KR20010013115A

KR20010013115A - 광전자 스모크 센서용 광 투사 장치

Info

Publication number: KR20010013115A
Application number: KR19997011095A
Authority: KR
Inventors: 나카무라마사토시; 시마히로시; 마츠쿠마히데나리
Original assignee: 바바 다카요시; 호치키 가부시키가이샤
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2001-02-26
Also published as: AU7453898A; WO1998054565A1; HK1027866A1; US6271758B1; GB2340601B; DE19882465B4; CH693776A5; GB2340601A; CN1123770C; DE19882465T1; GB9928169D0; TW392133B; CN1258353A; KR100470235B1; AU733167B2

Abstract

발광 다이오드(1)와 집광 렌즈(2)가 광학축에 정렬된다. 발광 다이오드(1)에 있어서, 특딴 렌즈(5)를 구비하는 커버가 메인 유닛 베이스(9)의 한 쪽에 부착되고, 발광 칩(6)은 몸체 베이스(9)로부터 인출된 본딩 와이어(8)에 의해 상기 커버(4) 내부에서 지지되고, 상기 반사기(7)는 상기 발광 칩(6)의 뒤에 위치된다. 발광 칩(6)의 제 1의 광원에 대해서, 상기 반사기(7)에 의해 앞쪽으로 반사된 광이 끝단 렌즈(5)에 충돌하는 위치가 가상의 제 2의 광원(10)으로서 설정되고, 집광 렌즈(2)의 초점 위치는 상기 제 2의 광원(10)의 위치 또는 근처 위치에 설정된다. 이러한 방식으로, 복합 광의 광학 축에 수직한 빔 단면에서의 광 세기 분포는 반사형 광 센서에 전용되도록 실질적으로 균일하게 될 수 있다.

Description

광전자 스모크 센서용 광 투사 장치{LIGHT PROJECTION DEVICE FOR A PHOTOELECTRIC SMOKE SENSOR}

통상적으로, 화재 감시를 사용하기 위해 널리 사용되는 반사형의 스모크 센서에 있어서, 반사판(reflector plate)은 광 투사 장치와 수광 장치(light reception portion; 27)를 구비하는 스모크 센서 메인 유닛과, 예를 들면 수 십 미터인 소정의 관측 거리만큼 떨어져서 대향하고 있다. 상기 광 투사 장치로부터 수신되는 광의 약화에 기초해서 화재가 감지되는데, 상기 광의 약화는 관측 공간으로 들어오는 스모크에 의해 유발된다.

이러한 경우, 예를 들면, 근적외선 LED(near infrared LED)가 광 투사 장치용 발광 소자로서 사용된다. 근적외선 LED로부터 방출되는 광은 집광 렌즈에 의해 광 빔으로 집속된다. 상기 광 빔은 상기 광 투사 장치로부터 소정의 관측 거리만큼 떨어져 대향하고 있는 반사판과 충돌하여 반사된다. 반사된 광은 수광 장치와 충돌하고 관측 공간으로 들어오는 스모크로 인한 광 약화에 기초해서 화재가 감지된다.

이러한 반사형 스모크 센서에 있어서, 광 투사 장치는 집광 렌즈를 사용하여 광을 근적외선 LED에서 평행한 광 빔으로 변환한 다음 관측 공간으로 방출한다. 광 투사 장치로부터의 광 빔은 메인 유닛과 반사판을 왕복 주행하여 수광 장치에 도달하게 된다. 광 투사 장치와 반사판 사이의 관측 거리가 예를 들면 40미터인 경우, 광 빔이 반사판에 도달할 때, 빔 이미지는 광 확산에 의해 크게 확대된다. 유사하게, 반사판에 의해 반사된 광이 수광 장치에 돌아오는 경우, 빔 이미지는 크게 확대된다. 따라서, 수광 장치는 방출된 광 빔의 에너지의 아주 작은 부분만을 감지할 수 있다.

장치가 설치된 후에라도, 빌딩의 측벽은 약간 왜곡되는 것으로 알려져 있다. 만약 빔의 단면에서의 광 세기 분포가 균일하지 않다면, 낮은 광 세기의 부분이 측벽의 왜곡에 의해 반사판에 충돌하게 되면, 스모크가 존재하지 않는 경우에 생성되는 수광 신호는 아주 약한 레벨로 되고, 그 결과 충분한 S/N 비가 얻어질 수 없게 된다. 또한, 최대의 관측 가능한 거리가 짧아지는 문제가 발생한다. 그러므로, 광 빔의 광학축에 수직한 단면에서의 광 세기 분포가 가능한 한 균일하게 되는 것이 바람직하다.

광 빔의 불균일한 세기 분포의 문제점을 해결하기 위해서, 예를 들면, 도 9에 도시된 광 투사기가 제안되어 있다(일본 특허 공보 제5-79979호). 도 9를 참조하면, 광 투사기에서의 발광 다이오드(105)로부터의 광은 화상 렌즈(imaging lens; 104)에 의해 도파관(103)으로 인도되고 상기 도파관(103) 내에서 전파되어, 에너지 분포가 균일하게 된다. 도파관(103)의 단면으로부터 방출되는 광은 투사 렌즈(102)에 의해 원격 위치에서 이미지화된다.

투사 빔의 에너지 분포를 균일화시키는 이러한 광 투사기의 구조에서, 화상 렌즈, 도파관, 및 투사 렌즈는 발광 다이오드의 전면에 정렬되어야만 한다. 따라서, 균일화용 광 시스템은 상대적으로 복잡하게 되고, 광학 축 방향에서의 길이는 증가된다. 결과적으로, 상기 구조는 광 투사기가 부피가 크다는 단점을 갖는다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 고려하여 고안된 것이다. 본 발명의 목적은 광학 축의 편차를 보상하도록 단순한 광학 구조에 의해 빔 단면 방향에서 발광 다이오드로부터의 광 빔이 균일화될 수 있는 광전자 스모크 센서용 광 투사 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 광 빔이 관측 공간으로 방출되고 상기 관측 공간으로 들어가는 스모크로 인한 광의 약화에 기초해서 화재가 감지되는 광전자 스모크 센서(photoelectric smoke sensor)용 광 투사 장치(light projection device)에 관한 것으로, 특히 광 빔의 세기 분포가 균일화되는 광전자 스모크 센서용 광 투사 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 광 투사 장치를 사용하는 반사형 스모크 센서를 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 광 투사 장치의 광학 구조를 도시하는 도면.

도 3은 에너지 분포를 균일화시킨 본 발명의 광 투사 장치의 광 세기 분포를 도시하는 도면.

도 4는 발광 다이오드에 대해서 집광 렌즈의 초점의 위치가 전방으로 이동된 투사 이미지를 도시하는 도면.

도 5는 도 1의 반사형 스모크 센서에서 광학 축 편차를 도시하는 도면.

도 6은 반사판에 대한 광학 축 편차에 의해 유발되는 투사 이미지의 변화를 도시하는 도면.

도 7은 마스크 부재가 배치된 본 발명의 일 예를 도시하는 도면.

도 8은 도 1의 반사형 스모크 센서에서 방해물에 의해 생성된 반사 광을 도시하는 도면.

도 9는 에너지 분포가 균일화된 종래 기술의 광 투사 장치의 구조를 도시하는 도면.

본 발명은 광 빔이 관측 공간으로 방출되고 상기 관측 공간으로 들어오는 스모크에 의해 약화되는 광 빔을 수신함으로써 화재가 감지되는 광전자 스모크 센서용 광 투사 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 광학 축 방향으로 정렬된 발광 다이오드와 집광 렌즈를 포함하고, 상기 발광 다이오드는, 메인 유닛 베이스(main unit base)와, 상기 메인 유닛 베이스의 끝단(tip end)에 부착되고 렌즈가 구성요소로서(integrally) 배치되는 원통형 커버와, 상기 커버 내부의 소정의 위치에 위치되는 발광 칩과, 상기 메인 유닛 베이스를 통과하는 리드 와이어를 상기 발광 칩과 전기적으로 접속시키는 본딩 와이어, 및 상기 발광 칩의 뒤에 위치된 반사기를 포함한다.

이렇게 구성된 광 투사 장치에 있어서, 발광 칩이 제 1의 광원으로 사용될 수 있고, 상기 반사기에 의해 전방으로 반사된(forward reflected) 광이 상기 커버의 끝단에서 렌즈와 충돌하는 위치가 가상의 제 2의 광원으로 설정될 수 있으며, 집광 렌즈의 초점은 상기 제 2의 광원의 한 위치에 위치될 것이다.

발광 칩은 제 1의 광원으로서 사용될 수 있고, 상기 반사기에 의해 전방으로 반사된 광이 상기 커버의 끝단에서 렌즈와 충돌하는 위치가 가상의 제 2의 광원으로 설정될 수 있으며, 상기 집광 렌즈의 초점은 상기 제 2의 광원의 근처의 위치에 위치될 수 있다.

발광 칩은 제 1의 광원으로서 사용될 수 있고, 상기 반사기에 의해 전방으로 반사된 광이 상기 커버의 끝단에서 렌즈와 충돌하는 위치가 가상의 제 2의 광원으로 설정될 수 있으며, 상기 집광 렌즈의 초점은 상기 제 2의 광원과 떨어진 위치에 위치될 수 있다.

상기 집광 렌즈의 초점은 상기 제 2의 광원과 상기 커버의 끝단의 렌즈 꼭지점(lens vertex)에 위치될 수 있다.

상기 집광 렌즈의 초점은 상기 제 2의 광원과 상기 발광 칩과 전기적으로 접속되는 본딩 와이어의 굽혀진 부분의 끝단의 위치 사이에 위치될 수 있다.

이러한 구성에서, 상기 칩의 전면에서 생성되고 끝단 렌즈의 중앙 부분으로부터 주로 방출되는 광은 불선명하게 되고(blurred), 상기 불선명하게 된 광은 상기 칩의 후면에서 생성되고, 반사기에 의해 반사되며 끝단 렌즈의 주변부로부터 주로 방출되는 광과 결합되어, 그 결과 복합 광의 광학 축에 수직한 빔 단면에서의 광 세기 분포(에너지 세기 분포)는 거의 균일하게 된다.

광 투사 장치의 광학 시스템이 단지 두 개의 부품, 즉 발광 다이오드와 집광 렌즈로만 구성되기 때문에, 빔 단면에서의 광 세기 분포는 아주 간단한 광학 구조로 균일화 될 수 있다.

본 발명은 광 투사 장치와 수광 장치를 구비하는 스모크 센서 메인 유닛과 상기 광 투사 장치로부터의 광을 상기 광 수신 장치로 반사하기 위한 반사기 부재(reflector member)가 소정의 관측 거리의 관측 공간을 통해 배치되는 반사형 스모크 감지 구조를 갖는 광전자 스모크 센서에서 사용될 수 있다. 반사판이 사용되지 않고 광 투사 장치와 광 반사 장치가 관측 공간을 통해 서로 대향되는 분리형 흡광 스모크 센서(separation type extinction smoke sensor)에 본 발명이 사용될 수 있음은 당연하다.

발광 다이오드는 끝단 렌즈에 대해 소정 형상의 개구를 형성하는 근접 접촉 마스크 부재(close-contact mask member)를 구비할 수도 있다.

상기 마스크 부재가 발광 다이오드의 커버의 끝단에 근접하여 부착되는 경우, 빔 이미지의 패턴은 개구의 형상에 따라 임의의 형상을 갖도록 설정될 수 있다. 따라서, 피할 수 없는 대들보(girder)와 같은 방해물이 관측 공간에 존재하는 경우라도, 광 빔이 상기 방해물과 충돌하지 않도록 광 빔의 일부를 쉽게 제거할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따르면, 방해물로부터의 반사광의 수신의 결과로서 감지 기능이 상실되는 본질적인 문제점을 해결할 수 있다.

마스크 부재에서, 원형 구멍, 핀홀(pinhole), 부분적으로 차단된 핀홀(partly-cutaway pinhole), 또는 소정의 방향으로 연장하는 슬릿 등이 개구로서 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 광 투사 장치를 사용하는 광전자 스모크 센서를 도시하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 광 투사 장치(25)와 수광 장치(26)가 광전자 스모크 센서의 센서 메인 유닛(24)에 배치된다. 반사판(27)은 예를 들면 40m인 소정의 관측 거리(L)만큼 상기 센서 메인 유닛(24)으로부터 떨어진 상태에서 상기 센서 메인 유닛(24)과 대향한다. 광 투사 장치(25)는 근적외선 LED와 같은 발광 다이오드(1), 및 집광 렌즈(2)를 구비한다. 발광 다이오드(1)는 광을 방출하도록 단속적으로(intermittently) 구동된다. 발광 다이오드(1)로부터의 광은 집속되어 평행한 광 빔으로 변환된 후 방출된다.

광 투사 장치(25)로부터의 광 빔은 화살표에 도시된 바와 같이 광 투사 장치(25)의 수광 장치로 돌아가도록 반사판(27)에 의해 반사된다. 반사판(27)으로서는, 높은 효율로 입사 방향과 동일한 방향으로 입사 광을 반사하는 반사형 반사기(reflex reflector)가 사용된다. 집광 렌즈(28)와 광 다이오드와 같은 수광 소자(29)는 수광 장치(26) 내에 배치된다.

도 2는 도 1의 센서 메인 유닛(24) 내에 배치된 광 투사 장치(25)의 광학 시스템을 상세하게 도시하고 있다. 투사 광학 시스템에서, 발광 다이오드(1)와 집광 렌즈(2)는 광학 축(3)의 방향에 배치된다. 발광 다이오드(1)로부터의 광은 집광 렌즈(2)에 의해 집속되어 평행 빔으로 변환된 후 방출된다. 피크 방출 파장이 예를 들면 870㎚인 근적외선 발광 다이오드가 발광 다이오드(1)로서 사용된다. 예를 들면, Oki Electric Industry Co., Ltd.에 의해 제조된 OLD2603H가 발광 다이오드로서 사용될 수 있다.

근적외선 발광 다이오드(1)는 리드(11)가 몸체 베이스(body base; 9)로부터 인출되고 커버(4)가 상기 몸체 베이스(9)의 한 측에 부착되는 밀폐된 구조를 갖는다. 상기 커버(4)의 끝단은 끝단 렌즈(5)로서 작용한다. LED 칩(6)은 상기 커버(4) 내부에서 지지된다. 상기 몸체 베이스(9)를 통과한 리드로부터 인출되는 본딩 와이어(8)는 LED 칩과 전기적으로 접속된다.

LED 칩(6)에 전류를 구동함으로써 광이 발생될 때, 광은 전면 및 측면 둘 다에서 방출된다. 반사기(7)(리드의 일부를 처리함으로써 형성된다)는 LED 칩(6)의 뒤에 배치되어 LED 칩(6)의 측면 및 후면으로부터의 광이 상기 반사기에 의해 반사되어 전방으로 방출된다. 따라서, 발광 다이오드(1)에서, LED 칩(6)의 전면으로부터의 직접적인 광으로 주로 이루어진 광은 광학 축(3)이 통과하는 중심부로부터 방출되고, LED 칩(6)의 측면 및 후면으로부터 방출되고 반사기(7)에 의해 반사되는 광으로 주로 이루어진 광은 주변으로부터 방출된다.

이러한 방식으로, 발광 다이오드(1)는 두 종류의 광, 즉 LED 칩(6)의 전면으로부터의 광과 LED 칩(6)의 측면 및 후면으로부터 방출되고 반사기(7)에 의해 반사되는 광으로 이루어진 복합 광을 방출한다. 따라서, 발광 다이오드(1)를 집광 렌즈(2)의 측면에서 볼 때, 직접적인 광을 방출하는 LED 칩(6)은 제 1의 광원으로서 작용하고, LED 칩(6)의 측면 및 후면으로부터 방출되고 반사기(7)에 의해 반사되어 도넛형으로 끝단 렌즈(5)에 입사하는 광을 방출하는 가상의 광원은 제 2의 광원(10)으로서 간주될 수 있다.

발광 다이오드(1)의 커버(4)의 끝단 렌즈(5)의 꼭지점은 P1으로 표시되고, 반사기(7)에 의해 반사되는 광으로 인한 가상의 제 2의 광원(10)의 위치는 P2로 표시된다. 집광 렌즈(2)는 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)가 제 2의 광원(10)의 위치 또는 근처에 위치되도록 발광 다이오드(1)에 대해서 위치된다. 도 2의 실시예에서, 예를 들면, 초점 거리(f)를 갖는 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)는 집광 렌즈(2)와 끝단 렌즈(5)의 꼭지점(P1) 사이의 거리(d1)에 대해서 LED의 안쪽 측에 있고, 집광 렌즈와 제 2의 광원(10)의 위치(P2) 사이의 거리(d2)보다 더 가깝다. 다시 말하면, 집광 렌즈(2)는 초점 위치(F)가 P1과 P2 사이에 위치하도록 위치된다.

집광 렌즈(2)의 초점(F)은 제 2의 광원(10)의 위치 또는 근처에 위치되도록 설정된다. 따라서, 다른 실시예에서, 초점(F)은 선택된 LED의 특성에 따라서 LED 칩(6)과 제 2의 광원(10)의 위치(P2) 사이에 위치될 수 있다. 이러한 경우, LED 칩(6)은 몸체 베이스(9)를 통과하는 리드로부터 고리 모양으로 인출된 본딩 와이어(8)와 전기적으로 접속되고, 상기 본딩 와이어(8)의 굽혀진 부분은 LED 칩(6)보다 더 앞쪽에 위치된다. 집광 렌즈(2)와 상기 본딩 와이어(8)의 굽혀진 부분의 끝단 사이의 거리는 d3으로 표시된다. 집광 렌즈(2)는 초점 거리(f)가 d3를 넘지 않는 영역 내에 위치되는데, 그 결과 초점 위치(F)는 본딩 와이어(8)의 굽혀진 부분의 끝단으로부터 앞쪽으로 이동된 위치에 존재한다.

발광 다이오드(1)에 대한 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)의 이러한 배치는 LED 칩(6)으로부터 방출되고 그 다음 끝단 렌즈(5)를 통해 투과되는 광과, 반사기(7)에 의해 반사되거나 또는 가상의 제 2의 광원(10)에 의해 생성되고 그 다음 끝단 렌즈(5)를 통해 투과된 광이 집광 렌즈(2)에 의해 집속되고 그 결과적으로 발생하는 복합 광의 세기 분포가 균일화되도록 수행된다.

집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)가 발광 다이오드(1)의 LED 칩(6)의 표면과 일치하게 되면, 광 빔은 LED 칩(6)의 발광면의 밝고 어두운 패턴에 대응하는 이미지를 형성한다. 통상적으로, +자 형상(cross-shaped)의 전극이 LED 칩(6)의 발광면에 배치되고, 상기 전극 부분은 광을 방출하지 않는다. 따라서, 결과적으로 생성되는 이미지는 전극 부분에 대응하는 부분을 구비하며 이 부분에서는 광량이 감소된다.

집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)가 본딩 와이어(8)의 굽혀진 부분의 끝단과 일치하면, 본딩 와이어(8)는 뒤쪽으로부터의 광을 차단하여 광이 없는 부분을 구성하거나, 또는 본딩 와이어(8)의 이미지가 형성된다. 결과적으로, 빔 이미지는 균일하지 않게 된다.

초점 위치(F)가 끝단 렌즈(5)의 꼭지점(P1)의 전면에 있도록 설정되면, 제 1의 광원으로서 작용하는 LED 칩(6)에서 반사기(7)로부터의 반사광에 기인하는 제 2의 광원(10)까지의 거리는 크게 되어 두 광원으로부터의 두 종류의 광이 과도하게 확산되어 집속 성능이 저하된다. 이것은 빔 이미지를 불균일하게 한다.

상기 논의한 이유로 인해, 본 발명에 따르면, 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)는 도 2에 도시된 커버 렌즈의 끝단(P1)과 반사기(7)로부터의 반사광에 기인하는 제 2의 광원(10)의 위치(P2) 사이의 영역 또는 제 2의 광원(10)의 위치(P2)와 LED 칩(6)을 지지하는 본딩 와이어(8)의 굽혀진 끝단 사이의 영역 중 하나에 존재하도록 설정된다. 다르게는, 초점 위치(F)는 제 2의 광원의 위치에 존재하도록 설정될 수도 있다.

도 3의 (A)는 도 2의 바광 다이오드(1)로부터의 광이 집광 렌즈(2)에 의해 집속되지 않는 경우에서의 세기 분포를 도시하고, 도 3의 (B)는 균일화되도록 집광 렌즈(2)에 의해 광이 집속되는 경우에서의 세기 분포를 도시한다.

도 3의 (A)의 경우에 있어서, LED 칩(6)으로부터 방출된 광은 상기 칩의 전면으로부터 방출되고 끝단 렌즈(5)를 통해 투과되어 방출되는 광의 세기 분포(12)를 상기 칩의 측면 및 후면에서 생성되고 반사기(7)에 의해 반사되어 끝단 렌즈(5)를 통해 투과되어 방출되는 광의 세기 분포(13)와 결합함으로써 얻어지는 광 세기 분포(14)를 갖는다. 통상적으로, 광 세기 분포(12)는 정도에서(in degree) 광 세기 분포(13)보다 높다.

광 세기 분포(12)에서, 세기는 광학축(3)을 향해 정점에 도달하고, LED 칩(6)의 전극면에서 전극에 의해 유발되는 광량이 적은 부분에 의해 움푹한 부분이 형성된다. 광 세기 분포(12 및 13)의 복합 세기 분포를 균일화하기 위해서, 집광 렌즈(2)는 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이 발광 다이오드(1)의 전면에 배치되고, 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)는 광 세기 분포(12)의 광이 흐려지고 광 세기 분포(13)의 광의 흐린 정도가 최소로 되는 위치에 위치된다.

광 세기 분포(12)의 광에 있어서, 그 주 성분은 발광 다이오드(1)의 끝단 렌즈(5)의 상대적으로 중심인 부분(꼭지점)으로부터 방출된다. 광 세기 분포(13)에 있어서, 그 주 성분은 상대적으로 바깥 주변부로부터 도넛 형태로 방출된다. 발광 다이오드(1)의 끝단 렌즈(5)가 곡률을 갖기 때문에, 꼭지 부분과 바깥 주변부는 집광 렌즈(2)로부터 상이한 거리만큼 떨어져 있으며, 따라서 광원으로 각각 작용하는 부분은 위치가 서로 상이하다.

본 발명에서, 집광 렌즈(2)의 초점 위치는 광 세기 분포(12)의 광이 흐려져서 광 세기 분포(15)의 광으로 변환되고, 광 세기 분포(13)의 광이 집속되어 광 세기 분포(16)의 광으로 변환되는 위치에 설정되고, 상기 광 세기 분포(15 및 16)의 광을 결합함으로써 얻어지는 복합 광의 세기 분포는 광 세기 분포(17)와 같이 균일화 된다.

이러한 경우에 있어서, 광 세기 분포(13)는 정도에서 광 세기 분포(12)보다 높고, 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)는 광 세기 분포(13)의 광이 흐려지고 복합 광이 균일한 위치에 설정된다. 즉, 초점 위치(F)는 LED 커버 렌즈의 꼭지점보다 더 앞에 설정된다.

도 3의 발광 다이오드(1)의 두 광원의 방출 성분의 세기 분포는 LED에 따라 변한다. 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)를 실질적으로 설정하려고 할 때, 초점 위치(F)의 최적의 위치는 집광 렌즈(2)에 의해 생성되는 광 빔의 세기 분포를 점검하여, 초점 위치(F)의 위치를 도 2의 발광 다이오드(1)의 위치(P1 및 P2) 사이의 영역 또는 P2와 본딩 와이어(8)의 끝단 사이의 영역 중 하나의 영역으로 조정하여 결정되어야만 한다.

도 2의 투사 광학 시스템의 크기 관계가 설명될 것이다. 예를 들면, 발광 다이오드(1)는 약 5㎜의 외부 직경을 갖는다. 예를 들면, 초점 길이 f=32.57㎜를 갖는 렌즈가 집광 렌즈(2)로서 사용되고 초점 위치(F)를 도시된 바와 같이 P1 및 P2 사이에 설정하려고 할 때, LED 칩(6)으로부터 방출되는 광이 집광 렌즈(2)에 충돌할 때 따르는 유효 입사 라인은 광학축(3)에 중심을 두고 약 10㎜의 외부 직경를 갖는 영역 내에 있게 된다. 따라서, 약 10㎜의 외부 직경과 소정의 반사율을 갖는 렌즈가 집광 렌즈(2)로서 사용될 것이다.

도 4는 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)의 위치가 LED 칩(6)의 전면 발광면의 위치로부터 앞쪽으로 이동된 경우의 투사 이미지의 변형을 도시한다.

도 4의 (A)는 집광 렌즈(2)의 초점 위치가 LED 칩(6)의 전면 발광면과 일치하는 경우의 투사 이미지를 도시한다. 이 경우, 칩의 전면에서 생성되고 그 다음 끝단 렌즈(5)를 통해 투과되어 방출되는 광의 이미지(a)는 투사 이미지의 중앙에 형성된다. 즉, 전극에 의해 유발되는 광량이 적은 부분은 +자 그림자로서 나타난다. 칩의 측면 및 후면에서 생성되고 반사기(7)에 의해 반사되어 끝단 렌즈(5)를 토애 투과되어 방출되는 광의 도넛형 이미지(b)는 중앙 이미지(a)의 주변에 나타난다.

집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)가 도 4의 (A)의 상태로부터 앞쪽으로 이동된 경우, 중앙 이미지(a)는 도 4의 (B)와 (C)에 도시된 바와 같이 희미하게 된다. 초점 위치(F)가 더 앞쪽으로 이동된 경우, 이미지(A 및 B) 사이의 그림자는 도 4의 (D)에 도시된 바와 같이 없어지고 광 세기 분포는 실질적으로 균일하게 된다. 발광 칩(6)의 뒤쪽의 반사기(7)에 의해 앞쪽으로 반사되는 광이 커버의 끝단에서 렌즈에 충돌하는 위치가 가상의 제 2의 광원으로서 설정될 때, 도 4의 (D)의 균일한 세기 분포가 얻어지는 경우에서의 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)는 제 2의 광원으로부터 떨어진 위치 또는 제 2의 광원의 위치에 위치된다.

발광 다이오드(1)로부터의 광은 집광 렌즈(2)에 의해 집속된 다음 실질적으로 평행하게 방출된다. 빔허리형 압축(beam waist-like constriction)이 투사 장치의 근처에서 형성된다. 그런 다음, 상기 광은 직선적으로 확장하면서 관측 공간으로 전파된다. 이러한 경우, 빔의 광학축(3)에 대한 전개각(spread angle; θ)은 약 4˚이다. 전개각에 있어서, 본 장치는 휘도의 감지에서 θ=약 2˚의 범위를 효과적으로 사용할 수 있다.

도 1의 광전자 스모크 센서가 설치된 빌딩의 측벽의 온도의 변화에 기인한 광학축의 편차를 도시한다. 도 5의 (A)는 상기 설비의 광학축을 도시하고 있다. 광학축의 정렬은 스모크 센서 메인 유닛(24)이 빌딩의 측벽(30)상에 설치되고 반사판(27)이 상기 스모크 센서 메인 유닛(24)에 대향하는 빌딩의 대향 측벽(31) 상에 설치되는 동안에 이루어 진다.

광학축정렬이 이루어진 후, 측벽(30 및 31)은 예컨대 지붕의 팽창에 의해 초래되는 측벽(30 및 31)의 휨에 의해 상기 측벽(30 및 31)의 상부가 서로 분리되도록 기울어 진다. 상기의 경우에, 정확한 광학축의 방향에 대한 광학축의 편차는 Φ정도의 각도이다. 발명자들의 연구 조사에 의하면, 광학축의 최대 편차각 Φ는 약 1.7°이다.

빌딩 측벽의 휨에 기인한 도 5와 같은 광학축의 편차가 발생하는 경우, 도 2에 도시된 투사 광학시스템의 집광 렌즈(2)로 부터 빔의 광학축에 대한 일측의 전개각(spreda angle)은 도5의 편차각 θ₀= 1.7°정도 또는 그 이상으로 설정되고, 반사판은 이미지의 중심에 배치된다. 결과적으로, 상기에서 언급한 광학 편차가 발생하는 경우에도, 투사 광학 시스템은 반사판(27)을 향해 광 방출이 가능하고, 그 후 반사광의 수신이 가능하다. 도 2의 실시예에서, 집광 렌즈(2)로부터의 평행빔의 전개각 θ는 약 4°(유효한 전개각은 약 2°)이거나 도 4의 편차각 θ₀= 1.7°의 이상이다. 그러므로 빌딩 등의 휨에 기인한 광학축의 편차가 발생하는 경우라도, 검출 상태는 광학축을 특별히 조절하지 않고서도 안정적으로 유지된다.

상기의 경우에서, 도 2의 투사 광학시스템의 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)는 발광 다이오드(1)에 대한 빔 세기 분포를 균일하게 하도록 위치되어, 빔의 전개각 θ = 약 2°의 범위 내의 빔 세기 분포는 예컨대 도 3의 빔 세기 분포에서 도시된 바와 같이 개략 균일하게 된다. 광학 편차가 도 5의 (B)에서 도시된 바와 같이 발생하는 경우에도, 상기와 같은 빔 세기 분포의 균일함에 의해, 광 빔의 일부가 반사판(27) 상에 정확히 부딪혀서 스모크 센서 메인 유닛(24)은 반사광을 수신할 수 있다. 그 결과, 광학축의 편차에 의해 초래된 반사 광량의 변화 정도는 무시할 만큼의 수준으로 감소가 가능하다.

집광 렌즈(2)의 초점 위치가 광 방출 칩의 전면의 광 방출면과 일치하는 경우, 예컨대 도 4의 (A)와 같은 패턴의 투사 이미지(40a)는 도 6의 (B)의 수광부(27)에 의해 수신된다. 투사 이미지가 광학축 편차에 의해 투사 이미지(40a)의 위치까지 이동되는 경우, 중심 이미지와 주변 이미지 사이의 도넛형의 음영부는 반사판(27)을 겹치게 하고, 수광부상에 부딪히는 광 에너지는 크게 감소된다.

이와 대조하여, 본 발명에서 도 6의 (A)에 도시된 바와 같이, 광 세기 분포가 도 4에서처럼 균일하게 되는 투사 이미지(50a)는 수광부(27)에 의해 수신된다. 투사 이미지가 광학축의 편차에 의해 투사 이미지(50b)의 위치까지 이동하는 경우라도, 수광부에 부딪히는 광 에너지는 거의 변하지 않는다.

도 7은 본 발명에 의한 광 투사 장치를 도시하는 것으로서, 빔 이미지의 형상을 임으로 설정하는데 사용하는 마스크부는, 집광 렌즈(2)의 초점 위치(F)가 도2에 도시된 집광 렌즈(2)에 관련하여 위치되는 광학 시스템의 발광 다이오드(1)에 또한 배치된다.

도 7의 (A)는 마스크부(18)의 제 1의 실시예를 도시하고 있다. 우측상의 단면도에서 도시된 원형의 홀(19)이 형성되는 마스크부는, 발광 다이오드(1)의 커버(4)의 끝단에서의 끝단 렌즈(5)만이 외부로 노출되도록 발광 다이오우드(1)에 근접하게 부착되어 있다. 마스크부(18)의 원형의 홀(19)이 형성됨으로써 발광 다이오드(1)로부터의 주변광은 차단되고, 개구로서 소용되는 원형의 홀(19)을 통과한 광만이 집광 렌즈(2)에 부딪히게 된다. 결과적으로, 광학 축의 단면으로부터 확인된 바와 같은 원형의 빔 이미지(19a)는 광학축(3)을 따라 전면의 영역에서 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.

도 7의 (B)는 발광 다이오우드(1)의 끝단에 근접하게 부착되도록 핀홀(21)이 마스크부(18)에 형성되어 있는 일 실시예를 도시하고 있다. 상기 실시예에서, 마스크부(18)는 부재(18a)와 개구부(18b)로 구성된 두 개로 분리된 구조로 되어 있고, 도시된 바와 같이, 부재 및 개구부가 함께 접합되는 동안 발광 다이오우드(1)의 끝단상에 정합된다.

핀홀(21)은 마스크부(18)의 끝단에 위치하며 광학축(3)이 통과하는 지점에서 개구된다. 결과적으로, 광학축(3)에 집중된 일부의 광만 핀홀(21)을 통과하여 집광 렌즈(2)에 부딪히고, 도 7의 (A)의 직경보다 작은 직경을 갖는 빔 이미지(21a)가 광학축(3)을 따른 전면 영역의 단면 방향에서 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.

도 7의 (C)는 차단부를 갖는 핀홀(22)이 형성되는 일 실시예를 도시하고 있다. 핀홀의 상부가 임의의 위치에 근접하는 경우, 예컨대 차단 핀홀 이미지(22a)는 광학축 방향에 따른 단면 빔 이미지로부터 도시된 바와 같이 형성될 수 있다. 차단 핀홀 이미지(22a)의 차단부는 예컨대 우측상의 점선에 의해 나타난 차단 핀홀 이미지(22b)에서 도시된 바와 같이 화살표 방향으로 발광 다이오드(1)에 부착된 마스크부(18b)를 회전시킴으로써 정확히 조정할 수 있다.

도 7의 (D)는 직사각형 슬릿(23)이 마스크부(18)에서 개구되는 일 실시예를 도시하고 있다. 직사각형 슬릿 이미지(23a)는 집광 렌즈(2)에 의해 생성되는 빔 이미지의 화상부에 형성된다. 또한 직사각형 슬릿 이미지(23a)에 있어서, 세로 방향은 직사각형 슬릿(23b)에서 도시된 바와 같이 발광 다이오드(1)의 마스크부(18b)를 화살표 방향으로 회전시킴으로써 적절하게 변경될 수 있다. 물론 필요에 따라서 개구부는 도 7의 (A) 내지 (D)의 형태 이외의 임의의 형태로 형성될 수 있다.

도 7의 (A) 내지 (D)에 도시된 바와 같이, 투사 장치로 부터의 빔 이미지의 형상은 마스크부(18)에 의해 적절히 조절된다. 상기와 같은 구성에 따라, 예컨대 도 8의 (A)에서 도시된 바와 같이 대들보(32)와 같은 장애물이 스모크 센서 메인 유닛(24)과 반사판(27) 사이에 존재하고, 광 투사 장치(25)로부터의 광 빔의 일부가 대들보(32)에 의해 반사되고, 그후, 수광 장치(26)에 의해 수신되는 경우, 광 투사 장치(25)로부터의 광 빔의 형태는 광 빔이 상기 대들보(32)에 부딪히는 것을 방지하기 위해서 마스크부(18)의 개구부의 구성에 의해 설정될 수 있다.

상기에 언급된 광학축 편차를 보상하기 위해, 개구부는 θ ＜ 1.7°가 되도록 마스크부에 형성된다. 상기의 경우에, 개구는 어떠한 형상이라도 양호하다.

예컨대, 마스크부가 제공되지 않는 경우에, 광 투사 장치(25)로부터의 광 빔은 대들보(32)에 부딪혀서 도 8의 (B)의 점선에 의해 나타내진 바와 같이 반사된다. 예컨대, 도 7의 (B)에서 도시된 바와 같이 핀홀(21)을 구비한 마스크부(18b)가 설정되면, 광 투사 장치(25)로부터의 광학축은 대들보(32)에 의한 반사를 회피하기 위해 실선에 의해 지시된 바와 같이 정의된다. 핀홀 또는 극미소 슬릿이 도 7의 (B), (C) 또는 (D)에 도시된 바와 같이 형성되는 경우에, 빔이 회절 현상에 의해 확산된다는 점이 예측된다. 그러나, 예컨대, 크기가 약 0.5 밀리미터 이하인 핀홀(21)이라면 회절 현상을 발생시키지 않고서 빔 이미지를 제한할 수 있다는 것이 확인되었다.

더욱이, 핀홀 또는 극미소 슬릿이 도 7의 (B), (C) 또는 (D)에 도시된 바와 같이 형성되는 경우, LED로부터 방출 광의 분포는 미세하게 변화된다. 따라서, 엄밀히 말하면, 조명 이미지(illumination image)는 약간 흐려진다. 그러나, 이것으로 인해 실제상의 문제는 발생하지 않는다. 필요하다면, 집광 렌즈의 위치는 재조절 될 수 있다.

상기에 기술된 실시예는 도 1의 반사형 광전자 스모크 센서와 같은 유사한 방식으로 구성된다. 상기 구성은 광 투사 장치(25) 및 수광부(26)가 관측 공간을 사이에 두고 대향하고 있는 다른 실시예로서 형성되는 분리형 흡광 스모크 센서에 그대로 적용될 수 있다. 상기에 기술한 실시예에서, 화재는 관측 공간으로 들어오는 스모크에 기인한 광의 약화에 따라 검출된다. 유사하게, 본 발명은 광 빔이 관측 공간 내에 설치되어 광 빔의 인터럽션에 따라 침입자가 검출되는 침입자 검출장치를 위한 광 투사 장치에 또한 적용이 가능하다.

상기에서 기술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 집광 렌즈의 초점 위치는, 발광 다이오드의 반사기에 의해 반사되는 광에 의존하며 커버의 끝단에서의 끝단 렌즈의 바닥부(basal portion)에 있는, 가상의 제 2의 광원의 위치에 또는 그 위치에서 떨어진 위치에 위치한다. 따라서, 칩의 전면에서 발생하여 끝단 렌즈의 중심부에서 주로 방출되는 광은 희미해 지며, 상기의 희미해진 광은 칩의 측면 및 후면에서 발생되어 반사기에 의해 반사되고 끝단 렌즈의 주변부에서 주로 방출되는 광과 결합하여, 그에 따라 광학축에 수직인 빔 단면의 빔의 세기 분포(거의 적외선 에너지)가 균일해 질수 있다.

결과적으로, 상기 광 빔 세기 분포가 균일하게 된 결과, 빌딩의 설치벽의 휨에 기인하여 광학축의 편차가 발생하는 경우에도, 어떤 일부의 균일한 이미지 범위라도 광학축 편차각을 초과하는 빔 전개각을 설정함으로써 대향하는 반사판 상에 확실히 나타날 수가 있게 된다. 따라서, 검출 상태는 빌딩의 휨에 기인한 광학축의 편차에 의해 영향을 받지 않고서 안정적으로 유지될 수 있다. 광 투사 장치의 광학 시스템은 단지 예컨대 발광 다이오드와 집광 렌즈의 두 부분으로만 구성되어 있고, 발광 다이오드는 상업적으로 입수할 수 있는 일반적인 발광 다이오드를 그대로 사용함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 광 세기의 균일화는 생산비가 낮아진 단순한 광학적인 구조로 실현될 수 있다.

Claims

광 빔이 관측 공간으로 방출되고 상기 관측 공간으로 들어오는 스모크에 의해 약화된 광 빔을 수신하는 것에 의해 화재를 감지하는 광전자 스모크 센서용 광 투사 장치에 있어서,

상기 장치는 광학축 방향으로 정렬된 발광 다이오드와 집광 렌즈를 포함하며,

상기 발광 다이오드는,

메인 유닛 베이스(main unit base)와;

상기 메인 유닛 베이스의 끝단(tip end)에 부착되고 렌즈가 구성 요소로서(integrally) 배치되는 원통형 커버와;

상기 커버 내부의 소정의 위치에 위치되는 발광 칩과;

상기 메인 유닛 베이스를 통과하는 리드 와이어를 상기 발광 칩과 전기적으로 접속시키는 본딩 와이어, 및

상기 발광 칩의 뒤에 위치된 반사기를 포함하며,

상기 발광 칩은 제 1의 광원으로서 사용되고, 상기 반사기에 의해 앞쪽으로 반사되는 광이 상기 커버의 상기 렌즈와 충돌하는 위치가 가상의 제 2의 광원으로 설정되는 것을 특징으로 하는 광전자 스모크용 광 투사 장치.
제 1항에 있어서, 상기 집광 렌즈의 초점 위치는 상기 제 2의 광원의 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 광전자 스모크용 광 투사 장치.
제 1항에 있어서, 상기 집광 렌즈의 초점 위치는 상기 제 2의 광원의 근처의 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 광전자 스모크용 광 투사 장치.
제 1항에 있어서, 상기 집광 렌즈의 초점 위치는 상기 제 2의 광원으로부터 떨어진 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 광전자 스모크용 광 투사 장치.
제 1항에 있어서, 상기 집광 렌즈의 초점 위치는 상기 제 2의 광원과 상기 커버의 끝단의 렌즈 꼭지점 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 광전자 스모크용 투사 장치.
제 1항에 있어서, 상기 집광 렌즈의 초점은 상기 제 2의 광원과 상기 발광 칩과 전기적으로 접속된 상기 본딩 와이어의 굽혀진 부분의 끝단의 위치 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 광전자 스모크용 투사 장치.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광전자 스모크 센서는 광 투사 장치와 수광 장치를 구비하는 스모크 센서 메인 유닛과 상기 광 투사 장치로부터 상기 수광 장치로 광을 반사시키기 위한 반사기 부재(reflector member)가 소정의 관측 거리의 관측 공간을 통해 배치되는 반사형 스모크 감지 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광전자 스모크용 투사 장치.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 다이오드는 상기 끝단 렌즈에 대해 소정 형태의 개구를 형성하는 마스크 부재(mask member)를 구비하고, 상기 마스크 부재는 상기 끝단 렌즈와 밀접하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 광전자 스모크용 투사 장치.