DE102019214940A1

DE102019214940A1 - Optomechanisches system, verwendung eines optomechanischen systems, strömungssensoranordnung und beschleunigungssensoranordnung

Info

Publication number: DE102019214940A1
Application number: DE102019214940.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-04-01
Also published as: WO2021058819A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optomechanisches System (200) auf Basis von einer oder mehreren optomechanischen Elementarzellen (400), die Verwendung des optomechanischen Systems zur lokalen Bestimmung von Strömungsgrößen oder Beschleunigungen sowie eine Strömungssensoranordnung und eine Beschleunigungssensoranordnung. Das optomechanische System umfasst eine obere Deckschicht (210), eine untere Deckschicht (220), wenigstens eine zwischen der oberen und der unteren Deckschicht angeordnete, zur Leitung von Licht ausgebildete optische Schicht (410, 420), und eine Anordnung von wenigstens einer optomechanischen Elementarzelle (400), welche ein optisches Volumen (433) sowie ein Übertragungselement (320) umfasst, das von oben mit einer Kraft beaufschlagbar und dazu ausgebildet und angeordnet ist, in Abhängigkeit von der Kraft auf das optische Volumen einzuwirken, wobei das optische Volumen wenigstens abschnittsweise in der optischen Schicht ausgebildet und dazu konfiguriert ist, einen Quell-Lichtstrahl aus der wenigstens einen optischen Schicht zu empfangen, so dass dieser in das gesamte optische Volumen oder nur in einen Teil des optischen Volumens eindringt, der ein aktives optisches Volumen (434) bildet, und dazu, den Quell-Lichtstrahl in Abhängigkeit von der momentan das Übertragungselement beaufschlagenden Kraft zu modifizieren und den modifizierten Quell-Lichtstrahl als Signal-Lichtstrahl aus dem optischen Volumen herauszuleiten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optomechanisches System auf Basis von einer oder mehreren optomechanischen Elementarzellen, eine Verwendung des optomechanischen Systems sowie eine Strömungssensoranordnung und eine Beschleunigungssensoranordnung auf Basis eines optomechanischen Systems.
Bei Gas- oder Flüssigkeits-Strömungen, die sich über ausgedehnte Flächen hinweg ausbreiten, können an verschiedenen Orten der überströmten Fläche und zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Strömungszustände herrschen. Kenngrößen der Fluidströmung können beispielsweise sein: die Strömungsgeschwindigkeit und deren Verteilung oder Profil, die Strömungsrichtung und der resultierende Druck wie auch der Grad der Laminarität bzw. Turbulenz sowie ggf. Schwingungsfrequenzen.
Die Kenntnis der veränderlichen Kenngrößen ist in zahlreichen Technikbereichen wichtig zur Gewährleistung der gewünschten Funktion und zur energetischen Optimierung. Beispiel für solche Technikbereiche sind alle Arten von Flächen-Flugzeugen, Drohnen, konventionelle und flugfähige Fahrzeuge, Segelschiffe und Transport-Schiffe mit Zusatz-Segeln, stationäre und fliegende Windkraftanlagen und vieles mehr. Der Ausfall der angestrebten Funktion in diesen Technikbereichen kann zu fatalen Gefahrensituationen führen. Im Falle eines Strömungsabrisses am Tragflügel etwa droht ein Absturz des Flugzeugs.
Die messtechnische Erfassung der unterschiedlichen Strömungszustände oder Kenngrößen über die gesamte angeströmte Oberfläche ist weiterhin fundamental für die Beurteilung von Faktoren wie Strömungswiderstand und Energieaufwand, Verwirbelung, wandernde Strömungsablösung, örtliche Strömungsgeschwindigkeit und -richtung, Geräuscherzeugung und Schwingungszustände, um nur einige zu nennen.
Zur Sichtbarmachung von Strömungsvorgängen an Oberflächen wie etwa an Flugzeugflügeln, Rotorblättern von Windkrafträdern, Schiffssegeln oder Fahrzeugoberflächen werden teilweise bis heute noch Wollfäden eingesetzt. Diese Methode ist sehr kostengünstig. Die lokale Strömungs-Richtung kann jedoch lediglich visuell erfasst werden. Auswertungsmöglichkeiten etwa durch Kamera-Aufnahmen erfasster Strömungs-Informationen auf Basis dieser Technik sind sehr begrenzt.
Weiter entwickelte Techniken zur Erfassung lokaler Strömungszustände, wie die Laser-Doppler-Anemometrie, sind sehr voluminös und damit im Betrieb nicht oder nur unter hohem Aufwand für die zu messenden Objekte nutzbar. Sollen mehrere Messpunkte gleichzeitig erfasst werden, muss jeweils für jeden Messpunkt eine solche Apparatur aufgebaut werden.
Andere Techniken versuchen bereits, den flächig oder räumlich verteilten Charakter von Strömungen zu erfassen. Dazu gehören beispielsweise Heißfilmarrays, die aber schwierig auf den angeströmten Flächen anzubringen sind, und deren Herstellung und Kalibrierung sehr aufwendig sind.
Zur Bestimmung von Drücken in der Strömung sind u.a. piezoelektrische Folien, planare Kondensatormikrofone oder Silizium-Drucksensoren nach piezoresistivem oder kapazitivem Prinzip im Einsatz, die alle neben den Nachteilen der teuren und aufwendigen Herstellung und teilweise schwieriger Installation insbesondere den Nachteil der Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen, magnetischen oder elektromagnetischen Störungen haben.
In der Druckschrift US 8749766 B1 werden haarähnliche Sensoren auf Basis lichtleitender Fasern gezeigt, deren Verformung im umströmten Zustand auf Basis der Verteilung des durch die Faser abgegebenen Lichts optisch detektiert wird. Nachteilig ist hierbei, dass das Lichtsignal aus dem Sensor heraus in die Umgebung gelangt, wodurch nicht mehr gewährleistet werden kann, dass das Signal nicht durch Verschmutzung gestört wird.
In der Praxis müssen Sensoren etwa zur Beurteilung von Strömungsablösungen in die Struktur des aufnehmenden Objekts integriert werden. Das hat in der Regel negative Auswirkungen auf die Struktur-Stabilität, und gleichzeitig können die Sensoren die Strömung durch ihr Volumen oder/und ihre Masse beeinflussen.
Ein Beispiel für ein häufig eingesetztes System zur Überziehwarnung basiert auf einem Klappen-Mechanismus an der Vorderkante eines Flügels oder Rotorblattes. Nachteilig sind die Vereisungs- und Verschmutzungsgefahr, die Rückwirkung auf die Objektstruktur wegen tiefen Einbaus und besonders auch die Eigenschaft, dass ein einziger Sensor nicht die verteilte Strömungssituation darstellen kann.
Ein weiteres Beispiel für eine im Markt befindliche Sensorik zur Überwachung der Strömung, sind z.B. Mehrlochsonden. Sie können verwendet werden zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder eines Anströmwinkels, der als Indikator für einen Strömungsabriss und zur Realisierung einer Überziehwarnung verwendet wird. Bei der Beurteilung von verteilten Strömungssituation geben solche Systeme lediglich einen Einzelwert wieder und sind nicht in der Lage die Strömungsverhältnisse im Detail darzustellen. Nachteilig sind auch hier Vereisungs- und Verschmutzungsgefahr.
In der Druckschrift DE 4443665 C2 des Anmelders wird ein miniaturisierter Sensor zur Überwachung der Strömungsablösung vorgestellt. Bei Einsatz dieser Sensoren in einem Array ist es bereits möglich, Aussagen über die Dynamik von Strömungsfeldern zu machen, beispielsweise auf Flügeln oder Rotorblättern. Diese Lösung ist jedoch rein elektrisch und somit nicht gegen die oben genannten Fremdeinwirkungen insbesondere durch elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder geschützt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gemäß einem ersten Aspekt darin, Grundbausteine für eine verbesserte Sensoranordnung bereitzustellen, wodurch die vorbeschriebenen Nachteile herkömmlicher Systeme vermieden oder verringert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optomechanisches System mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene optomechanische System (kurz OMS) umfasst eine, vorzugsweise lichtundurchlässige, obere Deckschicht, eine, vorzugsweise lichtundurchlässige, untere Deckschicht, wenigstens eine mit einer Lichtquelle optisch koppelbare und zwischen der oberen und der unteren Deckschicht angeordnete, zur Leitung von Licht ausgebildete optische Schicht, sowie eine Anordnung von wenigstens einer optomechanischen Elementarzelle, vorzugsweise von mehreren optomechanischen Elementarzellen.
Die optomechanische Elementarzelle (kurz Elementarzelle oder OMEZ) umfasst dabei gemäß der Erfindung ein mit der wenigstens einen optischen Schicht optisch gekoppeltes optisches Volumen, sowie ein diesem optischen Volumen zugeordnetes Übertragungselement, das von oben mit einer Kraft beaufschlagbar und dazu ausgebildet und angeordnet ist, in Abhängigkeit von der Kraft auf das optische Volumen einzuwirken, beispielsweise indem das Übertragungselement in das optische Volumen eindringt oder dieses elastisch komprimiert.
Dabei ist das optische Volumen wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, in der optischen Schicht ausgebildet oder angeordnet und ist weiter dazu konfiguriert, einen Quell-Lichtstrahl aus der wenigstens einen optischen Schicht zu empfangen, so dass dieser in das gesamte optische Volumen oder nur in einen Teil des optischen Volumens eindringt, der ein aktives optisches Volumen bildet, und dazu, den Quell-Lichtstrahl in Abhängigkeit von der momentan das Übertragungselement beaufschlagenden Kraft zu modifizieren und den modifizierten Quell-Lichtstrahl als Signal-Lichtstrahl aus dem optischen Volumen herauszuleiten.
Da vorliegend Licht als Signalträger verwendet wird, können Störungen durch elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder reduziert oder minimiert werden.
Auch sind Sensoren auf Basis des vorbeschriebenen optomechanischen Systems leicht so weit zu miniaturisieren, dass Effekte aufgrund von Massenträgheit weitgehend vernachlässigbar sind.
Als Licht soll dabei insbesondere Licht im engeren Sinne verstanden werden, also im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, aber auch Licht im Wellenlängenbereich des infraroten oder/und des ultravioletten Bereichs.
Wie nachfolgend noch genauer beschrieben, kann der Signal-Lichtstrahl dann auf geeignete Weise zu einer Verarbeitungseinrichtung weitergeleitet, dort empfangen, ggf. in elektrische Signale umgewandelt und verarbeitet werden. Es ist auch eine rein optische Verarbeitung des Signal-Lichtstrahls oder eine optische Vorverarbeitung vor einer Umwandlung in elektrische Signale möglich.
Die optomechanische Elementarzelle kann insbesondere so in das erfindungsgemäße optomechanische System bzw. in eine Sensoranordnung auf Basis eines solchen Systems integriert sein, dass die auf das Übertragungselement einwirkende Kraft von einer Fluidströmung entlang einer zu untersuchenden Fläche abhängt. Auf diese Weise können über die Modifikation des Quell-Lichtstrahls Informationen über die Strömung an einer bestimmten Stelle der Fläche erhalten werden.
Bei der auf das Übertragungselement einwirkenden Kraft kann es sich um eine externe Kraft handeln, wie sie von einer Fluidströmung verursacht wird, aber es kann sich auch um eine Trägheitskraft handeln, die auf die Masse des Übertragungselements oder auf eine mit dem Übertragungselement mechanisch gekoppelten Testmasse einwirkt, was die lokale Messung von Beschleunigungen und Schwingungen ermöglicht, etwa im Rahmen der Flatteranalyse eines Flugzeugflügels.
Das optische Volumen kann im einfachsten Fall in dem Sinne leer (ungefüllt und beispielsweise nach oben offen) sein, dass das Übertragungselement bei Beaufschlagung mit der Kraft in das optische Volumen eindringen kann und dieses teilweise abschattet oder verkleinert, so dass die Gesamtmenge des pro Zeiteinheit aus dem optischen Volumen austretenden Lichts reduziert wird. Auch ist eine Füllung des optischen Volumens möglich, vorzugsweise mit einem elastischen, lichtdurchlässigen Material.
Bevorzugt ist das Füll-Material des optischen Volumens so gewählt, dass eine Transparenz des optischen Volumens oder des aktiven optischen Volumens für eine gegebene Licht-Wellenlänge oder für einen gegebenen Licht-Wellenlängenbereich von der momentan das Übertragungselement beaufschlagenden Kraft abhängt, im Falle eines elastisch dehnbaren bzw. komprimierbaren optischen Volumens beispielsweise von einer momentanen Dehnung oder Kompression des optischen Volumens, die durch das Übertragungselement verursacht wird.
Es kann vorgesehen sein, dass das aktive optische Volumen ein Bragg-Gitter enthält. Bei Dehnung oder Kompression verschiebt sich dabei die Wellenlänge, für die die Bragg-Bedingung erfüllt ist, so dass sich die spektrale Zusammensetzung des Signal-Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Kraft ändert.
Zur gezielten Einkopplung des Quell-Lichtstrahls in das optische Volumen oder das aktive optische Volumen oder/und zur Auskopplung des Signal-Lichtstrahls aus dem optischen Volumen oder dem aktiven optische Volumen kann wenigstens ein optisches Bauelement an geeigneter Stelle vorgesehen sein.
Hierfür, wie für das Ein- oder Auskoppeln von Licht in planaren Systemen im Allgemeinen gibt es mehrere Möglichkeiten: etwa Mikro-Spiegel, optische Gitter, flächig verteilte Mikro-Strukturen mit pyramidenförmiger, kegelförmiger, zylindrischer oder beliebig anderer Form und Anordnung, dünne Schichten, photonische Kristalle, Prismen, Linsen und anderes. Als Herstellungsmethoden kommen beispielsweise in Frage: Prägung, Lithografie, 3D-Druck, Inkjet, Siebdruck, Laser-Ablation und anderes.
Das erfindungsgemäße optomechanische System ist ein Schichtsystem und kann beispielsweise als Zwischenprodukt oder Halbzeug für die Fertigung einer erfindungsgemäßen Strömungssensoranordnung oder Beschleunigungssensoranordnung dienen.
Die Angaben „oben“ und „unten“ sind hier so zu verstehen, dass im bestimmungsgemäßen Einsatz des optomechanischen Systems die untere Deckschicht an dem zu untersuchenden Objekt (Flugzeugflügel etc.) befestigt ist, während beispielsweise die zu untersuchende Fluidströmung an der oberen Deckschicht entlang strömt.
Dass die Kraft das Übertragungselement „von oben“ beaufschlagt, ist so zu verstehen, dass die Kraft eine nichtverschwindende Kraftkomponente senkrecht zur oberen Schicht aufweist. Bevorzugt ist die Kraftkomponente senkrecht zur oberen Schicht größer als jede Kraftkomponente parallel zur oberen Schicht, und besonders bevorzugt ist die Kraft senkrecht zu der oberen Schicht ausgerichtet.
Als optische Schichten und somit Träger für die Lichtsignale können dünne transparente Folien verwendet werden, die beispielsweise ein Polymer (z.B. PMMA, PDMS u.a.), Glas oder eine Kombination der vorgenannten Materialien umfassen oder daraus bestehen. Diese Materialien sind in Form von Folien verfügbar oder können in Roll-to-Roll bzw. Sheet-to-Sheet-Fertigungsverfahren hergestellt werden. Auch das gesamte System kann auf diese Weise hergestellt werden. Wie nachfolgend noch genauer beschrieben ist, können Lichtwellenleiter in die optischen Schichten eingebettet sein.
Polymerlösungen sind dabei meist kostengünstiger als Glas-Lösungen. Glas-Lösungen können dann gewählt werden, wenn z.B. höhere Ansprüche an optische Güte gestellt werden. Bei Glas-Lösungen können längere Lichtwege mit geringeren Verlusten durchlaufen werden. Weitere Vorteile der Verwendung von Glas zur Lichtleitung sind hohe Stabilität gegenüber Temperaturwechseln und geringere Feuchtigkeitsempfindlichkeit.
Um eine Bewegung des Übertragungselements der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle zu führen, kann vorgesehen sein, dass das optomechanische System weiter eine zwischen der oberen Deckschicht und der wenigstens einen optischen Schicht angeordnete Adapterschicht umfasst, in der das Übertragungselement der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle ausgebildet oder vorgesehen und geführt ist.
Um die Beeinflussung des Systems durch äußere Störungen, Verschmutzung, Feuchtigkeit, aggressive Substanzen, UV-Strahlung, Licht etc. zu minimieren, kann vorgesehen sein, dass das optische Volumen oder alle optischen Volumen, vorzugsweise auch die optische Schicht oder alle optischen Schichten gasdicht oder/und flüssigkeitsdicht oder/und in lichtundurchlässiger Weise oder/und in UV-undurchlässiger Weise zwischen der oberen und der unteren Deckschicht aufgenommen ist bzw. sind. Insbesondere können alle optisch aktiven Komponenten des Systems gasdicht oder/und flüssigkeitsdicht oder/und in lichtundurchlässiger Weise oder/und in UV-undurchlässiger Weise zwischen der oberen und der unteren Deckschicht aufgenommen sein, besonders bevorzugt sowohl in gasdichter als auch in flüssigkeitsdichter und in lichtundurchlässiger Weise und in UV-undurchlässiger Weise.
Zu diesem Zweck oder/und zur Einstellung einer gewünschten Rückstellkraft kann das optomechanische System weiter wenigstens eine elastische Schicht umfassen, die zwischen der optischen Schicht und wenigstens einer der Deckschichten angeordnet ist. Beispielsweise kann eine elastische Schicht zwischen der Adapterschicht, in der das Übertragungselement geführt ist, und der oberen Deckschicht vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine elastische Schicht zwischen der unteren Deckschicht und der optischen Schicht vorgesehen sein. Als Materialien für die elastische Schicht kommen beispielsweise Polymere, Elastomere, Silikone, PDMS, Federstahl, Glas und anderes in Frage.
Für die Leitung des Quell-Lichtstrahls oder/und des Signal-Lichtstrahls in der optischen Schicht gibt es mehrere Möglichkeiten.
So kann in der wenigstens einen optischen Schicht wenigstens ein Lichtwellenleiter, angeordnet sein, um den Quell-Lichtstrahl zu dem optischen Volumen der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle zu leiten oder den Signal-Lichtstrahl von diesem weg zu leiten. Hierdurch können definierte Lichtpfade innerhalb der optischen Schicht erzeugt werden. Lichtwellenleiter können beispielsweise durch ein Heißprägeverfahren in Kunststoffschichten, insbesondere in PMMA-Schichten, hergestellt werden. Es können jedoch auch klassische Glas- oder Polymerfasern verwendet werden, die in der optischen Schicht angeordnet oder eingebettet sind.
Im Falle mehrerer optomechanischer Elementarzellen in einem System können mehrere getrennte Lichtwellenleiter in der optischen Schicht vorgesehen sein, die einander vorzugsweise nicht kreuzende Lichtpfade definieren.
Alternativ kann die wenigstens eine optische Schicht dazu ausgebildet sein, abschnittsweise oder vollständig mit dem Quell-Lichtstrahl geflutet zu werden.
Die Wahl der Lichtführungstechnik lässt einen Gestaltungsspielraum für das Produkt hinsichtlich Kosten und Genauigkeits-Anforderungen und für den jeweiligen Anwendungsfall. Die Verwendung von Lichtwellenleitern bietet sich etwa an bei Produkten mit besonders hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Messergebnisse, während die geflutete Führung des Lichts in den optischen Schichten eine besonders kostengünstige Produktion ermöglicht.
Auch ist es möglich, dass mehrere optomechanische Elementarzellen in dem Sinne hintereinander geschaltet werden, dass der von einer Elementarzelle ausgegebene Signal-Lichtstrahl als Quell-Lichtstrahl einer weiteren Elementarzelle verwendet wird, und zwar unabhängig davon, ob das Licht in einem Lichtwellenleiter geführt oder die optische Schicht ganz oder abschnittsweise mit dem Licht geflutet wird.
Zur Trennung verschiedener Lichtstrahlen, insbesondere wenn das System mehrere optomechanische Elementarzellen umfasst, kann vorgesehen sein, dass das optomechanische System wenigstens eine weitere optische Schicht umfasst, die dazu ausgebildet ist Licht entlang der weiteren optischen Schicht zu leiten, sowie eine Kopplungsstruktur, um Licht von der einen zu der anderen der beiden optischen Schichten zu leiten. Es kann jede gewünschte Anzahl optischer Schichten vorgesehen sein. Auch ist jede beliebige Kombination der Art der Lichtführung in den einzelnen optischen Schichten möglich.
Beispielsweise kann der Quell-Lichtstrahl für eine Elementarzelle in der einen optischen Schicht transportiert und der Elementarzelle zugeführt werden, wobei der Signal-Lichtstrahl der Elementarzelle über eine geeignete Kopplungsstruktur in die andere optische Schicht transferiert und dort abgeführt werden kann.
Für das Herausführen bzw. Hineinführen des Lichts von einer Ebene in eine andere sind zahlreiche Methoden bekannt. Zwei davon haben besondere Vorteile in der Herstellung, nämlich (a) optische Strukturen (etwa flächige Strukturen, Prismen etc.) quer zum Lichtpfad und (b) Spiegel im Lichtpfad zur Umlenkung. Die Methoden (a) und (b) sind auch kombinierbar.
Schließlich kann das optomechanische System weiter wenigstens eine Lichtquelle, die mit der wenigstens einen optischen Schicht optisch gekoppelt ist, oder/und wenigstens eine Verarbeitungseinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, den Signal-Lichtstrahl oder die Signal-Lichtstrahlen zu empfangen und zu verarbeiten.
Insbesondere kann die Verarbeitungseinrichtung den Signal-Lichtstrahl oder die Signal-Lichtstrahlen verschiedener optomechanischer Elementarzellen zunächst in elektrische Signale umwandeln und dann die elektrischen Signale in bekannter Weise verarbeiten. Hierbei kann es vorteilhaft sein, weitere Schichten für den EMV-Schutz vorzusehen.
Für die Bereitstellung von Licht können unterschiedliche Komponenten eingesetzt werden: LEDs, OLED, LDs, VCSELs u.a. Solche Komponenten sind in diskreter Form als Mikro-Bauelemente verfügbar oder können, wie im Falle von OLEDs, auch gedruckt werden.
Für die Umsetzung der Licht-Signale in elektrische Signale können Fotodetektoren eingesetzt werden. Solche Komponenten sind in diskreter Form als Mikro-Bauelemente verfügbar oder können auch gedruckt werden.
Es ist allerdings auch eine direkte optische Verarbeitung oder VorVerarbeitung der optischen Signale möglich, etwa in einem optischen neuronalen Netzwerk.
Zu Kontroll-Zwecken kann vorgesehen sein, dass in dem optomechanischen System mindestens ein Kontroll-Lichtpfad eingerichtet ist, der die Lichtquelle und die Verarbeitungseinrichtung optisch direkt, also ohne Zwischenanordnung einer optomechanischen Elementarzelle, miteinander verbindet, so dass der Quell-Lichtstrahl auf diesem Kontroll-Lichtpfad nicht in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen modifiziert wird. Dies kann genutzt werden, um die Funktionsfähigkeit des Systems zu überprüfen sowie um beispielsweise die Leuchtstärke des ausgegebenen Quell-Lichtstrahls ggf. nachzuregulieren und das System somit zu eichen. Es besteht dabei auch die Möglichkeit, ein gepulstes Lichtsignal zur Überwachung oder generell zu Messzwecken einzusetzen.
Es wird ebenfalls Schutz beansprucht für die Verwendung des vorbeschriebenen optomechanischen Systems mit einer Anordnung von mehreren über eine Fläche verteilten optomechanischen Elementarzellen zur Bestimmung einer Verteilung wenigstens einer Kenngröße einer sich über die Fläche hinweg ausbreitenden Fluidströmung.
Bei der das Übertragungselement bzw. die Übertragungselemente beaufschlagenden Kraft handelt es sich dabei um eine durch die Fluidströmung verursachte externe Kraft.
Weiterhin wird Schutz beansprucht für die Verwendung des vorbeschriebenen optomechanischen Systems mit einer Anordnung von mehreren über eine Fläche verteilten optomechanischen Elementarzellen zur Bestimmung einer Verteilung einer lokalen Beschleunigung über die Fläche, insbesondere im Rahmen einer Flatteranalyse, bevorzugt für einen Flugzeugflügel.
Bei der das jeweilige Übertragungselement beaufschlagenden Kraft handelt es sich dabei um eine durch die lokale Beschleunigung beispielsweise eines in Schwingungen versetzten zu untersuchenden Objekts verursachte Trägheitskraft, die auf das jeweilige Übertragungselement direkt oder auf eine damit mechanisch gekoppelte Testmasse (träge Masse) wirkt.
Die gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgeschlagene Strömungssensoranordnung umfasst ein vorstehend beschriebenes optomechanisches System sowie wenigstens ein bevorzugt an der oberen Deckfläche des optomechanischen Systems vorgesehenes Tastelement, dem die optomechanische Elementarzelle oder eine der optomechanischen Elementarzellen zugeordnet ist, oder dem mehrere der optomechanischen Elementarzellen zugeordnet sind, wobei das Tastelement vorzugsweise strömungsabhängig verformbar und weiterhin dazu ausgebildet ist, das Übertragungselement jeder zugeordneten optomechanischen Elementarzelle mit einer jeweiligen strömungsabhängigen externen Kraft zu beaufschlagen. Dabei bilden das Tastelement und die zugeordnete optomechanische Elementarzelle oder die zugeordneten optomechanischen Elementarzellen gemeinsam ein Strömungssensorelement.
Durch geeignete Auswahl der Form und Ankopplung des Tastelements an das Übertragungselement jeder zugeordneten optomechanischen Elementarzelle können verschiedene Typen von Strömungssensorelementen gebildet werden, die an die Anforderungen des jeweiligen Einzelfalls angepasst sind.
Das Prinzip zur Umsetzung in ein photonisches Signal kann für alle spezifischen Typen von Strömungssensorelementen gleich gewählt werden, was vorteilhaft für Herstellung und Material-Logistik ist.
Mit einem einzigen optischen Basis-System sind mehrere Arten von Messgrößen erfassbar, etwa Strömungs-Geschwindigkeit, Strömungs-Profil, Strömungs-Richtung, Strömungsart (laminar, turbulent, Grad der Turbulenz), Strömungs-Abriss, Druck in der Strömung. Dafür muss im ungünstigsten Fall lediglich das Tastelement (die äußere mechanische Sensor-Komponente) angepasst werden.
Bevorzugt umfasst dabei das Tastelement einen nach oben offenen Hohlraum in der oberen Deckschicht des optomechanischen Systems, was eine gezielte Weiterleitung der externen Kraft zu dem Übertragungselement ermöglicht.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass unter dem Hohlraum in der oberen Deckschicht und diesen in einer Draufsicht auf die obere Deckschicht überlappend ein Hohlraum in einer Adapterschicht des optomechanischen Systems ausgebildet ist, in welchem Hohlraum das Übertragungselement angeordnet ist, wobei der Hohlraum in der Adapterschicht von dem Hohlraum in der oberen Deckschicht durch eine Membran getrennt ist, die beispielsweise durch eine elastische Schicht oder/und eine von der elastischen Schicht separat ausgebildete vorzugsweise elastische Membran gebildet ist, und wobei innerhalb des Hohlraums in der Adapterschicht ein vorgegebener Druck eingestellt ist, beispielsweise ein definiertes Vakuum oder ein anderer geeigneter vorgegebener Druck. Der Hohlraum in der Adapterschicht ist vorzugsweise hermetisch abgeschlossen.
Auf diese Weise kann ein einfacher Membransensor bereitgestellt werden. Eine Fluidströmung entlang der oberen Deckschicht erzeugt oder überträgt einen bestimmten Druck in dem Hohlraum in der oberen Deckschicht, und die Druckdifferenz zwischen diesem Druck und dem voreingestellten Druck in dem Hohlraum in der Adapterschicht bewegt die Membran und damit das Übertragungselement, welches das optische Volumen mit einer entsprechenden Kraft beaufschlagt, so dass aus der Modifikation des in das optische Volumen eingekoppelten Quell-Lichtstrahls letztlich Rückschlüsse auf den Druck in dem Hohlraum der oberen Deckschicht und damit auf den Druck in der Fluidströmung an der Stelle des Hohlraums gezogen werden können. Bei diesem Sensor umfasst das Tastelement im Sinne der Ansprüche also den Hohlraum in der oberen Deckschicht sowie die Membran.
Alternativ kann das Tastelement einen an der oberen Deckschicht oder einer der darunter angeordneten Schichten des optomechanischen Systems verankerten Strömungskörper oberhalb der oberen Deckschicht umfassen.
Dabei umfasst das Tastelement weiter vorzugsweise ein Verbindungselement welches den Strömungskörper an der oberen Deckschicht oder einer der darunter angeordneten Schichten des optomechanischen Systems verankert. Das Verbindungselement umfasst bevorzugt eine Zunge, einen Stab oder/und einen Faden.
Je nach dem ausgewählten Verbindungselement und dessen Befestigung ergibt sich damit beispielsweise ein Zungen-, Stab- oder Faden-Sensor. Der Strömungskörper kann aber auch direkt an der oberen Deckschicht oder einer der darunter angeordneten Schichten des optomechanischen Systems verankert sein, also ohne Verbindungselement.
Durch die Art der Befestigung des Strömungskörpers, etwa die Wahl der Länge des Verbindungselements, kann das Profil der Strömungsgeschwindigkeit in einer definierten Höhe oberhalb der oberen Deckschicht ermittelt werden.
Durch eine geeignete Form des Strömungskörpers und eine Strukturierung seiner Oberfläche kann eine Minimierung der Störwirkung des Sensors auf die Strömung erzielt werden.
Ein Sensortyp, der auch die Bestimmung der Strömungsrichtung an einer bestimmten Stelle erlaubt, kann beispielsweise im Falle eines Stab- oder Faden-Sensors dadurch bereitgestellt werden, dass das Tastelement weiter eine Pendelscheibe umfasst, an der das Verbindungselement befestigt ist, wobei dem Tastelement mehrere optomechanischen Elementarzellen zugeordnet sind, die an verschiedenen Positionen der Pendelscheibe mit dieser in Wechselwirkung stehen, wobei die mehreren optomechanischen Elementarzellen vorzugsweise über einen Umfangsrandbereich der Pendelscheibe verteilt sind, besonders bevorzugt mit im Wesentlichen gleichem Winkelabstand.
In einer einfachen Ausführung kann die Pendelscheibe rund und flach sein, es sind aber auch andere Formen oder/und Krümmungen möglich. In der Mitte kann die Pendelscheibe über einen Zentrierzapfen etwa an der optischen Schicht abgestützt sein. Auch soll nicht ausgeschlossen sein, dass die Pendelscheibe wenigstens bereichsweise elastisch ist.
Die erfindungsgemäße Technik ermöglicht insbesondere die Bestimmung der Strömungsverteilung über die obere Deckschicht, indem die Strömungssensoranordnung mehrere an der oberen Deckschicht verteilte Tastelemente umfasst, vorzugsweise verschiedenartig ausgebildete Tastelemente, wobei jedes Tastelement mit der zugeordneten optomechanischen Elementarzelle oder den zugeordneten optomechanischen Elementarzellen ein Strömungssensorelement bildet.
Die Strömungssensoranordnung umfasst damit verschiedene Typen von Strömungssensorelementen, die in geeigneter Weise über die zu untersuchende Fläche verteilt sind, um die gewünschten Kenngrößen einer Fluidströmung entlang dieser Fläche zu bestimmen. Das unterlagerte Messprinzip beruht dabei auf einer einzigen Basis-Technik, welche die Untersuchung von Strömungen sowohl in Gasen als auch in Flüssigkeiten ermöglicht.
Die gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Beschleunigungssensoranordnung, umfasst ein erfindungsgemäßes optomechanisches System, wobei der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle oder jeder der optomechanischen Elementarzellen jeweils eine Testmasse zugeordnet ist.
Die Testmasse kann durch das Übertragungselement der jeweiligen Elementarzelle gebildet oder separat von dem Übertragungselement ausgebildet und mechanisch mit diesem gekoppelt (z.B. fest verbunden) sein.
Vorzugsweise ist die Testmasse oberhalb des Übertragungselements und dieses in einer Draufsicht überlappend angeordnet, beispielsweise auf einer zwischen Testmasse und Übertragungselement angeordneten elastischen Membran.
Zum Schutz vor anderen Einflüssen kann die Testmasse in einem, vorzugsweise abgeschlossenen, Hohlraum unterhalb der oberen Deckschicht angeordnet sein, der beispielsweise in einer weiteren Adapterschicht ausgebildet ist.
Die optomechanische Elementarzelle einschließlich der zugeordneten Testmasse bildet dabei ein Beschleunigungssensorelement, welches die Messung einer lokal auf die Testmasse einwirkenden Trägheitskraft und damit einer lokalen Beschleunigung ermöglicht.
Die für die Strömungssensoranordnung erläuterten Vorteile hinsichtlich Material und Fertigung gelten in entsprechender Weise auch für die Beschleunigungssensoranordnung.
Auch eine Kombination von Beschleunigungssensorelementen und Strömungssensorelementen auf Grundlage des vorbeschriebenen optomechanischen Systems ist möglich, insbesondere die Integratione von Beschleunigungs- und Strömungssensorelementen in einem einzigen optomechanischen System.
Für die Erfindung können massenproduktions-taugliche und kostengünstige Herstellungsverfahren (RollToRoll R2R, SheetToSheet S2S, Inkjet printing, 3D printing, Prägeverfahren u.a.) eingesetzt werden. Zudem ermöglicht die vorgestellte Erfindung eine einfache und beliebig kombinierbare Anordnung der verschiedenen Sensor-Typen z.B. auf einem Band oder auf einer ausgedehnten Fläche.
Die äußeren mechanischen Sensor-Komponenten (Strömungskörper, Stäbe, Fäden, Zungen, Hohlräume, Testmassen) der Erfindung können flexibel für die jeweilige Strömungssituation (Medium, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsprofil, Druck, Frequenz von Druckschwankungen oder von Richtungsänderungen in der Strömung, Vibrationen, Beschleunigungen etc.) angepasst und platziert werden, ohne dafür die Konzeption der darunterliegenden optischen Strukturen anpassen zu müssen. Daraus ergeben sich erhebliche Kostenvorteile wegen der vereinheitlichen Produktionstechnik und außerdem kann eine Vielzahl von Produktvarianten auf der gleichen optischen Basistechnik mit geringem Entwicklungsaufwand angeboten werden.
Auch die Messung der Temperatur ist häufig relevant. Hierzu können bekannte Technologien zusammen mit den Lösungen aus der Erfindung auf gleicher Trägerbasis kostengünstig mit implementiert werden.
Die Erfindung ermöglicht somit eine über eine Fläche verteilte Erfassung relevanter Strömungsgrößen oder/und Beschleunigungen in Echtzeit und deren Darstellung in digitaler Form. Durch die digitale Erfassung in Echtzeit können die Strömungsdaten verknüpft werden mit den sonst am betrachteten Objekt (z.B. Flugkörper) erfassten Messdaten, etwa für eine Analyse zur sogenannten „Zustandsorientierten Wartung“. Wegen der Vielzahl der gleichzeitig erfassbaren Sensoren sind auch Methoden der KI wie neuronale Netze ansetzbar.
Es gibt einen starken Trend weg von teuren Materialien und FertigungsTechnologien, z.B. bei Silizium, hin zu preiswerten Materialien wie Kunststoffen. Dieser Trend wird durch die Erfindung aufnehmbar. Für den optischen Teil der Erfindung bieten sich die Verwendung z.B. von Polymeru. auch Glas-Folien an. Verwendete Folien sind zum großen Teil als Rollenware lieferbar, wodurch die Kosten für Material und Verarbeitung bedeutend gesenkt werden können.
Die unterschiedlichen, durch die Erfindung abgedeckten Sensor-Varianten, können weitgehend auf der gleichen Grundtechnik (gleicher Aufbau und Funktionalität der optischen Schichten (Ebenen) für die verschiedenen Sensor-Typen) aufgebaut werden. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität im Aufbau des Endproduktes nach Kundenwunsch ohne signifikante Mehrkosten.
Prozess- und Material-Kette sind auf der optischen (photonischen) Seite für eine Vielzahl Sensortypen prinzipiell gleich. Auch hieraus ergibt sich eine erhebliche Kostensenkung für Fertigung und Material. Alle Sensor-Typen sind auf einem Produktstreifen gemeinsam herstellbar.
Die Fertigung der außenliegenden Varianten der Tastelemente ist separierbar von der Fertigung des planaren optomechanischen Systems. Das ermöglicht eine freie Wahl von Materialien und Formen für die Tastelemente.
Die Miniaturisierbarkeit in der Bauhöhe ist durch den Aufbau in sehr dünnen Schichten möglich. Dafür können auch Halbzeuge wie Polymer-Folien, Glasfolien, Metall-Folien, Keramik-Folien oder andere Folien verwendet werden.
Zur Verbindung der Schichten können Laminier- oder Klebe-Verfahren eingesetzt werden. Transparente Kleber können dabei als Verbinder fungieren und gleichzeitig optische Funktionen übernehmen, z.B. durch Einprägen von optischen Strukturen. Nicht-transparente Kleber können zum Verbinden und ggf. auch zum Verkapseln Verwendung finden (z.B. Verhinderung von Lichtübertragung von Schicht zu Schicht). Auch Coating-Verfahren, etwa Inkjet-Druck, Plasma-Deposition u.a. können zum Aufbau von Schichten oder Teil-Schichten zum Einsatz kommen. Verschiedene Schichten können dabei unterschiedliche Funktionen erfüllen.
Beispielsweise für die Stromversorgung von Lichtquellen (LEDs, LDs, VCSELs, u.a.), für die Signalabgriffe an Fotodetektoren (Fotodioden, Fototransistoren, u.a.), für die Fotovoltaik-Zellen zur Energieversorgung, für die Energiespeicherung (Akkus, Batterien, Supercaps u.a.) und für die Kontakte zur Signalverarbeitung werden Leiterbahnen benötigt.
Es gibt unterschiedliche Methoden, um die optischen Schichten mit den benötigten elektrischen Kontakten und Leiterbahnen zu versehen. So können vorgefertigte, mit elektrisch leitfähigem Material (IOT, Metalle wie Silber u.a.) beschichtete Folien etwa aus optischem Polymer oder aus optischem Glas verwendet werden, wobei die überflüssigen Anteile des Leitermaterials abgetragen werden. Der Abtrag wiederum kann erfolgen z.B. durch lithografische Verfahren oder durch Laser-Ablation. Eine andere Möglichkeit des Aufbringens von elektrischen Kontakten und Leiterbahnen ist das Aufdrucken, etwa in Inkjet-Technik.
Der schichtweise, somit flächige Aufbau der Erfindung bietet die Nutzung der Fläche zum Aufbringen von weiteren Funktionalitäten, oberhalb und unterhalb der optischen Schichten.
Es gibt Methoden zur flächigen Herstellung von Photovoltaik-Zellen. Diese sollen die Energiegewinnung ermöglichen. Zum Speichern der Energie können außerdem in Schichten druckbare Batterien, Akkus oder Kondensatoren in der Strömungssensoranordnung eingesetzt werden. Mit der gleichen Technik können Fotodetektoren integriert werden zur Aufnahme der Lichtsignale und zur Umsetzung in elektrische Signale.
Mittlerweile können Analog-Digital-Wandler und Micro-Controller auch als Dünnfilm auf Folie hergestellt werden, so dass sich solche Komponenten besonders für die Integration mit dem dünnen Aufbau der Erfindung eignen und somit die Gesamtlösung dünn bleibt.
Zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit können faserverstärkte oder metallische Materialien eingesetzt werden.
Es ist auch möglich in dem flächigen Aufbau bei Bedarf Temperaturmessungen sowie Heizungen zu integrieren, um beispielsweise Eisbildung zu verhindern. Auch für diese Funktionen können Inkjet- oder/und Siebdruckmethoden eingesetzt werden.
Je nach Verwendung kann insbesondere die obere Deckschicht des optomechanischen Systems oder jede andere Außenfläche einer erfindungsgemäßen Strömungssensoranordnung mit einer geeigneten Beschichtung versehen sein, etwa einer Anti-Haft-Beschichtung, einer schmutzabweisenden Beschichtung, einer UV-Schutz-Beschichtung, einer Anti-Vereisungsbeschichtung, einer (super-) hydrophoben Beschichtung, einer Gleitbeschichtung etc. Hinsichtlich des verwendeten Materials kann beispielsweise eine metallische oder keramische Beschichtung oder auch eine KunststoffBeschichtung eingesetzt werden, etwa durch ein Polyimid.
Mit der vorgeschlagenen Technik können durch geeignete Wahl der Art und Verteilung der einzelnen Sensorelemente und deren Auswertung beispielsweise Böen erkannt werden, die ggf. lokal auf den beströmten Flächen auftreten. Beim Auftreten von Vibrationen (z.B. Flattern) können deren Ursachen erkannt werden, soweit sie strömungstechnische Ursache haben. Die Erfindung kann eingesetzt werden zur Bestimmung von SchallEmissionen verursacht durch Strömung.
Ein weiterer besonderer Vorteil ist, dass wegen des dünnen flächigen Aufbaus der Erfindung ein Nutzsystem jederzeit damit nachgerüstet werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei stellen dar:

1-6 perspektivische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele einer optomechanischen Elementarzelle,
7-14 in den Teilabbildungen a) und b) eine Querschnittsansicht und eine perspektivische Darstellung jeweils verschiedener Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen optomechanischen Systems,
15 in den Teilabbildungen a), b) und c) eine perspektivische Darstellung, eine Draufsicht und eine Schnittansicht von einem wesentlichen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Strömungssensoranordnung mit einem Membransensor als Strömungssensorelement,
16 in den Teilabbildungen a) und b) verschiedene Schnittdarstellungen von einem wesentlichen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Strömungssensoranordnung mit einem Zungen-Sensor als Strömungssensorelement,
17 in den Teilabbildungen a), b) und c) eine perspektivische Darstellung, eine Draufsicht und eine Schnittansicht von einem wesentlichen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Strömungssensoranordnung mit einem Stab-Sensor als Ström ungssensorelem ent,
18 eine perspektivische Darstellung von einem wesentlichen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Strömungssensoranordnung mit einem Faden-Sensor als Ström ungssensorelem ent,
19-21 perspektivische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele von Strömungssensoranordnungen, und
22 eine Schnittansicht von einem wesentlichen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Beschleunigungssensoranordnung.

Bei allen Figuren handelt es sich um stark vereinfachte und schematisierte Darstellungen, die im Wesentlichen dazu dienen, das Prinzip der Erfindung zu erläutern. Dabei sind gleiche oder einander entsprechende Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass nicht in jeder Figur alle Merkmale mit Bezugszeichen versehen sind, sondern im Wesentlichen nur diejenigen, die zur Erläuterung der jeweiligen Figur benötigt werden.
Um einen Blick auf alle wesentlichen Bestandteile zu ermöglichen, sind die verschiedenen Komponenten in den perspektivischen Darstellungen teilweise durchsichtig dargestellt. Elektrische Leiterbahnen sind in den Figuren nicht dargestellt. Auch sind Ausführungsbeispiele denkbar, die weitgehend oder vollständig ohne elektrische Leiterbahnen auskommen, etwa wenn die Verarbeitung nicht elektrisch sondern optisch erfolgt.
In den 1 bis 6 sind zunächst verschiedene Beispiele optomechanischer Elementarzellen 400 illustriert, die einen Grundbaustein der vorliegenden Erfindung darstellen, und im Weiteren auch kurz als OMEZ bezeichnet sind.
Die optomechanischen Elementarzellen 400 umfassen dabei jeweils ein vorzugsweise elastisch dehnbares oder/und elastisch komprimierbares optisches Volumen 433, das von einem Quell-Lichtstrahl Q mit Licht versorgt wird, sowie ein hier beispielhaft als zapfenförmiges Bauteil ausgebildetes Übertragungselement 320, welches mit einer Kraft F beaufschlagbar und dazu ausgebildet ist, das optische Volumen 433 in Abhängigkeit von der Kraft F zu beeinflussen, etwa zu komprimieren oder zu dehnen. Hierdurch wird der in das optische Volumen 433 eingedrungene Quell-Lichtstrahl verändert, und der aus dieser Veränderung resultierende Signal-Lichtstrahl wird aus dem optischen Volumen 433 ausgeleitet und anschließend vorzugsweise optisch oder/und elektronisch verarbeitet.
Wie nachfolgend noch näher erläutert, ist das optische Volumen 433 dabei jeweils in einer in den 1 bis 6 nur angedeuteten optischen Schicht 410 ausgebildet oder angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Quell-Lichtstrahl Q oder/und den Signal-Lichtstrahl S zu leiten.
Hierzu ist in den Ausführungsvarianten der 1 bis 3 jeweils ein Lichtwellenleiter 431 in die optische Schicht 410 eingebettet, der beispielsweise in einem Heißprägeverfahren in der optischen Schicht 410 hergestellt oder durch eine optische Faser aus einem Glas- oder Polymermaterial gebildet sein kann. In den Ausführungsvarianten der 4 bis 6 wird die optische Schicht 410 mit dem Quell-Lichtstrahl Q oder/und dem Signal-Lichtstrahl S geflutet.
In den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 dringt der Quell-Lichtstrahl nur in einen Teil des optischen Volumens 433 ein, der nachfolgend als aktives optisches Volumen 434 bezeichnet wird. Dagegen breitet sich der Quell-Lichtstrahl in den Ausführungsvarianten der 3 bis 6 im gesamten optischen Volumen 433 aus, so dass das optische Volumen 433 und das aktive optische Volumen 434 in diesen Beispielen zusammenfallen.
Beispielhaft ist das optische Volumen 433 in den Figuren jeweils als Quader dargestellt, es kann jedoch auch jede gewünschte andere Form aufweisen. Im Ausführungsbeispiel von 1 kann das optische Volumen 433 leer (ungefüllt) oder mit einem elastischen Material gefüllt sein. Insbesondere kann es aus dem gleichen Material wie die restliche optische Schicht 410 bestehen. In diesem Fall ist es möglich aber nicht unbedingt notwendig, dass das optische Volumen 433 Strukturen zur Abgrenzung vom Rest der optischen Schicht 410 aufweist.
Durch die vermittels des Übertragungselements 320 auf das optische Volumen 433 bzw. 434 ausgeübte Kraft werden dessen optische Eigenschaften verändert, die wiederum den eintretenden Quell-Lichtstrahl Q m od ifizieren.
Beispielsweise kann eine Transparenz des (aktiven) optischen Volumens 433 (434) von dessen momentaner Dehnung oder Kompression abhängen.
Im einfachsten Fall eines leeren optischen Volumens 433 kann die vorgenannte Veränderung einfach in einer momentanen Abschattung oder Verengung des Lichtweges bestehen, was die pro Zeiteinheit durch die optomechanische Elementarzelle 400 transmittierte Lichtmenge in Abhängigkeit von der Kraft F reduziert.
Es sind jedoch auch aufwändigere Varianten vorstellbar. Bei den in den 2 und 5 dargestellten Ausführungsvarianten ist in dem aktiven optischen Volumen 434 beispielsweise jeweils ein Bragg-Gitter 438 vorgesehen, welches in bekannter Weise als Dehnungssensor eingesetzt werden kann.
Um den Quell-Lichtstrahl Q in das (aktive) optische Volumen 433 (434) einzukoppeln oder/und den Signal-Lichtstrahl S aus dem (aktiven) optischen Volumen 433 (434) auszukoppeln, kann es jeweils ein geeignetes optische Bauelement 435 enthalten, etwa eine Linse, wie in den Ausführungsbeispielen der 3 und 6, bei denen das Bauelement 435 beispielsweise eingesetzt werden kann, um den jeweiligen Lichtstrahl auf einen gewünschten Bereich zu fokussieren, oder um das gesamte optische Volumen 433 gleichmäßig auszuleuchten, das dann mit dem aktiven optischen Volumen 434 zusammenfällt.
Auf Basis der optomechanischen Elementarzellen, wie sie vorstehend anhand einiger ausgewählter Beispiele beschrieben sind, können durch Ergänzung zusätzlicher Komponenten optomechanische Systeme 200 (kurz Systeme oder OMS) aufgebaut werden, von denen einige Ausführungsvarianten in den 7 bis 14 illustriert sind.
Bei allen dargestellten OMS-Varianten sind eine obere Deckschicht 210 und eine untere Deckschicht 220 vorgesehen, zwischen denen die optische Schicht 410 angeordnet ist, welche den Quell-Lichtstrahl zu der wenigstens einen Elementarzelle 400 leitet. Die Deckschichten 210, dienen als Träger-Schichten, zur Steuerung der geforderten Festigkeit und Resistenz gegen Umwelteinflüsse, zur Aufnahme von weiteren Komponenten wie Fotovoltaik-Schichten, Akkumulator-Schichten als Energieträger und zur Aufnahme weiterer ggf. erforderlicher Systeme. Es ist möglich, mehrere optische Schichten vorzusehen. Eine Verbindung der Schichten kann beispielsweise durch Adhäsionsschichten erfolgen, die selbst mit Strukturen ausgestatten sein können.
Zur Führung des Übertragungselements 320 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils eine Adapterschicht 330 zwischen der oberen Deckschicht 210 und der optischen Schicht 410 vorgesehen. Um eine Rückstellung des Übertragungselements 320 zu bewirken, können eine oder mehr elastische Schicht(en) 310 verwendet werden, bevorzugt oberhalb oder unterhalb der optischen Schicht 410 oder an beiden Positionen.
Bei den Ausführungsvarianten der 7 und 8 ist lediglich eine einzige optische Schicht 410 mit darin eingebetteten Lichtwellenleiten 431 vorgesehen, die dazu dienen, den Quell-Lichtstrahl Q der OMEZ 400 zuzuleiten und den Signal-Lichtstrahl S von der OMEZ 400 auszuleiten und der weiteren Verarbeitung zuzuführen.
In der Querschnittansicht der Teilabbildungen a) der 7 und 8 sind noch weitere Lichtwellenleiter 431 dargestellt, die zu weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Elementarzellen führen können.
In 7 besteht das optische Volumen 433 bzw. das aktive optische Volumen 434 aus dem gleichen Material wie der Rest der optischen Schicht bzw. der Lichtwellenleiter, während in 8 das aktive optische Volumen 434 anders aufgebaut und damit als eigenständige Komponente sichtbar dargestellt ist.
In den Varianten der 9 bis 14 sind jeweils zwei optische Schichten 410, 420 vorgesehen, die der Einfachheit halber im Folgenden als obere optische Schicht 410 und untere optische Schicht 420 bezeichnet werden.
Beim Aufbau nach 9 befindet sich der (nicht dargestellte) Quell-Lichtstrahl zunächst (geflutet) in der oberen optischen Schicht 410. Der aus dem aktiven optischen Volumen 434 in der oberen optischen Schicht 410 austretende Signal-Lichtstrahl wird mittels einer Kopplungsstruktur 436 nach unten zu der unteren optischen Schicht 420 geleitet. Auf der Ebene der unteren optischen Schicht 420 kann beispielsweise ein Fotodetektor 442 zur Aufnahme und Wandlung des Signal-Lichtstrahls in ein elektrisches Signal vorgesehen sein.
Auch beim Aufbau nach 10 wird der (nicht dargestellte) Quell-Lichtstrahl in der oberen optischen Schicht 410 dem optischen Volumen 433 zugeführt, wobei die obere optische Schicht 410 mit dem Quell-Lichtstrahl geflutet wird. Der aus dem aktiven optischen Volumen 434 in der oberen optischen Schicht 410 austretende Signal-Lichtstrahl wird mittels einer Kopplungsstruktur 436 nach unten zu der unteren optischen Schicht 420 geleitet. In der unteren optischen Schicht 420 befindet sich in diesem Aufbau bevorzugt eine weitere Kopplungsstruktur 436 zur Übertragung des Signal-Lichtstrahls in einen in der unteren optischen Schicht 420 eingebetteten Lichtwellenleiter 431 zwecks Weiterleitung.
Beim Aufbau nach 11 befindet sich der Quell-Lichtstrahl Q in der unteren optischen Schicht 420 und wird von einer elektronischen Lichtquelle 441 bereitgestellt, die den Quell-Lichtstrahl in eine Kopplungsstruktur 436 zu der oberen optischen Schicht 410 einspeist. Von dort gelangt das Licht in das aktive optische Volumen 434 in der oberen optischen Schicht 410. Das austretende Signal-Licht wird mittels einer weiteren Kopplungsstruktur 436 wieder nach unten zu der unteren optischen Schicht 420 geleitet. In der unteren optischen Schicht 420 befindet sich in 11 ein Fotodetektor 442 zur Aufnahme und Wandlung des Signal-Lichtstrahls in ein elektrisches Signal.
Beim Aufbau nach 12 befindet sich der (nicht dargestellte) Quell-Lichtstrahl in der unteren optischen Schicht 420 und wird von einer elektronischen Lichtquelle 441 bereitgestellt, die den Quell-Lichtstrahl in eine Kopplungsstruktur 436 zu der oberen optischen Schicht 410 einspeist. Von dort gelangt das Licht in das aktive optische Volumen 434 in der oberen optischen Schicht 410. Der austretende Signal-Lichtstrahl wird mittels einer weiteren Kopplungsstruktur 436 wieder nach unten in Richtung der unteren optischen Schicht 420 geleitet. In der unteren optischen Schicht 420 befindet sich in diesem Aufbau eine weitere Kopplungsstruktur 436 zur Übertragung des Signal-Lichts in einen in der unteren optischen Schicht eingebetteten Lichtwellenleiter 431 zwecks Weiterleitung.
Beim Aufbau nach 13 wird die untere optische Schicht 420 mit dem Quell-Lichtstrahl geflutet. Dann wird dieser über eine optische Mikrostruktur 437 ausgeleitet und in eine Kopplungsstruktur 436 in der oberen optischen Schicht 410 einspeist. Von dort gelangt das Licht in das aktive optische Volumen 434 in der oberen optischen Schicht (410). Der austretende Signal-Lichtstrahl wird mittels einer weiteren Kopplungsstruktur 436 nach unten in Richtung der unteren optischen Schicht 420 geleitet. In der unteren optischen Schicht 420 befindet sich in diesem Aufbau ein Fotodetektor 442 zur Aufnahme und Wandlung des Signal-Lichtstrahls in ein elektrisches Signal.
Beim Aufbau nach 14 wird der Quell-Lichtstrahl von einem Lichtwellenleiter 431 geführt, der in der unteren optischen Schicht 420 eingebettet ist. Vom Lichtwellenleiter 431 tritt der Quell-Lichtstrahl in eine Kopplungsstruktur 436 in der unteren optischen Schicht 420 ein. Die untere Kopplungsstruktur 436 überführt den Quell-Lichtstrahl in eine weitere Kopplungsstruktur 436 in der oberen optischen Schicht 410. Von dort gelangt das Licht in das aktive optische Volumen 434 in der oberen optischen Schicht 410. Der austretende Signal-Lichtstrahl wird mittels einer weiteren Kopplungsstruktur 436 wieder nach unten in Richtung der unteren optischen Schicht 420 geleitet. In der unteren optischen Schicht 420 befindet sich in diesem Aufbau eine weitere Kopplungsstruktur 436 zur Übertragung des Signal-Lichtstrahls in einen in der unteren optischen Schicht 420 eingebetteten Lichtwellenleiter 431 zwecks Weiterleitung.
Die OMS der 7 bis 14 können bei Integrierung in eine geeignete Sensoranordnung zur Messung lokaler Strömungseigenschaften oder auch zur Messung lokaler Beschleunigungen bzw. Vibrationen eingesetzt werden, etwa als Grundlage einer Flatteranalyse für einen Flugzeugflügel.
15 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer Strömungssensoranordnung 100 mit einem Membran-Sensor 360 als Strömungssensorelement 500. Dabei ist in der oberen Deckschicht 210 des OMS 200 ein nach oben offener Hohlraum 361 vorgesehen, der direkt oberhalb eines Hohlraums 363 in der Adapterschicht 330 vorgesehen ist, in welchem ein Übertragungselement 320 angeordnet ist (vgl. 15c), die eine Schnittansicht des Gegenstands der Draufsicht von 15b) entlang der dort mit C-C bezeichneten Schnittebene darstellt).
Der in der Fluidströmung entlang der oberen Deckschicht 210 anstehende Druck wirkt durch die Durchgangsöffnung 358 in den Hohlraum 361 innerhalb der oberen Deckschicht 210, über eine elastische Schicht 310 auf eine Sensor-Membran 362.
In dem hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 363 in der Adapterschicht 330 wird bei der Fertigung ein gewünschter Gegendruck eingestellt, etwa ein Vakuum oder ein anderer vorgegebener Druck. Die aus dem Differenzdruck zwischen den Hohlräumen 361 und 363 resultierende Kraft bewegt das Übertragungselement 320. Der nach oben offene Hohlraum 361 ist somit Bestandteil eines Tastelements 300 im Sinne von Anspruch 11.
16 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer Strömungssensoranordnung 100 mit einem Zungen-Sensor 350 als Strömungssensorelement 500.
Dabei ist eine Verbindungszunge 351 als Verbindungselement 345 beispielsweise um eine Drehachse D oder einen Drehpunkt elastisch aus einer Ruhelage auslenkbar mit dem Schicht-System der OMS verbunden und trägt an ihrem freien Ende einen Zungenkörper 353 als Strömungskörper 340. Mittels eines an geeigneter Stelle vorgesehenen Druck-Körpers 352 wirkt die aus der Strömung eingeleitete Kraft über die elastische Schicht 310 auf das Übertragungselement 320, das bereits als Bestandteil der OMEZ- und OMS-Varianten beschrieben wurde.
Der Druckkörper 352 kann an der Verbindungszunge 351 oder an der elastischen Schicht 310 vorgesehen sein, oder er kann auch zweiteilig ausgebildet und an beiden Stellen vorgesehen sein. Der Zungenkörper 353 kann beliebig nach den Strömungsanforderungen gestaltet werden. Beispielsweise kann eine Oberfläche des Zungenkörpers 353 zur Reduzierung von Störeffekten für die Strömung angepasst sein, etwa mit einer Variante einer Haifischhaut-Struktur.
17 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer Strömungssensoranordnung 100 mit einem Stab-Sensor 370 als Strömungssensorelement 500.
Bei diesem umfasst das Tastelement 300 einen hier beispielhaft als Kugel 374 ausgebildeten Strömungskörper 340 sowie einen starren oder elastischen Stab 373 als Verbindungselement 345, eine Pendel-Scheibe 371, eine elastische Schicht 310 und mehrere Übertragungselemente 320, die zu jeweils einer OMEZ 400 gehören.
Je nach Betrag und Richtung der Auslenkung des Strömungskörpers 340 aus der in Teilabbildung a) dargestellten Ruhelage wird die Pendelscheibe 371 verkippt und wirkt somit unterschiedlich stark auf die verschiedenen Übertragungselemente 320 ein, die über den Umfang der Pendelscheibe 371 verteilt sind.
Aus einer vergleichenden Analyse der Signal-Lichtstrahlen von den verschiedenen OMEZ 400, die dem Tastelement 300 zugeordnet sind, können daher Rückschlüsse auf Betrag und Richtung der Fluidströmung an der Stelle des Tastelements 300 gezogen werden.
Zwecks Rückstellung in eine Ruhestellung und als Gegenkraft ist die Pendelscheibe 371 mit der elastischen Schicht 310 verbunden. Eine elastische Schicht 310 kann oberhalb oder unterhalb der Pendelscheibe 371 oder an beiden Stellen vorhanden sein. Zudem kann ein Zentrierzapfen 372 vorhanden sein. Die Pendel-Scheibe 371 kann durch eine angepasste Öffnung 363 in der Adapterschicht 330 geführt sein, vorzugsweise verschiebe- oder/und drehsicher.
Die Übertragungselemente 320 sind über den Umfang der Pendel-Scheibe 371 verteilt und stehen mit dieser in Wechselwirkung. Sie können beliebige Formen haben. Auch ist die Länge des Stabs 373 an die Anforderungen der Strömungssituation anpassbar.
Die einfachste Form der Pendel-Scheibe 371 ist rund und flach. Es können aber beliebige andere Formen verwendet werden. Die Pendel-Scheibe 371 kann auch gekrümmt oder/und zumindest bereichsweise elastisch ausgebildet sein. Eine elastische Schicht wird dann nicht zwingend benötigt.
Die Form des Strömungskörpers 340 ist an die Anforderungen der Strömung anpassbar. Die Oberfläche des Strömungskörpers 340 kann, wie für den Zungensensor erläutert, zur Reduzierung von Störeffekten für die Strömung angepasst sein.
Der Faden-Sensor 380 der Strömungssensoranordnung 100 gemäß 18 ist ähnlich wie der Stab-Sensor 370 aufgebaut, allerdings mit dem Unterschied, dass der Strömungskörper 340 nicht direkt auf dem Stab 373 aufgesetzt ist sondern mit diesem über einen Faden 381 verbunden ist. Hier umfasst das Verbindungselement 345 im Sinne von Anspruch 14 also den Stab 373 und den Faden 381. Im Übrigen wird auf die vorstehende Beschreibung des Stab-Sensors verwiesen.
In den 19 bis 21 sind drei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Strömungssensoranordnung 100 im Ganzen dargestellt, die jeweils ein optomechanisches System 200 mit mehreren an dessen oberer Deckschicht verteilten, verschiedenartigen Tastelementen 300 umfasst, wobei jedes Tastelement 300 mit der bzw. mit den zugeordneten OMEZ 400 ein Strömungssensorelement 500 bildet.
Die Strömungssensoranordnung 100 umfasst somit eine Vielzahl verschiedenartiger Strömungssensorelemente 500, beispielsweise die vorstehend beschriebenen Zungen-Sensoren 350, Membran-Sensoren 360, Stab-Sensoren 370 oder/und Faden-Sensoren 380. Die Auswahl und Verteilung der Sensoren in den Figuren ist dabei rein beispielhaft gewählt und kann an den jeweiligen Einzelfall angepasst werden.
Die Strömungssensoranordnung 100 gemäß 19 umfasst weiterhin eine Lichtquelle 120, beispielsweise eine Lichtquellen-Zeile, vorzugsweise aus LEDs, zur Erzeugung des Quell-Lichtstrahls bzw. der Quell-Lichtstrahlen sowie eine Verarbeitungseinrichtung 130, um den Signal-Lichtstrahl bzw. die Signal-Lichtstrahlen zu empfangen und zu verarbeiten.
Zur Umwandlung der Lichtsignale in elektronische Signale kann wenigstens ein geeigneter Fotodetektor eingesetzt werden, und die Verarbeitung elektronischer Signale kann in einer herkömmlichen Microcontroller-Einheit 150 erfolgen, die weiterhin eine Schnittstelle zum Anschluss an eine gewünschte Elektronik o.ä. umfassen kann. Auch eine rein optische Signalverarbeitung der Lichtsignale ist nicht ausgeschlossen.
Die für den Betrieb notwendige Energie kann beispielsweise einem in der Sensoranordnung 100 integrierten Akku 140 oder einer photovoltaischen Zelle entnommen oder über eine geeignete Schnittstelle bezogen werden.
Die Ausführungsbeispiele der 20 und 21 unterscheiden sich von dem Ausführungsbeispiel der 19 im Wesentlichen durch die Anordnung der Lichtquelle(n) 120 und der Verarbeitungseinrichtung 130 relativ zueinander und zu den einzelnen Strömungssensorelementen 500.
Während im Beispiel gemäß 19 die Lichtquelle 120 und die Verarbeitungseinrichtung 130 an gegenüberliegenden Längsenden eines näherungsweise rechteckigen Sensorabschnitts 110 des OMS 200 angeordnet sind, in dem sich die einzelnen Strömungssensorelemente 500 befinden, sind die Einrichtungen 120 und 130 in den Beispielen der 20 und 21 miteinander integriert oder kombiniert ausgebildet.
Dabei kann beispielsweise eine hier nicht explizit gezeigte Führung des Lichts in geeignet verlaufenden Lichtwellenleitern vorgesehen sein (20), oder/und das Licht kann in einer (hier nicht explizit dargestellten) optischen Schicht von der Lichtquelle 120 zu den einzelnen Strömungssensorelementen 500 geführt, in einer Umlenkeinrichtung 170 (Umlenk- oder Koppelzeile) in eine weitere optische Schicht umgelenkt und von dort zurück zur Verarbeitungseinrichtung 130 geleitet werden (21).
Die flächige Ausbildung der Sensoranordnung 100 macht diese besonders geeignet, um an Flächen eingesetzt zu werden, deren Strömungsverhältnisse untersucht werden sollen, etwa Tragflügeln, aerodynamischen Fahrzeugoberflächen, Rotorblättern, Turbinenschaufeln und ähnlichem.
22 zeigt eine Schnittdarstellung von einem wesentlichen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Beschleunigungssensoranordnung 190.
Bei dieser wirkt keine externe, strömungsabhängige Kraft auf das Übertragungselement 320, sondern dieses ist mechanisch mit einer Testmasse 180 gekoppelt, auf welche im Falle einer Beschleunigung (beispielsweise bei Vibrationen des untersuchten Objekts) eine Trägheitskraft als Kraft F wirkt.
Die Testmasse 180 und die optomechanische Elementarzelle 400 bilden gemeinsam ein Beschleunigungssensorelement 550.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Testmasse 180 oberhalb des Übertragungselements 320 und dieses in einer Draufsicht überlappend angeordnet, beispielsweise auf einer zwischen Testmasse 180 und Übertragungselement 320 angeordneten elastischen Membran 362 oder/und elastischen Schicht 310.
Zum Schutz vor externen Einflüssen ist die Testmasse 180 bevorzugt in einem Hohlraum 364 unterhalb der oberen Deckschicht 210 angeordnet, der beispielsweise in einer weiteren (oberen) Adapterschicht 331 ausgebildet sein kann. Der Hohlraum 364 kann abgeschlossen sein, es ist jedoch auch beispielsweise eine Öffnung zum Gasaustausch mit dem Hohlraum 363 denkbar, in dem das Übertragungselement 320 angeordnet ist.
Anders als dargestellt kann die Testmasse in einer alternativen Ausführungsform auch durch das Übertragungselement gebildet sein. Die Beschleunigungssensoranordnung 190 kann mehrere über eine zu untersuchende Oberfläche verteilte Beschleunigungssensorelemente 550 aufweisen, die in einem Schichtsystem integriert sein können.
Es ist mit der dargestellten Technik auch möglich, Strömungssensoren und Beschleunigungssensoren auf einem Substrat oder in einem Schichtsystem zu integrieren, beispielsweise indem in den 19 bis 21 einige der Strömungssensorelemente, etwa die Membran-Sensoren 360, durch Beschleunigungssensorelemente 550 gemäß 22 ersetzt werden.
Bezugszeichenliste

100: Strömungssensoranordnung
110: Sensorabschnitt
120: Lichtquelle
130: Verarbeitungseinrichtung
140: Akku
150: MCU
170: Umlenkeinrichtung
180: Testmasse
190: Beschleunigungssensoranordnung
200: optomechanisches System
210: obere Deckschicht
220: untere Deckschicht
300: Tastelement
310: elastische Schicht
320: Übertragungselement
330: Adapterschicht
331: weitere (obere) Adapterschicht
340: Strömungskörper
345: Verbindungselement
350: Zungen-Sensor
351: Verbindungszunge
352: Druckkörper
353: Zungenkörper
358: Durchgangsöffnung
360: Membran-Sensor
361: Hohlraum in der oberen Deckschicht
362: Sensor-Membran
363: Hohlraum in der Adapterschicht
364: Hohlraum in der weiteren Adapterschicht
370: Stab-Sensor
371: Pendel-Scheibe
372: Zentrierzapfen
373: Stab
374: Kugel
380: Faden-Sensor
381: Faden
400: optomechanische Elementarzelle
410: (obere) optische Schicht
420: (untere) optische Schicht
431: Lichtwellenleiter
433: optisches Volumen
434: aktives optisches Volumen
435: optisches Bauelement
436: Kopplungsstruktur
437: optische Mikrostruktur
438: Bragg-Gitter
441: Lichtquelle
442: Fotodetektor
500: Strömungssensorelement
550: Beschleunigungssensorelement
Q: Quell-Lichtstrahl
S: Signal-Lichtstrahl
F: Kraft
D: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8749766 B1 [0009]
DE 4443665 C2 [0013]

Claims

Optomechanisches System (200), umfassend - eine obere Deckschicht (210), - eine untere Deckschicht (220), - wenigstens eine mit einer Lichtquelle (120, 441) optisch koppelbare und zwischen der oberen und der unteren Deckschicht (210, 220) angeordnete, zur Leitung von Licht ausgebildete optische Schicht (410, 420), - eine Anordnung von wenigstens einer optomechanischen Elementarzelle (400), welche ein mit der wenigstens einen optischen Schicht (410, 420) optisch gekoppeltes optisches Volumen (433), sowie ein diesem optischen Volumen (433) zugeordnetes Übertragungselement (320) umfasst, das von oben mit einer Kraft (F) beaufschlagbar und dazu ausgebildet und angeordnet ist, in Abhängigkeit von der Kraft (F) auf das optische Volumen einzuwirken, wobei das optische Volumen (433) wenigstens abschnittsweise in der optischen Schicht (410) ausgebildet oder angeordnet und weiter dazu konfiguriert ist, einen Quell-Lichtstrahl (Q) aus der wenigstens einen optischen Schicht zu empfangen, so dass dieser in das gesamte optische Volumen (433) oder nur in einen Teil des optischen Volumens (433) eindringt, der ein aktives optisches Volumen (434) bildet, und dazu, den Quell-Lichtstrahl (Q) in Abhängigkeit von der momentan das Übertragungselement (320) beaufschlagenden Kraft (F) zu modifizieren und den modifizierten Quell-Lichtstrahl als Signal-Lichtstrahl (S) aus dem optischen Volumen (433) herauszuleiten.
Optomechanisches System (200) nach Anspruch 1, wobei eine Transparenz des optischen Volumens (433) oder des aktiven optischen Volumens (434) der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle (400) wenigstens für eine gegebene Wellenlänge oder einen gegebenen Wellenlängenbereich von der momentan das Übertragungselement (320) beaufschlagenden Kraft (F) abhängt.
Optomechanisches System (200) nach Anspruch 1, wobei das optische Volumen (433) der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle (400) leer ist oder mit einem elastischen Material gefüllt ist oder ein Bragg-Gitter (438) enthält.
Optomechanisches System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend wenigstens ein optisches Bauelement (435), welches vorzugsweise wenigstens eine Linse oder ein Prisma umfasst, um den Quell-Lichtstrahl (Q) in das optische Volumen (433) oder das aktive optische Volumen (434) einzukoppeln oder/und um den Signal-Lichtstrahl (S) aus dem optischen Volumen (433) oder dem aktiven optischen Volumen (434) auszukoppeln.
Optomechanisches System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine zwischen der oberen Deckschicht (210) und der wenigstens einen optischen Schicht (410) angeordnete Adapterschicht (330), in der das Übertragungselement (320) der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle (400) ausgebildet oder vorgesehen ist.
Optomechanisches System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend wenigstens eine elastische Schicht (310), die zwischen der optischen Schicht (410) und wenigstens einer der Deckschichten (210) ausgebildet ist.
Optomechanisches System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der wenigstens einen optischen Schicht (410, 420) wenigstens ein Lichtwellenleiter (431) angeordnet ist, um den Quell-Lichtstrahl (Q) zu dem optischen Volumen (433) der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle (400) zu leiten oder den Signal-Lichtstrahl (S) von diesem weg zu leiten.
Optomechanisches System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine optische Schicht (410, 420) dazu ausgebildet ist, abschnittsweise oder vollständig mit dem Quell-Lichtstrahl (Q) oder/und dem Signal-Lichtstrahl (S) geflutet zu werden.
Optomechanisches System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend wenigstens eine weitere optische Schicht (420), die dazu ausgebildet ist, Licht entlang der weiteren optischen Schicht zu leiten, sowie eine Kopplungsstruktur (436), um Licht von einer zu der anderen der beiden optischen Schichten (410, 420) zu leiten.
Optomechanisches System (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend wenigstens eine Lichtquelle (120), die mit der wenigstens einen optischen Schicht (410, 420) optisch gekoppelt ist, oder/und wenigstens eine Verarbeitungseinrichtung (130), die dazu ausgebildet ist, den Signal-Lichtstrahl (S) oder die Signal-Lichtstrahlen (S) zu empfangen und zu verarbeiten.
Optomechanisches System (200) nach Anspruch 10 mit einer Lichtquelle (120) und einer Verarbeitungseinrichtung (130), wobei mindestens ein Kontroll-Lichtpfad eingerichtet ist, der die Lichtquelle (120) und die Verarbeitungseinrichtung (130) optisch ohne Zwischenanordnung einer optomechanischen Elementarzelle (400) miteinander verbindet.
Verwendung eines optomechanischen Systems (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Anordnung von mehreren über eine Fläche verteilten optomechanischen Elementarzellen (400), zur Bestimmung einer Verteilung wenigstens einer Kenngröße einer sich über die Fläche hinweg ausbreitenden Fluidströmung.
Verwendung eines optomechanischen Systems (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einer Anordnung von mehreren über eine Fläche verteilten optomechanischen Elementarzellen (400), zur Bestimmung einer Verteilung einer lokalen Beschleunigung über die Fläche, insbesondere im Rahmen einer Flatteranalyse, bevorzugt für einen Flugzeugflügel.
Strömungssensoranordnung (100), umfassend: ein optomechanisches System (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, und wenigstens ein an der oberen Deckfläche (410) des optomechanischen Systems (200) vorgesehenes Tastelement (300), dem die optomechanische Elementarzelle (400) oder eine der optomechanischen Elementarzellen (400) zugeordnet ist, oder dem mehrere der optomechanischen Elementarzellen (400) zugeordnet sind, wobei das Tastelement (300) vorzugsweise strömungsabhängig verformbar und dazu ausgebildet ist, das Übertragungselement (320) jeder zugeordneten optomechanischen Elementarzelle (400) mit einer jeweiligen strömungsabhängigen externen Kraft (F) zu beaufschlagen, wobei das Tastelement (300) und die zugeordnete optomechanische Elementarzelle (400) oder die zugeordneten optomechanischen Elementarzellen (400) gemeinsam ein Strömungssensorelement (500) bilden.
Strömungssensoranordnung (100) nach Anspruch 14, wobei das Tastelement (300) einen nach oben offenen Hohlraum (361) in der oberen Deckschicht (210) des optomechanischen Systems (200) umfasst.
Strömungssensoranordnung (100) nach Anspruch 15 mit einem optomechanischen System (200) nach Anspruch 5, wobei unter dem Hohlraum (361) in der oberen Deckschicht (210) und diesen in einer Draufsicht auf die obere Deckschicht (210) überlappend ein Hohlraum (363) in der Adapterschicht (330) ausgebildet ist, in welchem das Übertragungselement (320) angeordnet ist, wobei der Hohlraum (363) in der Adapterschicht (330) von dem Hohlraum (361) in der oberen Deckschicht (210) durch eine elastische Schicht (310) oder/und eine vorzugsweise elastische Membran (362) getrennt ist, und wobei innerhalb des Hohlraums (363) in der Adapterschicht (330) ein vorgegebener Druck eingestellt ist.
Strömungssensoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, vorzugsweise mit einem optomechanischen System (200) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (300) einen an der oberen Deckschicht (210) oder einer der darunter angeordneten Schichten des optomechanischen Systems (200) verankerten Strömungskörper (340) oberhalb der oberen Deckschicht (210) umfasst.
Strömungssensoranordnung nach Anspruch 17, weiter umfassend ein Verbindungselement (345), welches den Strömungskörper (340) an der oberen Deckschicht (210) oder einer der darunter angeordneten Schichten des optomechanischen Systems (200) verankert und vorzugsweise eine Verbindungszunge (351), einen Stab (373) oder/und einen Faden (381) aufweist.
Strömungssensoranordnung (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (300) weiter eine Pendelscheibe (371) umfasst, an der das Verbindungselement (345) befestigt ist, wobei dem Tastelement (300) mehrere optomechanische Elementarzellen (400) zugeordnet sind, die an verschiedenen Positionen der Pendelscheibe (371) mit dieser in Wechselwirkung stehen, wobei die mehreren optomechanischen Elementarzellen (400) vorzugsweise über einen Umfangsrandbereich der Pendelscheibe (371) verteilt sind, besonders bevorzugt mit im Wesentlichen gleichem Winkelabstand zueinander.
Strömungssensoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, umfassend mehrere an der oberen Deckschicht verteilte Tastelemente (300), vorzugsweise verschiedenartig ausgebildete Tastelemente (300), wobei jedes Tastelement (300) mit der zugeordneten optomechanischen Elementarzelle (400) oder den zugeordneten optomechanischen Elementarzellen (400) ein Strömungssensorelement (500) bildet.
Beschleunigungssensoranordnung (190), umfassend ein optomechanisches System (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der wenigstens einen optomechanischen Elementarzelle (400) oder jeder der optomechnischen Elementarzellen (400) jeweils eine Testmasse (180) zugeordnet ist, die durch das Übertragungselement (320) der jeweiligen Elementarzelle (400) gebildet ist oder mechanisch mit dem Übertragungselement (320) gekoppelt ist, wobei die optomechanischen Elementarzelle (400) einschließlich der zugeordneten Testmasse (180) ein Beschleunigungssensorelement (550) bildet.