt zur Verringerung von Randreflexionen in die ausgangsseitige Optik über einen scharfkantigen Innenrand (geringer Radius). Diese Vorsichtsmaßnahme stellt sicher, daß kein Teil des Lichtstrahles auf die Ränder der inneren Blendenöffnung 18 auftrifft und daß die Kantenreflexionen in die ausgangsseitige Optik verringert sind. Das ausleuchtende Strahlenbündel, dessen Randstrahlen durch strichpunktierte Linien 29 dargestellt sind, wird am Ende der Meßkammer 12

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durch die kegelige Lichtfalle 19 aufgefangen, die wesentlich größer als das auftreffende Strahlenbündel ist. Das die Meßkairaner 12 verlassende Nutzlicht wird in einem ringförmigen Bereich außerhalb der Lichtfalle 19 gesammelt.

Die oben beschriebenen Bauelemente einschließlich der Blende der Leuchtdiodenlichtquelle (14, 15, 26, 27), der strahlbildenden Linse 16, der Blendenöffnungen 17, 28 und 18 sowie der kegeligen Lichtfalle 19 dienen dazu, eine Luftprobe, die Rauch enthält, in einer für die Dunkelfeldbetrachtung geeigneten Weise zu beleuchten. Die Bauelemente sind entlang einer gemeinsamen optischen Achse derart angeordnet, daß der von der Linse 16 gebildete Lichtstrahl auf keine Oberfläche auftrifft, die Licht in den ringförmigen Bereich streut , der die kegelige Lichtfalle 19 umgibt. Wenn in der Meßkammer 12 kein Rauch vorhanden ist, wird der Durchgang des Lichtstrahles, wie er durch die Linien 29 veranschaulicht ist, durch die Meßkammer nicht bemerkt, denn es werden keine sekundären Streuzentren in dem Strahlengang beleuchtet, die das Licht aus dem Strahlenbündel heraus ablenken. Im Idealfall ist unter diesen Umständen das Feld schwarz und der Fotodetektor 23 erzeugt kein Ausgangssignal. Wenn in der Meßkammer 12 Rauch vorhanden ist, enthält der Strahlengang zwischen der eingangsseitigen Blendenöffnung 17 und der Lichtfalle 19 sekundäre Streuzentren. Diese sekundären Streuzentren werden zu sekundären Lichtquellen, die den Strahlengang zu einer Quelle allgemeiner Beleuchtung werden lassen. Wennjdies geschieht, streuen, wenn auch ungleichmäßig, alle Abschnitte des Lichtstrahles Licht in den

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gesamten Raumwinkel. Ein Teil des beleuchteten Strahlenganges und insbesondere desjenigen Teiles, der sich in der Nähe der inneren Blendenöffnung 18 befindet, streut das Licht so, daß es von einem Betrachtungspunkt von dem ringförmigen, die Lichtfalle 19 umgebenden Gebiet sichtbar ist, wo es durch die ausgangsseitige Optik 20, 21, 22 gesammelt wird. Das ausgangsseitige Feld wird aufgehellt und der Lichtdetektor 23 erzeugt ein Ausgangssignal.

Für gewöhnlich tritt auch durch andere Quellen als Rauch Streulicht auf, das jedoch auf einem Minimum gehalten werden muß, um beim Fehlen von Rauch ein dunkles Feld zu erhalten. Streuzentren treten innerhalb der Linse 16 sowie an der Oberfläche der Linse 16, an der Kante der eingangsseitigen Blendenöffnungen 17, 28, der Kante der inneren Blendenöffnung 18, der Oberfläche der Lichtfalle 19 sowie den Wänden der vorderen und der Meßkammer 11, 12 auf. Diese Streuzentren werden neue Lichtquellen und bewirken, daß, wenn das Innere der Meßkammer reflektierend ist und ein entsprechender Ausbreitungsweg vorhanden ist, in die ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22 Licht reflektiert wird. Jedes in den ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22 gesammelte Hintergrundlicht neigt dazu, die Empfindlichkeit des Systemes gegenüber niedrigen Rauchkonzentrationen zu verringern. Wie durch gestrichelte Linien 30 veranschaulicht, sind die Blendenöffnungen 17, 18 und die kegelige Lichtfalle 19 derart angeordnet, daß durch keinen Teil der Linse 16 Licht unmittelbar in die ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22 eingestreut werden kann.

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Das Innere der vorderen Kammer 11 und der Meßkammer 12 sowie der Blendenöffnungen 17, 18, 28 und der Lichtfalle 19 sind so gestaltet, daß innere Reflexionen unterdrückt werden, um eine erhöhte Rauchempfindlichkeit zu erreichen. Die Innenflächen sind üblicherweise schwarz und können mit Rillen versehen oder mit Flocken beschichtet sein. Wenn beispielsweise die Lichtfalle 19 nicht sorgfältig gestaltet ist, wird sie zu einer sekundären Hauptquelle für in die ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22 gestreutes Licht. Wenn die Lichtfalle 19 durch den Lichtstrahl ausgeleuchtet ist, kann sie einen Teil des Lichtes zurück in Richtung auf die innere Blende 18 werfen, wo eine sekundäre Reflexion auftritt und Licht in die ausgangsseitige Optik wirft. In ähnlicher Weise kann Licht, das in dem Inneren oder an einer der Oberflächen der strahlbildenden Linse 16 gestreut ist, in die ausgangsseitige Optik gelangen. Während direkte Lichtstrahlen von den Oberflächen bzw. dem Inneren der Linse 16 durch die Blendenöffnungen 17, 18 sowie die Lichtfalle 19, wie oben erwähnt, gegenüber der ausgangsseitigen Optik abgedeckt sind, kann durch die Linse gestreutes Licht die Innenwand der Meßkammer 12 beleuchten und nach einer einzigen Reflexion von der ausgangsseitigen Optik aufgefangen werden. Hintergrundlicht aus beiden Störquellen kann auf einen Wert verringert werden, bei dem das Hintergrundlicht weniger als 10% des Ausgangslichtes bei der gewünschten maximalen (üblicherweise 1%) Rauchempfindlichkeit ausmacht. Zu diesem Zweck können, wenn die Lichtfalle 19 als kegelförmiger, nichtre-

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flektierend und lichtundurchlässig beschichteter Hohlraum ausgebildet ist, die Rückwärtsreflexionen in die Meßkammer 12 unter einen kritischen Wert gedrückt werden. Durch die Verwendung von einer wenig reflektierenden Beschichtung und von ringförmigen Streulichtfallen 24, 25 (zwei in jeder der beiden Kammern 11, 12) können auf ähnliche Weise die Reflexionen längs der zylindrischen Innenwand der vorderen Kammer 11 und der Meßkammer 12 unter den kritischen Wert gedrückt werden. In der Vorkammer 11 fangen zwei Streulichtfallen 24 alles Licht von Einfachreflexionen auf, die durch Streuung in der Linse 16 und ihrer Blendenöffnung 17 entstehen . Dies reicht üblicherweise aus, wenn angenommen wird, daß die vordere Kammer 11 mit einem reflexionsarmen Material ausgekleidet ist. In ähnlicher Weise genügen für gewöhnlich zwei Streulichtfallen 25 in der Meßkammer 12, um den größten Teil des einfach reflektierten Lichtes aufzufangen, der in der vorderen Kammer 11, in der strahlformenden Linse 16 und ihrer Blendenöffnung 17 entsteht. In jedem Falle erstrecken sich die Streulichtfallen 24, um einen festen Betrag in Richtung auf das Strahlenbündel, ohne dieses jedoch zu berühren und begrenzen jeweils eine konzentrische Blendenöffnung, die zur Vermeidung von Reflexionen vorzugsweise scharfkantig (geringer Radius) ausgeführt ist.

Die ausgangsseitige Optik enthält die drei Linsen 20, 21, 22, den Fotodetektor 23 sowie die Blendenöffnung 18 und die Lichtfalle 19, die zusammen ein Zonengesichtsfeld der ausgangsseitigen Optik begrezen. Das Gesichtsfeld der ausgangsseitigen Optik kann als eine

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auf der optischen Achse des Rauchdetektors zentrierten Kugelkalotte bezeichnet werden, wobei ein Teil der Kalotte aus dem Gesichtsfeld durch die ebenfalls auf der optischen Achse zentrierte Lichtfalle 19 entfernt ist. Die ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22 sammeln das Licht durch die ringförmige oder zonale Oberfläche, die außerhalb der zentrierten Lichtfalle 19 und innerhalb der zylindrischen Seitenwand des Rauchdetektors liegt. Das Gesichtsfeld der ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22 ist durch vier Geradenpaare 31 veranschaulicht, die strichdoppelpunktiert dargestellt sind. Wie bereits erwähnt, sammelt die ausgangsseitige Optik das aus dem Strahlenbündel vorwärtsgestreute Licht, während sie gleichzeitig abgedeckt ist, um das Auffangen des Lichtstrahlenbündels selber oder von Licht durch die Hauptstreuzentren zu vermeiden. Die Lichtfalle 19 ist ein lichtundurchlässiger, geschwärzter, kegeliger Hohlraum in der Mitte der drei ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22. Der Kegel hat seinen größten Querschnitt bei der ersten Linse 20, einen geringeren Querschnitt an der zweiten Linse 21 und seine Spitze dringt in die letzte Immersionslinse 22 ein. Der Kegel ist so bemessen, daß er zum Lichtsammeln ein genau begrenztes, ringförmiges Oberflächengebiet der ersten Linse 20 unabgedeckt läßt und daß keine Interferenz mit den aufgesammelten Nutzlichtstrahlen auftritt, wenn diese durch die erste Linse 20 und die beiden nachfolgenden Linsen 21, 22 der ausgangsseitigen Optik laufen.

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Die Brennweite der ausgangsseitigen Optik (20, 21, 22) ist so bemessen, daß die beleuchteten, in der Luft befindlichen Streuzentren in der Ebene der Blendenöffnung 18 auf der Fotodiode 23 fokussiert werden. Wenn keine Streuzentren vorhanden sind, wird kein leuchtendes Bild auf der Fotodiode abgebildet und es entsteht im Idealfall kein ausgangsseitiges Licht. Die erste Linse der ausgangsseitigen Optik ist eine stark bikonvexe Linse 20. Da der Mittelabschnitt der Linse 20 durch die Lichtfalle 19 maskiert ist, ist nur der radial außerhalb der Maskierung sich erstrekkende, ringförmige Bereich der Linsenfläche optisch aktiv. Die Vorderfläche der Linse 20 ist sphärisch gekrümmt und hat, verglichen mit der Rückfläche, eine verhältnismäßig geringe Brechung, um das Sammeln desjenigen Lichtes zu erleichtern, das von den in der Nähe der Linse axial angeordneten Streuzentren stark divergiert. Der ungebrauchte Mittelbereich der Linse 20 kann dieselbe spährische Krümmung aufweisen oder flach oder, wie dargestellt, teilweise hohl sein. Die aktive Rückfläche der Linse 20 und insbesondere des ringförmigen, im Strahlengang der von der Vorderfläche kommenden Nutzstrahlen befindliche Bereich ist asphärisch. Die tatsächliche Krümmung der Rückfläche ist so berechnet, daß die sphärische Aberration auf Null verringert ist und eine stärkere Brechung aufweist als die Vorderfläche dieser Linse 20. Die zweite Linse 21 hat eine konvexe Vorderfläche mit ringförmiger Gestalt, die in der Brechkraft der Rückfläche der ersten Linse entspricht und entweder asphärisch oder

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sphärisch ist. Die optisch aktive Rückfläche der zweiten Linse 21 ist flach. Um die axiale Gesamtlänge zu verringern, sind der unbenutzte Mittelbereich der ersten Linse 20 sowie der unbenutzte Mittelbereich der zweiten Linse 21 abgeflacht und die abgeflachten Oberflächen miteinander verbunden. Wie oben erwähnt, reicht die kegelige Lichtfalle 19 sowohl durch die erste als auch die zweite Linse 20, 21. Die dritte und letzte Linse 22 der ausgangsseitigen Linsengruppe ist eine Immersionslinse 22, in die die ausgangsseitige Fotodiode 23 eingegossen ist. Sie ist sphärisch und kann etwas kleiner als der Raumwinkel einer Halbkugel sein. Ein Vorteil einer Immersionslinse besteht darin, daß sie zwei Luftflächen vermeidet, die Lichtverluste an der Lichtaustrittsfläche der Immersionslinse und der Lichteintrittsfläche der Fotodiode 23 bewirken.

Die drei bezeichneten Linsen sind notwendig, um die notwendige Brechkraft zu erzielen. Die erste Linse 20 ist so ausgelegt, daß ein unter 45 von der Mitte der Blendenöffnung 18 ausgehender Strahl auf einen konvergierenden Weg (typisch 15°) umgelenkt wird, während ein Lichtstrahl von der unteren Kante der Blendenöffnung 18 (wie in Fig. 1 veranschaulicht) parallel zu der optischen Achse umgelenkt wird und die Lichtstrahlen von dem "oberen" Rand der Blendenöffnung 18 auf einen um 30° gegen die optische Achse konvergierenden Weg gebracht werden. Die zweite Linse 21 erzeugt eine zusätzliche mittlere Konvergenz

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von etwa 30°, so daß alle gesammelten Lichtstrahlen auf die Oberfläche der letzten Immersionslinse 22 mit einem mittleren Konvergenzwinkel von näherungsweise 45° auftreffen. Auf diese Weise ist ein von der Mitte der Blendenöffnung 18 ausgehender Lichtstrahl um 90 abgelenkt , wenn er auf die Oberfläche der Immersionslinse 22 auftrifft. Die Immersionslinse 22 dient dazu, ohne nennenswerte Vergrößerung des Ablenkungswinkels das Licht aus einem großen Raumwinkel zu sammeln. Die Immersionslinse 22 vergrößert für die aus der Linse 21 kommenden konvergierenden Lichtstrahlen die scheinbare Größe der Fotodiode. Das Rechnerprogramm, mit dem die Linsenoberflächen berechnet worden sind, war so festgelegt, daß sich für eine in der Ebene der Blendenöffnung 18 befindliche und an der Stelle der Fotodiode 23 abgebildete Lichtquelle eine sphärische Aberration von Null ergibt.

Der Bereich der Meßkammer 12 in der Nähe der Blendenöffnung 18 ist der für den Rauchnachweis wesentliche Bereich. Nur von solchen Rauchteilchen, die sich innerhalb des Lichtstrahlenbündels befinden, kann Licht gesammelt werden. Dieser Bereich ist durch die strichpunktiert ei Geraden 29 begrenzt . Außerdem kann nur Licht von solchen beleuchteten Streuzentren gesammelt werden, die sich innerhalb des Gesichtsfeldes der ausgangsseitigen Optik befinden. Dieses Gesichtsfeld ist durch die gestricheltdoppelpunktierten Geraden 31 eingegrenzt. Schließlich werden nur diejenigen Lichtstrahlen erfaßt und gemessen, die die beiden vorgenannten Kriterien erfüllen und die unter einem

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solchen Winkel in die Sammellinsen eindringen, daß sie auf den Fotodetektor 23 auftreffen. Unter Anwendung der reziproken Werte der ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22 füllt das Bild des Fotodetektors 23 weitgehend die Blendenöffnung 18 und bildet ein Quadrat mit 5,08 mm Kantenlänge. Somit treffen einige der Lichtstrahlen eines Streuzentrums, das sich in der angenommenen Bildlage des Fotodetektors 23 befindet, auf diesen Fotodetektor 23 auf und werden dort erfaßt. Streuzentren, die gerade außerhalb der Bildlage, jedoch in derselben Ebene liegen, erzeugen im allgemeinen keine erfaßbaren Lichtstrahlen. In ähnlicher Weise erzeugen Streuzentren, die gegenüber dem Bild axial verschoben sind, eine Reihe von Lichtstrahlen, die auf den Fotodetektor 23 auftreffen und andere, die nicht auftreffen. In der Praxis ergeben diese Eigenschaften einen rauchempfindlichen Bereich in der Nähe der Blendenöffnung 18, der sich nach beiden Richtungen von der Ebene der Blendenöffnung 18 erstreckt. Die optische Konstruktion wurde in Bezug auf ihre Herstellbarkeit als ein preiswertes Massenprodukt optimiert. Dabei wurde es als wesentlich erachtet, daß die Abmessungen des optischen Systemes mit üblichen, zur Zeit auf dem Markt befindlichen Gehäusen kompatibel sind. Dies ergibt einen maximalen Durchmesser von 2,54 bis 1,27 cm und eine maximale Gesamtlänge für das optische System von 12,7 bis 15,24 cm. Zusätzlich sollten die Linsen in preiswerter Massenfabrikation herstellbar sein, d.h. sie sollten gespritzte Kunststofflinsen sein und die Fotodiode, die der größte Kostenfaktor ist und deren Preis der Größe proportional ist, sollte von

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minimaler Größe (d.h. 2,5 mal 2,5 mm) sein.

Angenommen, daß der Maximaldurchmesser des Linsensystem mes eine Hauptkonstruktionsbedingung ist, so wird die Größe des Fotodetektors durch Einbetten des Detektors in ein optisches Material mit hohem Brechungsindex (spritzgegossenes Styrolacrylnitril oder "SAN" mit η = 1,57) und durch Maximieren des von dem Fotodetektor gesehenen öffnungswinkels der ausgangsseitigen Linsen minimiert. Gleichzeitig soll auch der öffnungswinkel, unter dem die innere Blendenöffnung 18, wo das ausleuchtende Strahlenbündel am stärksten konzentriert ist, die auf die Meßkammer 12 gerichtete Vorderfläche der ausgangsseitigen Linse 20 sieht, maximiert werden. Ein iteratives Rechnerprogramm zeigt, daß der Wirkungsgrad der Streulichterfassung maximal ist, wenn die in der Ebene der inneren Blendenöffnung 18 befindlichen Streuzentren auf den Fotodetektor mittels der ausgangsseitigen Optik abgebildet werden. Das Programm enthält einen Parameter für die Streuwirkung als Funktion des Streuwinkels.

Wenn die Bedingung für die Gesamtlänge des Systemes (beispielsweise kleiner als 12,7 cm) gegeben ist und die axiale Länge der ausgangsseitigen Optik von der inneren Lichtfalle 19 bis zu dem Fotodetektor 23 festliegt (beispielsweise 3,17 cm),wird der Abstand der Lichtquelle von der strahlbildenden Linse 16 und der Abstand der Linse 16 von der inneren Blendenöffnung 18 so gewählt, daß die Größe der Lichtfalle 19 auf der ausgangsseitigen Optik minimal wird. Der letzte Parameter wiederum maximiert den Raumwinkel, in dem

030012/0806 - 31 -

von dem Rauch gestreutes Licht gesammelt wird. Die letztere Dimensionsbedingung schreibt die Brennweite der strahlbildenden Linse 16 (15,24 mm) vor. Da die strahlbildende Linse im Mittel Licht in einem Winkel sammeln soll, der ausgeleuchtet wird, wenn Leuchtdioden mit einem Richtungsfehler von 7°bis 9° auswechselbar vorgesehen sind, sollte der öffnungswinkel der strahlbildenden Linse 16 von 40° öffnungswinkel in der Ebene für eine gegebene Diode auf 20 bis 26 öffnungswinkel in der Eb<
den alle Dioden ausleuchten.

26 öffnungswinkel in der Ebene verringert werden,

Ein wesentlicher Parameter bei der Linsenbemessung ist die Korrektur der sphärischen Aberration. Ein zu großes Bild auf dem Fotodetektor 23 bewirkt eine Vergeudung von gestreutem Licht und somit eine Verringerung der Empfindlichkeit des Systems. Unkorrigierte Linsen mit der richtigen Brechkraft erzeugen bei der Ausgangsoptik ein unscharfes Bild auf der Ausgangsfotodiode, das dreimal so groß wie das richtige Bild ist. Die Hinterfläche der ersten Linse ist von größtem Einfluß und muß als asphärische Fläche berechnet sein. Die Vorderfläche der zweiten Linse kann sphärisch sein, obwohl ein besser gebündeltes Bild erhalten wird, wenn die Linse asphärisch ist. Die letzte Linse 22 kann einfachen spährischen Querschnitt haben. Bei der eingangsseitigen Optik tritt ein ähnliches Problem auf. Die eingangsseitige Optik dient dazu, das meiste Licht zu sammeln und es, ohne daß es auf die innere Blendenöffnung 18 auftrifft, auf die kleinste Größe der Lichtfalle 19 zu bündeln. Eine sphärische,unkorrigierte Linse erzeugt ein Bild doppelter Größe. Wenn das Licht-

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bündel bei der Blendenöffnung 18 doppelt so groß ist, muß die Blendenöffnung 18 ebenfalls verdoppelt werden und die kreisförmige Lichtfalle 19 muß ebenfalls etwa verdoppelt sein, um die ausgangsseitige Optik gegenüber den streuenden Oberflächen der Linse 16 abzudecken. Wenn die Lichtfalle 19 doppelt so groß ist, ergibt sich eine unerträgliche Verringerung der für die ausgangsseitige Optik verfügbaren Fläche.

Die optischen Elemente eines ersten Ausführungsbeispieles haben die folgenden Abmessungen:

Linse 16 (optisches Material Styrolacrylnitril (SAN) η =1,57)

Vorderfläche eben	Dicke (mm)
Hinterfläche:	0
Abstand von optischen Achse (mn)	0,7366
8,89	1,4224
8,128	2,032
7,366	2,5908
6,604	3,0988
5,842	3,5306
5,08	3,9116
4,318	4,191
3,556	4,445
2,794	4,5974
2,032	4,699
1,27
0,508

030012/0806

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Ausgangsoptik

Linse 20, 21 (optisches Material SAN η = 1,57)

Vorderfläche: 60,65 mm Radius (sphärisch) Rückfläche:

Abstand von der optischen Achse (mn) Dicke (nun)

13,97
13,208 12,446 11,684 10,922 10,16
9,398

1,3208 2,5908 3,8354 5,0038 6,1214 7,1628

Linse 21 (n = 1,57)

Vorderfläche: 19,812 mm Radius (sphärisch) Hinterfläche: flach

Linse 22 (n = 1,57)

Radius 7,62 mm (sphärisch).

Ein derartiger optischer Aufbau stellt eine besonders empfindliche Anordnung zur Raucherkennung dar. Der grundlegende Aufbau gestattet es, das vorwärts gestreute Licht in einem auf der Strahlachse zentrierten Abschnitt zu sammeln, inpem die Streuung die größte Intensität aufweist. Zusätzlich gestattet es die Anordnung des Strahlenbündels und der Sammeloptik auf einer gemeinsamen optischen Achse, daß das durch die einzelnen Streuzentren gestreute Licht in einer ringförmigen

030012/0806

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Zone um die Streuzone herum gesammelt wird, was einen größeren Raumwinkel ermöglicht als er üblicherweise erreichbar ist, wenn das Licht von einer einzelnen außerhalb der Achse liegenden Stelle aus gesammelt wird.

Vor der Beschreibung eines zweiten Ausführungsbeispieles erfolgt eine Behandlung der Optimierungsfähigkeit bei einem geschlossenen Entwurf. Die Auslegung des ersten sowie des zu beschreibenden Ausführungsbeispiels wurde mit einem iterativen Rechnerprogramm optimiert, dessen Ziel die Maximierung des Gesamtbetrages des gesammelten Streulichtes bei einer Einheitsrauchkonzentration innerhalb einer vorgegebenen Größen- und Streulichtbedingung war. Die Größenbedingungen legt die Gesamtlänge des Systemes auf vorzugsweise weniger als 12,7 cm und den Querschnitt auf weniger als 3,17 cm fest. Die Streulichtbedingung besteht darin, daß der Betrag der auf den Detektor auftreffenden Lichtmenge beim Fehlen von Rauch in der Meßkammer kleiner als ein Drittel des Streulichtes ist, das bei der minimal erkennbaren Rauchkonzentration, die beim Entwurf in Betracht gezogen ist, empfangen wird. Diese Empfindlichkeitsanforderung ist mit Bezug auf übliche preisgünstige elektronische Schaltungen festgelegt, die zuverlässig arbeiten, wenn das gemessene Lichtausgangssignal den eingestellten Minimalwert überschreitet.

Die Entwurfkritierien können so betrachtet werden, als fielen sie in zwei verschiedene Kategorien - solche, die unabdingbar sind, und solche optionale Kritierien,

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die Kompromisse oder Abwägungen gestatten. Die unabdingbaren Anforderungen sind im Verlauf der Beschreibung im wesentlichen angegeben. Hierin sind die Forderungen enthalten, daß: Ein Dunkelfeldbetrieb eingerichtet wird und insbesondere, daß der von der Linse 16 projizierte Lichtstrahl nicht auf die Ausgangsoptik (Linse 20) auftrifft, sondern durch die Lichtfalle 19 aufgefangen wird; kein Teil der Linse 16, der streuende Partikel enthalten kann, für die ausgangsseitige Optik (Linse 20) sichtbar ist; der durch die Linse 16 projizierte Lichtstrahl nicht auf die Kanten der Blendenöffnung 18 auftrifft/kein Streulicht die ausgangsseitige Optik mit weniger als zwei Reflexionen erreicht (wenn minimal reflektierende Oberflächen angenommen sind); die Lichtquelle 26, die eine Leuchtdiode ist, die bei der Herstellung Variationen der Strahlorientierung bezogen auf das Gehäuse unterworfen ist, eine Lichtmenge auf die strahlbildende Linse 16 wirft, die sich nicht verändert, wenn die Leuchtdiodmausgetauscht werden. Die Gleichmäßigkeit der Lichtmenge von der Lichtquelle wird ohne die Notwendigkeit einer individuellten Einstellung dadurch erreicht, daß das Licht innerhalb genügend weiter Grenzen des Lichtstrahles geopfert wird, um sicherzustellen, daß der von der strahlbildenden Linse überdeckte Raumwinkel immer vollständig ausgeleuchtet ist.

Wenn die äußeren Abmessungen festliegen, werden nunmehr die wahlfreien Parameter nacheinander und iterativ berücksichtigt, bis die optimale Auslegung erreicht ist. Der stärkste, die Empfindlichkeit beein-

030012/0806 - 36 -

flussende Parameter ist der Raumwinkel des von dem Rauch gestreuten und durch die ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22 gesammelten Lichtes. Wenn ein Raumwinkel für die Sammlung von Streulicht vorgegeben ist, ist der Sairanelwirkungsgrad der ausgangsseitigen Linsen für Streulichtwinkel, die geringfügig von der Strahlachse abweichen, groß und für Streuwinkel senkrecht zu der Strahlachse klein. Ohne Berücksichtigung des größeren Lichtverlustes der bei zunehmendem Streiflichteinfall auf die erste Oberfläche der ausgangsseitigen Linse 20 auftritt, folgt die Intensität des von der ausgangsseitigen Linse 20 gesammelten Streulichtes einer empirisch ermittelten Exponentialkurve

E = 0,1 . exp (2,7 θ),

wobei θ der Vorwärtsstreuwinkel ist, dem der Wert 0° zugeordnet ist, wenn er senkrecht auf der Strahlachse steht und der Wert 90 , wenn er von der Quelle parallel zu der Strahlachse verläuft. In einem Bereich von 2° außer der Senkrechten (Θ = 2 ) bis zu 14° außer der Achse (Θ = 76°) verändert sich der Streuwirkungsgrad (E) bei weißem Rauch mit einer Wellenlänge von 632,6 Nanometern von einer relativen Größe von 0,1 auf 3,2, was einer Variationsbreite von 32 : 1 entspricht.

Wegen der starken Abhängigkeit des Wirkungsgrades der Vorwärtsstreuung ist der,Wirkungsgrad beim Sammeln des Streulichtes immer dann maximiert, wenn der Durchmesser "s" der Lichtfalle 19 (siehe Fig. 2) minimiert ist. Folglich besteht der erste Schritt des Optimierungsverfahrens darin, die Systemabmessungen so festzulegen.

030012/0806 ~³⁷~

daß "s" minimal ist. Gemäß Fig. 2 besteht der Zweck der Blendenöffnung 18 mit dem Durchmesser "e" darin, die ausgangsseitige Linse 20 gegenüber der strahlbildenden in der Blende 17 mit dem Durchmesser "d" befindlichen Linse 16 so abzudecken, daß an der Oberfläche der strahlbildenden Linse 16 gestreutes Licht nicht die ausgangsseitige Linse 20 erreichen kann. Der Durchmesser "e" der Blendenöffnung 18 muß größer als das Bild der Lichtquelle 14, 15 sein, die in derselben Ebene abgebildet ist, um eine Beleuchtung der Kante oder Beugungseffekte zu vermeiden, die unerwünschtes Licht in die ausgangsseitige Linse 20 bringen würden. Die .Blendenöffnung 15 der Lichtquelle 14 hat einen Durchmesser von "I". Die Fokussierung des Bildes der Lichtquelle in der Ebene der Blendenöffnung 18 minimiert das Bild in dieser Ebene und minimiert dementsprechend die Größe der zur Maskierung der strahlbildenden Linse 16 gegenüber der ausgangsseitigen Linse 20 erforderlichen Blendenöffnung 18.

Die kleinste Größe der Lichtfalle 19 wird durch die in Fig. 2 dargestellte Geometrie begrenzt. Die strahlformende Linse 16 sitzt mit einem Abstand von "a" von der in die Blendenöffnung 15 eingesetzten Lichtquelle 14 in der Blendenöffnung 17. Die Blendenöffnung 18 steht im Abstand von "b" von der strahlbildenden Linse 16 und im Abstand von "c" von der kegeligen Lichtfalle 19 auf der Oberfläche der ausgangsseitigen Linse 20. Ein von einem Punkt an der Kante der Blendenöffnung 17 ausgehender Strahl durch die Mitte der Blendenöffnung 18 trifft auf die Ebene der Lichtfalle 19 mit ei-

030012/0806 " ³⁸ "

d c
nem axialen Abstand von 3· χ τ- auf. Wenn mit anderen Worten der Radius der Blendenöffnung 18 auf Null verkleinert wird, ist für die kegelige Lichtfalle immer

d c

noch ein Radius von -j x tr erforderlich, um die strahlbildende Linse 16 gegenüber der ausgangsseitigen Linse 20 abzudecken. Da der Radius der Blendenöffnung einen Wert von % hat, liegt ein von einem Punkt an der Kante der Blendenöffnung 17 ausgehender Lichtstrahl, der einen diametral gegenüber angeordneten Punkt an der gegenüberliegenden Kante der Blendenöffnung 19 berührt,

j - Einheiten unterhalb der Achse der Blendenöffnung 18 und an der Lichtfalle 19 proportional weiter unterhalb der optischen Achse:

Entsprechend sollte die ausgangsseitige Lichtfalle 19 einen minimalen Radius (s/2) gleich der Summe dieser beiden Summanden aufweisen:

s_dce (c Λ 2 ~ 2 ^x b ⁺ 2 Vb ⁺ V

(2)

Die Beziehung der inneren Blendenöffnung 18 und der Lichtfalle 19 ist wiederum von der Gestaltung der Lichtquelle 14, 15 an der Eingangsseite des Rauchdetektors und der Größe des Fotodetektors 23 abhängig.

Die Wahl der Lichtquelle wird durch zwei Variablen und die Herstellungstoleranzen beeinflußt. Die Lichtquelle ist eine Leuchtdiode, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Strahlungskeule mit einem Raumwinkel, der

030012/0806

üblicherweise zwischen 10 und 40 liegt, einen Quellendurchmesser "I" typischerweise zwischen 1,14 und 3,81 mm, der normalerweise durch die Eingangsblendenöffnung 15 festgelegt ist, und Toleranzen aufweist, die beide Variablen und die Strahlungsrichtung, bezogen auf die Befestigungsoberfläche der Lichtquelle, beeinflussen.

Die Lichtquelle 14, 15 mit dem Durchmesser "I" wird in die Blendenöffnung 18 abgebildet und legt somit die kleinste öffnung der Blendenöffnung 18 mit

2 2 ^x a (3)

fest. Während die axiale Lage der Lichtquelle 14, 15 der strahlbildenden Linse 16 und der Blendenöffnung explizit festgelegt wird, geht diese Beziehung implizit davon aus, daß die Linse 16, die zur Fokussierung des Bildes in der Ebene der Blendenöffnung 18 erforderliche Brennweite aufweist.

Der Raumwinkel der Ausleuchtung, der in dem Rauchdetektor aufgenommen wird, sei mit "Θ" festgelegt. Der Tangens von θ ergibt sich aus dem Verhältnis des halben Blendendurchmessers "d" und dessen Abstand "a" von der Lichtquelle 14, 15:

tan θ = I₁ . ₍₄₎

Der Radius (s/2) der kegeligen Lichtfalle 19 ergibt sich, ausgedrückt in den Parametern der Lichtquellengröße "I", des Ausleuchtungswinkels θ sowie der axialen Ent-

030012/0806

- 40-

2935821

fernungen a, b und c aus, dem Ausdruck (2) durch stitution von d und e zu:

Nach der Differenzierung des obigen Ausdruckes nach b und dem Nullsetzen wird Ausdruck(4)maximal, wenn ^Hb" den folgenden Wert annimmt:

-Wf

c tan θ.

Dies ergibt den minimalen Lichtfallendurchmesser *s" zu

= ί-°- + 2 \}l 2 c tan θ (7)

Gleichung (7) zeigt, daß der kleinste Durchmesser "s* der Lichtfalle 19 eine direkte Funktion der Größe der Lichtquelle "I", der Abstände "c" und "d" sowie eine umgekehrte Funktion des Abstandes "a" ist.

Wenn eine Beschränkung des Durchmessers der Optik (beispielsweise 2,794 cm) und eine Beschränkung der Gesamtlänge (beispielsweise 12,7 cm) vorgegeben wird, gestattet die Rechnersimulation die Gestaltung in Bezug auf die Parameter des Ausdrucks (7) zu optimieren. Wenn ein Satz von Eingangsparämetern, d.h. a, c und I vorgegeben ist, berechnet der Rechner den optimalen Wert von "b^H unter Verwendung der vorstehenden Formeln. Der Rechner berechnet dann den Verlauf der Verbesserung des Streuwirkungsgrades oder der Systemempfindlichkeit.

030012/0806 - 42 -

Bel dieser Rechnung führt der Rechner für jede Kombination der ausgewählten Eingangsparameter eine numerische Integration über den Bereich des aus dem aktiven Raum (in der Nähe der Blendenöffnung 18) gesammelten Lichtes durch. Die Lichtintensität, mit der die Leuchtdiode ein Elementargebiet beleuchtet, wird eingegeben und dann wird unter Verwendung elementarer Strahlenbündel das gestreute Licht innerhalb des Streuwinkels numerisch integriert. Die Streulichtberechnung verwendet die oben erwähnte empirische For-

2 78

mel: E = k_ß * . Die Integration wird über den Sichtbereich des Fotodetektors 23 ausgeführt. Der obige Ablauf enthält eine Iteration der Rechnersimulation. Bestimmte Parameter werden dann in ihrem Wert um einen kleinen Betrag verändert (automatisch als Teil des Programms), um die Iterationsprozedur und die Suche nach einer optimalen Auslegung fortzusetzen.

Bei der obigen Berechnung wird angenommen, daß die Gesamtlänge auf a + b + c + 5,08 cm festgelegt ist. Die 5,08 cm enthalten 2,54 cm, die von der axialen Tiefe der ausgangsseitigen Linsen 20, 21 und 22 belegt sind. Außerdem sind die ungefähr 1,9 cm der Lichtdiode 14 und ihres Gehäuses hinter der Blendenöffnung 16 berücksichtigt, von der ausgehend "a" gemessen ist, und es sind ferner die typischen 0,64 cm des Fotodetektors 23 sowie seines Gehäuses hinter der Rückfläche der Immersionslinse 22 enthalten. Der Abstand "c" ist auf einen kleinsten Wert optimiert, der mit der lichtstärksten praktischen Objektivgestaltung zusammenfällt, wobei die Öffnung des Objektives 2,79 cm beträgt. Die

ORIGINAL INSPECTED 030012/0806 "

praktische Ausführung besteht in den oben beschriebenen ausgangsseitigen Linsen 20, 21, 22, wobei die letzte Linse eine Immersionslinse für den Fotodetektor 23 ist. (Hierbei wird eine extreme Verkürzung verwendet, um die axiale Ausdehnung dieses Teiles der Optik zu minimieren und um im praktischen Ausführungsbeispiel die Tiefe der drei Linsen knapp unter 2,54 cm zu drücken).

Es ist notwendig, verfügbare Leuchtdioden mit hohem Wirkungsgrad optimal auszunutzen. Die gemessene, dem Fotodetektor zugeführte Lichtmenge ist als eine Funktion der Apertur berechnet. Diese Werte sind in Fig. 3 für eine Weitwinkelleuchtdiode (40°) mit einer 0,381 cm und einer 0,32 cm Blende aufgetragen. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, erzeugt die größere Blende (I) bei einem festgelegten Strom von 8 Milliampere einen größeren Lichtfluß in dem Rauchdetektor. Bei größeren Winkeln jedoch verschwindet die Zuwachsrate des Lichtflusses, wenn der Auffangwinkel die gesamte Strahlungskeule zu erfassen beginnt. Dem Zuwachs, der dem optischen System zugeführten Lichtmenge durch Vergrößern von "I" und "Θ" steht die Forderung nach einer Vergrößerung der Abmessung "sⁿ der Lichtfalle entgegen, um die strahlbildende Linse 16 gegenüber den ausgangsseitigen Linsen zu maskieren, was wiederum die auf dem Fotodetektor 23 gesammelte auftreffende Lichtmenge verringert. Diese Beziehung wird mathematisch dadurch berücksichtigt, daß das Differential von "s" bezogen auf "b" gleich Null gesetzt und nach dem minimalen Wert von "s" aufgelöst wird, wobei die

- 44 030012/0806

kr'

Gleichung in Tennen der oben erwähnten Systemparameter ausgedrückt ist»

Für die abschließende Rauchdetektoroptimierung iteriert der Rechner den Ausdruck für kleinstes *s" mit aufeinanderfolgenden Werten von "a", "I* und *θ". Die berechneten Kurven sind in Fig. 4 dargestellt. Bei Betrachtung der obersten Kurve, bei der eine Gesamtlänge (d.h. a + b + c + 5,08 cmj von T2,7 cm und ein Leuchtdiodenauf fangwinkel von 20° angenommen, ist, ist ersichtlich, daß die Maximalwerte der Streulichtmenge bei einem Leuchtdiodendurcfimesser (Ij von näherungsweise 3 mm liegen► Ein Vergleich der Kurve für eine Gesamtlänge von 12,7 cm mit der Kurve für eine Gesamtlänge von 11,43 cm zeigt eine erhebliche Verbesserung bei der größeren Gesamtlänge. Der optimale Durchmesser der Leuchtdiodenblende bei IT,43 cm Gesamtlänge liegt bei näherungsweise 2,6 mm, während die Streulichtmenge, angegeben in willkürlichen Vergleichszahlen, von etwa 2,53 auf 2,15 fällt. Die erwähnten Kurven werden unter der Annahme eines öffnungswinkels von 20° erstellt. Wenn der öffnungswinkel auf 4O° erweitert ist, sind die beiden Kurven, die der T2,7/ cm und der %T,43 cm Gesamtlänge entsprechen, um einen wesentlichen Betrag nach unten verschoben. Im einzelnen hat die zu der Gesamtlänge von 12,7 cm gehörende Kurve nunmehr das Maximum bei einem Wert von etwa 1,87 bis 2,2 mm Blendendurchmesser. Wenn der öffnungswinkel auf T2,5° verringert ist, werden die beiden untersten Kurven der Fig. 4 erhalten.

Die Rechnerkurven zeigen anschaulich die Leistungsverbesserung, die durch die Rechneroptimierung erreicht

030012/0806 _ ₄₅ _

ist. Unter den angegebenen Dimensionierungsbedingungen ergibt der öffnungswinkel θ eine verhältnismäßig geringe Empfindlichkeit bei 40° und bei 12,5° und eine verhältnismäßig hohe Empfindlichkeit bei 20°. Alleine die Leistungsminderung ohne Optimierung in Bezug auf den θ Parameter geht von 2,54 auf 1,87 bzw. 2,54 auf 1,56 normierte Meßeinheit. Der Durchmesser der Leuchtdiodenblende ist ähnlich bedeutsam. Unter Verwendung der Optimalkurve fällt die Leistungsfähigkeit, die
bei 3,5 mm Blendendurchmesser den Optimalwert mit
2,54 normierten Meßeinheiten aufweist, auf 1,2 normierte Meßeinheiten bei einem Blendendurchmesser von 1,2 mm. Die Leistung fällt, obwohl nicht dargestellt, ebenso schnell um einen ähnlichen Betrag, wenn der Blendendurchmesser 3 mm übersteigt. Eine weitere Erkenntnis kann erhalten werden, wenn die Kurven, die zu der Gesamtlänge von 11,43 cm gehören, mit denjenigen Kurven verglichen werden, die zu der Gesamtlänge von
12,7 cm gehören. Bei allen diesen Beispielen erzeugt eine Vergrößerung der Länge eine Leistungsverbesserung. Allgemeine Überlegungen zeigen, daß die Leistung mit zunehmender Vergrößerung der Grundlänge des Rauchdetektors unter der Voraussetzung ständig ansteigen, daß die einzelnen Parameter erneut optimiert werden, während die anderen beiden gezeichneten Parameter
"Θ" und "I" wegen der stark gegenläufigen Wirkung
des Lichtfallendurchmessers "s" auf Zwischenwerte
optimiert werden müssen. ·

Unter Berücksichtigung der eingangs gemachten Annahme, wonach die eingangsseitige öffnung der strahlbilden-

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030012/0806

den Linse 16 immer voll in dem Lichtstrom liegen muß, was bei der Anwendung des Rechnerprogrammes als unabdingbare Forderung angenommen ist/ und unter der weiteren Annahme einer Optimierung von "Θ" auf 20° bei einer Veränderung von 15° der Strahlungsrichtung bezogen auf das Gehäuse der Leuchtdiode, sollte eine Leuchtdiodenlichtquelle verwendet werden, die eine Strahlungskeule breiter als 35 aufweist.

Zwei praktische Ausführungsbeispiele, die die Dimensionierungsbedingungen erfüllen, sind hier beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel verwendet ein formbares Acrylat (PMMA) für die Linsen. Ein geeignetes Material ist das Kunststoffmaterial V811-100 "Plexiglas" in optischer Qualität erhältlich bei der Firma Rohm und Haas. Dieses Material kann spritzgegossen werden und zeigt einen Brechungsindex von 1,49.Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamtlänge des optischen Rauchdetektors 12,7 cm und der Durchmesser 3,175 cm. Die ersten 1,9 cm in Achsrichtung werden von der Leuchtdiodenlichtquelle benötigt; der Abstand "a" zwischen der Blende 15 und der Vorderfläche der strahlbildenden Linse beläuft sich auf 2,65 cm; der Abstand "b" zwischen der Voderflache der strahlbildenden Linse 16 und der Blendenöffnungen 18 beträgt 3,81 cm; der Abstand ^Mc" zwischen der Blendenöffnung 18 und der kegeligen Lichtfalle 19 in der Vorderfläche der Linse 20 ist 1,27 cm groß und die ausgangsseitige Optik einschließlich der Fotodiode 23 und der Grundplatte erfordert 3,175 cm. Die

- 47 -

030012/0806

kritischen axialen Abmessungen und die Abmessungen der Aperturen und Blenden einschließlich der Toleranzen lauten wie folgt:

a = 2,169 + 0.05 cm

b = 3,81 + 0,05 cm

c = 1 ,27 + 0,025 cm

d = 1 ,27 + 0,013 cm

e = 0,62 + 0,008 cm

I = 0,45 + 0,008 cm

s = 1 ,57 + 0,013 cm

Vor einer Behandlung weiterer Aspekte dieses 2. Ausführungsbeispiels sei die Auswirkung einer Variation der Dimensionen ausgehend von dem angegebenen Optimalwert betrachtet. Wenn für die Abstände a, b und c die optimalen Proportionen verwendet sind, ist die Empfindlichkeit wie oben ausgeführt der Länge des Rauchdetektors und dem Quadrat des Durchmessers proprtional. Dies bedeutet, daß eine Erleichterung bei den Größenanforderungen die Leistung des Rauchdetektors verbessert. In der Praxis beeinflußt eine Vergrößerung des Durchmessers des Rauchdetektors nicht die Proportionen der Abstände a, b und c wie es bei einer axialen Verlängerung der Fall ist.

In der folgenden Tabelle sind die Wirkungen einer 20%igen Änderung . der Parameter aufgelistet, wobei von dem ersten Ausführungsbeispiel mit 12,7 cm Gesamtlänge und 3,175 cm Durchmesser ausgegangen ist.

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030012/0806

iff

Multiplikator	Parameter	Empfindlichkeit (Ausführungsbeispiel ist Bezugsgröße)
. .8	a	60%
1.2	a	85%
.8	b	63%
1.2	b	65%
.8	C	80%
1.2	C	75%
.8	d	60%
1.2	d	80%
.8	e	übermäßiges Streulicht
1.2	e	47%
.8	S	übermäßiges Streulicht
1.2	S	50%
.8	I ■	80%
1.2	I	84%

Während bei einer praktischen Ausführung für die meisten einzelnen Parameter eine Abweichung von +_ 20% von dem Idealwert tolerierbar ist. sind die die Parameter e und s außerordentlich empfindlich und bereits eine Abweichung von + 10% erzeugt eine ziemliche Verringerung der Leistung.

Die Linsen des 2. Ausführungsbeispieles unterscheiden sich von denen des 1. Ausführungsbeispieles. Bei dem 2. Ausführungsbeispiel ist die strahlbildende Linse 16 einstückig mit einer dünnen flachen Scheibe ausge-

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INSPECTED

führt, die sich bis außerhalb des aktiven Teiles der Linse 16 erstreckt und einer.genaueren Zentrierung der Linse dient. Die ausgangsseitige Optik enthält eine erste und eine ähnliche zweite Linse, die beide asphärisch sind und sich mit den am stärksten gekrümmten asphärischen Flächen gegenüberstehen und deren sphärische Flächen mit geringer Brechung voneinander wegzeigen. Alle drei Linsen sind in dem durch die Lichtfalle 19 bedeckten Bereich verkürzt, um die Tiefe der Baugruppe zu verkleinern.

Linse 16 (PMMA V811-100)	η = 1 .49	Achse	Dicke	cm
Vorderfläche eben		,27 cm	0,1653	cm
Hinterfläche:		cm	0,2362	cm
Abstand von der	cm	0,2997	cm
optischen	cm	0,3556	cm
0,7366 - 1	cm	0,4039	cm
0,6604	cm	0,4448	cm
0,5842	cm	0,4782	cm
0,508	cm	0,5039	cm
0,4318	cm	0,5220	cm
0,3556	cm	0,5324	cm
0,7097	cm	°/5352
0,2032
0,1270
0,0508
0,0000

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-S-

Ausgangsseitige Optik:

Linse 20,21 (PMMA V811-100) η = 1.49 Die eine Fläche 60,4 mm Radius (sphärisch) die andere Fläche:

Abstand von der	Achse	Dicke	cm
optischen		0,0000	cm
1,397 cm		0,1168	cm
1,321 cm		0,2314	cm
1,24 5 cm		0,3416	cm
1,168 cm		0,4453	cm
1.092 cm		0,5415	cm
1,016 cm		0,6299
0,940 cm	49)
Linse 22 (n = 1,	(sphärisch)
0,8382 mm Radius

Die Linsen 17, 20, 21 und 22 sind im wesentlichen Lichtsammellinsen mit mäßigen Anforderungen an das Übertragungsverhalten bei hohen Frequenzen, d.h.daß die genaue Krümmung der Linsen geringfügig gegenüber den optimalen Konstruktionswerten schwanken kann, ohne die Empfindlichkeit des optischen Rauchdetektors ungünstig zu beeinflussen. Bei einer praktischen Ausführung unter Verwendung des bezeichneten optische Acrylmaterials (PMMA) wurden die Linsen in einer Form hergestellt, die die gewünschten Konstruktionsmaße aufwies. Nach dem Abkühlen und Tempern ergab sich schließlich eine Linsen-

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SCr

gestalt, die in ungleichmäßiger Weise geschwungen war, wobei der Schwund dazu neigte, bei den größeren Abmessungen unproportional größer zu sein und die Krümmungen im allgemeinen zu vergrößern. Dieser Effekt erforderte

eine geringe Verkürzung der Konstruktionsgröße b zwischen der Blendenöffnung 18 und der strahlbildenden Linse 17; eine weitere merkliche Auswirkung auf den Wirkungsgrad beim Lichtsammeln oder der Anordnung der ausgangsseitigen Linsengruppe 20, 21, 22 wurde nicht festgestellt.

Der elektrische Aufnehmer ist ein optischer Detektor 23, der in eine, hierfür vorgesehene flache rechteckige Ausnehmung in der letzten Linse 22 der ausgangsseitigen Linsengruppe 20, 21, 22 eingeklebt ist. Die Abmessungen der Ausnehmung betragen etwa 0,635 cm und ermöglichen die Verwendung eines Fotodetektors, dessen aktive Oberfläche etwa 0,32 qcm beträgt.

Die elektrische Übertragungsfunktion des optischen Rauchdetektors ist in Einheiten des Ausgangssignales (typisch 1 Millivolt bei einem 1 Megohm) gemessen, das ein vorgegebener meßbarer Rauchwert (typisch 1%) erzeugt, wenn ein vorgegebener Strom (10 Milliampere) verwendet wird, um die Leuchtdiodenlichtquelle im pulsierenden Betrieb anzusteuern.

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Es ist auch möglich, für die ersten beiden Linsen 20, 21 der ausgangsseitigen Linsengruppe 20, 21, 22 zwei Rücken an Rücken montierte Fresnellinsen zu verwenden, die um die zentrale Lichtfalle 19 herum angeordnet sind. Der Nachteil bei der Verwendung von Fresnellinsen in einem preisgünstigen Gerät besteht darin, daß sie, selbst wenn sie spritzgegossen sind, mit erheblicher Genauigkeit der Konzentrität in Bezug auf das Linienintervall montiert sein müssen. Dieses Problem der Zentrierung kann vermieden werden, wenn nur eine der Linsen eine Fresnellinse ist.

Das optische System kann auch eine Schmalwinkelleuchtdiode als Lichtquelle verwenden, jedoch geht bei einem vorgegebenen Rauchdetektor eine erhebliche Lichtmenge verloren, wenn die Orientierung der Lichtquelle nicht einstellbar ist. Wenn die Leuchtdiode einstellbar ist, ist die getrennte strahlbildende Linse nicht notwendig, vorausgesetzt es wird eine Einbuße von etwa 10% bei der "Qualität" der gesamten strahlbildenden Optik in Kauf genommen. Wenn ein 10%iger Zuwachs des Wirkungsgrades erwünscht ist, sollte eine strahlbildende Linse verwendet werden und diese bildet dann eine aus der Oberfläche der Leuchtdioden der sie begrenzenden Blende bestehende "virtuelle Lichtquelle" ab. Unter der Voraussetzung, daß eine strahlbildende Linse eingesetzt und die Ausrichtung unpraktisch ist, sollte üblicherweise eine Weitwinkelleuchtdiode verwendet werden. Die Auswahl der Maßnahmen, um die internen Reflexionen zu verringern, sind im großen und ganzen durch die Größe und den Aufbau des Gehäuses vorgegeben. Wenn größere als die aufgezeigten Abmessungen tolerierbar sind, sind die zusätzlichen Lichtfallen zur Reflexionsunterdrückung unnötig.

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Leerseite

Claims

Patentanwälte Oipl.-ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Roger
7300 Essiingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach
Telefon
4. September 1979 Stuttgart <07H) 356539 PA 172 baeh _T , ,,,^⁹⁶¹⁹

Telex 07 256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Patentansprüche

Rauchdetektor mit einer Dunkelfeldoptik zur Bestimmung der in einer Meßkammer vorhandenen Rauchkonzentration durch Anstrahlung der Rauchteilchen mit einem Strahlenbündel und Messung des außerhalb der Achse des Strahlenbündels vorwärtsgestreuten Lichtes mittels eines Fotodetektors, wobei in der Meßkammer senkrecht und konzentrisch zu der Achse des Strahlenbündels eine innere Blendenöffnung und eine eine ringförmige öffnung zurücklassende Lichtfalle derart angeordnet sind, daß das Strahlenbündel nach Durchqueren der Blendenöffnung von der Lichtfalle auffangbar ist und in der ringförmigen öffnung umdie Lichtfalle eine das in diese öffnung gestreute Licht sammelnde, gegenüber dem Strahlenbündel abgedeckte Linsenanordnung vorgesehen ist, hinter der sich in Richtung und auf der Achse des Strahlenbündels der das durch Rauchteilchen gestreute Licht erfassende Fotodetektor befindet nach Patent ... (Patentanmeldung P 27 58 517.7), dadurch gekennzeichnet, daß die den Lichtstrahl erzeugende Lichtquelle (14) eine schmalbandige Lichtquelle (14) ist und die gegen

ORIGINAL INSPECTED

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Fremdlicht abgeschirmte Meßkammer (12) eine das Strahlenbündel einlassende, eingangsseitige Blendenöffnung (17) mit einer Linse (16) aufweist/ die die Lichtquelle (14) in die Ebene der in der Meßkammer (12) angeordneten inneren Blendenöffnung (18) mit einer gegenüber dieser Blendenöffnung (18) geringeren Größe so abbildet, daß der Lichtstrahl,ohne auf den Rand der inneren Blendenöffnung (18) zu fallen, auf die Lichtfalle (19) auftrifft, und die asphärisch so berechnet ist, daß die sphärische Aberration bei gegebener Bild- und Gegenstandsweite für eine Punktquelle korrigiert ist und ein scharfes Bild der Lichtquelle liefert, daß die eingangsseitige Blendenöffnung (17) die innere Blendenöffnung (18) und die zentrierte Lichtfalle (19) so angeordnet sind, daß kein Streulicht von der strahlbildenden Linse (16) in die ringförmige öffnung fällt, daß die ausgangsseitige, in der ringförmigen öffnung befindliche Linsenanordnung zum Sammeln des von den Rauchteilchen vorwärtsgestreuten Lichtes in der Meßkammer (12) drei Linsen (20, 21, 22) hoher Brechung enthält, daß die Linsenanordnung wenigstens eine asphärische Lisenfläche enthält und so berechnet ist, daß für eine Punktquelle bei einer vorgegebenen Bild- und Gegenstandsweite die sphärische Aberration korrigiert ist und die in der inneren Blendenöffnung (18) befindlichen lichtstreuenden Partikel scharf abbildet, daß der mittlere, etwa dem jeweiligen Durchmesser der zentrierten Lichtfalle (19) entsprechende Bereich der stär-

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ker brechenden Linsenfläche jeder der Linsen (20, 21, 22) zur Verkürzung der ausgangsseitigen Linsenanordnung abgeschnitten ist und daß das scharfe Bild der lichtstreuenden Partikel mit einer dem Fotodetektor (23) entsprechenden Größe auf diesen projiziert wird.

2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegen in der Luft befindliche Partikel dichte und mit Ausnahme einer in Richtung auf die eingangsseitige Blendenöffnung (17) der Meßkammer (12) offene Blendenöffnung lichtdichte vordere Kammer (11) vorgesehen ist, deren Blendenöffnung auf der optischen Achse senkrecht stehend zentriert ist, und daß die schmalbandige Lichtquelle (14) eine neben einer Kondensorlinse (15) angeordnete oder in diese eingebettete Leuchtdiode (14) ist, deren Kondensorlinse (15) ein divergentes Strahlenbündel erzeugt, das entlang der optischen Achse durch die vordere Kammer (11) auf die strahlbildende Linse (16) in der eingangsseitigen Blendenöffnung (17) der Meßkammer (12) zu gerichtet ist.

3. Rauchdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berandung der Lichtquelle (14) die Kondensorlinse (15) in eine an dem anderen Ende der vorderen Kammer befindliche Blendenöffnung eingesetzt ist und daß die strahlbildende Linse (16) den größten Teil des Lichtes des von der Kondensorlinse (15) gebildeten Strahlenbündels auffängt und die durch diese Blendenöffnung be-

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grenzte Oberfläche der Kondensorlinse (15) in die Ebene der inneren Blendenöffnung (18) mit einer solchen Größe scharf abbildet, daß das Bild zur Vermeidung der Kantenbeleuchtung der inneren Blendenöffnung (18) kleiner als diese Blendenöffnung ist.

Rauchdetektor mit einer Dunkelfeldoptik zur Bestimmung der in einer Meßkammer vorhandenen Rauchkonzentration durch Anstrahlung der Rauchteilchen mit einem Strahlenbündel und Messung des außerhalb der Achse des Strahlenbündels vorwärtsgestreuten Lichtes mittels eines Fotodetektors, wobei in der Meßkammer senkrecht und konzentrisch zu der Achse des Strahlenbündels eine innere Blendenöffnung und eine eine ringförmige Öffnung zurücklassende Lichtfalle derart angeordnet sind, daß das Strahlenbündel nach Durchqueren der Blendenöffnung von der Lichtfalle auffangbar ist und in der ringförmigen Öffnung umdie Lichtfalle eine das in diese Öffnung gestreute Licht sammelnde, gegenüber dem Strahlenbündel abgedeckte Linsenanordnung vorgesehen ist, hinter der sich in Richtung und auf der Achse des Strahlenbündels der das durch Rauchteilchen gestreute Licht erfassende Fotodetektor befindet nach Patent ... (Patentanmeldung P 27 58 517.7), dadurch gekennzeichnet, daß die den Lichtstrahl erzeugende Lichtquelle (14) eine schmalbandige Lichtquelle (15) mit einem Durchmesser von "I" ist, die sich im Abstand von "a^H von einer in die Meßkammer (11) Licht einlassenden

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eingangsseitigen Blendenöffnung (17) mit dem Durchmesser "d" befindet, der Abstand zwischen der inneren Blendenöffnung (18) mit dem Durchmesser "e" und der eingangsseitigen Blendenöffnung (17) "d" beträgt und die Lichtfalle (19) mit dem Durchmesser "s" von der inneren Blendenöffnung (18) einen Abstand von "c" aufweist, daß die Lichtquelle (14) eine in der eingangsseitigen Blendenöffnung (17) der Meßkammer (12) befindliche strahlbildende Linse unter einem öffnungswinkel von 2Θ sieht und der Tangens θ = -^g ist, daß die strahlbildende Linse (16) zur Beleuchtung der in der Meßkammer (12) schwebenden Partikel mit dem Lichtbündel die Lichtquelle (14) in die Ebene der inneren Blendenöffnung (18) in einer Größe abbildet, die zur Verhinderung der Kantenbeleuchtung der inneren Blendenöffnung (18) kleiner als diese ist und die ein Auffangen des Lichtbündels in der Licht falle (19) gestattet, daß die eingangsseitige Blendenöffnung (17), die innere Blendenöffnung (18) und die Lichtfalle (19) derart angeordnet sind, daß kein Streulicht der strahlbildenden Linse (16) in die um die Lichtfalle (19) herum angeordnete ringförmige Öffnung fällt, in der zum Sammeln des an den in der Meßkammer befindlichen Partikeln gestreuten Lichtes eine drei Linsen (20, 21, 22) enthaltende, stark brechende Linsenanordnung mit maximaler numerischer Apertur sitzt und solche Krümmungsradien aufweist, daß sie die streuenden Partikel auf dem Fotodetektor (23) scharf abbildet, daß der Durchmesser "s" gleich oder geringfügig größer ist

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als

und daß die übrigen Parameter so festgelegt sind, daß "s" minimal, der mittlere Streuwinkel des von der ausgangsseitigen Linsenanordnung gesammelten Streulichtes möglichst klein und die gesammelte Streulichtmenge maximal ist.
5. Rauchdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der Größe "s" die Größe

b = a Ui- c tan θ

erfüllt.
6. Rauchdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe "s" im wesentlichen gleich dem Ausdruck

I § + 2 I ^ I-+2 \J2 I c tan θ'

el β ei V

gesetzt ist und der Wert jeder unabhängingen Variablen so ausgewählt ist, daß die Größe "s" minimal ist.
7. Rauchdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Gesamtlängenbedingung die Größen a, b und c so groß wie möglich sind und die Größen I und θ in den jeweils möglichen Bereichen

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optimiert sind.
8. Rauchdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für einen vdxkungsvollen Betrieb bei einer externen Gesamtlänge unterhalb oder nicht wesentlich über 12,7 cm die Summe der Werte "a", "b" und "c" etwa 7,62 cm beträgt, daß die Größe "a" etwa 2,54 cm, die Größe "b" etwa 3,81 cm, die Größe "c" etwa 1,27 cm, die Größe ¹¹I" etwa 0,431 cm, die Größe "d^M etwa 3,81, die Größe "e" etwa 0,635 cm und die Größe "s" der Lichtfalle (19) etwa 1,52 cm beträgt.
9. Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum besseren Erfassen des stark divergierenden Streulichtes die Vorderfläche der ersten Linse (20) der Linsenanordnung schwach bricht und die Hinterfläche asphärisch und stärker brechend als die Vorderfläche gestaltet ist und daß für einen großen Konvergenzwinkel die Hinterfläche der zweiten Linse (21) schwach und deren Vorderfläche stärker bricht.
10. Rauchdetektor nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Linse (22) der ausgangsseitigen Linsenanordnung zum Einkoppeln von Licht aus einem großen Raumwinkel in den Fotodetektor (23) mit kleinen Abmessungen als halbkugelförmige Immersionslinse ausgebildet ist.
11. Rauchdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere etwa dem jeweiligen Durchmes-

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ser der zentrierten Lichtfalle (19) entsprechende Bereich der stärker brechenden Linsenfläche jeder der Linsen (20, 21, 22) zur Verkürzung der ausgangsseitigen Linsengruppe abgeschnitten ist.
12. Rauchdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten beiden Linsen (20, 21) der ausgangsseitigen Linsenanordnung jeweils eine asphärische Linsenfläche aufweisen, die so berechnet ist, daß die sphärische Aberration korrigiert ist und die von den lichtstreuenden Partikeln abgelenkten Lichtstrahlen auf die Apertur des Fotodetektors (23) abgebildet sind.
13. Rauchdetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlbildende Linse (16) asphärisch gestaltet ist.

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