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Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement mit einem transparenten Grundkörper und einer passiv lichtstreuenden Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige optische Bauelemente kommen beispielsweise als Leuchtabsehen zur Anwendung. Leuchtabsehen sind Mittel, bei denen aus einer Lichtquelle in einen transparenten Grundkörper eingestrahltes Primärlicht als gestreutes Sekundärlicht abgegeben wird. Hierdurch werden beispielsweise Formen und Skalen angezeigt. Leuchtabsehen werden beispielsweise in optischen Visiereinrichtungen verwendet, bei denen ein Fadenkreuz unter Nachtbedingungen angezeigt werden soll.
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Als lichtstreuende Strukturen in derartigen Bauelementen kommen gemäß dem Stand der Technik passiv leuchtende Mikrostrukturen zur Anwendung. Diese bestehen beispielsweise aus Titanoxid- oder Zinkoxid-Partikeln, die in einem transparenten Bindemittel eingebettet sind. Diese Mischung aus Bindemittel und Streupartikeln wird üblicherweise in eine Vertiefung gefüllt, die zuvor in eine Oberfläche eines transparenten Glaskörpers eingebracht, insbesondere eingeätzt, worden ist. Beim Durchleuchten des Glaskörpers streuen die in dem Bindemittel eingebetteten Partikel das einfallende Licht. Dieses Streulicht wird im Wesentlichen homogen in alle Richtungen abgestrahlt. Eine wesentliche Größe für das Streuvermögen ist die Brechzahldifferenz zwischen dem jeweiligen Partikel und dem Bindemittel. Die minimale Größe der Partikel liegt technisch bedingt im Bereich von einigen 100 nm. Sie ist begrenzt durch das Verfahren, mit dem die Partikel hergestellt werden.
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Die 1, 2 und 3 zeigen ein beispielhaftes aus dem Stand der Technik bekanntes Leuchtabsehen. Bei dem dort gezeigten Leuchtabsehen ist ein transparenter Glaskörper 1 vorgesehen, in deren Oberfläche eine Vertiefung 2 eingearbeitet ist. In diese Vertiefung ist ein Gemisch aus einem Bindemittel 3 und darin eingebetteten Partikeln 4 eingebracht. Mittels einer seitlichen Beleuchtung durch den Glaskörper erfolgt eine Durchleuchtung der Vertiefung 2 und des darin befindlichen Gemischs aus Bindemittel und lichtstreuenden Partikeln. Die dadurch bewirkte Lichtstreuung im Gemisch erfolgt praktisch in alle Raumrichtungen. Gemäß 3 kann eine metallische Beschichtung 5 auf das Gemisch aufgebracht sein, wodurch die Abgabe des Streulichtes nur in eine Richtung erfolgt und die von der Beschichtung reflektierten Anteile diese Streulichtabgabe entsprechend verstärken.
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Dieser übliche Aufbau weist eine Reihe von Nachteilen und Mängeln auf. Ein erster Mangel ist die nicht genau kontrollierbare Größe und Position der Partikel. Diese unterliegt einer bestimmten Verteilung und ist innerhalb eines bestimmten Größenbereichs variabel. Dadurch kann nur relativ ungenau definiert werden, welche Lichtwellenlängen mit welcher Intensität innerhalb des optischen Bauelementes gestreut werden.
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Weiterhin kommen bei der Fertigung der Vertiefung teilweise hochgefährliche und umweltbelastende Chemikalien wie Flusssäure zum Einsatz. Dadurch muss die Herstellung der Leuchtabsehen unter einem hinreichend großen und damit aufwändigen Sicherheitsaufwand erfolgen, der mit hohen Kosten verbunden ist.
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Weitere Nachteile der bekannten Anordnungen betreffen die aufwändige Fertigung und den allgemeinen Aufbau. Dies beginnt damit, dass mit dem Bindemittel ein zusätzliches Material verwendet werden muss, dessen optische Eigenschaften sowohl in Bezug auf die Partikel als auch auf den Glaskörper eingestellt sein müssen, damit es nicht an der Grenzfläche zwischen Bindemittel und Glas zu unerwünschten Reflexionen kommt. Damit ist ein nicht unerheblicher Fertigungsaufwand verbunden. Weiterhin wird die Glasoberfläche durch das Einbringen der Vertiefung verändert und teilweise sogar beschädigt. Dies führt dazu, dass auf der bearbeiteten Oberfläche weitere unerwünschte Streuzentren entstehen können oder dass das optische Bauelement unbrauchbar wird.
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Schließlich erweist sich das Aufbringen der erwähnten Metallschicht zum Zwecke der Reflexionssteigerung als mitunter sehr problematisch in Hinblick auf deren Haftfähigkeit am Gemisch zwischen Partikeln und Bindemittel und die unebene Oberfläche der daraus gefertigten Verfüllung in der Glasoberfläche.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Bauelement anzugeben, bei dem die genannten Nachteile beseitigt sind und mit der ein eindeutig definiertes und präzises Streuverhalten erreicht werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem optischen Bauelement, bestehend aus einem festen transparenten Grundkörper mit einer passiv leuchtenden und lichtstreuenden Struktur. Das optische Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass die passiv leuchtende Struktur als ein im Volumen eines transparenten Grundkörpers mit unveränderter Oberfläche eingeschlossener und einen integralen Teil des Grundkörpers bildender Streubereich aus einer Vielzahl von aus dem Grundkörpermaterial bestehenden transparenten mikroskopischen Streuelementen ausgebildet ist, wobei die Brechzahl jedes einzelnen mikroskopischen Streuelementes verschieden von der Brechzahl des Grundkörpers ist.
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Das erfindungsgemäße optische Bauelement unterscheidet sich demnach von den bekannten Ausführungsformen dadurch, dass der Grundkörper oberflächenseitig vollkommen unverändert ist und insbesondere keine Vertiefungen oder dergleichen Strukturen aufweist. Stattdessen besteht die passiv leuchtende Struktur aus einem innerhalb des festen Grundkörpers angeordneten Streubereich. Dieser bildet also einen integralen Bestandteil des Grundkörpervolumens. Der Streubereich besteht aus transparenten mikroskopischen Streuelementen. Diese unterscheiden sich hinsichtlich des Grundkörpers durch ihre Brechzahl.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist jedes mikroskopische Streuelement innerhalb des Streubereichs einen eindeutig vorbestimmten Ort und eine eindeutig bestimmte Größe auf. Die mikroskopischen Streuelemente sind demnach nicht zufällig räumlich verteilt. Dadurch kann das Streuverhalten gezielt voreingestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist jedes mikroskopische Streuelement innerhalb des Streubereichs eine eindeutig vorbestimmte Größe auf. Dies bedeutet insbesondere, dass alle mikroskopischen Streuelemente die gleiche Größe besitzen können oder einer genau definierten und daher im Unterschied zu den bekannten Partikeln nicht nur statistisch festgelegten Größenverteilung unterliegen. Dadurch kann das Streuverhalten ebenfalls gezielt optimiert werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist das jeweilige mikroskopische Streuelement eine auf eine von dem emittierten Streulicht durchstrahlte Oberfläche projizierte Größe d von weniger als 5 µm bei einer ansonsten variablen Kontur auf. Je kleiner die Größe der Streuelemente ist, umso weniger spielen etwaige Unregelmäßigkeiten in der Form des einzelnen Streuelementes bei der Streuung von optisch sichtbarem Licht eine Rolle. Das einzelne Streuelement wirkt dadurch als quasi punktförmiges Streuzentrum. Dies bedingt eine definierte Intensität des am einzelnen Streuelement gestreuten Lichtes und führt im Zusammenwirken mit den anderen Streuelementen zu einem definierten Streuverhalten des optischen Bauelements.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Gesamtheit der mikroskopischen Streuelemente auch eine vorbestimmte Größenverteilung aufweisen. Diese kann sich insbesondere von der statistischen Zufallsverteilung der bekannten Partikelgrößen unterscheiden, aber diese auch nachahmen. Hierdurch lässt sich das Streuverhalten des Streubereichs ebenfalls gezielt beeinflussen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist jedes mikroskopische Streuelement innerhalb des Streubereichs eine wohldefinierte Form auf. Hierdurch lassen sich definierte Streucharakteristiken für jedes Streuelement realisieren.
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Diese wohldefinierte Form des jeweiligen mikroskopischen Streuelementes kann je nach Ausführungsform insbesondere eine sphärische, eine ellipsoide oder eine spindelförmige Form sein.
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Bei einer Ausführungsform bilden die in dem Streubereich angeordneten mikroskopischen Streuelemente ein Raumgitter aus. Bei einer solchen dreidimensionalen Gitterstruktur lassen sich gezielt Interferenzen der an den einzelnen Streuelementen gestreuten Lichtanteile erzeugen, wodurch sich insbesondere definierte Streucharakteristiken des gesamten Streubereichs realisieren lassen.
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Insbesondere kann das Raumgitter Gitterkonstanten im Bereich von 500 nm bis 3000 nm aufweisen. Hierdurch wird eine Wellenlängenselektivität des Streubereichs im optisch wahrnehmbaren bis infraroten Licht erreicht, die zusammen mit der räumlichen Streucharakteristik auch eine optische Filterwirkung entfaltet.
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Zusätzlich kann das Raumgitter eine ortsabhängige Größenverteilung der mikroskopischen Streuelemente aufweisen. Hierdurch lassen sich optische Filterwirkung und Streucharakteristik zusätzlich modifizieren.
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Schließlich können sämtliche Ausführungsbeispiele durch eine auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebrachte reflektierende Beschichtung ergänzt werden. Diese bewirkt einerseits eine Abschirmung des optischen Bauelementes in Richtung eines ersten Raumbereichs und andererseits eine durch Reflexion bewirkte Verstärkung der Lichtintensität des optischen Bauelementes in Richtung eines weiteren Raumbereichs bzw. der Raumrichtung.
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Bei einer Ausführungsform des optischen Bauelementes erscheint der aus den Streuelementen bestehende Streubereich im unbeleuchteten Zustand bei einer Betrachtung gegenüber einem hellen Hintergrund optisch dicht.
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Zur Herstellung des erwähnten optischen Bauelementes kommt ein Ultrakurzpulslaser-Bearbeitungsverfahren zur Anwendung.
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Das erfindungsgemäße optische Bauelement soll anhand beispielhafter Ausführungsformen nachfolgend näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 4 bis 9. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
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4 eine erste beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsform des optischen Bauelementes,
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5 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des optischen Bauelementes,
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6 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung,
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7 eine Ausführungsform des optischen Bauelementes in Form eines Leuchtabsehens mit einem Streubereich in Form eines Fadenkreuzes,
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8 eine beispielhafte Darstellung eines tetragonalen Raumgitters,
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9 eine beispielhafte Darstellung eines hexagonalen Raumgitters,
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10 eine beispielhafte Darstellung eines linearen Raumgitters.
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4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Bei dieser Ausführungsform ist ein massiver transparenter Grundkörper 6 vorgesehen. Dieser besteht beispielsweise aus Glas, einem Kunststoff oder einem anderen transparenten Material. Der Grundkörper enthält im Inneren einen Streubereich 7. Dieser besteht aus einer Vielzahl einzelner mikroskopischer Streuelemente 8. Die Streuelemente bestehen aus demselben Material wie der Grundkörper 6, sie weisen jedoch einen bezüglich des Grundkörpers verschiedenen Brechungsindex auf. Der gesamte Streubereich bildet somit einen im Inneren des Grundkörpers befindlichen integralen Teilbereich des Grundkörpers aus. Die Brechzahlmodifikation in den einzelnen Streuelementen kann beispielsweise durch eine von außen eingebrachte energiereiche Strahlung, insbesondere durch entsprechend fokussierte Laserstrahlung, bewirkt werden.
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Die Streuelemente 8 befinden sich an genau bestimmten Orten innerhalb des Grundkörpers. Diese Orte werden im Rahmen der Fertigung gezielt innerhalb des Grundkörpers gesetzt, der gesamte Streubereich 7 ist daher nicht zufällig, sondern als Ganzes wohldefiniert ausgebildet. Im hier vorliegenden Fall bildet der Streubereich ein tetragonales, insbesondere ein kubisches, Raumgitter aus den einzelnen Streuelementen. Die Oberfläche des Grundkörpers ist vollständig eben und unbeeinflusst.
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Die Streuelemente können unterschiedliche Formen aufweisen. So sind beispielsweise eine sphärische Form 9, die Form eines Ellipsoids 10 oder auch einer Spindel 11 möglich. Weiterhin sind langgestreckte Formen, wie beispielsweise Lamellen 11a möglich. Derartige Formen können durch entsprechende Strahlquerschnitte bei der optischen Fertigung der Streuelemente realisiert werden. Dabei können die nicht sphärischen Streuelemente zusätzlich eine bestimmte Orientierung, beispielsweise einen Kippwinkel bezüglich einer vordefinierten Raumrichtung, einnehmen, die dem Streubereich eine bestimmte Vorzugsrichtung aufprägt. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn eine bestimmte Streurichtung bevorzugt werden soll.
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Jedes der Streuelemente zeichnet sich durch zwei wesentliche Abmessungen aus. Dies ist zum einen die von einer Oberfläche 6a des Grundkörpers aus sichtbare Größe d und die senkrecht zu dieser Oberfläche sich erstreckende Länge L. Verschiedene Formen der Streuelemente können daher bei einer fest vorgegebenen Größe d verschiedene Längen L aufweisen. Dies ist insbesondere für die ellipsiode oder die Spindelform von Bedeutung. Bei sphärischen Streuelementen sind d und L gleich, bei streifenförmigen Streuelementen kann L um ein Vielfaches größer als d sein. L bestimmt hierbei im Wesentlichen die Intensität, mit der das Licht vom einzelnen Streuelement gestreut wird, d bestimmt im Wesentlichen die von dem einzelnen Streuelement gestreute Wellenlänge des Lichtes.
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5 zeigt eine Abwandlung der in 4 gezeigten Form. Der Streubereich 7 besteht hier wieder aus einem Raumgitter mit Streuelementen. Die Streuelemente sind hier aber zueinander versetzt angeordnet und bilden ein trigonales, hexagonales, rhombisches oder ein vergleichbares schiefwinkliges Gitter. Zusätzlich unterliegt die Größe der einzelnen Streuelemente im Streubereich einer definierten Ortsabhängigkeit. Im Zentrum 12 des Streubereichs 7 und damit des Raumgitters sind die Streuelemente 8 größer, in dessen Randbereichen sind sie kleiner. Hierdurch wird eine bestimmte Intensitätsverteilung des Streulichts im Gitter bewirkt. Größere Streuelemente streuen das Licht im Allgemeinen stärker als kleinere.
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6 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform aus 5 mit einer auf einer der Oberflächen des Grundkörpers angeordneten reflektierenden Beschichtung 13. Die Beschichtung kann als eine aufgedampfte Metallisierung oder eine auflaminierte Folie ausgebildet sein. Durch die glatte und unbeeinflusste Oberfläche des Grundkörpers 6 ist die sich zwischen der Beschichtung 13 und der Grundkörperoberfläche ausbildende reflektierende Grenzfläche von einer hohen Güte und verstärkt die Intensität des Streulichtes auf größtmögliche Weise.
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Natürlich ist es auch möglich, dass die einzelnen Streuelemente einen Streubereich in Form einer Wolke bilden, bei der sowohl der Ort als auch die Größe des jeweiligen mikroskopischen Streuelementes einer quasi zufälligen Ortsund Größenverteilung unterliegen. Dadurch wird eine diffuse Lichtstreuung erreicht.
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Die mikroskopischen Streuelemente können aber auch quasikontinuierlich ineinander übergehen und eine makroskopisch sichtbare Kontur, beispielsweise ein Fadenkreuz, bilden. 7 zeigt hierzu ein Beispiel. Der Streubereich ist hier als ein in der Seitenansicht gezeigtes Linienkreuz 14 ausgebildet, dessen eine Linie innerhalb der Tafelebene liegt und dessen andere Linie senkrecht zur Tafelebene gerichtet ist. Das Linienkreuz ist darunter in der Draufsicht gezeigt. Das Linienkreuz besteht aus einzelnen Streuelementen, die als Punktreihe unmittelbar nebeneinander gesetzt sind und dabei praktisch ineinander übergehen. Um die Linien in einer für das Auge sichtbaren Dicke darzustellen, können mehrere derartige Punktreihen in den Grundkörper eingebracht sein, die dicht nebeneinander liegen und eine hinreichend dicke Linie bilden. Es versteht sich, dass anstelle der Linien auch andere Konturen, insbesondere Zahlen, Buchstaben und/oder Symbole, als Streubereich eingebracht sein können.
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Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Streuelemente und damit der aus ihnen zusammengesetzte Streubereich so ausgebildet, dass dieser im unbeleuchteten Zustand bei einer Betrachtung gegenüber einem hellen Hintergrund optisch dicht erscheint. Der Streubereich zeichnet sich in einem solchen Fall als ein abgedunkelter oder zumindest leicht schattierter Bereich aus, der aber visuell wahrnehmbar ist. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn eine Verwendung des optischen Bauelementes als ein Leuchtabsehen vorgesehen ist, das auch ohne eingestrahltes Zusatzlicht verwendbar sein soll oder zu Justagezwecken genau positioniert werden soll, wobei die Lage des Streubereichs genau eingestellt werden muss.
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Die 8 und 9 zeigen beispielhafte Formen von Raumgittern. In 8 ist ein tetragonales Raumgitter mit quaderförmigen Elementarzellen dargestellt. Die Streuelemente sind in diesem Beispiel sphärisch gestaltet. Die Größe d bezeichnet in diesem Fall den Durchmesser der einzelnen Streuelemente. Das Raumgitter ist durch die Gitterkonstanten a, b und c sowie den Durchmesser d der das Gitter bildenden Streuelemente gekennzeichnet. Sofern alle Gitterkonstanten die gleiche Größe besitzen, liegt ein kubisches Raumgitter vor.
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In 9 ist eine beispielhafte Variante eines hexagonalen Raumgitters gezeigt. Ein erstes Paar Gitterachsen mit den Gitterkonstanten a und b steht hier in einem Winkel von 120° zueinander, die dritte Gitterachse mit der Gitterkonstante c steht jeweils zu beiden ersten Achsen senkrecht.
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Die Größe der Gitterkonstanten a, b und c sowie die Größe d der Streuelemente ist in Hinblick auf die vorgesehene Wellenlänge und die zu erwartenden Kohärenzeigenschaften des über den Grundkörper eingestrahlten Lichtes ausgeführt. Im Allgemeinen weisen die Gitterkonstanten einen Betrag auf, der im Bereich eines ganzzahligen Vielfachen des Lichtes liegt, das im Gitter zur Streuung gebracht werden soll. Typische Werte liegen hier im Bereich von 800 nm bis 3 µm. Die Größe d der mikroskopischen Streubereiche liegt im Allgemeinen im Bereich der Wellenlänge des über den Grundkörper eingestrahlten Lichtes. Vorzugsweise ist d kleiner als 500 nm. Unter diesen Bedingungen lassen sich innerhalb des Raumgitters Bragg-Reflexionen mit definierten Reflexionsmustern erzeugen. Diese Reflexionsmuster können sowohl monochromatisch als auch multichromatisch ausgebildet sein. Selbiges hängt von der Art des eingestrahlten Lichtes ab.
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Sofern nichtsphärische Formen für die einzelnen Streuelemente zur Anwendung kommen, tritt als weiterer Parameter die Orientierung jedes einzelnen Streuelementes hinzu. Dem gesamten Raumgitter ist dadurch entweder eine Vorzugsrichtung oder ein Richtungsfeld aufgeprägt, was zu zusätzlichen Streueffekten führt.
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Das Raumgitter kann aber auch nur ein- oder zweidimensional ausgebildet sein. In einem solchen Fall werden nur in einer oder in zwei Raumrichtungen periodische Gitterstrukturen in den Grundkörper eingebracht. 10 zeigt hierzu ein entsprechendes Beispiel für ein eindimensionales Raumgitter. In diesem Fall besteht das Raumgitter aus einer Reihung einzelner Lamellen 11a. Diese erstrecken sich in einer Raumrichtung quasi beliebig weit und weisen in einer anderen Raumrichtung eine definierte Dicke d auf. Die Lamellen sind als eine Anordnung paralleler Spuren in den Grundkörper eingebracht. 11 zeigt ein zweidimensionales Raumgitter mit zwei Gitterkonstanten a und b auf der Basis der erwähnten Lamellengestaltung.
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Zum Erzeugen der mikroskopischen Streuelemente kann auf die Einwirkung energiereicher Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, zurückgegriffen werden. Im einfachsten Falle werden in den gegebenen Grundkörper zwei orthogonal zueinander gerichtete Strahlen eingeleitet, deren Gesamtintensität am Schnittpunkt hinreichend groß ist, sodass dort die gewünschten Brechzahländerungen induziert werden, sodass dadurch das jeweilige Streuelement im Grundkörper erzeugt wird. Dadurch ist auch eine gezielte Positionierung jedes einzelnen Streuelementes und eine definierte Gestaltung des Streubereichs möglich.
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Das erfindungsgemäße optische Bauelement wurde anhand von Ausführungsformen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- transparente Glasfläche
- 2
- Vertiefung
- 3
- Bindemittel
- 4
- Partikel
- 5
- Metallische Beschichtung
- 6
- Transparenter Grundkörper
- 6a
- Grundkörperoberfläche
- 7
- Streubereich
- 8
- Mikroskopisches Streuelement
- 9
- Sphärische Form
- 10
- Ellipsoide Form
- 11
- Spindelform
- 12
- Streubereichszentrum
- 13
- Reflektierende Beschichtung