AT516141B1

AT516141B1 - Positionssensitives optisches Element

Info

Publication number: AT516141B1
Application number: ATA50421/2014A
Authority: AT
Inventors: Koeppe Robert
Original assignee: Isiqiri Interface Tech Gmbh
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2017-07-15
Also published as: WO2015192157A1; AT516141A1; DE112015002871A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein positionssensitives optisches Element, umfassend einen flächigen Lichtwellenleiter (1) der zumindest eine mit Lumineszenz-Farbstoff dotierte Schicht aufweist, wobei zumindest ein Lichtwellenleiter in Form einer Faser (2) an der flächigen Grundfläche (1.2) oder Deckfläche (1.1) des flächigen Lichtwellenleiters (1) optisch gekoppelt ist, sowie ein Verfahren zur Positionsdetektion mit erfindungsgemäßen positionssensitiven optischen Elementen.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft die Kopplung von flächigen Lichtwellenleitern und optischen Fasern zur Bildung von positionssensitiven optischen Elementen.

[0002] Positionssensitive optische Elemente sind in diesem Zusammenhang flächige Elemente, durch welche die Position zumindest eines auftreffenden Lichtpunktes auf dem Element ermittelbar ist.

[0003] Die WO 2010006348 A1 zeigt ein positionssensitives optisches Element in Form einer optischen Detektorfläche, bei welcher Licht direkt an Abgreifpunkten an der Detektorfläche in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, was bei manchen Anwendungen störend sein kann.

[0004] Die JP 3884155 B2 zeigt einen Konnektor für optische Datenleitungen, welcher die Ausrichtung mehrerer Fasern zu einem flächigen optischen Übertraggerät erleichtert, welches gerichtete Lichtstrahlen in die optischen Datenleitungen abgibt. Die gezeigte Vorrichtung ist zum Übertragen von Daten nicht jedoch zur Positionsbestimmung geeignet.

[0005] Die US 5132530 A zeigt ein Detektorelement zum Messen von Lichtintensität. Dabei wird an der Mantelfläche, oder entlang der Mantelfläche eines flächigen Lichtwellenleiters, der einen lumineszenten Farbstoff aufweist, zumindest ein Lichtwellenleiter (Faser) angebracht. Die Faser weist ebenfalls einen lumineszenten Farbstoff auf, der vom Lumineszenzlicht im flächigen Lichtwellenleiter anregbar ist. Licht, welches am flächigen Lichtwellenleiter auftrifft, wird in Lumineszenzlicht umgewandelt und breitet sich durch totale interne Reflexion zwischen der Deckfläche und der Grundfläche des flächigen Lichtwellenleiters zu dessen Mantelfläche(n) aus, wo es in die Faser(n) eingekoppelt wird.

[0006] Die US 5289510 A zeigt ein positionssensitives Detektorelement, das aus einem Fa-serarray besteht. Dabei bilden viele parallele Fasern eine Fläche. Zwei solche Flächen sind im Winkel von 90° zueinander übereinander liegend angeordnet. Auftreffende Strahlung wird durch Szintillation in den Fasern in Licht umgewandelt. Beim zeitgleichen Auftreten von Szintillation in zwei Fasern, welche in einem Winkel von 90° zueinander stehen, entspricht der Schnittpunkt der beiden Fasern dem Ort, an welchem die Strahlung auftrifft.

[0007] Die DE 3826067 A1 zeigt eine faseroptische Messvorrichtung zur Messung von Absolutpositionen. Dabei wird das in einer lichtleitenden Folie oder Platte geleitete Licht am Rand (Mantelfläche) dieser Platte in Fasern eingekoppelt und zu einem Detektionssystem geleitet. Die Platte bzw. Folie ist mit fluoreszierendem Farbstoff dotiert.

[0008] Nach dem Stand der Technik sind daher zwei Prinzipien zur Bildung von positionssensitiven Detektorelementen bekannt, welche zur Gänze aus optischen Komponenten bestehen.

[0009] Das erste besteht darin viele optische Fasern parallel zueinander anzuordnen, um eine Detektorfläche zu bilden. Die Position eines Lichtpunktes in einer Dimension entspricht der Position jener Faser, die die maximale Lichtintensität aufweist. Nachteilig ist, dass für eine hohe Ortsauflösung sehr viele sehr dünne Fasern parallel zueinander angeordnet werden müssen, wobei das Ende jeder Faser an einem photoelektrischen Sensor endet. Besonders bei großen, zweidimensionalen Detektoren werden so sehr viele Fasern und photoelektrische Sensoren benötigt. Die maximale Ausdehnung des zweidimensionalen Detektors ist durch jene Distanz begrenzt, ab welcher das durch das auftreffende Licht erzeugte Lumineszenzlicht am Ende der Faser nicht mehr vom photoelektrischen Sensor wahrgenommen, bzw. vom Hintergrundrauschen unterschieden werden kann.

[0010] Das zweite Prinzip besteht darin anstelle der aus parallelen Fasern bestehenden Platte einen flächigen Lichtwellenleiter zu verwenden und das an den Rändern des Lichtwellenleiters austretende Licht mit an den Rändern angebrachten Fasern weiterzuleiten. Die Positionsbestimmung erfolgt durch Bestimmung des Intensitätsmaximums an zumindest zwei Seitenlängen des flächigen Lichtwellenleiters. Nachteilig ist, dass das detektierte Intensitätsmaximum breiter wird, je weiter entfernt der Lichtpunkt von der Seitenlänge auftrifft, bzw. ab einer gewissen Distanz kein Maximum mehr ermittelbar ist.

[0011] Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, optische Detektorelemente bereit zu stellen, welche zur Gänze aus optischen Komponenten gebildet sind, welche eine bessere Ortsauflösung aufweisen und in beliebiger Größe hergestellt werden können.

[0012] Für das Lösen der Aufgabe wird vorgeschlagen, an der flächigen Seite eines flächigen Lichtwellenleiters, welcher eine Schicht mit Lumineszenzfarbstoff aufweist, zumindest einen Lichtwellenleiter in Form einer Faser optisch zu koppeln.

[0013] Um ein eindimensionales optisches positionssensitives Detektorelement herzustellen wird vorgeschlagen, an der flächigen Seite eines flächigen Lichtwellenleiters entlang einer Linie in regelmäßigen Abständen Lichtwellenleiter in Form von Fasern optisch zu koppeln.

[0014] Um ein zweidimensionales optisches positionssensitives Detektorelement herzustellen wird vorgeschlagen, an der flächigen Seite eines flächigen Lichtwellenleiters in einem Raster Lichtwellenleiter in Form von Fasern optisch zu koppeln.

[0015] Durch die Anbringung der Fasern an der flächigen Seite wird zwar ein geringerer Teil des im flächigen Lichtwellenleiter durch totale interne Reflexion geleiteten Lichts in die Fasern eingekoppelt, als bei Anbringung an der Mantelfläche, dafür können die Fasern auch an Positionen, welche weiter entfernt vom Rand liegen angebracht werden. Es wurde überraschend festgestellt, dass die Intensität des ausgekoppelten Lichts in der Faser hoch genug ist, damit dieses an einem von der optischen Detektorfläche entfernt liegenden photoelektrischen Sensor in ein Signal umgewandelt werden kann, wobei die Höhe der gemessenen Intensität ein Maß dafür ist, wie weit entfernt von der Position der Faser am flächigen Lichtwellenleiter der Lichtpunkt eines Leuchtzeigers auftrifft.

[0016] Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen veranschaulicht: [0017] Fig. 1: zeigt das Funktionsprinzip eines optischen Detektorelements nach dem Stand der Technik.

[0018] Fig. 2: zeigt das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Detektorelements.

[0019] Fig. 3: zeigt beispielhafte Varianten zur Kopplung von Fasern an den flächigen Licht wellenleiter.

[0020] Fig. 4: zeigt beispielhafte Varianten zur Kopplung von Fasern an den flächigen Licht wellenleiter.

[0021] Fig. 5: zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes positionssensitives optisches Ele ment.

[0022] Fig. 6: zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes eindimensionales positionssensiti ves optisches Element in Form eines Detektorstreifens.

[0023] Fig. 7: zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes zweidimensionales positionssensi tives optisches Element in Form einer Detektorfläche.

[0024] Fig. 8: zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes positionssensitives optisches Ele ment zur Ausgestaltung eines Touchscreens.

[0025] Fig. 9: zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Positionssensitives optisches Ele ment zur Ausgestaltung eines Touchpanels.

[0026] Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, Fasern an die Mantelfläche eines flächigen Lichtwellenleiters, welcher lumineszenten Farbstoff aufweist, zu koppeln, wie in Fig. 1 gezeigt. Vorteilhaft daran ist, dass das gesamte im flächigen Lichtwellenleiter durch totale interne Reflexion geleitete Licht, welches von der Position eines auftreffenden Lichtpunktes ausgehend in Richtung der Faser gelangt, in die Faser eingekoppelt wird. Die Übertragung des Lichtes vom flächigen Lichtwellenleiter in die Faser ist also sehr effizient und somit verlustarm. In den Fasern kann das Licht über große Distanzen verlustarm geleitet werden, beispielsweise einige Meter oder sogar einige Kilometer. Die Intensität in einer Entfernung r vom Ausgangspunkt berechnet sich für das in der Faser geleitete Licht wie folgt: [0027]

[0028] Die Lichtintensität nimmt bei Ausbreitung in einem flächigen Lichtwellenleiter, deutlich stärker ab als in einer Faser, aufgrund der zweidimensionalen Ausbreitung in der Fläche. Die abgeschwächte Intensität I an einem beliebigen Punkt kann berechnet werden aus der Ausgangsintensität l0 am Ausgangspunkt dividiert durch den Abstand r der beiden Punkte und beträgt näherungsweise I = l0/r. Werden auch hier die Dämpfungsverluste berücksichtigt ergibt sich die Formel wie folgt: [0029] [0030] So ist das Lumineszenzlicht im zweidimensionalen Wellenleiter beispielsweise im Abstand von wenigen Dezimetern zum Entstehungspunkt nicht mehr detektierbar. Die mögliche Ausdehnung des flächigen Lichtwellenleiters ist in zumindest einer Dimension auf jene Distanz beschränkt, welche das Lumineszenzlicht im flächigen Lichtwellenleiter zurücklegen kann, bevor dessen Intensität nicht mehr detektierbar ist.

[0031] Ausgehend von diesem Stand der Technik wurde eine neue Vorrichtung und Methode erfunden um eine beliebig große positionssensitive Detektorfläche, bestehend aus optischen Komponenten zu bilden.

[0032] Wie in Fig. 2 gezeigt sind die Fasern 2 bei der vorliegenden Erfindung nicht an die Mantelfläche 1.3 des flächigen Lichtwellenleiters 1 gekoppelt, sondern an dessen flächige Deckfläche 1.1 oder Grundfläche 1.2 zwischen denen das Lumineszenzlicht 3.1 durch totale interne Reflexion geleitet wird. Dabei gelangen nur jene Lichtstrahlen in die Faser 2, welche auf die Grenzfläche 2.3 zwischen dem flächigen Lichtwellenleiter 1 und der Faser 2 treffen und welche innerhalb des Akzeptanzkegels 2.4 der Faser 2 liegen. Es wird also nur ein geringer Teil des im flächigen Lichtwellenleiter 1 geleiteten Lichts 3.1 in die Faser 2 eingekoppelt. Es wurde jedoch überraschend festgestellt, dass die Intensität des eingekoppelten Licht 3.2 ausreichend ist, um am anderen Ende der Faser 2 in ein datentechnisch verwertbares elektrisches Signal umgewandelt werden zu können.

[0033] Die Höhe der Intensität ist dabei vom Abstand des Auftreffpunkts des Lichtstrahls 3 auf dem flächigen Lichtwellenleiter 1 zur Position der Faser 2 abhängig. Durch Messen der Intensität des Lichts 3.2 zweier benachbarter Fasern 2 kann aus dem relativen Intensitätsunterschied die eindimensionale Position des Auftreffpunkts des Lichtstrahls 3 auf dem flächigen Lichtwellenleiter 1 zwischen den beiden Fasern 2 ermittelt werden.

[0034] Sind mehr als zwei Fasern 2 in einem zweidimensionalen Muster angeordnet, kann die zweidimensionale Position des Auftreffpunktes des Lichtstrahls 3 durch die relativen Intensitätsunterschiede an drei oder mehr Fasern 2 mit datentechnisch automatisierten mathematischen Methoden bestimmt werden.

[0035] Zur Anbringung der Fasern 2 an einer flächigen Seite 1.1, 1.2 des flächigen Lichtwellenleiters 1 wird vorgeschlagen, diese mit transparentem Kleber, beispielsweise optischem Zement, anzukleben, und/oder diese in den Schichtaufbau des flächigen Lichtwellenleiters 1 zu integrieren, indem ein Ende der Fasern 2 in eine oder mehrerer Schichten des flächigen Lichtwellenleiters 1 hineinragt.

[0036] In den Fig. 3 und 4 ist nur die mittlere Schicht 1.4 des flächigen Lichtwellenleiters 1 mit Lumineszenzfarbstoff dotiert. Der skizzierte, flächige Lichtwellenleiter 1 besteht beispielsweise aus zwei zumindest ca. 0.1 mm dicken Deckschichten aus PET, zwischen welchen eine zumindest ca. 0.001 mm dicke mittlere Schicht 1.4 aus einer homogenen Mischung des Kunststoffs Polyvinylalkohol und des Farbstoffs Rhodamin 6G laminiert ist. Die mittlere Schicht 1.4 ist pho-tolumineszent und bevorzugt so stark, dass ihre Absorption für normal darauf auftreffendes Licht mit 532 nm Wellenlänge über 80% beträgt. Als Fasern 2 werden bevorzugt Glas- oder Plastik-Fasern eingesetzt, welche an ihrer Mantelfläche eine Cladding-Schicht 2.2 aufweisen, insbesondere werden Multimode-Plastikfasern bevorzugt.

[0037] Die Fasern 2 können senkrecht zum flächigen Lichtwellenleiter 1 an diesem befestigt werden, wie in Fig. 3 gezeigt. Wie in Fig. 4 gezeigt, können die Fasern in einem beliebigen Winkel am flächigen Lichtwellenleiter 1 befestigt werden. Dies kann durch schräges Abschneiden der Fasern 2 und Ankleben der so entstehenden schrägen Stirnfläche der Faser 2 erreicht werden. Es ist auch denkbar, dass die Faser 2 den flächigen Lichtwellenleiter 1 durchdringt, wie ebenfalls in der Fig. 3 gezeigt.

[0038] Es kann auch ein Zwischenstück zwischen dem flächigen Lichtwellenleiter 1 und der Faser 2 eingebracht werden, welches den Querschnitt der Faser 2 graduell vergrößert und damit die Fläche vergrößert, an der Licht ausgekoppelt wird. Dadurch ist zusätzlich die Fläche vergrößert, mit der die Faser 2 am flächigen Lichtwellenleiter 1 klebt bzw. auf sonstige Weise verbunden ist, was eine erhöhte mechanische Stabilität zur Folge hat. Diese Vergrößerung des Querschnitts kann durch optischen Kleber gebildet sein, oder ein zusätzliches Zwischenstück oder Teil der Faser (wie bei einer gezogenen Faser bzw. „tapered Fiber“) sein.

[0039] Die senkrechte Anbringung hat den Vorteil, dass aus allen Richtungen, also in einem Winkel von 360° um das Ende der Faser 2, Licht aus dem flächigen Lichtwellenleiter 1 gleichmäßig in die Faser 2 eingekoppelt wird.

[0040] Die schräge Anbringung der Faser 2 hat den Vorteil, dass die Menge an eingekoppeltem Licht erhöht wird, jedoch wird aus jener Richtung, in welcher die Faser zum flächigen Lichtwellenleiter einen größeren Winkel einschließt mehr Licht eingekoppelt als aus der Richtung mit dem kleineren Winkel. Bei bekannter Ausrichtung der Fasern kann dieser Umstand bei der Berechnung der Position durch die Datenverarbeitungsanlage berücksichtigt werden.

[0041] Das erfindungsgemäße Prinzip, der Kopplung der Faser 2 an die flächige Seite eines flächigen Lichtwellenleiters 1, kann zur Bildung diverser erfindungsgemäßer optischer Detektorelemente verwendet werden.

[0042] Eine erstes solches Detektorelement ist in Fig. 5 gezeigt. Das Detektorelement ist aus einem flächigen Lichtwellenleiter 1 gebildet, der mit einer beispielsweise zentral angebrachten Faser 2 versehen ist. Mit dem Detektorelement kann detektiert werden, ob, aber nicht wo dieses von einem auftreffenden Lichtstrahl getroffen wird. Zur Ausbildung einer positionssensitiven Detektorfläche können viele solche Detektorelemente aneinander gereiht werden, wobei die einzelnen Detektorelemente hinsichtlich der Wellenleitung voneinander getrennt sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der flächige Lichtwellenleiter 1 jedes Detektorelements an seinen Mantelflächen 1.3 mit einer lichtundurchlässigen Beschichtung versehen ist. Die Detektorelemente bilden zusammen eine positionssensitive Detektorfläche, wobei die Position eines Lichtpunktes auf der Detektorfläche durch die Position des Detektorelements bestimmt ist, welches das entsprechende Lichtsignal liefert.

[0043] In Fig. 6 ist ein Detektorelement in Form eines Detektorstreifens gezeigt, bei welchem mehrere Fasern 2 entlang einer Linie an einer der flächigen Seiten 1.1, 1.2 des flächigen Lichtwellenleiters 1 befestigt sind. In der Fig. 6 sind dies zwei Fasern 2. Es können entlang der Längserstreckung des Detektorstreifens beliebig viele Fasern 2 in regelmäßigen Abständen entlang der Linie befestigt werden, um einen Detektorstreifen in beliebiger Länge zu bilden.

[0044] In Fig. 7 ist ein Detektorelement zur zweidimensionalen Detektion der Position eines Lichtpunkts gezeigt. Dazu sind zumindest drei, in einem Dreieck angeordnete Fasern 2 an der Oberfläche des flächigen Lichtwellenleiters 1 befestigt. Im gezeigten Beispiel der Fig. 7 sind vier Fasern 2 an den Eckpunkten eines gedachten Rechtecks am flächigen Lichtwellenleiter 1 befestigt. Anders gesagt sind zwei Reihen mit je zwei Fasern 2 vorhanden. Dadurch, dass beliebig viele Reihen mit beliebig vielen Fasern 2 an einem beliebig großen flächigen Lichtwellenleiter 1 vorgesehen werden können, ist ein beliebig großes Detektorelement mit hoher Ortsauflösung herstellbar. Die Berechnung der Position eines Lichtpunks erfolgt unter Annahme, dass bei einer für alle betrachteten Fasern 2 gleichen Ausgangsintensität l0 des Lumineszenzlichts im flächigen Lichtwellenleiter 1 errechnet werden kann, auf welcher Kreislinie rund um die jeweilige Faser 2 der Auftreffpunkt des zu lokalisierenden Lichtpunkts liegen müsste. Von vier Fasern 2 sind die dementsprechenden Kreise beispielhaft in Fig. 7 in strichlierten Linien eingezeichnet.

[0045] Nun wird für die Berechnung die für alle vier Fasern 2 gültige Ausgangsintensität l0 so lange vergrößert oder verkleinert, bis alle vier Kreise einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen. Das Zentrum des auftreffenden Lichtflecks liegt genau an diesem so gefundenen „Vierfachschnittpunkt“. Selbige Methode ist auch bei Vorhandensein von drei Fasern und dem resultierenden „Dreifachschnittpunkt“ anwendbar.

[0046] Je nach Fläche und benötigter Auflösung können auf dem flächigen Lichtwellenleiter 1 beliebig viele Fasern 2, bevorzugt in einem regelmäßigen Muster, montiert werden.

[0047] Je dichter die Fasern 2 montiert sind, desto größer ist die Mindestsignalstärke und dementsprechend die Auflösung des optischen positionssensitiven Elements bei gleicher Ausleseelektronik. In Experimenten mit einem optimierten flächigen Lichtwellenleiter 1 auf Basis einer mit Farbstoffen dotierten Plastikplatte konnte eine Genauigkeit von besser als +/-1 mm bei einem Abstand der Fasern 2 von 6 cm in einem quadratischen Muster erlangt werden. Die Fasern 2 weisen bevorzugt einen Abstand von 0,5 bis 25 cm zueinander auf, insbesondere zwischen 2 cm und 10 cm.

[0048] Eine weitere Möglichkeit, eine zweidimensionale Detektion zu ermöglichen besteht in der Verwendung von zumindest zwei, vorzugsweise vier, als längliche Streifen geformten flächigen Lichtwellenleitern 1, welche zumindest eine Reihe, vorzugsweise zwei parallele Reihen von Fasern 2 aufweisen.

[0049] Diese sind beispielsweise entlang von zwei, vorzugsweise vier Seiten einer rechteckigen Fläche, in welcher die Positionsdetektion erfolgen soll, also der Detektionsfläche 4, angeordnet.

[0050] Die erfindungsgemäßen Detektorelemente sind für zwei Detektionsvarianten einsetzbar, wobei die eine in der Detektion eines auf den flächigen Lichtwellenleiter 1 auftreffenden Lichtstrahls 3 besteht und die zweite in der Detektion einer Verminderung der Lichtintensität in der Überwachungsebene eines Lichtvorhangs, wobei die Verminderung der Lichtintensität durch ein zu detektierendes Objekt 5 ausgelöst wird.

[0051] Besonders vorteilhaft können beide Detektionsvarianten mit einer Vorrichtung umgesetzt werden, um die Position eines oder mehrerer Lichtpunkte in der Detektionsfläche 4 und die Position und/oder Ausdehnung eines Objekts 5 in der Detektionsfläche 4 zu ermitteln.

[0052] Das Licht des Lichtvorhangs kann eine Überwachungsebene im Raum bilden, oder durch totale interne Reflexion in einem weiteren flächigen Lichtwellenleiter geleitet werden, welcher keine lumineszente Schicht, bzw. nicht vollflächige eine lumineszente Schicht aufweist, wobei die von einem Benutzer berührbare Oberfläche des zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiters 14 die Überwachungsebene bzw. die Detektionsfläche 4 ist.

[0053] Das für den Lichtvorhang benötigte Licht kann ebenfalls mittels Fasern 12 von einer oder mehreren Lichtquellen 7 zu der jeweiligen Austrittsposition geleitet werden, sodass rein optische Lichtvorhänge gebildet werden, bei welchen die Lichtquellen 7 und photoelektrischen Sensoren 8 örtlich getrennt vom Lichtvorhang vorgesehen sein können. Bei geeigneter Anordnung von optischen Bauteilen und/oder bei Verwendung von optischen Multiplexern kann eine Faser 2 sowohl zur Leitung des Lichts von der Lichtquelle 7 zum Lichtvorhang verwendet werden, als auch um Licht vom Lichtvorhang, bzw. vom flächigen Lichtwellenleiter 1 auszukoppeln und zum photoelektrischen Sensor 8 zu leiten. Jedenfalls kann das Licht einer oder mehrerer Lichtquellen mit eigens für diesen Zweck vorhandenen, zusätzlichen Fasern 12 an mehrere unterschiedliche Stellen des Rahmens des Lichtvorhangs geleitet werden, um die Detektoren zur Positionsbestimmung aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten.

[0054] Die erfindungsgemäßen Detektorelemente können als flächige Detektorelemente parallel zur Detektionsfläche 4 angeordnet sein, bzw. diese bilden, oder entlang zumindest eines Randes, vorzugsweise zumindest entlang zweier Seiten der Detektionsfläche 4 angeordnet sein.

[0055] In Fig. 8 ist die beispielhafte Ausgestaltung eines Lichtvorhangs mit erfindungsgemäßen Detektorelementen gezeigt, wobei das Licht 13 des Lichtvorhangs in einem zusätzlichen flächi gen Lichtwellenleiter 14 beispielsweise in Form einer Glasplatte geleitet wird. Der flächige Lichtwellenleiter 1 ist entlang zweier Randflächen des zusätzlichen Lichtwellenleiters 14 angebracht, und kann wie gezeigt direkt an diesen anliegen, oder einen Luftspalt zu diesen aufweisen. Jeder der beiden flächigen Lichtwellenleiter 1 ist mit einer Reihe von Fasern 2 versehen, deren andere Enden auf einen photoelektrischen Sensor 8, insbesondere eine Photodiodenzeile gerichtet sind. Das Licht 13 des Lichtvorhangs wird mittels weiterer optischer Fasern 12 in die Glasplatte eingekoppelt, wobei im Beispiel nur eine Lichtquelle 7 vorhanden ist, deren Lichtstrahl über einen Drehspiegel 9 sequentiell auf unterschiedliche Fasern 12 gerichtet und durch diese geleitet wird.

[0056] Ein Objekt 5, welches die Glasplatte berührt, koppelt einen Teil des in der Glasplatte geleiteten Lichts 13 aus, sodass es im Bereich hinter dem Objekt zu einer Minderung der Intensität des Lichts 13 kommt, was vom erfindungsgemäßen optischen Detektorelement am Rand der Glasplatte detektiert wird. Durch Kenntnis der Lage der Fasern 12 kann, aus den Positionsdaten mehrerer Fasern 12 und Positionsdaten von mehreren diesen zuordenbaren Abschattungen am optischen Detektorelement, die Position des Objekts 5 berechnet werden. Die Detektionsfläche 4 ist in diesem Fall durch die berührbare Oberfläche des zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiters 14 gebildet.

[0057] Als Abwandlung ist es denkbar keinen zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiter 14 vorzusehen. In diesem Fall gelangt das Licht 13 auf direktem Weg durch Luft von den Fasern 12 zum flächigen Lichtwellenleiter 1. Die Detektionsfläche 4 ist in diesem Fall durch sich flächig ausbreitende Lichtstrahlen gebildet, wobei ein Objekt, welches die Detektionsfläche 4 durchdringt die Lichtstrahlen unterbricht und so eine Abschattung am flächigen Lichtwellenleiter 1 hervorruft.

[0058] In Fig. 9 ist eine weitere beispielhaft Variante einer erfindungsgemäßen optischen Detektionsvorrichtung gezeigt. Bei dieser sind die flächigen Lichtwellenleiter 1 nicht an den Mantelflächen des zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiters 14 angebracht, sondern an dessen Grundfläche. Dadurch ist sowohl Licht 3 eines Leuchtzeigers mit fadenkreuzförmigen Lichtstrahlen, welcher von vorne auf die Detektionsvorrichtung gerichtet ist detektierbar, als auch die Verminderung der Intensität des im zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiter 14 geleiteten Lichts 13 detektierbar. Somit sind sowohl Berührungen durch Objekte detektierbar, als auch Eingaben mit einem Zeigegerät möglich.

[0059] In Abwandlung der Vorrichtung der Fig. 9 ist es denkbar, die erfindungsgemäßen optischen Detektorelemente nicht als Streifen im Randbereich des zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiters 14 anzubringen, sondern einen flächigen Lichtwellenleiter 1 vorzusehen, welcher sich parallel und beabstandet zur gesamten Grundfläche des zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiters 14 erstreckt. In diesem Fall ist durch das optische Detektorelement sowohl der Lichtpunkt eines Leuchtzeigers als auch das durch Berührung des zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiters 14 ausgekoppelte Licht detektierbar. Besonders vorteilhaft kann dabei der zusätzliche flächige Lichtwellenleiter 14 flexibel ausgeführt sein, sodass dieser bei Berührung durch ein Objekt 5 gegen den flächigen Lichtwellenleiter 1 gedrückt wird und durch diesen Kontakt Licht vom zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiter 14 in den flächigen Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt wird.

[0060] Als andere Abwandlung der Vorrichtung der Fig. 9 ist es denkbar, den zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiter 14 weg zu lassen und die Lichtstrahlen des Lichtvorhangs parallel zu den flächigen Lichtwellenleitern 1 durch Luft zu führen. In diesem Fall sind im Bereich der flächigen Lichtwellenleiter 1 Spiegel, semitransparente Spiegel oder optische Prismen vorzusehen, um Licht aus der Ebene des Lichtvorhangs auf die flächigen Lichtwellenleiter 1 zu lenken. Denkbar ist es auch die flächigen Lichtwellenleiter 1 in einem Winkel von vorzugsweise 45° geneigt vorzusehen, sodass wiederum Licht aus der Ebene des Lichtvorhangs und Licht eines Leuchtzeigers von vorne auf diese treffen kann.

[0061] Erfindungsgemäße optische positionssensitive Detektorelemente ermöglichen es am Einsatzort auf Elektrizität und elektrische Leitungen verzichten zu können. Die erfindungsgemäßen optischen positionssensitiven Detektorelemente besitzen dabei hervorragende Ortsauflösung und Sensitivität und können in jeder beliebigen Größe hergestellt werden. Da die opti- sehen Signale in den Fasern 2 in nahezu beliebiger Distanz zum optischen positionssensitiven Detektorelement mit einem photoelektrischen Sensor in ein elektrisches Signal gewandelt werden und die Datenverarbeitung in unmittelbarer Nähe des photoelektrischen Sensors erfolgen kann, sind keine langen elektrischen Leitungen nötig. Die erfindungsgemäßen optischen positionssensitiven Detektorelemente sind absolut unempfindlich gegen Störung durch elektrische oder elektromagnetische Effekte. Des Weiteren kann ein erfindungsgemäßes Detektorelement in Umgebungen eingesetzt werden, in denen elektrische Leitungen aufgrund von potentiellen Gefahren oder Belastungen (z.B. Explosionsgefahr oder Korrosion von Metallteilen) nur bedingt einsetzbar wären.

[0062] Besonders wertvoll ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als rein optisches Touchpanel, wenn die erfindungsgemäßen optischen positionssensitiven Detektorelemente einen zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiter 14 aufweisen oder in Kombination mit einem Lichtvorhang eingesetzt werden.

[0063] Besonders wertvoll ist das rein optischer Touchpanel in Kombination mit einer Anzeigefläche 6, wie insbesondere einem Bildschirm, da das rein optische Touchpanel völlig transparent sein kann, bzw. die Komponenten des rein optischen Touchpanels ganz außerhalb des Sichtbereichs der Anzeigefläche 6 liegen können. Vorteilhaft am resultierenden Touchscreen ist, dass keine elektromagnetische Beeinflussung der Detektionsvorrichtung durch die Anzeigevorrichtung stattfindet und umgekehrt.

Claims

Patentansprüche

1. Positionssensitives optisches Element, umfassend einen flächigen Lichtwellenleiter (1) der zumindest eine mit Lumineszenz-Farbstoff dotierte Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lichtwellenleiter in Form einer Faser (2) an der flächigen Grundfläche (1.2) oder Deckfläche (1.1) des flächigen Lichtwellenleiters (1) optisch gekoppelt ist, wobei das eingekoppelte Licht (3.2), beabstandet zu jener Stelle an der es vom flächigen Lichtwellenleiter (1) in die Faser (2) eingekoppelt ist, auf einen photoelektrischen Sensor (8) trifft.
2. Positionssensitives optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (2) mit einem transparenten Kleber am flächigen Lichtwellenleiter (1) befestigt ist.
3. Positionssensitives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (2) in eine oder mehrere Schichten des flächigen Lichtwellenleiters (1) integriert ist.
4. Positionssensitives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (2) eine Multimode-Plastikfasern ist.
5. Positionssensitives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (2) mit einem ihrer beiden Enden mit dem flächigen Lichtwellenleiter (1) verbunden ist.
6. Positionssensitives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am flächigen Lichtwellenleiter (1) zumindest eine Reihe von Fasern (2) angebracht ist, wobei jede Reihe zumindest zwei Fasern (2) aufweist.
7. Positionssensitives optisches Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) jeder Reihe in einem Abstand von 0,5 bis 25 cm, vorzugsweise zwischen 2 cm und 10 cm, zueinander angeordnet sind.
8. Positionssensitives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (2) mit einem Ende, das nicht am flächigen Lichtwellenleiter (1) befestigt ist, auf einen photoelektrischen Sensor (8) gerichtet ist.
9. Positionssensitives optisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasern (2) an den Fotodioden einer Fotodiodenzeile oder den photoelektrischen Sensoren (8) eines Detektorarrays enden.
10. Positionssensitives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es einen zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiter (14) aufweist, welcher keinen Lumineszenzfarbstoff aufweist und in welchem Licht durch totale interne Reflexion leitbar ist.
11. Positionssensitives optisches Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein flächiger Lichtwellenleiter (1) an zumindest einem Rand des zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiters (14) anliegend, oder durch einen Luftspalt getrennt, angebracht ist.
12. Positionssensitives optisches Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein flächiger Lichtwellenleiter (1) parallel zum zusätzlichen flächigen Lichtwellenleiter (14) und vorzugsweise über einen Luftspalt getrennt zu diesem angebracht ist.
13. Positionssensitives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es vor, hinter oder neben einer Anzeigefläche (6) angebracht ist.
14. Verfahren zur Positionsdetektion mit zumindest einem positionssensitiven optischen Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Position eines Lichtpunktes oder eines Objekts (5) in oder auf einer Detektionsfläche (4), aus dem relativen Intensitätsunterschied des in zumindest zwei benachbarten Fasern (2) geleiteten Lichts (3.2) durch datentechnisch automatisierte Berechnungsmethoden bestimmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die die Deckfläche (1.2) oder Grundfläche (1.1) des flächigen Lichtwellenleiters (1) die Detektionsfläche (4) bildet.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher flächiger Lichtwellenleiter (14), in den Licht eingekoppelt wird, das durch totale interne Reflexion in diesem geleitet wird, die Detektionsfläche (4) bildet.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Luft verlaufenden Strahlen eines Lichtvorhangs die Detektionsfläche (4) bilden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Lichtwellenleiter (1) parallel zur Detektionsfläche (4) angebracht ist und dazu dient Licht, welches aus der Detektionsfläche (4) gestreut wird, zu detektieren.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Lichtwellenleiter (1) entlang zumindest eines Randes der Detektionsfläche (4) angebracht ist und Licht aus der Detektionsfläche (4) direkt auf den flächigen Lichtwellenleiter (1) trifft.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsfläche (4) parallel zu einer Anzeigefläche (6) ausgerichtet ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen