WO2008110364A1 - Optische schaltvorrichtung - Google Patents

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WO2008110364A1
WO2008110364A1 PCT/EP2008/002006 EP2008002006W WO2008110364A1 WO 2008110364 A1 WO2008110364 A1 WO 2008110364A1 EP 2008002006 W EP2008002006 W EP 2008002006W WO 2008110364 A1 WO2008110364 A1 WO 2008110364A1
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WO
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optical waveguide
light
switching device
optical
optical waveguides
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PCT/EP2008/002006
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French (fr)
Inventor
Heinz Hess
Rainer Kufferath
Josef Elsbrock
Jürgen BÜDDEFELD
Andreas Joschko
Jan Consbruch
Christoph Beenen
Original Assignee
Hochschule Niederrhein
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/3502—Optical coupling means having switching means involving direct waveguide displacement, e.g. cantilever type waveguide displacement involving waveguide bending, or displacing an interposed waveguide between stationary waveguides
    • G02B6/3508—Lateral or transverse displacement of the whole waveguides, e.g. by varying the distance between opposed waveguide ends, or by mutual lateral displacement of opposed waveguide ends
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
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    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35341—Sensor working in transmission
    • G01D5/35345—Sensor working in transmission using Amplitude variations to detect the measured quantity
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G01L11/025—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G—PHYSICS
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    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/08—Testing mechanical properties
    • G01M11/083—Testing mechanical properties by using an optical fiber in contact with the device under test [DUT]

Definitions

  • the invention relates to an optical switching device, comprising an arrangement of at least two side by side, in particular mutually parallel optical waveguides, a method for qualitative and / or quantitative determination of the deformation and / or displacement of an element and a device therefor.
  • Switching devices of this kind are known in the prior art and are intended to cause light which propagates in at least one optical waveguide to be converted into another optical waveguide by a switching operation.
  • an optical waveguide means any arrangement of a transparent medium suitable for the light pipe, which is suitable for propagating the light along a light path within the optical waveguide.
  • the light path means the mean propagation direction of the light within an optical waveguide, i. here, in particular, the propagation direction of the light, neglecting the reflections of the light on the inner surfaces of the optical waveguide, regardless of whether this reflection is achieved by total reflection or by mirroring.
  • the light path thus corresponds regularly to the extent of an optical waveguide.
  • the optical path is understood essentially to mean the course of the center axis.
  • optical switching devices are known in which two are provided with a distance parallel to each other extending optical waveguide having the same refractive index and in which propagates light in one of the optical waveguide. This light is trapped due to the principle of total reflection in this optical fiber, because the optical fiber with a given refractive index of another medium, for example air, is surrounded with a lower refractive index.
  • the light Due to the air boundary between the two optical waveguides, the light can thus not pass from the light-conducting optical waveguide into the other optical waveguide. If, however, the adjacent optical waveguide is deformed and comes into contact with the light-guiding optical waveguide during the deformation, the air boundary layer is displaced between these optical waveguides and the two optical waveguides with the same refractive index lie directly against one another. In the contact zone, the light can then pass from the light-conducting optical waveguide into the contacting optical waveguide due to the achieved refractive index adaptation. This principle of light transition is also called frustrated total internal reflection.
  • Such optical switching devices have the disadvantage of a complicated structure and also allow no statement about the strength of deformation, since in these known switching devices coupled out of the light-guiding optical fiber amount of light and thus reached in the contacting optical fiber light intensity significantly only on the size of the contact surface between the two optical fibers is determined, but not directly by the magnitude of the application of force or the strength of a deformation.
  • the switching operation can be detected only from the moment when the two optical fibers come into contact with each other. Deformations of the optical waveguides, which already occur before contacting, are thus not detectable.
  • the object of the invention is therefore to provide an optical switching device with which it is possible to transmit light from at least one light-conducting optical waveguide into at least one adjacent optical waveguide as a function of a deformation, wherein the intensity of the or over-coupled light conclusions on the nature and / or size of a deformation or the force acting in a deformation.
  • This object is achieved according to the invention in that the surfaces of two adjacent optical waveguides of an array of at least two side by side, in particular parallel optical waveguides are intimately, in particular materially connected, so that a multi-layer structure of at least two optical waveguides is formed and wherein two further adjacent optical waveguides of the multilayer structure have different refractive indices.
  • different refractive indices are understood to mean that they are not completely identical, e.g. differ in the 4th to 5th decimal place or even stronger, eg. 2nd to 3rd decimal place.
  • an arrangement of at least two juxtaposed optical waveguides is understood to mean that the two light paths lie next to one another, but are not identical.
  • the optical paths can run parallel to one another, provided that the optical waveguides for guiding the light are arranged parallel to one another.
  • the invention adjacent and intimately connected optical fibers must be parallel to each other.
  • the multilayer structure formed can also form non-rectilinearly extended light paths.
  • the inventively provided intimate connection between two optical waveguides is understood to mean that these adjacent optical waveguides contact directly without the interposition of a further medium. For example, this can be achieved by a material connection between the two optical waveguides.
  • the principle of the invention is based on the fact that initially between two adjacent optical waveguides, which are intimately connected to each other and have different refractive indices, the light in at least one of the optical fibers propagates substantially due to total reflection, wherein the Limit angle of the total reflection from the refractive indices of the two intimately interconnected media of the adjacent optical fibers determined.
  • those surfaces of an optical waveguide of the multilayer structure which are not intimately contacted with an adjacent optical waveguide also reflect the guided light due to the total reflection, for example because the optical waveguide is surrounded by a gas or air or vacuum or even by a other optically denser material or else in that these surfaces are at least partially mirrored.
  • Light propagating within a light guiding optical waveguide of a multilayer structure according to the invention comprising at least two optical waveguides and impinging on the boundary layer between adjacent optical waveguides at an angle of incidence which is greater than the critical angle of the total reflection will thus propagate while maintaining the condition of total reflection.
  • the condition of the total reflection is at least for a part of the light beams propagating in the optical waveguide, in particular for those light beams for which the condition of the total reflection was given prior to the deformation. no longer respected, so that the light from the light-conducting optical waveguide at least partially transgresses into an adjacent optical waveguide.
  • those surfaces of the optical waveguides are connected to one another, which have been arranged at least in one dimension longest, in particular parallel to the mean propagation direction of the light.
  • one or more surfaces may be selected in order to intimately arrange an adjacent optical waveguide on this surface, i. to contact without the interposition of another medium and so to realize the principle of total reflection on such a surface of the optical waveguide.
  • other surfaces of the same optical waveguide can realize the light also due to the total reflection or due to specular reflection, for example, due to a mirror coating.
  • optical waveguides of the multilayer structure according to the invention in order to supply such a switching device according to the invention with light or also to measure the intensity of light transmitted between adjacent optical waveguides, it may be provided that in at least one of the optical waveguides of the multilayer structure according to the invention, in particular those with the higher or highest refractive index light, or at least those optical waveguides which are intimately contacted by optical waveguides with a lower refractive index, can be coupled in and / or coupled out, which propagates within this optical waveguide due to possibly incomplete total reflection and which then at least for a deformation of the multilayer structure, in particular at least locally Part in at least one adjacent optical fiber transmits.
  • an adjacent optical waveguide has a possibility for decoupling the transmitted light, for example also in that another optical waveguide for the Outcoupling of this light can be fastened to this adjacent optical waveguide.
  • optical fibers in particular of known type for coupling in and out on the optical waveguides of a multi-layer structure according to the invention can be carried out in a known manner and does not constitute the subject matter of the invention.
  • the condition of total reflection in the undeformed state is completely complied with, that means that light which propagates within an optical waveguide completely remains in the latter due to the principle of total reflection and only at least partially in a deformation of the multilayer structure in at least one adjacent optical waveguide.
  • a multi-layer structure that this is at least locally deformable by a force, in particular on a surface of the optical waveguide, in particular impressible and / or bendable / bendable, wherein at least in the region of deformation light from a the optical waveguide, in particular that with a higher refractive index, in at least one adjacent optical waveguide with a lower refractive index exceeds.
  • materials for the individual layers or optical waveguides of the multilayer structure according to the invention which are preferably flexible, in particular those which, after deformation and elimination of the deforming force, preferably automatically reset themselves to the original undeformed position ,
  • a multi-layer structure according to the invention can furthermore preferably be constructed in such a way that in such a multi-layer structure, starting from at least one specific optical waveguide, the refractive index of the other optical waveguides decreases as a result of the layers.
  • This has the advantage that the principle of total reflection can first be used in a specific optical waveguide, which has, for example, the highest refractive index of the entire multilayer structure, in order to allow the optical waveguide to take place only within this particular optical waveguide, without deformation of the multilayer structure, if necessary a desired light leakage, as mentioned above.
  • the refractive index of the remaining adjacent optical waveguides decreases as a result of this particular optical waveguide as a result of the layers, then it can be achieved that the light from the determined, initially conductive optical waveguide firstly passes into the immediately adjacent first optical waveguide and also there due to the total reflection then further spreads.
  • such a device can be used to determine the amount of deformation that For example, it can be deduced from which intensities in the individual layers of the multilayer structure can be measured.
  • the multi-layer structure is formed as a stack of at least two flexible layers stacked on top of one another, in particular in the undeformed state, flat films.
  • Such films may, for example, be polymer films which can be produced with high accuracy in terms of their refractive index, for example by different doping.
  • Such polymer films are flexible and self-restoring after deformation, so that they can be used for optical switching devices according to the invention.
  • such a polymeric film may be coated with at least one coating, e.g. a lacquer layer are coated, which then forms in each case a further layer or an adjacent optical waveguide in the context of the invention.
  • a coating can be further coated with further lacquer layers or other materials, so as to create a multi-layer structure of an optionally plurality of layers or optical waveguides.
  • a layer e.g. to arrange adhesive layer, which serves, on the one hand to connect the polymer films together and on the other form an optical waveguide in the context of the invention.
  • adhesive layer which serves, on the one hand to connect the polymer films together and on the other form an optical waveguide in the context of the invention.
  • two multi-layered polymer films result in a multilayer construction of three intimately interconnected optical waveguides.
  • the various layers of a multi-layer structure according to the invention in particular if they are composed of films, optionally coated films, can be constructed essentially so that the respective large surfaces of the layers or the films are in intimate contact with each other.
  • the lateral, in particular frontal surfaces of such a layer structure for example, be mirrored to prevent leakage of light at these edges. It is also possible, even at these edges to exploit the principle of total reflection to realize a light pipe within each layer of such a multi-layer structure.
  • the light path has at least one deflection independent of deformation, in particular at least one complete complete reversal.
  • the light path is lengthened independently of the actual physical length of a multilayer structure according to the invention, in particular in the case of at least one complete reversal, namely in the case of a single complete reversal, e.g. doubled or multiplied in a multiple complete reversal.
  • a higher sensitivity of a switching device according to the invention can be achieved because the light can be passed within at least one layer of a multi-layer structure according to the invention, for example several times at a location of deformation, so that multiple times at this location of the deformation light in an adjacent optical fiber can, whereby the intensity of the transmitted light in the adjacent optical waveguide can be significantly increased.
  • different directions of propagation in particular at different locations in an optical waveguide, in particular a foil optical waveguide, can be realized by deflections.
  • the light in an adjacent optical fiber after a transition in this due to a Deformation eg equally different propagation directions, which depend on the location of the deformation and in particular the prevailing at the respective location of the deformation propagation direction.
  • the propagation direction of light coupled over between two optical waveguides can be detected or discriminated, then the location of the deformation can also be determined.
  • the deflection of an optical path i. essentially the mean propagation direction of the light, not only completely, as previously preferred, but in principle at any desired angle, it may be provided that within at least one layer of the multilayer structure for this purpose reflective structures are provided to such a deflection to reach.
  • the film optical waveguides can be cut into shape, so that in each case lateral edges of an optical waveguide, in particular a film optical waveguide, are formed as a reflective structure.
  • the lateral edges may, for example, have a mirror coating or, using the principle of total reflection, be surrounded by another medium with a lower refractive index.
  • a multi-layer structure is formed by at least one central cross-section polygonal optical waveguide, on the flat surfaces of a polygonal central optical waveguide each least an optical waveguide is intimately contacted and these respective contacting optical waveguide are optically separated from each other, for example, by a vapor deposition of the edges, in order to avoid a transfer between these optical waveguides.
  • a switching device of this type is sensitive to deformation in several dimensions.
  • a switching device according to the invention with a described multi-layer structure can be particularly sensitive to deformations, for example kinks, bends or at least local deformations about an axis perpendicular to the light path, i. lies to the middle direction of light propagation.
  • the refractive indices of adjacent optical waveguides differ by less than one percent, preferably less than 1, percent.
  • the refractive indices of adjacent optical waveguides are not selected on the basis of the aforementioned condition, but such that the limit angle of total reflection given between adjacent optical waveguides at the given refractive indices is less than 90 degrees minus half the maximum opening angle of a an optical fiber propagating light beam.
  • the maximum aperture angle can be given, for example, by the type of coupling of the light beam into the relevant optical waveguide, in particular, for example, by the divergence of the light beam at the coupling-out end of another optical waveguide, with which the light is supplied to an optical waveguide of the multilayer arrangement.
  • the injected light has a certain divergence, i. a certain opening angle of the coupled light cone.
  • the half angle of this opening angle denotes the maximum angle of the light to the central direction of light propagation, which is given by the light path in the optical waveguide. If the amount of 90 ° minus this half opening angle greater than the critical angle of total reflection, it is ensured that each individual light beam of the coupled light beam propagates in compliance with the conditions of total reflection in the optical waveguide. Only by a deformation of the multilayer structure is then achieved that the condition of the total reflection is disturbed and light can pass into an adjacent optical waveguide.
  • half the opening angle of a coupled light beam is selected so that 90 ° minus this particular angle is less than or equal to ( ⁇ ) the critical angle of total reflection. If this is the case, there is already without a deformation of the multi-layer structure according to the invention a light transfer between the light-guiding optical waveguide and an adjacent optical waveguide.
  • Such a switching device according to the invention designed in this way thus has a very high sensitivity, since any type of deformation already leads to a change in the light transition between adjacent optical waveguides.
  • the magnitude of deformation can be determined not only by the intensity of the transmitted light between two optical waveguides, but also by determining how many of the optical waveguides following in the layer have an overcoupled light component.
  • the refractive index difference between two optical waveguides increases with each layer.
  • two optical waveguides are optically connected to one another, so that light between these optical waveguides transitions independently of a deformation, in particular in order to achieve a reversal of the optical path also by such a shaping.
  • a change in the light path can not only take place within one layer of the multilayer structure according to the invention, but it can be transferred from one layer to another layer of the multilayer structure.
  • the two optical waveguides of the aforementioned type can surround at least one other optical waveguide located therebetween, in particular if the optical waveguide between the two optical waveguides is guided in a loop. Since in such a loop, if necessary, the conditional total reflection can not be met, it can be provided here that the area of the loop is designed to be mirrored in order to allow the passage of light between the two optical fibers.
  • a coupling and decoupling on the optical waveguides or the individual layers of the multilayer structure according to the invention can For example, resort to conventional known fiber optic waveguides, which are fastened or attachable to at least one optical waveguide of the multilayer structure.
  • Such attachment may, for. B. by gluing and / or pouring done.
  • a thickness adaptation takes place in the coupling region.
  • an optical waveguide of a multilayer structure according to the invention is designed as a thin layer, for example a foil, then it can be provided that such a position on which coupling is to take place has a thicker configuration in its edge region, in particular with a greater height to record the entire cross section of the coupling optical waveguide. A taper can then take place at the edge region, up to a reduction to the desired thickness of the optical waveguide in multilayer construction.
  • At least one optical waveguide of the multilayer structure at least partially allows only a spectrally limited wavelength component, in particular of the visible spectrum of approximately 400-800 nm, of the light transmitted in this optical waveguide to pass.
  • a spectrally limited wavelength component in particular of the visible spectrum of approximately 400-800 nm
  • such an optical waveguide can have a desired wavelength-selective transmission behavior over its entire length or only in regions, so that only light of a specific wavelength or light with a specific spectral bandwidth can pass this optical waveguide or this region of the optical waveguide about a central wavelength.
  • Such an optical waveguide thus has a filter function, which can be achieved, for example, by doping or other coloring.
  • a switching device in which at least one optical waveguide is embodied in this manner, it can thus be achieved that only a certain spectral component (in particular a specific spectral component) is converted from the light which has passed from a light-conducting optical waveguide into an adjacent optical waveguide Central wavelength), so that, for example, a detected wavelength of the coupled-on light component in a switching device according to the invention can be evaluated, for example to evaluate in which region of an optical waveguide a light transfer has taken place, or which optical waveguide is affected by the light.
  • a certain spectral component in particular a specific spectral component
  • an optical waveguide has at least two regions, wherein each region allows a different spectrally limited wavelength component or a central wavelength of the light transmitted into this optical waveguide to pass.
  • each region allows a different spectrally limited wavelength component or a central wavelength of the light transmitted into this optical waveguide to pass.
  • the light of a plurality of optical waveguides each of which can pass different spectrally limited wavelength components of the transmitted light or the light of an optical waveguide with a plurality of regions of different wavelengths of the aforementioned type, which pass the transmitted light, are coupled into a possibly common Lichtsammeivorraum, wherein at the Lichtsammeivortechnisch a device for spectral analysis of the light can be arranged.
  • a device for spectral analysis of the light can be arranged.
  • the wavelength for example a central wavelength of the collected light
  • it can thus be determined from which optical waveguide or from which region of an optical waveguide the light originates.
  • Such information can in turn be exploited, in addition to possibly an intensity information, around the location of a deformation and / or to determine the size of a deformation of a switching device according to the invention.
  • the multi-layer structure has at least one optical waveguide from which an optical property, in particular transparency, absorption or spectral selectivity can be changed by an external influence.
  • an influence can e.g. a substance intake, in particular of moisture or a temperature change.
  • the plastic PMMA can absorb up to 1, 5% water at a 50% humidity in the room.
  • an optical property such as e.g. change the transparency, which in turn can also influence the criteria of total reflection, so that a device according to the invention can behave just as differently under different environmental conditions.
  • a switching device of the type according to the invention it is possible with a switching device of the type according to the invention to form a device with which external influences can be detected or measured, which influence the optical property.
  • the multi-layer structure of the type according to the invention comprises at least two optical waveguides which have a different thermal expansion behavior. If at least two such optical waveguides are intimately connected to one another, as required by the invention, a bend will occur in the event of a temperature change due to the different thermal expansion of the two optical waveguides, as is described, for example. Also known from bimetals.
  • light paths with light-different wavelengths and / or different propagation directions can also be realized in at least one layer of a multi-layer structure. Since the superposition principle applies to light, i. That light of different wavelengths and different propagation direction does not influence one another, it is possible to detect different criteria, in particular measured variables, within a switching device, for example to record different direction-dependent measured values which can be discriminated from one another by the different propagation directions or light wavelength.
  • a device for measuring mechanical deformations and / or displacements with a device of the type according to the invention, in particular if, for example, an inventive multilayer structure of the switching device of optical waveguides is connected or connectable to at least one mechanically deformable or locally displaceable element.
  • Fig. 1 the principle of operation in two adjacent optical waveguides
  • Fig. 2 the light propagation at two adjacent optical waveguides
  • Fig. 3 light-guiding structures in one layer
  • FIG. 9 a first embodiment of a pressure measuring cell
  • FIG. 10 a second embodiment of a pressure measuring cell
  • FIG. 11 a third embodiment of a pressure measuring cell
  • FIG. 12 the embodiment of a micropump
  • Figures 1a and 1b show the basic principle of the invention with reference to a multi-layer structure of optical waveguides, in this simple embodiment, only two intimately interconnected optical fibers L1 and L2 are provided.
  • the optical waveguide L1 with the optically thinner medium and a refractive index N1 represents that optical waveguide in which, as a function of a deformation, light from the light-guiding optical waveguide L2 is to pass with the optically denser medium and the refractive index N2.
  • the angle of incidence of the light propagating in the optical waveguide L2 will be less than the critical angle of the total reflection, at least in the region of the application of force from the optical waveguide L2 at the location of deformation in the optical waveguide L1 can pass.
  • the transmitted light propagates again in compliance with the total reflection condition and can be decoupled or measured at one end of the optical waveguide L2 from this, for example for further measures.
  • the intensity of the transmitted light can be determined, after which it can be concluded on the strength of the deformation.
  • FIG. 2 shows essentially the same arrangement in two different views, namely in the upper area in a top view and in the lower area in a side view.
  • an optical waveguide according to the invention can be designed, for example, as a foil which has a smaller height in comparison to its width.
  • the arrangement of the light-conducting optical waveguide L2 to the optical waveguide L1 is interchanged with respect to FIG. 1, whereby it becomes clear that the principle of total reflection essentially applies here at the boundary layer between the two optical waveguides L1 and L2.
  • the principle of total reflection also applies to the lateral edges K of the optical waveguides, for example if the overall arrangement of the multilayer structure is surrounded by two layers of air.
  • the edges have a reflective coating.
  • the surfaces may have a reflective coating, at which no transfer between two optical waveguides should take place, in particular all surfaces of a Optical waveguide, which are not in intimate contact with an adjacent optical waveguide, but also generally surfaces between adjacent optical waveguides, the multilayer structure according to the invention, at which a light transfer is to be prevented even during deformation.
  • an optical waveguide of a multi-layer structure according to the invention can be designed to be light path-forming.
  • FIGS. 3a-c show further measures which make it possible to redirect the light path at least within one layer of the multilayer structure.
  • the light path here is understood to be the mean propagation direction of the light within an optical waveguide, without taking into account the angle that the light occupies in the reflection at the interfaces of the optical waveguides. It can be seen in FIG. 3, as already shown in FIG. 2 above, that an optical waveguide can, for example, taper in the direction of the light path.
  • FIG. 3b shows that a layer or an optical waveguide of a multilayer structure can also have deflections at any angle within a layer.
  • Figure 3b shows an optical waveguide of a multilayer structure according to the invention in plan view, in which a double deflection by 90 degrees and thus a complete reversal of the light path is achieved within an optical waveguide.
  • FIG. 3b shows a triple complete reversal of the light path within an optical waveguide of a layer of the multilayer structure according to the invention.
  • FIG. 4 shows the basic structure of a switching device according to the invention, in which according to the figure 4a light is coupled into a light-conducting optical waveguide, in which case the overall arrangement of two intimately interconnected adjacent optical waveguides L2 and L1 is bent around a fixed system A around.
  • the bend takes place about an axis perpendicular to the paper plane.
  • the condition of the total reflection is violated, so that light from the light-conducting optical waveguide L2 can pass into the optical waveguide L1. It can thus be determined at the ends of the two optical waveguides L1 and L2 what proportion of the light has passed into the optical waveguide L1, so that both the quality can be determined as well as the quantity of the deformation on the basis of the intensity of the transmitted light ,
  • FIG. 4b shows an embodiment of a multi-layer structure according to the invention with a total of three layers of optical waveguides L1, L2 and L3, the optical waveguide L2 surrounding centrally by the optical waveguides L1 and L3 being light-conducting.
  • FIG. 4c furthermore shows a further multilayer structure according to the invention, in which a light-conducting optical waveguide has more than just one adjacent optical waveguide at least on one side.
  • a light-conducting optical waveguide has more than just one adjacent optical waveguide at least on one side.
  • FIG. 4d shows a further construction of a multi-layer arrangement according to the invention, in which not only one optical waveguide is light-guiding, but in this embodiment two optical waveguides.
  • FIG. 4e furthermore shows another alternative arrangement in which two optical waveguides L1 and L3 are interconnected.
  • these two first-mentioned optical waveguides surround a central light-guiding optical waveguide L2.
  • a buckling of this multilayer arrangement according to the invention at the contact points A downwards takes place in this Example, a transition of the light in the upper optical waveguide L1, said transmitted light in the loop S at the end of the optical waveguide L1 is deflected into the optical waveguide L3.
  • this can be achieved, for example, that the light coupling and the light extraction from the entire arrangement according to the invention can take place on one side.
  • the loop S is mirrored to achieve the reflection condition, provided that the total reflection in the loop can not be achieved.
  • FIG. 5 shows a further embodiment according to the invention, in which the multilayer structure according to the invention has three layers in this example and the middle layer carries light.
  • the middle layer carries light.
  • White light i. Light which comprises substantially all wavelengths of the visible spectrum or at least light of several wavelengths are guided in the middle layer.
  • various filter films A and B can be arranged as optical waveguides which, in conjunction with the central light-guiding layer, form the multi-layer structure according to the invention.
  • These filter sheets A and B may be selectively adapted for different wavelengths of light, i. that these films can pass only light wavelengths of a certain central wavelength, wherein the central wavelengths of the two filter sheets A and B are different.
  • the two filter sheets A and B may be connected to a common light collector and e.g. a common optical fiber LWL be supplied.
  • the light which is guided in the central position passes into the upper filter foil A, whereby only the light of one wavelength of light A can be propagated further from the original wavelengths.
  • the right side of the collector can thus be detected by a detector, the light wavelength ⁇ .
  • the light passes into the filter film B, in which only the wavelength B from the wavelengths is further propagated, so that after the collector and right side of the optical waveguide fiber only light of wavelength B is detected. Based on the measurement of the wavelength of light can thus be determined from which side the deformation has taken place. Furthermore, it can be determined, for example, based on the intensity of the detected light, how strong the deformation was.
  • FIG. 6 shows a further embodiment with a multi-layer structure comprising two layers of optical waveguides.
  • a lower layer L2 is light guiding and in this embodiment is fed on the left side by white light or at least several wavelengths which can propagate undisturbed within the layer.
  • an optical waveguide L1 Arranged on this optical waveguide L2 is an optical waveguide L1 which, in this embodiment, has three different regions A, B and C, which in each case allow only light of a wavelength A, B or C to pass. Accordingly, if a deformation in one of the areas A, B or C made, the light in this area occurs in the optical waveguide L1 and it can happen within the range only the light of the wavelength associated with this area, so that at the end of the optical waveguide L1, the wavelength can be determined.
  • FIG. 7 shows an arrangement in which the light is to be coupled from a light-guiding optical waveguide LWL into a foil which forms a layer of a multilayer structure according to the invention.
  • Figure 7a shows a direct adhesive connection between an optical waveguide, which may be formed for example as a fiber optic waveguide and the end face of a film, such as a polymer film.
  • FIG. 7b shows an arrangement in which a larger cross-section of the feeding optical waveguide is reduced to a lower height of a light-conducting film according to the invention.
  • a funnel-shaped or at least wedge-like arrangement is provided in the edge region of the film, by means of which the light is introduced into the film.
  • FIG. 7c shows an alternative embodiment, in which the light is deflected via a prism P and is thus coupled into the surface of the optical waveguide L1.
  • any measures are possible here in order to convert the light from a feeding optical waveguide into a layer of the multilayer arrangement according to the invention.
  • FIG. 8 shows a general embodiment of an optical switching device according to the invention. Visible here is an inventive multilayer structure of three optical waveguides L1, L2 and L3, wherein the optical waveguides L1 and L3 surround the central optical fiber L2, the light is supplied from its light emitter. Depending on the size and direction of deformation, the light supplied on the left side passes from the central optical waveguide L2 either into the upper optical waveguide L1 or into the lower optical waveguide L3. Regardless of the number of layers of a multilayer structure according to the invention, it can be provided here that each optical waveguide which is assigned to a layer of the multilayer structure has a coupling in order to detect the outcoupled light with a receiver, in particular to measure it, in particular with respect to the intensity and / or the wavelength. With an optical switching device according to the invention, moreover, a sensor system can be formed to detect any deformations or displacements.
  • FIG. 9 shows the basic structure of a pressure measuring cell whose membrane M experiences a more or less pronounced deformation or displacement as a function of a pressure.
  • the diaphragm M of the pressure cell is connected to an optical switching device OSF, in particular at least with the multi-layer structure OSF according to the invention of an optical switching device according to the invention.
  • the connection can be made over the entire surface of membrane M and the multilayer structure OSF.
  • the optical switching device OSF will transition from a light-conducting optical waveguide layer into an adjacent layer, so that both on the basis of the affected and the detected light intensity in this position It can be determined in which direction the membrane M was deflected and how strong the deflection was.
  • FIG. 10 shows an arrangement in which the membrane M of a pressure cell itself is already formed by a multi-layer structure according to the invention.
  • FIG. 11 shows alternative embodiments in which the membrane of a pressure cell is not connected over a large area, as in the previous embodiment of FIG. 9, to an optical switching device OSF of the type according to the invention, but here is an optical switching device OSF according to the invention or at least the multilayer structure OSF of such Optical switching device according to the invention between a membrane M and a fixed part F of the pressure cell arranged.
  • OSF optical switching device
  • the multi-layer structure OSF of the switching device according to the invention is more or less stretched or compressed, so that thereby the condition of the total reflection depending on the type and width of deformation changes.
  • FIG. 12 shows a further application of an optical switching device according to the invention, in which, for example, the pumping membrane of a micropump is coated with an optical switching device OSF of the invention or at least with the multilayer structure OSF.
  • OSF optical switching device
  • FIG. 12 shows a further application of an optical switching device according to the invention, in which, for example, the pumping membrane of a micropump is coated with an optical switching device OSF of the invention or at least with the multilayer structure OSF.
  • optical switching devices according to the invention can be used to measure the direction and size of any type of deformation or movement or displacement of elements of any kind.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Schaltvorrichtung umfassend eine Anordnung von wenigstens zwei nebeneinander, insbesondere zueinander parallel verlaufenden Lichtwellenleitern, bei der die Oberflächen von zwei benachbarten Lichtwellenleitern (L1, L2) miteinander innig, insbesondere stoffschlüssig verbunden sind, so dass ein Mehrlagenaufbau (OSF) von wenigstens zwei Lichtwellenleitern (L1, L2) gebildet ist und zwei benachbarte Lichtwellenleiter (L1, L2) des Mehrlagenaufbaus voneinander abweichende Brechungsindizes aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Messung mechanischer Verformungen und/oder Verlagerungen, bei der eine Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist, deren Mehrlagenaufbau (OSF) von Lichtwellenleitern (L1, L2, L3) mit wenigstens einem mechanisch verformbaren oder örtlich verlagerbaren Element (M, A) verbunden / verbindbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung der Verformung und/oder örtlichen Verlagerung eines Elementes, wobei das Element (M, A) zumindest partiell mit einer Schaltvorrichtung (OSF) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 24 verbunden ist und die sich durch eine Verformung/Verlagerung ergebende Änderung einer Lichtauskopplung aus wenigstens einem Licht führenden Lichtwellenleiter und/oder Änderung einer Lichteinkopplung in einen Lichtwellenleiter des Mehrlagenaufbau detektiert wird.

Description

Optische Schaltvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine optische Schaltvorrichtung, umfassend eine Anordnung von wenigstens zwei nebeneinander, insbesondere zueinander parallel verlaufenden Lichtwellenleitern, ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung der Verformung und/oder Verlagerung eines Elementes sowie eine Vorrichtung dafür.
Derartige Schaltvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und sollen bewirken, dass durch einen Schaltvorgang Licht, welches sich in wenigstens einem Lichtwellenleiter ausbreitet, in einen anderen Lichtwellenleiter übertritt.
Hierbei wird unter einem Lichtwellenleiter jegliche Anordnung eines transparenten und für die Lichtleitung geeigneten Mediums verstanden, welches geeignet ist, das Licht entlang eines Lichtweges innerhalb des Lichtwellenleiters propagieren zu lassen. Hierbei wird unter dem Lichtweg die mittlere Ausbreitungsrichtung des Lichtes innerhalb eines Lichtwellenleiters verstanden, d.h. hier insbesondere die Ausbreitungsrichtung des Lichtes unter Vernachlässigung der Reflektionen des Lichtes an den inneren Flächen des Lichtwellenleiters, unabhängig davon, ob diese Reflektion durch Totalreflektion oder durch Verspiegelung erreicht ist. Der Lichtweg entspricht somit regelmäßig der Erstreckung eines Lichtwellenleiters. Bei einem Lichtwellenleiter wird unter dem Lichtweg im Wesentlichen der Verlauf der Mittenachse verstanden.
Beispielsweise sind optische Schaltvorrichtungen bekannt, bei der zwei mit einem Abstand zueinander parallel verlaufende Lichtwellenleiter vorgesehen sind, die gleichen Brechungsindex aufweisen und bei denen in einem der Lichtwellenleiter sich Licht ausbreitet. Dieses Licht ist aufgrund des Prinzips der Totalreflektion in diesem Lichtwellenleiter gefangen, weil der Lichtwellenleiter mit einem vorgegebenen Brechungsindex von einem anderen Medium, beispielsweise Luft, mit einem geringeren Brechungsindex umgeben ist.
Aufgrund der Luftgrenze zwischen den beiden Lichtwellenleitern kann das Licht somit nicht aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter in den anderen Lichtwellenleiter übertreten. Wird jedoch der benachbarte Lichtwellenleiter verformt und kommt dieser bei der Verformung in Kontakt mit dem lichtführenden Lichtwellenleiter, so wird die Luftgrenzschicht zwischen diesen Lichtwellenleitern verdrängt und die beiden Lichtwellenleiter mit demselben Brechungsindex liegen direkt aneinander. In der Kontaktzone kann dann aufgrund der erzielten Brechungsindexanpassung das Licht aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter in den kontaktierenden Lichtwellenleiter übertreten. Dieses Prinzip des Lichtübergangs wird auch als frustrated total internal reflection bezeichnet.
Derartige optische Schaltvorrichtungen haben den Nachteil eines komplizierten Aufbaus und gestatten darüber hinaus keine Aussage über die Stärke einer Verformung, da bei diesen bekannten Schaltvorrichtungen die aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter ausgekoppelte Lichtmenge und somit die in dem kontaktierenden Lichtwellenleiter erreichte Lichtintensität maßgeblich nur von der Größe der Kontaktfläche zwischen den beiden Lichtwellenleitern bestimmt wird, nicht jedoch unmittelbar durch die Größe der Kraftbeaufschlagung oder die Stärke einer Verformung. Darüber hinaus kann mit einer solchen bekannten Schaltvorrichtung der Schaltvorgang erst ab dem Moment detektiert werden, wenn die beiden Lichtwellenleiter miteinander in Kontakt treten. Verformungen der Lichtwellenleiter, die bereits vor einer Kontaktierung entstehen, sind so nicht detektierbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Schaltvorrichtung bereitzustellen, mit der es möglich ist, Licht aus wenigstens einem lichtführenden Lichtwellenleiter in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter in Abhängigkeit von einer Verformung überzuleiten, wobei die Intensität des aus- bzw. übergekoppelten Lichtes Rückschlüsse zulässt auf die Art und/oder Größe einer Verformung bzw. die wirkende Kraft bei einer Verformung.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Oberflächen von zwei benachbarten Lichtwellenleitern einer Anordnung von wenigstens zwei nebeneinander, insbesondere zueinander parallel verlaufenden Lichtwellenleitern miteinander innig, insbesondere stoffschlüssig verbunden sind, so dass ein Mehrlagenaufbau von wenigstens zwei Lichtwellenleitern gebildet ist und wobei weiterhin zwei benachbarte Lichtwellenleiter des Mehrlagenaufbaus voneinander abweichende Brechungsindizes aufweisen. Hierbei wird unter abweichenden Brechungsindizes verstanden, dass diese nicht vollständig identisch sind, also z.B. sich in der 4. bis 5. Nachkommastelle oder auch stärker unterscheiden, also z.B. 2. bis 3. Nachkommastelle.
Im Sinne der Erfindung wird unter einer Anordnung von wenigstens zwei nebeneinander verlaufenden Lichtwellenleitern verstanden, dass die beiden Lichtwege nebeneinander liegen, jedoch nicht identisch sind. Beispielsweise können die Lichtwege parallel zueinander verlaufen, sofern die Lichtwellenleiter zur Führung des Lichtes parallel zueinander angeordnet sind. Nicht zwingend müssen die erfindungsgemäß benachbarten und innig verbundenen Lichtwellenleiter parallel zueinander verlaufen. Der gebildete Mehrlagenaufbau kann auch nicht geradlinig erstreckte Lichtwege bilden.
Unter der erfindungsgemäß vorgesehenen innigen Verbindung zwischen zwei Lichtwellenleitern wird verstanden, dass sich diese benachbarten Lichtwellenleiter ohne Zwischenschaltung eines weiteren Mediums unmittelbar kontaktieren. Beispielsweise kann dies durch einen Stoffschluss zwischen den beiden Lichtwellenleitern erreicht sein.
Im Gegensatz zum oben zitierten Stand der Technik, bei dem der Übergang zwischen zwei Lichtwellenleitem durch eine Unterbindung der Totalreflektion in der Kontaktzone der beiden Lichtwellenleiter durch Verdrängung eines weiteren Mediums bei einer Verformung realisiert wird, beruht das erfindungsgemäße Prinzip darauf, dass zunächst zwischen zwei benachbarten Lichtwellenleitern, die innig miteinander verbunden sind und von einander abweichende Brechungsindizes aufweisen, das Licht in wenigstens einem der Lichtwellenleiter sich im Wesentlichen aufgrund von Totalreflektion ausbreitet, wobei sich der Grenzwinkel der Totalreflektion aus den Brechungsindizes der beiden innig miteinander verbundenen Medien der benachbarten Lichtwellenleiter bestimmt.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass diejenigen Oberflächen eines Lichtwellenleiters des Mehrlagenaufbaus, die nicht mit einem benachbarten Lichtwellenleiter innig kontaktiert sind, das geleitete Licht ebenfalls aufgrund der Totalreflektion reflektieren, beispielsweise weil der Lichtwellenleiter durch ein Gas oder Luft oder Vakuum umgeben ist oder auch von einem anderen optisch dichteren Material oder aber auch dadurch, dass diese Oberflächen zumindest zum Teil verspiegelt sind.
Licht, welches sich innerhalb eines lichtführenden Lichtwellenleiters eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus aus wenigstens zwei Lichtwellenleitern ausbreitet und welches mit einem Einfallswinkel auf die Grenzschicht zwischen benachbarten Lichtwellenleitern trifft, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflektion, wird sich somit unter Einhaltung der Bedingung der Totalreflektion ausbreiten. Hierbei ist es für das Prinzip der Erfindung nicht wesentlich, dass 100% des geleiteten Lichtes unter der Bedingung der Totalreflektion geleitet wird. Es kann auch ein Lecklichtstrom in benachbarte Lichtwellenleiter selbst ohne eine Verformung vorgesehen sein.
Erfolgt nun erfindungsgemäß eine Verformung des Mehrlagenaufbaus, so wird zumindest für einen Teil der in dem Lichtwellenleiter sich ausbreitenden Lichtstrahlen, insbesondere für diejenigen Lichtstrahlen, für die vor der Verformung die Bedingung der Totalreflektion gegeben war, die Bedingung der Totalreflektion, zumindest im Bereich der Verformung, nicht mehr eingehalten, so dass das Licht aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter in einen benachbarten Lichtwellenleiter zumindest zum Teil übertritt.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass diejenigen Oberflächen der Lichtwellenleiter miteinander verbunden sind, die zumindest in einer Dimension längst, insbesondere parallel zur mittleren Ausbreitungsrichtung des Lichtes angeordnet sind. So kann bei einem Lichtwellenleiter mit gegebenenfalls mehreren Oberflächen eine oder auch mehrere Oberflächen ausgewählt werden, um auf dieser Oberfläche einen benachbarten Lichtwellenleiter innig anzuordnen, d.h. ohne Zwischenschaltung eines weiteren Mediums zu kontaktieren und so das Prinzip der Totalreflektion an einer solchen Oberfläche des Lichtwellenleiters zu realisieren. Wie eingangs erwähnt, können andere Oberflächen desselben Lichtwellenleiters das Licht ebenso aufgrund der Totalreflektion oder aber auch aufgrund spiegelnder Reflektion, beispielsweise aufgrund einer Spiegelbeschichtung, realisieren.
Um eine derartige erfindungsgemäße Schaltvorrichtung mit Licht zu versorgen bzw. auch um die Intensität von zwischen benachbarten Lichtwellenleitern übergetretenen Licht zu messen, kann es vorgesehen sein, dass in wenigstens einen der Lichtwellenleiter des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus, insbesondere den mit dem höheren bzw. höchsten Brechungsindex Licht, oder zumindest solche Lichtwellenleiter, die von Lichtwellenleitern mit geringeren Brechungsindex innig kontaktiert sind, einkoppelbar und/oder auskoppelbar ist, welches sich aufgrund von ggfs. nicht vollständiger Totalreflektion innerhalb dieses Lichtwellenleiters ausbreitet und welches sodann bei einer Verformung des Mehrlagenaufbaus, insbesondere zumindest lokal, zumindest zum Teil in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter übertritt.
Hierbei kann es sodann vorgesehen sein, dass ein benachbarter Lichtwellenleiter eine Möglichkeit zur Auskopplung des übergeleiteten Lichtes aufweist, beispielsweise ebenfalls dadurch, dass ein anderer Lichtwellenleiter für die Auskopplung dieses Lichtes an diesem benachbarten Lichtwellenleiter befestigbar ist.
Die Befestigung von Lichtwellenleitern insbesondere bekannter Art zur Ein- und Auskopplung an den Lichtwellenleitern eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus kann dabei auf bekannt Art und Weise erfolgen und stellt nicht weiter den Gegenstand der Erfindung dar.
Gemäß der Erfindung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass bei einem Mehrlagenaufbau gemäß der Erfindung die Bedingung der Totalreflektion im unverformten Zustand vollständig eingehalten ist, dass bedeutet, dass Licht, welches sich innerhalb eines Lichtwellenleiters ausbreitet, aufgrund des Prinzips der Totalreflektion vollständig in diesem verbleibt und nur bei einer Verformung des Mehrlagenaufbaus in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter zumindest zum Teil übertritt.
In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass selbst im unverformten Zustand eine Lichtleckage von einem lichtführenden Lichtwellenleiter des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter gewünscht ist. Wird ein derartiger erfindungsgemäßer Mehrlagenaufbau verformt, so kann eine Änderung gegenüber der Lichtleckage in dem unverformten Zustand hervorgerufen werden. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit einer Verformung der Übergang des Lichtes von einem lichtführenden Lichtwellenleiter in einen benachbarten Lichtwellenleiter vergrößert oder aber auch verringert wird.
Gemäß der Erfindung kann es bei sämtlichen Ausführungsformen eines Mehrlagenaufbaus vorgesehen, dass dieser durch eine Kraftbeaufschlagung, insbesondere auf eine Oberfläche eines der Lichtwellenleiter, zumindest lokal verformbar ist, insbesondere eindrückbar und/oder knickbar/biegbar ist, wobei zumindest im Bereich der Verformung Licht von einem der Lichtwellenleiter, insbesondere dem mit einem höheren Brechungsindex, in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter mit einem geringeren Brechungsindex übertritt. Um eine Verformbarkeit des Mehrlagenaufbaus zu erreichen, können demnach für die einzelnen Lagen bzw. Lichtwellenleiter des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus Materialien gewählt werden, die bevorzugt flexibel sind, insbesondere die nach einer Verformung und Entfall der verformenden Kraft sich bevorzugt automatisch selbst zurückstellen in die ursprüngliche nicht verformte Lage.
Ein erfindungsgemäßer Mehrlagenaufbau kann weiterhin bevorzugt derart aufgebaut sein, dass in einem solchen Mehrlagenaufbau, ausgehend von wenigstens einem bestimmten Lichtwellenleiter der Brechungsindex der übrigen Lichtwellenleiter in der Folge der Lagen abnimmt. Dies hat den Vorteil, dass zunächst in einem bestimmten Lichtwellenleiter, der beispielsweise den höchsten Brechungsindex des gesamten Mehrlagenaufbaus aufweist, das Prinzip der Totalreflektion genutzt werden kann, um ohne eine Verformung des Mehrlagenaufbaus die Lichtleitung nur innerhalb dieses bestimmten Lichtwellenleiters stattfinden zu lassen, gegebenenfalls bis auf eine gewünschte Lichtleckage, wie eingangs erwähnt.
Nimmt ausgehend von diesem bestimmten Lichtwellenleiter in der Folge der Lagen der Brechungsindex der übrigen benachbarten Lichtwellenleiter ab, so kann erreicht werden, dass bei einer Verformung das Licht von dem bestimmten, zunächst lichführenden Lichtwellenleiter zuerst in den unmittelbar ersten benachbarten weiteren Lichtwellenleiter übertritt und sich dort ebenfalls aufgrund der Totalreflektion sodann weiter ausbreitet.
Findet eine weitere und immer stärker werdende Verformung statt, so werden auch die Bedingungen für die Totalreflektion in weiteren beabstandeten Lagen von Lichtwellenleitern nicht mehr eingehalten, so dass das Licht aus dem ursprünglichen bestimmten Lichtwellenleiter sich über mehrere Lagen hinweg in benachbarte Lichtwellenleiter hin ausbreiten kann. So kann eine derartige Vorrichtung genutzt werden, um die Stärke einer Verformung zu bestimmen, die z.B. daraus abgeleitet werden kann, welche Intensitäten in den einzelnen Lagen des Mehrlagenaufbaus gemessen werden können.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Mehrlagenaufbau gebildet ist als ein Stapel von wenigstens zwei aufeinander geschichteten flexiblen, insbesondere im unverformten Zustand planer Folien. Bei solchen Folien kann es sich beispielsweise um Polymerfolien handeln, die hinsichtlich ihres Brechungsindex mit hoher Genauigkeit hergestellt werden können, beispielsweise durch unterschiedliche Dotierung.
Derartige Polymerfolien sind flexibel und nach einer Verformung selbst zurückstellend, so dass diese für erfindungsgemäße optische Schaltvorrichtungen eingesetzt werden können.
Beispielsweise kann zur Erzeugung eines Mehrlagenaufbaus eine solche Polymerfolie mit wenigstens einer Beschichtung, z.B. einer Lackschicht überzogen werden, die sodann jeweils eine weitere Lage bzw. einen benachbarten Lichtwellenleiter im Sinne der Erfindung bildet. Eine solche Beschichtung kann weiter mit weiteren Lackschichten oder anderen Materialien beschichtet werden, um so einen Mehrlagenaufbau aus einer gegebenenfalls Vielzahl von Schichten bzw. Lichtwellenleitern zu erstellen.
Ebenso besteht die Möglichkeit, zwischen je zwei Polymerfolien eine Schicht, z.B. Klebeschicht anzuordnen, die dazu dient, zum einen die Polymerfolien miteinander zu verbinden und zum anderen einen Lichtwellenleiter im Sinne der Erfindung auszubilden. Z.B. ergibt sich so durch zwei verbundene Polymerfolien insgesamt ein Mehrlagenaufbau aus drei innig miteinander verbundenen Lichtwellenleitern.
Die verschiedenen Lagen eines Mehrlagenaufbaus gemäß der Erfindung können, insbesondere wenn diese aus Folien, gegebenenfalls beschichteten Folien, zusammengesetzt sind, im Wesentlichen so aufgebaut sein, dass die jeweils großen Oberflächen der Lagen bzw. der Folien miteinander in innigem Kontakt stehen. Die seitlichen, insbesondere stirnseitigen Flächen eines derartigen Lagenaufbaus können beispielsweise verspiegelt sein, um ein Austreten des Lichtes an diesen Kanten zu verhindern. Es besteht ebenso die Möglichkeit, auch an diesen Kanten das Prinzip der Totalreflektion auszunutzen, um eine Lichtleitung innerhalb einer jeden Lage eines solchen Mehrlagenaufbaus zu realisieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass innerhalb wenigstens einer Lage des Mehrlagenaufbaus, insbesondere innerhalb eines Folienlichtwellenleiters, der Lichtweg unabhängig von einer Verformung wenigstens eine Umlenkung aufweist, insbesondere eine wenigstens einmalige vollständige Umkehr.
Hierdurch kann erreicht werden, dass der Lichtweg unabhängig von der eigentlichen körperlichen Länge eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus, insbesondere bei einer wenigstens einmaligen vollständigen Umkehr verlängert, nämlich bei einer einmaligen vollständigen Umkehr z.B. verdoppelt oder bei einer mehrmaligen vollständigen Umkehr auch vervielfacht wird.
So kann insbesondere auch eine höhere Sensitivität einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung erreicht werden, da das Licht innerhalb wenigstens einer Lage eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus, beispielsweise mehrfach an einem Ort der Verformung vorbeigeführt werden kann, so dass auch mehrfach an diesem Ort der Verformung Licht in einen benachbarten Lichtwellenleiter übertreten kann, wodurch sich die Intensität des übergetretenen Lichtes in dem benachbarten Lichtwellenleiter signifikant erhöhen lässt.
Auch können durch Umlenkungen verschiedene Ausbreitungsrichtungen, insbesondere an verschiedenen Orten in einem Lichtwellenleiter, insbesondere einem Folienlichtwellenleiter realisiert werden. So kann das Licht in einem benachbarten Lichtwellenleiter nach einem Übertritt in diesem aufgrund einer Verformung z.B. ebenso unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen aufweisen, die vom Ort der Verformung abhängen und insbesondere den am jeweiligen Ort der Verformung vorherrschenden Ausbreitungsrichtung. Wenn also die Ausbreitungsrichtung von zwischen zwei Lichtwellenleitern übergekoppelten Licht festgestellt bzw. diskriminiert werden kann, so dann auch der Ort der Verformung bestimmt werden.
Die Umlenkung eines Lichtwegs, d.h. im Wesentlichen der mittleren Ausbreitungsrichtung des Lichtes, kann nicht nur vollständig, wie zuvor bevorzugt genannt, erfolgen, sondern grundsätzlich in jedem gewünschtem Winkel, wobei es vorgesehen sein kann, dass innerhalb wenigstens einer Lage des Mehrlagenaufbaus hierfür reflektierende Strukturen vorgesehen sind, um eine solche Umlenkung zu erreichen. Beispielsweise können die Folienlichtwellenleiter in Form geschnitten werden, so dass jeweils seitliche Kanten eines Lichtwellenleiters, insbesondere eines Folienlichtwellenleiters, als reflektierende Struktur ausgebildet sind. Hierfür können die seitlichen Kanten beispielsweise eine Verspiegelung aufweisen oder aber, unter Ausnutzung des Prinzips der Totalreflexion, von einem anderen Medium mit geringerem Brechungsindex umgeben sein.
In einer anderen, gegebenenfalls auch zu kombinierenden Ausführung, kann es auch vorgesehen sein, dass ein Mehrlagenaufbau gebildet ist durch wenigstens einen zentralen im Querschnitt mehreckigen Lichtwellenleiter, wobei auf den planen Oberflächen eines mehreckigen zentralen Lichtwellenleiters jeweils wenigsten ein Lichtwellenleiter innig kontaktiert angeordnet ist und diese jeweiligen kontaktierenden Lichtwellenleiter voneinander optisch getrennt sind, z.B. durch eine Bedampfung der Kanten, um einen Übertritt zwischen diesen Lichtwellenleitern zu vermeiden. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, dass eine Schaltvorrichtung dieser Art bezüglich Verformung im mehreren Dimensionen sensitiv ist. Je nach Richtung der Verformung, beispielsweise der Knickung oder Biegung eines derartigen Aufbaus, kann es demnach erreicht werden, dass Licht von einem zentralen mehreckigen Lichtwellenleiter nicht nur in einen benachbarten Lichtwellenleiter übertritt, sondern in mehrere Lichtwellenleiter, dies jedoch zu unterschiedlichen Anteilen, so dass in den benachbarten Lichtwellenleitern unterschiedliche Intensität des übergetretenen Lichtes messbar sind. So kann aus dem Verhältnis der Intensität und der Feststellung, in welche Lichtwellenleiter der Gesamtanordnung überhaupt Licht übergetreten ist, bestimmt werden, in welche Richtung die Verformung eines solchen erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus stattgefunden hat.
Insgesamt ist festzustellen, dass eine Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung mit einem beschriebenen Mehrlagenaufbau besonders sensitiv sein kann für Verformungen, beispielsweise Knickungen, Biegungen oder zumindest lokale Verformungen um eine Achse, die senkrecht zum Lichtweg, d.h. zur mittleren Lichtausbreitungsrichtung liegt.
Um besonders sensitive Schaltvorrichtungen bereitzustellen, kann es vorgesehen sein, dass sich die Brechungsindizes benachbarter Lichtwellenleiter um weniger als ein Prozent, bevorzugt weniger als 1 Promille unterscheiden.
Da für die Einhaltung der Bedingung einer Totalreflexion weithin wichtig ist, unter welchen verschiedenen Winkeln sich das Licht relativ zum Lichtweg, d.h. zur mittleren Lichtausbreitungsrichtung innerhalb eines Lichtwellenleiters bewegt bzw. mit welchen verschiedenen Einfallswinkeln zu den Reflektionsflächen des Lichtwellenleitern sich das Licht ausbreitet, kann es in einer weiteren Ausführungsform bevorzugt vorgesehen sein, dass die Brechungsindizes benachbarter Lichtwellenleiter nicht an Hand der zuvor genannten Bedingung gewählt sind, sondern derart, dass der zwischen benachbarten Lichtwellenleitern bei den gegebenen Brechungsindizes gegebene Grenzwinkel der Totalreflexion kleiner ist als 90 Grad minus der halbe maximale Öffnungswinkel eines in einen Lichtwellenleiter sich ausbreitenden Lichtstrahles. Hierbei kann der maximale Öffnungswinkel z.B. durch die Art der Einkopplung des Lichtstrahls in den betreffenden Lichtwellenleiter gegeben sein, insbesondere z.B. durch die Divergenz des Lichtstrahles am Auskoppelende eines anderen Lichtwellenleiters, mit welchem das Licht einem Lichtwellenleiter der Mehrlagenanordnung zugeführt wird.
Am Ort der Lichteinkopplung weist das eingekoppelte Licht eine bestimmte Divergenz auf, d.h. einen bestimmten Öffnungswinkel des eingekoppelten Lichtkegels. Der halbe Winkel dieses Öffnungswinkels bezeichnet dabei den maximalen Winkel des Lichtes zur mittleren Lichtausbreitungsrichtung, die durch den Lichtweg im Lichtwellenleiter gegeben ist. Ist der Betrag von 90° minus diesem halben Öffnungswinkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion, so ist sicher gestellt, dass sich jeder einzelne Lichtstrahl des eingekoppelten Lichtbündels unter Einhaltung der Bedingungen der Totalreflexion in dem Lichtwellenleiter ausbreitet. Erst durch eine Verformung des Mehrlagenaufbaus wird sodann erreicht, dass die Bedingung der Totalreflexion gestört ist und Licht in einen benachbarten Lichtwellenleiter übertreten kann.
Ebenso kann es bewusst gewählt sein, dass der halbe Öffnungswinkel eines eingekoppelten Lichtbündels so gewählt ist, dass 90° minus diesem bestimmten Winkel kleiner/gleich (<) dem Grenzwinkel der Totalreflexion ist. Ist dies der Fall, so gibt es bereits ohne eine Verformung des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus einen Lichtübertritt zwischen dem Licht führenden Lichtwellenleiter und einem benachbarten Lichtwellenleiter.
In Abhängigkeit von einer Verformung kann dabei beispielsweise bei einer Verformung in einer Richtung erreicht werden, dass der Übertritt von Licht in den benachbarten Lichtwellenleiter vergrößert wird und bei einer Verformung in die andere Richtung verringert wird. Eine derartig ausgelegte, erfindungsgemäße Schaltvorrichtung weist somit eine sehr hohe Sensitivität auf, da bereits jegliche Art von Verformung zu einer Änderung des Lichtübertritts zwischen benachbarten Lichtwellenleitern führt.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass auf oder um einen Lichtwellenleiter mit maximalem Brechungsindex der Gesamtanordnung wenigstens zwei weitere folgende Lichtwellenleiter geschichtet sind, deren Brechungsindex mit jeder Schicht abnimmt, so dass Licht mit zunehmender Verformung des Mehrlagenaufbaus von den Lichtwellenleitern mit maximalem Brechungsindex in immer weiter beabstandete Lichtwellenleiter übertritt. So kann bei dieser Ordnung die Stärke einer Verformung nicht nur an Hand der Intensität des übergetretenen Lichtes zwischen zwei Lichtwellenleitern festgestellt werden, sondern auch an Hand der Feststellung, wie viele der in der Schicht folgenden Lichtwellenleiter einen übergekoppelten Lichtanteil aufweisen.
Bei einer derartigen Anordnung mit mehr als zwei Lagen des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus kann es auch vorgesehen sein, dass der Brechungsindexunterschied zwischen zwei Lichtwellenleitem mit jeder Schicht zunimmt.
In einer weiteren Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass zwei Lichtwellenleiter miteinander optisch verbunden sind, so dass Licht zwischen diesen Lichtwellenleitern unabhängig von einer Verformung übertritt, insbesondere um auch durch eine derartige Ausformung eine Umkehr des Lichtweges zu erzielen. So kann eine Änderung des Lichtweges nicht nur innerhalb einer Lage des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus erfolgen, sondern es kann von einer Lage in eine andere Lage des Mehrlagenaufbaus überführt werden.
Beispielsweise können die beiden Lichtwellenleiter der vorgenannten Art wenigstens einen anderen, dazwischen liegenden Lichtwellenleiter umgeben, insbesondere wenn der Lichtweg zwischen den beiden Lichtwellenleitern in einer Schlaufe geführt ist. Da in einer solchen Schlaufe gegebenenfalls die bedingte Totalreflexion nicht eingehalten werden kann, kann es hier vorgesehen sein, dass der Bereich der Schlaufe verspiegelt ausgeführt ist, um den Übertritt des Lichtes zwischen den beiden Lichtwellenleitern zu ermöglichen.
Um eine Ein- und Auskopplung an den Lichtwellenleitern bzw. den einzelnen Lagen des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus vorzunehmen, kann beispielsweise auf konventionelle bekannte Faserlichtwellenleiter zurückgegriffen werden, die an wenigstens einem Lichtwellenleiter des Mehrlagenaufbaus, befestigt bzw. befestigbar sind. Eine solche Befestigung kann z. B. durch Verklebung und/oder Eingießen erfolgen. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass bei verschiedenartigen Querschnitten bzw. insbesondere Dicken der einkoppelnden, insbesondere Faserlichtwellenleiter und der Lichtwellenleiter eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus, eine Dickenanpassung im Ankopplungsbereich erfolgt.
Ist beispielsweise ein Lichtwellenleiter eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus als eine dünne Schicht, beispielsweise eine Folie ausgeführt, so kann es vorgesehen sein, dass eine solche Lage, an der eine Einkopplung erfolgen soll, in ihrem Kantenbereich dicker ausgestaltet, insbesondere mit einer größere Höhe ausgestaltet ist, um den gesamten Querschnitt des einkoppelnden Lichtwellenleiters aufnehmen zu können. An dem Kantenbereich kann sodann eine Verjüngung stattfinden, bis zu einer Reduzierung auf die gewünschte Dicke des Lichtwellenleiters im Mehrlagenaufbau.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass wenigstens ein Lichtwellenleiter des Mehrlagenaufbaus zumindest partiell nur einen spektral begrenzten Wellenlängenanteil, insbesondere des sichtbaren Spektrum von ca. 400-800 nm, des in diesem Lichtwellenleiter übergetretenen Lichtes passieren lässt. So kann beispielsweise ein solcher Lichtwellenleiter über seine gesamte Länge bzw. auch nur bereichsweise ein gewünschtes wellenlängenselektives Transmissionsverhalten aufweisen, so dass nur Licht einer bestimmten Wellenlänge bzw. Licht mit einer bestimmten spektralen Bandbreite um eine Zentralwellenlänge diesen Lichtwellenleiter bzw. diesen Bereich des Lichtwellenleiters passieren kann. Ein solcher Lichtwellenleiter hat demnach eine Filterfunktion, was z.B. durch Dotierungen oder sonstige Einfärbungen erreicht werden kann. Mit einer Schaltvorrichtung, bei der wenigstens ein Lichtwellenleiter auf diese Art und Weise ausgeführt ist, kann demnach erreicht werden, dass aus dem Licht, welches von einem lichtführenden Lichtwellenleiter in einen benachbarten Lichtwellenleiter übergetreten ist, sich nur ein bestimmter spektraler Anteil (insbesondere um eine bestimmte Zentralwellenlänge) weiter ausbreiten kann, so dass beispielsweise auch eine festgestellte Wellenlänge des übergekoppelten Lichtanteils in einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ausgewertet werden kann, beispielsweise um auszuwerten, in welchem Bereich eines Lichtwellenleiters ein Lichtübertritt stattgefunden hat, oder welcher Lichtwellenleiter vom Lichtübertritt betroffen ist.
Hierfür kann es insbesondere vorgesehen sein, dass ein Lichtwellenleiter wenigstens zwei Bereiche aufweist, wobei jeder Bereich einen unterschiedlich spektral begrenzten Wellenlängenanteil bzw. eine zentrale Wellenlänge des in diesen Lichtwellenleiter übergetretenen Lichts passieren lässt. Werden somit die unterschiedlichen Bereiche verformt, so kann nach einer Feststellung der Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichtes festgestellt werden, in welchem der Bereiche eine Verformung stattgefunden hat.
So kann beispielsweise das Licht mehrerer Lichtwellenleiter, die jeweils unterschiedliche spektral begrenzte Wellenlängenanteile des übergetretenen Lichts passieren lassen oder aber das Licht eines Lichtwellenleiters mit mehreren Bereichen unterschiedlicher Wellenlänge der vorgenannten Art, die das übergetretene Licht passieren lassen, in eine ggfs. gemeinsame Lichtsammeivorrichtung eingekoppelt werden, wobei an der Lichtsammeivorrichtung eine Vorrichtung zur spektralen Analyse des Lichtes angeordnet sein kann. So kann nach Feststellung der Wellenlänge, beispielsweise einer Zentralwellenlänge des gesammelten Lichtes somit festgestellt werden, aus welchem Lichtwellenleiter bzw. aus welchem Bereich eines Lichtwellenleiters das Licht stammt. Eine solche Information kann wiederum ausgenutzt werden, neben gegebenenfalls einer Intensitätsinformation, um den Ort einer Verformung und/oder die Größe einer Verformung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung zu ermitteln.
In einer weiteren Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass der Mehrlagenaufbau wenigstens einen Lichtwellenleiter aufweist, von dem eine optische Eigenschaft, insbesondere Transparenz, Absorption oder spektrale Selektivität änderbar ist durch einen äußeren Einfluss. Ein solcher Einfluss kann z.B. eine Stoffaufnahme, insbesondere von Feuchtigkeit oder auch eine Temperaturänderung sein.
So ist es beispielsweise bekannt, dass der Kunststoff PMMA bei einer 50%igen Raumfeuchte bis zu 1 ,5% Wasser aufnehmen kann. Durch eine Wasseraufnahme oder allgemein eine Stoffaufnahme im Sinne der Erfindung kann sich demnach eine optische Eigenschaft, wie z.B. die Transparenz ändern, was wiederum auch Einfluss auf die Kriterien der Totalreflektion haben kann, so dass sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ebenso unterschiedlich verhalten kann. So besteht die Möglichkeit, mit einer Schaltvorrichtung der erfindungsgemäßen Art ein Gerät auszubilden, mit dem äußere Einflüsse feststellbar oder messbar sind, die die optische Eigenschaft beeinflussen.
Ebenso kann es vorgesehen sein, dass der Mehrlagenaufbau der erfindungsgemäßen Art wenigstens zwei Lichtwellenleiter umfasst, die ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen. Werden wenigstens zwei solcher Lichtwellenleiter miteinander innig verbunden, wie es die Erfindung fordert, so wird sich bei einer Temperaturänderung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der beiden Lichtwellenleiter eine Biegung einstellen, wie sie z.B. auch von Bimetallen bekannt ist.
Aufgrund der Biegung ergibt sich eine Veränderung der Totalreflektionsbedingung, so dass in Abhängigkeit der Verbiegung und somit in Abhängigkeit von der Temperatur mehr oder weniger Licht zwischen den beiden Lichtwellenleitem, insbesondere von einem in den anderen Lichtwellenleiter einer solchen Anordnung übertritt. So kann durch Messung der Intensitäten des Lichtes auf eine vorherrschende Temperatur geschlossen werden.
Besonders vorteilhaft ist es bei einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, dass in wenigstens einer Lage eines Mehrlagenaufbaus auch Lichtwege mit lichtunterschiedlicher Wellenlänge und/oder unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung realisierbar sind. Da für Licht das Superpositionsprinzip gilt, d.h. dass sich Licht unterschiedlicher Wellenlängen und unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung nicht gegenseitig beeinflusst, besteht die Möglichkeit, innerhalb einer Schaltvorrichtung insbesondere gleichzeitig verschiedene Kriterien, insbesondere Meßgrößen zu sensieren, beispielsweise verschiedene richtungsabhängige Messwerte aufzunehmen, die sich durch die verschiedenen Ausbreitungsrichtungen oder Lichtwellenlänge voneinander diskriminieren lassen.
So besteht grundsätzlich die Möglichkeit, mit einer Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art eine Vorrichtung zur Messung mechanischer Verformungen und/oder Verlagerungen bereitzustellen, insbesondere wenn beispielsweise ein erfindungsgemäßer Mehrlagenaufbau der Schaltvorrichtung von Lichtwellenleitern mit wenigstens einem mechanisch verformbaren oder örtlich verlagerbaren Element verbunden bzw. verbindbar ist. Wird demnach ein Mehrlagenaufbau durch ein solches verformbares oder verlagerbares Element ebenso verformt bzw. verlagert, so hat dies einen Einfluss auf die Bedingungen der Totalreflektion und somit den Übergang des Lichtes zwischen benachbarten Schichten von Lichtwellenleitern, so dass durch eine Auswertung bzw. Vermessung der Änderung einer Lichtauskopplung aus wenigstens einem lichtführenden Lichtwellenleiter und/oder der Änderung einer Lichteinkopplung in einen Lichtwellenleiter des Mehrlagenaufbaus die Verformung bzw. Verlagerung des Elementes detektiert werden kann, insbesondere qualitativ und bevorzugt quantitativ. Insbesondere gemessene Lichtintensitäten können hierbei auf eine quantitative Größe der Verformung Rückschlüsse zulassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 : das Funktionsprinzip bei zwei benachbarten Lichtwellenleitern
Fig. 2: die Lichtausbreitung bei zwei benachbarten Lichtwellenleitern
Fig. 3: Lichtführende Strukturen in einer Lage
Fig. 4: Verformungsabhänge Lichtführung
Fig. 5: einen Aufbau zwei wellenlängenselektiven Lichtwellenleitern
Fig. 6: einen Aufbau mit mehreren wellenlängenselektiven Bereichen eines
Lichtwellenleiters
Fig. 7: prinzipielle Einkopplungsmöglichkeiten Fig. 8: einen schematischen Überblick einer Schaltvorrichtung Fig. 9: eine erste Ausführung einer Druckmessdose Fig. 10: eine zweite Ausführung einer Druckmessdose Fig. 11 : eine dritte Ausführung einer Druckmessdose Fig. 12: die Ausführung einer Mikropumpe
Die Figuren 1a und 1b zeigen das Grundprinzip der Erfindung anhand eines Mehrlagenaufbaus aus Lichtwellenleitern, wobei in dieser einfachen Ausführungsform nur zwei innig miteinander verbundene Lichtwellenleiter L1 und L2 vorgesehen sind. Hierbei stellt der Lichtwellenleiter L1 mit dem optisch dünneren Medium und einem Brechungsindex N1 denjenigen Lichtwellenleiter dar, in den in Abhängigkeit von einer Verformung Licht aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter L2 mit dem optisch dichteren Medium und dem Brechungsindex N2 übertreten soll.
Erkennbar ist hier, dass in den Lichtwellenleiter L2 aus einem zuführenden Lichtwellenleiter LWL Licht eingekoppelt wird, welches sich sodann unter Einhaltung der Bedingung der Totalreflektion in dem Lichtwellenleiter L2 fortbewegt, ohne in den Lichtwellenleiter L2 überzutreten, da in der Grenze zwischen den beiden Brechungsindizes N1 und N2 die Bedingung der Totalreflektion erfüllt ist. Die Bedingung der Totalreflektion gilt darüber hinaus nicht nur in der Grenzschicht zwischen den beiden benachbarten Lichtwellenleitern L1 und L2, sondern auch im Bereich zwischen dem Lichtwellenleiter L2 und der Umgebung, die hier als Luft angenommen wird.
Wird nun, wie in der Figur 1b dargestellt, lokal eine Kraft auf die erfindungsgemäße Mehrlagenanordnung der zwei Lichtwellenleiter L1 und L2 ausgeübt, so wird zumindest im Bereich der Kraftbeaufschlagung der Einfallswinkel des im Lichtwellenleiter L2 propagierenden Lichtes kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflektion, so dass Licht aus dem Lichtwellenleiter L2 am Ort der Verformung in den Lichtwellenleiter L1 übertreten kann. Innerhalb dieses Lichtwellenleiters L2 pflanzt sich das übergetretene Licht wiederum unter Einhaltung der Totalreflektionsbedingung fort und kann an einem Ende des Lichtwellenleiters L2 aus diesem ausgekoppelt oder gemessen werden, beispielsweise für weitere Maßnahmen. Z.B. kann hier die Intensität des übergetretenen Lichtes festgestellt werden, wonach auf die Stärke der Verformung geschlossen werden kann.
Die Figur 2 zeigt im Wesentlichen dieselbe Anordnung in zwei verschiedenen Ansichten, nämlich im oberen Bereich in Aufsicht und im unteren Bereich in einer Seitenansicht. Erkennbar wird hier, dass ein erfindungsgemäßer Lichtwellenleiter z.B. als eine Folie ausgebildet sein kann, die eine geringere Höhe im Vergleich zu ihrer Breite aufweist. In dieser Darstellung der Figur 2 ist gegenüber der Figur 1 die Anordnung des lichtleitenden Lichtwellenleiters L2 zum Lichtwellenleiter L1 vertauscht, wobei deutlich wird, dass hier das Prinzip der Totalreflektion im Wesentlichen an der Grenzschicht zwischen den beiden Lichtwellenleitern L1 und L2 gilt. Auch an den seitlichen Kanten K der Lichtwellenleiter kann grundsätzlich das Prinzip der Totalreflektion gelten, beispielsweise wenn die Gesamtanordnung des Mehrlagenaufbaus aus zwei Lagen von Luft umgeben ist. Alternativ oder ergänzend kann es hier auch vorgesehen sein, dass die Kanten eine reflektierende Beschichtung aufweisen. Ebenso können die Oberflächen eine reflektierende Beschichtung aufweisen, an denen kein Übertritt zwischen zwei Lichtwellenleitern stattfinden soll, insbesondere also alle Oberflächen eines Lichtwellenleiters, die nicht in innigem Kontakt zu einem benachbarten Lichtwellenleiter stehen, aber allgemein auch Oberflächen zwischen benachbarten Lichtwellenleitern, des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus, an denen ein Lichtübertritt auch bei Verformung verhindert werden soll.
Erkennbar ist hier in der Figur 2 auch, dass ein Lichtwellenleiter aus einem Mehrlagenaufbau gemäß der Erfindung lichtwegformend ausgebildet sein kann. Beispielsweise wird hier in der Figur 2 oben deutlich, dass sich der Mehrlagenaufbau und insoweit jeder der einzelnen Lichtwellenleiter L1 und L2 zur rechten Seite hin verjüngt, insbesondere zu einer Auskoppelseite hin.
Die Figuren 3a - c zeigen weitere Maßnahmen, die es ermöglichen, den Lichtweg zumindest innerhalb einer Lage des Mehrlagenaufbaus umzulenken. Als Lichtweg wird hier die mittlere Ausbreitungsrichtung des Lichtes innerhalb eines Lichtwellenleiters verstanden ohne Berücksichtigung der Winkel, die das Licht bei der Reflektion an den Grenzflächen der Lichtwellenleiter einnimmt. In der Figur 3 ist es erkennbar, so wie es bereits die Figur 2 oben zeigt, dass sich ein Lichtwellenleiter in Richtung des Lichtweges beispielsweise verjüngen kann.
Hierdurch wird ein Fokussierungseffekt erzielt, der beispielsweise vorgesehen sein kann, um eine Auskopplung aus diesem Lichtwellenleiter zu ermöglichen, beispielsweise um das Licht einem weiteren, z.B. faseroptischen Lichtwellenleiter zuzuführen. Die Figur 3b zeigt, dass eine Lage bzw. ein Lichtwellenleiter eines Mehrlagenaufbaus auch Umlenkungen um beliebige Winkel innerhalb einer Lage aufweisen kann. Beispielsweise zeigt die Figur 3b einen Lichtwellenleiter eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus in Aufsicht, bei dem eine zweifache Umlenkung um 90 Grad und somit eine vollständige Umkehr des Lichtweges innerhalb eines Lichtwellenleiters erreicht wird.
Demgegenüber zeigt die Figur 3b eine dreifache vollständige Umkehr des Lichtweges innerhalb eines Lichtwellenleiters einer Lage des erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Schaltvorrichtung der erfindungsgemäßen Art wie im allgemeinen Teil beschrieben eine höhere Sensitivität erreicht, da der Ort einer Verformung gegebenenfalls mehrfach vom Lichtweg gekreuzt wird und somit am Ort der Verformung das Licht mehrmals die Gelegenheit hat, von einem lichtführenden Lichtwellenleiter in einen benachbarten Lichtwellenleiter überzutreten. Die Intensität des übergetretenen Lichtes in einen benachbarten Lichtwellenleiter wird demnach bei gefalteten Lichtwegen höher sein als bei einem Lichtwellenleiter, bei dem der Lichtweg nur einfach den Ort der Verformung kreuzt.
Die Figuren 4 zeigen den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, bei der gemäß der Figur 4a in einen lichtleitenden Lichtwellenleiter Licht eingekoppelt wird, wobei hier die Gesamtanordnung aus zwei innig miteinander verbundenen benachbarten Lichtwellenleitern L2 und L1 um eine feste Anlage A herum gebogen wird. Hier erfolgt die Biegung um eine Achse senkrecht zur Papierebene. Im Bereich der Biegung wird die Bedingung der Totalreflektion verletzt, so dass Licht aus dem lichtführenden Lichtwellenleiter L2 in den Lichtwellenleiter L1 übertreten kann. An den Enden der beiden Lichtwellenleiter L1 und L2 kann somit festgestellt werden, welcher Anteil des Lichtes in den Lichtwellenleiter L1 übergetreten ist, so dass hier sowohl zum einen qualitativ eine Verbiegung festgestellt werden kann als auch quantitativ anhand der Intensität des übergetretenen Lichtes die Stärke der Verformung.
Die Figur 4b zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus mit hier insgesamt drei Lagen von Lichtwellenleitern L1, L2 und L3, wobei der zentral von den Lichtwellenleitern L1 und L3 umgebende Lichtwellenleiter L2 lichtführend ist. Wird wie hier in der oberen Darstellung gezeigt, der Mehrlagenaufbau der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung nach oben gebogen an der Anlagestelle A, so erfolgt eine Verletzung der Totalreflektionsbedingung zwischen dem zentralen Lichtwellenleiter L2 und dem unteren Lichtwellenleiter L3, so dass Licht in den unteren Lichtwellenleiter L3 übertritt und am Ausgang feststellbar ist. Erfolgt demgegenüber eine Verbiegung nach unten, so tritt das Licht aus dem zentralen Lichtwellenleiter L2 in den Lichtwellenleiter L1 über. So wird ersichtlich, dass sowohl anhand der Feststellung, welcher der beiden äußeren Lichtwellenleiter lichtführend ist nach einer Verknickung ermittelbar ist, in welche Richtung die Verbiegung stattgefunden hat und dass weiterhin anhand der Intensität des Lichtes innerhalb eines der äußeren Lichtwellenleiter die Stärke der Verbiegung feststellbar ist.
Die Figur 4c zeigt darüber hinaus einen weiteren erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbau, bei dem ein lichtführender Lichtwellenleiter zumindest zu einer Seite mehr als nur einen benachbarten Lichtwellenleiter aufweist. So wird auch hier wie zuvor erklärt bei einer Verknickung nach unten das Licht vom zentralen lichtführenden Lichwellenleiter L2 zu einem darüberliegenden Lichtwellenleiter L1 übertreten, wobei je nach Stärke der Verbiegung hier nicht nur ein Lichtübertritt zu dem ersten benachbarten Lichtwellenleiter L1 stattfindet, sondern in Abhängigkeit der Stärke der Verbiegung auch zu dem weiteren benachbarten Lichtwellenleiter, hier einem zweiten Lichtwellenleiter L4. So kann auch hier festgestellt werden, wie stark die Verbiegung an der Anlagestelle A ist, anhand einer Feststellung, bis in welche äußeren Schichten des Mehrlagenaufbaus sich das Licht ausgebreitet hat. Ergänzend kann hier gegebenenfalls die Intensität des Lichtes für weitere Auswertungen herangezogen werden.
Die Figur 4d zeigt einen weiteren Aufbau einer erfindungsgemäßen Mehrlagenanordnung, bei der nicht nur ein Lichtwellenleiter lichtführend ist, sondern in dieser Ausführung zwei Lichtwellenleiter. Gegebenenfalls kann es allgemein ohne Beschränkung auf diese Ausführung vorgesehen sein, dass mehrere, insbesondere mehr als zwei Lichtwellenleiter eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus lichtführend sind.
Die Figur 4e zeigt darüber hinaus eine andere alternative Anordnung, bei der zwei Lichtwellenleiter L1 und L3 untereinander verbunden sind. Insbesondere umgeben hier diese beiden erstgenannten Lichtwellenleiter einen zentralen lichtführenden Lichtwellenleiter L2. Durch eine Verknickung dieser erfindungsgemäßen Mehrlagenanordnung an den Anlagestellen A nach unten erfolgt in diesem Beispiel ein Übertritt des Lichtes in den oberen Lichtwellenleiter L1 , wobei dieses übergetretene Licht in der Schlaufe S am Ende des Lichtwellenleiters L1 umgelenkt wird in den Lichtwellenleiter L3. So kann hierdurch beispielsweise erreicht werden, dass die Lichteinkopplung und die Lichtauskopplung aus der gesamten erfindungsgemäßen Anordnung an einer Seite stattfinden kann. Hier kann es vorgesehen sein, dass die Schlaufe S zur Erzielung der Reflektionsbedingung verspiegelt ist, sofern die Totalreflektion in der Schlaufe nicht erreicht werden kann.
Die Figur 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der der erfindungsgemäße Mehrlagenaufbau in diesem Beispiel drei Lagen aufweist und die mittlere Lage lichtführend ist. Hierbei kann z.B. Weißlicht d.h. Licht, welches im Wesentlichen alle Wellenlängen des sichtbaren Spektrums umfasst oder zumindest Licht mehrerer Wellenlängen in der mittleren Lage geführt werden.
Oberseitig und unterseitig der zentralen lichtführenden Lage können verschiedene Filterfolien A und B als Lichtwellenleiter angeordnet sein, die in Verbindung mit der zentralen lichtführenden Lage den Mehrlagenaufbau gernäß der Erfindung bilden. Diese Filterfolien A und B können selektiv für unterschiedliche Lichtwellenlängen angepasst sein, d.h. dass diese Folien nur Lichtwellenlängen einer bestimmten Zentralwellenlänge passieren lassen, wobei die Zentralwellenlängen der beiden Filterfolien A und B verschieden sind. Im vorliegenden Beispiel können die beiden Filterfolien A und B an einen gemeinsamen Lichtsammler angeschlossen sein und z.B. einem gemeinsamen Lichtwellenleiter LWL zugeführt werden. Erfolgt nun eine Verformung von der Oberseite A her, so tritt das Licht, welches in der zentralen Lage geführt wird, in die obere Filterfolie A über, wobei aus den ursprünglichen Wellenlängen nur das Licht einer Lichtwellenlänge A weiter propagiert werden kann. Am Ende des Lichtwellenleiters LWL rechtsseitig des Sammlers kann somit durch einen Detektor die Lichtwellenlänge A festgestellt werden.
Wird hingegen die Verformung von der Unterseite B her vorgenommen, so tritt das Licht in die Filterfolie B über, in der aus den Wellenlängen nur die Wellenlänge B weiter propagiert wird, so dass nach dem Sammler und rechtsseitig des Lichtwellenleiters LWL nur Licht der Wellenlänge B festgestellt wird. Anhand der Messung der Lichtwellenlänge kann somit festgestellt werden, von welcher Seite die Verformung stattgefunden hat. Weiterhin kann beispielsweise anhand der Intensität des festgestellten Lichtes festgestellt werden, wie stark die Verformung war.
Die Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, mit einem Mehrlagenaufbau umfassend zwei Schichten von Lichtwellenleitern. Eine untere Schicht L2 ist lichtführend und wird in dieser Ausführung linksseitig von Weißlicht oder zumindest mehreren Wellenlängen gespeist, welches sich innerhalb der Schicht ungestört ausbreiten kann.
Auf diesem Lichtwellenleiter L2 ist ein Lichtwellenleiter L1 angeordnet, der in dieser Ausführung drei verschiedene Bereiche A, B und C aufweist, die jeweils nur Licht einer Wellenlänge A, B oder C passieren lassen. Wird demnach eine Verformung in einem der Bereiche A, B oder C vorgenommen, so tritt das Licht in diesem Bereich in den Lichtwellenleiter L1 über und es kann innerhalb des Bereiches jeweils nur das Licht der Wellenlänge, die diesem Bereich zugeordnet ist, passieren, so dass am Ende des Lichtwellenleiters L1 die Wellenlänge festgestellt werden kann.
Anhand der Wellenlänge lässt sich somit ermitteln, welcher Bereich eine Verformung erfahren hat, also z.B. gedrückt wurde. Werden neben einer einzelnen, gegebenenfalls zwei oder drei Wellenlängen gemessen, so ist feststellbar, dass zwei oder auch drei Bereiche gleichzeitig verformt wurden. Beispielsweise lassen sich durch derartige Anordnungen Sensorfelder oder Tastaturen herstellen. Das Ausführungsbeispiel ist nicht auf drei verschiedenen Bereiche beschränkt, sondern es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, eine beliebige Anzahl von Bereichen vorzusehen. Die Figur 7 zeigt eine Anordnung, bei der aus einem lichtzuführenden Lichtwellenleiter LWL das Licht in eine Folie eingekoppelt werden soll, die eine Lage eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus bildet. Hier können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise zeigt die Figur 7a eine unmittelbare Klebeverbindung zwischen einem Lichtwellenleiter, der beispielsweise als Faserlichtwellenleiter ausgebildet sein kann und der Stirnseite einer Folie, beispielsweise einer Polymerfolie.
7b zeigt demgegenüber eine Anordnung, bei der ein größerer Querschnitt des zuführenden Lichtwellenleiters reduziert wird auf eine geringere Höhe einer erfindungsgemäßen lichtleitenden Folie. Hierfür ist im Kantenbereich der Folie eine trichterförmige oder zumindest keilartige Anordnung vorgesehen, mittels der das Licht in die Folie eingeleitet wird. Figur 7c zeigt eine alternative Ausführung, bei der das Licht über ein Prisma P umgelenkt wird und somit in die Oberfläche des Lichtwellenleiters L1 eingekoppelt wird. Grundsätzlich sind hier beliebige Maßnahmen möglich, um das Licht von einem zuführenden Lichtwellenleiter in eine Lage der erfindungsgemäßen Mehrlagenanordnung zu überführen.
Die Figur 8 zeigt eine allgemeine Ausführung einer optischen Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung. Erkennbar ist hier ein erfindungsgemäßer Mehrlagenaufbau aus drei Lichtwellenleitern L1, L2 und L3, wobei die Lichtwellenleiter L1 und L3 den zentralen lichtführenden Lichtwellenleiter L2 umgeben, dem Licht aus seinem Lichtsender zugeführt wird. Je nach Größe und Richtung einer Verformung tritt das linksseitig zugeführte Licht von dem zentralen Lichtwellenleiter L2 entweder in den oberen Lichtwellenleiter L1 oder in den unteren Lichtwellenleiter L3 über. Unabhängig von der Anzahl der Lagen eines erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbaus kann es hier vorgesehen sein, dass jeder Lichtwellenleiter, der einer Lage des Mehrlagenaufbaus zugeordnet ist, eine Auskopplung aufweist, um das ausgekoppelte Licht mit einem Empfänger zu detektieren, insbesondere zu vermessen, insbesondere hinsichtlich der Intensität und/oder der Wellenlänge. Mit einer erfindungsgemäßen optischen Schaltvorrichtung kann darüber hinaus eine Sensorik gebildet werden, um beliebige Verformungen oder Verlagerungen festzustellen.
Die Figur 9 beispielsweise zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Druckmessdose, deren Membran M in Abhängigkeit von einem Druck eine mehr oder weniger starke Verformung oder Verlagerung erfährt. In dieser Ausführung ist die Membran M der Druckmessdose mit einer optischen Schaltvorrichtung OSF, insbesondere zumindest mit dem erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbau OSF einer erfindungsgemäßen optischen Schaltvorrichtung verbunden. Hier kann die Verbindung über die gesamte Fläche von Membran M und dem Mehrlagenaufbau OSF erfolgen. Wird bei einem Überdruck die Membran M ausgelenkt, so kommt es in der optischen Schaltvorrichtung OSF je nach Richtung und Stärke der Auslenkung zu einem Übertritt von einer lichtführenden Lichtwellenleiterlage in eine benachbarte Lage, so dass sowohl anhand der betroffenen als auch der festgestellten Lichtintensität in dieser Lage ermittelt werden kann, in welche Richtung die Membran M ausgelenkt wurde und wie stark die Auslenkung war.
Die Figur 10 zeigt demgegenüber eine Anordnung, bei dem die Membran M einer Druckmessdose selbst bereits durch einen erfindungsgemäßen Mehrlagenaufbau gebildet ist.
Die Figur 11 zeigt alternative Ausführungsformen, bei der die Membran einer Druckmessdose nicht wie in der vorherigen Ausführung der Figur 9 großflächig mit einer optischen Schaltvorrichtung OSF der erfindungsgemäßen Art verbunden ist, sondern hier ist eine erfindungsgemäße optische Schaltvorrichtung OSF bzw. zumindest der Mehrlagenaufbau OSF einer solchen erfindungsgemäßen optischen Schaltvorrichtung zwischen einer Membran M und einem feststehenden Teil F der Druckmessdose angeordnet. Je nach Weite und Richtung der Auslenkung wird somit zumindest der Mehrlagenaufbau OSF der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mehr oder weniger gestreckt oder gestaucht, so dass sich hierdurch die Bedingung der Totalreflektion je nach Art und Weite der Verformung ändert. So kann auch bei einer solchen Ausführung anhand der Intensitäten und der betroffenen Lagen der Lichtwellenleiter festgestellt werden, in welche Richtung und wie weit die Verformung einer Membran stattgefunden hat.
Die Figur 12 zeigt eine weitere Anwendung einer optischen Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der beispielsweise die Pumpmembran einer Mikropumpe mit einer optischen Schaltvorrichtung OSF der Erfindung bzw. zumindest mit dem Mehrlagenaufbau OSF beschichtet ist. Auch hier kann wie eingangs erwähnt anhand des Lichtübertritts in benachbarte Lichtwellenleiter und die Intensität des in den entsprechenden Lagen gemessenen Lichtes festgestellt werden, in welche Richtung und wie weit die Auslenkung des Aktors A stattgefunden hat. So kann anhand der gemessenen Lichtintensitäten das Pumpvolumen einer solchen Mikropumpe genauestens bestimmt werden.
Es ist hier festzustellen, dass bei der vorliegenden Erfindungsbeschreibung die jeweils beispielhaft genannten Anwendungen, insbesondere die Druckmessdose und die Mikropumpe, nicht beschränkend sind für die Erfindung. Die erfindungsgemäßen optischen Schaltvorrichtungen lassen sich zum Vermessen der Richtung und der Größe jeglicher Art von Verformungen oder Bewegungen oder Verlagerung von Elementen beliebiger Art einsetzen.
Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die beschriebenen Ausführungen die Erfindung nicht beschränken und die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Schaltvorrichtung umfassend eine Anordnung von wenigstens zwei nebeneinander, insbesondere zueinander parallel verlaufenden Lichtwellenleitern, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen von zwei benachbarten Lichtwellenleitern (L1 , L2) miteinander innig, insbesondere stoffschlüssig verbunden sind, so dass ein Mehrlagenaufbau (OSF) von wenigstens zwei Lichtwellenleitern (L1 , L2) gebildet ist und zwei benachbarte Lichtwellenleiter (L1 , L2) des Mehrlagenaufbaus voneinander abweichende Brechungsindizes aufweisen und wobei der Mehrlagenaufbau (OSF) gebildet ist als ein Stapel von wenigstens zwei aufeinander geschichteter flexibler, insbesondere im unverformten Zustand planer Folien (L1 , L2, L3), insbesondere Polymerfolien.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Oberflächen der Lichtwellenleiter (L1 , L2) miteinander verbunden sind, die zumindest in einer Dimension parallel zur mittleren Ausbreitungsrichtung des Lichtes angeordnet sind.
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einen der Lichtwellenleiter (L2), insbesondere den mit dem höheren/höchsten Brechungsindex Licht einkoppelbar und/oder auskoppelbar ist, welches sich zumindest im Wesentlichen aufgrund von Totalreflexion innerhalb dieses Lichtwellenleiters (L2) ausbreitet und dass bei einer Verformung des Mehrlagenaufbaus, insbesondere zumindest lokal, das Licht zumindest zum Teil in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter (L1) übertritt.
4. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrlagenaufbau (OSF) durch eine Kraftbeaufschlagung, insbesondere auf eine Oberfläche eines der Lichtwellenleiter (L1 , L2), zumindest lokal verformbar, insbesondere eindrückbar oder knickbar/biegbar ist, wobei im Bereich der Verformung Licht von einem der Lichtwellenleiter (L2), insbesondere dem mit einem höheren Brechungsindex, in wenigstens einen benachbarten Lichtwellenleiter (L1) mit einem geringeren Brechungsindex übertritt.
5. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Licht, welches aus einem Lichtwellenleiter (L2) in einen benachbarten Lichtwellenleiter (L1) übergetreten ist, aus diesem benachbarten Lichtwellenleiter (L1) auskoppelbar ist.
6. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Mehrlagenaufbau (OSF) ausgehend von wenigstens einem bestimmten Lichtwellenleiter (L2) der Brechungsindex der übrigen Lichtwellenleiter (L1 , L4) in der Folge der Lagen abnimmt.
7. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb wenigstens einer Lage des Mehrlagenaufbaus (OSF), insbesondere innerhalb eines Folienlichtwellenleiters, der Lichtweg unabhängig von einer Verformung wenigstens eine Umlenkung aufweist, insbesondere eine wenigstens einmalige vollständige Umkehr.
8. Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb wenigstens einer Lage des Mehrlagenaufbaus (OSF), insbesondere innerhalb eines Folienlichtwellenleiters lichtreflektierende Strukturen angeordnet sind.
θ. Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine seitliche Kante (K) eines Lichtwellenleiters (L1 , L2), insbesondere eines Folienlichtwellenleiters als lichtreflektierende Struktur ausgebildet ist.
10. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mehrlagenaufbau gebildet ist durch wenigstens einen zentralen im Querschnitt mehreckigen Lichtwellenleiter, wobei auf den planen Oberflächen eines mehreckigen zentralen Lichtwellenleiters jeweils wenigstens ein Lichtwellenleiter angeordnet sind, die voneinander optisch getrennt sind.
11. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brechungsindizes benachbarter Lichtwellenleiter um weniger als 1 Prozent, bevorzugt weniger als ein Promille unterscheiden.
12. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brechungsindizes benachbarter Lichtwellenleiter (L1 , L2) derart gewählt sind, dass der zwischen diesem Lichtwellenleiter bei den gegebenen Brechungsindizes ergebende Grenzwinkel der Totalreflexion kleiner ist als der halbe Öffnungswinkel eines in einem Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtstrahls.
13. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder um einen Lichtwellenleiter (L2) mit maximalem Brechungsindex wenigstens zwei weitere folgende Lichtwellenleiter (L1 , L4) geschichtet sind, deren Brechungsindex mit jeder Schicht abnimmt, so dass Licht mit zunehmender Verformung des Mehrlagenaufbaus von dem Lichtwellenleiter mit maximalen Brechungsindex in immer weiter beabstandete Lichtwellenleiter übertritt.
14. Schaltvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der
Brechungsindexunterschied zwischen zwei Lichtwellenleitern mit jeder Schicht zunimmt.
15. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lichtwellenleiter (L1 , L3) miteinander optisch verbunden sind (S), so dass das Licht zwischen diesen Lichtwellenleitern (L1 , L3) unabhängig von einer Verformung übertritt, insbesondere um eine Umkehr des Lichtweges zu erzielen.
16. Schaltvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lichtwellenleiter (L1 , L3) wenigstens einen anderen dazwischen liegenden Lichtwellenleiter (L2) umgeben, insbesondere wobei der Lichtweg zwischen den beiden Lichtwellenleitern in einer, insbesondere verspiegelt Schlaufe (S) geführt ist.
17. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtwellenleiter (LWL), insbesondere Faser- Lichtwellenleiter zur Einkopplung und/oder Auskopplung an wenigstens einem Lichtwellenleiter (L1 , L2, L3), insbesondere Folienlichtwellenleiter des Mehrlagenaufbaus (OSF) befestigt/befestigbar sind, insbesondere durch Verklebung und oder Eingießen.
18. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens ein Lichtwellenleiter (L1) des Mehrlagenaufbaus zumindest partiell nur einen spektral begrenzten Wellenlängenanteil des in diesen Lichtwellenleiter übergetretenen Lichts passieren lässt.
19. Schaltvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Lichtwellenleiter (L1) wenigstens zwei Bereiche (A1B1C) aufweist, wobei jeder Bereich (A1B1C) einen unterschiedlich spektral begrenzten Wellenlängenanteil des in diesen Lichtwellenleiter (L1) übergetretenen Lichts passieren lässt.
20. Schaltvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht mehrerer Lichtwellenleiter (L1 , L3) oder eines Lichtwellenleiters (L1) mit mehreren Bereichen (A1B1C) nach Anspruch 20, die jeweils unterschiedliche spektral begrenzte Wellenlängenanteile des übergetretenen Lichts passieren lassen, in eine Lichtsammeivorrichtung eingekoppelt ist / einkoppelbar ist, insbesondere wobei an der Lichtsammeivorrichtung eine Vorrichtung zur spektralen Analyse des Lichtes angeordnet ist.
21. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrlagenaufbau (OSF) wenigstens einen Lichtwellenleiter aufweist, von dem eine optische Eigenschaft, insbesondere Transparenz, Absorption oder spektrale Selektivität änderbar ist durch einen äußeren Einfluss, insbesondere durch Stoffaufnahme, insbesondere Feuchtigkeit oder eine Temperaturänderung.
22. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrlagenaufbau (OSF) wenigstens zwei Lichtwellenleiter umfasst, die ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen.
23. Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Lage (L1) eines Mehrlagenaufbaus (OSF) Lichtwege mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge und / oder unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung realisiert sind.
24. Vorrichtung zur Messung mechanischer Verformungen und/oder Verlagerungen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Schaltvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist, deren Mehrlagenaufbau (OSF) von Lichtwellenleitern (L1 , L2, L3) mit wenigstens einem mechanisch verformbaren oder örtlich verlagerbaren Element (M, A) verbunden / verbindbar ist.
25. Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung der Verformung und/oder örtlichen Verlagerung eines Elementes, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (M, A) zumindest partiell mit einer Schaltvorrichtung (OSF) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 23 verbunden ist und die sich durch eine Verformung/Verlagerung ergebende Änderung einer Lichtauskopplung aus wenigstens einem Licht führenden Lichtwellenleiter und/oder Änderung einer Lichteinkopplung in einen Lichtwellenleiter des Mehrlagenaufbau detektiert wird.
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