ES2827021T3

ES2827021T3 - Sensor de curvatura óptico

Info

Publication number: ES2827021T3
Application number: ES16756664T
Authority: ES
Inventors: Wilhelm Zackl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2036-08-17
Also published as: WO2017029340A1; AT517632B1; US10788339B2; AT517632A1; US20180238719A1; EP3338060A1; PL3338060T3; EP3338060B1

Abstract

Conductor de luz (1) con por lo menos una grieta (2), en el que una dirección longitudinal de la grieta con respecto a una dirección de propagación del conductor de luz (1) forma un ángulo de incidencia θ, y en el que la grieta (2) está limitada por dos superficies límite (9), que son respectivamente paralelas a la dirección longitudinal de la grieta (2), en el que las dos superficies límite (9) forman un ángulo de apertura (a), y en el que el ángulo de apertura (a) es mayor que 0°, presentando el conductor de luz un índice de refracción n, encontrándose un medio, en particular aire, en la grieta y presentando un índice de refracción nm y aplicándose para el ángulo de incidencia θ: **(Ver fórmula)** en particular **(Ver fórmula)** en el que una primera superficie límite se encuentra en la dirección de propagación del conductor de luz (1) en la transición del conductor de luz (1) al medio, encontrándose una segunda superficie límite en la dirección de propagación del conductor de luz (1) en la transición del medio al conductor de luz (1), produciéndose en la primera superficie límite una onda evanescente, y estando la segunda superficie límite dispuesta dentro de la onda evanescente, y presentando la grieta (2) una altura menor que la altura (D) del conductor de luz.

Description

DESCRIPCIÓN

Sensor de curvatura óptico

La invención se refiere a un conductor de luz, a un sensor óptico con un conductor de luz y a un procedimiento para producir un conductor de luz.

Por el estado de la técnica, se conocen sensores de extensión que trabajan ópticamente, que pueden detectar una expansión de conductores de luz utilizados en los sensores. A este respecto, debido a la interferencia en los intersticios dispuestos regularmente en el conductor de luz, habitualmente se borran determinadas regiones del espectro de luz. Para ello, se necesita, por un lado, luz con un determinado espectro para su alimentación al conductor de luz, y, por otro lado, un medio para el análisis espectral de la luz que sale de nuevo del conductor de luz. En dichos sensores, resulta ventajoso que pueden detectar con una alta exactitud variaciones de longitud en el intervalo nanométrico. Sin embargo, resulta desventajoso que, debido a los componentes especiales necesarios, un sensor construido de tal manera solo puede miniaturizarse con dificultad y es de producción muy costosa. Además, una disposición de intersticios precisa, necesaria para este tipo de sensores, en el conductor de luz solo puede generarse de manera laboriosa, lo que aumenta tanto los costes como la propensión a fallos y/o averías del sensor.

Por el documento DRAGAN Z STUPAR ETA L “The possibility of using a plastic optical fibre as a sensing element in civil structural health monitoring”, PHYSICA SCRIPTA, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BISTROL, GB, tomo 2013, n.° T157, 15 de noviembre de 2013 (15-11-2013), página 14031, se divulga un conductor de luz con por lo menos una grieta, grieta que se delimita por dos superficies límite, superficies límite que forman entre sí un ángulo de apertura mayor que 0°. A este respecto, de manera ortogonal a una dirección de propagación de la luz están insertadas unas cuñas macroscópicas en el conductor de luz.

Por el documento RAHNAVARDY K ET AL: “ INVESTIGATION AND APPLICATION OF THE FRUSTRATED-TOTAL-INTERNAL-REFLECTION PHENOMENON IN OPTICAL FIBERS”, APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC, EE. UU., tomo 36, n.° 10, 1 de abril de 1997 (01-04-1997), páginas 3183-2187 se da a conocer un conductor de luz con un intersticio, que se extiende entre dos trozos de fibra, no extendiéndose el intersticio de manera ininterrumpida, de modo que en este intersticio no pueda definirse un ángulo de apertura, de manera que además en las superficies límite del intersticio no puedan producirse ondas evanescentes.

Por tanto, la invención se basa en el objetivo de superar las desventajas descritas anteriormente y ofrecer una posibilidad de un sensor óptico, supersensible, que al mismo tiempo pueda miniaturizarse fácilmente y pueda producirse de manera económica.

Este objetivo se alcanza según la invención mediante un conductor de luz según la reivindicación 1.

Este objetivo se alcanza adicionalmente mediante un sensor óptico según la reivindicación 6.

Formas de realización preferidas de la invención son el objeto de las reivindicaciones dependientes.

A continuación, se describen más detalladamente ejemplos de formas de realización preferidos y ventajosos de la invención mediante los dibujos. A este respecto, los mismos componentes están identificados por motivos de claridad en diferentes formas de realización con los mismos signos de referencia. Los procedimientos de producción no están incluidos en las reivindicaciones.

Muestra en parte de manera muy esquematizada:

la figura 1, una sección longitudinal a través de una primera forma de realización de un conductor de luz según la invención,

la figura 2, el conductor de luz de la figura 1 en la vista en planta,

la figura 3, un fragmento de la figura 1,

la figura 4, el fragmento de la figura 3 en estado doblado,

la figura 5, el fragmento de la figura 3 en estado extendido,

la figura 6, un elemento de sensor representado de manera esquematizada con dos conductores de luz según la invención,

la figura 7, un gráfico a modo de ejemplo para introducir luz en un elemento de sensor de la figura 6, a figura 8, una primera forma de realización de un sensor con dos conductores de luz según la invención, a figura 9, una primera variante de un conductor de luz según la invención junto con un diagrama del índice de refracción del conductor de luz,

a figura 10, una segunda variante de un conductor de luz según la invención junto con un diagrama del índice de refracción del conductor de luz,

a figura 11, una tercera variante de un conductor de luz según la invención,

a figura 11a, un corte a través del mismo y el diagrama asociado del índice de refracción,

a figura 12, una cuarta variante de un conductor de luz según la invención junto con un diagrama del índice de refracción del conductor de luz,

a figura 13, una quinta variante de un conductor de luz según la invención, así como un corte a través del mismo,

a figura 14, una segunda forma de realización de un sensor,

a figura 15, la forma de realización de la figura 8 en el modo de representación de la figura 14,

a figura 16, una tercera forma de realización de un sensor,

a figura 17, una cuarta forma de realización de un sensor,

a figura 17a, una sección transversal a través del conductor de luz de la figura 17,

a figura 18, una primera forma de realización para un extremo del conductor de luz según la invención, a figura 19, una segunda forma de realización para un extremo del conductor de luz según la invención, a figura 20, una tercera forma de realización para un extremo del conductor de luz según la invención, a figura 21, una cuarta forma de realización para un extremo del conductor de luz según la invención, a figura 22, un boceto esquemático de un procedimiento de producción del conductor de luz según la invención, a figura 23, una primera forma de realización del procedimiento,

a figura 24, una segunda forma de realización del procedimiento,

a figura 25, una tercera forma de realización del procedimiento,

a figura 26, formas de realización adicionales del procedimiento,

a figura 27, un primer procedimiento para generar el ángulo de incidencia 0,

a figura 28, un segundo procedimiento para generar el ángulo de incidencia 0,

a figura 29, un primer procedimiento para generar una muesca,

a figura 30, un segundo procedimiento para generar una muesca,

a figura 31, un tercer procedimiento para generar una muesca,

a figura 32, un cuarto procedimiento para generar una muesca,

a figura 33, una primera forma de realización de una aplicación sensorial alternativa de un conductor de luz según la invención,

a figura 34, un conductor de luz de referencia para la forma de realización de la figura 33,

a figura 35, una segunda forma de realización de una aplicación sensorial alternativa de un conductor de luz según la invención y

la figura 36, un conductor de luz de referencia para la forma de realización de la figura 35.

La figura 1 muestra de manera muy esquematizada un conductor de luz 1 con seis grietas 2 simbólicas, que está dispuesto sobre un soporte 3, así como presenta un medio para acoplar luz 4 y un medio para desacoplar luz 5. Una flecha 6 representa simbólicamente luz, que se conduce con una intensidad de entrada Ii al interior del conductor de luz. Una flecha 7 representa simbólicamente luz, que sale con una intensidad de salida It del conductor de luz.

En la vista en planta de la figura 2, se reconoce que las grietas 2 del conductor de luz 1 presentan una dirección longitudinal que, con una dirección de propagación del conductor de luz (representada simbólicamente mediante el eje 8), forma un ángulo de incidencia 0.

A este respecto, el ángulo de incidencia 0 se selecciona de tal manera que por lo menos una parte de la luz en la transición del conductor de luz 1 a la grieta 2 puede reflejarse o reflejarse totalmente. En función del material, que “ llena” la grieta (en el ejemplo representado, aire), del material del conductor de luz, de la longitud de onda de la luz conducida al interior del conductor de luz y de factores adicionales, tales como, por ejemplo, la temperatura de funcionamiento, a la que debe utilizarse el conductor de luz, el experto en la materia puede seleccionar de manera razonable el ángulo de incidencia 0. En el caso de los materiales y las longitudes de onda habituales en el estado de la técnica puede esperarse básicamente que se consigan resultados que puedan medirse bien, cuando el ángulo de incidencia 0 está comprendido entre 20° y 80°.

En la forma de realización preferida representada, se selecciona 0=45°, dado que este ángulo ha dado buen resultado para la reflexión total en la mayoría de los casos.

La geometría de las propias grietas se muestra mediante la figura 3. A este respecto, cada grieta presenta un ángulo de apertura a formados por dos superficies límite 9, una altura D y una anchura W de abertura. A este respecto, la representación está muy esquematizada para una mejor claridad. Habitualmente, la anchura de W abertura de las grietas se encuentra en el intervalo nanométrico. Sin embargo, en el caso de conductores de luz con una altura D grande también puede suceder que la anchura de abertura se vuelva mucho mayor. Sin embargo, entonces solo se utiliza de manera sensorial la región de la grieta cerca del vértice del ángulo de apertura, dado que los efectos descritos a continuación, que se aprovechan en la invención, no aparecen en el caso de distancias demasiado grandes.

Por tanto, según la invención para el ángulo a en un estado neutro del conductor de luz 1 puede ser aplicado:

0 < c¡ < - < 90°,

siendo d la altura del conductor de luz y siendo k un factor, que depende de una longitud de onda X, con la que se hace funcionar el conductor de luz 1, siendo el factor k en el caso de una longitud de onda X de 0,0002 mm a 0,001 mm igual a 0,57, siendo el factor k en el caso de una longitud de onda X de 0,001 mm a 0,003 mm igual a 1,7, siendo el factor k en el caso de una longitud de onda X de 0,003 mm a 0,05 mm igual a 28 y siendo el factor k en el caso de una longitud de onda X de 0,05 mm a 1 mm igual a 157, tal como se muestra también en la siguiente tabla:

De este modo, se aprovecha, a diferencia de sensores Bragg, que trabajan con interferencia, el efecto Goos-Háhnchen. Este aparece básicamente en cada reflexión total. A este respecto, la luz penetra aproximadamente hasta una profundidad de la mitad de su longitud de onda desde el medio ópticamente más denso al ópticamente más delgado y se refleja con un desplazamiento espacial. Esta parte de la luz, que a este respecto penetra en el medio ópticamente más delgado, se denomina también onda evanescente. Si en la región de la onda evanescente se dispone un medio óptico adicional con una densidad óptica mayor, una parte de la luz puede, a pesar de la reflexión total, “filtrarse” (en inglés: “leak”) en el medio ópticamente más denso. Cuando sucede esto, se habla de reflexión total frustrada. A este respecto, el efecto de la reflexión total frustrada aparece con más intensidad, cuanto más esté dispuesto el medio ópticamente, más denso en la región de la onda evanescente.

Extrapolado al conductor de luz según la invención, esto significa que con un ángulo de apertura a menor y con una anchura W de abertura menor “se filtra” más luz en la dirección de la dirección de propagación 8 de nuevo al interior del conductor de luz 1.

Si el ángulo de incidencia 9 solo difiere ligeramente, por ejemplo, pocos grados del ángulo crítico de la reflexión

(9Q-arcsen(— ))

total 1? , de este modo también puede conseguirse una reflexión o reflexión total solo parcial de la luz.

La proporción de la luz reflejada o reflejada de manera total se representa en la figura 2 mediante flechas 11, que simbolizan la intensidad de reflexión Ir saliente o reflejada. A este respecto, una medición de una variación de la grieta puede tener lugar en teoría tanto a través de una detección de la intensidad de salida It, como a través de una detección de la intensidad de reflexión Ir. En determinados casos, en los que, por ejemplo, deben detectarse igualmente pérdidas por dispersión, por ejemplo, para monitorizar el estado del propio sensor, también pueden detectarse ambas intensidades Ir e It y compararse con la intensidad de entrada Ii.

La figura 4 ilustra cómo repercute una deformación del conductor de luz mediante combado sobre la anchura W de abertura y el ángulo de apertura a. La figura 5 ilustra de manera análoga una deformación mediante extensión del conductor de luz. El conductor no deformado de la figura 3 puede considerarse, con respecto a la figura 4 y la figura 5, como que se encuentra en un estado neutro.

Se reconoce que, aunque un conductor de luz individual puede utilizarse en un sensor tanto de extensión como en una de flexión, no puede diferenciarse entre las dos deformaciones, cuando a través de una variación de las intensidades de luz se reconoce una variación de la anchura W de abertura. Sin embargo, si todas las grietas de un conductor de luz están orientadas igual en cuanto a la orientación del vértice con respecto a la abertura, en un sensor pueden disponerse dos conductores de luz con grietas orientadas de manera opuesta.

Básicamente, en particular, en el caso de conductores de luz según la invención con una sección transversal plana, la sensibilidad sensorial en el caso de deformaciones es máxima de manera ortogonal a las grietas y mínima a lo largo de las grietas, es decir, en total vectorial. Mediante la combinación de dos o más conductores de luz según la invención con un ángulo 0 diferente de las grietas, que preferentemente están dispuestas de tal manera que las direcciones longitudinales de las grietas están de manera ortogonal entre sí, pueden medirse de una vez extensiones y flexiones en diferentes direcciones.

Un elemento de sensor 12 con dos conductores de luz 1 dispuestos de tal manera se muestra en la figura 6. Además, la figura 6 muestra un elemento de separación óptico 13, mediante el que se impide que la luz que sale de un conductor entre en el en cada caso otro y perjudique así las mediciones.

En una forma de aplicación preferida alternativa o adicionalmente de un elemento de sensor de este tipo, en ambos conductores de luz también puede acoplarse luz de manera alternante, tal como ilustra la figura 7. A este respecto, el gráfico superior muestra la intensidad de entrada Ii de la luz acoplada en el primer conductor de luz 1a y el segundo gráfico la intensidad de entrada Ii de la luz acoplada en el segundo conductor de luz 1b, respectivamente, al mismo tiempo. Si el experto en la materia selecciona correspondientemente la frecuencia de modulación, puede conseguirse adicionalmente la ventaja de que luz de fuentes de luz externas en la región de un sensor, que está equipado con conductores de luz según la invención, puede eliminarse de manera calculatoria de las mediciones. Para ello, únicamente tiene que conocerse la frecuencia, con la que las posibles fuentes de luz en el entorno del sensor emiten luz. A este respecto, resulta especialmente favorable que entre la frecuencia de la luz acoplada y de la luz del entorno se seleccione una diferencia lo más grande posible.

Naturalmente, también son concebibles y ventajosas medidas adicionales, para evitar que la luz que sale de un conductor de luz perjudique la medición en un conductor de luz adyacente. Por ejemplo, la luz introducida en conductores de luz adyacentes puede presentar longitudes de onda diferentes y/o una polarización diferente.

A este respecto, pueden aprovecharse igualmente direcciones de polarización y longitudes de onda diferentes, para reducir el número de conducciones (ópticas) a un elemento de sensor, al juntarse las señales luminosas que pueden diferenciarse mediante la longitud de onda o la dirección de polarización para los conductores de luz individuales en un conductor de luz normal y poder separarse de nuevo tras la conducción adicional.

La figura 8 muestra un sensor 14 con dos conductores de luz 1 según la invención, que están dispuestos en un elemento de sensor 12. Aeste respecto, dos unidades de control 15 asumen el acoplamiento, el desacoplamiento y la evaluación de la luz.

A este respecto, cada unidad de control 15 presenta un medio para generar luz 16. A este respecto, los medios para generar luz pueden seleccionarse libremente del estado de la técnica por el experto en la materia, por ejemplo, diodos emisores de luz, láser, lámparas incandescentes y similares. Además, las unidades de control pueden contener, en función de los medios seleccionados para generar luz 16 elementos ópticos no representados, tales como, por ejemplo, lentes, diafragmas y similares. Estos pueden estar dispuestos básicamente en un sitio adecuado en los elementos de control 15. Sin embargo, se considera ventajoso disponerse los elementos ópticos en el curso de haz de la luz directamente después del medio para generar luz 16. El curso de haz o la dirección de propagación de la luz se representa en la figura 8 simbólicamente mediante flechas.

Dado que ambas unidades de control 16 están construidas de manera idéntica y el recorrido, que sigue la luz a través de las unidades de control 16 y el elemento de sensor 12, excepto por la orientación de los conductores de luz 1 según la invención, no difiere por cada unidad de control, el recorrido de la luz se describe mediante la disposición para ambos lados del sensor al mismo tiempo.

Partiendo del medio para generar la luz 16, la luz se encuentra en la unidad de control 16 en primer lugar con un divisor 17 de haz. Una parte de la luz es desviada por el divisor de haz 17 a un detector de entrada 18. Con este, por ejemplo, puede detectarse con qué intensidad de entrada I la luz abandona la unidad de control 15 o, por ejemplo, también con qué frecuencia, si esta se modula como se muestra en la figura 7.

Después del divisor de haz 17, la luz no ramificada al detector de entrada 18 llega a un conductor de luz convencional 19, que conduce la luz al elemento de sensor 12. En el elemento de sensor 12, la luz atraviesa el conductor de luz 1 según la invención y se encuentra entonces con un elemento de espejo 21, desde donde atraviesa el conductor de luz 1 según la invención otra vez. Naturalmente, en lugar del elemento de espejo 21 también podría estar dispuesto directamente, dado el caso conectados a través de un conductor de luz o similar, un detector, para detectar la luz tras atravesar una sola vez los conductores de luz 1 según la invención. Sin embargo, en la forma de realización mostrada en la figura 8, el conductor de luz 1a, 1b según la invención se atraviesa dos veces, lo que aumenta la sensibilidad del sensor.

Después de que el conductor de luz 1 según la invención se haya atravesado por segunda vez, la luz llega a través del conductor de luz convencional 19 de vuelta a la unidad de control 15 y se encuentra en esta de nuevo con el divisor de haz 17. Este desvía una parte de la luz a un detector de salida 22.

Los valores de intensidad It, que son detectados por los detectores de salida 22, proporcionan entonces información sobre la intensidad de la deformación de los conductores de luz según la invención. Una comparación de las intensidades de salida It detectadas por los detectores de salida proporciona información sobre el tipo de deformación (flexión/extensión).

El conductor de luz 1 según la invención, mostrado en la figura 9, está dispuesto sobre un soporte 3 y presenta una capa de cubierta 23. A este respecto, la capa de cubierta 23 puede cumplir diferentes funciones. Por un lado, así puede impedirse que partículas de suciedad del entorno penetren en las grietas 2. El gráfico muestra que el índice de refracción del conductor de luz es constante a lo largo de su altura.

Si se prescinde de una capa de cubierta y las grietas 2 del conductor de luz 1 según la invención se exponen a una posible contaminación de este tipo, según un perfeccionamiento preferido, pero que también puede aprovecharse de manera autónoma de la invención, esto puede utilizarse analíticamente. Pueden extraerse más detalles de las explicaciones con respecto a las figuras 33 a 36 a continuación.

La figura 10 muestra una forma de realización del conductor de luz 1 según la invención, en el que, en cada caso, entre el conductor de luz 1 y la capa de cubierta 23 y entre el conductor de luz 1 y el soporte 3 está incorporada una capa intermedia 24. Como muestra el gráfico, esta presenta un índice de refracción menor que el conductor de luz 1. Debido al índice de refracción menor en la(s) capa(s) intermedia(s) 24 se produce la reflexión total en el interior del conductor de luz 1, con lo que la luz no avanza hasta la capa de cubierta 23. De este modo, se impide que la capa de cubierta, que también puede servir, por ejemplo, para el sombreado, pueda absorber luz, con lo que la intensidad de la luz no puede disminuir a través de la capa de cubierta 23, en particular dado que una capa de cubierta de este tipo con frecuencia está realizada en negro.

Además, de este modo se impide que se conduzca luz pasando por las grietas por arriba o por debajo, lo que es especialmente ventajoso, en particular en el caso de sensores muy miniaturizados con conductores de luz según la invención dimensionados de manera correspondientemente pequeña.

Naturalmente, también existe la posibilidad de diseñar la propia capa de cubierta 23 de manera especular, sin embargo, es técnicamente mucho más complejo producir una capa de cubierta especular de este tipo. Además, la reflexión total interna puede tener lugar sin pérdida, lo que en el caso de una capa de cubierta especular apenas puede conseguirse desde el punto meramente calculatorio.

Adicionalmente, la producción de conductores de luz según la invención con una capa de cubierta especular 23 conlleva algunos problemas, dado que a este respecto pueden producirse tensiones, que influyen en la formación de grietas o en toda la integridad estructural del conductor de luz y deben tenerse en cuenta correspondientemente.

Mientras que los conductores de luz 1 de la figura 9 y la figura 10 presentan una sección transversal rectangular, la figura 11 y la figura 11a muestran una forma de realización con una geometría de sección transversal alternativa del conductor de luz 1 según la invención. En esta forma de realización, la capa de cubierta 23 y el soporte 3 están separados en gran parte con respecto al conductor de luz 1. De este modo, pueden evitarse pérdidas involuntarias en la intensidad de la luz I, dado que de este modo se favorece la reflexión total interna dentro del conductor de luz (aparte de las grietas). La separación tiene lugar, como resulta evidente en la figura 11, a través de una entalladura 25 en el lado superior e inferior del conductor de luz 1. El gráfico muestra que el índice de refracción del conductor de luz en la región entre las entalladuras es constante.

En la figura 12, se muestra un conductor de luz 1, que dispone de un índice de refracción no constante. También en esta forma de realización de un conductor de luz 1 según la invención se aprovechan las ventajas de la reflexión total interna entre la región interna y la externa del conductor de luz 1, como ya se explicó con respecto a la figura 10.

La figura 13 muestra un conductor de luz 1 según la invención con sección transversal redonda, que está dispuesto sobre una capa de montaje 26 y está limitado por una capa de envuelta 27. En principio es válido que, con varias capas, que por regla general también presentan propiedades mecánicas diferentes, puede influirse en el crecimiento de grieta (adicional). Debe contarse con un crecimiento de grieta debido a la carga mecánica del conductor de luz durante la utilización del conductor de luz con fines sensoriales. Por tanto, el experto en la materia adaptará las grietas y las capas preferentemente de tal manera que la estabilidad a largo plazo del sensor sea lo más alta posible. En un ejemplo de aplicación sencillo, por ejemplo, se detiene completamente el crecimiento de grieta en un conductor de luz 1 según la invención de vidrio mediante una capa de envuelta 27 de un polímero elástico o silicato.

Como ya se ha explicado anteriormente para una medición de extensión y de curvatura simultánea, es necesaria una disposición opuesta de por lo menos dos conductores de luz según la invención. Las disposiciones de sensores mostradas esquemáticamente en las figuras 14 a 17 deben duplicarse correspondientemente para este caso de aplicación. Por motivos de claridad, en cada caso, solo se muestra un conductor de luz según la invención con una periferia correspondiente.

La figura 14 muestra la construcción principal de un sensor 14 con unos conductores de luz 1 según la invención. La luz abandona también en este caso en primer lugar la fuente de luz 16 y llega entonces al divisor 17 de haz, desde donde se detecta una parte de la luz en un sensor de entrada 18. El haz restante recorre entonces el conductor de luz 1 según la invención. La luz que sale del conductor de luz 1 se detecta entonces (sin reflexión especular) mediante el sensor de salida 22.

La figura 15 muestra la construcción del sensor de la figura 8 en el modo de representación de la figura 14.

La figura 16 muestra un sensor 14, en el que una parte de la luz, que se genera por la fuente de luz 16, llega directamente al sensor de entrada 18. La luz restante atraviesa el conductor de luz 1 según la invención y llega entonces al sensor de salida 22.

En la forma de realización mostrada en la figura 17 se prescinde de un divisor de haz como componente autónomo. En lugar de esto, este se integra en forma de una grieta adicional 28 en el conductor de luz según la invención. Para obtener a este respecto las condiciones de reflexión total frustrada necesarias para el funcionamiento como divisor de haz, debería protegerse la grieta frente a un ensanchamiento común con las grietas previstas con fines sensoriales. Para ello, puede estar prevista una envuelta resistente a la deformación por lo menos parcialmente alrededor del conductor de luz en la región de la grieta adicional 28. Una medida adicional, para evitar el ensanchamiento de la grieta adicional 28, es orientarla espacialmente de manera distinta a las grietas habituales. Una forma de realización posible, para ello, la muestra la figura 17, en la que la grieta adicional 28 está dispuesta en el conductor de luz 1 girada 90° con respecto a las grietas según la invención. Para diseñar una disposición de este tipo de manera especialmente sencilla, el conductor de luz presenta en la forma de realización representada una sección transversal redonda, tal como se muestra en la figura 17a. Naturalmente, también son concebibles otras formas de sección transversal, por ejemplo, cuadradas.

Como ya se ha explicado con respecto a la figura 8, puede ser ventajoso que la luz conducida en el conductor de luz según la invención se refleje en su extremo 29. Esto puede implementarse de diferentes modos, tal como se muestra a título de ejemplo en las figuras 18 a 21.

La figura 18 muestra el extremo 29 del conductor de luz 1 según la invención, que está conformado de tal manera que puede producirse una reflexión total interna doble. La forma puede crearse, por ejemplo, mediante corte o pulido. La ventaja en esta forma de realización es que no es necesario ningún elemento reflectante en el extremo 29 del conductor de luz 1.

La figura 19 muestra el extremo 29 del conductor de luz 1, que en esta forma de realización está conformado de tal manera que se produzca una reflexión total interna sencilla. De este modo, puede disponerse el elemento de espejo 21 por debajo del conductor de luz, lo que puede ser ventajoso en el diseño de un sensor con un conductor de luz según la invención. Alternativamente, en lugar del elemento de espejo 21, también puede disponerse en este sitio el detector de salida 22.

La figura 20 muestra el extremo 29 del conductor de luz 1, tal como se aplica en la forma de realización mostrada en la figura 8. A este respecto, un elemento de espejo plano 21 está dispuesto en el extremo 29 del conductor de luz 1. El extremo 29 del conductor de luz 1 mostrado en la figura 21 está conformado de manera redondeada y un elemento de espejo adaptado 21 está conformado en el extremo 29 del conductor de luz. De este modo, pueden agruparse rayos de luz que atraviesan el conductor de luz 1.

En las figuras 22 a 32, se consideran diferentes aspectos en la producción de conductores de luz 1 según la invención. A este respecto, una muesca 29 representada y descrita en las figuras sirve únicamente para ilustración y representa un debilitamiento local del conductor de luz. Un debilitamiento puede tener lugar también sin eliminación de material y ser de naturaleza meramente estructural y/o química. Dichos debilitamientos no son visibles o representables en todos los casos. Por tanto, las afirmaciones realizadas sobre la muesca 29 son válidas, siempre que sea aplicable, en la misma medida también para otros debilitamientos visibles y no visibles del conductor de luz.

La figura 22 muestra un boceto esquemático de un procedimiento de producción de un conductor de luz 1 según la invención con una grieta 2. En la forma de realización representada del procedimiento, se realiza, en primer lugar, una muesca 29 en el conductor de luz. Entonces, actúa una fuerza sobre el conductor de luz y la muesca se profundiza para dar una grieta 2.

En la forma de realización mostrada en la figura 23, la fuerza para generar las grietas actúa en forma de rodillos 31 sobre el conductor de luz 1. Se reconoce que solo el propio conductor de luz obtiene grietas, pero que la capa de envuelta 27 permanece inalterada. Este efecto puede generarse, por ejemplo, mediante la elección de materiales con una fragilidad diferente y sirve para respaldar la integridad estructural del conductor de luz.

En la figura 24, se tira del conductor de luz 1 por encima de un canto 32 para generar las grietas 2.

La figura 25 muestra un conductor de luz 1 que sale de un intersticio 33, cuya deformación se provoca a través de un troquel 34.

Básicamente, durante la generación de las grietas, diferentes condiciones pueden influir en el tamaño y la calidad de las grietas. Estas se muestran a título de ejemplo igualmente en la figura 25. Así, por ejemplo, la temperatura (simbolizada mediante un termómetro 35) influye en la fragilidad del propio material. Además, mediante diferencias de temperatura dirigidas también pueden generarse tensiones internas que, independientemente de otros procedimientos, pueden conducir a los debilitamientos descritos más arriba del material.

Naturalmente, también es posible generar dichas tensiones directamente durante la producción, por ejemplo, durante la aplicación de la capa de envuelta 27, de la capa de cubierta 23 o del soporte 3.

Las vibraciones (representadas mediante las flechas 36) pueden influir en el estado de las superficies límite 9. Así, en un perfeccionamiento preferido del procedimiento, el conductor de luz puede hacerse vibrar por medio de ultrasonidos, para generar unas superficies límite 9 especialmente ventajosas.

Básicamente, también pueden utilizarse ventajosamente vibraciones de manera complementaria a los demás procedimientos mencionados. Por ejemplo, también pueden vibrar los rodillos 31 en la figura 23, el conductor de luz en la figura 22, o el canto 32 en la figura 24. De manera análoga, por ejemplo, también el conductor de luz en la figura 26 puede realizar vibraciones torsionales con ultrasonidos.

En la figura 26, se muestra una forma de realización alternativa de un procedimiento para generar las grietas 2 en el conductor de luz 1. A este respecto, en primer lugar, se reduce por zonas la capa de envuelta 27. A continuación, se ejerce una fuerza de cizalladura (representada mediante las flechas 37) sobre el conductor de luz.

La figura 27 muestra un primer procedimiento para generar el ángulo de incidencia 0. En este procedimiento se generan las grietas en el conductor de luz directamente en el ángulo de incidencia 0 deseado. Para ello, en la forma de realización mostrada se utilizan rodillos 31 de manera análoga a la figura 23 y el conductor de luz 1 se guía con el ángulo de incidencia 0 a través de los rodillos 31. Sin embargo, también pueden concebirse y aplicarse otras posibilidades.

En la forma de realización mostrada en la figura 28, se generan las grietas 2 en primer lugar de manera ortogonal a una dirección longitudinal de un conductor de luz 1, que presenta una forma de sección transversal plana. Solo tras generar las grietas 2 se corta apropiadamente el conductor de luz 1 (representado mediante unas tijeras 38), de tal manera que se genera el ángulo de incidencia 0.

Como ya se ha explicado con respecto a la figura 22, puede ser ventajoso dotar al conductor de luz de unas muescas 29, para controlar la generación de grietas 2 según la invención. Las figuras 29 a 32 muestran, a título de ejemplo, diferentes posibilidades para generar tales muescas 29.

En el procedimiento mostrado en la figura 29, se genera la muesca 29 mecánicamente mediante un objeto afilado, por ejemplo, una cuña 39 o una cuchilla. Este procedimiento es especialmente ventajoso cuando están dispuestas varias cuñas 39, por ejemplo, sobre un rodillo, una detrás de otra, dado que al mismo tiempo pueden generarse tantas muescas.

La figura 30 muestra un segundo procedimiento para generar la muesca 29, en el que en primer lugar se elimina la capa de envuelta 27 a lo largo del desarrollo de muesca deseado (y, por consiguiente, también a lo largo del desarrollo de grieta deseado). Esto puede tener lugar, por ejemplo, mediante corte, fusión, tratamiento por luz, tal como, por ejemplo, litografía UV o por haz de electrones, o evaporación. A continuación, se desgasta químicamente la muesca en el sitio así liberado del conductor de luz 1 (representado mediante un tubo 40 de ensayo). En este procedimiento, resulta ventajoso que es especialmente preciso.

En la forma de realización mostrada en la figura 31, se genera la muesca 29 o el debilitamiento mediante un haz (representado mediante una flecha 41). A este respecto, pueden utilizarse diferentes técnicas de radiación en el intervalo de nanométrico a micrométrico. Así puede provocarse un debilitamiento, al romperse enlaces químicos, por ejemplo, mediante rayos UV, haces de electrones, rayos X o haces iónicos.

Además, también es posible que se produzca una verdadera muesca 29, por ejemplo, al evaporarse material con un láser con una longitud de onda adecuada.

Puede generarse igualmente una combinación de un debilitamiento interno y una muesca marcada 29. Así, los haces iónicos eliminan material en la superficie del conductor de luz y destruyen los enlaces químicos por debajo del material eliminado.

A diferencia de esto, electrones irradiados no eliminan nada en la superficie del conductor de luz, pero destruyen localmente enlaces químicos y conducen al calentamiento y a una carga eléctrica.

Este procedimiento es ventajoso sobre todo en el caso de conductores de luz 1 de materiales especialmente duros o con una sección transversal especialmente grande.

En la forma de realización mostrada en la figura 32, se genera la muesca mediante una fatiga dirigida del material mediante vibraciones (representadas mediante flechas 42). Como ya se ha explicado anteriormente, de este modo puede influirse positivamente en el estado de las grietas 2.

Sin embargo, básicamente también es posible generar las grietas mediante otros procedimientos mecánicos, tal como, por ejemplo, corte o nanoimpresión, o prever las grietas directamente durante la producción del conductor de luz mediante un molde de colado correspondiente.

Como ya se ha explicado anteriormente con respecto a la figura 9, el conductor de luz 1 según la invención puede utilizarse en grietas abiertas hacia el entorno para fines sensoriales alternativos. Esta utilización ventajosa alternativa e independiente de las formas de realización descritas más arriba del conductor de luz según la invención se explica a continuación más detalladamente.

Dado que la anchura W de las grietas se encuentra preferentemente en el intervalo de pocos a pocos cientos de nanómetros, en el caso de una abertura de las grietas hacia el entorno también pueden penetrar solo partículas (nanométricas) de un determinado tamaño en las grietas. A este respecto, en función de los materiales que llegan a las grietas varían las propiedades ópticas de las grietas.

Por tanto, si la apertura de las grietas tiene lugar de manera controlada y al mismo tiempo, se realiza un análisis espectral de la luz conducida al interior del conductor de luz, preferentemente blanca durante la conducción al interior, puede analizarse tanto el tamaño de partícula como la composición de las partículas que han penetrado en las grietas y/u otras sustancias. Además, por ejemplo, mediante la variación de la dirección de polarización de la luz puede obtenerse información adicional sobre la geometría de las partículas, por ejemplo, cuando se excitan plasmones de partículas y las partículas se orientaron previamente de manera geométrica, dado el caso también mediante las grietas u otros medios, tales como, por ejemplo: campos electromagnéticos, sonido o corriente. Las partículas de geometría conocida, en particular partículas metálicas, también pueden introducirse de manera fija en las grietas, en particular las paredes de grieta, para mejorar el análisis químico a través de plasmones de partículas excitados. Así pueden ahorrarse varias etapas de análisis y el análisis puede tener lugar en línea.

Un análisis del tamaño de partícula y de la composición química puede ser deseable, por ejemplo, en el caso de la determinación de carga por polvo fino, dado que de muchas sustancias se conoce que al superar un determinado tamaño de partícula son sustancialmente más dañinos para la salud que previamente.

Básicamente, esta forma de aplicación del conductor de luz según la invención puede utilizarse ventajosamente para la determinación y la caracterización de nanopartículas en nanotecnología.

Dos ejemplos de aplicación posibles se explican mediante las representaciones muy esquematizadas de las figuras 33 a 36.

La figura 33 muestra un conductor de luz 1 según la invención, que está dispuesto sobre un soporte 3. Sobre el soporte se ejerce una fuerza F controlada, con lo que la grieta 2 está ensanchada y pueden entrar partículas 43 en la misma. La luz (representada mediante flechas) atraviesa el conductor de luz y las partículas que han penetrado y se analiza entonces espectralmente en un dispositivo 44 correspondiente.

También en esta aplicación especial puede ser razonable utilizar dos conductores de luz según la invención en un elemento de sensor. A este respecto, el segundo conductor de luz sirve como referencia para el primer conductor de luz.

Un conductor de luz de referencia 1a de este tipo lo muestra la figura 34. Sobre este actúan unas fuerzas F de la misma magnitud que sobre el conductor de luz utilizado analíticamente de la figura 33. Esto puede implementarse de manera especialmente sencilla, al estar dispuestos en un perfeccionamiento preferido de la aplicación ambos conductores de luz sobre el mismo soporte 3.

En la región de las grietas 2 del conductor de luz de referencia, se encuentran unas partículas de referencia 45, que se mantienen mediante unas limitaciones 46 en la región de la grieta 2. Además, las limitaciones 46 impiden que partículas no deseadas lleguen al conductor de luz de referencia.

La figura 35 muestra una segunda forma de realización a modo de ejemplo de un conductor de luz 1 según la invención, utilizado analíticamente. En esta, la fuerza F, con la que pretende conseguirse una deformación dirigida del conductor de luz, actúa desde abajo sobre el conductor y consigue un ensanchamiento de las grietas 2 mediante flexión. Un conductor de luz de referencia 1a correspondiente lo muestra la figura 36.

Básicamente, un segundo conductor de luz también puede aprovecharse totalmente sin partículas para, a través de las aplicaciones basadas en deformación, descritas más arriba, determinar la anchura de grieta exacta del conductor de luz utilizado analíticamente.

Naturalmente, es igualmente concebible una combinación de los tres conductores de luz (aplicado analíticamente, que detecta la deformación y conductor de luz de referencia con partículas de referencia). También en una forma de aplicación de este tipo puede ser razonable acoplar la luz de manera alternante en los diferentes conductores de luz.

A este respecto, la deformación controlada del conductor de luz puede tener lugar, por ejemplo, mediante unos actuadores piezoeléctricos.

Básicamente, el conductor de luz según la invención puede utilizarse para muchas aplicaciones adicionales. Así, el conductor de luz puede, por ejemplo, enfriarse o enfriarse y calentarse de manera alternante mediante un elemento Peltier. A este respecto, agua condensada conduce a una variación de la intensidad de la luz que sale del conductor de luz y puede proporcionar juntamente con la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura del conductor de luz información sobre la humedad relativa del aire en el entorno del conductor de luz.

En un ejemplo de aplicación adicional, el conductor de luz según la invención podría colocarse sobre una membrana y detectar vibraciones de la membrana. En este ejemplo de aplicación, el conductor de luz podría trabajar entonces, por ejemplo, como micrófono o sensor de presión. Un perfeccionamiento de esta forma de realización sería, por ejemplo, colocar un conductor de luz muy delgado directamente sobre las cuerdas de un instrumento de cuerda. A este respecto, el conductor de luz según la invención podría servir como extractor de sonido.

También pueden producirse micrófonos o sensores de presión sin membrana, al seleccionar el ángulo de incidencia 9 ligeramente mayor, normalmente menos de 1o mayor que el ángulo crítico de la reflexión total

A este respecto, mediante una variación del índice de refracción inducida por presión del medio en las grietas 2 se produce una modulación de intensidad de la luz que penetra en las grietas 2. Así pueden medirse fluctuaciones de presión o frecuencias de sonido hasta en el intervalo de MHZ. Por ejemplo, mediante un sensor pueden cubrirse intervalos de presión extremamente grandes, desde “casi vacío” hasta dado el caso cientos de bares, conservando el sensor en cada intervalo de presión una sensibilidad especialmente alta, es decir, que el sensor en un tanque de alta presión puede registrar, a pesar de ello, también fluctuaciones de presión mínimas.

En el ejemplo de aplicación como micrófonos o sensores de presión sin membrana, además del conductor de luz 1 según la invención con grietas 2 pueden estar previstos, dado el caso, una fuente de luz montada de manera giratoria y un detector. La fuente de luz, preferentemente una fuente de luz con luz polarizada, por ejemplo, una fuente de luz blanca o un diodo láser, está montada de manera giratoria para ajustar de manera fina el ángulo de incidencia 0 y para poder variar la dirección de polarización. La luz que sale puede medirse con un espectrómetro.

De manera análoga, para detectar vibraciones para sistemas de sensores acústicos, el conductor de luz según la invención también puede colocarse sobre un material con dilatación térmica conocida y aprovecharse, así como termómetro muy preciso con un alcance de temperatura grande. Si, por ejemplo, se utiliza un material con un alto punto de fusión (por ejemplo, níquel), mediante un conductor de luz según la invención puede crearse una posibilidad muy económica, para cubrir con un sensor un intervalo de temperatura de varios cientos de grados Kelvin (por ejemplo, de 200 K a 800 K).

Además, es concebible emplear los conductores de luz también en la región no visible del espectro electromagnético, dado que también esta forma de radiación sigue los mismos principios que la luz. A este respecto, naturalmente tiene que adaptarse correspondientemente la anchura de las grietas. Si, por ejemplo, se utiliza radiación de terahercios, tendrían que generarse más bien grietas en el intervalo milimétrico que en el intervalo nanométrico.

Lista de signos de referencia:

1 conductor de luz 34 troquel

1a conductor de luz de referencia 35 termómetro

2 grietas 36 flecha (vibración)

3 soporte 37 flecha (movimiento de cizalladura)

4 medio para acoplar luz 38 tijeras

5 medio para desacoplar luz 39 cuña

6 flecha intensidad de entrada 40 tubo de ensayo

7 flecha intensidad de salida 41 flecha (haz)

8 eje (dirección de propagación) 42 flechas (vibración)

9 superficies límite (grieta) 43 partículas

10 - 44 dispositivo para el análisis espectral

11 flechas intensidad de reflexión 45 partículas de referencia

12 elemento de sensor 46 limitaciones

13 elemento de separación óptico

14 sensor Ii intensidad de entrada

15 unidad de control It intensidad de salida

16 medio para generar luz / Ir intensidad de reflexión

fuente de luz D altura grieta

17 divisor de haz W anchura grieta

18 detector de entrada a ángulo de apertura grieta

19 conductor de luz (convencional) 0 ángulo de incidencia entre la dirección de

20 - propagación del conductor de luz y la dirección

21 elemento de espejo longitudinal de las grietas

22 detector de salida F fuerza (que actúa sobre el conductor de luz)

23 capa de cubierta

24 capa intermedia

25 entalladura

26 capa de montaje

27 capa de envuelta

28 grieta como divisor de haz

29 muesca

30 -31 rodillo

32 canto

33 intersticio

Claims

REIVINDICACIONES

1. Conductor de luz (1) con por lo menos una grieta (2), en el que una dirección longitudinal de la grieta con respecto a una dirección de propagación del conductor de luz (1) forma un ángulo de incidencia 0, y en el que la grieta (2) está limitada por dos superficies límite (9), que son respectivamente paralelas a la dirección longitudinal de la grieta (2), en el que las dos superficies límite (9) forman un ángulo de apertura (a), y en el que el ángulo de apertura (a) es mayor que 0°, presentando el conductor de luz un índice de refracción n, encontrándose un medio, en particular aire, en la grieta y presentando un índice de refracción nm y aplicándose para el ángulo de incidencia 0:

0 < 90-arctan(^),

en particular

0 < 90-arcsen(— ),

en el que una primera superficie límite se encuentra en la dirección de propagación del conductor de luz (1) en la transición del conductor de luz (1) al medio, encontrándose una segunda superficie límite en la dirección de propagación del conductor de luz (1) en la transición del medio al conductor de luz (1), produciéndose en la primera superficie límite una onda evanescente, y estando la segunda superficie límite dispuesta dentro de la onda evanescente, y presentando la grieta (2) una altura menor que la altura (D) del conductor de luz.

2. Conductor de luz (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que la grieta (2) presenta una abertura, y por que la abertura en un estado neutro del conductor de luz (1) presenta una anchura (W) de > 0 nm a 25000 nm.

3. Conductor de luz (1) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el conductor de luz (1) presenta por lo menos dos grietas (2), y por que todas las grietas (2) del conductor de luz (1) están orientadas sustancialmente igual con sus ángulos de incidencia (0) y con sus ángulos de apertura (a).

4. Conductor de luz (1) según la reivindicación 1,2 o 3, caracterizado por que el conductor de luz (1) presenta un polímero, en particular poliestireno.

5. Conductor de luz (1) según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el conductor de luz (1) consiste en un silicato.

6. Sensor óptico con por lo menos un conductor de luz (1) y con unos medios para alimentar y leer la luz en y del conductor de luz (1), caracterizado por que el conductor de luz es un conductor de luz (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5.

7. Sensor óptico según la reivindicación 6, caracterizado por que el sensor presenta por lo menos dos conductores de luz (1), y por que los conductores de luz (1) están dispuestos con unos ángulos de apertura a de las grietas orientados de manera opuesta.