Beschreibung

Faseroptische Sensorvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine faseroptische Sensorvorrichtung, die eine Lichtleitfaser mit an einem ersten Ende angekoppelter Lichtquelle sowie einen an die Lichtleitfaser an einem zweiten Ende angekoppelten Lichtdetektor, sowie Mittel zum Erkennen einer Deformation auf Basis einer änderung der Intensität des durch die Lichtleitfaser empfangenen Lichts umfasst.

Ohne Beschränkung ihres Einsatzfeldes wird die vorliegende Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf den Automobilsek- tor dargestellt. Der Automobil- und Kraftfahrzeugbereich ist aufgrund der hohen Systemanforderungen bei gleichzeitig hohem Kostendruck durch die hohen Absatzzahlen ein wirtschaftlich sehr bedeutender Anwendungsbereich. Alternative Einsatzfelder in der Flugzeugtechnik oder aber auch in der Architektur und ähnliches werden grundsätzlich nicht ausgeschlossen.

Faseroptische Sensorvorrichtungen der vorstehend genannten Art sind beispielsweise aus der WO 94/29671 Al bekannt. Sie werden heute gleichermaßen für langsam, wie auch schnell ab- laufende Biege- oder Verformungsvorgänge eingesetzt und finden daher auch im modernen Personenkraftfahrzeugbau Anwendung. So wird beispielsweise eine schnelle Detektion eines Zusammenstoßes eines Kraftfahrzeuges mit einem Fußgänger oder Fahrradfahrer durch derartige Sensoren zur Einleitung so ge- nannter aktiver Sicherheitsmaßnahmen, wie beispielsweise einem durch pyrotechnische Elemente oder einen elektrischen Antrieb hervorgerufenen Schrägstellen einer Motorhaube, ausgeführt.

Auf Basis der Lehre der WO 94/29671 Al ist von der Anmelderin eine faseroptische Sensorvorrichtung entwickelt worden, durch die eine Form eines Stoßdämpfers an einem Kraftfahrzeug über-

wacht und damit auch eine Art einer unfallbedingten Verformung erkannt werden kann. Damit kann im Fall eines Crashs anhand einer Verformung zwischen einem Zusammenstoß mit einem Fußgänger und beispielsweise einer Mülltonne oder einem Ver- kehrsschild unterschieden werden. Der faseroptische Sensor ist unter Verwendung von vier bis zu 16 Lichtleitfasern aufgebaut, die an ihrer Mantelfläche an bestimmten Bereichen mechanisch angeritzt oder chemisch definiert abgetragen worden sind. So werden Lichtemissionsflächen bzw. -bereiche mit den unterschiedlichsten Formen geschaffen. Faseroptische Sensorvorrichtungen der genannten Art weisen als Lichtquelle regelmäßig Leuchtdioden auf, die jeweils an eine i. d. R. unter 2 m lange Lichtleitfaser in Form einer polymeren optischen Faser bzw. Polymer optical fiber, kurz POF, angeschlossen sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine faseroptische Sensorvorrichtung der genannten Art unter Vereinfachung ihres Aufbaus weiterzubilden und hierdurch auch Möglichkeiten einer preiswerteren Fertigung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale von Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß zeichnet sich eine optische Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch aus, dass an einem ersten Ende der Lichtleitfaser Licht mehrerer Frequenzen eingekoppelt wird, der an die Lichtleitfaser an einem zweiten Ende angekoppelte Lichtdetektor zur frequenzselektiven Intensi- tätsauswertung ausgebildet ist und die Lichtemissionsbereiche an der Lichtleitfaser in Abstimmung auf die an dem ersten Ende eingekoppelten Frequenzen frequenzselektiv wirkend ausgebildet sind.

Damit können über die Länge auch nur einer einzigen Lichtleitfaser mehrere Lichtemissionsbereiche angeordnet werden, die voneinander verschieden sind, da sie jeweils nur für eine

Frequenz oder ein enges Frequenzband als Lichtemissionsbereiche wirken. Andere Frequenzen werden durch diese Lichtemissionsbereiche in der Ausbreitung innerhalb der Lichtleitfaser im Wesentlichen nicht behindert. Der Aufbau einer faseropti- sehen Sensorvorrichtung mit Bestimmung einer Art einer jeweiligen Verformung wird hierdurch erheblich vereinfacht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtemissionsbereiche als so genannte Bragg-Gitter wellen- längen-selektiv wirkend ausgebildet. Zur Herstellung derartiger Filter sind hoch genau arbeitende Verfahren bekannt, durch die jedoch eine Lichtleitfaser selber nicht mechanisch beschädigt wird. Da jede Beschädigung der Faser als Sollbruchstelle wirkt, wird durch deren Vermeidung die Zuverläs- sigkeit gerade bei den unterschiedliche starken Schwingungsund Torsionsbelastungen optischer Fasern in der Automobiltechnik wesentlich erhöht.

Vorteilhafterweise ist die Lichtleitfaser als polymere opti- sehe Faser bzw. POF ausgebildet, die mit durch Direktschreiben hinsichtlich mindestens eines Brechungsindex n manipulierten Lichtemissionsbereich versehen ist. Das Direktschreiben auf bzw. in eine POF ist z. B. aus dem Bereich der MikroFotolithografie zum Herstellung von Strukturen auf Silizium- Wafern mittels Laser bekannt und wird nun unter Nutzung der erreichten Genauigkeit von Abbildungen in diesen neuen Anwendungsbereich eingesetzt.

Vorzugsweise wird das Licht mehrerer Frequenzen durch eine dementsprechend breitbandig strahlende Leuchtdiode an dem ersten Ende der Lichtleitfaser eingekoppelt. Dabei wird der Lichtdetektor am zweiten Ende der Lichtleitfaser bevorzugt als so genannter rbg-Sensor in Abstimmung auf die wellenlän- gen-selektiv wirkenden Lichtemissionsbereiche ausgebildet. Damit ist in einer Ausführungsform der Erfindung an beiden

Enden der Lichtleitfaser nur ein optoelektrisches Bauelement vorzusehen bzw. anzukoppeln.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Form:

Figur 1: ein Ausführungsbeispiel einer faseroptischen Sensorvorrichtung mit einer einzigen Lichtleitfaser, breitbandig strahlender Leuchtdiode, einem zur frequenzselektiven Intensitätsauswertung ausgebildeten Lichtdetektor und drei wellenlängen-selektiven Lichtemissionsbereichen;

Figur 2: eine Prinzipdarstellung der Funktion einer faseroptischen Sensorvorrichtung nach dem Stand der Technik;

Figur 3: eine bekannte Ausführungsform einer faseroptischen Sensorvorrichtung mit mehreren Lichtleitfasern gemäß Figur 2 zur Schaffung einer Gesamtvorrichtung mit der Fähigkeit einer Lokalisation und Bestimmung einer Art einer jeweiligen Verformung;

Figur 4a: eine Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus und des Funktionsprinzips einer Lichtleitfaser mit end- seitigen Beschaltungen gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 mit exemplarischem Strahlengang zur selektiven Dämpfung von Licht einer bestimmten Wellenlänge;

Figur 4b: eine Darstellung analog der Figur 4a mit exemplarischem Strahlengang zur selektiven Dämpfung von Licht einer zweiten bestimmten Wellenlänge;

Figur 4c: eine Darstellung analog der beiden vorangehenden Figuren mit exemplarischem Strahlengang zur selektiven Dämpfung von Licht einer dritten bestimmten Wellenlänge;

Figur 5a: eine Skizze der Anordnung gemäß der Figuren 4a-c bei ideal ungedämpfter übertragung von Licht aller Wellenlängen und

Figur 5b: eine Skizze der Anordnung analog der Darstellung von Figur 5a mit Andeutung einer selektiven Signalschwächung infolge einer Verformung der Lichtleitfaser .

über die verschiedenen Ausführungsbeispiele und Abbildungen hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen und Verfahrensschritte verwendet.

Figur 3 zeigt eine faseroptische Sensorvorrichtung 1 nach dem Stand der Technik. Die faseroptische Sensorvorrichtung 1 um- fasst eine Lichtleitfaser 2, die an einem ersten Ende 3 der Lichtleitfaser 2 in einem Ankoppelbereich 4 an eine Lichtquelle 5 mit einer Stirnfläche 6 und an einem zweiten Ende 7 an einen Lichtdetektor 8 gekoppelt ist. Nicht weiter dargestellt sind eine Schaltungselektronik und Mittel zum Erkennen einer Deformation im Bereich einer sensitiven Zone 9 auf Basis einer änderung der Intensität des aus der Lichtleitfaser 2 in dem Lichtdetektor 8 empfangenen Lichts. Diese sensitive Zone 9, die u. a. durch so genannte High Oder Modes Filter bzw. HOMF als Streuungs- und/oder Verlustbereich realisiert ist, ist zwischen der Einspeisung durch die Lichtquelle 5 und einer Umlenkung 10 in einem Umkehrpunkt über einen Abschnitt angeordnet .

Eine derartige faseroptische Sensorvorrichtung 1 sensiert also eine Verbiegung der Lichtleitfaser 2 auf Basis von Intensitätsabweichungen und ist damit auch als Crashsensor in einem Personenkraftfahrzeug in Bereichen der Karosserie vor- teilhaft einsetzbar, die bei Unfällen mit Fußgängern oder Fahrradfahrern verformt werden. Um effektiv aktive Sicher- heitsnahmen zur Verbesserung des Schutzes einer verunfallten

Person ergreifen zu können, beispielsweise eine Vergrößerung eines Aufprallwinkels bei Schaffung einer weicheren Auffangstruktur im Bereich der Motorhaube, muss eine auch nur geringe Verformung durch einen derartigen Sensor schnell und si- eher erkannt werden.

Aus Kostengründen kommen bei einer bekannten Sensorvorrichtung 1 Leuchtdioden LED als Lichtquellen 5 bei etwa λ = 660 nm zusammen mit entsprechend abgestimmten Photodetektoren als Lichtdetektor-Bauteile 8 zum Einsatz. Um auf Basis einer derartigen Vorrichtung 1 auch eine Art einer Verformung detek- tieren zu können, werden vier bis zu 16 separate Sensorvorrichtungen 1 zusammengefasst, wie in der Abbildung von Figur 3 anhand dreier derartiger Sensorvorrichtungen 1 in einer Bündelung angedeutet. Hierbei beträgt die Länge L der Lichtleitfasern 2 in dem vorliegenden Beispielfall ca. 1,5 m. Die sensitiven Zonen 9 der einzelnen Fasern 2 sind derart gegeneinander versetzt angeordnet, dass sie einen Sensorbereich 11 bilden. Der Sensorbereich 11 wird bei einem Unfall unter Ein- Wirkung einer Kraft U mit einer in skizziert angedeuteten

Weise sichelförmig angenommenen Verteilung hinsichtlich seiner Teilbereiche 9 unterschiedlich stark verformt. Aus den sich damit je Faser 2 ergebenden unterschiedlichen Schwächungen einer Lichtintensität gegenüber einem Normalfall ohne Verformung in einem Bereich 9 lassen sich Teilverformungen ermitteln, denen je Faser 2 auch ein Ort zugewiesen werden kann. Damit ist eine aktuell durch den Unfall auftretende Verformung stückweise aus Einzelergebnissen schnell und zuverlässig bestimmbar.

Der Vorrichtungsaufwand für eine ausreichend hoch auflösende Lokalisations- und Formbestimmung nach Figur 3 steigt jedoch auch bei Einsatz von zu Kabeln bzw. Faser-Bändchen etc. gebündelten Lichtwellenleitern 2 proportional zur Anzahl der sensitiven Teilbereiche 9. Figur 1 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel, das diese Regel mit einfachen Mitteln durchbricht. Hier umfasst eine faseroptische Sensorvorrichtung 1 eine ein-

zige POF-Lichtleitfaser 2, die an dem ersten Ende 3 von einer breitbandig strahlenden Leuchtdiode versorgt bzw. gespeist wird. Die Lichtleitfaser 2 weist einen zur frequenzselektiven Intensitätsauswertung ausgebildeten Lichtdetektor 8 sowie drei wellenlängen-selektiv wirkende Lichtemissionsbereiche 12 auf. Diese Lichtemissionsbereiche 12 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Wellenlängen-Filter in Form von Bragg-Gittern ausgeführt. Die Filterwirkung wird durch in bestimmten Strukturen regional begrenzte änderungen eines Bre- chungsindex n in der Lichtleitfaser 2 bewirkt, wobei diese

Brechungsindexänderungen durch Direktschreiben oder ähnliche Verfahren definiert hergestellt werden. Jeder dieser Filter weist jeweils eine Abstimmung auf eine der Wellenlängen λ _r , λ _b , λ _g auf. Im vorliegenden Fall wird durch die Lichtquelle 5 Licht im sichtbaren Spektrum ausgesandt und die Frequenzen der Wellenlängen λ _r , λ _b , λ _g liegen jeweils im Bereich der sichtbaren Farben rot R, blau B und grün G.

Diese Art von Filtern sowie entsprechende Herstellungsverfah- ren, wie z. B. das Direktschreiben bzw. die Photo-Inskription zum Einschreiben einer definierten Struktur in einen Wellenleiter unter hoher Genauigkeit insbesondere unter Verwendung eines Lasers zur Erzeugung von Brechungsindexänderungen durch Abweichungen in der Materialdichte, sind aus dem Bereich der Telekommunikation bekannt und dort für Wellenlängen-Multiplex bzw. Wavelength domain multiple access, kurz WDM, für Glasfaser- und Polymertechnologie adaptiert. Zur Herstellung derartiger frequenzselektiv wirkender Lichtemissionsbereiche 12 an der Lichtleitfaser 2 muss die Lichtleitfaser 2 selber also auch an ihrem Mantel bzw. Cladding nicht mehr beschädigt und damit mechanisch geschwächt werden.

Die Folge der Figuren 4a bis 4c zeigt die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen faseroptischen Biege- und Verfor- mungssensorvorrichtung 1 nochmals in schematisierter Form für die drei ausgewählten Frequenzen mit den jeweils zugehörigen Wellenlängen λ _r , λ _b , λ _g im Einzelnen. Figur 4a ist eine Dar-

Stellung eines prinzipiellen Aufbaus und des Funktionsprinzips einer Lichtleitfaser 2 mit endseitigen Beschaltungen gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 mit exemplarischem Strahlengang zur selektiven Dämpfung von Licht nur der vorbe- stimmten Wellelänge. Dazu sind der übersichtlichkeit halber nur zwei exemplarische Ausbreitungspfade ausschließlich für Licht der Wellenlängen λ _r dargestellt, die in der Multimode- Faser 2 jeweils bei Totalreflexion zum Kernbereich hin ausbreitungsfähig sind. Ein erster Pfad 13 erstreckt sich durch den exemplarisch dargestellten Faserabschnitt von der Lichtquelle 5 bis zum Detektor 8. Dabei verläuft dieser erste Pfad 13 auch durch einen hinsichtlich der Wellenlänge λ _b selektiv wirkenden Lichtemissionsbereich 12. Da dieser Lichtemissionsbereich 12 jedoch ausschließlich auf die Wellenlänge λ _b se- lektiv als Verlustbereich wirkt, passiert das Licht der Wellenlänge λ _r diesen Lichtemissionsbereich 12 im Wesentlichen ohne Dämpfung und setzt seinen Weg auf dem eingezeichneten Pfad 13 fort.

Anders dagegen bei einem Pfad 14: Hier trifft Licht der Wellenlänge λ _r nach zwei Totalreflexionen auf einen Lichtemissionsbereich 12, der genau auf die Wellenlänge λ _r abgestimmt ist. Das Licht auf diesem Pfad 14 wird der Faser 2 durch Auskopplung in den Außenraum vollständig entzogen.

Die Abbildungen der Figur 4b und 4c zeigen Darstellungen analog der Figur 4a mit exemplarischen Strahlengängen anhand der Pfade 15, 16, 17, 18 zur selektiven Dämpfung von Licht einer zweiten und dritten vorbestimmten Wellelänge λ _b , λ _g . Die Wir- kungsweise ist immer die gleiche, so dass in einem rbg-Sensor als einteiliger Photodetektor 8 schließlich für jede dieser Wellenlängen eine Strahlungsintensität in einem ungebogenen Normalzustand festgestellt werden kann.

Figur 5a zeigt eine Prinzipskizze der Anordnung gemäß der Figuren 4a-c bei ideal ungedämpfter übertragung von Licht aller hier relevanten Wellenlängen λ _r , λ _b , λ _g einer beispielhaften

Intensitätsverteilung dieser Wellenlängen, wie sie an dem rbg-Detektor 8 aufgenommen wird. Figur 5b zeigt eine Skizze der Anordnung analog der Darstellung von Figur 5a mit einer Andeutung einer selektiven Signalschwächung infolge einer Verformung der Lichtleitfaser 2, wie sie in Figur 3 bei der bekannten Vorrichtung 1 mit drei Lichtleitfasern 2 für drei sensitive Zonen 9 bereits skizziert wurde. Die Verformung von Figur 5b ist so klein gewählt worden, dass nur die Wellenlänge λ _r eine Schwächung der Intensität erfährt. Schon der quasi benachbart angeordnete frequenzselektiv für die Farbe blau B wirkende Lichtemissionsbereich 12 ist von der Verformung nicht mehr betroffen, so dass aus der nur für die Wellenlänge λ _r auftretenden Signalschwächung auf eine Verformung geringer Ausdehnung eben nur am Ort des Lichtemissionsbereichs 12 für die Wellenlänge λ _r geschlossen werden kann. Der Aufbau der

Vorrichtung 1 nach Figur 5b ist dazu jedoch deutlich weniger aufwändig, als das in der bekannten Vorrichtung 1 nach Figur 3 der Fall war.

Dabei werden in diesem Ausführungsbeispiel als Lichtquelle 5 eine Weißlicht-Quelle LW T67C der Firma Osram und als Photodetektor 8 eine Silizium Photodiode S9032-02 der Firma Hama- matsu photonics eingesetzt. Damit ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 unter Verwendung handelsüblicher Bauteile und bekannter Verfahren aufgebaut worden, wobei durch die Verwendung von Bragg-Gittern als Filter der wellenlängen-selektiv wirkenden Lichtemissionsbereiche 12 weder ätzungen, noch sonstige mechanische Deformationen des Lichtwellenleiters 2 mehr erforderlich sind.

Durch den neuartigen Aufbau der faseroptischen Biege- und Positionssensorvorrichtung 1 konnte die Anzahl der Lichtwellenleiter 2 bei gleicher Funktionalität gegenüber bekannten Vorrichtungen 1 deutlich gesenkt werden. Damit einher geht eine vorteilhafte Senkung der Anzahl von optoelektrischen Bauelementen, also Lichtquellen 5 und Photodetektoren 8, sowie eine Senkung der Anzahl von elektrischen sowie bevorzugt über

Steckverbindungen ausgeführte optischen Verbindungen zu diesen optoelektrischen Bauelementen in den Beispielfällen von sechs auf nur zwei erreicht. Damit werden zusätzlich Kosten für sichere Steckverbindersysteme eingespart. So ergibt sich insgesamt eine faseroptische Biege- und Positionssensorvorrichtung 1 mit kompaktem Aufbau, die eine Information über einen Wert und einen Ort einer Verbiegung auch schon unter Einsatz nur eines Lichtwellenleiters 2 auf POF-Basis bereitstellt, wobei sämtliche Einsatzfälle, wie sie u. a. in der WO 94/29671 Al bekannt sind, mit einer derartigen Vorrichtung bei verbesserter Qualität und kompakterem Aufbau darstellbar sind.