Title:
Optisches Sensorsystem
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem, das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät, das wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Kamera aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens eine Einkoppelschnittstelle zur Einkopplung von Licht von der Lichtquelle des Computergeräts in das Sensorsystem und wenigstens eine Auskoppelschnittstelle zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem zur Kamera des Computergeräts aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens einen optischen Lichtleitpfad aufweist, über den die Auskoppelschnittstelle mit der Einkoppelschnittstelle optisch verbunden ist, wobei in dem Lichtleitpfad wenigstens ein Sensor angeordnet ist, der zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem einwirkenden physikalischen Größe eingerichtet ist, wobei in dem Lichtleitpfad wenigstens ein Sensor angeordnet ist, der zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem einwirkenden Einflußgröße eingerichtet ist, wobei das Sensorsystem eine flachbauende planare Haltestruktur aufweist, in die die Einkoppelschnittstelle, die Auskoppelschnittstelle, die Elemente des Lichtleitpfades und das Sensorelement baulich integriert und in fest vorgegebener optischer Anordnung zueinander justiert sind.




Inventors:
Roth, Bernhard, Prof. Dr. (33719, Bielefeld, DE)
Bremer, Kort (29640, Schneverdingen, DE)
Application Number:
DE102015100845A
Publication Date:
07/21/2016
Filing Date:
01/21/2015
Assignee:
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 30167 (DE)



Foreign References:
200602920392006-12-28
200901038522009-04-23
201102071372011-08-25
201401707572014-06-19
201402731892014-09-18
WO2014107364A12014-07-10
Attorney, Agent or Firm:
Gramm, Lins & Partner Patent- und Rechtsanwälte PartGmbB, 30173, Hannover, DE
Claims:
1. Optisches Sensorsystem (1), das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät (100), das wenigstens eine Lichtquelle (7, 101) und wenigstens eine Kamera (8) aufweist, wobei das Sensorsystem (1) wenigstens eine Einkoppelschnittstelle (3) zur Einkopplung von Licht (13) von der Lichtquelle (7, 101) des Computergeräts (100) in das Sensorsystem (1) und wenigstens eine Auskoppelschnittstelle (4) zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem (1) zur Kamera (8) des Computergeräts (100) aufweist, wobei das Sensorsystem (1) wenigstens einen optischen Lichtleitpfad (2) aufweist, über den die Auskoppelschnittstelle (4) mit der Einkoppelschnittstelle (3) optisch verbunden ist, wobei in dem Lichtleitpfad (2) wenigstens ein Sensor (5) angeordnet ist, der zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad (2) geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem (1) einwirkenden Einflußgröße eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (1) eine flachbauende planare Haltestruktur (9, 11) aufweist, in die die Einkoppelschnittstelle (3), die Auskoppelschnittstelle (4), die Elemente des Lichtleitpfades (2) und das Sensorelement (5) baulich integriert und in fest vorgegebener optischer Anordnung zueinander justiert sind.

2. Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Haltestruktur (9, 11) als dünne, flache Struktur mit zwei voneinander abgewandten Hauptoberflächen (12, 14) ausgebildet ist, die die äußeren Oberflächen der Haltestruktur (9, 11) mit dem größten Flächeninhalt sind, wobei die Hauptoberflächen (12, 14) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

3. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Haltestruktur (9, 11) eine Dicke aufweist, die wesentlich geringer ist als ihre Breite und Länge.

4. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der planaren Haltestruktur (9, 11) integrierte Lichtleitpfad (2) zur im Wesentlichen parallelen Lichtleitung entlang der Hauptoberflächen (12, 14) der planaren Haltestruktur (9, 11) ausgebildet ist.

5. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitpfad (2) wenigstens einen im Bogen in der planaren Haltestruktur (9, 11) verlegten Lichtwellenleiter aufweist.

6. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitpfad (2) wenigstens ein Einkoppelglied (3a) zum Einkoppeln des Lichts (13) in den Lichtleitpfad an der Einkoppelschnittstelle (3) und/oder ein Auskoppelglied (4a, 4b) zum Auskoppeln des Lichts aus dem Lichtleitpfad (2) an der Auskoppelschnittstelle (4) aufweist, wobei das Einkoppelglied (3a) und/oder das Auskoppelglied (4a, 4b) dazu eingerichtet ist, in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche (12, 14) eingekoppeltes bzw. des ausgekoppeltes Licht zumindest teilweise in Längserstreckungsrichtung des Lichtleitpfads (2) abzulenken.

7. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Haltestruktur (9, 11) wenigstens ein mechanisches Fixiermittel (15) aufweist, das eine korrekte Anordnung und Justierung des Computergeräts (100) relativ zum Sensorsystem (1) unterstützt.

8. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (1) in eine Schutzhülle des Computergeräts (100), ein Kleidungsstück oder in eine Verpackung integriert ist oder als solche ausgebildet ist.

9. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitpfad (2) einstückig mit zumindest einem Teil der planaren Haltestruktur (9, 11) ausgebildet ist.

10. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (1) mehrere in demselben Lichtleitpfad (2) hintereinander angeordnete Sensoren (5) aufweist.

Description:

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem, das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät, das wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Kamera aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens eine Einkoppelschnittstelle zur Einkopplung von Licht von der Lichtquelle des Computergeräts in das Sensorsystem und wenigstens eine Auskoppelschnittstelle zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem zur Kamera des Computergeräts aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens einen optischen Lichtleitpfad aufweist, über den die Auskoppelschnittstelle mit der Einkoppelschnittstelle optisch verbunden ist, wobei in dem Lichtleitpfad wenigstens ein Sensor angeordnet ist, der zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem einwirkenden Einflussgröße eingerichtet ist.

In der WO 2014/107364 A1 wird ein Smartphone-Biosensor beschrieben. Hierbei wird ein Smartphone durch entsprechende externe optische Elemente dazu erweitert, Ergebnisse eines biomolekularen Assays zu erkennen. Der hierfür erforderliche Aufbau ist jedoch relativ komplex, groß und empfindlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät eingerichtetes optisches Sensorsystem anzugeben, das eine verbesserte Praxistauglichkeit hat.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein optisches Sensorsystem, das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit einem mobilen Computergerät, das wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Kamera aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens eine Einkoppelschnittstelle zur Einkopplung von Licht von der Lichtquelle des Computergeräts in das Sensorsystem und wenigstens eine Auskoppelschnittstelle zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem zur Kamera des Computergeräts aufweist, wobei das Sensorsystem wenigstens einen optischen Lichtleitpfad aufweist, über den die Auskoppelschnittstelle mit der Einkoppelschnittstelle optisch verbunden ist, wobei in dem Lichtleitpfad wenigstens ein Sensor angeordnet ist, der zur Modifikation des durch den Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensorsystem einwirkenden Einflussgröße eingerichtet ist, wobei das Sensorsystem eine flachbauende planare Haltestruktur aufweist, in die die Einkoppelschnittstelle, die Auskoppelschnittstelle, die Elemente des Lichtleitpfades und das Sensorelement baulich integriert und in fest vorgegebener optischer Anordnung zueinander justiert sind.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass das optische Sensorsystem zusammen mit dem mobilen Computergerät wesentlich bedienungsfreundlicher gehandhabt werden kann und aufgrund des kompakten, planaren Aufbaus einfacher vom Benutzer mitgeführt werden kann. Wird als mobiles Computergerät beispielsweise ein Smartphone verwendet, behält dieses auch bei Ergänzung mit dem optischen Sensorsystem seine äußeren Maße im Wesentlichen bei, weil das Sensorsystem derart kompakt bereitgestellt werden kann, dass es kaum aufträgt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Haltestruktur für eine definierte Lage der einzelnen darin integrierten Elemente sorgt, insbesondere die Einkoppelschnittstelle, die Auskoppelschnittstelle, die Elemente des Lichtleitpfads und das Sensorelement, die in fest vorgegebener optischer Anordnung zueinander gehalten werden. Dementsprechend kommt es nicht zu Dejustierungen zwischen diesen Elementen.

Das mobile Computergerät kann, wie erwähnt, ein Smartphone sein, oder jedes andere Mobiltelefon oder mobile Computergeräte sonstiger Art, wie zum Beispiel Laptop, Tablet oder ähnliches.

Die von außen auf das Sensorsystem einwirkende Einflussgröße kann eine physikalische, chemische und/oder biochemische Größe sein.

Der in dem Lichtleitpfad angeordnete Sensor kann insbesondere ein optischer Sensor sein. Der optische Sensor dient zur Erfassung von Umgebungsparametern. Mit Hilfe von beispielsweise Absorptions-, Streulicht-, Reflexionslicht-, Transmissionslicht-, Fluoreszenzlicht-, Polarisationslicht-, Brechzahlmessungen, Quantenpunkte und/oder der Bestimmung des Amplituden- bzw. Phasenspektrums des Lichts können Umgebungsparameter untersucht werden. Der optische Sensor kann z.B. mittels Oberflächenplasmonen, Kavität, Evaneszensfeld, optischem Gitter, Photonic Crystal, Ring-Resonatoren oder Fabry-Perot bzw. Mach-Zehnder Interferometer oder als Optode realisiert werden. Oberflächenplasmonensensoren können z.B. durch eine Gold-, Silberbeschichtung oder Nanostrukturierung (z.B. Nanopartikeln) realisiert werden. Weiterhin kann eine Haftschicht zwischen Sensor und Metallbeschichtung eingesetzt werden und eine Gitterstruktur zur Phasenanpassung integriert werden. Mehrere optische Sensoren können seriell entlang des optischen Wellenleiters gemultiplext werden, wobei Wellenlängenmultiplexing angewendet werden kann. Weiterhin können bei einem Freilicht-Aufbau Linsen zum Ein- bzw. Auskoppeln des Lichts in bzw. aus dem Wellenleiter eingesetzt werden.

Das Sensorsystem kann insbesondere als Chiplabor ausgebildet sein.

Die Einkoppelschnittstelle kann wenigstens ein Einkoppelglied aufweisen, zum Beispiel in Form von einem oder mehreren Einkoppelbauteilen. Entsprechend kann die Auskoppelschnittstelle wenigstens ein Auskoppelglied enthalten, zum Beispiel in Form von einem oder mehreren Auskoppelbauteilen. Ein Einkoppelbauteil und/oder ein Auskoppelbauteil kann durch Fresnel-/Totalreflektion realisiert werden. Einkoppelbauteile und/oder Auskoppelbauteile können zum Beispiel optische Elemente wie Spiegel, Prisma, abgeschrägter Wellenleiter, optisches Gitter sein.

Die Effizienz des Einkoppelglieds und/oder des Auskoppelglieds kann mittels eines Linsensystems oder einer Taper-Struktur optimiert werden. Weiterhin kann mittels Polarisationsfilter als Einkoppelbauteil und/oder Auskoppelbauteil die Lichtpolarisation eingestellt und optimiert werden. Durch ein optisches Gitter als Einkoppelglied oder durch Änderung der Farbe des Displays am Ort des Eingangskopplers kann außerdem gezielt Licht einer Wellenlänge eingekoppelt werden.

Die planare Haltestruktur kann aus biegesteifem oder relativ flexiblem Material gebildet sein. Insbesondere kann die planare Haltestruktur biegsam sein und behält dabei ihre flachbauende planare Eigenschaft bei. Die planare Haltestruktur kann aus Kunststoff, Metall, Naturmaterialien wie Holz oder Kork, aus Textilmaterial oder einer Kombination daraus bestehen.

Das Sensorsystem kann hierdurch kostengünstig hergestellt werden. Aufgrund der kostengünstigen Herstellung kann das Sensorsystem auch als Einweg-Sensorsystem bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere in Einsatzfällen mit hohen Hygiene-Anforderungen vorteilhaft.

Die Lichtquelle des mobilen Computergeräts kann zum Beispiel eine Lichtquelle zur Erhellung des von der Kamera des Computergeräts erfassten Bereichs sein, zum Beispiel in Form eines Blitzlichts (Weißlichtquelle), einer LED (Leuchtdiode) oder einem ähnlichen Bauteil. Die Lichtquelle kann zum Beispiel auch ein Display des mobilen Computergeräts sein. Insbesondere kann die Lichtquelle als Mehrfarb-Lichtquelle ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass gezielt unterschiedliche Wellenlängen in den Lichtleitpfad eingespeist werden können. Durch entsprechende Softwaresteuerung kann die Wellenlänge jederzeit geändert werden, so dass hierdurch erst bestimmte Messungen möglich werden. Die Kamera des mobilen Computergeräts kann eine frontseitige oder eine rückwärtige Kamera sein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das optische Sensorsystem lediglich rein passive Bauelemente auf, das heißt solche Bauelemente, die keine elektrische Energieversorgung benötigen. Dies hat den Vorteil, dass das optische Sensorsystem ohne eigene elektrische Energiequelle realisiert werden kann, was zusätzlich förderlich für eine kompakte, kostengünstige und leichte Ausführung des Sensorsystems ist. Zudem entfällt ein Wechseln oder Nachladen elektrischer Energieversorgungsbauteile.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die planare Haltestruktur als dünne, flache Struktur mit zwei voneinander abgewandten Hauptoberflächen ausgebildet, die die äußeren Oberflächen der Haltestruktur mit dem größten Flächeninhalt sind, wobei die Hauptoberflächen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Hierdurch lässt sich das Sensorsystem besonders kompakt gestalten, so dass es über das damit verbundene mobile Computergerät nicht wesentlich hinaussteht.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die planare Haltestruktur eine Dicke auf, die wesentlich geringer ist als ihre Breite und Länge. Auch hierdurch lässt sich das Sensorsystem besonders kompakt gestalten, so dass es über das damit verbundene mobile Computergerät nicht wesentlich hinaussteht.

Insbesondere ist es vorteilhaft, die planare Haltestruktur mit einer Dicke auszubilden, die nicht größer ist als die Dicke des mobilen Computergeräts, mit dem das optische Sensorsystem zusammenwirken soll.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der in der planaren Haltestruktur integrierte Lichtleitpfad zur im Wesentlichen parallelen Lichtleitung entlang der Hauptoberflächen der planaren Haltestruktur ausgebildet. Dies erlaubt eine gute Ausnutzung des vorhandenen Bauraums in der an sich recht dünn ausgebildeten Haltestruktur.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtleitpfad wenigstens einen in der planaren Haltestruktur verlegten Lichtwellenleiter auf. Der Lichtwellenleiter kann zum Beispiel als Glasfaser-Lichtleiter oder ähnlicher Lichtleiter ausgebildet sein, insbesondere als flexibler Lichtleiter. Der Lichtwellenleiter kann sich aus einem Kern und Mantel zusammensetzen, wobei der Kern optisch dichter ist. Der Lichtwellenleiter kann als slab-, ridge-, buried- oder fibre-Waveguide aufgebaut sein sowie ein- oder vielmodig sein. Weiterhin kann beispielsweise die Querschnittsgeometrie des Lichtwellenleiters zirkular oder rechteckig sein, wobei der Kern und Mantel des Lichtwellenleiters beispielsweise aus Polymer, Glas, Silizium oder Luft bestehen können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtleitpfad wenigstens einen im Bogen, d.h. bogenförmig, in der planaren Haltestruktur verlegten Lichtwellenleiter auf. Auf diese Weise kann über ein und denselben Lichtwellenleiter das Licht von einer Lichtquelle des Computergeräts zur Kamera des Computergeräts zurückgeführt werden, auch wenn diese beiden Elemente des Computergeräts dicht beieinander angeordnet sind.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtleitpfad wenigstens ein Einkoppelglied zum Einkoppeln des Lichts in den Lichtleitpfad an der Einkoppelschnittstelle und/oder einen Auskoppelglied zum Auskoppeln des Lichts aus dem Lichtleitpfad an der Auskoppelschnittstelle auf, wobei das Einkoppelglied und/oder das Auskoppelglied dazu eingerichtet ist, in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche eingekoppeltes bzw. ausgekoppeltes Licht zumindest teilweise in Längserstreckungsrichtung des Lichtleitpfads abzulenken. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand die in der Regel senkrecht zu einer Hauptoberfläche gerichtete Lichtabstrahlrichtung der Lichtquelle eines mobilen Computergeräts und/oder der senkrecht zu einer Hauptoberfläche gerichteten Erfassungsrichtung der Kamera eines mobilen Computergeräts angepasst werden an den im Wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche verlaufenden Lichtleitpfad.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die planare Haltestruktur wenigstens ein mechanisches Fixiermittel auf, das eine korrekte Anordnung und Justierung des Computergeräts relativ zum Sensorsystem unterstützt. Das oder die Fixiermittel, die insbesondere als Justiermittel ausgebildet sein können, können zur Fixierung des Computergeräts am Sensorsystem durch Kraftschluss (Reibschluss) oder Formschluss ausgebildet sein, zum Beispiel in Form von Rastmitteln, als Klemmverbindung oder als Klebeverbindung. Dies hat den Vorteil, dass das Zusammenfügen zwischen dem Computergerät und dem optischen Sensorsystem durch das oder die Fixiermittel unterstützt wird und für den Anwender damit vereinfacht wird. Fehljustierungen werden damit automatisch weitestgehend vermieden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Sensorsystem in eine Schutzhülle des Computergeräts, ein Kleidungsstück oder in eine Verpackung integriert oder als solche ausgebildet. Auf diese Weise kann das Sensorsystem besonders unauffällig mitgeführt werden und wird somit vom Anwender nicht als störend empfunden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Lichtwellenleiter einstückig mit zumindest einem Teil der planaren Haltestruktur ausgebildet. Auf diese Weise kann der Lichtwellenleiter in fertigungstechnisch besonders günstiger Weise in die Haltestruktur integriert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem mehrere in demselben Lichtleitpfad hintereinander angeordnete Sensoren auf. Auf diese Weise können über einen Lichtleitpfad mehrere Sensorsignale erfasst werden und unterschiedliche Einflussgrößen sensiert werden. Die mehreren hintereinander angeordneten Sensoren können dann im Multiplexbetrieb abgefragt werden. Eine Erweiterung des Computergeräts auf zusätzliche Lichtquellen und/oder Kameras kann dadurch vermieden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem mehrere parallele Lichtleitpfade mit wenigstens einem in jedem Lichtleitpfad angeordnetem Sensor auf. Auf diese Weise können bei gegebener Hardwareausstattung des Computergeräts ebenfalls mehrere Sensorsignale erfasst werden und unterschiedliche Einflussgrößen sensiert werden. Mehrere Wellenleiter können auch ohne Wellenleiterkoppler parallel mit einer LED und Kamera betrieben werden

Durch das Multiplexen von mehreren optischen Sensoren können beispielsweise eine Vielzahl von Parametern gemessen werden und/oder Kreuzempfindlichkeiten der optischen Sensorstruktur zum Beispiel gegenüber Temperatur kompensiert werden. Auch über bereits im Computergerät vorhandene Sensoren kann eine Kompensation von Kreuzempfindlichkeiten, zum Beispiel Temperatur und Feuchtigkeit, realisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

1 ein mobiles Computergerät sowie ein optisches Sensorsystem in perspektivischer Darstellung und

2 bis 5 verschiedene Ausführungsformen eines optischen Sensorsystems in Draufsicht und

6 und 7 verschiedene Ausführungsformen eines optischen Sensorsystems in Seitenansicht und

8 ein mobiles Computergerät, eine Haltevorrichtung sowie ein optisches Sensorsystem in perspektivischer Darstellung.

In den 2 bis 7 ist das optische Sensorsystem jeweils teilweise geschnitten dargestellt, so dass die in die planare Haltestruktur integrierten Elemente sichtbar werden. In den Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.

Die 1 zeigt ein mobiles Computergerät 100, zum Beispiel ein Smartphone, das an seiner Vorderseite zum Beispiel ein Display 101 sowie Bedienelemente 102 aufweist. Ferner ist ein optisches Sensorsystem 1 dargestellt, das eingerichtet ist zum Zusammenwirken mit dem mobilen Computergerät 100. Hierfür weist das optische Sensorsystem eine Halterung 10 auf, in die das Computergerät 100 passgenau eingesetzt werden kann, zum Beispiel ähnlich einem Bumper für ein Smartphone. Die Halterung 10 weist in einem Aufnahmebereich, in den das Computergerät 100 einzusetzen ist, eine planare Haltestruktur 11 auf, die die Halterung 10 nach unten hin begrenzt. In die planare Haltestruktur 11 sind verschiedene optische Bauteile integriert, die nachfolgend noch erläutert werden. Sichtbar sind in der 1 insbesondere eine Einkoppelschnittstelle 3 zur Einkopplung von Licht von der Lichtquelle des Computergeräts 100 und eine Auskoppelschnittstelle 4 zur Auskopplung von Licht vom Sensorsystem 1 zur Kamera des Computergeräts 100.

Erkennbar ist ferner, dass die planare Haltestruktur 11 als dünne, flache Struktur mit zwei voneinander abgewandten Hauptoberflächen 12, 14 ausgebildet ist.

Die planare Haltestruktur 11 ist in einer ersten Ausführungsform in 2 in Draufsicht dargestellt, wobei die planare Haltestruktur 11 soweit geöffnet ist, dass die darin angeordneten optischen Bauteile wie in der 2 dargestellt sichtbar werden. Erkennbar ist, dass von der Einkoppelschnittstelle 3 ausgehend ein Lichtleitpfad 2, gebildet durch einen Lichtwellenleiter, nach unten geführt ist und über einen 180°-Bogen wieder zurück zur Auskoppelschnittstelle 4 geführt ist. In dem Lichtleitpfad 2 ist ein Sensor 5 angeordnet. Über die Einkoppelschnittstelle 3 wird Licht von der Lichtquelle 7 des Computergeräts 100 in den Lichtleitpfad 2 eingespeist, durch den Sensor 5 geführt, und über die Auskoppelschnittstelle 4 wird das austretende Licht der Kamera 8 des Computergeräts 100 zugeführt.

In einer zweiten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, wird das Licht nicht wie in der ersten Ausführungsform durch den Sensor 5 hindurch geführt (Transmissionsprinzip), sondern es wird über den Sensor 5 reflektiert (Reflexionsprinzip). Daher ist in dieser Ausführungsform über einen Wellenleiterkoppler 6 das Licht von der Lichtquelle 7 über die Einkoppelschnittstelle 3 über den Lichtleitpfad 2 zu dem Sensor 5 hingeführt. Das dort reflektierte Licht wird über den Lichtleitpfad 2 und den Wellenkoppler 6 zur Auskoppelschnittstelle 4 geführt und kann dementsprechend über die Kamera 8 aufgenommen werden.

In einer dritten Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, sind in demselben Lichtleitpfad 2 hintereinander mehrere optische Sensoren 5 angeordnet, in diesem Fall fünf Stück. Die Signalerfassung im Computergerät 100 erfolgt über optisches Multiplexing.

In einer vierten Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, sind mehrere Lichtleitpfade, zum Beispiel zwei Lichtleitpfade 2, parallel zueinander angeordnet. In jedem Lichtleitpfad ist wenigstens ein Sensor 5 angeordnet. Die Lichtleitpfade 2 können über einen jeweiligen Wellenleiterkoppler 6 mit der Einkoppelschnittstelle 3 beziehungsweise mit der Auskoppelschnittstelle 4 verbunden.

Wie erkennbar ist, sind die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht erschöpfend. Es können im Prinzip beliebig viele Sensoren in einem Lichtleitpfad vorhanden sein, ebenso können im Prinzip beliebig viele parallele Lichtleitpfade vorgesehen sein. Sämtliche Ausführungsbeispiele können daher miteinander kombiniert werden.

Das optische Sensorsystem 1 kann ferner in Form eines ridge waveguide (6) oder buried waveguide (7) realisiert sein. Die 6 zeigt einen Lichtleitpfad 2 in Form eines Lichtwellenleiters, der auf einem Substrat 9 aufgebracht ist, das als Haltestruktur dient. In dem Lichtleitpfad 2 ist wiederum ein Sensor 5 angeordnet. Die Einkoppelschnittstelle 3 weist in diesem Fall ein als Abschrägung des Lichtwellenleiters ausgebildetes Einkoppelglied 3a auf, durch das einfallendes Licht 13 abgelenkt wird. Die Auskoppelschnittstelle 4 weist als Auskoppelglied eine Abschrägung 4a des Lichtwellenleiters auf, über die das Licht wiederum abgelenkt wird. Ferner weist die Auskoppelschnittstelle 4 als weiteres Auskoppelglied ein optisches Gitter 4b auf (Beugungsgitter), mit dem das Licht in entsprechende Spektralanteile aufgeteilt werden kann, so dass die Kamera 8 des Computergeräts 100 als Spektrometer eingesetzt werden kann.

Bei der Ausführungsform gemäß 7 ist in das Substrat 9, das als Haltestruktur dient, ein Lichtleitpfad 2 eingebettet. Ebenso ist der Sensor 5 in den Lichtleitpfad und das Substrat 9 eingebettet. Die Einkoppelschnittstelle 3 für eintretendes Licht 13 weist ein Einkoppelglied in Form eines optischen Gitters 3a auf. Die Auskoppelschnittstelle 4 weist ein Auskoppelglied in Form eines optischen Gitters 4a auf.

Die dargestellten Verläufe der Lichtleitpfade 2 sind jeweils nur beispielhaft angegeben. Je nach Realisierung des Sensorsystems können die Verläufe auch anders aussehen. Der Sensor 5 beziehungsweise die mehreren Sensoren 5 können an beliebigen Positionen entlang des Lichtleitpfads angeordnet sein, nicht nur an den in den Ausführungsbeispielen beispielhaft angegebenen Positionen.

Die Auskoppelschnittstelle 4 dient zur Kopplung des Lichtleitpfads 2 mit der Kamera 8 des Computergeräts 100, wobei sowohl die Kamera auf der Vorder- sowie Rückseite eingesetzt werden kann. Das Auskoppelglied kann sich z.B. aus einem Prisma, Spiegel und/oder optischem Gitter zusammensetzen. Weiterhin kann ein um 45° abgeschrägter Wellenleiter mit/ohne optischem Gitter eingesetzt werden, wobei das Licht durch Totalreflektion umgelenkt wird. Mit Hilfe des optischen Gitters kann das Licht vom optischen Wellenleiter räumlich spektral getrennt werden und somit kann mit der Smartphone-Kamera das spektrale Verhalten der optischen Sensorstruktur untersucht werden.

Die 8 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in 1 dargestellten Erfindung. Im Unterschied zur 1 weist die Halterung 10 an ihrer Auflagefläche 16 einen Aufnahmebereich 17 für das Sensorsystem 1 auf. Das Sensorsystem 1 ist als separate Einheit mit einer wiederum vorhandenen planaren Haltestruktur 11 ausgebildet, die zusammen mit den darin beziehungsweise daran angeordneten weiteren Komponenten 3, 4 in den Aufnahmebereich 17 eingesetzt werden kann.

Die Herstellung der optischen Bauelemente des Sensorsystems 1 kann beispielsweise durch ein Druckverfahren, Fotolithographie, Mikroreplikation, Lasermaterialprozessierung und/oder aus einer Kombination der genannten Verfahren erfolgen.

Beispielweise können polymere, optische Bauelemente durch Flexodruck, Offsetdruck oder Tintenstrahldruck hergestellt werden. Im Hinblick auf die Mikroreplikation erfolgt die Übertragung der optischen Bauelemente in ein Substrat mit Hilfe eines nanostrukturierten Stempels. Die Strukturübertragung kann beispielsweise durch Reaction Injection Molding, Injection Molding, Injection Compression Molding, Hot Embossing, Thermoforming oder Nanoimprint Lithography geschehen. Beispielsweise ist das Hot Embossing von mikrooptischen Strukturen in polymeren Substraten ein gängiges Verfahren. In einer evakuierten Umgebung wird ein thermoplastischer Kunststoff auf seinen viskoelastischen Zustand aufgeheizt und in einen nanostrukturierten Stempel gedrückt. Die Entformung erfolgt anschließend nach der Abkühlung. Für das Heißprägen können nahezu sämtliche Thermoplaste und thermoplastischen Elastomere verwendet werden.

Die Lasermaterialprozessierung beinhaltet beispielsweise die Herstellung von optischen Wellenleitern durch laserinduzierte Brechzahländerung an der Oberfläche bzw. im Volumen von z.B. Polymerensubstraten oder die Herstellung von mikrooptischen Strukturen durch Laserablation. Beispielsweise können mit Hilfe einer Fotomaske und eines Excimerlasers oder durch das maskenlose Laserdirektschreibverfahren, beispielsweise mittels Femtosekundenlaser, optische Wellenleiterstrukturen in Polymer geschrieben werden. Weiterhin kann die dreidimensionale Strukturierung der optischen Sensorstruktur in Kunststoffen durch Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) erfolgen.

Im Hinblick auf die Herstellung der optischen Bauelemente kann beispielsweise die Einkoppelschnittstelle 3 und die Auskoppelschnittstelle 4 sowie die Lichtwellenleiter zunächst per Mikroreplikation hergestellt bzw. vorbereitet werden, um im Anschluss durch den Eintrag eines höherbrechenden Polymers oder einer Glasfaser oder durch das Wellenleiterdrucken oder durch die Lasermaterialprozessierung den Herstellungsprozess des optischen Strahlengangs zu vervollständigen. Im Anschluss der Herstellung des optischen Strahlengangs wird die Sensorstruktur ggf. entsprechend dem Zielparameter bzw. den Zielparametern funktionalisiert.

Im Rahmen von Versuchen wurde ein Oberflächenplasmonen-Sensorsystem basierend auf einer optischen Glasfaser zur Umweltanalytik für Smartphones entwickelt. Als optische Glasfaser wurde eine 25 cm lange 400 µm Plastic Cladding Silica(PCS)-Faser verwendet. Beide Enden der Glasfaser wurden um 45° angeschliffen, um Licht durch Totalreflektion in die Glasfaser senkrecht einbzw. auszukoppeln. Der Oberflächenplasmonensensor wurde durch eine etwa 1 cm lange Silberbeschichtung des Glasfaserkerns realisiert, wobei an dieser Stelle der Glasfasermantel vorab entfernt wurde. Mittels eines holographischen PDMS Beugungsgitters zwischen Glasfaserende und Smartphone-Kamera wurden die spektralen Komponenten der Smartphone-LED räumlich getrennt auf der Smartphone-Kamera abgebildet. Durch die spektrale Zerlegung kann die Resonanz des Oberflächenplasmonensensors detektiert und Änderungen der Umgebungsbrechzahl durch Verschiebung der Resonanz gemessen werden. Im Rahmen der Versuche konnte bereits eine Empfindlichkeit von 5,96·10–4 Brechzahleinheiten/Pixel erzielt werden. Durch Optimieren des Ausgangskopplers und Beugungsgitters kann die Empfindlichkeit des entwickelten Sensorsystems weiter verbessert werden.

Im Rahmen der Versuche konnte mittels Oberflächenplasmonen ein optisches Sensorsystem für Smartphones mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Brechzahländerungen entwickelt werden. Durch eine entsprechende Funktionalisierung der Sensoroberfläche, d.h. Integration eines Messumformers, welcher z.B. eine Gaskonzentrationsänderung in eine Brechzahländerung wandelt, können eine Vielzahl von Parameter gemessen werden und somit wäre eine große Einsatzbandbreite denkbar.

Mögliche zukünftige Anwendungen eines solchen Einwegchiplabors wären beispielsweise ein Schwangerschaftstest, Laktattest oder das Überwachen des Blutzuckergehalts. Ein weiteres Anwendungsgebiet des Einwegchiplabors kann in der Reisemedizin sein. Hier können mit Hilfe der Verknüpfung von Smartphone und eines Sensorsystems neue Produkte entwickelt werden. Der Einwegchip kann z.B. zur Diagnose und Überwachung von Malariainfektionen eingesetzt werden. Weiterhin kann der Einwegchip zur Diagnose von Herzinfarkten oder Lebensmittelvergiftungen auf Urlaubsreisen dienen. Da bei einem Herzinfarkt neben starken Brustschmerzen auch eine erhöhte Konzentration von Enzymen und Eiweißen (Biomarker) des absterbenden Herzmuskels im Blut vorhanden sind, kann durch die Detektion dieser Biomarker der Patient gewarnt und mit Hilfe der GPS-Ortsdaten zur nächsten Notaufnahme geleitet bzw. der Notarzt zum Patienten geführt werden. Weiterhin kann mit einem kostengünstigen auf einem Einwegchip basierenden Sensorsystem neue Anwendungen/ Produkte in der Veterinärmedizin entwickelt werden.

Mit einem Sensorsystem, welches z.B. in einer Smartphone-Schutzhülle integriert ist, können Umweltparameter oder personenspezifische Parameter überwacht werden. Mögliche Anwendungen können die kontinuierliche Bestimmung von Ammoniak- und/oder Methangehalt in der Landwirtschaft sein. Als Messumformer für Ammoniak oder Methan können Polyaniline oder in PDMS eingebrachte Cryptophane A-Moleküle eingesetzt werden. Weiterhin kann mit dem Sensorsystem Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Stickstoff gemessen werden und somit das Raumklima überwacht werden.

Weiterhin kann ein Sensorsystem mit integriertem Dosimeter zur Messung von Röntgenstrahlung entwickelt werden. Auf der Basis einer spektralen Dämpfungs- und/oder Fluoreszenzmessung mittels beispielsweise PMMA-Faser ohne/mit Szintillator können Energiedosen von Röntgenstrahlen gemessen werden. Beispielsweise kann hiermit die Strahlenbelastung von Radiologen ermittelt werden und somit kann das Smartphone-Dosimeter eine kostengünstige Alternative zu bestehenden Personendosimetern sein. Außerdem können Smartphonebenutzer ihre UV-Licht Exposition durch Sonneneinstrahlung messen und sich somit vor Sonnenbrand schützen.

Die Smartphone-Schutzhülle kann auch in Kleidungsstücken integrierten werden, wobei das Kleidungsstück mit faseroptischen Sensoren versehen ist. Die Smartphone-Schutzhülle dient somit zur Anbindung des Smartphones an das faseroptische Sensorsystem im Kleidungsstück. Mögliche Anwendungen hier sind beispielsweise die Überwachung der Atmung von Neugeborenen durch ein mit faseroptischen Dehnungssensoren versehendes Oberteil, um einen möglichen Atemstillstand zu detektieren, oder die Messung des Blutdrucks mit einem Smartphone-Sphygmomanometer.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung und deren Vorteile:
Integration von optischen Wellenleitern und Wellenleitersensoren in die Smartphone-Schutzhülle zur Überwachung von Umweltparametern oder personenspezifischen Parametern, wobei die Smartphone-LED und -Kamera als Lichtquelle bzw. Detektor dienen.

Optische Wellenleiter und Wellenleitersensoren in Polymersubstraten, welche in Kombination mit einem Smartphone/ Tablets als Einwegchiplabor zur patientennahen Labordiagnostik eingesetzt werden können. Da sowohl die Smartphone-LED bzw. das Display als auch die Smartphone-Kamera (auf der Vorder- oder Rückseite) als Lichtquelle bzw. Detektor eingesetzt werden, sind keine aktiven Komponenten für den Betrieb des Einwegchiplabors notwendig. Somit ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik ein Kostenvorteil.

Multiplexing von mehreren optischen Sensoren und somit Überwachung mehrerer unterschiedlicher Parameter mittels nur eines Sensorsystems.

Kombination integrierter faseroptischer Sensoren in Kleidungsstücken und deren Abfragen mittels Smartphone.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • WO 2014/107364 A1 [0002]