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Optoelektronisches Schaltkreiselement Die Erfindung bezieht sich
auf ein optoelektronisches Schaltkreiselement der im Oberbegriff des Anspruchs 1
näher bezeichneten Art.
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Ein optoelektronisches Schaltkreiselement der erfindungsgemäßen Gattung
umfaßt wenigstens ein strahlungsemittierendes Element, eine Strahlungsausbreitungseinheit
und wenigstens ein strahlungsempfindliches Element, wobei das strahlungsemittierende
Element so angeordnet ist, daß es über die Strahlungsausbreitungseinheit Strahlen
an das strahlungsempfindliche Element überträgt, und wobei ferner die beiden Elemente
derart bezüglich der Strahlungsausbreitungseinheit positioniert sind, daß eine identifizierbare
Zustandsänderung des strahlungsempfindlichen Elementes mittels eines äußeren Betätigungskörpers,
insbesondere einerFingerspitze, hervorgerufen werden kann.
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Die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine wurde bis vor kurzem
hauptsächlich mit Hilfe machanischer Vorrichtungen, wie beispielsweise Drucktasten,
Drehwiderstände usw. zur Steuerung
elektrischer Systeme vorgenommen.
Obwohl derartige mechanische Vorrichtungen oftmals eine sehr einfache Konstruktion
besitzen, wäre es vorteilhaft, als Steuerelemente in elektrischen Systemen Vorrichtungen
zur Verfügung zu haben, welche keine beweglichen Teile besitzen und daher keinem
Verschleiß unterworfen sind und bei denen das elektrische System hermetisch von
der Umgebung abgeschlossen ist, so daß es auch filr einen Einsatz in tiefem Wasser
oder in Umgebungen mit hohen Säure- oder Chemikalienkonzentrationen geeignet ist
Es gibt eine Reihe von Bauprinzipien für von Hand betätigte Schalter, welche ohne
bewegliche Teile auskonunen. Einige derar-tige Schalter sind im handel gebräuchlich.
Zwei Arten von Berührungstasten ohne bewegliche Teile, die auf Leitungs- bzw.
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Kapazitätsprinzipien beruhen, wurden bn den vergangenen paar Jahren
als Kanal-Wählschal-ter in Fernsehgeräten eingesetQ.
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Bei dem Leitungs-typ wird ein Schaltkreis durch die Leitfähig keit
der mensehiichen IIaut geschlossen. Da der Schaltkreis genau dann geschlossen ist,
wenn der Finger der Betätigungsperson die Kontaktelektroden berührt, führt dieses
Prinzip zu einer trennscharfen Funkt:Lon. Ein wesentlicher Nachteil derartiger Berahrungsschalter
vom Leitungstyp liegt jedoch in ihrer starken Empfindlichkeit auf Feuchte, was zu
Streuströmen zwischen den Steuerelektroden führt und leicht unerwünschte Schaltvorgänge
auslöst. Bei dem Kapazitätstyp ändert die Anwesenheit eines Fingers die Kapazität
zwischen zwei Kondensatorplatten, die üblicherweise in einiger Entfernung hinter
einer
flachen Glas- oder Kunststoffoberfläche angrebracht sind0 Bei einem bekannten Typ
einer derartigen Berührungstaste, der beispielsweise in Aufzügen verwendet wird,
ändert die Anwesenheit eines Fingers die Induktanz einer Spule in einem Abstimmkreis.
Die Empfindlichkeit gegen Peuchte ist bei den Kapazitäts-und Induktivitätstypen
von Berührungstasten geringer als bei dem Leitungstyp, wobei diese Typen durch eine
geeignet konstruierte Schaltkreislogik einer Bewertungsschaltung auf eine zufriedenstellende
Funktion sogar unter verhältnismäßig dampfigen Bedingungen gebracht werden können.
Da die von der Anwesenheit eines Fingers ausgelösten Änderungen bei allen drei Arten
von Berührungstasten gering sind, d.h., daß diese Vorgänge auf Leitungs-, Kapazitäts-
bzw. Induktivitätsprinzipien beruhen miissen die Bewertungsschaltungen sehr empfindlich
sein und müssen sorgfältig gegen elektrische Störungen geschützt werden.
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Ferner beruht die Wirkungsweise aller drei Berührungstastenarten auf
den leitenden und kapazitiven Eigenschaften des Betätigungsfingers, d0h., auf dessen
Wasseranteil, so daß der Schutz gegen andere Formen von Wasser, Feuchte und dergleichen
eine komplizierte Schaltungslogik erfordert und nicht in allen Fällen eine Pehlerfreiheit
gewährleistet.
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Andere Arten von handbetätigten Schaltern ohne bewegliche Teile beruhen
auf optoelektronischen Prinzipien, wobei der Durchtritt eines Lichtstrahls zwischen
einer Lichtquelle und einer Fotozelle mit Hil-fe eines Fingers unterbrochen wird
(DE-PSn 14 90 947 und 14 90 948 sowie GB-PS 12 46 295). Es ist
auch
möglich, das von einer Lichtquelle kommende Licht an dem Finger zu reflektieren
und mittels einer Fotozelle zu erfassen DE-PS 15 66 695 sowie GB-PS 12 46 296).
Bei derartigen optoelektronischen Handschaltern besteht die große Schwierigkeit
darin, einen zuverlässigen Schutz gegen Einstreuungen äußerer Lichtquellen, beispielsweise
der Sonne, zu erreichen, was die praktische Anwendung derartigen Konstruktionen
in wesentlichem Maße beschränkt. Diese Bauweisen gewährleisten keine scharfe Unterscheidung,
so daß danach konstruierte Schalter sehr leicht durcll fremde Gegenstande unbeabsiclltigt
betätigt werden kcnnen.
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Aus der vorstehenden Übersicht über bekannte Bauprinzipien für manuell
betätigte Schalter ohne bewegliche Teile ist ersichtlich, daß diese Schalter gleichzeitig
zwei gegenläufige Forderungen zu erfüllen suchen, nämlich empfindlich auf die bloße
Berührung eines Fingers zu sein und gleichzeitig unempfindlich gegen andere äußere
Faktoren zu sein, welche das Betätigungskriterium nachahmen könnten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein optoelektronisches
Schaltkreiselement zu schaffen, welches sowohl in einer Schaltfunktion als auch
in einer Rheostatfunktion verwendet werden kann und welches in viel höherem Maße
als bisher selektiv auf eine Fingerberührung empfindlich und auf zahlreiche Formen
äußerer Störeinflüsse unempfindlich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Scahltkreiselement wird eine Operation nur
dann ausgelöst, wenn ein Betätigungskörper, wie beispielsweise eine Fingerspitze,
in direkten Kontakt mit der Berührungsfläche der Strahlungsausbreitungseinheit gelangt.
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Dadurch läßt sich eine sehr scharke Unterscheidung hinsichtlich einer
Unempfindlichkeit gegen äußere Strahlung, elektromagnetische Felder und andere Störeinflüsse
erzielen. Da das erfi ndungsgemäße Schaltkreiselement keine beweglichen Teile besitzt,
kann es hermetisch gegen die Umgebung abgedichtet werden. Durch eine geeignete Wahl
der Strahlungsausbreitungseinheit kann es ferner in hohem hIaße unempfindlich gegen
mechanische Beschädigung, gegen hohe Drücke, Hitze, Säuren und andere Chemikalien
gemacht werden und kann ferner beispielsweise in tiefem Wasser oder unter anderen
extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Schaltkreiselementes besteht iMessen einfacher Konstruktion, welche für eine Massenfertigung
und Miniaturisierung geeignet ist. Da das erfindungsgemäße Schaltkreiselement auf
einem optischen Prinzip beruht, ist es ferner unmittelbar anwendbar als manuelles
Steuerelement in optischen FaserschaltungenO Das erfindungsgemäße Schaltkreiselement
kann in Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. eine Schalterfunktion erfUllen.
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Zusammen mit den vorstehend erwähnten Vorteilen besitzen danach konstruierte
Schalter einen breiten Anwendungsbereich, beispielweise al.s Ber,ihrungstasten in
Fernsehgeräten und Studioausrüstungen,
als Schalter in feuchten
Umgebungen, usw.
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Desweiteren Kann das erfindungsgemäße Schaltkreiselement zusammen
mit den Merkmalen des Anspruchs 3 eine Rheostatfunktion erfüllen. Eine solche Ausführungsform
gestattet den Ersatz einer großen Anzahl von Eingabe-tasten durch eine einzige Eingabe-einheit,
wodurch eine weitre:ichende Miniaturisierung ermöglicht wird. Da das Tastenfeld
in vielen Fällen, beispielsweise bei elektronischen Taschenrechnern, einen größenbegrenzenden
Faktor darstellt, ist es durch diese Ausführungsform beispielsweise möglich, Mini-Rechenr
in elektronischen Uhren einzusetzen oder auf Fingerspitzengröße gebrachte Eingabe-einheiten
£ür Fernsehspiele zu verwenden, usw. Bei einer derartigen, auf der Rheostatfunktion
basierenden Eingabe-einheit wird der Finger über die Berührungsfläche geschoben
und in Abhängigkeit davon, wieviel von der ak-tiven Berührungsfläche des Fingers
in Berührung steigt, eine entsprechende Zahl (oder Operation) angezeigt, beispielsweise
auf einer Anzeigetafel. Wenn die gewünsch--te Zahl bzw. Opera-tion auf diese Weise
gewählt ist, wird sie durch einen zweiten manuellen Vorgang , beispielsweise durch
ein Zeichen,der damit verbundenen Bewertungsschaltung eingegeben, so daß eine Sperrung
und Registrierung des Signals durch einen schnellen, härteren Yingerspitr4endruck
gegen die Berührungsflächen oder durch schnelles Hochheben des Fingers von der Berührungsfläche
erzielt werden kann. Mit Hilfe einer derartigen Bewertungsschaltung kann die Rheostat-Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schaltkreiselementes ferner zum Ersatz von derzeit in Lautstärke-,
Bass- und Höhenreglern von Rundfunk- und
Fernsehempfängern verwendeten
mechanischen Rheostaten gegen Bauelemente ohne bewegliche Teile verwendet werden.
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Die Ausführungsform nach Anspruch 4 kann bei Verwendung von Glas oder
Epoxyharz mit genügend hohem Brechungsindex zur Unterdrickung von äußerem Licht
sowie iiir Wasser als äußeres Medium außerhalb der Berührung sfläche des Prismas
verwendet werden.
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Die Merkmale nach Anspruch 5 erlauben eine Massenfertigung durch Verwendung
von Drucktechniken zur Aufbringung des Abschirmmusters. In Betracht kommende Anwendungsformen
sind Display-Schirme mit Eingabemöglichkeit, wenn eine größe Anzahl der in Rede
stehenden S Schaltkreiselemente auf einer Oberfläche in Form eines Schirmmusters
angebracht werden soll.
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FiEr die Positionierung des strahlnngsemittierenden Elementes und
des strahlungsempf indlichen Elementes bezüglich der trahlungsausbreitungseinheit
kann von den Ausführungsformen nach Anspruch 6 oder Anspruch 7 Gebrauch gemacht
werden. Von diesen beiden Ausführungsformen kann die zweite Ausführungsform nach
Anspruch 7 normalerweise auf einem geringeren Strahlungsintesitä-tspegel arbeiten
als die Ausführungsform nach Anspruch 6. Hinsichtlich der ersten Ausführungsform
ist zu bemerken, daß das Reflexionsvermögen von Fingerspitzen bei allen Menschen
groß ist. Die Hau-t auf der Innenseite der Extremitäten besteht aus einer dickeren
Hornhautschicht über der melanin-pigmenthaltigen Schicht als sonst wo am Körper.
Dadurch haben sogar
Passen mit sehr dunkler Haut weißliche Handflächen
und Fingers spitzen.
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Bei Verwendung eines Glasprismas in Form eines rechteckförmigen Parallelepipeds
als Stralllungsausbreitungseinheit kann für die Ausführungsform nach Anspruch 6
eine Anordnung nach Anspruch 8 und für die Ausführungsform nach Anspruch 7 eine
Anordnung nach Anspruch 9 getroffen werden. Das Konstruktionsprinzip der Ausführungsform
nach Anspruch 6 kann beispielsweise verwendet werden, um große Berührungstastenfelder
zu konstruieren, bei denen eine der Anzahl der verschiedenen Tasten entsprechende
Anzahl von Lichtquellen hinter einer großen, planparallelen Glasplatte befestigt
und ein lichtempfindliches Element gegen eine der ebenen Kanten der Platte gerichtet
ist, um das Strahlungsfeld innerhalb der Platte parallel zu der Berührungsflache
zu erfassen. Wenn der Finger die Berührungsfläche berührt, wird Licht von der Lichtquelle
hinter der Platte durch den Finger in das erwähnte Strahlungsfeld reflektiert und
(möglicherweise nach mehrfachen, nach innen gerichteten Totalreflexionen) in dem
lichtempfindlichen Element mit Hilfe einer Multiplextechnik identifiziert. Mit einer
derartigen Konstruktion kann unter Verwendung des hin- und hergehenden Bild-Leuchtflecks
als gemultiplexte Lichtquelle der Finger ferner wie ein Leuchtgriffel auf Fernsehschirmen
und Rechner-Displays verwendet werden, wodurch auf diese Weise eine Eingabemöglichkeit
erzielt werden kann und Leuchtgriffel und externe Tastenfelder durch Berührungstasten
iminittelbar auf dem Schirm ersetzt werden können,
deren Lage und
Funktionen genauso wie die anderen Informationen auf dem Bildschirm programmiert
werden können. Das Konstruktionsprinzip nach Anspruch 7 kann beispielsweise verwendet
werden, um eine andere Bauart von großen Berührungstastenfeldern zu konstruieren,
bei denen das Strahlungsfeld innerhalb einer großen, planparallelen Glasplatte eine
von der Außenseite unsichtbare Lichtstralilmatrix bildet, deren Zeilen und Spalten
durch eine Anzahl von Lichtquellen-ljichtdetektorpaaren gebildet wird, die gegen
die planen Kanten der Platte gerichtet sind und durch die Kanten über mehrfeclle
innere Totalreflexion an den oberen und unteren Plattenflächen Licht übertragen.
Die Berührung der oberen Plattenfläche an der Schnittstelle zwischen einem Zeilen-
und einem Spaltenstrahl führt zu einer Verringerung der inneren Totalreflexion dieser
beiden Strahlen, wan zur Tastenidentifizierung herangezogen wird. Die Ausführungsform
nach Anspruch 10 ist speziell geeignet für die Herstellung kleiner Meßskalen, beispielsweise
von zugeschnittenen Steuerpulten oder die Kombination mit den vorstehend erwähnten
Ausführungsformen, In Fällen, wo die verwendete Strahlung eine kurzwel.lige elektromagnetische
Strahlung ist, erweist sich die Ausführungsform nach Anspruch 11 von Vorteil.
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Zur Erzielung einer weiteren Unterdrückung von äußerer, durch die
Berührungsfläche in die Strahlungsausbreitungseinheit eindringender Strahlung können
die Merkmale nach Anspruch 11 mit
Vorteil angewandt werden. Auf
diese Weise kann der erforderliche Energieverbrauch bei gleichem Unterdrückungspegel
gegen äußeres Licht wesentlich verringert werden.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fign 1 und 2 zwei bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltkreiselementes
mit einem Glasprisma in Form eines rechteckförmigen Parallelepipeds als Strahlungsausbreitungseinheit;
Figo 3 eine Anordnung mit mehreren Schaltkreiselementen nach Fig0 1, die in optischem
Kontakt mit einer plan-parallelen Glasplatte angebracht sind, und Fig. 4 eine weitere
Ausführungsform des erfindungsgemüßten Schaltkreiselementes mit einer Strahlungsausbreitungseinheit
in Form einer plan-parallelen, mit Abschirmvorrichtungen versehenen Glasplatte0
In den Zeichnungen sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, umfaßt die dargestellte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen, optoelektronischen Schaltkreiselementes eine lichtemittierende
Diode 1, welche das strahlungsemittierende Element bildet und mit einer elektrischen
St romversorgung
2 verbunden ist, ferner einen Fototransistor
3, welcher das strahlungsempfindliche Element bildet und mit einer elektrischen
Bewertungsschaltung 4 verbunden ist, und schließlich ein Glasprisma 5 in Form eines
rechteckförmigen Parallelepipeds, welches die Strahlungsausbreitungseinheit bildet.
Eine der planen Prismenflächen, die nachstehend als Berührungsfläche 6 bezeichnet
werden soll, bildet eine Grenzschicht gegen ein optisch dünnes Medium, üblicherweise
Luft, außerhalb des Prismas. Die lichtemittierende Diode 1 ist gegen eine der Seitenflächen
des Prismas 5 senkrecht zu der Berührungsfläche 6 gerichtet und überträgt Licht
unter einem spitzen Winkel gegen die Berührungsfläche 6, wo das Licht einer inneren
Totalreflexion unterliegt und anschließend durch die gegentiberliegende Seitenfläche
des Prismas 5 austritt, gegen welche der Pototransitor 3 gerichtet ist.
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Die Punktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Schaltkreiselementes
beruht auf folgendem Prinzip, das anhand einer elektromagnetischen Strahlung erläutert
werden soll.. Wenn eine ebene, in einem Medium sich ausbreitende elektromagnetische
Welle an einer Grenzschicht gegen ein äußeres Medium mit unterschiedlicher Wellengeschwindigkeit
auftrifft, wird sie teilweise in eine gebrochene, in das äußere Medium eindringende
Welle und teilweise in eine reflektierte Welle zerlegt, welche nach erfolgter Reflexion
an der Grenzschicht in dem ursprünglichen Medium verbleibt. Die Winkel zu t und
Ors welche die einfallende, gebrochene bzw. reflektierte Welle mit der Normalen
bezüglich
der Grenzschicht in dem betreffenden Medium bilden, unterliegen den folgenden Beziehungen:
sin #t / sin #i = n (Snel-Gesetz), (1) = #i (Reflxionsgesetz), (2) wobei. n der
Brechungsindex, d.h., das Verhältnis zwischen den Wellengeschwindigkeiten in dem
äußeren und dem inneren Medium ist.
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Wenn das innere Medium optisch dichter ist als das äußere Medium,
d.h., n 51, liefert die Gleichung (1) reelle Winkel nur für #i < arcsin (1/n),
während für #i > arcsin (1/n= eine innere Totalreflexion auftritt. Wenn, wie
dies speziell für das Schaltkreiselement nach Figur 1 zutrifft, das innere, optisch
dichtere Medium in Form eines rechteckförmigen Parallelepipeds ausgebildet ist und
n > 1/sin (#/4) = 2, wird aufgrund der Bedingungen für die innere Totalreflexion
an den Oberflächen des Prismas 5 diejenige Strahlung, welche durch die Berührungsfläche
6 und die parallel zu der Berührungsfläche 6 verlaufende Prismenflache hindurchtritt,
optisch von derjenigen Strahlung getrennt, welche durch die zu der Berührungsfläche
6 senkrecht verlaufenden PrismenfLächen hi.ndurchtrittO Ein Lichtstrahl a - a',
welcher von der Außenseite in einer solchen Richtung einfällt, daß er bei Brechling
an der Berührungsfläche 6 eine der senkrecht zu der Berührungsfläche 6 verlaufenden
Seitenflächen trifft, wird daher stets an dieser Seitenfläche total reflektiert
und tritt dann durch die parallel zu der Berührungsfläche 6 verlaufende Fläche aus0
Der Fototransistor
, , welcher gegen eine der Seitenflächen de«
Prismen 5 gerichtet ist, wird daher - wenn man einmal von möglicher Lichtdiffusion
im Glas absieht - vollständig gegen äußeres, durch die Berührungsfläche 6 dirgendes
Licht geschützt, was anderfalls die Funktion des Schaltkreiselementes stören wiirde.
Mit einer auereichenden Lichtabschirmung der Seitenflächen des Prismas einschließlich
der lichtemittierenden Di.ode und des Fototransistors besteht daher der Lichteinfall
bei dem Fototransistor ausschließlich aus Licht, des von der lichtemittierenden
Diode emittiert und dann an der Berührungsfläche 6 total reflektiert wurde.
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Dies ist in Figo 3 durch den Lichtstrahl b - b' und c - c' dargestellt.
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Bei einer inneren Totalreflexion verschwindet jedoch das Feld im äußeren
Medium nicht vollständig. Anstelle der bei normaler Brechung ausbreitenden Welle
tritt bei innerer Totalreflexion eine sogn. abklingende Welle auf, die exponentiell
von der Berührungsfläche 6 bzw. Grenzschicht in das äußere Medium abklingt und eine
Eindring- -tiefe in der Größenordnung einer Wellenlänge der Strahlung besitzt. Eine
Betrachtung der senkrecht zu der Berührungsfläche 6 verlaufenden Komponente des
Poynting-Vektors zeigt, daß Energie zwischen der Berührungsfläche 6 und der abkli.ngenden
Welle hin und her gepumpt wird, doch daß - im Gegensatz zu einer ausbreitenden Welle
bei normaler Brechung - der iiber die Zeit integrierte Energiefluß naoh außen durch
die Berührungsfläche 6 bei innerer Totalreflexion gleich Null ist (vgl. M0 Born
und E. Wolf "Principles of
Optics", Pergamon Press 1959, Seiten
17 - 19; ferner A. I.
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Mahan und C. V. Bitterli "Applied Optics", Sand 17, 1979, Seite 509).
Wenn jedoch ein absorbierendes Medium, wie beispielweise ein Finger, wesen die Berührungsfläche
6 im Bereich der von dieser Fläche abklingenden Welle gelegt wird, ändern sich die
Bedingungen mit der Folge, daß die ansonsten von der abklingenden Welle in die Berührungsfläche
6 gepumpte Energie nunmehr von dem Finger 7 absorbiert wird, was zu einem Intensitätsabfall
der total reflektierten Welle fährt. Dies stellt ein wellenoptisches Equivalent
zu dem tunneleffekt in der Quanten-Mechanik dar, d.h. , Photonen "tunneln" über
das absorbierende Medium und verschwinden auf diese Weise von der total reflektierten
Welle.
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Aufgrund des vorstehend erläuterten phzsikalischen Prinzips kann daher
die Intesität des Lichtes, welches den Fototransistor 3 nach erfolgeter innerer
Totalreflexion an der Berürungsfläche 6 erreicht, mit Hilfe einen Fingers 7 variiert
werden, der in Kontakt mit der Berührungsfläche 6 vebracht wird. Je größer der Teil
der wirksamen Berührungsfläche ist, gegen welche der Finger 7 gelegt wird, oder
je härter der Finger 7 gegen die Berührungsfläche 6 gepreßt wird, deste häher ist
die Lichtabsorption in dem Finger, was zu einer geringeren intesität des dem Fototransistor
3 erreichenden Lichtes führt. Die dadurch ausgelöste Änderung des elektrischen Zustandes
des Fototransistors 3 wird mit Hilfe der an den Fototransistor 3 angeschlossenen
Bewertungsschaltung 4 ausgewertet.
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Zur Erzielung eines weiteren Schutzen gegen äußere Strahlung, welche
durch die Berührungsfläche 6 hindurchtritt und die Funktion des Schaltkreiselementes
durch mögliche Lichtdiffusion in dem Glas stören könnte, wird das von er Lichtemittierenden
Diode 1 emittierte Licht intesitätsmoduliert und/oder es wird der Fototransistor
3 auf die Lichtemittieredne Diode 1 elektrisch rückgekoppelt, was in Fig. 1 mit
einer gestrichelten Linie angedeutet ist.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen
Schaltkreiselementes, das von der Ausführungsform nach Fig. 1 Lediglich in bezug
auf die Position der Lichtemittierenden Diode 1 abweicht, wobei die geänderte Position
eine andere Bedienungsart gestattet. Und zwar ist im Gegensatz zu der Ausführungsform
nach Fig. 1 die Lichtemittierende Diode 1 bei der Ausführungsform nach Fig. 2 gegen
diejenige Fläce des Glasprismas 5 gerichtet, welche parallel zu der Berührungsfläche
es verläuft. Aufgrund der vorstehend erläuterten optischen frennung zwischen den
durch die horizontalen und die vertikalen Prismenflächen hindurchtretenden Wellensystemen
sind weder das von der Lichtemittierenden Diode 1 emittierte Licht noch Beugungen
oder Reflexionen des durch die Berührungsfläche 6 dringenden äußeren Lichtes normalerweise
in der Lage, den Fototransistor 3 zu erreichen. Wenn jedoch zur Betätigung des Schaltkreiselementes
ein Finger 7 gegen die Berührungsfläche 6 gelegt wird, sind Photonen in analoger
Weise zu den vorstehenden Erläuterungen in Verbindung mit Fig. 1 in der Lage, von
dem Finger in das
Prisma innerhalb eines Winkelbereiches an der
Berührungsfläche zu "tunneln", innerhalb welchem ansonsten nur Strahlung vorhanden
ist, die einer inneren Totalreflexion an der 13erührungsfläche 6 unterworfen ist.
In der Praxis bedeutet dies, daß ijieht von der lichtemittierenden Diode 1 durch
den Pinger 7 an der Grenzschicht des Prismas so reflektiert wird, daß eine optisehe
Kommunikation zwischen den beiden vorstehenden erwähnten Wellensystemen stattfIndet
und dadurch Licht den Fototransistor 3 erreicht. Es ist daher in diesem Falle möglich,
mit Hilfe eines Fingers 7 eine kontinuierliche Variation des elektrischen Zustandes
des Fototransistors 3 zur Erzeugung eines variablen Eingangssignals für die angeschlossene
Bewertungsschaltung 4 hervorzurufen.
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Fig. 3 zeigt eine Konstruktion mit drei optoelektronischen Schaltkreiselementen
der in Fig. 1 dargestellten Art. Die Berührungsfläehe 6 jedes Prismas 5 ist hierbei
in optischem Kontakt mit einer Oberfläche einer plan-parallelen Glasplatte 8 befestigt,
vorzugsweise mit Hilfe eines optischen Zementes.
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Die Strahlungsausbreitungseinheit jedes Schaltkreiselementes besteht
bei dieser Ausführungsform somit aus einem Glasprisma 5 und der damit in optischem
Kontakt befindlichen Glasplatte 8.
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Die ebene Oberfläche der Glasplatte 8, an welcher die Prismen 5 angebracht
sind, ist mit einem lichtabsorbierenden Anstrich 10 an denjenigen Teilen bedeckt,
welche nicht mit den Glasprismen 5 in Kontakt stehen. Vorzugsweise ist diejenige
Oberfläche jedes Glasprismas 5, die parallel zu der Berlihrungsfläche 6
verläuft,
ebenfalls mit dem lichtabsorbierenden Anstrich 10 bedeckt. Die Bestätigung eines
der Schaltkreiselemente erfolgt bei der Ausführungsform nach Fig. 3 durch Anlegen
eines Fingers gegen die betreffende Berührungsfläche 11, welche die Oberfläche der
Glasplatte 8 ist, wo das Licht der in Rede stehenden lichtemittierenden Diode total
reflektiert wird, bevor es den Fototransistor 3 des betreffenden Schaltkreiselementes
erreicht.
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Die Lage der Berührungsfl- liclie 11 jedes Schaltkreiselementes kann
durch eine Zahl oder ein anderes Symbol markiert werden, die in dem optischen Zement
unmittelbar unterhalb der betreffenden Berührungsfläche angebracht ist, wobei diese
Lage den Strahlengang in dem Schaltkreiselement nicht stört.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Schaltkreiselementes. Die Ausführungsform nach Fig. 4 umfaßt eine plan-parallele
Glasplatte 12, auf deren einer Oberflliche lichtemittierende Dioden 1 und Fototransistoren
3 in alternierender Folge und in optischem Kontakt mit dem Glas angebracht sind.
Ferner rind Abschirmungsvorrichtungen 13 innerhalb der Glasplatte 1 17 vorgesehen,
und zwar so, daß jeweils eine Abschirmungsvorrichtung unmittelbar vor jedem Fototransistor
3 liegt. Die Abscirmungsvorrichtungen 13 sind so in bezug auf die kritischen Winkel
für eine innere Totalreflexion an der ebenen Fläche der Glasplatte 12 bemessen,
daß die an dieser Glasplattenfläche gebrochene äußere Strahlung den betreffenden
Fototransistor 3 ni.cht erreichen kann. Im Gegensatz dazu werden die Fototransistoren
3 von Licht beaufschlagt, welches von den
benachbarten lichtemittierenden
Dioden 1 emittiert und anschließend an der anderen planen Oberfläche der Glasplatte
12 total reflektiert wird, wobei diese Oberfläche als Berührungsfläche 11 dient.
Diese innere Totalreflexion des von den lichtemittierenden Dioden 1 emittierten
Lichtes kann durch Anlegen eines Fingers 7 gegen die Berührungsfläche 11 gedämpft
werden, wo die innere Totalreflexion auftritt. Die Funktionsweise der Ausführungsform
nach Fig.4 ist analog zu der vorstehend beschriebenen Funktionsweise der ausführungsform
nach Fig. 1.
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Es versteht sich, das die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt ist, da es hierzu zahlreiche, dem Durchschnittsfachmann
ohne weiters erkennbare Alternativen gibt. Optische strahlung wird im vorliegenden
Zusammenhang definiert als Strahlung von Wellennatur, welche die zur Funktion des
Schaltkreiselementes erfolderliche Brechungs-und Reflexionseigenschaften zeigt.
Anstelle einer sichtbaren Lichtstrahlung oder einer Infrarotstrahlung kann ohne
weiteres eine Mikrowellenstrahlung oder eine Ultraschalstrahlung verwendet werden.
Dabei kann die manuelle Betätigung auch durch andere Mittel als durch eine Fingerspitze
erfolgen, beispielsweise durch einen Weichgummikörper, der von Hand über die Berührungsfläche
getastet wird, wodurch die Rheostat-Ausführungsform des Schaltkreiselementes mit
einer Hardware-Speicherfunktion versehen werden kann. In Ausführungsformen mit einem
rechteckfärmigen Parallelepiped als Strahlungsausbreitungseinheit kann eine verhältnismäßig
dünne, plan-parallele Platte verwendet
werden, derart, das eine
mehrfache Reflexion der Strahlungs an der Berührungsfläche und der Parallel zu der
Berührungsfläche verlaufenden Oberfläche auftritt, wodurch der durh die anderung
der Sedingungen für die innere Totalreflexion an der Berührungsfläche hervorgerufene
effekt akzentuiert wird, oder wodurch das strahlungsempfindliche Element in einer
größeren Entfernung von der Berührungsfläche angebracht werden kann. Bei Ausführungsformen
mit einem rechteckförmigen Parallelepiped als Strahlungsausbreitungseinheit ist
es ferner möglich, zwei orthogonale Wellensysteme mit Hilfe der jeweils Gegenüberliegenden
Seitenflächenpaare des Prallelepipeds senkrecht zu der Berührungsfläche zu verwenden.
Wie vorstehend bereits erwähnt, werden diese beidem Wellensysteme optisch voneinander
und von änderer, durch die Berührungsfläche dringender Strahlung getrennt. Mit Hilfe
einer derartigen Anordnung von strahlungsemitierenden und strahlungsempfindlichen
Elementen nach dem erfindungsgemäßen Vorsclag ist es möglich, beispielweise mit
Hilfe eines Fingers eine zweidimensionale Rheostatfunktion zu erzielen, welche der
Funktion von sogn. "Joy-Sticks" in komplizierten Steuereinrichtungen entspricht.
Bei Ausführungsformen mit Abschirmungsvorrichtungen innerhalb der Strahlungsbreitungseinheit
können die strahlungsemittierenden und die strahlungsempfindlichen Elemente zusätzlich
zu einer alternierenden Folge in einem quadtratischen Muster auch beispielweise
in einen hexagonalen Muster angeordnet werden, bei dem jedes strahlungsemittierende
Element von sechs strahlungsempfindlichen Elementen oder umgekehrt umgeben ist.
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Als Alternativen zu lichtemittierenden Dioden können die strahlungsemittierenden
Elemente in Form von Glühlampen oder phosphoreszierenden
Anstrichen
ausgebildet werden, wohingegen anstelle von Fototransistoren als strahlungsempfindliche
Elemente Fotodioden, Selen- oder Kadmiumsulphid-Fotozellen verwendet werden können.