DE10060044C2 - Streulichtdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Streulichtdetektor mit einer Lichtquelle, einer koaxial zu einem von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl angeordneten Detektionsop­ tik, die ein sich von der Lichteintritts- zur Lichtaustrittsseite hin verjüngendes lichtleitendes Element aufweist, und einem Fotosensor.

Derartige Streulichtdetektoren werden beispielsweise als optische Partikelde­ tektoren verwendet, bei denen die Anwesenheit von kleinen Partikeln in einem Gasvolumen anhand des an den Partikeln gestreuten Lichts nachgewiesen wird. Alternativ können solche Streulichtdetektoren auch zur Analyse von Fluores­ zenzlicht verwendet werden, das von einzelnen Teilchen oder auch von einzel­ nen Molekülen in den Detektionsraumwinkel emittiert wird.

Einen Streulichtdetektor der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die US 4 226 533. Es handelt sich hierbei um einen optischen Partikeldetektor, der insbesondere zur Rauchdetektion verwendet wird. Der vorbekannte Detektor besteht aus den folgenden Komponenten, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Mittels einer Lichtquelle wird eine ebenfalls innerhalb des Gehäuses befindliche Gasprobe beleuchtet. Koaxial zu dem von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl ist eine Dunkelfeldoptik vorgesehen, durch die das von den Rauchpartikeln in Vorwärtsrichtung gestreute Licht auf einen Fotodetektor fokussiert wird. Durch die Detektionsoptik wird ein beschränktes Detektionsvo­ lumen nahe der optischen Achse definiert, wobei das direkt von der Lichtquelle einfallende Licht ausgeblendet wird.

Ein weiterer nach dem Streulichtprinzip arbeitender Rauchdetektor ist aus der DE-OS 26 19 083 bekannt. Bei diesem wird ein im Inneren des Detektors befindliches Gasvolumen von einer Lichtquelle beleuchtet, wobei das in Vorwärtsrichtung an möglicherweise in dem Gasvolumen vorhandenen Rauchpartikeln gestreute Licht von einem Lichtdetektor registriert wird. Der vorbekannte Rauchdetektor zeichnet sich dadurch aus, daß das gestreute Licht mittels lichtleitender Elemente aus einer um die optische Achse herum verlaufenden ringförmigen Zone abgegriffen und dem Lichtdetektor zugeführt wird. Das lichtleitende Element kann dabei als konisch geformter Körper ausgebildet sein, der sich von seiner Lichteintritts- zu seiner Lichtaustrittsseite hin verjüngt.

Die DE-OS 26 19 082 offenbart einen ähnlichen Rauchdetektor, bei dem ebenfalls in Vorwärtsrichtung an Rauchpartikeln gestreutes Licht detektiert wird. Bei diesem Detektor ist die Besonderheit, daß die von der Lichtquelle emittierte Strahlung auf eine kegelmantelförmige Zone fokussiert wird, so daß das gestreute Licht von einem auf der optischen Achse angeordneten Fotosensor direkt registriert werden kann.

Ein wesentlicher Nachteil der vorbekannten Streulichdetektoren beruht darauf, daß es zur Detektion des in Vorwärtsrichtung gestreuten Lichtes nötig ist, daß sich das Detektionsvolumen innerhalb der gesamten Anordnung befindet. Die zu untersuchende Gasprobe liegt bei den vorbekannten Partikeldetektoren zwi­ schen der Lichtquelle und der Detektionsoptik.

Nachteilig ist bei den vorbekannten Rauchdetektoren des weiteren, daß die Detektionsoptik, durch welche das Detektionsvolumen definiert wird, aus einer vergleichsweise komplizierten Anordnung von Linsen- und Blendenelementen aufgebaut ist. Insbesondere an den Kanten der Blenden kann es zu uner­ wünschten Streuungs- und Beugungserscheinungen kommen, die die Empfind­ lichkeit der Detektionsvorrichtung herabsetzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile einen Streulichtdetektor bereitzustellen, bei dem sich das Detektionsvolumen außerhalb der Anordnung befindet. Der Detektor soll möglichst kompakt sein und aus nur wenigen optischen Komponenten bestehen. Gleichzeitig soll eine hohe Empfindlichkeit bei der Streulichdetektion gegeben sein, so daß, beispielsweise bei der Rauchdetektion, auch geringste Partikelkonzentrationen ausreichen, um einen Alarm auszulösen. Insbesondere für die Anwendung als Rauchdetektor soll ferner eine Herstellung in großen Stückzahlen zu möglichst geringen Kosten möglich sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Streulichtdetektor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Detektionsoptik auf der von der Lichtemission abgewandten Seite der Lichtquelle derart angeordnet ist, daß durch die Detektionsoptik das an von der Lichtquelle beleuchteten Partikeln in Rückwärtsrichtung gestreute Licht auf den Fotosensor geleitet wird.

Dadurch daß bei dem Streulichtdetektor gemäß der Erfindung die Detektionsoptik auf der von der Lichtemission abgewandten Seite der Lichtquelle angeordnet ist, wird das von den Streuzentren zurückgestreute Licht detektiert. Es läßt sich damit ein optischer Partikeldetektor für die Rauchdetektion realisieren, bei dem sich das empfindliche Detektionsvolumen außerhalb der Detektionsvorrichtung befindet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß bedingt durch den koaxialen Aufbau des Streulichtdetektors ein großer langgestreckter Detektionsbereich entlang des Lichtstrahles zur Verfügung steht, woraus sich eine besonders hohe Empfindlichkeit ergibt.

Dabei liegt der Erfindung die Grundidee zugrunde, daß durch eine geeignete Formgebung des lichtleitenden Elementes, durch das das Streulicht auf den Fotosensor geleitet wird, das empfindliche Volumen der Detektionsanordnung vorgebbar ist. Dadurch daß sich das lichtleitende Element gemäß der Erfindung von der Lichteintritts- zur Lichtaustrittsseite hin verjüngt, kann nur dasjenige Streulicht auf den Fotosensor gelangen, das unter einem bestimmten Eintrittswinkel in das lichtleitende Element einfällt. Zu flach einfallendes Streulicht wird an den schräg verlaufenden Innenwänden des Lichtleiters total reflektiert, ohne jemals auf die Detektionsfläche des Fotosensors an der Austrittsseite des Lichtleiters zu gelangen. Zu steil einfallendes Licht wird an der inneren Oberfläche des Lichtleiters gebrochen und kann dementsprechend ebenfalls nicht vom Fotosensor registriert werden. Das lichtleitende Element dient gemäß der Erfindung zum einen also dazu, einen bestimmten Winkelbereich für die Detektion festzulegen, und zum anderen gleichzeitig, zur Erreichung einer möglichst hohen Lichtausbeute, das Streulicht aus einem möglichst großen Raumwinkelelement auf den Fotosensor zu konzentrieren. Die Geometrie des lichtleitenden Elementes kann vorteilhafterweise so gewählt werden, daß sich ein großes, langgestrecktes Detektionsvolumen entlang des Lichtstrahls ergibt. Dies führt zusammenwirkend mit einer entsprechend großen Eintrittsöffnung des Lichtleiters zu einer vergleichsweise hohen Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Streulichtdetektors.

Als Lichtquellen kommen bei der Streulichtdetektionsvorrichtung gemäß der Erfindung Laserdioden oder sonstige Lichtquellen in Frage, wobei der Lichtstrahl mittels geeigneter Linsen und Kollimierungselemente erzeugt wird. Insbesondere Laserdioden haben den Vorteil einer hohen Lichtausbeute bei vergleichsweise geringer Stromaufnahme. Je nach Anwendung des Streulichtdetektors kann als Fotosensor ein einfacher Fotodetektor, wie z. B. eine Fotodiode, oder aber auch ein optisches Spektrometer zur Frenquenzanalyse des gestreuten Lichtes zum Einsatz kommen.

Bei dem optischen Partikeldetektor gemäß der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn das lichtleitende Element eine lichtreflektierende innere Oberfläche auf­ weist. Durch die Formgebung des lichtleitenden Elementes wird, wie oben beschrieben, das empfindliche Detektionsvolumen festgelegt. Dabei wird insbe­ sondere der Verlauf des an den inneren Oberflächen des Lichtleiters reflektierten Lichtes ausgenutzt, wobei lediglich das aus dem gewünschten Volumenbereich gestreute Licht auf den an der Lichtaustrittsseite des Lichtleiters befindlichen Fotodetektor geleitet wird. Es ist beispielsweise möglich, das lichtleitende Element aus einem transparenten Material herzustellen, das einen Brechungsindex aufweist, der größer ist als der Brechungsindex des umgebenden Mediums. Die dann an den Innenseiten des Lichtleiters auftretende Totalreflektion kann erfindungsgemäß ausgenutzt werden.

Zweckmäßig ist es weiter, die Detektionsoptik mit wenigstens einer zusätzlichen Sammellinse auszustatten. Die Sammellinse wird dabei vorteilhafterweise an der Lichteintrittsseite des Lichtleiters angeordnet. Das Brechungsverhalten der Sammellinse kann gemäß der Erfindung dazu ausgenutzt werden, zusammenwirkend mit der Formgebung des lichtleitenden Elementes den Abstand des empfindlichen Detektionsvolumens von der Detektionsoptik festzulegen. Durch die Sammellinse wird des weiteren erreicht, daß insgesamt ein größerer Winkelbereich bei der Detektion des Streulichtes abgedeckt wird. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit.

Für die erfindungsgemäße Verwendung ist ein konusförmig ausgebildetes licht­ leitendes Element besonders einfach herzustellen. Dabei verjüngt sich der Querschnitt linear von der Lichteintritts- zur Lichtaustrittsseite hin. Insbesondere auch für die Auslegung des Streulichtdetektors ist die Berechnung des Reflek­ tionsverhaltens an den konisch verlaufenden Oberflächen des Lichtleiters besonders einfach. Aber auch andere Formgebungen, bei denen das lichtleitende Element als Rotationskörper mit beispielsweise parabolischem oder hyperbolischem Längsschnitt ausgebildet ist, können von Vorteil sein, um das empfindliche Detektionsvolumen gemäß der Erfindung derart einzuschränken, daß insbesondere aus großen Entfernungen in die Detektionsoptik einfallendes Streulicht von der Detektion ausgeschlossen wird.

Eine besonders einfache, robuste und kostengünstige Herstellbarkeit ergibt sich bei dem Streulichtdetektor gemäß der Erfindung, wenn das lichtleitende Element einstückig aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex größer als 1 besteht. Hierzu geeignete Kunststoffmaterialien, deren Brechungsindex sogar im Bereich von 1,5 und höher liegen kann, sind vorteilhafterweise im Handel erhältlich. Diese Werkstoffe sind leicht zu bearbeiten, so daß es kein Problem darstellt, dem lichtleitenden Element erfindungsgemäß eine geeignete Form zu geben. Um eine möglichst hohe Detektionsempfindlichkeit zu erzielen, sollte das Material hochtransparent und an seinen Oberflächen poliert sein, um Verluste an Streulichtintensität soweit wie möglich zu minimieren.

Eine besonders kompakte Detektionsoptik ergibt sich, wenn eine Sammellinse an den einstückig aus einem transparenten Material hergestellten Lichtleiter angeformt wird. Auf diese Weise besteht die gesamte Detektionsoptik, abgesehen von dem Fotosensor, aus nur einem einzigen Teil. Daraus ergibt sich eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit der Detektionsvorrichtung. Außerdem erhält man auf diese Weise eine robuste, zuverlässig funktionierende Optik, bei der keinerlei Ausfälle aufgrund von Dejustierungen einzelner Bauteile zu befürchten sind.

In einer alternativen Ausführungsform kann das lichtleitende Element hohl aus­ gebildet und an den inneren Oberflächen verspiegelt sein. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Empfindlichkeit des Streulichtdetektors maximiert werden soll. Es lassen sich nämlich mit gängigen Herstellungstechnologien hoch reflektierende Spiegel mit nur minimalen Intensitätsverlusten herstellen, bei denen die Reflektivität sehr nahe bei 100% liegt.

Es ist zweckmäßig, bei dem Streulichtdetektor gemäß der Erfindung ein koaxial zum Lichtstrahl angeordnetes Blendenelement vorzusehen, da dadurch einer­ seits das direkt von der Lichtquelle einfallende Licht ausgeblendet wird, und da damit andererseits der empfindliche Winkelbereich des Lichteintritts der Detekti­ onsoptik weiter eingeschränkt werden kann. Es ist dabei insbesondere wün­ schenswert, daß parallel oder antiparallel zur Richtung des Lichtstrahls gestreutes Licht von der Detektion ausgeschlossen wird.

Vorteilhafterweise kann die Detektionsoptik des erfindungsgemäßen Streulicht­ detektors ein zusätzliches optisches Filter aufweisen. Damit wird zweck­ mäßigerweise der Spektralbereich, auf den der Detektor empfindlich reagiert, dem Strahlungssprektrum der Lichtquelle angepaßt. So ergibt sich eine erhöhte Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit des Streulichtdetektors, was insbesondere bei der Verwendung als Rauchdetektor von großer Bedeutung ist. Es kann in diesem Fall nämlich nicht zu Fehlalarmen kommen, die unbeabsichtigt durch Lichtquellen ausgelöst werden, die sich zufällig im empfindlichen Volumenbereich des Detektors befinden. Allgemein ist eine schmalbandige Detektion geeignet, die Empfindlichkeit der Detektion heraufzusetzen, wobei gleichzeitig das statistische Untergrundrauschen reduziert wird.

Eine besonders schmalbandige und damit empfindliche Streulichtdetektion ergibt sich, wenn die Intensität der Lichtquelle mit einem Modulationssignal mo­ duliert wird, und das Signal des Fotodetektors mit demselben Modulationssignal demoduliert wird. Dieses "Lock in"-Verfahren erlaubt eine nahezu beliebige Schmalbandigkeit bei der Detektion, die durch entsprechende Filterung des Demodulationssignals vorgegeben wird.

Ausführungsbeispiele des Streulichtdetektors gemäß der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren erläutert:

Fig. 1 Prinzipskizze der optischen Anordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 Strahlenoptische Funktionsdarstellung der Detektionsoptik.

Der in der Fig. 1 gezeigte Streulichtdetektor weist eine Lichtquelle 1 auf, die aus einer Laserdiode 2 sowie einer Sammellinse 3 zusammengesetzt ist. Die Laserdiode 2 befindet sich im Brennpunkt der Sammellinse 3, so daß von der Lichtquelle 1 ein paralleles Lichtstrahlbündel emittiert wird. Der Lichtstrahl 4 beleuchtet Partikel 5, an denen das Licht gestreut wird. In der Zeichnung sind Lichtwellenfronten 6, die von den Partikeln zurückgestreut werden, angedeutet. Das zurückgestreute Licht 6 wird von der Detektionsoptik, die sich aus einer Sammellinse 7 und aus einem lichtleitenden Element 8 zusammensetzt, auf einen Fotodetektor 9 konzentriert. Die Lichtquelle 1 ist dabei im Zentrum der Sammellinse 7 angeordnet, so daß antiparallel zum Lichtstrahl 4 zurückreflek­ tiertes Licht 6 von der Detektion ausgeschlossen wird. Durch das auf der von der Lichtemission abgewandten Seite der Lichtquelle 1 angeordnete lichtlei­ tende Element 8 wird das von der Sammellinse 7 aufgenommene Licht derart auf den Fotodetektor 9 geleitet, daß nur aus einem bestimmten vorgegebenen Volumenbereich zurückgestreutes Licht registriert wird. Dies wird durch die spe­ zielle Formgebung des lichtleitenden Elementes 8 erreicht, in dem sich das lichtleitende Element 8 von seiner Lichteintritts- (8a) zu seiner Lichtaustrittsseite (8b) hin verjüngt.

Das optische Funktionsprinzip ist in der Fig. 2 veranschaulicht. Dort ist der Verlauf von drei Lichtstrahlen 10, 11 und 12 dargestellt, die jeweils das aus unterschiedlichen Raumbereichen zurückgestreute Licht repräsentieren. Der Lichtstrahl 10 stammt aus einem Bereich 13, auf den der dargestellte Streulicht­ detektor empfindlich ist. Der Lichtstrahl 10 wird zunächst von der Sammellinse 7 zur optischen Achse hin gebrochen und fällt dann durch das lichtleitende Ele­ ment 8 auf den Fotodetektor 9. Der Lichtstrahl 11 hingegen, welcher durch Streuung an weiter von der optischen Anordnung entfernten Partikeln entsteht, fällt nach Durchlaufen der Sammellinse 7 unter einem wesentlich steileren Win­ kel in das lichtleitende Element 8 ein, so daß er an dessen Innenseite an der mit 14 bezeichneten Stelle zum Teil total reflektiert und zum Teil gebrochen wird. Der total reflektierte Lichtstrahl 11' wird an der schräg verlaufenden Wandung des lichtleitenden Elementes 8 unter einem derartigen Winkel reflektiert, so daß er nicht auf den Fotodetektor 9 treffen kann. Sowohl der reflektierte Lichtstrahl 11' als auch der gebrochene Lichtstrahl 11" werden außerhalb der Detektionsoptik absorbiert. Erfindungsgemäß werden also Streulichtzentren, die sich jenseits des empfindlichen Bereiches 13 befinden, von dem Detektor nicht registriert. Streulicht das, wie durch den Lichtstrahl 12 angedeutet, aus einer Zone stammt, die sich unmittelbar vor der Detektionsoptik befindet, trifft unter einem so steilen Winkel auf die Sammellinse 7, daß es das lichtleitende Element 8 überhaupt nicht erreicht und somit niemals auf den Fotodetektor 9 gelangen kann. Durch die dargestellte Detektionsoptik wird also erfindungsgemäß erreicht, daß ausschließlich aus der empfindlichen Zone 13 stammendes Streulicht registriert werden kann. Im wesentlichen wird dies durch die besondere Formgebung des lichtleitenden Elementes 8 erreicht. Vorteilhafterweise befindet sich bei dem Streulichtdetektor gemäß der Erfindung die empfindliche Zone 13, wie in der Fig. 2 zu erkennen, außerhalb der optischen Anordnung.

Claims (10)

1. Streulichtdetektor mit einer Lichtquelle (1), einer koaxial zu einem von der Lichtquelle (1) emittierten Lichtstrahl (4) angeordneten Detektionsoptik, die ein sich von der Lichteintritts- (8a) zur Lichtaustrittsseite (8b) hin verjüngendes lichtleitendes Element (8) aufweist, und einem Fotosensor (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsoptik auf der von der Lichtemission abgewandten Seite der Lichtquelle (1) derart angeordnet ist, daß durch die Detektionsoptik das an von der Lichtquelle (1) beleuchteten Partikeln in Rückwärtsrichtung gestreute Licht auf den Fotosensor (9) geleitet wird.

2. Streulichtdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element (8) eine lichtreflektierende innere Oberfläche aufweist.

3. Streulichtdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine der Detektionsoptik zugeordnete Sammellinse (7).

4. Streulichtdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element (8) konusförmig ausgebildet ist.

5. Streulichtdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element (8) einstückig aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex größer als eins besteht.

6. Streulichtdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an das lichtleitende Element eine Sammellinse angeformt ist.

7. Streulichtdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element (8) hohl ausgebildet ist und die inneren Oberflächen verspiegelt sind.

8. Streulichtdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsoptik ein koaxial zum Lichtstrahl (4) angeordnetes Blendenelement aufweist.

9. Streulichtdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein der Detektionsoptik zugeordnetes optisches Filter.

10. Streulichtdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Lichtquelle (1) mit einem Modulationssignal moduliert wird und das Signal des Fotosensors mit demselben Modulationssignal demoduliert wird.