DE102010026120B4 - Optischer Kraftsensor - Google Patents

Abstract

Optischer Kraftsensor mit (a) einem Verformungskörper (30), (b) einem Lichtwellenleiter (26), (c) einem Reflektor (36), der so am Verformungskörper (30) angeordnet ist, dass – ein aus dem Lichtwellenleiter (26) kommender Lichtstrahl (38) reflektiert wird und – eine auf dem Verformungskörper (30) wirkende Messkraft (F→ ) oder ein Moment (M→ ) zu einer Bewegung des Reflektors (36) führt, (d) wobei der Lichtwellenleiter (26) angeordnet ist zum Leiten eines multichromatischen Lichtstrahls (38) auf den Reflektor (36), so dass ein reflektierter Lichtstrahl (42) entsteht, der zumindest teilweise in den Lichtwellenleiter (26) zurückläuft, so dass der reflektierte Lichtstrahl (42) zu einem Messausgang des Lichtwellenleiters (26) leitbar ist, und (e) einem optischen Element (40), das eine chromatische Aberration bewirkt und so angeordnet ist, dass vom Lichtwellenleiter (26) kommendes Licht so auf den Reflektor (36) fokussiert wird, dass sich ein Spektrum (24) des reflektierten Lichtstrahls (42) am Messausgang in Abhängigkeit einer Reflektor-Position des Reflektors (36) relativ zum optischen Element (40) ändert.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere einen optischen Kraftsensor. Ein derartiger optischer Kraftsensor ist insbesondere für den Einsatz in der minimal-invasiven, also in der endoskopischen Chirurgie einsetzbar. Bei der minimal-invasiven Chirurgie wird durch eine als Schleuse bezeichnete Öffnung im menschlichen oder tierischen Körper ein chirurgisches Instrument eingeführt, um beispielsweise einen Schnitt durchzuführen.
• Um gesundes Gewebe nicht zu schädigen, ist es notwendig, die Kraft zu begrenzen, die das chirurgische Instrument auf das Gewebe ausübt. Anderenfalls kann es zu Verletzungen kommen, die bei der minimal-invasiven Chirurgie besonders problematisch sind, da etwaige Blutungen wegen der Unübersichtlichkeit des Operationsgebietes schlecht zu stillen sind. Insbesondere geht durch Reibeffekte der haptische Eindruck verloren.
• Nachteilig bei bisherigen minimal-invasiven Operationsverfahren ist es, dass das Gewinnen eines haptischen Eindrucks nicht möglich ist. Die Nachgiebigkeit eines Gewebes kann aber ein wichtiger Hinweis darauf sein, ob es sich um krankes oder gesundes Gewebe handelt oder ob das Instrument gefahrlos weiterbewegt werden kann. Um eine haptische Rückmeldung zu ermöglichen, ist eine Kraftmessung mit einer hohen Messgenauigkeit notwendig. Das ist mit bestehenden Systemen nicht erreichbar.
• Aus der DE 101 45 912 A1 ist ein faseroptischer interferometrischer Sensor bekannt, bei dem durch mehrfache Reflexionen im Messraum zunächst mehrere zeitlich aufeinander folgende Signale erzeugt werden, sodass nachfolgend durch Auswerten der Korrelation dieser Signale eine Veränderung der Abmessungen des Messraums ermittelbar ist. So wird ein robustes System erhalten. Nachteilig ist, dass nur uniaxiale Veränderungen der Abmessungen einfach ermittelbar sind, was bei einem Kraftmesser, der in minimal-invasiven Operationsvorrichtungen einsetzbar sein soll, eine kaum erfüllbare Forderung darstellt. Zudem ist der Aufbau relativ komplex
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders einfach aufgebauten optischen Kraftsensor anzugeben.
• Die Erfindung löst das Problem durch einen optischen Kraftsensor mit (a) einem Verformungskörper, (b) einem Reflektor, der so am Verformungskörper angeordnet ist, dass ein vom Wellenleiter kommender Lichtstrahl reflektiert wird und eine in einer Kraftrichtung auf Verformungskörper wirkende Messkraft zu einer Bewegung des Reflektors führt, (c) einem Lichtwellenleiter, der angeordnet ist zum Leiten eines multichromatischen Lichtstrahls auf den Reflektor, so dass durch die Reflexion am Reflektor ein reflektierter Lichtstrahl entsteht, der zumindest teilweise so in den Lichtwellenleiter zurückfällt, dass der reflektierte Lichtstrahl zu einem Messausgang des Lichtwellenleiters leitbar ist, und (d) einem optischen Element, das eine chromatische Aberration bewirkt und so angeordnet ist, dass sich ein Spektrum des reflektierten Lichtstrahls am Messausgang in Abhängigkeit einer Reflektor-Position des Reflektors ändert.
• Vorteilhaft an diesem Kraftsensor, der ein endoskopischer Kraftsensor sein kann und in der Endoskopie eingesetzt werden kann, ist, dass er klein gebaut werden kann. So ist es möglich, den Kraftsensor wie ein minimal-invasives Instrument in den Körper des Patienten einzubringen. Insbesondere ist ein Endoskop erfindungsgemäß, das einen erfindungsgemäßen Kraftsensor aufweist. Des Weiteren sind minimal-invasive Instrumente mit einem integrierten erfindungsgemäßen Kraftsensor von der Erfindung umfasst.
• Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Kraft, die vom Kraftsensor oder daran angekoppelten Instrumenten auf das Gewebe ausgeübt wird, unmittelbar gemessen werden kann. Mit dem optischen Kraftsensor kann genau die Kraft ermittelt werden, die tatsächlich vorliegt. Reibeffekte an Schleusen oder Ähnlichem werden nicht mit gemessen. Bei Messvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, die eine Kraft zum Bewegen des Kraftsensors außerhalb des Situs messen, führen beispielsweise Reibkräfte in in den Schleusen zu einem Messfehler. Wird der Kraftsensor kurz hinter der Spitze eines minimal-invasiven Operationswerkzeugs verwendet, so liefert er realistische Messwerte, da diese genau an dem Ort aufgenommen werden, an dem die Kraft anliegt.
• Es ist ein weiterer Vorteil, dass ein derartiger Kraftsensor sterilisierbar ausgebildet sein kann. Da elektrische und/oder metallische Komponenten entbehrlich sind, kann er zudem kompatibel zu bildgebenden Verfahren ausgebildet sein.
• Ein weiterer Vorteil ist die hohe erreichbare Messgenauigkeit. So hat der Kraftsensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bei einer Messkraft von 2,5 Newton einen absoluten Fehler von vorzugsweise höchstens 0,5 Newton. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Kraftsensor bei einer Messkraft von 0,5 Newton einen absoluten Messfehler von weniger als 0,01 Newton hat. Für manche Anwendungsbereiche kann es vorteilhaft sein, wenn der Kraftsensor bei einer Messkraft von 0,05 Newton einen absoluten Messfehler von weniger als 0,002 Newton hat.
• Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem optischen Kraftsensor insbesondere ein Kraftsensor verstanden, der in der minimal-invasiven Chirurgie einsetzbar ist. Erfindungsgemäß ist daher auch ein minimal-invasives Operationssystem mit einem derartigen Kraftsensor.
• Unter dem Verformungskörper wird insbesondere jedes Element verstanden, das so ausgebildet ist, dass es sich unter einer Kraft von 10 Millinewton elastisch so deformiert, dass sich eine Position des Reflektors relativ zum Lichtwellenleiter auf reproduzierbar messbare Weise ändert. Der Verformungskörper kann einstückig aufgebaut sein oder zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Segmente aufweisen. Sofern Segmente vorhanden sind, so haben diese Segmente eine Biegesteifigkeit, die größer ist als die Biegefestigkeit an den Verbindungsstellen der Elemente untereinander. Insbesondere ist diese Biegesteifigkeit zumindest zehnmal so groß, so dass dann, wenn eine Messkraft auf eines der Segmente wirkt, die resultierende Verformung auf den Bereich zwischen den Segmenten konzentriert ist. Der Verformungskörper kann von den übrigen Komponenten des Kraftsensors abkoppelbar ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Verformungskörper formschlüssig mit dem Rest des Kraftsensors verbindbar ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Verformungskörper um eine Drehachse drehbar ausgebildet. Hierzu kann der Verformungskörper beispielsweise einen Sockel aufweisen. Drehbar meint dabei, drehbar relativ zum optischen Element.
• Unter dem Reflektor wird insbesondere jedes Element verstanden, das zum Reflektieren des vom Lichtwellenleiter stammenden Lichtstrahls angeordnet und ausgebildet ist. Es kann sich bei dem Reflektor um einen ebenen Reflektor handeln, das ist aber nicht notwendig. Insbesondere ist es möglich, dass der Reflektor gekrümmt ist, beispielsweise parabolisch oder sphärisch. Es ist möglich, dass der Reflektor eine Folie oder eine Beschichtung auf einer Hülle des Verformungskörpers umfasst. Es ist auch möglich, dass der Reflektor eine reflektierende Oberfläche, beispielsweise des Verformungskörpers ist. Es kann also statt des Begriffs „Reflektor” der Begriff „reflektierende Fläche” verwendet werden. Der Reflektor kann beispielsweise auch durch einen Retroreflektor gebildet sein, so dass der Lichtstrahl auch bei einer Verkippung des Reflektors stets so zurückreflektiert wird, dass er in den Lichtwellenleiter zurückgeleitet wird.
• Bei dem Lichtwellenleiter handelt es sich insbesondere um eine Vorrichtung, mittels der Licht von außerhalb des Körpers zum Verformungskörper leitbar ist, wenn der Kraftsensor zumindest mit seinem Verformungskörper in einem menschlichen oder tierischen Körper eingeführt ist. Insbesondere ist es möglich, dass der Lichtwellenleiter ein Faserbündel umfasst oder ist. Es ist aber auch möglich, dass der Lichtwellenleiter eine starre Optik umfasst, beispielsweise ein Röhrchen, in dem der Lichtstrahl frei geführt wird.
• Unter dem optischen Element wird insbesondere eine Linse, ein Prisma oder ein sonstiges optisches Bauteil verstanden, das eine chromatische Abberation hervorruft, die so groß ist, dass eine von einer Kraft von 10 Millinewton hervorgerufene Deformation des Verformungskörpers zu einer messbaren Veränderung des Spektrums des in den Lichtwellenleiter zurückfallenden Lichts führt. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass das optische Element eine GRIN-Linse (Gradienten-Index-Linse) aufweist.
• Insbesondere ist das optische Element so relativ zum Reflektor angeordnet, dass eine auf den Verformungskörper wirkende Kraft dazu führt, dass sich der Reflektor auf das optische Element zubewegt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Verformungskörper einen Hüllkugelradius von höchstens 10 mm. Die Hüllkugel ist diejenige gedachte Kugel minimalen Radius, in der der Verformungskörper vollständig Platz hat.
• Wenn im Rahmen der vorliegenden Beschreibung von einer Bewegung des Reflektors gesprochen wird, so ist hierunter eine Bewegung relativ zu einer Ausgangslage des Reflektors im kraftfreien Fall gemeint. Äquivalent hierzu ist die Bewegung des Reflektors auf den Lichtwellenleiter und/oder das optische Element zu beziehen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Element so angeordnet, dass Licht einer ersten Wellenlänge auf den Reflektor fokussiert wird, wenn keine Messkraft am Verformungskörper anliegt (kraftfreier Fall) und Licht einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen, zweiten Wellenlänge auf den Reflektor fokussiert wird, wenn eine von null verschiedene Messkraft anliegt. Der Reflektor ist in anderen Worten vorzugsweise so angeordnet, dass der reflektierte Lichtstrahl desjenigen Lichtanteils, dessen Fokus gerade auf dem Reflektor liegt, mit einem höheren Anteil in den Lichtwellenleiter zurückreflektiert wird, als Licht, das aufgrund seiner anderen Wellenlänge nicht auf den Reflektor fokussiert wird. Auf diese Weise lässt sich die Lage des Reflektors relativ zum Lichtwellenleiter besonders gut aus dem Spektrum des in den Lichtwellenleiter zurück reflektierten Lichts ermitteln. Unter dem Spektrum wird die spektrale Intensitätsverteilung, beispielsweise über der Wellenlänge, verstanden.
• Gemäß einer Ausführungsform ist der Innenbereich mit einem Fluid gefüllt. Bei diesem Fluid kann es sich beispielsweise um ein Gas handeln.
• Die Druckvariationsvorrichtung weist beispielsweise einen Druckregler auf, mit dem der Fluiddruck im Inneren des Verformungskörpers variiert werden kann. Durch Erhöhen des Drucks kann dann die Steifigkeit des Verformungskörpers erhöht werden. Das führt in Kombination mit einer nichtlinearen Kraft-Verformungskennlinie zu einer Veränderung des Messbereichs. Eine derartige Änderung der Steifigkeit des Verformungskörpers kann beispielsweise auch mittels mechanischer Verspannung, elektro- oder magnetorheologischen Fluiden oder Materialien hervorgerufen werden.
• Vorzugsweise umfasst der Kraftsensor (e) einen zweiten Reflektor, der so an dem Verformungskörper angeordnet ist, dass ein vom Wellenleiter, insbesondere vom Innenbereich, kommender zweiter Lichtstrahl reflektiert wird und eine zweite – insbesondere mit der ersten Messkraft einen Winkel von zumindest 30° einschließenden – auf die Außenfläche wirkende Messkraft zu einer Bewegung des zweiten Reflektors führt, und (f) eine Umlenkvorrichtung zum Umlenken des aus dem Lichtwellenleiter kommenden zweiten Lichtstrahls zum zweiten Reflektor, die so angeordnet ist, dass durch Reflexion am zweiten Reflektor ein zweiter reflektierter Lichtstrahl entsteht, der zumindest teilweise so in den Lichtwellenleiter einfällt, dass der zweite reflektierte Lichtstrahl zu einem Messausgang des Lichtwellenleiters leitbar ist. Der zweite Reflektor und die Umlenkvorrichtung sind so angeordnet, dass eine im Bereich des zweiten Reflektors am Verformungskörper angreifende Kraft zu einer Veränderung des Spektrums des zweiten reflektierten Lichtstrahls am Messausgang des Lichtwellenleiters führt. Auf diese Weise können Kräfte detektiert werden, die in unterschiedlichen Kraftrichtungen auf den Verformungskörper wirken.
• Günstig ist es, wenn der zweite Reflektor einen Abstand zum optischen Element hat, der sich von dem Abstand unterscheidet, den der erste Reflektor zum optischen Element hat. Im kraftfreien Fall unterscheiden sich am Messausgang dann die Spektren des ersten reflektierten Lichtstrahls und des zweiten reflektierten Lichtstrahls, so dass ein Spektrometer ausreichend ist, um die Kräfte an beiden Reflektoren zu messen, wobei beide reflektierte Lichtstrahlen in ein und demselben Lichtwellenleiter zum Spektrometer geleitet werden können.
• Gemäß einer Ausführungsform ist die Umlenkvorrichtung so ausgebildet, dass ein frequenzselektives Umlenken und/oder Transmittieren und/oder Teilreflektieren eintritt. Dadurch kann am Messausgang ein sich änderndes Spektrum erfasst werden. Auf diese Weise können sowohl der vom ersten Reflektor reflektierte Lichtstrahl als auch der vom zweiten Reflektor reflektierte Lichtstrahl gemeinsam, dass heißt nicht örtlich getrennt, in den Lichtleiter eingekoppelt werden und dennoch durch eine Analyse der beiden Spektren eine Bewegung der beiden Reflektoren aufgelöst werden.
• Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist der Kraftsensor zumindest einen zweiten Reflektor auf, der so am Verformungskörper angeordnet ist, dass ein vom Innenbereich kommender zweiter Lichtstrahl reflektiert wird und eine auf den Verformungsköper wirkende Messkraft zu einer Bewegung des Reflektors führt, wobei die zweite Messkraft mit der ersten Messkraft einen Winkel von zumindest 30° einschließen kann, wobei der Kraftsensor zudem einen zweiten Lichtwellenleiter besitzt, der angeordnet ist, zum Leiten eines zweiten multichromatischen Lichtstrahls zum Reflektor, so dass durch die Reflexion am zweiten Reflektor ein zweiter reflektierter Lichtstrahl entsteht, der zumindest teilweise auf den zweiten Lichtwellenleiter fällt, so dass der reflektierte zweite Lichtstrahl zu einem zweiten Messausgang des zweiten Lichtwellenleiters leitbar ist, und wobei der Kraftsensor zudem ein zweites optisches Element aufweist, das eine chromatische Aberration bewirkt und so angeordnet ist, dass sich ein Spektrum des reflektierten zweiten Lichtstrahls am Messausgang in Abhängigkeit von einer zweiten Reflektorposition des zweiten Reflektors ändert. In anderen Worten umfasst der optische Kraftsensor einen Verformungskörper und eine Mehrzahl an getrennten Systemen aus Reflektor, Lichtwellenleiter und optischem Element, die voneinander unabhängig betreibbar sind.
• Vorteilhaft ist es, wenn der zweite Lichtwellenleiter und der zweite Reflektor so angeordnet sind, dass der zweite Lichtstrahl unter einem Winkel von zumindest 30° zum ersten Lichtstrahl verläuft. Hierunter ist zu verstehen, dass es möglich ist, dass eine Vielzahl an Reflektoren und zugeordneten Lichtwellenleitern vorhanden sein kann, wobei zumindest zwei Lichtwellenleiter und Reflektoren existieren, für die die angegebene Forderung erfüllt ist. Es lassen sich so besonders gut bei einer minimal-invasiven Operation auftretende Kräfte erfassen. Vorteilhaft ist es, wenn an einem Verformungskörper insgesamt 6 Reflektoren vorhanden sind und zugeordnete Lichtstrahlen untereinander eine Konfiguration einnehmen, dass die direkte Kinematik (Zusammenhang zwischen Verformungskörper-Bewegung und Abstandsänderung der Reflektoren) außerhalb bzw. möglichst weit entfernt von Singularitäten liegt und somit aus den 6 gemessenen Abstandsänderungen eindeutig und mit hinreichender Genauigkeit auf sämtliche auf den Verformungskörper wirkenden Kräfte und Momente zurück geschlossen werden kann. Die vorzugsweise Hexapod-Konfiguration der Reflektoren und der Lichtstrahlen befindet sich somit außerhalb von so genannten Kraftsingularitäten.
• Vorteilhaft ist eine Mehrzahl an Reflektoren, denen jeweils ein Lichtwellenleiter zugeordnet ist, wobei die Lichtwellenleiter ringförmig angeordnet sind. Es ergibt sich so ein sehr kompakter Aufbau für den optischen Kraftsensor.
• Vorzugsweise ist das optische Element ein fokussierendes Element. Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn dieses fokussierende Element an einem Ende des Lichtwellenleiters angeformt ist. In anderen Worten ist das Ende des Lichtwellenleiters, beispielsweise durch ein spanendes Verfahren oder durch Laserablation, so strukturiert, dass sich eine Linsenwirkung ergibt. Der Kraftsensor ist dann einfach aufgebaut und robust.
• Günstig ist es, wenn der Kraftsensor nicht ferromagnetisch ist. Auf diese Weise kann er in einer Umgebung mit einem starken Magnetfeld, beispielsweise innerhalb eines Kernspintomographen, verwendet werden.
• Erfindungsgemäß ist zudem eine optische Kraftmessvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen optischen Kraftsensor, einer multichromatischen Lichtquelle, die mit dem zumindest einen Lichtwellenleiter zum Einspeisen zumindest eines multichromatischen Lichtstrahls verbunden ist, einem Spektrometer, das mit dem zumindest einen Messausgang des zumindest einen Lichtwellenleiters zum Messen des Spektrums des jeweiligen reflektierten Lichtstrahls verbunden ist und einer elektrischen Auswerteeinheit, die eingerichtet ist zum automatischen Ermitteln der Messkraft aus dem Spektrum.
• Vorzugsweise weist der Kraftsensor, insbesondere der Verformungskörper, eine Verbindungsvorrichtung auf, mittels der beispielsweise ein chirurgisches Instrument befestigt werden kann. Insbesondere handelt es sich um eine Verbindungsvorrichtung zur formschlüssigen Verbindung, beispielsweise ein Gewinde oder einen Teil eines Bajonettverschlusses.
• Erfindungsgemäß ist zudem ein Kraftsensor, bei dem der Verformungskörper einen Innenbereich und eine den Innenbereich nach außen begrenzende Außenfläche aufweist und der Reflektor so am Verformungskörper angeordnet ist, dass ein vom Lichtwellenleiter kommender Lichtstrahl durch den Innenbereich verläuft und dann auf den Reflektor trifft.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
• 1 eine erfindungsgemäße optische Kraftmessvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Kraftsensor,
• 2a einen erfindungsgemäßen Kraftsensor in einer schematischen Ansicht,
• 2b einen alternativen erfindungsgemäßen Kraftsensor, bei dem das optische Element in Form einer Linse an den Lichtwellenleiter angeformt ist,
• 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftsensors, mit dem an zwei Stellen angreifende Kräfte gemessen werden können, und
• 4 eine dritte alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftsensors, mit dem an drei Stellen angreifende Kräfte gemessen werden können.
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftsensor 10 in einer optischen Kraftmessvorrichtung 12. Die Kraftmessvorrichtung 12 umfasst zudem eine multichromatische Lichtquelle 14, die über eine optische Faser 16 mit einem Faserkoppler 18 verbunden ist. Der Faserkoppler 18 ist über eine zweite optische Faser 20 mit einem Spektrometer 22 verbunden, mittels dem ein Spektrum 24 eines vom Kraftsensor 10 kommenden reflektierten Lichtstrahls analysiert werden kann.
• In einem Lichtpfad hinter dem Faserkoppler 18 ist ein Lichtwellenleiter 26 angeschlossen, mittels dem Licht von der Lichtquelle 14 zu den im Folgenden beschriebenen Komponenten des Kraftsensors 10 geleitet wird. Das Spektrometer 22 ist über eine optische Faser 20 mit einem Messausgang 25 des Lichtwellenleiters 26 verbunden, bezieht so vom Reflektor 36 reflektiertes Licht (Lichtstrahl 42, siehe 2a und die folgende Beschreibung) und analysiert dessen Spektrum 24.
• Das Spektrometer 22 steht mittels einer elektrischen Leitung mit einer elektrischen Auswerteeinheit 28 in Verbindung, die kontinuierlich und in kurzen Zeitabständen, von beispielsweise unter 500 Millisekunden, das Spektrum erfasst, das vom Spektrometer gemessen wird. In der elektrischen Auswerteeinheit 28 ist ein Kennfeld hinterlegt, das beispielsweise in einem Kalibrierverfahren erzeugt worden ist und das Spektrum des reflektierten Lichts einer Kraft zuordnet.
• Der Kraftsensor 10 umfasst einen Verformungskörper 30, der einen Innenbereich 32 und eine den Innenbereich 32 nach außen begrenzende Außenfläche 34 besitzt. Mit der Außenfläche 34 ist ein Reflektor 36 verbunden, der durch eine dünne Beschichtung gebildet sein kann, die mit einer Folie, die die Außenfläche bildet, verbunden ist. Der Reflektor 36 ist so am Verformungskörper 30 angeordnet, dass ein aus dem Innenbereich 32 kommender Lichtstrahl 38 reflektiert wird, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird. Der Lichtstrahl 38 tritt aus einem optischen Element 40.1 aus, das über den Lichtwellenleiter 26 Licht von der Lichtquelle 14 erhält.
• 2a zeigt eine Detailansicht des Kraftsensors 10 gemäß 1. Es ist zu erkennen, dass der Lichtstrahl 38 vom optischen Element 40 fokussiert und in den Innenbereich 32 abgegeben wird. Da der Lichtstrahl 38 multichromatisch ist, entstehen so aufgrund der chromatischen Aberration des optischen Elements eine Mehrzahl an Foki, deren Fokuslänge von der Wellenlänge abhängig sind. Eingezeichnet sind der Fokus F_λ1 für Licht einer ersten Wellenlänge λ1, ein Fokus F_λ2 Licht einer Wellenlänge λ2 und Fokus F_λ3 für Licht einer Wellenlänge λ3.
• Es ist möglich, dass der multichromatische Lichtstrahl 38 ein Linienspektrum aufweist, bei dem nur wenige Wellenlängen mit signifikanter Intensität vertreten sind. Es ist aber auch möglich, dass der multichromatische Lichtstrahl 38 ein kontinuierliches oder quasi-kontinuierliches Spektrum aufweist. Am besten geeignet ist aber eine spektrale Intensitätsmessung, bei der die Lage (Wellenlänge) des höchsten Peaks gemessen wird.
• Der Lichtwellenleiter 26 und das optische Element 40 sind so angeordnet, dass der Lichtstrahl 38 auf den Reflektor 36 fällt, wobei ein Fokus, im vorliegenden Fall F_λ1, in unmittelbarer Umgebung des Reflektors 36 oder direkt auf dem Reflektor 36 liegt. Der Reflektor 36 ist so angeordnet, dass er den Lichtstrahl 38 zurück auf das optische Element 40 und damit zurück in den Lichtwellenleiter 26 reflektiert. 1 zeigt, dass ein so entstandener reflektierter Lichtstrahl 42, der durch einen Pfeil symbolisiert wird, im Faserkoppler 18 zumindest teilweise abgetrennt und an das Spektrometer 22 geleitet wird, wo er dann analysiert wird.
• Der Reflektor 36 ist so am Verformungskörper 30 angeordnet, dass eine in einer Kraftrichtung

  

  wirkende Kraft F →₁ oder ein dort angreifendes Moment, die in einer Umgebung des Reflektors 36 auf die Außenfläche 34 wirkt, zu einer Bewegung des Reflektors 36 in Richtung des optischen Elementes führt. Daraufhin verändert sich das am Messausgang 25 zu messende Spektrum 24 (vgl. 1) des reflektierten Lichtstrahls 42, weil nicht mehr Licht der Wellenlänge λ1 optimal in den Lichtwellenleiter 26 zurückreflektiert wird, sondern beispielsweise Licht der Wellenlänge λ2. Der Anteil der Wellenlänge λ2 im Spektrum nimmt daher zu, der Anteil der Wellenlänge λ1 ab. Dadurch verschiebt sich auch der Peak maximaler Intensität, dessen Wellenlänge detektiert wird.
• Ein Messbereich des Kraftsensor ergibt sich aus denjenigen Kräften F →, bei denen der Reflektor 36 sich innerhalb eines Akzeptanzintervalls 44 bewegt. Das Akzeptanzintervall 44 ist der Bereich zwischen den beiden extrem liegenden Foki, im vorliegenden Fall F_λ2 und F_λ3. Das Akzeptanzintervall 44 kann beispielsweise bei weniger als einem Millimeter liegen.
• Mittels einer Verbindungsvorrichtung 45 in Form eines Gewindes können beispielsweise chirurgische Instrumente wie ein Skalpell am Verformungskörper 30 befestigt werden. Auf das chirurgische Instrument wirkende Kräfte können so gemessen werden, da sie über den Verformungskörper zu Bewegungen der Reflektoren führen.
• 2b zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftsensor 10, bei dem das optische Element 40 in Form einer Linse an einem Ende des Lichtwellenleiters 26 angeformt ist. Die Linse kann beispielsweise mittels Laser hergestellt werden.
• 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftsensor 10, der einen zweiten Reflektor 46 aufweist, der so am Verformungskörper 30 angeordnet ist, dass er einen aus dem Innenbereich 32 kommenden zweiten Lichtstrahl 48 zurück reflektiert. Der zweite Lichtstrahl 48 schließt mit dem ersten Lichtstrahl 38 einen Winkel α von im vorliegenden Fall 90° ein.
• Eine in einer zweiten Kraftrichtung

  

  wirkende Kraft F →₂ führt zu einer Bewegung des zweiten Reflektors 46 relativ zum optischen Element 40, so dass, wie oben beschrieben, aus dem sich verändernden Spektrum auf die Kraft F₂ geschlossen werden kann.
• Der Kraftsensor 10 umfasst zum Umlenken des Lichts eine Umlenkvorrichtung 50, die im vorliegenden Fall durch einen Strahlteiler gebildet ist, so dass ein Teil des aus dem Lichtwellenleiter 26 ausfallenden Lichtstrahls auf den zweiten Reflektor 46 umgeleitet wird.
• 4 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem zweiten Lichtwellenleiter 52 und einem dritten Lichtwellenleiter 54, wobei die Umlenkvorrichtung 50 den zweiten Lichtwellenleiter 52 zugeordnet ist und der dritte Lichtwellenleiter 54 eine zweite Umlenkvorrichtung 56 aufweist. Die zweite Umlenkvorrichtung 56 lenkt einen dritten Lichtstrahl 58 auf einen dritten Reflektor 60, so dass über jeweilige, mit den Lichtwellenleitern 26, 52, 54 verbundene Spektrometer die Kräfte F →₁, F →₂ und F →₃ gemessen werden können. Es reicht allerdings auch ein Spektrometer mit einer Multiplex-Einheit.
• Bezugszeichenliste

10

Kraftsensor

12

Kraftmessvorrichtung

14

Lichtquelle

16

optische Faser

18

Faserkoppler

20

optische Faser

22

Spektrometer

24

Spektrum

25

Messausgang

26

Lichtwellenleiter

28

elektrische Auswerteeinheit

30

Verformungskörper

32

Innenbereich

34

Außenfläche

36

Reflektor

38

Lichtstrahl

40

optisches Element

42

reflektierter Lichtstrahl

44

Akzeptanzintervall

46

zweiter Reflektor

48

zweiter Lichtstrahl

49

zweiter reflektierter Lichtstrahl

50

Umlenkvorrichtung

52

zweiter Lichtwellenleiter

54

dritter Lichtwellenleiter

56

zweite Umlenkvorrichtung

58

dritter Lichtstrahl

60

dritter Reflektor

α

Winkel

λ

Wellenlänge

F →

Messkraft

R →

Kraftrichtung

Claims (10)

1. Optischer Kraftsensor mit (a) einem Verformungskörper (30), (b) einem Lichtwellenleiter (26), (c) einem Reflektor (36), der so am Verformungskörper (30) angeordnet ist, dass – ein aus dem Lichtwellenleiter (26) kommender Lichtstrahl (38) reflektiert wird und – eine auf dem Verformungskörper (30) wirkende Messkraft (F →) oder ein Moment (M →) zu einer Bewegung des Reflektors (36) führt, (d) wobei der Lichtwellenleiter (26) angeordnet ist zum Leiten eines multichromatischen Lichtstrahls (38) auf den Reflektor (36), so dass ein reflektierter Lichtstrahl (42) entsteht, der zumindest teilweise in den Lichtwellenleiter (26) zurückläuft, so dass der reflektierte Lichtstrahl (42) zu einem Messausgang des Lichtwellenleiters (26) leitbar ist, und (e) einem optischen Element (40), das eine chromatische Aberration bewirkt und so angeordnet ist, dass vom Lichtwellenleiter (26) kommendes Licht so auf den Reflektor (36) fokussiert wird, dass sich ein Spektrum (24) des reflektierten Lichtstrahls (42) am Messausgang in Abhängigkeit einer Reflektor-Position des Reflektors (36) relativ zum optischen Element (40) ändert.
2. Kraftsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (30) einstückig aufgebaut ist oder zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Segmente aufweist.
3. Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (30) von den übrigen Komponenten des Kraftsensors (10) abkoppelbar ausgestaltet ist.
4. Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (40) so ausgebildet und angeordnet ist, dass – Licht einer ersten Wellenlänge (λ1) auf den Reflektor (36) fokussiert wird, wenn keine Messkraft (F →) oder Moment am Verformungskörper (30) anliegt und – Licht einer von der ersten Wellenlänge (λ1) verschiedenen, zweiten Wellenlänge (λ2) auf den Reflektor (36) fokussiert wird, wenn eine von null verschiedene Messkraft (F →) oder Moment anliegt.
5. Kraftsensor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Innenbereich (32) mit einem Fluid gefüllt ist und – der Reflektor (36) und der Lichtwellenleiter (26) so angeordnet sind, dass der Lichtstrahl (38) zwischen optischem Element (40) und dem Reflektor (36) durch das Fluid verläuft.
6. Kraftsensor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Variation einer Steifigkeit des Verformungskörpers, insbesondere eine Druckvariationsvorrichtung zum Variieren eines Fluiddrucks des Fluids im Verformungskörper, insbesondere in Kammern des Verformungskörpers.
7. Kraftsensor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch (e) einen zweiten Reflektor (46), der so an dem Verformungskörper (30) angeordnet ist, dass – ein vom Lichtwellenleiter (26) kommender zweiter Lichtstrahl (48) reflektiert wird und – eine zweite auf den Verformungskörper (30) wirkende Messkraft (F →₂) zu einer Bewegung des zweiten Reflektors (46) führt, und (f) eine Umlenkvorrichtung (50) zum zumindest teilweisen Umlenken des aus dem Lichtwellenleiter (26) kommenden Lichtstrahls (48) zumindest teilweise zum zweiten Reflektor (46), wobei die Umlenkvorrichtung (50) so angeordnet ist, dass durch Reflexion am zweiten Reflektor (46) ein zweiter reflektierter Lichtstrahl (49) entsteht, der zumindest teilweise so in den Lichtwellenleiter (26) einfällt, dass der zweite reflektierte Lichtstrahl (49) zu einem Messausgang des Lichtwellenleiters (26) geleitet wird.
8. Kraftsensor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (50, 56) so ausgebildet ist, dass sich ein zweites Spektrum (24.2) des zweiten Lichtstrahls (48) von einem ersten Spektrum (24.1) des ersten Lichtstrahls (38) unterscheidet.
9. Kraftsensor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch (a) zumindest einen zweiten Reflektor (46), der so am Verformungskörper (30) angeordnet ist, dass – ein vom Lichtwellenleiter (26) kommender zweiter Lichtstrahl (48) reflektiert wird und – eine zweite auf die Außenfläche (34) wirkende Messkraft (F →₂) zu einer Bewegung des Reflektors (36) führt, wobei insbesondere die zweite Messkraft mit der ersten Messkraft einen Winkel (α) von zumindest 30° einschließt, (b) zumindest einen zweiten Lichtwellenleiter (52), der angeordnet ist zum Leiten eines zweiten multichromatischen Lichtstrahls (48) auf den zumindest einen zweiten Reflektor (46), so dass ein zweiter reflektierter Lichtstrahl entsteht, der zumindest teilweise auf den zweiten Lichtwellenleiter (52) fällt, so dass der reflektierte zweite Lichtstrahl (48) zu einem zweiten Messausgang des zweiten Lichtwellenleiters (52) leitbar ist, und (c) ein zweites optisches Element, das eine chromatische Aberration bewirkt und so angeordnet ist, so dass sich ein Spektrum (24) des reflektierten zweiten Lichtstrahls (48) am Messausgang in Abhängigkeit einer zweiten Reflektor-Position des zweiten Reflektors (46) ändert.
10. Kraftmessvorrichtung (12) mit (i) einem optischen Kraftsensor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, (ii) einer multichromatischen Lichtquelle (14), die mit dem Lichtwellenleiter (26) zum Einspeisen des multichromatischen Lichtstrahls (38) verbunden ist, (iii) einem Spektrometer (22), das mit dem Messausgang des Lichtwellenleiters (26) zum Messen des Spektrums (24) des reflektierten Lichtstrahls (42) verbunden ist und (iv) einer elektrischen Auswerteeinheit (28), die eingerichtet ist zum automatischen Ermitteln der Messkraft aus dem Spektrum (24).

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