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Die
Erfindung betrifft eine optische Schaltvorrichtung, umfassend eine
Anordnung von wenigstens zwei nebeneinander, insbesondere zueinander parallel
verlaufenden Lichtwellenleitern, ein Verfahren zur qualitativen
und/oder quantitativen Bestimmung der Verformung und/oder Verlagerung
eines Elementes sowie eine Vorrichtung dafür.
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Derartige
Schaltvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und sollen
bewirken, dass durch einen Schaltvorgang Licht, welches sich in
wenigstens einem Lichtwellenleiter ausbreitet, in einen anderen
Lichtwellenleiter übertritt.
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Hierbei
wird unter einem Lichtwellenleiter jegliche Anordnung eines transparenten
und für
die Lichtleitung geeigneten Mediums verstanden, welches geeignet
ist, das Licht entlang eines Lichtweges innerhalb des Lichtwellenleiters
propagieren zu lassen. Hierbei wird unter dem Lichtweg die mittlere Ausbreitungsrichtung
des Lichtes innerhalb eines Lichtwellenleiters verstanden, d. h.
hier insbesondere die Ausbreitungsrichtung des Lichtes unter Vernachlässigung
der Reflektionen des Lichtes an den inneren Flächen des Lichtwellenleiters,
unabhängig
davon, ob diese Reflektion durch Totalreflektion oder durch Verspiegelung
erreicht ist. Der Lichtweg entspricht somit regelmäßig der
Erstreckung eines Lichtwellenleiters. Bei einem Lichtwellenleiter
wird unter dem Lichtweg im Wesentlichen der Verlauf der Mittenachse
verstanden.
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Beispielsweise
sind optische Schaltvorrichtungen bekannt, bei der zwei mit einem
Abstand zueinander parallel verlaufende Lichtwellenleiter vorgesehen
sind, die gleichen Brechungsindex aufweisen und bei denen in einem
der Lichtwellenleiter sich Licht ausbreitet. Dieses Licht ist aufgrund
des Prinzips der Totalreflektion in diesem Lichtwellenleiter gefangen,
weil der Lichtwellenleiter mit einem vorgegebenen Brechungsindex
von einem anderen Medium, beispielsweise Luft, mit einem geringeren
Brechungsindex umgeben ist.
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Aufgrund
der Luftgrenze zwischen den beiden Lichtwellenleitern kann das Licht
somit nicht aus dem lichtführenden
Lichtwellenleiter in den anderen Lichtwellenleiter übertreten.
Wird jedoch der benachbarte Lichtwellenleiter verformt und kommt
dieser bei der Verformung in Kontakt mit dem lichtführenden Lichtwellenleiter,
so wird die Luftgrenzschicht zwischen diesen Lichtwellenleitern
verdrängt
und die beiden Lichtwellenleiter mit demselben Brechungsindex liegen
direkt aneinander. In der Kontaktzone kann dann aufgrund der erzielten
Brechungsindexanpassung das Licht aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter in
den kontaktierenden Lichtwellenleiter übertreten. Dieses Prinzip des
Lichtübergangs
wird auch als frustrated total internal reflection bezeichnet.
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Derartige
optische Schaltvorrichtungen haben den Nachteil eines komplizierten
Aufbaus und gestatten darüber
hinaus keine Aussage über
die Stärke
einer Verformung, da bei diesen bekannten Schaltvorrichtungen die
aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter
ausgekoppelte Lichtmenge und somit die in dem kontaktierenden Lichtwellenleiter
erreichte Lichtintensität
maßgeblich
nur von der Größe der Kontaktfläche zwischen
den beiden Lichtwellenleitern bestimmt wird, nicht jedoch unmittelbar
durch die Größe der Kraftbeaufschlagung
oder die Stärke einer
Verformung. Darüber
hinaus kann mit einer solchen bekannten Schaltvorrichtung der Schaltvorgang erst
ab dem Moment detektiert werden, wenn die beiden Lichtwellenleiter
miteinander in Kontakt treten. Verformungen der Lichtwellenleiter,
die bereits vor einer Kontaktierung entstehen, sind so nicht detektierbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen,
mit der es möglich
ist, Licht aus wenigstens einem lichtführenden Lichtwellenleiter in
wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter in Abhängigkeit
von einer Verformung überzuleiten,
wobei die Intensität
des aus- bzw. übergekoppelten
Lichtes Rückschlüsse zulässt auf die
Art und/oder Größe einer
Verformung bzw. die wirkende Kraft bei einer Verformung.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass die Oberflächen
von zwei benachbarten Lichtwellenleitern einer Anordnung von wenigstens
zwei nebeneinander, insbesondere zueinander parallel verlaufenden
Lichtwellenleitern miteinander innig, insbesondere stoffschlüssig verbunden sind,
so dass ein Mehrlagenaufbau von wenigstens zwei Lichtwellenleitern
gebildet ist und wobei weiterhin zwei benachbarte Lichtwellenleiter
des Mehrlagenaufbaus voneinander abweichende Brechungsindizes aufweisen.
Hierbei wird unter abweichenden Brechungsindizes verstanden, dass
diese nicht vollständig
identisch sind, also z. B. sich in der 4. bis 5. Nachkommastelle
oder auch stärker
unterscheiden, also z. B. 2. bis 3. Nachkommastelle.
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Im
Sinne der Erfindung wird unter einer Anordnung von wenigstens zwei
nebeneinander verlaufenden Lichtwellenleitern verstanden, dass die
beiden Lichtwege nebeneinander liegen, jedoch nicht identisch sind.
Beispielsweise können
die Lichtwege parallel zueinander verlaufen, sofern die Lichtwellenleiter
zur Führung
des Lichtes parallel zueinander angeordnet sind. Nicht zwingend
müssen
die erfindungsgemäß benachbarten
und innig verbundenen Lichtwellenleiter parallel zueinander verlaufen.
Der gebildete Mehrlagenaufbau kann auch nicht geradlinig erstreckte
Lichtwege bilden.
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Unter
der erfindungsgemäß vorgesehenen innigen
Verbindung zwischen zwei Lichtwellenleitern wird verstanden, dass
sich diese benachbarten Lichtwellenleiter ohne Zwischenschaltung
eines weiteren Mediums unmittelbar kontaktieren. Beispielsweise kann
dies durch einen Stoffschluss zwischen den beiden Lichtwellenleitern
erreicht sein.
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Im
Gegensatz zum oben zitierten Stand der Technik, bei dem der Übergang
zwischen zwei Lichtwellenleitern durch eine Unterbindung der Totalreflektion
in der Kontaktzone der beiden Lichtwellenleiter durch Verdrängung eines
weiteren Mediums bei einer Verformung realisiert wird, beruht das
erfindungsgemäße Prinzip
darauf, dass zunächst
zwischen zwei benachbarten Lichtwellenleitern, die innig miteinander
verbunden sind und von einander abweichende Brechungsindizes aufweisen,
das Licht in wenigstens einem der Lichtwellenleiter sich im Wesentlichen
aufgrund von Totalreflektion ausbreitet, wobei sich der Grenzwinkel
der Totalreflektion aus den Brechungsindizes der beiden innig miteinander verbundenen
Medien der benachbarten Lichtwellenleiter bestimmt.
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Hierbei
kann es vorgesehen sein, dass diejenigen Oberflächen eines Lichtwellenleiters
des Mehrlagenaufbaus, die nicht mit einem benachbarten Lichtwellenleiter
innig kontaktiert sind, das geleitete Licht ebenfalls aufgrund der
Totalreflektion reflektieren, beispielsweise weil der Lichtwellenleiter
durch ein Gas oder Luft oder Vakuum umgeben ist oder auch von einem
anderen optisch dichteren Material oder aber auch dadurch, dass
diese Oberflächen
zumindest zum Teil verspiegelt sind.
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Licht,
welches sich innerhalb eines lichtführenden Lichtwellenleiters
eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
aus wenigstens zwei Lichtwellenleitern ausbreitet und welches mit
einem Einfallswinkel auf die Grenzschicht zwischen benachbarten Lichtwellenleitern
trifft, der größer ist
als der Grenzwinkel der Totalreflektion, wird sich somit unter Einhaltung
der Bedingung der Totalreflektion ausbreiten. Hierbei ist es für das Prinzip
der Erfindung nicht wesentlich, dass 100% des geleiteten Lichtes
unter der Bedingung der Totalreflektion geleitet wird. Es kann auch
ein Lecklichtstrom in benachbarte Lichtwellenleiter selbst ohne
eine Verformung vorgesehen sein.
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Erfolgt
nun erfindungsgemäß eine Verformung
des Mehrlagenaufbaus, so wird zumindest für einen Teil der in dem Lichtwellenleiter
sich ausbreitenden Lichtstrahlen, insbesondere für diejenigen Lichtstrahlen,
für die
vor der Verformung die Bedingung der Totalreflektion gegeben war,
die Bedingung der Totalreflektion, zumindest im Bereich der Verformung,
nicht mehr eingehalten, so dass das Licht aus dem lichtführenden
Lichtwellenleiter in einen benachbarten Lichtwellenleiter zumindest
zum Teil übertritt.
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Hierbei
kann es vorgesehen sein, dass diejenigen Oberflächen der Lichtwellenleiter
miteinander verbunden sind, die zumindest in einer Dimension längst, insbesondere
parallel zur mittleren Ausbreitungsrichtung des Lichtes angeordnet
sind. So kann bei einem Lichtwellenleiter mit gegebenenfalls mehreren
Oberflächen
eine oder auch mehrere Oberflächen
ausgewählt
werden, um auf dieser Oberfläche einen
benachbarten Lichtwellenleiter innig anzuordnen, d. h. ohne Zwischenschaltung
eines weiteren Mediums zu kontaktieren und so das Prinzip der Totalreflektion
an einer solchen Oberfläche
des Lichtwellenleiters zu realisieren. Wie eingangs erwähnt, können andere
Oberflächen
desselben Lichtwellenleiters das Licht ebenso aufgrund der Totalreflektion oder
aber auch aufgrund spiegelnder Reflektion, beispielsweise aufgrund
einer Spiegelbeschichtung, realisieren.
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Um
eine derartige erfindungsgemäße Schaltvorrichtung
mit Licht zu versorgen bzw. auch um die Intensität von zwischen benachbarten
Lichtwellenleitern übergetretenen
Licht zu messen, kann es vorgesehen sein, dass in wenigstens einen
der Lichtwellenleiter des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus, insbesondere
den mit dem höheren bzw.
höchsten
Brechungsindex Licht, oder zumindest solche Lichtwellenleiter, die
von Lichtwellenleitern mit geringeren Brechungsindex innig kontaktiert
sind, einkoppelbar und/oder auskoppelbar ist, welches sich aufgrund
von ggfs. nicht vollständiger
Totalreflektion innerhalb dieses Lichtwellenleiters ausbreitet und
welches sodann bei einer Verformung des Mehrlagenaufbaus, insbesondere
zumindest lokal, zumindest zum Teil in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter übertritt.
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Hierbei
kann es sodann vorgesehen sein, dass ein benachbarter Lichtwellenleiter
eine Möglichkeit
zur Auskopplung des übergeleiteten
Lichtes aufweist, beispielsweise ebenfalls dadurch, dass ein anderer
Lichtwellenleiter für
die Auskopplung dieses Lichtes an diesem benachbarten Lichtwellenleiter
befestigbar ist.
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Die
Befestigung von Lichtwellenleitern insbesondere bekannter Art zur
Ein- und Auskopplung an den Lichtwellenleitern eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
kann dabei auf bekannt Art und Weise erfolgen und stellt nicht weiter
den Gegenstand der Erfindung dar.
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Gemäß der Erfindung
kann es weiterhin vorgesehen sein, dass bei einem Mehrlagenaufbau
gemäß der Erfindung
die Bedingung der Totalreflektion im unverformten Zustand vollständig eingehalten
ist, dass bedeutet, dass Licht, welches sich innerhalb eines Lichtwellenleiters
ausbreitet, aufgrund des Prinzips der Totalreflektion vollständig in
diesem verbleibt und nur bei einer Verformung des Mehrlagenaufbaus in
wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter zumindest zum Teil übertritt.
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In
einer anderen Ausführung
kann es auch vorgesehen sein, dass selbst im unverformten Zustand
eine Lichtleckage von einem lichtführenden Lichtwellenleiter des
erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter gewünscht ist.
Wird ein derartiger erfindungsgemäßer Mehrlagenaufbau verformt,
so kann eine Änderung
gegenüber
der Lichtleckage in dem unverformten Zustand hervorgerufen werden.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit einer Verformung der Übergang
des Lichtes von einem lichtführenden
Lichtwellenleiter in einen benachbarten Lichtwellenleiter vergrößert oder
aber auch verringert wird.
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Gemäß der Erfindung
kann es bei sämtlichen Ausführungsformen
eines Mehrlagenaufbaus vorgesehen, dass dieser durch eine Kraftbeaufschlagung, insbesondere
auf eine Oberfläche
eines der Lichtwellenleiter, zumindest lokal verformbar ist, insbesondere
eindrückbar
und/oder knickbar/biegbar ist, wobei zumindest im Bereich der Verformung
Licht von einem der Lichtwellenleiter, insbesondere dem mit einem
höheren
Brechungsindex, in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter
mit einem geringeren Brechungsindex übertritt. Um eine Verformbarkeit des
Mehrlagenaufbaus zu erreichen, können
demnach für
die einzelnen Lagen bzw. Lichtwellenleiter des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
Materialien gewählt
werden, die bevorzugt flexibel sind, insbesondere die nach einer
Verformung und Entfall der verformenden Kraft sich bevorzugt automatisch selbst
zurückstellen
in die ursprüngliche
nicht verformte Lage.
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Ein
erfindungsgemäßer Mehrlagenaufbau kann
weiterhin bevorzugt derart aufgebaut sein, dass in einem solchen
Mehrlagenaufbau, ausgehend von wenigstens einem bestimmten Lichtwellenleiter
der Brechungsindex der übrigen
Lichtwellenleiter in der Folge der Lagen abnimmt. Dies hat den Vorteil,
dass zunächst
in einem bestimmten Lichtwellenleiter, der beispielsweise den höchsten Brechungsindex
des gesamten Mehrlagenaufbaus aufweist, das Prinzip der Totalreflektion
genutzt werden kann, um ohne eine Verformung des Mehrlagenaufbaus
die Lichtleitung nur innerhalb dieses bestimmten Lichtwellenleiters
stattfinden zu lassen, gegebenenfalls bis auf eine gewünschte Lichtleckage,
wie eingangs erwähnt.
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Nimmt
ausgehend von diesem bestimmten Lichtwellenleiter in der Folge der
Lagen der Brechungsindex der übrigen
benachbarten Lichtwellenleiter ab, so kann erreicht werden, dass
bei einer Verformung das Licht von dem bestimmten, zunächst lichführenden
Lichtwellenleiter zuerst in den unmittelbar ersten benachbarten
weiteren Lichtwellenleiter übertritt
und sich dort ebenfalls aufgrund der Totalreflektion sodann weiter
ausbreitet.
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Findet
eine weitere und immer stärker
werdende Verformung statt, so werden auch die Bedingungen für die Totalreflektion
in weiteren beabstandeten Lagen von Lichtwellenleitern nicht mehr
eingehalten, so dass das Licht aus dem ursprünglichen bestimmten Lichtwellenleiter
sich über
mehrere Lagen hinweg in benachbarte Lichtwellenleiter hin ausbreiten
kann. So kann eine derartige Vorrichtung genutzt werden, um die
Stärke
einer Verformung zu bestimmen, die z. B. daraus abgeleitet werden
kann, welche Intensitäten
in den einzelnen Lagen des Mehrlagenaufbaus gemessen werden können.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es
vorgesehen sein, dass der Mehrlagenaufbau gebildet ist als ein Stapel
von wenigstens zwei aufeinander geschichteten flexiblen, insbesondere
im unverformten Zustand planer Folien. Bei solchen Folien kann es
sich beispielsweise um Polymerfolien handeln, die hinsichtlich ihres
Brechungsindex mit hoher Genauigkeit hergestellt werden können, beispielsweise
durch unterschiedliche Dotierung.
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Derartige
Polymerfolien sind flexibel und nach einer Verformung selbst zurückstellend,
so dass diese für
erfindungsgemäße optische
Schaltvorrichtungen eingesetzt werden können.
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Beispielsweise
kann zur Erzeugung eines Mehrlagenaufbaus eine solche Polymerfolie
mit wenigstens einer Beschichtung, z. B. einer Lackschicht überzogen
werden, die sodann jeweils eine weitere Lage bzw. einen benachbarten
Lichtwellenleiter im Sinne der Erfindung bildet. Eine solche Beschichtung kann
weiter mit weiteren Lackschichten oder anderen Materialien beschichtet
werden, um so einen Mehrlagenaufbau aus einer gegebenenfalls Vielzahl
von Schichten bzw. Lichtwellenleitern zu erstellen.
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Ebenso
besteht die Möglichkeit,
zwischen je zwei Polymerfolien eine Schicht, z. B. Klebeschicht anzuordnen,
die dazu dient, zum einen die Polymerfolien miteinander zu verbinden
und zum anderen einen Lichtwellenleiter im Sinne der Erfindung auszubilden.
Z. B. ergibt sich so durch zwei verbundene Polymerfolien insgesamt
ein Mehrlagenaufbau aus drei innig miteinander verbundenen Lichtwellenleitern.
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Die
verschiedenen Lagen eines Mehrlagenaufbaus gemäß der Erfindung können, insbesondere wenn
diese aus Folien, gegebenenfalls beschichteten Folien, zusammengesetzt
sind, im Wesentlichen so aufgebaut sein, dass die jeweils großen Oberflächen der
Lagen bzw. der Folien miteinander in innigem Kontakt stehen. Die
seitlichen, insbesondere stirnseitigen Flächen eines derartigen Lagenaufbaus können beispielsweise
verspiegelt sein, um ein Austreten des Lichtes an diesen Kanten
zu verhindern. Es besteht ebenso die Möglichkeit, auch an diesen Kanten
das Prinzip der Totalreflektion auszunutzen, um eine Lichtleitung
innerhalb einer jeden Lage eines solchen Mehrlagenaufbaus zu realisieren.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass
innerhalb wenigstens einer Lage des Mehrlagenaufbaus, insbesondere
innerhalb eines Folienlichtwellenleiters, der Lichtweg unabhängig von
einer Verformung wenigstens eine Umlenkung aufweist, insbesondere
eine wenigstens einmalige vollständige
Umkehr.
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Hierdurch
kann erreicht werden, dass der Lichtweg unabhängig von der eigentlichen körperlichen
Länge eines
erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus,
insbesondere bei einer wenigstens einmaligen vollständigen Umkehr
verlängert,
nämlich
bei einer einmaligen vollständigen
Umkehr z. B. verdoppelt oder bei einer mehrmaligen vollständigen Umkehr
auch vervielfacht wird.
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So
kann insbesondere auch eine höhere Sensitivität einer
erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung
erreicht werden, da das Licht innerhalb wenigstens einer Lage eines
erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus,
beispielsweise mehrfach an einem Ort der Verformung vorbeigeführt werden
kann, so dass auch mehrfach an diesem Ort der Verformung Licht in einen
benachbarten Lichtwellenleiter übertreten kann,
wodurch sich die Intensität
des übergetretenen Lichtes
in dem benachbarten Lichtwellenleiter signifikant erhöhen lässt.
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Auch
können
durch Umlenkungen verschiedene Ausbreitungsrichtungen, insbesondere
an verschiedenen Orten in einem Lichtwellenleiter, insbesondere
einem Folienlichtwellenleiter realisiert werden. So kann das Licht
in einem benachbarten Lichtwellenleiter nach einem Übertritt
in diesem aufgrund einer Verformung z. B. ebenso unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen
aufweisen, die vom Ort der Verformung abhängen und insbesondere den am
jeweiligen Ort der Verformung vorherrschenden Ausbreitungsrichtung.
Wenn also die Ausbreitungsrichtung von zwischen zwei Lichtwellenleitern übergekoppelten
Licht festgestellt bzw. diskriminiert werden kann, so dann auch
der Ort der Verformung bestimmt werden.
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Die
Umlenkung eines Lichtwegs, d. h. im Wesentlichen der mittleren Ausbreitungsrichtung
des Lichtes, kann nicht nur vollständig, wie zuvor bevorzugt genannt,
erfolgen, sondern grundsätzlich
in jedem gewünschtem
Winkel, wobei es vorgesehen sein kann, dass innerhalb wenigstens
einer Lage des Mehrlagenaufbaus hierfür reflektierende Strukturen vorgesehen
sind, um eine solche Umlenkung zu erreichen. Beispielsweise können die
Folienlichtwellenleiter in Form geschnitten werden, so dass jeweils seitliche
Kanten eines Lichtwellenleiters, insbesondere eines Folienlichtwellenleiters,
als reflektierende Struktur ausgebildet sind. Hierfür können die
seitlichen Kanten beispielsweise eine Verspiegelung aufweisen oder
aber, unter Ausnutzung des Prinzips der Totalreflexion, von einem
anderen Medium mit geringerem Brechungsindex umgeben sein.
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In
einer anderen, gegebenenfalls auch zu kombinierenden Ausführung, kann
es auch vorgesehen sein, dass ein Mehrlagenaufbau gebildet ist durch
wenigstens einen zentralen im Querschnitt mehreckigen Lichtwellenleiter,
wobei auf den planen Oberflächen
eines mehreckigen zentralen Lichtwellenleiters jeweils wenigsten
ein Lichtwellenleiter innig kontaktiert angeordnet ist und diese
jeweiligen kontaktierenden Lichtwellenleiter voneinander optisch getrennt
sind, z. B. durch eine Bedampfung der Kanten, um einen Übertritt
zwischen diesen Lichtwellenleitern zu vermeiden. Eine solche Ausführung hat
den Vorteil, dass eine Schaltvorrichtung dieser Art bezüglich Verformung
im mehreren Dimensionen sensitiv ist. Je nach Richtung der Verformung,
beispielsweise der Knickung oder Biegung eines derartigen Aufbaus,
kann es demnach erreicht werden, dass Licht von einem zentralen
mehreckigen Lichtwellenleiter nicht nur in einen benachbarten Lichtwellenleiter übertritt,
sondern in mehrere Lichtwellenleiter, dies jedoch zu unterschiedlichen
Anteilen, so dass in den benachbarten Lichtwellenleitern unterschiedliche
Intensität
des übergetretenen
Lichtes messbar sind. So kann aus dem Verhältnis der Intensität und der
Feststellung, in welche Lichtwellenleiter der Gesamtanordnung überhaupt
Licht übergetreten
ist, bestimmt werden, in welche Richtung die Verformung eines solchen
erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus stattgefunden
hat.
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Insgesamt
ist festzustellen, dass eine Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung
mit einem beschriebenen Mehrlagenaufbau besonders sensitiv sein kann
für Verformungen,
beispielsweise Knickungen, Biegungen oder zumindest lokale Verformungen
um eine Achse, die senkrecht zum Lichtweg, d. h. zur mittleren Lichtausbreitungsrichtung
liegt.
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Um
besonders sensitive Schaltvorrichtungen bereitzustellen, kann es
vorgesehen sein, dass sich die Brechungsindizes benachbarter Lichtwellenleiter um
weniger als ein Prozent, bevorzugt weniger als 1 Promille unterscheiden.
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Da
für die
Einhaltung der Bedingung einer Totalreflexion weithin wichtig ist,
unter welchen verschiedenen Winkeln sich das Licht relativ zum Lichtweg,
d. h. zur mittleren Lichtausbreitungsrichtung innerhalb eines Lichtwellenleiters
bewegt bzw. mit welchen verschiedenen Einfallswinkeln zu den Reflektionsflächen des
Lichtwellenleitern sich das Licht ausbreitet, kann es in einer weiteren
Ausführungsform bevorzugt
vorgesehen sein, dass die Brechungsindizes benachbarter Lichtwellenleiter
nicht an Hand der zuvor genannten Bedingung gewählt sind, sondern derart, dass
der zwischen benachbarten Lichtwellenleitern bei den gegebenen Brechungsindizes
gegebene Grenzwinkel der Totalreflexion kleiner ist als 90 Grad
minus der halbe maximale Öffnungswinkel
eines in einen Lichtwellenleiter sich ausbreitenden Lichtstrahles.
Hierbei kann der maximale Öffnungswinkel
z. B. durch die Art der Einkopplung des Lichtstrahls in den betreffenden
Lichtwellenleiter gegeben sein, insbesondere z. B. durch die Divergenz
des Lichtstrahles am Auskoppelende eines anderen Lichtwellenleiters, mit
welchem das Licht einem Lichtwellenleiter der Mehrlagenanordnung
zugeführt wird.
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Am
Ort der Lichteinkopplung weist das eingekoppelte Licht eine bestimmte
Divergenz auf, d. h. einen bestimmten Öffnungswinkel des eingekoppelten
Lichtkegels. Der halbe Winkel dieses Öffnungswinkels bezeichnet dabei
den maximalen Winkel des Lichtes zur mittleren Lichtausbreitungsrichtung,
die durch den Lichtweg im Lichtwellenleiter gegeben ist. Ist der
Betrag von 90° minus
diesem halben Öffnungswinkel
größer als
der Grenzwinkel der Totalreflexion, so ist sicher gestellt, dass
sich jeder einzelne Lichtstrahl des eingekoppelten Lichtbündels unter Einhaltung
der Bedingungen der Totalreflexion in dem Lichtwellenleiter ausbreitet.
Erst durch eine Verformung des Mehrlagenaufbaus wird sodann erreicht,
dass die Bedingung der Totalreflexion gestört ist und Licht in einen benachbarten
Lichtwellenleiter übertreten
kann.
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Ebenso
kann es bewusst gewählt
sein, dass der halbe Öffnungswinkel
eines eingekoppelten Lichtbündels
so gewählt
ist, dass 90° minus
diesem bestimmten Winkel kleiner/gleich (≤) dem Grenzwinkel der Totalreflexion
ist. Ist dies der Fall, so gibt es bereits ohne eine Verformung
des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
einen Lichtübertritt
zwischen dem Licht führenden
Lichtwellenleiter und einem benachbarten Lichtwellenleiter.
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In
Abhängigkeit
von einer Verformung kann dabei beispielsweise bei einer Verformung
in einer Richtung erreicht werden, dass der Übertritt von Licht in den benachbarten
Lichtwellenleiter vergrößert wird und
bei einer Verformung in die andere Richtung verringert wird. Eine
derartig ausgelegte, erfindungsgemäße Schaltvorrichtung weist
somit eine sehr hohe Sensitivität
auf, da bereits jegliche Art von Verformung zu einer Änderung
des Lichtübertritts
zwischen benachbarten Lichtwellenleitern führt.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass auf oder um einen Lichtwellenleiter
mit maximalem Brechungsindex der Gesamtanordnung wenigstens zwei
weitere folgende Lichtwellenleiter geschichtet sind, deren Brechungsindex
mit jeder Schicht abnimmt, so dass Licht mit zunehmender Verformung
des Mehrlagenaufbaus von den Lichtwellenleitern mit maximalem Brechungsindex
in immer weiter beabstandete Lichtwellenleiter übertritt. So kann bei dieser
Ordnung die Stärke
einer Verformung nicht nur an Hand der Intensität des übergetretenen Lichtes zwischen
zwei Lichtwellenleitern festgestellt werden, sondern auch an Hand
der Feststellung, wie viele der in der Schicht folgenden Lichtwellenleiter
einen übergekoppelten Lichtanteil
aufweisen.
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Bei
einer derartigen Anordnung mit mehr als zwei Lagen des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
kann es auch vorgesehen sein, dass der Brechungsindexunterschied
zwischen zwei Lichtwellenleitern mit jeder Schicht zunimmt.
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In
einer weiteren Ausführung
kann es auch vorgesehen sein, dass zwei Lichtwellenleiter miteinander
optisch verbunden sind, so dass Licht zwischen diesen Lichtwellenleitern
unabhängig
von einer Verformung übertritt,
insbesondere um auch durch eine derartige Ausformung eine Umkehr
des Lichtweges zu erzielen. So kann eine Änderung des Lichtweges nicht
nur innerhalb einer Lage des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus erfolgen,
sondern es kann von einer Lage in eine andere Lage des Mehrlagenaufbaus überführt werden.
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Beispielsweise
können
die beiden Lichtwellenleiter der vorgenannten Art wenigstens einen
anderen, dazwischen liegenden Lichtwellenleiter umgeben, insbesondere
wenn der Lichtweg zwischen den beiden Lichtwellenleitern in einer
Schlaufe geführt
ist. Da in einer solchen Schlaufe gegebenenfalls die bedingte Totalreflexion
nicht eingehalten werden kann, kann es hier vorgesehen sein, dass
der Bereich der Schlaufe verspiegelt ausgeführt ist, um den Übertritt des
Lichtes zwischen den beiden Lichtwellenleitern zu ermöglichen.
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Um
eine Ein- und Auskopplung an den Lichtwellenleitern bzw. den einzelnen
Lagen des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
vorzunehmen, kann beispielsweise auf konventionelle bekannte Faserlichtwellenleiter
zurückgegriffen
werden, die an wenigstens einem Lichtwellenleiter des Mehrlagenaufbaus,
befestigt bzw. befestigbar sind. Eine solche Befestigung kann z.
B. durch Verklebung und/oder Eingießen erfolgen. Hierbei kann
es vorgesehen sein, dass bei verschiedenartigen Querschnitten bzw.
insbesondere Dicken der einkoppelnden, insbesondere Faserlichtwellenleiter
und der Lichtwellenleiter eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus, eine
Dickenanpassung im Ankopplungsbereich erfolgt.
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Ist
beispielsweise ein Lichtwellenleiter eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
als eine dünne
Schicht, beispielsweise eine Folie ausgeführt, so kann es vorgesehen
sein, dass eine solche Lage, an der eine Einkopplung erfolgen soll,
in ihrem Kantenbereich dicker ausgestaltet, insbesondere mit einer größere Höhe ausgestaltet
ist, um den gesamten Querschnitt des einkoppelnden Lichtwellenleiters aufnehmen
zu können.
An dem Kantenbereich kann sodann eine Verjüngung stattfinden, bis zu einer
Reduzierung auf die gewünschte
Dicke des Lichtwellenleiters im Mehrlagenaufbau.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann es vorgesehen sein, dass wenigstens ein Lichtwellenleiter des
Mehrlagenaufbaus zumindest partiell nur einen spektral begrenzten
Wellenlängenanteil,
insbesondere des sichtbaren Spektrum von ca. 400–800 nm, des in diesem Lichtwellenleiter übergetretenen
Lichtes passieren lässt.
So kann beispielsweise ein solcher Lichtwellenleiter über seine
gesamte Länge
bzw. auch nur bereichsweise ein gewünschtes wellenlängenselektives Transmissionsverhalten
aufweisen, so dass nur Licht einer bestimmten Wellenlänge bzw.
Licht mit einer bestimmten spektralen Bandbreite um eine Zentralwellenlänge diesen
Lichtwellenleiter bzw. diesen Bereich des Lichtwellenleiters passieren
kann. Ein solcher Lichtwellenleiter hat demnach eine Filterfunktion,
was z. B. durch Dotierungen oder sonstige Einfärbungen erreicht werden kann.
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Mit
einer Schaltvorrichtung, bei der wenigstens ein Lichtwellenleiter
auf diese Art und Weise ausgeführt
ist, kann demnach erreicht werden, dass aus dem Licht, welches von
einem lichtführenden Lichtwellenleiter
in einen benachbarten Lichtwellenleiter übergetreten ist, sich nur ein
bestimmter spektraler Anteil (insbesondere um eine bestimmte Zentralwellenlänge) weiter
ausbreiten kann, so dass beispielsweise auch eine festgestellte
Wellenlänge
des übergekoppelten
Lichtanteils in einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ausgewertet
werden kann, beispielsweise um auszuwerten, in welchem Bereich eines
Lichtwellenleiters ein Lichtübertritt
stattgefunden hat, oder welcher Lichtwellenleiter vom Lichtübertritt
betroffen ist.
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Hierfür kann es
insbesondere vorgesehen sein, dass ein Lichtwellenleiter wenigstens
zwei Bereiche aufweist, wobei jeder Bereich einen unterschiedlich
spektral begrenzten Wellenlängenanteil bzw.
eine zentrale Wellenlänge
des in diesen Lichtwellenleiter übergetretenen
Lichts passieren lässt. Werden
somit die unterschiedlichen Bereiche verformt, so kann nach einer
Feststellung der Wellenlänge
des sich ausbreitenden Lichtes festgestellt werden, in welchem der
Bereiche eine Verformung stattgefunden hat.
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So
kann beispielsweise das Licht mehrerer Lichtwellenleiter, die jeweils
unterschiedliche spektral begrenzte Wellenlängenanteile des übergetretenen Lichts
passieren lassen oder aber das Licht eines Lichtwellenleiters mit
mehreren Bereichen unterschiedlicher Wellenlänge der vorgenannten Art, die das übergetretene
Licht passieren lassen, in eine ggfs. gemeinsame Lichtsammelvorrichtung
eingekoppelt werden, wobei an der Lichtsammelvorrichtung eine Vorrichtung
zur spektralen Analyse des Lichtes angeordnet sein kann. So kann
nach Feststellung der Wellenlänge,
beispielsweise einer Zentralwellenlänge des gesammelten Lichtes
somit festgestellt werden, aus welchem Lichtwellenleiter bzw. aus
welchem Bereich eines Lichtwellenleiters das Licht stammt. Eine
solche Information kann wiederum ausgenutzt werden, neben gegebenenfalls
einer Intensitätsinformation,
um den Ort einer Verformung und/oder die Größe einer Verformung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung
zu ermitteln.
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In
einer weiteren Ausführung
kann es auch vorgesehen sein, dass der Mehrlagenaufbau wenigstens
einen Lichtwellenleiter aufweist, von dem eine optische Eigenschaft,
insbesondere Transparenz, Absorption oder spektrale Selektivität änderbar
ist durch einen äußeren Einfluss.
Ein solcher Einfluss kann z. B. eine Stoffaufnahme, insbesondere
von Feuchtigkeit oder auch eine Temperaturänderung sein.
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So
ist es beispielsweise bekannt, dass der Kunststoff PMMA bei einer
50%igen Raumfeuchte bis zu 1,5% Wasser aufnehmen kann. Durch eine Wasseraufnahme
oder allgemein eine Stoffaufnahme im Sinne der Erfindung kann sich
demnach eine optische Eigenschaft, wie z. B. die Transparenz ändern, was
wiederum auch Einfluss auf die Kriterien der Totalreflektion haben
kann, so dass sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen
ebenso unterschiedlich verhalten kann. So besteht die Möglichkeit,
mit einer Schaltvorrichtung der erfindungsgemäßen Art ein Gerät auszubilden,
mit dem äußere Einflüsse feststellbar
oder messbar sind, die die optische Eigenschaft beeinflussen.
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Ebenso
kann es vorgesehen sein, dass der Mehrlagenaufbau der erfindungsgemäßen Art
wenigstens zwei Lichtwellenleiter umfasst, die ein unterschiedliches
thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen. Werden wenigstens zwei
solcher Lichtwellenleiter miteinander innig verbunden, wie es die Erfindung
fordert, so wird sich bei einer Temperaturänderung aufgrund der unterschiedlichen
thermischen Ausdehnung der beiden Lichtwellenleiter eine Biegung
einstellen, wie sie z. B. auch von Bimetallen bekannt ist.
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Aufgrund
der Biegung ergibt sich eine Veränderung
der Totalreflektionsbedingung, so dass in Abhängigkeit der Verbiegung und
somit in Abhängigkeit von
der Temperatur mehr oder weniger Licht zwischen den beiden Lichtwellenleitern, insbesondere von
einem in den anderen Lichtwellenleiter einer solchen Anordnung übertritt.
So kann durch Messung der Intensitäten des Lichtes auf eine vorherrschende Temperatur
geschlossen werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es bei einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, dass
in wenigstens einer Lage eines Mehrlagenaufbaus auch Lichtwege mit
lichtunterschiedlicher Wellenlänge und/oder
unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung realisierbar sind. Da für Licht
das Superpositionsprinzip gilt, d. h. dass sich Licht unterschiedlicher
Wellenlängen
und unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung nicht gegenseitig beeinflusst,
besteht die Möglichkeit,
innerhalb einer Schaltvorrichtung insbesondere gleichzeitig verschiedene
Kriterien, insbesondere Meßgrößen zu sensieren,
beispielsweise verschiedene richtungsabhängige Messwerte aufzunehmen,
die sich durch die verschiedenen Ausbreitungsrichtungen oder Lichtwellenlänge voneinander
diskriminieren lassen.
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So
besteht grundsätzlich
die Möglichkeit,
mit einer Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art eine Vorrichtung zur
Messung mechanischer Verformungen und/oder Verlagerungen bereitzustellen,
insbesondere wenn beispielsweise ein erfindungsgemäßer Mehrlagenaufbau
der Schaltvorrichtung von Lichtwellenleitern mit wenigstens einem
mechanisch verformbaren oder örtlich
verlagerbaren Element verbunden bzw. verbindbar ist. Wird demnach
ein Mehrlagenaufbau durch ein solches verformbares oder verlagerbares
Element ebenso verformt bzw. verlagert, so hat dies einen Einfluss
auf die Bedingungen der Totalreflektion und somit den Übergang
des Lichtes zwischen benachbarten Schichten von Lichtwellenleitern,
so dass durch eine Auswertung bzw. Vermessung der Änderung
einer Lichtauskopplung aus wenigstens einem lichtführenden
Lichtwellenleiter und/oder der Änderung
einer Lichteinkopplung in einen Lichtwellenleiter des Mehrlagenaufbaus
die Verformung bzw. Verlagerung des Elementes detektiert werden
kann, insbesondere qualitativ und bevorzugt quantitativ. Insbesondere
gemessene Lichtintensitäten
können
hierbei auf eine quantitative Größe der Verformung
Rückschlüsse zulassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es
zeigen:
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1: das Funktionsprinzip bei zwei benachbarten
Lichtwellenleitern
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2:
die Lichtausbreitung bei zwei benachbarten Lichtwellenleitern
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3: Lichfführende Strukturen in einer Lage
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4: Verformungsabhänge Lichtführung
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5:
einen Aufbau zwei wellenlängenselektiven
Lichtwellenleitern
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6:
einen Aufbau mit mehreren wellenlängenselektiven Bereichen eines
Lichtwellenleiters
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7: prinzipielle Einkopplungsmöglichkeiten
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8:
einen schematischen Überblick
einer Schaltvorrichtung
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9:
eine erste Ausführung
einer Druckmessdose
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10:
eine zweite Ausführung
einer Druckmessdose
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11:
eine dritte Ausführung
einer Druckmessdose
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12:
die Ausführung
einer Mikropumpe
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Die 1a und 1b zeigen
das Grundprinzip der Erfindung anhand eines Mehrlagenaufbaus aus
Lichtwellenleitern, wobei in dieser einfachen Ausführungsform
nur zwei innig miteinander verbundene Lichtwellenleiter L1 und L2
vorgesehen sind. Hierbei stellt der Lichtwellenleiter L1 mit dem optisch
dünneren
Medium und einem Brechungsindex N1 denjenigen Lichtwellenleiter
dar, in den in Abhängigkeit
von einer Verformung Licht aus dem lichfführenden Lichtwellenleiter L2
mit dem optisch dichteren Medium und dem Brechungsindex N2 übertreten
soll.
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Erkennbar
ist hier, dass in den Lichtwellenleiter L2 aus einem zuführenden
Lichtwellenleiter LWL Licht eingekoppelt wird, welches sich sodann
unter Einhaltung der Bedingung der Totalreflektion in dem Lichtwellenleiter
L2 fortbewegt, ohne in den Lichtwellenleiter L2 überzutreten, da in der Grenze
zwischen den beiden Brechungsindizes N1 und N2 die Bedingung der
Totalreflektion erfüllt
ist. Die Bedingung der Totalreflektion gilt darüber hinaus nicht nur in der Grenzschicht
zwischen den beiden benachbarten Lichtwellenleitern L1 und L2, sondern
auch im Bereich zwischen dem Lichtwellenleiter L2 und der Umgebung,
die hier als Luft angenommen wird.
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Wird
nun, wie in der 1b dargestellt, lokal eine Kraft
auf die erfindungsgemäße Mehrlagenanordnung
der zwei Lichtwellenleiter L1 und L2 ausgeübt, so wird zumindest im Bereich
der Kraftbeaufschlagung der Einfallswinkel des im Lichtwellenleiter L2
propagierenden Lichtes kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflektion,
so dass Licht aus dem Lichtwellenleiter L2 am Ort der Verformung
in den Lichtwellenleiter L1 übertreten
kann. Innerhalb dieses Lichtwellenleiters L2 pflanzt sich das übergetretene Licht
wiederum unter Einhaltung der Totalreflektionsbedingung fort und
kann an einem Ende des Lichtwellenleiters L2 aus diesem ausgekoppelt
oder gemessen werden, beispielsweise für weitere Maßnahmen.
Z. B. kann hier die Intensität
des übergetretenen
Lichtes festgestellt werden, wonach auf die Stärke der Verformung geschlossen
werden kann.
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Die 2 zeigt
im Wesentlichen dieselbe Anordnung in zwei verschiedenen Ansichten,
nämlich
im oberen Bereich in Aufsicht und im unteren Bereich in einer Seitenansicht.
Erkennbar wird hier, dass ein erfindungsgemäßer Lichtwellenleiter z. B. als
eine Folie ausgebildet sein kann, die eine geringere Höhe im Vergleich
zu ihrer Breite aufweist. In dieser Darstellung der 2 ist
gegenüber
der 1 die Anordnung des lichtleitenden
Lichtwellenleiters L2 zum Lichtwellenleiter L1 vertauscht, wobei
deutlich wird, dass hier das Prinzip der Totalreflektion im Wesentlichen
an der Grenzschicht zwischen den beiden Lichtwellenleitern L1 und
L2 gilt. Auch an den seitlichen Kanten K der Lichtwellenleiter kann
grundsätzlich
das Prinzip der Totalreflektion gelten, beispielsweise wenn die
Gesamtanordnung des Mehrlagenaufbaus aus zwei Lagen von Luft umgeben
ist. Alternativ oder ergänzend
kann es hier auch vorgesehen sein, dass die Kanten eine reflektierende
Beschichtung aufweisen. Ebenso können
die Oberflächen
eine reflektierende Beschichtung aufweisen, an denen kein Übertritt
zwischen zwei Lichtwellenleitern stattfinden soll, insbesondere
also alle Oberflächen eines Lichtwellenleiters,
die nicht in innigem Kontakt zu einem benachbarten Lichtwellenleiter
stehen, aber allgemein auch Oberflächen zwischen benachbarten
Lichtwellenleitern, des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus, an denen
ein Lichtübertritt
auch bei Verformung verhindert werden soll.
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Erkennbar
ist hier in der 2 auch, dass ein Lichtwellenleiter
aus einem Mehrlagenaufbau gemäß der Erfindung
lichtwegformend ausgebildet sein kann. Beispielsweise wird hier
in der 2 oben deutlich, dass sich der Mehrlagenaufbau
und insoweit jeder der einzelnen Lichtwellenleiter L1 und L2 zur
rechten Seite hin verjüngt,
insbesondere zu einer Auskoppelseite hin.
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Die 3a–c zeigen
weitere Maßnahmen, die
es ermöglichen,
den Lichtweg zumindest innerhalb einer Lage des Mehrlagenaufbaus
umzulenken. Als Lichtweg wird hier die mittlere Ausbreitungsrichtung
des Lichtes innerhalb eines Lichtwellenleiters verstanden ohne Berücksichtigung
der Winkel, die das Licht bei der Reflektion an den Grenzflächen der Lichtwellenleiter
einnimmt. In der 3 ist es erkennbar,
so wie es bereits die 2 oben zeigt, dass sich ein
Lichtwellenleiter in Richtung des Lichtweges beispielsweise verjüngen kann.
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Hierdurch
wird ein Fokussierungseffekt erzielt, der beispielsweise vorgesehen
sein kann, um eine Auskopplung aus diesem Lichtwellenleiter zu ermöglichen,
beispielsweise um das Licht einem weiteren, z. B. faseroptischen
Lichtwellenleiter zuzuführen.
Die 3b zeigt, dass eine Lage bzw. ein Lichtwellenleiter
eines Mehrlagenaufbaus auch Umlenkungen um beliebige Winkel innerhalb
einer Lage aufweisen kann. Beispielsweise zeigt die 3b einen
Lichtwellenleiter eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus in Aufsicht,
bei dem eine zweifache Umlenkung um 90 Grad und somit eine vollständige Umkehr
des Lichtweges innerhalb eines Lichtwellenleiters erreicht wird.
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Demgegenüber zeigt
die 3b eine dreifache vollständige Umkehr des Lichtweges
innerhalb eines Lichtwellenleiters einer Lage des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus.
Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Schaltvorrichtung der
erfindungsgemäßen Art
wie im allgemeinen Teil beschrieben eine höhere Sensitivität erreicht,
da der Ort einer Verformung gegebenenfalls mehrfach vom Lichtweg
gekreuzt wird und somit am Ort der Verformung das Licht mehrmals
die Gelegenheit hat, von einem lichtführenden Lichtwellenleiter in
einen benachbarten Lichtwellenleiter überzutreten. Die Intensität des übergetretenen
Lichtes in einen benachbarten Lichtwellenleiter wird demnach bei
gefalteten Lichtwegen höher
sein als bei einem Lichtwellenleiter, bei dem der Lichtweg nur einfach
den Ort der Verformung kreuzt.
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Die 4 zeigen den prinzipiellen Aufbau einer
erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung,
bei der gemäß der 4a in
einen lichtleitenden Lichtwellenleiter Licht eingekoppelt wird,
wobei hier die Gesamtanordnung aus zwei innig miteinander verbundenen
benachbarten Lichtwellenleitern L2 und L1 um eine feste Anlage A
herum gebogen wird. Hier erfolgt die Biegung um eine Achse senkrecht
zur Papierebene. Im Bereich der Biegung wird die Bedingung der Totalreflektion
verletzt, so dass Licht aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter L2
in den Lichtwellenleiter L1 übertreten
kann. An den Enden der beiden Lichtwellenleiter L1 und L2 kann somit
festgestellt werden, welcher Anteil des Lichtes in den Lichtwellenleiter
L1 übergetreten
ist, so dass hier sowohl zum einen qualitativ eine Verbiegung festgestellt
werden kann als auch quantitativ anhand der Intensität des übergetretenen
Lichtes die Stärke
der Verformung.
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Die 4b zeigt
eine Ausführung
eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
mit hier insgesamt drei Lagen von Lichtwellenleitern L1, L2 und
L3, wobei der zentral von den Lichtwellenleitern L1 und L3 umgebende
Lichtwellenleiter L2 lichtführend
ist. Wird wie hier in der oberen Darstellung gezeigt, der Mehrlagenaufbau
der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung
nach oben gebogen an der Anlagestelle A, so erfolgt eine Verletzung
der Totalreflektionsbedingung zwischen dem zentralen Lichtwellenleiter
L2 und dem unteren Lichtwellenleiter L3, so dass Licht in den unteren
Lichtwellenleiter L3 übertritt
und am Ausgang feststellbar ist. Erfolgt demgegenüber eine
Verbiegung nach unten, so tritt das Licht aus dem zentralen Lichtwellenleiter
L2 in den Lichtwellenleiter L1 über.
So wird ersichtlich, dass sowohl anhand der Feststellung, welcher
der beiden äußeren Lichtwellenleiter
lichtführend
ist nach einer Verknickung ermittelbar ist, in welche Richtung die
Verbiegung stattgefunden hat und dass weiterhin anhand der Intensität des Lichtes
innerhalb eines der äußeren Lichtwellenleiter
die Stärke
der Verbiegung feststellbar ist.
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Die 4c zeigt
darüber
hinaus einen weiteren erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbau, bei dem ein
lichtführender
Lichtwellenleiter zumindest zu einer Seite mehr als nur einen benachbarten
Lichtwellenleiter aufweist. So wird auch hier wie zuvor erklärt bei einer
Verknickung nach unten das Licht vom zentralen lichtführenden
Lichwellenleiter L2 zu einem darüberliegenden
Lichtwellenleiter L1 übertreten, wobei
je nach Stärke
der Verbiegung hier nicht nur ein Lichtübertritt zu dem ersten benachbarten
Lichtwellenleiter L1 stattfindet, sondern in Abhängigkeit der Stärke der
Verbiegung auch zu dem weiteren benachbarten Lichtwellenleiter,
hier einem zweiten Lichtwellenleiter L4. So kann auch hier festgestellt werden,
wie stark die Verbiegung an der Anlagestelle A ist, anhand einer
Feststellung, bis in welche äußeren Schichten
des Mehrlagenaufbaus sich das Licht ausgebreitet hat. Ergänzend kann
hier gegebenenfalls die Intensität
des Lichtes für
weitere Auswertungen herangezogen werden.
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Die 4d zeigt
einen weiteren Aufbau einer erfindungsgemäßen Mehrlagenanordnung, bei der
nicht nur ein Lichtwellenleiter lichtführend ist, sondern in dieser
Ausführung
zwei Lichtwellenleiter. Gegebenenfalls kann es allgemein ohne Beschränkung auf
diese Ausführung
vorgesehen sein, dass mehrere, insbesondere mehr als zwei Lichtwellenleiter
eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus lichtführend sind.
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Die 4e zeigt
darüber
hinaus eine andere alternative Anordnung, bei der zwei Lichtwellenleiter L1
und L3 untereinander verbunden sind. Insbesondere umgeben hier diese
beiden erstgenannten Lichtwellenleiter einen zentralen lichtführenden
Lichtwellenleiter L2. Durch eine Verknickung dieser erfindungsgemäßen Mehrlagenanordnung
an den Anlagestellen A nach unten erfolgt in diesem Beispiel ein Übertritt
des Lichtes in den oberen Lichtwellenleiter L1, wobei dieses übergetretene
Licht in der Schlaufe S am Ende des Lichtwellenleiters L1 umgelenkt
wird in den Lichtwellenleiter L3. So kann hierdurch beispielsweise
erreicht werden, dass die Lichteinkopplung und die Lichtauskopplung
aus der gesamten erfindungsgemäßen Anordnung
an einer Seite stattfinden kann. Hier kann es vorgesehen sein, dass
die Schlaufe S zur Erzielung der Reflektionsbedingung verspiegelt
ist, sofern die Totalreflektion in der Schlaufe nicht erreicht werden
kann.
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Die 5 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung,
bei der der erfindungsgemäße Mehrlagenaufbau
in diesem Beispiel drei Lagen aufweist und die mittlere Lage lichtführend ist.
Hierbei kann z. B. Weißlicht
d. h. Licht, welches im Wesentlichen alle Wellenlängen des
sichtbaren Spektrums umfasst oder zumindest Licht mehrerer Wellenlängen in
der mittleren Lage geführt
werden.
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Oberseitig
und unterseitig der zentralen lichtführenden Lage können verschiedene
Filterfolien A und B als Lichtwellenleiter angeordnet sein, die
in Verbindung mit der zentralen lichfführenden Lage den Mehrlagenaufbau
gemäß der Erfindung
bilden. Diese Filterfolien A und B können selektiv für unterschiedliche
Lichtwellenlängen
angepasst sein, d. h. dass diese Folien nur Lichtwellenlängen einer
bestimmten Zentralwellenlänge
passieren lassen, wobei die Zentralwellenlängen der beiden Filterfolien
A und B verschieden sind. Im vorliegenden Beispiel können die
beiden Filterfolien A und B an einen gemeinsamen Lichtsammler angeschlossen
sein und z. B. einem gemeinsamen Lichtwellenleiter LWL zugeführt werden.
Erfolgt nun eine Verformung von der Oberseite A her, so tritt das
Licht, welches in der zentralen Lage geführt wird, in die obere Filterfolie
A über,
wobei aus den ursprünglichen
Wellenlängen nur
das Licht einer Lichtwellenlänge
A weiter propagiert werden kann. Am Ende des Lichtwellenleiters LWL
rechtsseitig des Sammlers kann somit durch einen Detektor die Lichtwellenlänge A festgestellt
werden.
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Wird
hingegen die Verformung von der Unterseite B her vorgenommen, so
tritt das Licht in die Filterfolie B über, in der aus den Wellenlängen nur
die Wellenlänge
B weiter propagiert wird, so dass nach dem Sammler und rechtsseitig
des Lichtwellenleiters LWL nur Licht der Wellenlänge B festgestellt wird. Anhand
der Messung der Lichtwellenlänge
kann somit festgestellt werden, von welcher Seite die Verformung
stattgefunden hat. Weiterhin kann beispielsweise anhand der Intensität des festgestellten
Lichtes festgestellt werden, wie stark die Verformung war.
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Die 6 zeigt
eine weitere Ausführungsform,
mit einem Mehrlagenaufbau umfassend zwei Schichten von Lichtwellenleitern.
Eine untere Schicht L2 ist lichtführend und wird in dieser Ausführung linksseitig
von Weißlicht
oder zumindest mehreren Wellenlängen
gespeist, welches sich innerhalb der Schicht ungestört ausbreiten
kann.
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Auf
diesem Lichtwellenleiter L2 ist ein Lichtwellenleiter L1 angeordnet,
der in dieser Ausführung drei
verschiedene Bereiche A, B und C aufweist, die jeweils nur Licht
einer Wellenlänge
A, B oder C passieren lassen. Wird demnach eine Verformung in einem
der Bereiche A, B oder C vorgenommen, so tritt das Licht in diesem
Bereich in den Lichtwellenleiter L1 über und es kann innerhalb des
Bereiches jeweils nur das Licht der Wellenlänge, die diesem Bereich zugeordnet
ist, passieren, so dass am Ende des Lichtwellenleiters L1 die Wellenlänge festgestellt werden
kann.
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Anhand
der Wellenlänge
lässt sich
somit ermitteln, welcher Bereich eine Verformung erfahren hat, also
z. B. gedrückt
wurde. Werden neben einer einzelnen, gegebenenfalls zwei oder drei
Wellenlängen
gemessen, so ist feststellbar, dass zwei oder auch drei Bereiche
gleichzeitig verformt wurden. Beispielsweise lassen sich durch derartige
Anordnungen Sensorfelder oder Tastaturen herstellen. Das Ausführungsbeispiel
ist nicht auf drei verschiedenen Bereiche beschränkt, sondern es besteht grundsätzlich die
Möglichkeit,
eine beliebige Anzahl von Bereichen vorzusehen.
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Die 7 zeigt eine Anordnung, bei der aus einem
lichtzuführenden
Lichtwellenleiter LWL das Licht in eine Folie eingekoppelt werden
soll, die eine Lage eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus bildet.
Hier können
verschiedene Maßnahmen
ergriffen werden, beispielsweise zeigt die 7a eine
unmittelbare Klebeverbindung zwischen einem Lichtwellenleiter, der
beispielsweise als Faserlichtwellenleiter ausgebildet sein kann
und der Stirnseite einer Folie, beispielsweise einer Polymerfolie.
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7b zeigt
demgegenüber
eine Anordnung, bei der ein größerer Querschnitt
des zuführenden
Lichtwellenleiters reduziert wird auf eine geringere Höhe einer
erfindungsgemäßen lichtleitenden
Folie. Hierfür
ist im Kantenbereich der Folie eine trichterförmige oder zumindest keilartige
Anordnung vorgesehen, mittels der das Licht in die Folie eingeleitet wird. 7c zeigt
eine alternative Ausführung,
bei der das Licht über
ein Prisma P umgelenkt wird und somit in die Oberfläche des
Lichtwellenleiters L1 eingekoppelt wird. Grundsätzlich sind hier beliebige Maßnahmen
möglich,
um das Licht von einem zuführenden
Lichtwellenleiter in eine Lage der erfindungsgemäßen Mehrlagenanordnung zu überführen.
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Die 8 zeigt
eine allgemeine Ausführung einer
optischen Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung.
Erkennbar ist hier ein erfindungsgemäßer Mehrlagenaufbau aus drei
Lichtwellenleitern L1, L2 und L3, wobei die Lichtwellenleiter L1
und L3 den zentralen lichtführenden
Lichtwellenleiter L2 umgeben, dem Licht aus seinem Lichtsender zugeführt wird.
Je nach Größe und Richtung
einer Verformung tritt das linksseitig zugeführte Licht von dem zentralen
Lichtwellenleiter L2 entweder in den oberen Lichtwellenleiter L1
oder in den unteren Lichtwellenleiter L3 über. Unabhängig von der Anzahl der Lagen
eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus
kann es hier vorgesehen sein, dass jeder Lichtwellenleiter, der
einer Lage des Mehrlagenaufbaus zugeordnet ist, eine Auskopplung
aufweist, um das ausgekoppelte Licht mit einem Empfänger zu
detektieren, insbesondere zu vermessen, insbesondere hinsichtlich
der Intensität
und/oder der Wellenlänge.
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Mit
einer erfindungsgemäßen optischen Schaltvorrichtung
kann darüber
hinaus eine Sensorik gebildet werden, um beliebige Verformungen
oder Verlagerungen festzustellen.
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Die 9 beispielsweise
zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Druckmessdose, deren Membran M
in Abhängigkeit
von einem Druck eine mehr oder weniger starke Verformung oder Verlagerung
erfährt. In
dieser Ausführung
ist die Membran M der Druckmessdose mit einer optischen Schaltvorrichtung OSF,
insbesondere zumindest mit dem erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbau OSF einer
erfindungsgemäßen optischen
Schaltvorrichtung verbunden. Hier kann die Verbindung über die
gesamte Fläche
von Membran M und dem Mehrlagenaufbau OSF erfolgen. Wird bei einem Überdruck
die Membran M ausgelenkt, so kommt es in der optischen Schaltvorrichtung
OSF je nach Richtung und Stärke
der Auslenkung zu einem Übertritt
von einer lichtführenden Lichtwellenleiterlage
in eine benachbarte Lage, so dass sowohl anhand der betroffenen
als auch der festgestellten Lichtintensität in dieser Lage ermittelt werden
kann, in welche Richtung die Membran M ausgelenkt wurde und wie
stark die Auslenkung war.
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Die 10 zeigt
demgegenüber
eine Anordnung, bei dem die Membran M einer Druckmessdose selbst
bereits durch einen erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbau gebildet
ist.
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Die 11 zeigt
alternative Ausführungsformen,
bei der die Membran einer Druckmessdose nicht wie in der vorherigen
Ausführung
der 9 großflächig mit
einer optischen Schaltvorrichtung OSF der erfindungsgemäßen Art
verbunden ist, sondern hier ist eine erfindungsgemäße optische
Schaltvorrichtung OSF bzw. zumindest der Mehrlagenaufbau OSF einer
solchen erfindungsgemäßen optischen
Schaltvorrichtung zwischen einer Membran M und einem feststehenden
Teil F der Druckmessdose angeordnet. Je nach Weite und Richtung
der Auslenkung wird somit zumindest der Mehrlagenaufbau OSF der
erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung
mehr oder weniger gestreckt oder gestaucht, so dass sich hierdurch
die Bedingung der Totalreflektion je nach Art und Weite der Verformung ändert. So
kann auch bei einer solchen Ausführung
anhand der Intensitäten
und der betroffenen Lagen der Lichtwellenleiter festgestellt werden,
in welche Richtung und wie weit die Verformung einer Membran stattgefunden
hat.
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Die 12 zeigt
eine weitere Anwendung einer optischen Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung,
bei der beispielsweise die Pumpmembran einer Mikropumpe mit einer
optischen Schaltvorrichtung OSF der Erfindung bzw. zumindest mit
dem Mehrlagenaufbau OSF beschichtet ist. Auch hier kann wie eingangs
erwähnt
anhand des Lichtübertritts
in benachbarte Lichtwellenleiter und die Intensität des in
den entsprechenden Lagen gemessenen Lichtes festgestellt werden,
in welche Richtung und wie weit die Auslenkung des Aktors A stattgefunden hat.
So kann anhand der gemessenen Lichtintensitäten das Pumpvolumen einer solchen
Mikropumpe genauestens bestimmt werden.
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Es
ist hier festzustellen, dass bei der vorliegenden Erfindungsbeschreibung
die jeweils beispielhaft genannten Anwendungen, insbesondere die Druckmessdose
und die Mikropumpe, nicht beschränkend
sind für
die Erfindung. Die erfindungsgemäßen optischen
Schaltvorrichtungen lassen sich zum Vermessen der Richtung und der
Größe jeglicher
Art von Verformungen oder Bewegungen oder Verlagerung von Elementen
beliebiger Art einsetzen.
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Bezüglich sämtlicher
Ausführungen
ist festzustellen, dass die beschriebenen Ausführungen die Erfindung nicht
beschränken
und die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen
Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern
auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen
Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich
einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung
einsetzbar.