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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur ortsauflösenden Erfassung von zumindest einer Einwirkung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, ein System sowie auf Verwendungen des Sensors.
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Aus dem Stand der Technik sind flächige und ortsauflösende Sensoren, wie für die Robotik oder für die Prothetik, bekannt. Entsprechende Sensoren können bspw. als elektrische Sensoren ausgeführt sein, für welche eine Vielzahl einzelner Sensorelemente zu einem einzelnen ortsauflösenden Sensor zusammengefasst werden. Dies bringt allerdings einen sehr hohen Verdrahtungsaufwand mit sich. Weiter sind hierbei auch die möglichen Formen und/oder Materialeigenschaften des Sensors deutlich beschränkt, insbesondere in Abhängigkeit von dem verwendeten Wirkprinzip (z. B. bei einem Einsatz von Dünnfilmtransistoren oder piezoresistiven Schichten).
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Photonische Sensoren weisen hinsichtlich der Form und/oder des Materials teilweise bessere Eigenschaften auf. Je nach Aufbau des Sensors gibt es allerdings unterschiedliche Probleme, z. B. ist oft eine Auswertung der Einwirkung in Bezug auf den konkreten Ort der Einwirkung auf den Sensor nur eingeschränkt möglich. Auch eine Unterscheidung verschiedener Einflussarten ist teilweise nur beschränkt durchführbar, so dass bspw. Verformungen oft nur schlecht von Temperaturänderungen unterschieden werden können.
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Eine Schwierigkeit bei photonischen Sensoren mit Resonatoren ist die aufwändige Erfassung des Ortes der Einwirkung am Sensor, da ein oder mehrere Ausgangssignale des Sensors, wie von den Resonatoren ausgestrahlte Lichtsignale bzw. Resonanzsignale, selbst keine Ortsinformation tragen. So kann bspw. ein flächiger CCD-Detektor genutzt werden, um mehrere Ausgangssignale an unterschiedlichen Orten des photonischen Sensors zu überwachen. Wird an einem dieser Orte eine Veränderung des Ausgangssignals festgestellt, so weist dies auf eine Einwirkung an diesem Ort des Sensors hin. Auf diese Weise ist eine ortsauflösende Erfassung der Einwirkung möglich, welche jedoch einen aufwendigen Detektor und Aufbau des Sensors mit sich bringt.
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Mit anderen Worten kann hierbei der Ort der Einwirkung anhand der Position bzw. des Ortes des Ausgangssignals am Sensor, jedoch nicht durch eine Auswertung der Informationen des Ausgangssignals selbst erfasst werden. Wie zuvor beschrieben kann bspw. bei einer Einwirkung an einem bestimmten Ort des photonischen Sensors eine Veränderung des Ausgangssignals an diesem Ort beobachtet werden. Die Position des veränderten Ausgangssignals lässt somit Rückschlüsse auf den Ort der Einwirkung zu, wobei jedoch das Ausgangssignal selbst keine Informationen über den konkreten Ort enthält. Zur ortsauflösenden Erfassung von derartigen Einwirkungen ist daher ein aufwendiger und komplexer Aufbau des Detektors am Sensor, des Sensors und/oder des Sensorsystems notwendig. Der Detektor muss dabei häufig derart angeordnet und/oder ausgestaltet sein, dass neben der Möglichkeit, eine Veränderung des Ausgangssignals zu erfassen, auch die Möglichkeit zur zwei- oder dreidimensionalen Positionserkennung des veränderten Ausgangssignals gewährleistet sein muss. Der Detektor muss sich bspw. flächig oder über den zu erfassenden Bereich am Sensor erstrecken. Die Erstreckung und/oder Ausbildung und/oder Anordnung des Detektors bestimmt damit die Ortsauflösung. Hierdurch steigen die Komplexität des Gesamtsystems, der Herstellungsaufwand sowie die Produktionskosten. Auch ist die Ausbildung, z. B. die Form, des Sensors, hierdurch stark eingeschränkt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Herstellungs- und/oder Verdrahtungsaufwand von Sensoren zur ortsauflösenden Erfassung von zumindest einer Einwirkung auf den Sensor zu verringern. Weiter soll insbesondere der Herstellungsprozess vereinfacht werden und/oder die Formbarkeit des Sensors verbessert werden. Auch soll vorzugsweise die Erfassung und/oder Auswertung des Sensors verbessert werden, wobei insbesondere die Ortsauflösung und/oder die Empfindlichkeit erhöht und/oder skalierbar ausgestaltet werden soll.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6, ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 13, eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensor beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen System sowie den erfindungsgemäßen Verwendungen, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch einen Sensor zur ortsauflösenden Erfassung von zumindest einer Einwirkung auf den Sensor, mit einem Verbund, in welchem zumindest ein Resonator und/oder (mehrere) Resonatoren, insbesondere mit jeweils unterschiedlichen Resonanzeigenschaften, insbesondere ortsfest, eingebettet sind, so dass durch die (jeweiligen) Resonatoren, insbesondere bei einer außerhalb des Sensors initiierbaren Anregung, jeweils mindestens ein unterschiedliches (insbesondere für unterschiedlich ausgebildete Resonatoren) Resonanzsignal erzeugbar ist. Vorzugsweise ist hierbei die Anregung von einer (räumlich) außerhalb des Sensors vorgesehenen Anregungsquelle (z. B. Lichtquelle) initiierbar, beispielsweise durch ein Erzeugen und/oder Emittieren und/oder Bereitstellen und/oder Anwenden einer Anregungseinwirkung (z. B. eines Lichtstrahls bzw. einer Lichtwelle) auf den Sensor. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Resonatoren im Verbund (zumindest teilweise) benachbart angeordnet sind, wodurch die erzeugten Resonanzsignale (vorzugsweise zusammengefasst und/oder summiert) als mindestens ein (insbesondere ein einziges) Ausgangssignal des Sensors ausgebbar sind, und das ausgegebene Ausgangssignal durch eine Detektionsvorrichtung, beispielsweise außerhalb des Sensors (d. h. bspw. räumlich außerhalb des Sensors angeordnet), erfassbar ist. Vorzugsweise unterscheiden sich die Resonanzeigenschaften der Resonatoren dabei derart, dass eine Ortsinformation der Einwirkung anhand eines Auswertungsergebnisses einer Auswertung des erfassten Ausgangssignals ermittelbar ist. Mit anderen Worten kann das Ausgangssignal selbst inhärent Informationen über den konkreten Ort der Einwirkung (Einwirkungsort) am Sensor und damit über die Ortsinformation der Einwirkung aufweisen, wobei insbesondere eine Information über die Position des Ausgangssignals am Sensor separat von den inhärenten Informationen des Ausgangssignals ist und damit nicht zwingend zur Ermittlung der Ortsinformation herangezogen werden muss. Es kann bspw. möglich sein, dass die Information über die Position des Ausgangssignals, d. h. der Ort der Einwirkung auf den Sensor, an welchem das Ausgangssignal detektiert wird, nur zur Verbesserung der Ortsinformation der Einwirkung und/oder als Referenz für die Bestimmung der Ortsinformation genutzt wird. Insbesondere wird die Information über die Position des Ausgangssignals jedoch nicht als ausschließliche für die Ortsinformation spezifische Information genutzt. Somit kann vorteilhafterweise die Auswertung des Sensors deutlich vereinfacht werden. Auch wird bspw. der Herstellungsaufwand des Sensors vermindert und die Möglichkeiten zum Einsatz des Sensors verbessert.
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Das Ausgangssignal umfasst vorzugsweise ein Wellensignal und/oder Lichtsignal und/oder (insbesondere mindestens) ein Signal mit Wellencharakter, bspw. eine elektromagnetische oder eine akustische Welle. Das Ausgangssignal enthält und/oder trägt dabei bevorzugt Informationen, wie die Ortsinformationen, über den Ort der Einwirkung und/oder über die Art der Einwirkung (auf den jeweiligen Resonatoren). Die Ortsinformation umfasst z. B. Informationen über den Ort der Einwirkung und/oder mehrerer Einwirkungen und/oder sämtlicher erfassbarer Einwirkungen auf den Sensor. Die Ortsinformation kann dabei bspw. zumindest teilweise aus einem Merkmal im Spektrum des Ausgangssignals hervorgehen, z. B. durch die Auswertung des Ausgangssignals. Der Sensor ist bevorzugt als optischer und/oder photonischer Sensor ausgeführt. Somit wird der Vorteil erzielt, dass der Verdrahtungsaufwand für eine Elektronik verringert und/oder vermieden werden kann. Der Verbund des Sensors ist bspw. als dreidimensionale Matrix ausgeführt. Die insbesondere definierte Anordnung der Resonatoren im Verbund ermöglicht dabei vorzugsweise eine flexible Formgestaltung des Sensors. Weiter ist es denkbar, dass die Ortsauflösung des erfindungsgemäßen Sensors zur Erfassung der Einwirkungen nicht (ausschließlich) durch die (räumliche) Ausbildung und/oder Erstreckung und/oder Anordnung der Detektionsvorrichtung am Sensor bestimmt wird, sondern vorranging durch die Auswertung des Ausgangssignals und/oder Ausbildung der Resonatoren und/oder der spektralen Auflösung der Detektionsvorrichtung.
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Die Anregung wird vorzugsweise außerhalb des Sensors initiiert, bspw. durch eine Anregungsquelle, bevorzugt durch eine optische und/oder akustische Anregungs- und/oder Energiequelle, besonders bevorzugt durch eine Lichtquelle wie einen Laser. Die Anregungsquelle ist bevorzugt außerhalb des Sensors angeordnet. Hierunter wird insbesondere auch verstanden, dass die Anregungsquelle mit dem Sensor verbunden sein kann. „Außerhalb“ bezieht sich damit vorzugsweise räumlich auf den Verbund mit den Resonatoren. Weiter bezieht sich „außerhalb des Sensors initiierbar“ vorzugsweise darauf, dass die Anregung von außerhalb des Sensors automatisch und/oder manuell und/oder in sonstiger Weise initiiert wird, bspw. durch den (manuellen oder automatischen) Betrieb der Anregungsquelle und/oder durch eine (natürliche oder künstliche) Einbringung von Energie wie Strahlung auf den Sensor. Durch die Anregungsquelle wird dabei zur Initiierung der Anregung vorzugsweise eine Anregungseinwirkung, wie bspw. ein Lichtstrahl und/oder ein akustischer Schall und/oder elektromagnetische Wellen, ausgegeben und/oder auf den Sensor gerichtet. Die Anregungseinwirkung, vorzugsweise als Energieeinwirkung, bewirkt dabei bevorzugt die Anregung der insbesondere ortsfesten Resonatoren. Es ist weiter denkbar, dass die Anregungseinwirkung zumindest eine der ortsaufgelöst zu erfassenden Einwirkungen (also die Messgröße des Sensors) bildet. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine elektromagnetische Strahlung und/oder Wärmestrahlung als Einwirkung erfasst werden soll. Zusätzlich oder alternativ zu dieser Anregungswirkung kann die zu erfassende Einwirkung bspw. auch die Resonanzeigenschaften der Resonatoren beeinflussen. Die Anregung kann dabei z. B. ausschließlich durch die Anregungseinwirkung als die zu erfassende Einwirkung initiiert werden (dies ist z. B. der Fall, wenn die Frequenz einer Laserstrahlung als Einwirkung auf den Sensor durch den Sensor erfasst werden soll). Es kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich zur ortsaufgelöst zu erfassenden (Anregungs-)Einwirkung noch eine weitere (manuell) initiierbare Anregung durch eine maschinelle und/oder elektrische Anregungsquelle vorgesehen ist. Weiter kann es auch vorgesehen sein, dass die ortsaufgelöst zu erfassende Einwirkung auf den Sensor von der Anregungseinwirkung vollständig abzugrenzen ist, und somit die initiierbare Anregung und/oder die Anregungseinwirkung auf den Sensor unabhängig von der ortsaufgelöst zu erfassenden Einwirkung auf den Sensor vorgesehen ist. Dies ist beispielsweise bei mechanischen Einwirkungen denkbar, aber auch ggf. bei Strahlungseinwirkungen oder dergleichen als ortsaufgelöst zu erfassende Einwirkung. Insbesondere kann durch die Einwirkung auf den Sensor in Abhängigkeit vom Ort und/oder der Art der Einwirkung die Resonanz der Resonatoren an dem Ort der Einwirkung verändert werden. Insbesondere können hierdurch abhängig von der Einwirkung unterschiedliche Resonanzsignale erzeugt werden. Erfindungsgemäß kann es dabei vorgesehen sein, dass die Resonanzsignale nicht einzeln sondern in kombinierter Weise als Ausgangssignal erfasst werden. Vorzugsweise ist eine, z. B. digitale, Verarbeitung des Ausgangssignals notwendig, um die jeweilige Auswirkung der einzelnen Resonanzsignale auf das (gesamte) Ausgangssignal durch die Auswertung zu bestimmen, d. h. insbesondere zu schätzen und/oder numerisch zu berechnen. Insbesondere indiziert dabei die jeweilige Auswirkung der einzelnen Resonanzsignale den Ort und/oder die Art der Einwirkung, sodass eine zuverlässige und vereinfachte ortsauflösende Erfassung möglich ist.
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Es ist ferner denkbar, dass die Resonatoren als Mikroresonatoren ausgeführt sind, wobei die Resonatoren durch die benachbarte Anordnung im Verbund bspw. als Mikroresonator-Array angeordnet sind. Die einzelnen Resonatoren weisen dabei bevorzugt einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 10 bis 200 µm auf. Die Dichte, insbesondere die optische und/oder mechanische Dichte, der (und/oder innerhalb der) Resonatoren bzw. des Resonator-Körpers ist dabei beispielsweise höher als die Dichte der umgebenden Matrix.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass der Verbund mit den (insbesondere ortsfest eingebundenen) Resonatoren eine ein- und/oder zwei- und/oder mehr-flächige und/oder dreidimensionale Erstreckung aufweist, die derart einen Erfassungsbereich für die Einwirkung bildet, dass durch mindestens eine erste Einwirkung an einem ersten Ort des Sensors mindestens erste Resonatoren am ersten Ort beeinflussbar sind, und durch mindestens eine zweite Einwirkung an einem zweiten Ort des Sensors mindestens zweite Resonatoren am zweiten Ort beeinflussbar sind, so dass bei einer ersten Einwirkung eine für den ersten Ort spezifische erste Ortsinformation und bei einer zweiten Einwirkung eine für den zweiten Ort spezifische zweite Ortsinformation ermittelbar ist. Spezifisch bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass anhand der Ortsinformation der Ort der Einwirkung mit einer bestimmten Genauigkeit und/oder Auflösung bestimmt werden kann und/oder (z. B. durch einen Vergleich der ersten Ortsinformation mit der zweiten Ortsinformation) der erste Ort von dem zweiten Ort abgegrenzt werden kann. Insbesondere unterscheiden sich die Resonanzeigenschaften der ersten Resonatoren von den Resonanzeigenschaften der zweiten Resonatoren. Vorzugsweise bewirken dabei die unterschiedlichen Resonanzeigenschaften die Erzeugung von unterschiedlichen und/oder unterscheidbaren Resonanzsignalen der jeweiligen Resonatoren. Somit ist es vorzugsweise denkbar, dass die ersten Resonatoren durch die Anregung ein erstes Resonanzsignal in Abhängigkeit von ersten Resonanzeigenschaften der ersten Resonatoren und/oder in Abhängigkeit von der ersten Einwirkung erzeugen. Bevorzugt ist es möglich, dass die zweiten Resonatoren durch die Anregung in Abhängigkeit von zweiten Resonanzeigenschaften der zweiten Resonatoren und/oder in Abhängigkeit von der zweiten Einwirkung ein zweites Resonanzsignal erzeugen. Dabei unterscheidet sich bspw. das erste Resonanzsignal von dem zweiten Resonanzsignal, wenn sich die Art und/oder der Ort der Einwirkungen unterscheiden. Anschließend kann es vorgesehen sein, dass sich (bspw. aufgrund der Ausgestaltung und/oder Geometrie und/oder entsprechenden Anordnungen der Anregungsquelle und/oder Detektionsvorrichtung relativ zum Sensor) die Resonanzsignale, insbesondere das erste und zweite Resonanzsignal und/oder weitere Resonanzsignale von weiteren Resonatoren, als ein (z. B. überlagertes und/oder summiertes und/oder einziges) Ausgangssignal des Sensors ausgegeben werden. Bspw. entsteht das Ausgangssignal zumindest teilweise dadurch, dass sich die erzeugten Resonanzsignale, z. B. das erste und/oder das zweite und/oder weitere Resonanzsignale, zumindest teilweise überlagern. Dies wird bspw. dadurch erzielt, dass der Verbund eine leitende, insbesondere lichtleitende, Eigenschaft für die Anregungseinwirkung und/oder die Resonanzsignale aufweist. Entsprechend ist es möglich, dass sich die spektralen Merkmale und/oder das Spektrum des Ausgangssignals in Abhängigkeit von den spektralen Merkmalen der einzelnen Resonanzsignale und/oder der jeweiligen Einwirkung und/oder der Orte der Einwirkungen verändert. Anhand der Auswertung des erfassten Ausgangssignals ist es daher möglich, die Ortsinformation der Einwirkung zu ermitteln. Die Ortsinformation umfasst dabei vorzugsweise die Position und/oder den Ort der Einwirkung (auf die Resonatoren des erfindungsgemäßen Sensors), bevorzugt mit einer gewissen Toleranz bzw. lediglich als Schätzung des Ortes bzw. der Position. Somit wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass durch eine Auswertung von nur einem (einzigen) Ausgangssignal, welches insbesondere an nur einer (einzigen) Position am Sensor erfasst wird, verschiedene Orte der Einwirkung zu unterscheiden.
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Ein weiterer Vorteil im Rahmen der Erfindung ist erzielbar, wenn die Resonatoren sich zumindest dadurch in ihrer Resonanzeigenschaft unterscheiden, dass die Resonatoren jeweils unterschiedliche Geometrien und/oder Materialeigenschaften und/oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wodurch vorzugsweise unterschiedliche Strukturresonanzen erzeugbar sind. Die unterschiedlichen Materialeigenschaften können bspw. unterschiedliche Brechungsindizes der Resonatoren sein. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass sich die Resonatoren derart voneinander unterscheiden, dass bei der (gleichen) Anregung der Resonatoren jeweils unterschiedliche Resonanzsignale erzeugt werden. Der Unterschied der Resonanzsignale liegt dabei bspw. in einer spektralen Eigenschaft und/oder einem spektralen Merkmal der jeweiligen Resonanzsignale. Vorzugsweise muss das Ausmaß der Unterschiede für unterschiedliche Resonatoren derart signifikant sein, dass der Unterschied durch die Detektionsvorrichtung detektierbar und/oder unterscheidbar ist. Bspw. werden zur Herstellung des Sensors die Resonatoren als Partikel mit insbesondere bekannter Eigenschaftsverteilung in einen noch flüssigen Matrixpräkursor gemischt und/oder vermischt. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine hohe Diversität der Resonanz-Signaturen im Ausgangssignal sichergestellt werden.
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Von weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Resonatoren sich zumindest dadurch unterscheiden, dass die Resonatoren jeweils unterschiedliche fluoreszierende Stoffe, insbesondere Fluoreszenzfarbstoffe und/oder Quantumdots, aufweisen. Insbesondere haben die fluoreszierenden Stoffe wiederum Auswirkungen auf die Resonanzeigenschaften der Resonatoren und/oder auf die Auswertung der Resonanzeigenschaften der Resonatoren bzw. des Ausgangssignals und können daher zu einer Kontraststeigerung für die Auswertung des Ausgangssignals führen. Vorzugsweise haben die unterschiedlichen fluoreszierenden Stoffe dabei jeweils unterschiedliche Einwirkungen auf die Resonanz und/oder Resonanzeigenschaften der jeweiligen Resonatoren und/oder auf das Spektrum der jeweiligen Resonanzsignale. Weiter ist es denkbar, dass die unterschiedlichen fluoreszierenden Stoffe jeweils das Resonanzsignal der jeweiligen Resonatoren (welche die Stoffe aufweisen) derart beeinflussen und/oder bilden, dass durch die Stoffe selbst ein Lichtsignal, insbesondere eine elektromagnetische Welle, bei Anregung emittiert wird. Dieses Lichtsignal weist insbesondere ein Spektrum auf, welches sich vom Spektrum der Resonanzsignale von den jeweiligen Resonatoren ohne diese fluoreszierenden Stoffe unterscheidet. Bspw. können als fluoreszierende Stoffe Farbstoffe, wie Rhodamin 6G, zum Einsatz kommen.
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Ferner ist es denkbar, dass der Verbund als eine Matrixverbindung, insbesondere eine Silikonmatrix oder dergleichen, ausgeführt ist. Die Resonatoren bilden dabei bspw. als Partikel in dem Verbund ein (Mikro-)Resonatorarray, wobei die Resonatoren in diesem Array zumindest teilweise jeweils voneinander unterschiedliche Resonanzeigenschaften aufweisen. Die Verteilung der Resonatoren im Verbund erfolgt bspw. derart, dass für Einwirkungen an unterschiedlichen Orten des Sensors, d. h. insbesondere in einem Erfassungsbereich des Sensors, unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt werden. Somit ist eine zuverlässige Ermittlung der Ortsinformationen möglich. Weiter ist es denkbar, dass der Verbund als ein Lichtleiter, insbesondere für die Anregungseinwirkung, ausgebildet ist. So kann beispielsweise die Anregungseinwirkung an insbesondere einer Position am erfindungsgemäßen Sensor eintreffen und aufgrund Lichtleitereigenschaft des Sensors zur Anregung der Resonatoren durch den Sensor geleitet werden. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Anregungseinwirkung an wenigstens einer Position aus dem Sensor austritt und sich beispielsweise mit den Resonanzsignalen und/oder dem Ausgangssignal überlagert und/oder dieses bildet.
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Weiter kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Resonatoren ortsfest im Verbund angeordnet sind und/oder dass der Verbund ein intelligentes Material bildet. Als intelligentes Material kann insbesondere das Material eines gewünschten Produkts selbst den Sensor bilden. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor für ein Produkt, wie bspw. eine Prothese und/oder ein Handschuh, verwendet werden kann und dabei insbesondere selbst das Material für dieses Produkt bildet.
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Es ist zudem bspw. möglich, dass der Sensor und/oder der Verbund in einem Präkursor-Zustand plastisch verformbar oder flüssig ausgebildet ist, so dass vorzugsweise der Präkursor des Sensors und/oder des Verbunds extrudierbar und/oder spritzgießbar ausgeführt ist. Weitere Möglichkeiten zur Fertigung sind bspw. ein Beschichten, ein Gießen und/oder ein Freiformen. Dies ermöglicht eine vielseitige und flexible Einsetzbarkeit des Sensors, wobei eine Vielzahl an Formen des Sensors herstellbar ist.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass der Sensor derart ausgeführt ist, und vorzugsweise an mindestens einer oder sämtlichen Außenflächen ein derart angepasstes Material aufweist, dass eine interne Totalreflexion ermöglicht ist. Es ist weiter denkbar, dass das Material eine Beschichtung und/oder eine Anpassung des Brechungsindex aufweist, um vorzugsweise eine Lichtführung innerhalb des Sensors zu ermöglichen. Weiter kann es vorgesehen sein, dass ein Umgebungsmedium des Sensors derart ausgeführt ist, dass aufgrund des Brechungsindexunterschieds die Totalreflexion ermöglicht wird und/oder ein Leistungsverlust minimiert bzw. reduziert wird. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige Anregungsquelle mit reduzierter Ausgangsleistung eingesetzt werden kann.
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Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Resonatoren als elektromagnetische und/oder optische und/oder akustische Resonatoren, vorzugsweise als sphärische Resonatoren, ausgebildet sind, wobei vorzugsweise eine optische und/oder mechanische Dichte innerhalb der Resonatoren höher ist als die optische und/oder mechanische Dichte außerhalb der Resonatoren, vorzugsweise einer umgebenden Matrix. Die umgebende Matrix ist dabei insbesondere eine Umgebung und/oder der umgebende Verbund um die Resonatoren. Insbesondere werden dabei die Resonanzeigenschaften dadurch beeinflusst und/oder zumindest teilweise hervorgerufen, dass die optische und/oder mechanische Dichte innerhalb des jeweiligen Resonators höher ist als die optische und/oder mechanische Dichte der umgebenden Matrix. Somit kann eine zuverlässige Detektion und Ermittlung der Ortsinformation durch den Sensor erzielt werden.
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Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass der Sensor frei von elektrischen Stromkreisen und/oder Bauelementen und/oder Leitungen, und/oder vollständig photonisch und/oder optisch ausgeführt ist. Weiter kann es möglich sein, dass der Sensor alternativ oder zusätzlich (insbesondere lediglich) eine integrierte Messelektronik aufweist. Somit kann der Produktionsaufwand für den Sensor deutlich reduziert werden.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Resonatoren zumindest teilweise als WGM-Resonatoren ausgeführt sind. „WGM“ bezeichnet dabei die so genannten whispering gallery modes bzw. Flüstergalleriemodi. Eine solche WGM kann bspw. dadurch erzeugt werden, dass der Resonator (als Partikel) eine sphärische Struktur aufweist, dessen Brechungsindex größer ist als der des umgebenden Mediums. Dies bewirkt insbesondere eine interne Totalreflexion. Nun wird insbesondere der Resonator dadurch zur Anregung gebracht, dass eine elektromagnetische Welle in den Resonator eingebracht wird. Diese Welle wird an den Grenzflächen des Resonators reflektiert und es kommt zu einer konstruktiven Interferenz und Verstärkung des Signals bei geometrisch bedingten Resonanzfrequenzen. Vorzugsweise kommt es dabei zu einer erheblichen Überhöhung der Lichtintensität im Inneren des Resonators, wenn die einfallende Wellenlänge der eingebrachten Welle mit einer Eigenfrequenz des Resonators übereinstimmt. Da die beobachten Resonanzen und/oder Resonanzeigenschaften der Resonatoren (auch) abhängig von der (zu erfassenden) Einwirkung auf die Resonatoren sind, können unterschiedliche Einwirkungen differenziert und/oder ortsaufgelöst erfasst werden.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur ortsauflösenden Erfassung von zumindest einer Einwirkung auf einen Sensor. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass der Sensor einen Verbund aufweist, in welchem Resonatoren, insbesondere mit jeweils unterschiedlichen Resonanzeigenschaften, insbesondere ortsfest, eingebettet sind, sodass durch die Resonatoren bei einer insbesondere außerhalb des Sensors initiierbaren Anregung jeweils ein unterschiedliches Resonanzsignal erzeugt wird. Vorzugsweise sind die Resonatoren im Verbund benachbart angeordnet, wodurch die erzeugten Resonanzsignale als ein (insbesondere einziges) Ausgangssignal des Sensors ausgegeben werden. Bevorzugt ist dabei zumindest einer der nachfolgenden Schritte vorgesehen, welche vorzugsweise nacheinander oder in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden:
- a) Anregen der Resonatoren durch eine Anregungsquelle, vorzugsweise durch eine Lichtquelle und/oder durch eine akustische Quelle, bevorzugt durch einen Laser und/oder durch zumindest eine Leuchtdiode,
- b) Erfassen des ausgegebenen Ausgangssignals durch eine Detektionsvorrichtung, vorzugsweise durch einen lichtsensitiven und/oder spektral auflösenden Detektor, wobei insbesondere die Detektionsvorrichtung zumindest eine Photodiode aufweist,
- c) Durchführen einer Auswertung des erfassten Ausgangssignals, wodurch ein Auswertungsergebnis mit einer Ortsinformation der Einwirkung bestimmt wird.
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Mit anderen Worten wird insbesondere anhand des Ausgangssignals und/oder anhand des Auswertungsergebnisses die Ortsinformation, d. h. insbesondere eine Information über einen Ort der Einwirkung am Sensor, bestimmt. Bevorzugt werden dabei die für die Ortsinformationen (d. h. insbesondere den Ort der Einwirkungen) signifikanten Veränderungen bzw. Informationen des Ausgangssignals dadurch bewirkt, dass die jeweiligen Einwirkungen (in gleicher oder unterschiedlicher Weise) an unterschiedlichen Orten des Sensors auf Resonatoren mit jeweils voneinander unterschiedlichen Resonanzeigenschaften einwirken. Vorzugsweise werden die für die Information über die Art der Einwirkungen signifikanten Veränderungen bzw. Informationen des Ausgangssignals dadurch bewirkt, dass die jeweiligen Einwirkungen in unterschiedlicher Weise (an gleichen oder unterschiedlichen Orten des Sensors) auf Resonatoren (mit jeweils voneinander unterschiedlichen Resonanzeigenschaften) einwirken. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Sensor beschrieben sind. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sein, einen erfindungsgemäßen Sensor zu betreiben.
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Ferner ist es denkbar, dass die Ortsinformation dadurch ermittelt wird, dass mindestens oder ausschließlich eine Intensitätsinformation und/oder Spektralinformation des Ausgangssignals mit einer Vorgabeinformation verglichen wird. Die Spektralinformation umfasst dabei z. B. spektrale Merkmale des Ausgangssignals. Insbesondere ist es hierbei erforderlich, dass die Ortsinformation anhand von Information des Ausgangssignals ermittelt wird, und nicht etwa alleine durch eine Auswertung der Position, an welcher das Ausgangssignal aus dem Sensor austritt. Mit anderen Worten können anhand der Ortsinformationen Orte der Einwirkung auf den Sensor ermittelt werden, welche über die Orte und/oder den Ort des Austretens und/oder Auftretens des Ausgangssignals am Sensor hinausgehen. Damit kann bspw. auf eine aufwändige Auswertung z. B. durch einen großflächig angeordneten Detektionssensor verzichtet werden. Entsprechend kann es vorgesehen sein, dass das erfasste Ausgangssignal gemäß Schritt b) räumlich zumindest teilweise spezifisch von der Ortsinformation ausgeführt ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Ortsinformation unabhängig von einer Erfassungskoordinate des Ausgangssignals bestimmt werden kann. Dennoch kann es vorgesehen sein, dass der Sensor zumindest einen oder mehrere optische Ausgangsports aufweist, an welchen das Ausgangssignal erfasst wird, wobei vorzugsweise zur Verbesserung und/oder Bestimmung der Ortsinformation die Position des Ausgangsports am Sensor zusätzlich mit herangezogen wird. Bevorzugt ist dabei der Ausgangsport ein Ort am erfindungsgemäßen Sensor, an welchem ein Ausgangssignal erfassbar und/oder messbar ist und/oder erfasst wird. Im engeren Sinne wird unter Ausgangsport bevorzugt verstanden, dass an den jeweiligen Ausgangsports Streulicht gesammelt werden kann, um die Performance des Sensors zu steigern. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass eine begrenzte Ortsassoziation des (Ausgangs-)Signals und/oder eine effizientere und/oder vervielfachte Streulichtsammlung erfolgt. Hierdurch kann z. B. der Vorteil erzielt werden, dass der Sensor großvoluminös bzw. großflächig ausgeführt sein kann. An den Ausgangsports soll bevorzugt das Streulicht effizient gesammelt werden. Dabei kann der Ausgangsport bspw. als ein stetiger Übergang in eine Faser ausgeführt sein, um so auch komplexere Ausbildungen des Sensors zu ermöglichen.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Resonatoren mit unterschiedlichen Resonanzeigenschaften zumindest teilweise zufällig im Verbund verteilt werden. Alternativ ist es auch denkbar, dass eine gezielte Einbringung der Resonatoren z. B. durch ein Inkjet-Druckverfahren erfolgt. Falls die Position und/oder die Resonanzeigenschaften der Resonatoren nicht bekannt und damit zufällig sind, wird bspw. eine Kalibrierung des erfindungsgemäßen Sensors genutzt, um anhand der unterschiedlichen Resonanzeigenschaften eine Ermittlung der Ortsinformationen durchführen zu können. Somit ist eine günstige und einfache Produktion des Sensors gewährleistet.
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Weiter ist es auch denkbar, dass die Resonatoren derart in den Verbund eingebettet werden, dass die Position der jeweiligen Resonatoren und/oder die jeweiligen Resonanzeigenschaften und/oder weitere Produktionsinformationen zumindest annähernd bekannt sind und/oder die Vorgabeinformation bei der Herstellung des Sensors bestimmt werden kann. Anhand dieser Produktionsinformationen des Sensors kann bspw. die Vorgabeinformation zumindest teilweise bestimmt werden. Somit kann auf eine aufwendige Kalibrierung verzichtet werden.
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Auch ist es optional denkbar, dass die (Art der) Einwirkung vorzugsweise eine Krafteinwirkung auf den Sensor und/oder eine mechanische Verschiebung am Sensor und/oder eine Temperaturveränderung am Sensor und/oder eine Konzentrationsveränderung am Sensor und/oder eine Verformung am Sensor und/oder eine Strahlungseinwirkung am Sensor ist, und/oder eine Kombination dieser (Arten der) Einwirkung. Dabei führt bspw. die Krafteinwirkung zu einer elliptischen Verformung der Resonatoren, wohingegen die Temperaturdifferenz zu einer gleichmäßigen Vergrößerung der Resonatoren führt. Die Konzentrationsunterschiede führen bspw. zu einer Veränderung des Brechungsindex der Matrix und/oder der Resonatoren, wodurch auch die Resonanzfrequenzen spezifisch verändert werden. Auch ist es denkbar, dass eine Kombination von unterschiedlichen Einwirkungen erfolgt, wobei bevorzugt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren neben der Ortsinformation auch ggf. die Art der Einwirkung (näherungsweise) bestimmt wird.
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Vorteilhaft ist es zudem, wenn gemäß Schritt c) die Auswertung als eine spektrale Auswertung des Ausgangssignals durchgeführt wird, wobei die Ortsinformation anhand der spektralen Informationen im Ausgangssignal ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das Ausgangssignal an einem für die Ortsinformation unspezifischen Ort am Sensor ausgegeben wird. Bspw. umfasst das Ausgangssignal indirekt emittiertes inelastisches Streulicht, insbesondere durch Fluoreszenz. Entsprechend kann die Ortsinformation (auch) anhand einer Auswertung des Ausgangssignals bestimmt werden. Das Ausgangssignal betrifft dabei insbesondere spektrale Merkmale, insbesondere schmalbandige Merkmale, welche spezifisch für eine optische Resonanz im Spektrum des Ausgangssignals in Erscheinung treten können.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass gemäß Schritt c) die Auswertung und/oder eine Kalibrierung durch eine digitale Verarbeitung erfolgt, welche vorzugsweise Methoden des maschinellen Lernens umfasst. Hierzu kann die Detektionsvorrichtung und/oder eine an der Detektionsvorrichtung angeschlossene Auswertevorrichtung zumindest eine elektronische Komponente, wie bspw. einen Mikroprozessor und/oder einen digitalen Signalprozessor aufweisen. Auch ist es denkbar, dass zur Kalibrierung eine parallele Verarbeitung durch mehrere Prozessoren („parallel computing“) durch einen Parallelrechner eingesetzt wird. Insbesondere ist es denkbar, dass die Auswertevorrichtung nur für die Kalibrierung verwendet und/oder an die Detektionsvorrichtung angeschlossen wird, wobei im Normalbetrieb des Sensors eine derartig aufwendige Auswertungsmethode nicht notwendig ist. Vorzugsweise wird die Kalibrierung dabei nur (insbesondere einmalig) vor dem Normalbetrieb des Sensors benötigt, wobei anschließend durch eine vereinfachte Auswertung die Ortsinformation bestimmt werden kann. Die Kalibrierung erfolgt dabei insbesondere vor den Schritten a) und/oder b) und/oder c). Dies ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung der Ortsinformation.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Ausgangssignal ein aus den einzelnen erzeugten Resonanzsignalen gebildetes Summenspektrum ist, wobei die einzelnen Resonanzsignale jeweils vorzugsweise mindestens ein Resonanzspektrum aufweisen. Das Summenspektrum wird bevorzugt dadurch gebildet, dass sich die einzelnen erzeugten Resonanzsignale und/oder Resonanzspektren überlagern. Mit anderen Worten resultiert das Summenspektrum aus einer Kombination der Resonanzspektren der einzelnen Resonatoren. Die Auswertung gemäß Schritt c) wird dabei bspw. als spektrale Auswertung des Summenspektrums durchgeführt, wobei insbesondere spektrale Merkmale Rückschlüsse auf den Ort der Einwirkung ermöglichen. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass auch ein zeitlicher Verlauf des Ausgangssignals erfasst und/oder ausgewertet wird. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass somit Resonatoren, die mit unterschiedlichen Fluorophoren versehen wurden, auch in der zeitlichen Dimension (statt z. B. nur in der spektralen) unterscheidbar sind. Entsprechend kann vorteilhafterweise durch die Auswertung des Ausgangssignals auch bspw. ein zeitliches Verhalten des Ausgangssignals ausgewertet werden. Zur spektralen Auswertung kann die Detektionsvorrichtung bspw. ein Spektrometer aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Auswertung gemäß Schritt c) derart als spektrale Auswertung durchgeführt wird, dass die, insbesondere detektierte, Wellenlänge und/oder die Frequenz der Anregungsquelle angesteuert und/oder verändert wird. Entsprechend kann die Anregungsquelle (elektrisch) mit der Detektionsvorrichtung verbunden sein und/oder als durchstimmbarer Laser ausgeführt sein. Dies ermöglicht eine zuverlässige Auswertung des Spektrums des Ausgangssignals.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass eine Information über die Art und/oder Intensität der Einwirkung anhand des Auswertungsergebnisses ermittelt wird, bevorzugt über die Auswertung einer Intensitätsinformation und/oder Spektralinformation und/oder zeitlichen Verlaufs des Ausgangssignals. Anhand der Auswertung gemäß Schritt c) lässt sich somit insbesondere eine zuverlässige differenzierte Aussage über die Einwirkungen auf den Sensor treffen.
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Es ist ferner denkbar, dass die Anregung durch eine elektromagnetische Strahlung und/oder elektromagnetische Wellen und/oder durch Ultraschall und/oder optisch und/oder akustisch erfolgt. Die Resonatoren werden dabei insbesondere durch eine, vorzugsweise optische, und/oder akustische, Anregungseinwirkung angeregt. Die Anregungseinwirkung ist bspw. eine optische Strahlung und/oder eine elektromagnetische Strahlung und/oder eine Laserstrahlung und/oder Ultraschall. Zur Ausgabe der Anregungseinwirkung ist vorzugsweise eine Anregungsvorrichtung und/oder eine Anregungsquelle, bspw. ein Laser, und/oder eine Energiequelle und/oder eine Lichtquelle, vorgesehen. In Abhängigkeit von der insbesondere ortsfesten Anordnung der Resonatoren im Verbund kann dabei bspw. die Ortsinformation als (insbesondere maximal) dreidimensionale Ortsinformation ermittelt werden, so dass vorzugweise anhand der Ortsinformation der Ort der Einwirkung (insbesondere maximal) dreidimensional bestimmt wird. Auch ist es denkbar, dass bei einem zweidimensionalen Sensor oder bei einem eindimensionalen Sensor zu Gunsten einer erhöhten Auflösung und/oder Genauigkeit auf die vollständigen dreidimensionalen Informationen verzichtet wird. Somit kann eine zuverlässige und schnelle Bestimmung der Ortsinformation gewährleistet werden.
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Optional kann es vorgesehen sein, dass gemäß Schritt c) zur Ermittlung (Bestimmung) der Ortsinformation ein Vergleich des Auswertungsergebnisses mit einer Vorgabeinformation, insbesondere mit einer für den einzelnen Sensor spezifischen Kalibrierungsinformation, erfolgt. Dabei kann insbesondere vor Schritt a) eine Kalibrierung des Sensors zur Bestimmung der Vorgabeinformation durchgeführt werden. Insbesondere wird die Vorgabeinformation dazu genutzt, eine fehlende Kenntnis über die Positionen und/oder Resonanzeigenschaften der Resonatoren zu kompensieren. Die Vorgabeinformation wird dabei bspw. als digitale Information in einen nicht flüchtigen Datenspeicher der Detektionsvorrichtung gespeichert und/oder bei Schritt c) ausgelesen und/oder ausgewertet.
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Ein weiterer Vorteil kann im Rahmen der Erfindung erzielt werden, wenn vor Schritt a) eine Kalibrierung durchgeführt wird, und eine Vorgabeinformation zumindest anhand von durch die Kalibrierung bestimmten verschiedenen Ortsinformationen für Einwirkungen an verschiedenen Orten des Sensors gebildet wird. Bspw. ist es denkbar, dass für die Kalibrierung die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden, vorzugsweise vor Schritt a):
- – Ausüben mehrerer gleichartiger Einwirkungen an verschiedenen bekannten Orten am Sensor bei gleichzeitiger Anregung der Resonatoren,
- – Erfassen des vom Sensor ausgegebenen Ausgangssignals für jede der Einwirkungen,
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Insbesondere erfolgt anschließend die Generierung der Vorgabeinformation, bspw. anhand einer Zuordnung des jeweiligen erfassten Ausgangssignals mit einer jeweiligen bekannten Ortsinformation für jeden der bekannten Orte. Zur Unterstützung des Kalibrierungsvorgangs kann dabei bspw. ein Ort und/oder spektral auflösender Sensor, wie bspw. eine hyperspektrale Kamera, eingesetzt werden. Auch ist es denkbar, dass zur Kalibrierung ein durchstimmbarer Laser und/oder Lichtquelle zur Initiierung der Anregungseinwirkung und/oder zur Erfassung des Ausgangssignals und/oder zur Auswertung genutzt wird. Damit ist eine zuverlässige Kalibrierung des Sensors durchführbar.
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In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass eine Kalibrierung derart durchgeführt wird, dass mindestens eine erste Ortsinformation für eine bekannte erste Einwirkung an einem bekannten ersten Ort des Sensors und mindestens eine zweite Ortsinformation für eine bekannte zweite Einwirkung an einem bekannten zweiten Ort des Sensors bestimmt wird. Unter der Bestimmung der jeweiligen (z. B. ersten und/oder zweiten) Ortsinformation wird im Zusammenhang mit der Kalibrierung insbesondere verstanden, dass für jede der Einwirkungen mindestens ein Ausgangssignal erfasst und/oder ausgewertet und/oder gespeichert und/oder analysiert wird. Es findet somit insbesondere ein Lernprozess statt, welche Auswirkungen unterschiedliche Einwirkungen auf die Resonatoren an unterschiedlichen Orten des erfindungsgemäßen Sensors für das Ausgangssignal haben. Dies ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung der Ortsinformation bei unbekannter Verteilung der Resonatoren.
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Vorzugsweise kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass vor Schritt a) und/oder vor einer Kalibrierung, vorzugsweise zur Ausbildung des Verbunds, die Resonatoren als Emulsion und/oder als Suspension und/oder dergleichen auf einen Träger aufgetragen werden, und bevorzugt anschließend optische Ports an den Verbund zur Ausbildung des Sensors angebracht werden. Somit ist bspw. auch die Ausbildung des Sensors als intelligentes Material möglich. Vorzugsweise ist es dabei denkbar, dass an den optischen Port jeweils unterschiedliche Ausgangssignale erfasst werden, wobei insbesondere für jedes Ausgangssignal eine Auswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wird. Das Ergebnis dieser Auswertung und/oder einer Positionsinformation über die Ports kann bspw. dazu genutzt werden, um eine genauere und zuverlässigere und/oder differenziertere Bestimmung der Ortsinformation zu ermöglichen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass mindestens zweimal und/oder mindestens dreimal und/oder mindestens viermal so viele Ortsinformationen durch den Sensor erfasst bzw. bestimmt werden können wie Ports vorhanden sind und/oder Positionsinformationen über die Ports bekannt sind. Die Positionsinformationen über die Ports selbst liefern dabei somit nicht die ausschließliche Information über den Ort der Einwirkung. Es ist bspw. an jedem optischen Port des Sensors mindestens eine Detektionsvorrichtung vorgesehen. So können bspw. mindestens zwei und/oder mindestens drei und/oder mindestens vier und/oder mindestens fünf optische Ports vorgesehen sein.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System zur ortsauflösenden Erfassung von zumindest einer Einwirkung auf einen Sensor, vorzugsweise einen erfindungsgemäßen Sensor, aufweisend:
- – den Sensor,
- – eine Anregungsquelle zur Anregung von Resonatoren des Sensors,
- – eine Detektionsvorrichtung zur Erfassung eines Ausgangssignals des Sensors.
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Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder einen erfindungsgemäßen Sensor beschrieben sind. Zudem kann das System insbesondere gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar sein.
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Außerdem kann es vorgesehen sein, dass die Anregungsquelle zumindest eine Lichtquelle und/oder eine Laserquelle und/oder einen durchstimmbaren Laser und/oder eine Ultraschallquelle und/oder dergleichen aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektionsvorrichtung vorzugsweise mindestens einen Ein-Kanaldetektor und/oder mindestens ein Spektrometer und/oder mindestens eine Ansteuerungseinheit für einen durchstimmbaren Laser und/oder mindestens einen spektrometrischen Detektor und/oder mindestens einen optischen Filter und/oder dergleichen aufweisen und/oder als ortsunauflösende Detektionsvorrichtung ausgestaltet sein. Als ortsunauflösender Detektor ist die Detektionsvorrichtung insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie selbst nicht (in Bezug auf die Einwirkungen und/oder das Ausgangssignal) ortsauflösend verwendet wird. D. h. vorzugsweise, dass auch wenn die Detektionsvorrichtung prinzipiell zur Ortsauflösung (technisch) geeignet ist, diese Ortsauflösung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht (insbesondere ausschließlich oder maßgeblich) zur Bestimmung der Ortsinformation herangezogen wird. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass der Sensor als ortsauflösender, vorzugsweise taktiler, Sensor ausgeführt sein kann, ohne eine ortsauflösende Detektionsvorrichtung nutzen zu müssen. Somit kann bspw. der Herstellungsaufwand reduziert werden.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Verwendung eines Sensors, vorzugsweise eines erfindungsgemäßen Sensors, zur ortsauflösenden Erfassung von zumindest einer Einwirkung auf den Sensor mit einem elastischen Verbund, in welchem Resonatoren mit jeweils unterschiedlichen Resonanzeigenschaften insbesondere ortsfest eingebettet sind, so dass durch die Resonatoren bei einer außerhalb des Sensors initiierbaren Anregung jeweils ein unterschiedliches Resonanzsignal erzeugt wird. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der Verbund für eine Beschichtung einer Prothese eingesetzt wird. Damit bringt die erfindungsgemäße Verwendung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder einen erfindungsgemäßen Sensor und/oder ein erfindungsgemäßes System beschrieben sind. Zudem kann ein erfindungsgemäßes System und/oder das erfindungsgemäße Verfahren und/oder ein erfindungsgemäßer Sensor für die erfindungsgemäße Verwendung zum Einsatz kommen.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass durch eine Auswertung eines Ausgangssignals des Sensors Belastungen und/oder Temperaturen (als Einwirkung auf den Sensor) ortsaufgelöst über eine Fläche der Prothese bestimmt werden, welche vorzugsweise über ein elektronisches Hilfsmittel an den Träger weitergegeben werden und/oder als Rückkopplung für die Aktuatorik verwendet werden. Dies ermöglicht insbesondere einen verbesserten Einsatz der Prothese und/oder eine verbesserte Nutzung der Prothese durch den Träger der Prothese.
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Weiter ist es denkbar, dass die Auswertung des Ausgangssignals insbesondere eine Auswertung der Änderungen der Resonanzspektren des Ausgangssignals umfasst. Vorzugsweise durch die Bestimmung des Verhältnisses von der Matrix zur Resonatorelastizität kann dabei die Empfindlichkeit bestimmt und/oder beeinflusst werden.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Verwendung eines Sensors, vorzugsweise eines erfindungsgemäßen Sensors, zur ortsauflösenden Erfassung von zumindest einer Einwirkung auf den Sensor mit einem elastischen Verbund, in welchem Resonatoren mit jeweils unterschiedlichen Resonanzeigenschaften eingebettet sind, so dass durch die Resonatoren bei einer außerhalb des Sensors initiierbaren Anregung jeweils ein unterschiedliches Resonanzsignal erzeugt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass der Verbund des Sensors für einen Handschuh eingesetzt wird, sodass durch eine Auswertung eines Ausgangssignals des Sensors eine Handstellung des Handschuhs bestimmt werden kann. Damit bringt die erfindungsgemäße Verwendung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder einen erfindungsgemäßen Sensor und/oder ein erfindungsgemäßes System beschrieben sind. Zudem kann ein erfindungsgemäßes System und/oder das erfindungsgemäße Verfahren und/oder ein erfindungsgemäßer Sensor für die erfindungsgemäße Verwendung zum Einsatz kommen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems,
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2 eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems,
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3 eine schematische Darstellung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine weitere schematische Darstellung zur Visualisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist schematische ein erfindungsgemäßes System 200 mit einem erfindungsgemäßen Sensor 300 gezeigt. Hierbei ist erkennbar, dass der Sensor 300 mehrere Resonatoren 310 umfasst, welche jeweils unterschiedliche Resonanzeigenschaften aufweisen. So kann bspw. ein erster Resonator 310a einen geringeren Durchmesser aufweisen als ein zweiter Resonator 310b. Die Resonatoren 310 sind in einem Verbund 330 angeordnet und/oder eingebettet, derart, dass die Resonatoren 310 bei einer außerhalb des Sensors 300 initiierbaren Anregung jeweils ein unterschiedliches Resonanzsignal 150 erzeugen. So ist in 2 gezeigt, dass bei einer Anregung durch eine Anregungseinwirkung 155 ein erster Resonator 310a ein erstes Resonanzsignal 150a erzeugt und durch die Anregung ein zweiter Resonator 310b ein zweites Resonanzsignal 150b erzeugt. Dabei überlagern die Resonanzsignale 150 bspw. im Sensor 300, wobei dieses überlagerte Signal als Ausgangssignal 160 des Sensors 300 durch den Sensor 300 ausgebbar ist. Die Anregungseinwirkung 155 ist dabei bspw. eine elektromagnetische Welle, welche durch eine Anregungsquelle 210 erzeugt wird.
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In 2 ist weiter dargestellt, dass unterschiedliche Einwirkungen 110 auf den Sensor 300 die Resonanzsignale 150 der Resonatoren 310 beeinflussen können. So erfolgt bspw. an einem ersten Ort 120a eine Außenfläche 320 des Sensors 300 eine erste Einwirkung 110a und an einem zweiten Ort 120b der Außenfläche 320 des Sensors 300 eine zweite Einwirkung 110b. An dem jeweiligen Ort 120, an welchem die jeweilige Einwirkung 110 erfolgt, werden dabei unterschiedliche Resonatoren 310 in unterschiedlicher oder gleicher Weise beeinflusst und erzeugen ein jeweils unterschiedliches Resonanzsignal 150. So wird bspw. durch die erste Einwirkung 110a zumindest ein erster Resonator 310a und durch die zweite Einwirkung 110b zumindest ein zweiter Resonator 310b beeinflusst. Damit bildet die Außenfläche 320, an welcher die entsprechenden Einwirkungen 110 am Sensor 300 erfasst werden können, den Erfassungsbereich 340 des Sensors 300. Da die Resonatoren 310 in unterschiedlicher Weise durch die jeweiligen Einwirkungen 110 beeinflusst werden und/oder unterschiedliche Resonanzeigenschaften aufweisen, werden auch unterschiedliche Resonanzsignale 150 ausgegeben und überlagern sich insbesondere als ein einziges Ausgangssignal 160. Dies wird beispielsweise dadurch erzielt, dass der Verbund 330 eine leitende, insbesondere lichtleitende, Eigenschaft für die Anregungseinwirkung 155 und/oder die Resonanzsignale 150 aufweist.
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Das Ausgangssignal 160 wird bspw. durch eine Detektionsvorrichtung 220 erfasst, wie in 1 schematisch dargestellt ist. Durch die Auswertung des Ausgangssignals 160 kann dabei ein Auswertungsergebnis 170 bestimmt werden und anhand des Auswertungsergebnisses 170 ist bspw. die Ortsinformation 130 der jeweiligen Einwirkung 110 ermittelbar. So kann im in 2 gezeigten Beispiel eine erste Ortsinformation 130a über den ersten Ort 120a der ersten Einwirkung 110a und eine zweite Ortsinformation 130b über den zweiten Ort 120b der zweiten Einwirkung 110b anhand des Auswertungsergebnisses 170 der Auswertung des erfassten Ausgangssignals 160 ermittelt werden.
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3 visualisiert schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren 100. Dabei wird z. B. durch eine digitale Verarbeitung und/oder Signalverarbeitung des Ausgangssignals 160 eine erste Ortsinformation 130a und eine zweite Ortsinformation 130b dadurch ermittelt, dass die Informationen des Ausgangssignals 160 mit einer Vorgabeinformation 140 verglichen werden. Die Vorgabeinformation 140 wird bspw. durch eine Kalibrierung des Sensors 300 bestimmt. Vor einer Kalibrierung ist bspw. unbekannt, welche Informationen des Ausgangssignals 160 auf die erste Ortsinformation 130a für eine erste Einwirkung 110a an einem ersten Ort 120a und welche andere Information des Ausgangssignals 160 auf die zweite Ortsinformation 130b einer zweiten Einwirkung 110b an einem zweiten Ort 120b am Sensor 300 hinweisen. Daher wird zur Kalibrierung bspw. während der ersten Einwirkung 110a das Ausgangssignal 160 erfasst und anschließend für die zweite Einwirkung 110b das Ausgangssignal 160 erfasst und die jeweils spezifischen Informationen für die jeweiligen Einwirkungen 110 als Vorgabeinformation 140 gespeichert. Anhand der Vorgabeinformation 140 ist dann die Auswertung der jeweiligen Einwirkung 110 auf das Ausgangssignal 160 bekannt.
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In 4 ist eine weitere schematische Darstellung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 gezeigt. Dabei erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt 101 eine Anregung von Resonatoren 310 eines Sensors 300. Gemäß einem zweiten Verfahrensschritt 102 erfolgt eine Erfassung eines ausgegebenen Ausgangssignals 160 des Sensors 300 durch eine Detektionsvorrichtung 220. Gemäß einem dritten Verfahrensschritt 103 wird eine Auswertung des erfassten Ausgangssignals 160 durchgeführt, wodurch ein Auswertungsergebnis 170 mit einer Ortsinformation 130 der Einwirkung 110 bestimmt wird.
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In 5 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Sensor 300 gezeigt, welches bspw. Verwendung als intelligentes Material für einen Handschuh 10 oder eine Prothese findet.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Handschuh
- 100
- Verfahren
- 101
- Erster Verfahrensschritt
- 102
- Zweiter Verfahrensschritt
- 103
- Dritter Verfahrensschritt
- 110
- Einwirkung
- 110a
- erste Einwirkung
- 110b
- zweite Einwirkung
- 120
- Ort
- 120a
- erster Ort
- 120b
- zweiter Ort
- 130
- Ortsinformation
- 130a
- erste Ortsinformation
- 130b
- zweite Ortsinformation
- 140
- Vorgabeinformation
- 150
- Resonanzsignal
- 150a
- erstes Resonanzsignal
- 150b
- zweites Resonanzsignal
- 155
- Anregungseinwirkung
- 160
- Ausgangssignal
- 170
- Auswertungsergebnis
- 200
- System
- 210
- Anregungsquelle
- 220
- Detektionsvorrichtung
- 300
- Sensor
- 310
- Resonatoren
- 310a
- erste Resonatoren
- 310b
- zweite Resonatoren
- 320
- Außenflächen
- 330
- Verbund
- 340
- Erfassungsbereich
