Rauchdetektionseinheit für einen Brandmelder mit Grundpuls unterdrückung sowie geeignetes Verfahren zur Rauchdetektion

Die Erfindung betrifft eine Rauchdetektionseinheit für einen Brandmelder. Die Rauchdetektionseinheit umfasst einen Licht emitter und einen spektral darauf abgestimmten Photosensor in einer Streulichtanordnung. Sie weist zudem eine Steuereinheit auf, welche mit dem Lichtemitter und mit dem Photosensor insbesondere signal- und/oder datentechnisch verbunden ist. Die Steuereinheit ist weiter dazu eingerichtet, den Licht emitter insbesondere wiederholt zum Aussenden eines Lichtpul ses anzusteuern, vom Photosensor ein zeitlich zugeordnetes Sensorsignal zu erfassen und dieses auf zumindest eine Brand kenngrösse hin zu analysieren. Das Sensorsignal kann auch als Photosignal bezeichnet werden.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Rauchdetektionsmodul mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit, einen (geschlosse nen) Streulichtrauchmelder mit einem derartigen Rauchdetekti onsmodul sowie einen offenen Streulichtrauchmelder mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit.

Schliesslich betrifft die Erfindung ein zur Rauchdetektions einheit korrespondierendes Verfahren.

Derartige Rauchdetektionseinheiten sind allgemein bekannt.

Aus der EP 2093 732 Al der Anmelderin ist beispielhaft eine solche Rauchdetektionseinheit bekannt.

Aus der EP 3499 475 A2 und aus der EP 3319 057 Al sind Rauchdetektionseinheiten bekannt, die in optoelektronische Bauteile als System-on-a-Chip (SoC) integriert sind. Die in der EP 3499 475 A2 als SMD-Bauelement ausgebildete Rauchdetektionseinheit umfasst eine Infrarot-LED, eine blau leuchtende LED sowie eine spektral darauf abgestimmte Photo diode. Die optischen Achsen der LEDs verlaufen im montierten Zustand der Rauchdetektionseinheit quer, d.h. nahezu orthogo nal, zur Leiterplatte. Die optische Achse der Photodiode verläuft orthogonal zur Leiterplatte. Zudem ist eine Messkam mer zur Applizierung auf einem Schaltungsträger beschrieben, der eine solche integrierte Rauchdetektionseinheit umfasst. Die Messkammer ist durchlässig für zu detektierenden Rauch, jedoch gegenüber direktem Umgebungslicht abgeschirmt.

Hierbei tritt das Problem auf, dass durch die extreme Rück- wärtsstreulichtanordnung von ca. 160° ein nicht unerheblicher Teil des von den beiden LEDs in Richtung zur gegenüberliegen den Messkammer ausgesandten Lichts als sogenannter Grundpuls zurück zum Photosensor bzw. zur Photodiode gestreut und/oder reflektiert wird. Weist eine solche Messkammer einen angenom menen Durchmesser von 25 mm bis 40 mm bei einer Bauhöhe von 10 mm bis 20 mm auf, so überschreitet der empfangene Lichtin- tensitätspegel des reflektierten Grundpulses den Alarmie rungspegel für den Brandfall um ein Vielfaches. Eine zuver lässige Rauchdetektion ist somit nicht möglich.

Zwar vermag ein neues Design der Messkammerinnenseite den Grundpuls mittels eines z.B. aus der US 2009/237259 Al be kannten Kegels deutlich zu reduzieren. Eine zuverlässige Rauchdetektion ist damit jedoch bei weitem nicht möglich.

Davon ausgehend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rauchdetektionseinheit anzugeben.

Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rauchdetektionseinheit anzugeben, bei welcher der Ein fluss des Grundpulses stark reduziert ist. Schliesslich ist eine Aufgabe der Erfindung, ein dazu korres pondierendes Verfahren zur Detektion von Rauch anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Schliesslich wird die Aufgabe durch ein dazu korrespondieren des Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.

Erfindungsgemäss ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Sensorsignal in Bezug auf den Zeitpunkt eines insbesondere wiederholt ausgesendeten (optischen) Lichtpulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksich tigt zu lassen. Genauer gesagt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Sensorsignal in Bezug auf den Zeitpunkt eines direkt am Lichtemitter ausgesendeten (optischen) Licht pulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenn grösse unberücksichtigt zu lassen.

Der Kern der Erfindung liegt darin, eine Streulichtrauchmes sung auf Basis eines vom Photosensor ausgegebenen Sensorsig nals zu beenden, noch bevor die «Lichtwelle» des Grundpulses den Photosensor erreicht. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass nur der von zu detektierenden Rauchteilchen im Streu lichtvolumen zum Photosensor gestreute Lichtanteil messtech nisch erfasst bzw. bei der nachfolgenden Analyse auf die Brandkenngrösse hin ausgewertet wird. Dies setzt jedoch eine Messzeit voraus, die kürzer ist als die der kürzesten Weg strecke vom Lichtemitter zur gegenüberliegenden Messkammer decke und zurück zum Photosensor entsprechenden optischen Laufzeit des vom Lichtemitter ausgesandten Lichtpulses. Die Messkammer wird somit nur benötigt, um direktes Aussenlicht zu unterdrücken, sofern kein (Spektral-)Filter, wie z.B. Tageslichtfilter, dem Photosensor optisch vorgeschaltet ist. Die zumindest eine Brandkenngrösse kann z.B. ein elektrisch vom Photosensor ausgegebener Lichtintensitätspegel sein. Eine weitere Brandkenngrösse ist z.B. die Änderungsgeschwindigkeit des Lichtintensitätspegels.

Die Steuereinheit ist vorzugsweise eine prozessorgestützte Steuereinheit, insbesondere ein Mikrocontroller, auf dem ein geeignetes Softwareprogramm zur direkten oder indirekten Ansteuerung des Lichtemitters sowie zur messtechnischen Erfassung des elektrischen Sensorsignals vom Photosensor ausgeführt wird. Der Mikrocontroller kann hierzu bereits einen integrierten A/D-Umsetzer zur Umsetzung des Sensorsig nals in korrespondierende Datenmesswerte umfassen. Der Mikro controller kann auch eine digitale Schnittstelle aufweisen, um bereits digitale Werte des Sensorsignals zu erfassen bzw. einzulesen. Dies ist vorteilhaft dann der Fall, wenn der Photosensor digitale Messwerte bereitstellt, die mit dem analogen elektrischen Sensorsignal korrespondieren.

Mit der «wiederholten» Aussendung von Lichtpulsen ist ge meint, dass vorzugsweise zyklisch eine Streulichtrauchmessung erfolgt, wie z.B. einmal, zweimal oder fünfmal pro Sekunde, oder alle 10, 20 oder 30 Sekunden.

Vorzugsweise ist der Lichtemitter dazu eingerichtet, mono chromatisches Licht auszusenden, wie z.B. Licht in einem Wellenlängenbereich von 640 nm bis 1000 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 nm, auszusenden. Ein solcher Lichtemitter kann z.B. eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode sein.

Dem Lichtemitter kann eine optische Linse oder ein Reflektor nachgeschaltet sein. Dadurch ist eine optische Aufweitung des emittierten Lichtkegels möglich. Dem Lichtemitter kann auch eine optische Linse derart nachgeschaltet sein, um die opti sche Sendeachse hin zur optischen Empfangsachse des Photo sensors zu neigen, wie z.B. in einem Bereich von 10° bis 25°. Mit der zeitlich zugeordneten Erfassung des Sensorsignals vom Photosensor ist gemeint, dass vorzugsweise nur im erwarteten Zeitfenster des Eintreffens von Streulicht auf den Photo sensor dieser im Sinne eines «Gatings» eingeschaltet, mit elektrischer Spannung versorgt oder anderweitig aktiviert wird.

Nach einer Ausführungsform ist der Photosensor eine Photodio de, insbesondere eine Avalanche-Photodiode, oder er umfasst ein Array (ARRAY) von Avalanche-Photodioden umfasst.

Avalanche-Photodioden sind hochempfindliche, schnelle Photo dioden. Sie zählen zu den Avalanche-Dioden und nutzen den inneren photoelektrischen Effekt zur Ladungsträgererzeugung und den Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt) zur internen Verstärkung. Sie können als das Halbleiteräquivalent zum Photomultiplier betrachtet werden, mit erreichbaren Grenzfre quenzen bis in den Gigahertz-Bereich. Die höchste spektrale Empfindlichkeit liegt dabei je nach verwendetem Material in einem Bereich von ca. 250 nm - 1700 nm.

Der Avalanche-Photodiode kann eine optische Linse zur Aufwei tung des optischen Erfassungsbereichs vorgeschaltet sein.

Alternativ oder zusätzlich kann der Avalanche-Photodiode ein optisches Filter vorgeschaltet sein, welches spektral auf das vom Lichtemitter ausgesandte Licht ausgelegt ist. Somit kann nur monochromatisches Licht oder zumindest der grösste Teil des monochromatischen Lichts das optische Filter passieren.

Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Avalanche- Photodiode eine Einzelphoton-Avalanche-Diode. Eine solche Einzelphoton-Avalanche-Diode wird in der englischen Fachspra che auch als SPAD (für Single-Photon Avalanche Diode) be zeichnet. Aus dem Stand der Technik sind bereits derartige SPADs be kannt, deren zeitliche Auflösung z.B. bei 7 ps (siehe nach folgende Veröffentlichung des IEEE), 10 ps, 17 ps, 25 ps, 33 ps oder 50 ps liegt. Solche SPADs sind speziell für den Betrieb oberhalb der Durchbruchspannung im sogenannten Gei ger-Modus entwickelt worden. Sie erreichen eine kurzzeitige Verstärkung von bis zu 10 ⁸ , da ein durch ein einzelnes Photon erzeugtes Elektron-Loch-Paar auf Grund der Beschleunigung in der Multiplikationszone, hervorgerufen durch die hohe elekt rische Feldstärke, mehrere Millionen Ladungsträger erzeugen kann. Durch eine entsprechende Beschaltung, vorzugsweise durch einen Vorwiderstand, wird verhindert, dass die SPAD durch den hohen Strom leitfähig bleibt. Der Spannungsabfall am Vorwiderstand ist dann messtechnisch auswertbar.

Aus der Veröffentlichung von Vincenzo Sesta, Federica Villa, Enrico Conca, and Alberto Tosi, «A novel sub-10 ps resolution TDC for CMOS SPAD array», 25. IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), IEEE, 9.-12. Dezember 2018, ist ein neuartiger Time-to-Digital Converter (TDC) für die Single-Chip-Integration in Single-Photon Ava- lanche-Diode (SPAD)-Arrays und in digitalen Silizium-Photo vervielfacher (SiPM) bekannt. Die Detektor-Timing-Elektronik- Kombination eignet sich für zeitkorrelierte Einzelphotonen- Zählanwendungen (TCSPC) und direkte Time-Of-Flight (ToF)- Messungen. Der vorgeschlagene TDC basiert auf einem 200-MHz- 4-Bit-Zähler, der einen Full-Scale-Bereich von 80 ns garan tiert. Zwei Interpolatoren nutzen die Gleitskalentechnik zur Reduzierung der differentiellen Nichtlinearität (DNL). Neben der groben Interpolation verfügen die mehrstufigen Interpola toren über eine neuartige Dual-Fine-Interpolation, die eine Auflösung von bis zu 7 ps garantiert. Die Konvertierungszeit (<50 ns) ist im Vergleich zu typischen Architekturen, die auf Vernier-Verzögerungsleitungen basieren, viel kürzer.

Alternativ umfasst das Array von Avalanche-Photodioden ein Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs). Durch die parallele Anordnung ist eine vielfach höhere Detektionsleis tung möglich. Derartige Arrays können eine z.B. Anzahl von 16 x 16, 32 x 32 oder mehr SPADS umfassen. Durch die parallele Auswertung ist es zudem möglich, eine zeitabhängige Intensi- tätsverteilung mittels Zähler (Counter) zu erzeugen und auszugeben, z.B. in Form eines digitalen Histogramms.

Weiter alternativ kann das das Array von Avalanche-Photo- dioden einen Silizium-Photomultiplier umfassen. Ein Silizium- Photomultiplier, auch als SiPM bezeichnet, besteht aus einem Array mehrerer Avalanche-Photodioden auf einem gemeinsamen Silizium-Substrat. Die Avalanche-Photodioden werden wieder im Geiger-Modus, also oberhalb der Durchbruchspannung, betrie ben. Jede einzelne Avalanche-Photodiode besitzt dabei ihren eigenen Vorwiderstand. Es können ca. 100 bis 1000 solcher Avalanche-Photodioden parallelgeschaltet sein. Der Vorteil ist, dass dadurch sowohl einzelne Photonen und zugleich auch viele Photonen gleichzeitig gemessen werden.

Der optische Erfassungsbereich des Photosensors, d.h. der Photodiode oder der Avalanche-Photodiode, der Einzelphoton- Avalanche-Diode sowie der Arrays daraus, weist - unter Be rücksichtigung einer gegebenenfalls optisch vorgeschalteten optischen Linse - einen Erfassungs- oder Öffnungswinkel in einem Bereich von 25° bis 150°, insbesondere in einem Bereich von 50° bis 145°, vorzugsweise in einem Bereich von 90° bis 140°, auf. Zur räumlich scharfen Begrenzung des Streulichtvo lumens kann sowohl dem Lichtemitter als auch dem Photosensor eine Blende nach- oder vorgeschaltet sein, wie z.B. eine Lochblende oder Apertur.

Einer weiteren Ausführungsform zufolge entspricht die vorgeb- bare Zeitverzögerung der Laufzeit einer optischen Wegstrecke vom Lichtemitter zum Photosensor in einem Bereich von 7.5 mm bis 75 mm, insbesondere von 7.5 mm bis 30 mm, und vorzugswei se von 10 mm bis 15 mm. Dadurch ist eine Anpassung auf die Dimensionen einer den Lichtemitter und den Photosensor umge benden Messkammer vorteilhaft möglich.

Nach einer weiteren Ausführungsform liegt die vorgebbare Zeitverzögerung in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbe sondere in einem Bereich von 25 ps bis 250 ps und vorzugswei se in einem Bereich von 33 ps bis 150 ps. Insbesondere sind die Avalanche-Diode, die Einzelphoton-Avalanche-Diode oder die Arrays davon dazu eingerichtet, den zeitlichen Verlauf erfassten Lichts, hier des Streulichts aus dem Streulichtvo lumen, in Form von sogenannten «Bins», d.h. in einem Zeiter fassungsraster von z.B. von 7 ps, 10 ps, 17 ps, 25 ps, 33 ps oder 50 ps, zu sammeln und diese dann als zeitabhängige Intensitätsverteilung im Sinne eines Histogramms auszugeben.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Photosensor zur möglichen optischen Erfassung von Streulicht erst mit einer vorgebbaren Ein- schaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesen deten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Span nung zu versorgen. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass der Photosensor eventuell vorhandenes Fremdlicht in der Messkammer noch vor dem eigentlichen Auftreffen von Streu licht aus dem Streulichtvolumen erfasst, das dann die Streu lichtrauchmessung verfälschen könnte. Insbesondere entspricht die vorgebbare Einschaltverzögerung der Laufzeit einer opti schen Wegstrecke vom Lichtemitter zum Photosensor in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, insbesondere von 2 mm bis 5 mm.

Die vorgebbare Einschaltverzögerung kann in zeitlicher Hin sicht in einem Bereich von 5 ps bis 50 ps, insbesondere in einem Bereich von 7.5 ps bis 25 ps oder von 7 ps bis 25 ps, vorzugsweise in einem Bereich von 10 ps bis 20 ps, liegen.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet bzw. programmiert, den Lichtemitter insbe sondere wiederholt zum Aussenden einer Lichtpulsserie anzu- steuern. Sie ist weiter dazu eingerichtet, vom Photosensor ein der Lichtpulsserie jeweils zeitlich zugeordnetes Sensor signal zu erfassen, daraus ein gemitteltes Sensorsignal zu ermitteln und dieses auf die zumindest eine Brandkenngrösse hin zu analysieren. Insbesondere umfasst eine Lichtpulsserie eine Anzahl von Lichtpulsen im Bereich von 4 bis 100, insbe sondere von 10 bis 20. Die vom Lichtemitter ausgesandten Lichtpulse sind vorzugsweise äquidistant. Vorzugsweise um fasst die Lichtpulsserie eine Gesamtdauer im Bereich von 1 ms bis 10 ms. Die Zeitdauer eines ausgesandten Lichtpuls liegt insbesondere in einem Bereich von 1 ps bis 100 ps.

Durch arithmetisches Mitteln einer Mehrzahl bzw. Vielzahl von Messergebnissen ist eine Erhöhung der Genauigkeit des empfan genen Lichtintensitätspegels vom Photosensor möglich. Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist der Lichtemitter dazu ausgebildet, Licht in einem Wellenlängenbereich von 640 nm bis 1000 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 nm, auszusenden.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist die Rauchdetekti- onseinheit einen weiteren Lichtemitter auf. Der Photosensor ist zudem spektral auf den weiteren Lichtemitter abgestimmt. Der weitere Lichtemitter bildet mit dem Photosensor eine weitere Streulichtanordnung. Die Steuereinheit ist mit dem weiteren Lichtemitter signal- oder datentechnisch verbunden und dazu eingerichtet bzw. programmiert, entweder den Licht emitter oder den weiteren Lichtemitter insbesondere wieder holt zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photo sensor ein jeweilig zeitlich zugeordnetes Sensorsignal sowie ein weiteres Sensorsignal zu erfassen, das Verhältnis aus beiden Sensorsignale zu ermitteln und das ermittelte Verhält nis auf eine weitere Brandkenngrösse hin zu analysieren. Die weitere Brandkenngrösse ist z.B. ein äquivalenter Durchmesser detektierter Teilchen. Auf Basis einer so ermittelten Teil- chengrösse ist der Teilchentyp bestimmbar, d.h. ob es sich um Staub, Schwelbrand oder um offenes Feuer handelt.

Der (erste) Lichtemitter und der weitere Lichtemitter können hierbei typgleich sein. Insbesondere senden dann beide Licht emitter monochromatisches Licht bei 430 nm ± 20 nm, 470 nm ±20 nm, 870 nm ± 20 nm oder 940 nm ± 20 nm, aus. In diesem Fall weisen der Lichtemitter und der weitere Lichtemitter unterschiedliche Streuwinkel in Bezug zum gemeinsamen Photo sensor auf. Der (erste) Lichtemitter kann z.B. einen Streu winkel im Bereich von 45° bis 90° und der zweite Lichtemitter einen Streuwinkel im Bereich von 100° bis 170° aufweisen.

Alternativ oder zusätzlich können der (erste) Lichtemitter und der weitere Lichtemitter einen gleichen Streuwinkel mit dem gemeinsamen Photosensor aufweisen, jedoch dazu ausgebil det sein, spektral unterschiedliches Licht auszusenden. Der gemeinsame Streuwinkel liegt im Bereich von 45° bis 170°, vorzugsweise im Bereich von 60° bis 160°. Insbesondere ist der (erste) Lichtemitter dazu ausgebildet, monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder 940 nm ± 20 nm auszusenden. Der weitere Lichtemitter ist dazu ausgebildet, Licht in einem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, vorzugsweise mono chromatisches Licht bei 470 nm ± 20 nm oder bei 430 nm ± 20 nm, auszusenden.

Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der Lichtemitter sowie der weitere Lichtemitter eine Leuchtdiode (LED).

Bevorzugt umfasst der Lichtemitter eine Oberflächenemitter- Laserdiode, die in der englischen Fachsprache auch als VCSEL (für Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) bezeichnet wird. Ein solcher VCSEL ist eine Laserdiode, bei der das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zur kantenemittierenden Laserdiode, bei der das Licht an einer oder zwei Flanken des Chips austritt. Der Vorteil eines solchen VCSEL liegt in der hocheffizienten Lichterzeugung bei zugleich sehr hoher emittierter Lichtin tensität. Darüber hinaus sind mittels eines solchen VCSEL sehr kurze steilflankige Lichtpulse erzeugbar. Zudem ist ein VCSEL auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat zusammen mit weiteren Halbleiterkomponenten und optoelektronischen Halb leiterbauelementen, wie z.B. Photodioden, integrierbar.

Vorzugsweise ist einem solchen VCSEL eine optische Linse nachgeschaltet, um den emittierten Lichtkegel im Bereich von wenigen Grad, wie z.B. von typischer 3°, in einen Lichtkegel im Bereich 20° bis 90°, vorzugsweise in einem Bereich von 45° bis 60°, aufzuweiten. Alternativ oder zusätzlich kann die optische Linse dazu ausgebildet sein, die optische Sendeachse des VCSEL zu neigen, wie z.B. im Bereich von 10° bis 30°.

Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist dem Photosensor oder der Photodiode, insbesondere der Einzelphoton-Avalanche- Diode, oder dem Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, ein jeweiliger Time-to-Digital-Converter mit einer Gatterverzöge rungskette nachgeschaltet. Ein solcher Time-to-Digital- Converter wird im englischen Sprachgebrauch auch als TDC bezeichnet. TDCs sind elektronische Schaltungen, die in der Lage sind, kurze bis ultrakurze Zeitintervalle zu messen und in digitaler Form, wie z.B. als Datenstrom, auszugeben. Sie fallen somit unter die Gattung der Frequenzzähler. In der Fachwelt ist jedoch erst dann von einem TDC die Rede, wenn die Zeitauflösung besser ist als diejenige, die sich direkt mit Zählern erreichen lässt. Dies ist gegenwärtig ab einer Auflösung von etwa 1 ns der Fall.

Der Time-to-Digital-Converter kann z.B. ein sogenannter Single-Hit-TDC sein, der nach einer Messung nicht sofort wieder einsatzbereit ist. Er weist daher eine Totzeit auf, die im Vergleich zum gemessenen Intervall relativ hoch ist. Dennoch ist derzeit eine zeitliche Genauigkeit für einen Single-Hit hinunter bis zu etwa 100 Femtosekunden möglich, dies unter Nutzung von Gatterlaufzeiten in frequenzstabili sierten Ringoszillatoren.

Der Time-to-Digital-Converter kann auch ein sogenannter Multi-Hit-TDC sein, wenn mehrere Ereignisse sehr dicht hin tereinander gemessen werden sollen. In diesem Fall kommen Techniken zum Einsatz, die einen Taktzyklus direkt interpo lieren, oft über selbstkalibrierende Gatterverzögerungsket ten. Solche Multi-Hit-TDCs erreichen derzeit Auflösungen bis hinunter zu etwa 10 Pikosekunden. Sie bestimmen dabei nicht die Grösse eines einzelnen Zeitintervalls, sondern eine Liste mit Pulsankunftszeiten, den sogenannten «Bins».

Der zuvor beschriebene Time-to-Digital-Converter kann auch direkt elektrisch mit einem separaten Referenz-Photosensor bzw. mit einer Referenz-Photodiode, vorzugsweise mit einer Referenz-Einzelphoton-Avalanche-Diode, verbunden sein, die in einem bekannten Abstand in direkter Nähe zum Lichtemitter angeordnet ist. Dadurch ist eine laufzeitgenaue, zeitliche Kalibrierung der Gatterverzögerungsketten sowie eine zeitli che Kompensation thermisch bedingter Änderungen bei der Lichtpulserzeugung durch den Lichtemitter vorteilhaft mög lich.

Nach einer besonderen Ausführungsform sind die Leuchtdiode sowie die weitere Leuchtdiode, vorzugsweise die Oberflächen emitter-Laserdiode sowie die weitere Oberflächenemitter- Laserdiode, die Einzelphoton-Avalanche-Diode oder das Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, sowie ein Chip-Controller und der jeweilige Time-to-Digital-Converter in ein gemeinsa mes optoelektronisches Halbleiterbauelement, insbesondere in ein System-on-a-Chip, integriert.

Der jeweilige Time-to-Digital-Converter kann alternativ auch Teil des Chip-Controllers dieses System-on-a-Chip's sein. Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem Rauchde tektionsmodul gelöst, welches eine erfindungsgemässe Rauchde tektionseinheit sowie eine der Rauchdetektionseinheit gegen überliegende Messkammer aufweist. Letztere weist eine oder mehrere Kammeröffnungen für den Durchtritt von Umgebungsluft in das Innere der Messkammer auf.

Die Messkammer ist zudem gegen direktes Umgebungslicht abge schirmt. Vorzugsweise ist die Messkammer becher- oder topf förmig ausgebildet. Sie weist insbesondere einen Aussendurch- messer in einem Bereich von 20 mm bis 60 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 25 mm bis 35 mm auf. Der Innendurchmesser liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 50 mm, vorzugsweise in einem Durchmesser von 20 mm bis 30 mm. Die Bauhöhe der Messkammer liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 30 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 15 mm bis 20 mm. Der Mindestabstand zwischen dem Lichtemitter bzw. dem weiteren Lichtemitter sowie dem Photosensor einerseits und der gegenüberliegenden Innenseite der Messkammerdecke liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 25 mm. Die Messkammer ist vorzugsweise ein Kunststoffspritzgussteil.

Die Kammeröffnungen sind vorzugsweise als Lamellen ausgebil det. In der Fachsprache wird eine solche (optische) Messkam mer daher auch als Labyrinth bezeichnet. Der Lichtemitter und ggf. der weitere Lichtemitter, der Photosensor sowie die Steuereinheit sind vorzugsweise auf einem Schaltungsträger, wie z.B. auf einer Leiterplatte angeordnet. Der Schaltungs träger ist üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise mit einer Kunststoffabdeckung mit lichtabsorbierenden Strukturen versehen. Diese Kunststoffabdeckung schliesst die Messkammer ab und bildet den sogenannten Messkammerboden. Schaltungsträ- ger und ggf. der Kunststoff-Messkammerboden können Teil bzw. Teile des erfindungsgemässen Rauchdetektionsmoduls sein.

Der Lichtemitter und der gegebenenfalls weitere Lichtemitter sowie der spektral darauf abgestimmte Photosensor liegen der Messkammerdecke der Messkammer direkt gegenüber. Der Streu winkel zwischen den jeweiligen optischen Sendeachsen des Lichtemitters und des gegebenenfalls weiteren Lichtemitters sowie der Empfangsachse des Photosensors der Rauchdetektions einheit liegt insbesondere im Bereich von 160° bis 185°. Eine derartige Streulichtanordnung wird auch als Rückwärtsstreu lichtanordnung bezeichnet.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Rauch detektionsmoduls ist die vorgebbare Zeitverzögerung kleiner als die der kürzesten Wegstrecke vom Lichtemitter zu einer gegenüberliegenden Messkammerdecke oder zu weiteren Gehäuse teilen der Messkammer und weiter zur Photodiode entsprechen den optischen Laufzeit. Die vorgebbare Zeitverzögerung ist dabei die Zeit bzw. der Zeitwert, ab der das Sensorsignal mittels der Steuereinheit der Rauchdetektionseinheit in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses nicht mehr erfasst wird oder bei der Analyse der zumindest einen Brand kenngrösse unberücksichtigt bleibt.

Einer weiteren Ausführungsform zufolge sind der Lichtemitter und gegebenenfalls der weitere Lichtemitter sowie der Photo sensor optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen ausge richtet. Die Steuereinheit der Rauchdetektionseinheit ist dazu eingerichtet, den Photosensor zur (möglichen) optischen Erfassung von Streulicht aus dem Streulichtvolumen erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen. Dabei ist die vorgeb bare Einschaltverzögerung in etwa so gross ist wie die der kürzesten Wegstrecke vom Lichtemitter über das Streulichtvo lumen zum Photosensor entsprechenden optischen Laufzeit. Mit «in etwa so gross» ist ein Toleranzwert für die optische Laufzeit von ± 20% gemeint.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch einen ersten Streulichtrauchmelder gelöst, der ein Meldergehäuse sowie ein im Meldergehäuse aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetek- tionsmodul aufweist. Das Meldergehäuse weist eine oder mehre re Raucheintrittsöffnungen für den Durchtritt von Umgebungs luft in das Innere des Meldergehäuses und weiter in die Messkammer des Rauchdetektionsmoduls hinein auf. Ein derarti ger Streulichtrauchmelder wird auch als geschlossener Streu lichtrauchmelder oder als Streulichtrauchmelder geschlossener Bauart bezeichnet.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch einen zweiten Streulichtrauchmelder gelöst, der ein Meldergehäuse und ein im Meldergehäuse aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetek tionsmodul aufweist. Die Messkammer kann auch integraler Bestandteil des Messgehäuses selbst sein bzw. durch das Meldergehäuse selbst ausgeformt sein. Das Meldergehäuse weist eine oder mehrere als Lamellen ausgebildete, für zu detektie- renden Rauch durchlässige und direktes Umgebungslicht ab schirmende Raucheintrittsöffnungen auf.

Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung durch einen offenen Streulichtrauchmelder, d.h. durch einen Streulicht rauchmelder offener Bauart, gelöst. Er weist ein Meldergehäu se und eine am Meldergehäuse aufgenommene erfindungsgemässe Rauchdetektionseinheit auf. Der Lichtemitter und ggf. der weitere Lichtemitter sowie der Photosensor sind optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen ausgerichtet, wobei das Streulichtvolumen ausserhalb des offenen Streulichtrauchmel ders im Freien liegt.

Der betrachteten geschlossenen und offenen Streulichtrauch melder können zudem einen Gassensor zur Detektion brandtypi scher Gase und/oder auch einen Temperatursensor im Sinne eines Multikriterien-Brandmelders aufweisen. Weiterhin können die betrachteten Streulichtrauchmelder über eine gemeinsame Melderleitung oder Melderlinie, insbesondere über eine Zwei drahtleitung, signal- und/oder datentechnisch mit einer Brandmeldezentrale verbunden sein. Sie können alternativ oder zusätzlich eine autonome Energieversorgung, wie z.B. eine Batterie, aufweisen. Weiterhin können derartige Streulicht rauchmelder ein Funkmodul zur Übertragung einer Alarmmeldung, einer Warnmeldung oder einer Statusinformation an einen benachbarten Brandmelder im Sinne eines Routings und/oder direkt an eine Brandmeldezentrale aufweisen.

Schliesslich wird Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Detektion von Rauch nach dem Streulichtprinzip gelöst. Hierbei wird mittels eines Lichtemitters, insbesondere mit tels einer Oberflächenemitter-Laserdiode, insbesondere wie derholt ein Lichtpuls in ein Streulichtvolumen für zu detek- tierenden Rauch eingestrahlt. Es wird mittels einer Photodio de, insbesondere mittels einer spektral darauf abgestimmten Einzelphoton-Avalanche-Diode oder mittels eines Arrays von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, Streulicht aus dem Streulicht volumen erfasst und als Sensorsignal ausgegeben. Das Sensor signal wird auf zumindest eine Brandkenngrösse hin analysiert und gegebenenfalls in einem detektierten Brandfall ein Bran dalarm ausgegeben. Das Sensorsignal wird in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgegebe nen Zeitverzögerung in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere in einem Bereich von 25 ps bis 250 ps und vor zugsweise in einem Bereich von 33 ps bis 150 ps nicht mehr erfasst. Alternativ dazu bleibt das Sensorsignal bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse ab bzw. nach der vorgegebenen Zeitdauer unberücksichtigt. Mit anderen Worten wird ab dieser Zeitdauer das Sensorsignal auswertetechnisch nicht mehr berücksichtigt bzw. ignoriert.

Für die weitere Beschreibung gilt zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen, dass Merkmale und Details, die im Zusammen hang mit der genannten Rauchdetektionseinheit sowie deren Ausgestaltungen beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit und im Hinblick auf das zur Rauchdetektions einheit korrespondierende Rauchdetektionsverfahren und umge kehrt gelten, so dass bezüglich der Offenbarung zu den ein zelnen Aspekten der Erfindung stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Entsprechend kann das Rauch detektionsverfahren auch mittels einzelner oder mehrerer Verfahrensmerkmale fortgebildet sein, die sich auf von der Rauchdetektionseinheit ausgeführte Verfahrensschritte bezie hen, und die Rauchdetektionseinheit kann ebenso durch Mittel zur Ausführung von im Rahmen des Rauchdetektionsverfahren ausgeführten Verfahrensschritten fortgebildet sein.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegen den Erfindung sind am Beispiel der nachfolgenden Figuren ersichtlich. Dabei zeigen

FIG 1, eine Schnittdarstellung durch zwei beispielhafte FIG 2 Rauchdetektionsmodule nach dem Stand der Technik,

FIG 3 eine Draufsicht auf die Rauchdetektionsmodule ge mäss den Beispielen in FIG 1 und FIG 2,

FIG 4 eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte

Rauchdetektionseinheit gemäss der Erfindung und beispielhaft mit einer Messkammer,

FIG 5 eine vereinfachte Darstellung der Rauchdetektions einheit gemäss FIG 4 mit eingetragenen Lichtstre cken, u.a. als Ursache für den sog. Grundpuls,

FIG 6 einen Schnitt durch einen Streulichtrauchmelder mit einem Meldergehäuse und mit einem darin aufgenomme nen Rauchdetektionsmodul gemäss der Erfindung,

FIG 7 ein Beispiel für ein integriertes optoelektroni sches Halbleiterbauelement als System-on-a-Chip (SoC) und als Teil der erfindungsgemässen Rauchde tektionseinheit,

FIG 8 einen Ausschnitt eines offenen Streulichtrauchmel ders mit einer Rauchdetektionseinheit gemäss der Erfindung, FIG 9 - Beispiele für den zeitlichen Verlauf einer dem FIG 13 Sensorsignal entsprechenden digitalen Lichtintensi- tät einer Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD), mit und ohne Messkammer sowie im Fall ohne Rauch, mit wenig Rauch und mit viel Rauch.

FIG 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein beispielhaftes Rauchdetektionsmodul 10 nach dem Stand der Technik. Mit M ist eine becherförmige oder topfförmige Messkammer bezeichnet, die durch einen Schaltungsträger 4 abgeschlossen wird. Mit LA sind radial zu einer Symmetrie- bzw. Rotationssymmetrieachse A der Messkammer M radial aussenliegende Lamellen bezeichnet, die das Innere der Messkammer M gegenüber direkten Umgebungs licht abschirmen. Auf dem Schaltungsträger 4 ist bereits als integrierte Baueinheit, d.h. als ein sogenanntes System-on-a- Chip (SoC), ein optoelektronisches SMD-Bauelement Soc ange ordnet, welches eine Leuchtdiode als Lichtemitter 2 und eine Photodiode als Photosensor 3 umfasst. Mit diesem «Chip» SoC ist ein Mikrocontroller MC verbunden, der dazu eingerichtet, die LED zum Aussenden von Lichtpulsen anzusteuern und ein Sensorsignal vom Photosensor 3 zu empfangen, auszuwerten und ggf. einen Brandalarm AL auszugeben.

Mit LK ist ein von der Leuchtdiode 2 emittierter Lichtkegel und mit SA die zugehörige optische Sendeachse bezeichnet. Mit FOV ist der optische Erfassungsbereich des Photosensors 3 bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel fluchtet die optische Empfangsachse des Photosensors 3 mit der Symmetrieachse A der Messkammer M. Die Sendeachse SA ist leicht zur optischen Empfangsachse geneigt, so dass ein grösseres Streulichtvolu men als geometrisches Schnittvolumen aus Lichtkegel LK und optischen Erfassungsbereich FOV resultiert. Mit a ist der Streuwinkel zwischen den optischen Sende- und Empfangsachsen SA, A bezeichnet. Er liegt hier bei ca. 160°. Ein solche Streulichtanordnung wird auch als Rückwärtsstreulichtanord nung bezeichnet. Die dem Lichtemitter 2 und dem Photosensor 3 direkt gegen überliegende Innenseite der Messkammerdecke weist lichtabsor bierende Strukturen in Form kleiner, gezackter Lichtfallen LF auf. Bei dieser Anordnung wird nachteilig ein Teil des vom Lichtemitter 2 ausgesandten Lichts zurück zum Photosensor 3 gestreut, dessen Lichtpegel um ein Vielfaches höher ist als der Alarmierungspegel bei Anwesenheit von einer unzulässig hohen Konzentration von Rauch in der Messkammer M.

FIG 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein weiteres bei spielhaftes Rauchdetektionsmodul 10 nach dem Stand der Tech nik. Im Vergleich zur vorherigen FIG 1 weist die Messkammer M einen Kegel auf, der so angeordnet und ausgerichtet ist, dass der Grossteil des vom Lichtemitter 2 auftreffenden Lichts radial nach aussen in die Lamellen LA geleitet wird. Bei dieser Anordnung wird erheblich weniger Licht zum Photosensor 3 gestreut. Trotzdem ist der Lichtpegel noch immer viel zu hoch, so dass eine zuverlässige Detektion von Rauch in der Messkammer M möglich wäre.

FIG 3 zeigt eine Draufsicht auf die beiden Messkammern M gemäss FIG 1 und FIG 2. In dieser Darstellung sind der Aufbau der integrierten Baueinheit SoC mit der LED 2 und der Photo diode 3 sowie die Lamellen LA zur Abschirmung gegen Umge bungslicht gut erkennbar.

FIG 4 zeigt zunächst eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte Rauchdetektionseinheit 1 gemäss der Erfindung, hier beispielhaft bereits mit einer Messkammer M als Teil eines gleichfalls erfindungsgemässen Rauchdetektionsmoduls 10 mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit 1.

Im Vergleich zur vorherigen FIG 1 sind zunächst der Licht emitter 2 sowie der Photosensor 3 als separate optoelektroni sche Bauelemente auf dem Schaltungsträger 4 angebracht. Die beiden Bauelemente 2, 3 sind vorzugsweise SMD-Bauelemente. Im montierten bzw. aufgelöteten Zustand verlaufen die Sendeachse SA des Lichtemitters 2 und die Empfangsachse EA parallel zueinander und orthogonal zur Ebene des Schaltungsträgers 4. Beide Bauelemente 2, 3 sind im Bezug zur Symmetrieachse A der Messkammer M so angeordnet, dass die Symmetrieachse A mit der Sendeachse SA oder der Empfangsachse EA fluchtet oder zwi schen beiden optischen Achsen SA, EA verläuft, um eine gleichmässige, möglichst richtungsunabhängige Streulicht rauchmessung für eintretenden Rauch zu ermöglichen. Der Lichtsender 2 und der Photosensor 3 sind signal- und/oder datentechnisch mit einer als Mikrocontroller ausgebildeten Steuereinheit MC verbunden, die gleichfalls auf dem Schal tungsträger 4 appliziert ist.

Zwischen Lichtemitter 2 und Photosensor 3 ist eine (licht dichte) Barriere BR eingebracht, die ein direktes Überkoppeln von emittierten Licht vom Lichtemitter 2 zum Photosensor 3 verhindert .

Wie die FIG 4 weiter zeigt, ist das gemeinsame Streulichtvo lumen SV für die Streulichtrauchmessung das Schnittvolumen aus dem Lichtkegel LK und dem optischen Empfangsbereich FOV. Aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt, können sowohl dem Lichtemitter 2 eine optische Linse nachgeschaltet und dem Photosensor 3 eine optische Linse vorgeschaltet sein. Die abnehmende Schraffierungsdichte des Lichtkegels LK ausgehend vom Lichtemitter 2 soll verdeutlichen, dass die optische Lichtdichte mit radialem Abstand vom Lichtemitter 2 stark abnimmt. Ein besonders hoher Anteil von Streulicht an zu detektierenden Rauchteilchen findet sich somit in der Nähe zum Lichtemitter 2.

Wie die FIG 4 weiter zeigt wird ein signifikanter Teil des an der gegenüberliegenden Messkammerdecke D auftreffenden Lichts des Lichtemitters 2 als erstes Licht GP gestreut und zurück zum Photosensor 3 reflektiert, symbolisiert durch gestrichel te konzentrische Kreise. Ein Teil des von der Messkammerdecke D gestreuten ersten Lichts GP wird auch an der radialen Innenseite der Messkammer M, u.a. auch an den Lamellen LA, gestreut und gelangt als zweites Licht REF in Form von Refle- xionen und Folgereflexionen weiter zum Photosensor 3. Die Summe aller an der Innenseite der Messkammer M zum Photo sensor 3 gelangten Lichts wird als Grundpuls bezeichnet, der sich als Puls im Sensorsignal des Photosensors 3 bei Abwesen heit von Rauch zeigt. Zudem erhöht sich der Grundpuls im laufenden Betrieb des Rauchdetektionsmoduls 10 aufgrund zunehmender Verschmutzung der Messkammer M.

FIG 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Rauchdetekti onseinheit 1 gemäss FIG 4 mit eingetragenen Wegstrecken bzw. Streulichtpfaden S, S _Mit w S _K , u.a. als Ursache für den soge nannten Grundpuls. Dabei ist mit S _M I _N die kürzeste Wegstrecke vom Lichtemitter 2 zur gegenüberliegenden Innenseite der Messkammerdecke D bezeichnet. Da der Lichtemitter 2 und der Photosensor 3, das heisst deren optischen Achsen SA, EA, nur wenige Millimeter voneinander beabstandet sind, beträgt die gesamte Wegstrecke hin und zurück etwa das Doppelte des Mindestabstands MA zwischen Lichtsender 2 und Photosensor 3 einerseits und der Innenseite der Messkammerdecke D anderer seits.

Gemäss der Erfindung ist die Steuereinheit MC nun dazu einge richtet, das Sensorsignal vom Photosensor 3 in Bezug auf den Zeitpunkt to eines direkt am Lichtemitter 2 ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgebbaren Zeitverzögerung T nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brand kenngrösse unberücksichtigt zu lassen. Für das vorliegende Beispiel bedeutet dies, dass der Photosensor 3 die optische Erfassung beendet bzw. abgeschaltet wird, bevor das erste an der Innenseite der Messkammer M zurück zum Photosensor 3 gestreute Licht entlang der Wegstrecke S _M I _N die photosensitive Schicht des Photosensors 3 erreicht. Alternativ kann die Steuereinheit MC dazu eingerichtet sein, das weiterhin er fasste Sensorsignal vom Photosensor 3 bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse ab diesem Zeitpunkt to unbe rücksichtigt zu lassen. Wie weiter in der FIG 5 gezeigt, kann die Steuereinheit MC eingerichtet sein, den Photosensor 3 zur optischen Erfassung von Streulicht aus dem Streulichtvolumen SV erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt to eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen. Diese Einschaltverzöge rung ist dabei in etwa so gross wie die der kürzesten Weg strecke S _K vom Lichtemitter 2 über das Streulichtvolumen SV zum Photosensor 3 entsprechenden optischen Laufzeit. Die kürzeste Wegstrecke S _K verläuft im Beispiel der FIG 5 ober halb der Barriere BR. Sind dort zu detektierende Rauchteil chen vorhanden, so gelangt an diesen gestreutes Licht vom Lichtemitter 2 entlang der eingetragenen Wegstrecke S _K auch zum Photosensor 3. Wird der Photosensor 3 erst dann einge schaltet, bevor das erste Streulicht von dort kommt, so wird vermieden, dass zuvor auf den Photosensor 3 auftreffendes Fremdlicht bereits zu einer fehlerhaften Messung führt.

Zwischen den beiden extremen Wegstrecken S _M I _N und S _K ist bei spielhaft eine dazwischenliegende Wegstrecke S gezeigt. Für die messtechnisch beste Ausbeute ist es vorteilhaft, wenn möglichst viel Streulicht aus dem Bereich der gezeigten unteren Kegelspitze des Streulichtvolumens SV erfasst wird, da dort die Lichtdichte des vom Lichtemitters 2 ausgesandten Lichtkegels LK und somit auch die Lichtdichte des an Rauch teilchen erzeugten Streulichts sehr hoch ist.

Wie eingangs beschrieben, ist es in messtechnischer Hinsicht vorteilhaft, eine Leuchtdiode LED und vorzugsweise eine Oberflächen-Laserdiode VCSEL mit nachgeschalteter optischer Linse für die Lichtkegel-Strahlaufweitung als Lichtemitter 2 einzusetzen. Auf der Empfängerseite ist es gleichfalls in messtechnischer Hinsicht vorteilhaft, eine Avalanche-Photo- diode und vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode, d.h. eine SPAD, als Photosensor 3 einzusetzen. Noch besser ist es, ein SPAD-Array ARRAY mit einer Vielzahl von SPADs einzusetzen, um die optische Empfangsleistung zu steigern. Im Beispiel der FIG 5 sind der Lichtemitter 2 sowie der Photosensor 3 separate optoelektronische Bauelemente. Wegen der hohen technischen Anforderungen für das Timing und für die Hochgeschwindigkeitserfassung bei der erfindungsgemässen Streulichtrauchdetektion ist er vorteilhaft, wenn der Lichtemitter 2 und der Photosensor 3 in einem gemeinsamen Bauteil, vorzugsweise als sogenanntes System-on-a-Chip SoC realisiert sind. Dadurch bleiben die Signalwege für die chipinterne Steuerung, Erfassung und Auswertung sehr kurz.

Ein derartiges integriertes System SoC ist in der nachfolgen den FIG 7 beschrieben.

FIG 6 zeigt einen Schnitt durch einen als Rauchmelder ausge bildeten Streulichtrauchmelder 100. Der Streulichtrauchmelder 100 umfasst ein Meldergehäuse G und ein im Meldergehäuse G aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetektionsmodul 10.

Im einem nicht weiter gezeigten Fall kann die Messkammer M als separates Teil innerhalb des Meldergehäuses G auf bzw. über der Rauchdetektionseinheit 1 des Rauchdetektionsmoduls 10 angebracht sein. In diesem Fall gelangt der zu detektie- rende Rauch durch eine oder mehrere, im Meldergehäuse G vorhandene bzw. ausgebildete Raucheintrittsöffnungen OF und weiter durch die Lamellen LA der Messkammer M zur Rauchdetek tionseinheit 1 im Inneren der Messkammer M.

Im gezeigten Fall ist die Messkammer M des Rauchdetektions moduls 10 integraler Bestandteil des Meldergehäuses G selbst. Dabei weist das Meldergehäuse G eine oder mehrere als Lamel len LA ausgebildete, für zu detektierenden Rauch durchlässige und direktes Umgebungslicht abschirmende Raucheintrittsöff nungen OF auf. Das Meldergehäuse G kann zudem weitere Gehäu seteile aufweisen, wie z.B. eine Melderhaube MH oder eine Aufnahme AF zur zumindest lösbaren Anbringung des Rauchmel ders 100 an einem Meldersockel MS. Dabei kann das Melderge häuse G aus einem Grundkörper GK und der Melderhaube MH zusammengesetzt sein. Dazwischenliegend ist dann vorzugsweise die Messkammer M als Teil des Meldergehäuses G angeformt oder ausgeformt. Der der Messkammerdecke gegenüberliegende Teil des Schaltungsträgers 4 des Rauchdetektionsmoduls 10 bzw. des Rauchmelders 100 selbst kann mit zusätzlichen lichtabsorbie renden Strukturen abgedeckt sein.

Mit GP ist wiederum das von der Messkammerdecke D gestreute erste Licht - symbolisiert als konzentrische Kreise - be zeichnet, das durch direktes auftreffendes Licht vom Licht emitter 2 an der Messkammerdecke D erzeugt wird. Mit REF ist wiederum das an weiteren Teilen innerhalb der Messkammer M gestreute zweite Licht bezeichnet. Es handelt sich hier um Reflexionen und Folgereflexionen des von der Messkammerdecke D stammenden ersten Lichts GP. Die Summe des ersten und zweite gestreuten Lichts wird als Grundpuls bezeichnet.

Mit HA ist eine Hauptachse des vorzugsweise im Wesentlichen symmetrischen bzw. rotationssymmetrisch ausgestalteten Mel dergehäuses G bezeichnet. Im Besonderen fluchten diese Haupt achse HA und die Symmetrie- oder Rotationssymmetrieachse der Messkammer M miteinander. Dadurch wird ein weitgehend rich tungsunabhängiges Ansprechen des Rauchmelders 100 auf zu detektierenden Rauch erzielt.

FIG 7 zeigt ein Beispiel für ein integriertes optoelektroni sches Halbleiterbauelement SoC als System-on-a-Chip und als Teil der erfindungsgemässen Rauchdetektionseinheit 1. Das gezeigte Bauelemente SoC weist eine maximale Abmessung von 10 mm, vorzugsweise von 5 mm auf. Die optische Basis B, das heisst der Abstand zwischen der Sende- und Empfangsachse SA, EA am Bauelement SoC, liegt im Bereich von 1.5 mm bis 5 mm. Vorzugsweise ist der Lichtemitter 2 eine Oberflächen-Laser- diode VCSEL mit nachgeschalteter optischer Linse. Es können auch zwei solcher Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL' benachbart zueinander angeordnet sein, wobei die (erste)

VCSEL monochromatisches Licht bei 470 nm ± 20 nm oder bei 430 nm ± 20 nm und die weitere VCSEL' monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 oder umgekehrt auszusen den. Der Photosensor 3 ist insbesondere eine Avalanche-Photo- diode und vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD oder noch besser ein SPAD-Array ARRAY davon. Den beiden letzteren ist vorzugsweise ein optisches Spektralfilter vorgeschaltet, welches Licht nur bzw. hauptsächlich in den zuvor genannten Wellenlängenbereichen passieren lassen.

Mit C ist ein Chip-Controller bezeichnet, der vorzugsweise mit der oder mit den beiden Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL', mit der SPAD oder dem SPAD-Array ARRAY signal- und/ oder datentechnisch verbunden ist. Der Chip-Controller C, der oder mit die beiden Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL' sowie die Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD oder das SPAD- Array ARRAY können auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sein und/oder dort in Form von «Dies», d.h. von Halbleiterplättchen, mittels Bondings appliziert und verdrah tet sein.

Der Chip-Controller C ist zum Empfang von Steuersignalen von der Steuereinheit MC der Rauchdetektionseinheit 1 zur gepuls ten Ansteuerung der Oberflächen-Laserdiode(n) VCSEL, VCSEL' eingerichtet. Ausgangsseitig ist der Chip-Controller C dazu eingerichtet, ein dem Sensorsignal SIG, SIG' von der Einzel photon-Avalanche-Diode SPAD oder dem SPAD-Array ARRAY ent sprechende digitale Messwerte bereitzustellen, die dann durch die Steuereinheit MC eingelesen werden können.

Insbesondere weist das integrierte optoelektronische Halblei terbauelement SoC einen oder mehrere Time-to-Digital-Conver- ter TDC mit jeweils einer oder mehrerer Gatterverzögerungs ketten auf. Die TDCs mit den Gatterverzögerungen können auch Teil des Chip-Controllers C sein. Vorzugsweise sind die TDCs Multi-Hit-TDCs, so dass eine Messung mehrere Ereignisse sehr dicht hintereinander, d.h. sogar in ultrakurzen Zeitinterval- len im Bereich von 5 ps bis 50 ps, gemessen werden können. Diese typischerweise gleichen Zeitintervalle werden als «Bins» bezeichnet, sozusagen als Pulsankunftszeiten-«Sammel- behälter». Diese «Bins» sind dann als zeitlich gerastete Werte der Lichtintensität INT, die dem analogen Sensorsignal SIG, SIG' entspricht, ausgangsseitig als Datenstrom in Form eines Histogramms HIST ausgebbar. Auch die Werte der Lichtin tensität INT selbst sind quantisiert und entspricht der Anzahl der Hits in einem solchen «Bin».

Weiterhin kann das integrierte optoelektronische Halbleiter bauelement SoC einen elektrischen Anschluss zum Anschliessen einer separaten Referenz-Einzelphoton-Avalanche-Diode aufwei sen, die in einem bekannten Abstand in direkter Nähe zur Oberflächen-Laserdiode VCSEL und in deren Lichtkegel LK ange ordnet ist. Dadurch ist eine laufzeitgenaue, zeitliche Kalib rierung der Gatterverzögerungsketten und auch eine zeitliche Kompensation thermisch bedingter Änderungen bei der Lichtpul serzeugung durch die Oberflächen-Laserdioden VCSEL möglich.

Im Beispiel der nachfolgenden Figuren FIG 9 bis FIG 13 sind exemplarisch solche zeitlich gerastete Intensitätsverteilun gen HIST dargestellt, aufgetragen über «bins». Die digitalen Werte der Lichtintensität INT der Intensitätsverteilungen HIST sind beispielhaft auf einen maximalen Wert von 100 % normiert.

FIG 8 zeigt einen Ausschnitt eines offenen Streulichtrauch melders mit einer Rauchdetektionseinheit 1 gemäss der Erfin dung. Das Streulichtvolumen SV liegt dabei ausserhalb des offenen Streulichtrauchmelders. Die Rauchdetektionseinheit 1 ist bis auf zwei Fenster F durch eine lichtdichte Abdeckung AB abgedeckt. Die beiden Fenster F sind transparent für das vom Lichtemitter 2 emittierte Licht. Zwischen Lichtemitter 2, hier vorzugsweise eine Leuchtdiode LED oder eine Oberflächen- Laserdiode VCSEL, und dem Photosensor 3, hier vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD, sind durch eine lichtdichte Barriere BR getrennt. Dadurch resultiert eine kürzeste Wegstrecke S _K für Streulicht zum Photosensor 3.

Darüber hinaus kann dem Photosensor 3 ein optisches Sperrfil ter vorgeschaltet sein, welches im Wesentlichen nur Licht mit einem Wellenlängenbereich passieren lässt, welcher dem Wel lenlängenbereich des vom Lichtemitter 2 ausgesendeten Lichts und dem Wellenlängenbereich des vom gegebenenfalls weiteren Lichtemitter ausgesendeten Lichts entspricht.

FIG 9 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf einer dem Sensorsignal SIG entsprechenden digitalen Lichtintensität INT einer Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD im rauchfreien Fall.

Das vorliegende Beispiel zeigt Messungen mittels eines erfin- dungsgemässen Rauchdetektionsmoduls 10 mit einer Messkammer M und im rauchfreien Fall. Das Histogramm HIST zeigt beispiel haft zehn Bins, also Pulsankunftszeiten-«Sammelbehälter», in einem Zeitraster von beispielhaft 25 ps. Die 25 ps entspre chen dabei einer optischen Laufzeit von 7.5 mm basierend auf der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es ist im gezeigten His togramm HIST erkennbar, dass erst ab dem vierten Bin, also nach 30 mm optischer Laufzeit, grosse und dann stark abfal lende Werte der Lichtintensität INT vorliegen. Diese stammen durch Reflexionen des vom Lichtemitter 2 ausgesandten Lichts an der Innenseite der Messkammerdecke D. Diese eintreffende optische Welle wird auch als sogenannter Grundpuls GP, REF bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Lichtemitter 2 und der Innenseite der Messkammerdecke D beträgt hier ca. 15 mm und entspricht somit der Hälfte der zuvor genannten optischen Laufzeit von 30 mm. Die Werte der Lichtintensität INT ab dem vierten Bin entsprechen in analoger Weise dem Grundpuls GP, REF. In den für die Streulichtrauchdetektion massgeblichen ersten drei Bins sind die Werte der Lichtintensität INT sehr gering, da kein Rauch im Streulichtvolumen SV vorhanden ist.

FIG 10 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der digitalen Lichtintensität INT gemäss FIG 9 bei Anwesenheit von wenig Rauch in der Messkammer M. Wie die FIG 10 zeigt, nehmen die Werte der Lichtintensität INT in den ersten drei Bins signifikant zu, während die Werte der Lichtintensität INT der vierten und folgenden Bins des «Grundpulses» durch die Lichtabsorption erheblich abnehmen. FIG 11 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der digitalen Lichtintensität INT gemäss FIG 9 bei Anwesenheit von viel Rauch in der Messkammer M. Wie die FIG 11 zeigt, nehmen die Werte der Lichtintensität INT in den ersten drei Bins erheblich zu, während die Werte der Lichtintensität INT der vierten und folgenden Bins des «Grundpulses» durch die Lichtabsorption erheblich abnehmen. Die in den ersten drei Bins «gesammelten» Werte der Lichtintensität INT reichen jedoch völlig aus, um davon ausgehend eine zuverlässige Brandmeldung AL auszugeben.

FIG 12 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf einer dem Sensorsignal SIG entsprechenden digitalen Lichtintensität INT im rauchfreien Zustand und bei Entfernung der Messkammer M im Sinne eines offenen Streulichtrauchmelders. Wie die FIG 12 zeigt, sind sämtliche Werte der Lichtintensität INT in allen Bins sehr klein, da durch das Fehlen der Messkammer M auch kein Grundpuls vorliegen kann.

FIG 13 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf gemäss FIG 12 bei Anwesenheit von viel Rauch. In diesem Fall gehen die Werte für die Lichtintensität INT beginnend mit einem hohen Wert beim ersten Bin und danach exponentiell abfallend zurück. Auch in diesem Fall ist die Ausgabe einer zuverlässi gen Brandmeldung AL möglich.

Bezugszeichenliste

1 Rauchdetektionseinheit

2 Lichtemitter, Leuchtdiode, VCSEL

3 Photosensor, Photodiode, SPAD, SiPM

4 Schaltungsträger, Leiterplatte

10 Rauchdetektionsmodul

100 Brandmelder, Rauchmelder a Streuwinkel

A Symmetrieachse, RotationsSymmetrieachse

AB transparente Abdeckung

AF Aufnahme

AL Alarmmeldung, Brandalarm

ARRAY Array, Matrix, zweidimensionales Feld

B optische Basis, Abstand bins Zeitblöcke, Bins

C Controller, Chip-Controller

BR Barriere, Blende

D Messkämmerdecke

EA optische Empfangsachse

F Fenster

FOV optischer Erfassungsbereich, Field-of-View

G Meldergehäuse

GK Grundkörper

GP erstes gestreutes Licht, Grundpuls

HA Hauptachse

HIST Intensitätsverteilung, Histogramm

INT Lichtintensität, digitale Lichtintensität

LA Kammeröffnungen, Lamellen

LED Leuchtdiode

LED' weitere Leuchtdiode

LF Lichtfallenstruktur, Lichtfalle

LK Lichtkegel, Lichtbündel

M Messkammer, Messkammer mit Labyrinth

MA Mindestabstand

MH Melderhaube MC Steuereinheit, Mikrocontroller MS Meldersockel OF Raucheintrittsöffnung REF zweites gestreutes Licht, Reflexionen S Wegstrecke, optischer Pfad SA optische Sendeachse SIG Sensorsignal, Photosignal SIG' weiteres Sensorsignal, Photosignal SMIN Kürzeste optische Wegstrecke für Grundpuls SK Kürzestes Wegstrecke für Streulicht SoC System-on-a-Chip, integrierte Baueinheit SPAD Einzelphoton-Avalanche-Diode, SPAD SV Streulichtvolumen, Messvolumen TDC Time-to-Digital-Converter T Zeitverzögerung

VCSEL Oberflächen-Laserdiode, VCSEL

VCSEL weitere Oberflächen-Laserdiode, VCSEL