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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Lichtleiter wie beispielsweise Glasfasern oder Wellenleiter bestehen in der Regel aus einem Kern, englisch core, und einem Mantel, englisch cladding, wobei die auf Totalreflexionen basierende lichtführende Wirkung dadurch entsteht, dass der Kern im Vergleich zum Mantel einen höheren Brechungsindex aufweist.
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Insbesondere im Bereich der Telekommunikation können die Unterschiede zwischen den Brechungsindizes sehr gering ausfallen, etwa kleiner als 0,05.
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Lichtleiter für Sensoranwendungen, wie etwa im Bereich der Absorptionsspektroskopie, können beispielsweise ausgebildet sein, um einen von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtstrang für Referenzmessungen zu teilen und hierbei möglichst viel Licht zu einer sensitiven Einheit zu leiten. Der Lichtstrahl kann etwa mithilfe planarer Lichtleiterstrukturen wie Y-Koppler geteilt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Lichtleitvorrichtung zum Leiten eines Lichtstrahls zwischen einer Lichtquelle und einer Messeinheit zum Messen einer Gaskonzentration, ein Messsystem, ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird eine Lichtleitvorrichtung zum Leiten eines Lichtstrahls zwischen einer Lichtquelle und einer Messeinheit zum Messen einer Stoffkonzentration vorgestellt, wobei die Lichtleitvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen Lichtleiter mit zumindest einem der Lichtquelle zugewandten oder zuwendbaren Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln des Lichtstrahls und einem der Messeinheit zugewandten oder zuwendbaren Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln des Lichtstrahls, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, um den Lichtstrahl durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zu einem den Lichtleiter umgebenden Fluid oder Material, das eine kleinere Brechzahl als der Lichtleiter aufweist, zwischen dem Einkoppelabschnitt und dem Auskoppelabschnitt zu leiten; und
eine Halteeinrichtung, die ausgebildet ist, um den Lichtleiter derart in dem Fluid zu halten, dass zumindest ein Hauptanteil einer Oberfläche des Lichtleiters Kontakt mit dem Fluid hat.
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Unter einem Lichtleiter kann ein transparentes Bauteil, etwa in Form eines geraden, gekrümmten oder verzweigten Stabs oder Balkens, verstanden werden. Insbesondere kann sich der Lichtleiter zur Verwendung in miniaturisierten Systemen eignen. Die Lichtleitung wird dabei durch Reflexion an einer Grenzfläche des Lichtleiters erreicht, entweder durch Totalreflexion aufgrund eines kleineren Brechungsindex des den Lichtleiter umgebenden Fluids oder auch durch Verspiegelung der Grenzfläche. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine oder mehrere Leuchtdiode(n) oder eine oder mehrere Laserdiode(n) handeln. Beispielsweise kann die Lichtquelle auch einen oder mehrere Reflexionselemente wie Spiegel aufweise, um ein von einer Lichtemissionseinheit der Lichtquelle ausgesandtes Licht in eine gewünschte Lichtausgaberichtung der Lichtquelle zu leiten. Unter einem Ein- oder Auskoppelabschnitt kann ein Abschnitt einer Oberfläche des Lichtleiters, insbesondere beispielsweise eine Querschnittsfläche, verstanden werden. Die Querschnittsfläche kann etwa rechteckig, rund oder hexagonal sein. Unter einer Messeinheit kann beispielsweise eine Messzelle, ein Messdetektor oder ein Referenzdetektor verstanden werden. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas oder Gasgemisch wie etwa Luft oder auch um eine Flüssigkeit wie etwa Öl handeln. Bei dem Material kann es sich um ein transparentes Material wie beispielsweise ein Silikon-Material handeln. Um Verunreinigungen und daraus resultierende Messfehler zu vermeiden, kann der Lichtleiter beispielsweise in einem mit dem Fluid oder Material befüllten oder befüllbaren und fluiddicht verschließbaren Gehäuse angeordnet oder anordenbar sein. Unter einer Halteeinrichtung kann eine Halterung zur Befestigung oder Platzierung des Lichtleiters verstanden werden. Beispielsweise kann die Halteeinrichtung kraft-, form- oder stoffschlüssig mit dem Lichtleiter verbunden sein. Denkbar ist aber auch eine einteilige Ausführung des Lichtleiters und der Halteeinrichtung, wobei der Lichtleiter und die Halteeinrichtung aus dem gleichen Material gefertigt sein können.
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Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass unter Verwendung eines mantellosen Lichtleiters und eines entsprechenden Halters zum Positionieren oder Fixieren des Lichtleiters in einem eine Grenzfläche mit dem Lichtleiter bildenden Medium ein kompaktes und robustes Lichtleitersystem realisiert werden kann, das je nach Ausführungsform eine verhältnismäßig einfache Integration optischer Komponenten wie beispielsweise von Krümmungen, Modenmischern, Splittern und Y-Kopplern ermöglicht. Durch eine entsprechend dicke Kernschicht des Lichtleiters kann insbesondere etwa im Zusammenhang mit dem sogenannten Butt Coupling, aber auch beim Einkoppeln kollimierten Lichts eine hohe Einkopplung gewährleistet werden. Des Weiteren kann dadurch ein hoher Brechzahlunterschied bezüglich des Lichtleiters und des ihn umgebenden Mediums erreicht werden, woraus wiederum ein großer Akzeptanzwinkel zur effizienten Lichteinkopplung resultiert.
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Vorteilhafterweise kann eine derartige Lichtleitvorrichtung eine hohe Transmission für Lichtstrahlen im UV-Bereich von 200 bis 400 nm aufweisen und zudem solarisationsbeständig sein. Somit eignet sich die Lichtleitvorrichtung gut zur Anwendung in der Absorptionsspektroskopie, insbesondere in der UV-Absorptionsspektroskopie zur optischen Detektion von (Ab-)Gasen wie etwa Stickoxiden (NO, NO2) und Schwefeloxiden (SO2) sowie von Ammoniak (NH3) oder Ozon (O3).
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Die Lichtleitvorrichtung kann beispielsweise in Form eines freistehenden Glaskernlichtleiters mit Luft-Vakuum-Mantel realisiert sein. Der Vorteil eines derartigen lichtleitenden Systems besteht darin, dass möglichst viel Licht eingekoppelt und geführt werden kann, wobei gleichzeitig Elemente wie Koppler ermöglicht werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Lichtleitvorrichtung ohne Linsen auskommt und miniaturisierbar ist. Dadurch können zum einen die Herstellungskosten gesenkt werden; zum anderen kann dadurch die Herstellung vereinfacht und die Robustheit erhöht werden. Beispielsweise können bei einer miniaturisierten und somit entsprechend kompakten Lichtleitvorrichtung externe optische Elemente wie Spiegel oder Linsen entfallen, womit der Justageaufwand und somit die Herstellungskosten deutlich reduziert werden können. Einige der hier genannten Elemente können auch entfallen, wobei für eine Ein-/Auskopplung von Licht in die Messzelle gegebenenfalls optische Elemente benötigt werden, die auch in einer Lichtquelle integriert sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Lichtleitvorrichtung ein Bodenelement zum Aufnehmen der Halteeinrichtung aufweisen. Insbesondere kann das Bodenelement aus Silizium oder einem siliziumhaltigen Material gefertigt sein. Das Bodenelement kann beispielsweise mit einer entsprechenden Ausnehmung oder Aussparung ausgeformt sein, um einen möglichst großflächigen Kontakt des Lichtleiters mit dem Fluid zu ermöglichen. Durch das Bodenelement kann die Halteeinrichtung stabil abgestützt werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn der Lichtleiter und die Halteeinrichtung einteilig ausgeführt sind. Alternativ oder zusätzlich können der Lichtleiter und die Halteeinrichtung aus dem gleichen Material gefertigt sein. Durch diese Ausführungsform wird eine möglichst stabile Ausführung der Lichtleitvorrichtung bei verhältnismäßig geringen Herstellungskosten ermöglicht.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Einkoppelabschnitt durch eine Querschnittsfläche eines ersten Endes des Lichtleiters und der Auskoppelabschnitt durch eine Querschnittsfläche eines zweiten Endes des Lichtleiters gebildet ist. Beispielsweise kann der Lichtleiter als Balken mit rechteckigem oder hexagonalem Querschnitt und entsprechenden Querschnittsflächen als Ein- bzw. Auskoppelabschnitt gefertigt werden. Auch durch diese Ausführungsform lässt sich der Lichtleiter sehr einfach herstellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Lichtleiter und, zusätzlich oder alternativ, die Halteeinrichtung aus Glas oder einem Polymer oder aus beidem gefertigt sein. Solche Materialen bieten den Vorteil geringer Herstellungskosten und guter Transmissionseigenschaften, insbesondere im Wellenlängenbereich von UV-Licht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es von Vorteil sein, eine Temperaturregeleinheit zur aktiven und/oder passiven Kühlung und/oder Heizung der Lichtquelle und/oder des Lichtleiters und/oder der Messeinheit vorzusehen. D.h., mit anderen Worten, dass die Lichtquelle und/oder den Lichtleiter und/oder an den Lichtleiter angeschlossene Messeinheiten, wie z.B. Photodetektoren oder eine Absorptionsmesszelle, an aktive und/oder passive Temperaturregler bzw. Kühlelemente gekoppelt werden. Ein solcher Temperaturregler kann z.B. durch ein Peltier-Element realisiert werden. Eine solche Vorrichtung kann insbesondere in der Absorptionsspektroskopie von Abgasen von Vorteil sein, um die Funktion von temperaturempfindlichen Elementen, wie z.B. LEDs oder Photodetektoren, in Umgebungen mit hoher Wärmeentwicklung bzw. starker Temperaturschwankungen, wie z.B. im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren, zu gewährleisten. Ferner kann durch die Regelung der Temperatur von Elementen wie Photodetektoren, welche beispielsweise an unterschiedlichen Lichtleiterästen angebracht und unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein können, die gleiche bzw. eine konstante spektrale Empfindlichkeit sichergestellt werden und damit die Temperaturabhängigkeit eliminiert bzw. reduziert werden.
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Des Weiteren kann die Halteeinrichtung zumindest ein erstes Halteelement und ein zweites Halteelement umfassen. Der Lichtleiter kann zwischen dem ersten Halteelement und dem zweiten Halteelement eingespannt oder einspannbar sein. Insbesondere kann das erste Halteelement oder, zusätzlich oder alternativ, das zweite Halteelement U- oder L-förmig ausgestaltet sein. Beispielsweise können die beiden Halteelemente zu einem Rahmen miteinander verbunden sein. Durch eine derartige Halteeinrichtung kann die Lichtleitvorrichtung sehr kompakt ausgeführt werden.
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Hierbei kann das erste Halteelement an zumindest einer Berührungsstelle, an der das erste Halteelement den Lichtleiter berührt, einen sich in Richtung des Lichtleiters verjüngenden Querschnitt aufweisen. Entsprechend kann alternativ oder zusätzlich auch das zweite Halteelement an zumindest einer Berührungsstelle, an der das zweite Halteelement den Lichtleiter berührt, einen sich in Richtung des Lichtleiters verjüngenden Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der Querschnitt spitz zulaufen. Dadurch können Lichtverluste beim Leiten des Lichtstrahls durch den Lichtleiter reduziert werden.
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Ferner kann der Lichtleiter an zumindest einer Verzweigungsstelle zumindest einen Lichtleiterast zum Umlenken und/oder Teilen eines über den Einkoppelabschnitt oder den Auskoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahls in zumindest zwei Teilstrahlen aufweisen. Bei dem Lichtleiterast kann es sich beispielsweise um einen mit einem den Ein- und Auskoppelabschnitt aufweisenden Hauptast verbundenen Nebenast des Lichtleiters handeln. hierbei kann der Lichtleiterast je nach Ausführungsform beispielsweise rechtwinklig oder spitzwinklig am Hauptast angeordnet sein. Analog zum Hauptast kann auch der Lichtleiterast einen entsprechenden Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln eines der beide Teilstrahlen aufweisen. Durch diese Ausführungsform kann der Lichtstrahl gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen gelenkt werden. Insbesondere kann der Lichtleiter beispielsweise als Y-förmiger Koppler realisiert sein. Vorteilhafterweise kann der Lichtleiterast auch gleichzeitig als Halteelement zum Halten des Lichtleiters fungieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Lichtleiter an zumindest einer ersten Verzweigungsstelle zumindest einen ersten Lichtleiterast und an zumindest einer zweiten Verzweigungsstelle zumindest einen zweiten Lichtleiterast aufweisen. Die erste Verzweigungsstelle kann ausgebildet sein, um einen über den Einkoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahl derart in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl zu teilen, dass der erste Teilstrahl zum Auskoppelabschnitt und der zweite Teilstrahl in den ersten Lichtleiterast gelenkt wird. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Verzweigungsstelle ausgebildet sein, um einen über den Auskoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahl in den zweiten Lichtleiterast zu lenken und/oder derart in einen dritten Teilstrahl und einen vierten Teilstrahl zu teilen, dass der dritte Teilstrahl zum Einkoppelabschnitt und der vierte Teilstrahl in den zweiten Lichtleiterast gelenkt wird. Insbesondere kann die zweite Verzweigungsstelle ausgebildet sein, um den über den Auskoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahl bzw. den vierten Teilstrahl in eine von einer Richtung des über den Einkoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahls oder des ersten Teilstrahls oder des zweiten Teilstrahls abweichende Richtung zu lenken. Je nach Ausführungsform können die beiden Lichtleiteräste an einander angrenzenden oder gegenüberliegenden Seiten des Lichtleiters angeordnet sein. Auch durch diese Ausführungsform kann die Lichtleitvorrichtung mit verhältnismäßig wenigen Teilen besonders platzsparend realisiert werden.
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Besonders günstig ist es auch, wenn der Lichtleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform ausgeformt ist, um den Lichtstrahl zu homogenisieren. Beispielsweise kann der Lichtleiter hierzu zumindest abschnittsweise eine spiral- oder wellenförmige Struktur aufweisen. Durch diese Ausführungsform können zusätzliche optische Elemente zum Homogenisieren des Lichtstrahls entfallen.
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Der hier beschriebene Ansatz schafft ferner ein Messsystem mit folgenden Merkmalen:
einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen;
einer Lichtquelle, die dem Einkoppelabschnitt des Lichtleiters zugewandt angeordnet ist; und
einer Messeinheit zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration, wobei die Messeinheit gegenüber dem Auskoppelabschnitt des Lichtleiters angeordnet ist.
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Die Lichtquelle bzw. ein Licht emittierendes Element braucht nicht zwingend gegenüber dem Einkoppelabschnitt (in der Form von parallelen Ebenen) angeordnet sein. Es können auch z. B. Umlenkspiegel verwendet werden, sodass die emittierende Fläche und der Lichtleiter horizontal verbaut werden können.
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Zudem schafft der hier vorgeschlagene Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Formen des Lichtleiters durch Bearbeiten eines bereitgestellten Substrats aus einem Licht leitenden Material; und
Anordnen des Lichtleiters in einer bereitgestellten Halteeinrichtung.
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Alternativ werden im Schritt des Formens sowohl der Lichtleiter als auch der Halteeinrichtung durch Bearbeiten des Substrats geformt, etwa in einem geeigneten Schnitt- oder Ätzverfahren. Hierbei wird je nach Ausführungsform der Lichtleiter an der Halteeinrichtung oder die Halteeinrichtung an dem Lichtleiter ausgeformt. Dabei kann der Schritt des Anordnens entfallen.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Lichtleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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6 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Lichtleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Messsystem 100 umfasst eine Lichtleitvorrichtung 102 aus einem Lichtleiter 104 mit einem Einkoppelabschnitt 106 zum Einkoppeln eines von einer dem Einkoppelausschnitt 106 zugewandt angeordneten Lichtquelle 107 ausgesandten Lichtstrahls 108 und einem Auskoppelabschnitt 110 zum Auskoppeln des Lichtstrahls 108. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Lichtleiter 104 mit einem balkenähnlichen Hauptast 112 realisiert, wobei der Einkoppelausschnitt 106 durch eine rechteckige Querschnittsfläche eines ersten Endes des Hauptastes 112 und der Auskoppelabschnitt 110 durch eine ebenfalls rechteckige Querschnittsfläche eines dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Endes des Hauptastes 112 gebildet ist. Denkbar ist ferner, dass die Querschnittsfläche des ersten und/oder zweiten Endes durch eine andere Form als ein Rechteck gebildet wird, beispielsweise eine sechseckige Form oder eine beliebige Polygonform. Auch braucht eine solche Querschnittsfläche nicht zwingen plan sein. Dem Auskoppelabschnitt 110 zugewandt oder zuwendbar ist eine Messzelle als Messeinheit 114 angeordnet, sodass der aus dem Auskoppelabschnitt 110 austretende Lichtstrahl 108 auf die Messeinheit 114 trifft.
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Die Lichtleitvorrichtung 102 weist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel an einer ersten Verzweigungsstelle 115 einen ersten Lichtleiterast 116 und an einer zweiten Verzweigungsstelle 117 einen zweiten Lichtleiterast 118 auf, die hier beispielhaft auf einander gegenüberliegenden Seiten des Hauptastes 112 angeordnet sind. Zum einen dienen die beiden Lichtleiteräste 116, 118 als Halteeinrichtung 120 zum Halten des Lichtleiters 104 in einem Fluid, das eine geringere Brechzahl als ein Material des Lichtleiters 104 aufweist. Zum anderen dient der erste Lichtleiterast 116 dazu, den über den Einkoppelausschnitt 106 eingekoppelten Lichtstrahl 108 in einen ersten Teilstrahl 122 und einen zweiten Teilstrahl 124 zu teilen, wobei der erste Teilstrahl 122 durch den Hauptast 112 zum Auskoppelabschnitt 110 und der zweite Teilstrahl 124 durch den ersten Lichtleiterast 116 auf einen an einem Ende des ersten Lichtleiterastes 116 angeordneten Referenzdetektor 126 geleitet wird.
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Die beiden Lichtleiteräste 116, 118 sind wie der Hauptlast 112 als gerade Balken realisiert und jeweils derart in einem spitzen bzw. stumpfen Winkel an dem Hauptast 112 angeordnet, dass ein Ende des ersten Lichtleiterastes 116 in eine dem Auskoppelabschnitt 110 zugewandte Richtung und ein Ende des zweiten Lichtleiterastes 118 in eine dem Einkoppelausschnitt 106 zugewandte Richtung weist. Hierbei ist die erste Verzweigungsstelle 115 benachbart zum Einkoppelausschnitt 106 und die zweite Verzweigungsstelle 117 benachbart zum Auskoppelabschnitt 110 angeordnet. Wie in 1 gezeigt, können die beiden Lichtleiteräste 116, 118 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein.
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Der zweite Lichtleiterast 118 dient gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dazu, einen von der Messeinheit 114 auf den Auskoppelabschnitt 110 reflektierten Lichtstrahl 127 auf einen gegenüber einem Ende des zweiten Lichtleiterastes 118 platzierten Messdetektor 128 zu lenken.
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Die beiden Lichtleiteräste 116, 118 und der Hauptast 112 sind beispielsweise einteilig aus dem gleichen Material gefertigt, etwa in einem geeigneten Schnitt- oder Ätzverfahren. Je nach Ausführungsform können die drei Äste eine identische Querschnittsfläche oder unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.
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Die Lichtleitvorrichtung 102 weist zudem ein optionales Bodenelement 130 auf, das gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zweiteilig aus einer ersten Platte 132 und einer zweiten Platte 134 realisiert ist, wobei der erste Lichtleiterast 116 über den am Ende des ersten Lichtleiterastes 116 angebrachten Referenzdetektor 126 auf der ersten Platte 132 und der zweite Lichtleiterast 118 über den am Ende des zweiten Lichtleiterastes 118 angebrachten Messdetektor 128 auf der zweiten Platte 134 fixiert ist. Der Lichtleiter 104 ist hierbei frei stehend zwischen den beiden Platten 132, 134 angeordnet und somit bis auf die Anschlussflächen der beiden Lichtleiteräste 116, 118 an den beiden Verzweigungsstellen 115, 117 mit dem Fluid umgeben.
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Der Referenzdetektor 126 und der Messdetektor 128 ragen jeweils beide über eine jeweilige Querschnittsfläche der Enden der beiden Lichtleiteräste 116, 118 hinaus.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Draufsicht. Im Unterschied zu dem anhand von 1 beschriebenen Messsystem ist der Hauptlast 112 der Lichtleitvorrichtung 102 gemäß 2 über die Messeinheit 114 optisch mit dem zweiten Lichtleiterast 118 gekoppelt. Ferner weist der Lichtleiterast 104 zwischen dem Einkoppelausschnitt 106 und der ersten Verzweigungsstelle 115 einen als Modenmischer fungierenden optionalen Homogenisierungsabschnitt 200 zum Homogenisieren des über den Einkoppelausschnitt 106 eingekoppelten Lichtstrahls 108 auf, der in 2 beispielhaft spiralförmig realisiert ist. Hierbei ist die erste Verzweigungsstelle 115 als Splitter ausgebildet, um den Lichtstrahl 108 in die zwei Teilstrahlen 122, 124 zu splitten.
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Die Messeinheit 114 weist beispielsweise ein spiegelndes Element 202 auf, das derart ausgerichtet ist, dass der in die Messeinheit 114 geleitete erste Teilstrahl 122 von der Messeinheit 114 weiter in Richtung des zweiten Lichtleiterastes 118 reflektiert wird. Insbesondere befindet sich das spiegelnde Element 202 hierbei in einem von dem Lichtleiter 104 abgewandten Bereich der Messeinheit 114, sodass eine Weglänge, die der erste Teilstrahl 122 in der Messeinheit 114 zurücklegt, proportional zu einem Messsignal vergrößert wird. Alternativ kann die Messeinheit 114 als einfache Durchstrahlmesszelle oder Multireflexionszelle realisiert sein. Zur Messung von Stoffkonzentrationen mittels Absorptionsspektroskopie kann die Messzelle vom zu messenden Medium durchströmt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eine Lichtleitvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Lichtleitvorrichtung 102 handelt es sich beispielsweise um eine in einem vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen Messsystem einsetzbaren Lichtleitvorrichtung. Die Lichtleitvorrichtung 102 ist gemäß 3 mit einem Lichtleiter 104 in Gestalt eines geraden Balkens mit rechteckigem Querschnitt realisiert, der zwischen zwei U-förmigen Halteelementen 300, 302 der Halteeinrichtung 120 eingespannt ist. Insbesondere sind die beiden Halteelemente 300, 302 und der Lichtleiter 104 beispielsweise einteilig durch entsprechendes Bearbeiten einer Glasplatte, etwa einer Quarzplatte, realisiert.
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Die beiden Halteelemente 300, 302 liegen ihrerseits auf dem hier einteilig, etwa aus Silizium, gefertigten Bodenelement 130 auf. Das Bodenelement 130 weist eine Ausnehmung 304 auf, wobei der Lichtleiter 104 von den beiden Halteelementen 300, 302 mittig über der Ausnehmung 304 gehalten wird, sodass dieser auf allen vier Seiten möglichst großflächig Kontakt mit dem Fluid hat.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die den Lichtleiter 104 berührenden Enden der beiden Halteelemente 300, 302 jeweils mit einem sich in Richtung des Lichtleiters 104 verjüngenden Querschnitt realisiert, um eine Kontaktfläche zwischen den Halteelementen 300, 302 und dem Lichtleiter 104 zu minimieren.
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Beispielsweise ist der gerade Lichtleiter 104 aus einer Quarzplatte geschnitten und über zwei Träger in Form der Halteelemente 300, 302 auf einem Siliziumwafer als Bodenelement 130 fixiert.
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Der freistehende Lichtleiter 104 besteht nur aus Kernmaterial und ist beispielsweise an vier durch die beiden U-förmigen Halteelemente 300, 302 Trägern aufgehängt. Beispielsweise sind die Halteelemente 300, 302 durch Waferbonden auf einem Siliziumsubstrat als Bodenelement 130 fixiert, wobei ein dem Lichtleiter 104 gegenüberliegender Bereich des Bodenelements 130 freigestellt ist, etwa durch Ätzen der Ausnehmung 304.
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Das freistehende, lichtleitende System in Form des Lichtleiters 104 ist etwa von Luft oder einem anderen geeigneten Gas oder auch von einem flüssigen Medium umgeben. Hierbei können optische Komponenten wie etwa Splitter, Koppler oder Modenmischer direkt in das lichtleitende System integriert sein.
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Im Gegensatz zu gängigen MEMS-Technologien, die typischerweise zur Herstellung planarer Lichtleiter verwendet werden, etwa mittels Dünnschichtabscheidung (englisch plasma-enhanced chemical vapour deposition, kurz PECVD), wird hier die vollständige Substratdicke, beispielsweise eines Glaswafers, zur Lichtleitung verwendet. Durch die dadurch erzielte hohe Querschnittsfläche kann beim Einkoppeln, etwa über Butt Coupling, mehr Licht von der Lichtquelle 107 in den Lichtleiter 104 gekoppelt werden, wie in 5 gezeigt.
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Strukturen wie Krümmungen, Verzweigungen und Y-Koppler werden beispielsweise durch Ätzprozesse oder Laserablation zugeschnitten, wobei durch die gesamte Substratdicke geschnitten wird.
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Beispielsweise wird als umgebendes Medium Luft mit einem Brechungsindex von nahezu 1 verwendet. Dadurch kann ein hoher Brechzahlunterschied von etwa 0,5 erreicht werden, wenn der Lichtleiter 104 aus Glas gefertigt ist. Damit werden ein hoher Akzeptanzwinkel und eine hohe Lichteinkopplungseffizienz erzielt.
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Ein weiterer Vorteil des hohen Brechzahlunterschieds zwischen Kern und Luftmantel besteht darin, dass engere Krümmungsradien von beispielsweise ca. 1 mm bei Quarz mit einem quadratischen Querschnitt von 300 × 300 m2 realisiert werden können, wobei der Krümmungsradius umso geringer sein kann, je höher der Brechzahlunterschied ist. Durch engere Krümmungsradien kann Platz auf dem Wafer gespart werden und somit das System weiter miniaturisiert werden. Insbesondere im Vergleich zu Glasfasern mit einem minimalen Biegeradius, der typischerweise einem 300- bis 600-fachen Mantelradius entspricht, d. h. einem Biegeradius von beispielsweise mindestens 3 cm bei einem Mantelradius von mehr als 100 µm, kann eine signifikante Reduktion des minimalen Krümmungsradius erzielt werden.
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In Wellenlängenbereichen von beispielsweise unter 250 nm, in denen nur wenig hochtransmittierende Materialien bekannt sind oder sich Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes technologisch nur schwer verbinden lassen, kann somit auf ein zweites Material verzichtet werden, indem ein passendes Medium wie Luft, Vakuum oder Öl als Cladding verwendet wird. Hierbei kann der Lichtleiter 104 mit einer Dicke von mehr als 100 µm realisiert werden.
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Es können weitere optische Elemente wie etwa Laserdioden, LEDs, Fotodioden oder Glasfasern an den Schnittstellen des Messsystems angebracht sein.
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Der Lichtleiter 104 sollte mit minimalem Kontakt in der Luft gehalten werden. Dazu können Träger als Halteelemente 300, 302 oder auch unterhalb des Lichtleiters 104 platzierte Bumps, d. h. Metallkugeln, insbesondere aus reflektierendem Material, verwendet werden. Die Querschnittsfläche der Halteelemente 300, 302 skaliert mit dem durch die Halteelemente 300, 302 induzierten Lichtverlust und sollte deshalb minimiert werden. Beispielsweise kann der Lichtleiter 104 zur Minimierung einer Kontaktfläche zwischen zwei Substraten gelagert sein, die beispielsweise mit pyramidenähnlichen Strukturen überzogen sind und damit nur an den Spitzen Kontakt mit dem Lichtleiter 104 haben. Alternativ ist der Lichtleiter 104 direkt und ohne weitere Trägerelemente zwischen der Lichtquelle 107 und dem Ziel, etwa einem Detektor oder einer Messzelle, eingespannt. Denkbar ist auch, dass Lichtleiteräste in verzweigten Systemen gleichzeitig als lichtleitende und mechanische Trägerstrukturen dienen, indem die Lichtleiteräste an ihren Enden an Quellen, Detektoren und ähnlichen Elementen fixiert sind, wie etwa in 1 zu sehen.
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Die Struktur des Lichtleiters 104 und weiterer Elemente wie etwa von Krümmungen oder eines Y-Kopplers, wie er in 4 gezeigt ist, wird beispielsweise durch Ausschneiden einer entsprechenden Form aus einem flächigen Substrat wie eines Wafers oder einer Platte gefertigt. Hierbei können die Halteelemente 300, 302 im gleichen Fertigungsschritt wie der Lichtleiter 104 strukturiert werden. Die Anzahl und Form der Halteelemente 300, 302 richtet sich nach Größe oder Gewicht des Lichtleiters 104 und nach dem jeweiligen Anwendungsbereich. In 3 sind die Halteelemente 300, 302 exemplarisch rechtwinklig am Lichtleiter 104 angebracht. Durch die Wahl eines geeigneten Winkels zwischen Halteelementen 300, 302 und Lichtleiter 104 können Lichtverluste minimiert werden.
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Zur Leitung von UV-Licht eignet sich beispielsweise hochreines Quarzglas (Fused Silica) als lichtleitendes Material. Dieses kann beispielsweise durch Trockenätzprozesse oder Laserablation strukturiert werden. Im Vergleich zu Trockenätzprozessen stellt das Nassätzen mit Flusssäure (HF) eine schnelle und kostengünstige Alternative dar. Durch beidseitiges Ätzen des freistehenden Lichtleiters 104 ist es möglich, den Lichtleiter 104 mit einem hexagonalen Querschnitt zu erzeugen, wie in 6 gezeigt. Alternativ kann der Lichtleiter 104 auch durch Formgießen oder Formpressen strukturiert werden. Eine weitere Strukturierungsmöglichkeit besteht durch die Kombination einer Laser-Bestrahlung zur Materialmodifikation in gewünschten Bereichen und einem folgenden Ätzschritt, bei welchem die durch die Laserbestrahlung modifizierten Bereiche eine höhere Ätzrate aufweisen und demnach gegenüber den nicht bestrahlten Bereichen selektiv geätzt werden können (Beispiel: Selective Laser Etching). Durch diese Technologie sind auch runde und weitere beliebige Lichtleiterquerschnitte herstellbar.
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Auch in einem gewünschten Wellenlängenbereich transparente Polymere, im tiefen UV-Bereich etwa spezielle Silikone, lassen sich mit den genannten Methoden strukturieren. Derartige Materialien werden dazu beispielsweise in typischen Prozessen der Kunststoffverarbeitung wie beispielsweise Spritzguss oder Extrusion bearbeitet.
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Je nach Ausführungsform kann der Lichtleiter 104 auch mithilfe spanender Prozessierung wie beispielsweise (Mikro-)Fräsen oder Drehen aus einem Ausgangsmaterial strukturiert werden.
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Alternativ zu flächigen Substraten als Ausgangsmaterial können auch gewellte oder sonstige dreidimensional geformte Substrate zum Ausschneiden verwendet werden, um nicht nur planare, sondern auch dreidimensionale Lichtleiter zu realisieren. Denkbar ist auch die Herstellung eines beliebig geformten 3-D-Lichtleiters durch Gießen des Ausgangsmaterials in eine entsprechende Form. Der normalerweise aufwendige Prozessschritt des Formens einer homogenen Mantelschicht um einen Kern, etwa durch Dotieren oder Abscheiden von Schichten, kann durch den Einsatz eines Fluids um den Lichtleiter herum entfallen.
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Um Veränderungen der Brechzahl der Lufthülle durch Luftdruck-, Luftfeuchte- oder Temperaturänderungen und somit Veränderungen der eingekoppelten und transmittierten Lichtmenge oder auch Ablagerungen von Staub oder Kondenswasser zu vermeiden, kann der Lichtleiter 104 und das ihn umgebende Medium in einem entsprechenden fluiddichten Gehäuse angeordnet sein.
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Wie in 2 gezeigt, ist das Messsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem Modenmischer zur Homogenisierung der räumlichen Strahlverteilung und verschiedenen Splittern realisiert. Dadurch eignet sich das Messsystem insbesondere für die Anwendung als lichtleitendes System für die (Ab-)Gassensorik in der (UV-)Absorptionsspektroskopie. Das Licht wird demnach zunächst homogenisiert oder gemischt, anschließend geteilt, wobei ein Teil des Lichts auf den Referenzdetektor geleitet wird. Der andere Teil wird in eine Messzelle geführt, in der die gaskonzentrationsabhängige Absorption erfolgt. Das aus der Messzelle ausgehende Licht wird nun wiederum auf einen Messdetektor geleitet. Optional ist das lichtleitende System über Zwischenverbindungen aus Glasfasern mit der Messzelle verbunden. Dadurch können längere Lichtstrecken überbrückt werden und dadurch wärmeempfindliche Komponenten wie beispielsweise Lichtquellen und Detektoren von Hochtemperaturbereichen wie beispielsweise dem Abgasstrang entkoppelt werden. Beispielswiese sendet die Lichtquelle 107 hierzu UV-Licht mit einer Wellenlänge von 227 nm aus, wobei der eine Teil auf den Referenzdetektor und der andere Teil in eine Glasfaser gekoppelt und zur Messzelle im Abgasstrang geführt wird.
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Für die Verwendung in kompakten und kostenkritischen Produkten eignen sich insbesondere Leuchtdioden als Lichtquellen. Bei der Verwendung von Leuchtdioden kann der in den Lichtleiter 104 eingekoppelte Lichtanteil aufgrund der breiten räumlichen Abstrahlcharakteristik begrenzt sein. Als Einkoppelverfahren eignet sich etwa das sogenannte Butt Coupling. Hierbei ist eine Endfacette des Lichtleiters 104 direkt auf einer flächigen Seite des LED-Chips platziert, wobei umso weniger Licht verloren geht, je größer die Leiterquerschnittsfläche im Vergleich zur LED-Fläche ist.
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Im Unterschied zu herkömmlichen planaren Lichtleitern mit typischen Schichtdicken von wenigen Mikrometern und typischen Dimensionen von LED-Chips im Bereich von mehreren Hundert Mikrometern kann durch die Verwendung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele auf zusätzliche fokussierende Elemente wie Linsensysteme oder entwicklungs- und kostenintensive Einkoppeltechniken wie das Einkoppeln über Beugungsgitter verzichtet werden. Im Unterschied zu Glasfasern mit Schichtdicken von beispielsweise 50 bis 500 Mikrometern im Kern und Biegeradien im Zentimeterbereich ist der Lichtleiter 104 bei größerem Akzeptanzwinkel deutlich handlicher. Zudem lässt sich der Lichtleiter 104 mit geringerem Aufwand herstellen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 3 ist die Haltevorrichtung 120 gemäß 4 mit zwei L-förmigen Halteelementen 300, 302 realisiert, wobei jeweils ein erstes Ende der beiden Halteelemente mit dem hier als einfache Platte realisierten Bodenelement 130 und jeweils ein zweites Ende der beiden Halteelemente mit dem Lichtleiter 104 Kontakt hat. Wie in 3 wird der Lichtleiterast 104 auch in 4 durch die beiden Halteelemente 300, 302 freistehend über dem Bodenelement 130 gehalten.
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Im Unterschied zu dem anhand der 1 bis 3 beschriebenen Lichtleiter teilt sich der Hauptlast 112 des in 4 gezeigten Lichtleiters 104 an der Verzweigungsstelle 115 Y-förmig in die beiden Lichtleiteräste 116, 118, wobei die freien Enden der beiden Lichtleiteräste 116, 118 jeweils in eine von dem Einkoppelausschnitt 106 abgewandte Richtung weisen. An der Verzweigungsstelle 115 wird der Lichtstrahl 108 derart in den ersten Teilstrahl 122 und den zweiten Teilstrahl 124 geteilt, dass der erste Teilstrahl 122 durch den zweiten Lichtleiterast 118 und der zweite Teilstrahl 124 durch den ersten Lichtleiterast 116 geleitet wird.
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Wie in 4 zu erkennen, wird der Lichtleiter 104 am Hauptast 112 von den beiden Halteelemente 300, 302 über dem Bodenelement 130 gehalten.
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5 zeigt einen Abschnitt eines Lichtleiters 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines Lichtleiters, wie er vorangehend anhand der 1 bis 4 beschrieben ist. Zu sehen sind der Einkoppelausschnitt 106 mit der darauf fixierten Lichtquelle 107 in Form einer Leuchtdiode, wobei die Lichtquelle 104 deutlich kleiner als der Einkoppelausschnitt 106 ausgeführt ist.
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Bei dem in 5 gezeigten Butt Coupling zwischen der Lichtquelle 107 und dem Lichtleiter 104 weist die Lichtquelle 107 beispielsweise eine Abstrahlfläche von 200 × 200 µm2 und der Lichtleiter 104 beispielsweise eine Dicke von 350 µm auf.
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6 zeigt einen Abschnitt eines Lichtleiters 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 5 ist der Lichtleiter 104 gemäß 6 mit einem annähernd hexagonalen Querschnitt realisiert.
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In 6 ist beispielhaft ein isotropes Ätzprofil eines HF-geätzten Quarzlichtleiters 104 gezeigt, wobei der Lichtleiter 104 beidseitig von oben und unten geätzt ist und somit einen hexagonalähnlichen Querschnitt aufweist.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 kann beispielsweise zur Herstellung einer anhand der 1 bis 6 beschriebenen Lichtleitvorrichtung durchgeführt werden. Hierzu wird in einem Schritt 710 der Lichtleiter durch Bearbeiten eines in einem dem Schritt 710 vorangehenden Bereitstellungsschritt bereitgestellten Substrats aus einem lichtleitenden, insbesondere transparenten Material, etwa einer Glas- oder Polymerplatte, geformt. Dies erfolgt beispielsweise in einem entsprechenden Schnitt- oder Ätzverfahren. In einem weiteren Schritt 720 wird der Lichtleiter in der beispielsweise ebenfalls im Bereitstellungsschritt bereitgestellten Halteeinrichtung platziert und je nach Ausführungsform kraft-, form- oder stoffschlüssig mit dieser verbunden.
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Alternativ werden sowohl der Lichtleiter als auch die Halteeinrichtung im Schritt 710 durch Bearbeiten des Substrats geformt. Insbesondere werden der Lichtleiter und die Halteeinrichtung im gleichen Fertigungsschritt als ein einziges Teil aus dem Substrat geformt. Je nach Ausführungsform wird hierbei der Lichtleiter an der Halteeinrichtung oder die Halteeinrichtung an dem Lichtleiter ausgeformt, wobei der Lichtleiter und die Haltereinrichtung entweder zeitgleich oder nacheinander ausgeformt werden können. Entsprechend kann hierbei der Schritt 720 entfallen.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
