Titel

Optisches Element zur Lichtkonzentration und Herstellungsverfahren für ein optisches Element zur Lichtkonzentration

Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur Lichtkonzentration. Ebenso betrifft die Erfindung ein Spektrometer und ein Mobilgerät. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein optisches Element zur

Lichtkonzentration.

Stand der Technik

In der US 9,316,540 Bl ist als eine Ausführungsform ein Spektrometer beschrieben, welches als Lichteinfallsoptik/Frontaloptik eine lichtfokussierende Linse und eine Blende aufweist. Der Lichteinfallsoptik/Frontaloptik ist ein Diffusor nachgeordnet.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft ein optisches Element zur Lichtkonzentration mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Spektrometer mit den Merkmalen des

Anspruchs 9, ein Mobilgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Herstellungsverfahren für ein optisches Element zur Lichtkonzentration mit den Merkmalen des Anspruchs 11.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Integration eines Diffusors in ein optisches Element zur Lichtkonzentration. Das erfindungsgemäße optische Element kann somit zusätzlich die Funktionen eines Diffusors erfüllen, wodurch ein herkömmlicherweise zusätzlich benötigter Diffusor einsparbar ist. Mittels der vorliegenden Erfindung sind deshalb optische Vorrichtungen mit einem optischen Element zur Lichtkonzentration realisierbar, wobei mittels des optischen

Elements zur Lichtkonzentration diffuses Licht erzeugbar ist, obwohl die jeweilige optische Vorrichtung keinen herkömmlichen Diffusor aufweist. Durch das mittels der vorliegenden Erfindung bewirkte nachteillose Wegfallen des herkömmlichen Diffusors kann die jeweilige optische Vorrichtung kostengünstiger, leichter und/oder mit einem geringeren Bauraumbedarf hergestellt werden. Die vorliegende Erfindung erleichtert damit eine Miniaturisierung der jeweiligen optischen Vorrichtung.

Das mittels der vorliegenden Erfindung geschaffene optische Element kann als ein Diffusor- Konzentrator bezeichnet werden. Es kann vielseitig eingesetzt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des optischen Elements weist der Licht- Transmissionskörper auf einer ersten Seite eine Lichteinsammelfläche mit einem ersten Flächeninhalt und auf einer zweiten Seite eine Lichtaustrittsfläche mit einem zweiten Flächeninhalt kleiner als dem ersten Flächeninhalt auf. Das optische Element kann somit vorteilhaft dazu genutzt werden, ein durch die Lichteintrittsöffnung einfallendes Licht auf eine verhältnismäßig kleine, der Lichtaustrittsöffnung nachgeordnete Eingangsapertur, wie beispielsweise einer Eingangsapertur eines Spektrometers, zu konzentrieren.

Außerdem kann mindestens eine sich von der Lichteinsammelfläche zu der Lichtaustrittsfläche erstreckende und den Licht-Transmissionskörper schneidende Mittellängsachse definierbar sein, wobei die Diffusivitätsverteilung des Licht-Transmissionskörpers bezüglich der Mittellängsachse

rotationssymmetrisch sein kann. Der Licht-Transmissionskörper weist damit eine anisotrope Diffusivitätsverteilung auf, welche vorteilhaft sowohl zur Erzeugung von diffusem Licht als auch zur Konzentration des erzeugten diffusen Lichts ist.

Zusätzlich kann der erste Teilbereich mit der ersten Diffusivität an der

Lichtaustrittsfläche liegen und eine variierende Schichtdicke, welche an der Mittellängsachse minimal und an der mindestens einen reflektierenden

Teiloberfläche maximal ist, aufweisen, während der zweite Teilbereich mit zumindest der zweiten Diffusivität an der Lichteinsammelfläche liegt und eine variierende Schichtdicke, welche an der Mittellängsachse maximal und an der mindestens einen reflektierenden Teiloberfläche minimal ist, aufweist. Wie unten genauer erläutert wird, ist ein derartiger Licht-Transmissionskörper

vergleichsweise einfach herstellbar.

Als optionale Weiterbildung kann der zweite Teilbereich des Licht- Transmissionskörpers eine Laminatstruktur aus um die Mittellängsachse verlaufenden Laminatschichten mit unterschiedlichen Diffusivitäten aufweisen. Auch ein derartiger Licht-Transmissionskörper ist relativ einfach herstellbar.

Vorzugsweise ist der Licht-Transmissionskörper zumindest teilweise aus mindestens einem für den vorgegebenen Wellenlängenbereich transmittierenden Matrixmaterial, welches mit den vorgegebenen Wellenlängenbereich streuenden Partikeln und/oder Gasblasen vermischt ist, als dem mindestens einen für den vorgegebenen Wellenlängenbereich diffusen Medium gebildet. Beispielsweise kann der Licht-Transmissionskörper PDMS, PMMA und/oder SU8 als das mindestens eine für den vorgegebenen Wellenlängenbereich transmittierende Matrixmaterial und/oder Titandioxid- Partikel, Siliziumdioxid-Partikel,

Melaminharz-Partikel und/oder Polystyrol- Partikel als die den vorgegebenen Wellenlängenbereich streuenden Partikel aufweisen. Somit können

kostengünstige und einfach verarbeitbare Materialien zum Herstellen des Licht- Transmissionskörpers eingesetzt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des optischen Elements ist der Licht-Transmissionskörper zumindest teilweise aus mindestens einem porösen Material als dem mindestens einen für den vorgegebenen Wellenlängenbereich diffusen Medium gebildet. Die lokale Diffusivität kann in diesem Fall einfach mittels einer variierenden Porengröße der in dem porösen Material ausgebildeten Poren variiert werden.

Die vorausgehend beschriebenen Vorteile werden beispielsweise bei einem Spektrometer mit einem derartigen optischen Element bewirkt. Wie unten genau erläutert wird, kann eine Vielzahl verschiedener Spektrometertypen mit dem entsprechenden optischen Element ausgestattet sein. Die vorliegende Erfindung ist somit vielseitig verwendbar. Die oben beschriebenen Vorteile weist häufig auch ein Mobilgerät mit einem entsprechenden optischen Element und/oder einem derartigen Spektrometer auf. Da die vorliegende Erfindung eine Miniaturisierung von optischen Vorrichtungen erleichtert, trägt sie auch zur Miniaturisierung von Mobilgeräten/tragbaren Geräten, wie beispielsweise einem Mobiltelefon oder einem Smartphone, bei. Außerdem erleichtert die vorliegende Erfindung eine Integration einer mit dem erfindungsgemäßen optischen Element ausgestatteten optischen

Vorrichtung/eines Spektrometers in das jeweilige Mobilgerät/tragbare Gerät.

Des Weiteren bewirkt auch ein Ausführen eines korrespondierenden

Herstellungsverfahrens für ein optisches Element zur Lichtkonzentration die oben schon erläuterten Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des optischen Elements weiterbildbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines optischen Elements zur Lichtkonzentration;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines optischen Elements zur Lichtkonzentration;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Spektrometers;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Spektrometers; und

Fig. 5a bis 5f schematische Querschnitte zum Erläutern einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für ein optisches Element zur Lichtkonzentration. Ausführungsformen der Erfindung

Unter dem im Weiteren verwendeten Begriff„Diffusivitäf ist ein Maß dafür zu verstehen, wie„gerichtet“ sich Licht in einem von dem Licht transmittierten Körper aus mindestens einem diffusen Medium (ungerichtet) ausbreitet. Die Diffusivität ist direkt proportional zu einer mittleren freien Weglänge zwischen zwei Streuereignissen des transmittierenden Lichts. (Eine gerichtete

Lichtgeschwindigkeit einzelner Photonen bleibt durch Streuereignisse

unbeeinflusst.)

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des optischen Elements zur Lichtkonzentration.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte optische Element 10 ist zur Konzentration von Licht in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich ausgelegt. Der jeweilige Wellenlängenbereich kann beispielsweise das optische Spektrum, ein Wellenlängenbereich von 400 nm (Nanometer) bis 1100 nm (Nanometer), ein Wellenlängenbereich von 780 nm (Nanometer) bis 1100 nm (Nanometer), ein Wellenlängenbereich von 1100 nm (Nanometer) bis 2500 nm (Nanometer), ein Wellenlängenbereich von 400 nm (Nanometer) bis 2500 nm (Nanometer) oder ein Wellenlängenbereich von 780 nm (Nanometer) bis 2500 nm (Nanometer) sein. Die hier aufgezählten Wellenlängenbereiche sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.

Das optische Element 10 umfasst eine Haltehülse 12, welche derart geformt ist, dass ein Lichtdurchströmvolumen von mindestens einer reflektierenden

Teiloberfläche 12a der Haltehülse 12 umrahmt ist. Unter der Haltehülse 12 ist vorzugsweise eine "stabilisierende" Haltehülse 12 zu verstehen. Die mindestens eine reflektierende Teiloberfläche 12a der Haltehülse 12, welche das

Lichtdurchströmvolumen umrahmt, kann auch als eine "reflektierende

Seitenwand" umschrieben werden. Beispielsweise kann die Haltehülse 12 (vollständig) aus mindestens einem (den vorgegebenen Wellenlängenbereich) reflektierenden Material, wie insbesondere einem Metall, einem Halbleiter, einem Kunststoff (wie PTFE/Polytetrafluorethylen oder Spectralon) und/oder einer Keramik (z.B. Accuratus Accuflect), gebildet sein. Ebenso kann mindestens eine (den vorgegebenen Wellenlängenbereich) reflektierende Schicht auf die mindestens eine reflektierende Teiloberfläche 12a der Haltehülse 12 aufgebracht sein. Die mindestens eine (den vorgegebenen Wellenlängenbereich)

reflektierende Schicht kann insbesondere ein Schichtstapel aus mehreren (den vorgegebenen Wellenlängenbereich) reflektierenden Schichten oder ein Bragg- Spiegel sein.

Außerdem weist das optische Element 10 einen Licht-Transmissionskörper 14 auf, mit welchem das Lichtdurchströmvolumen zumindest teilweise/vollständig gefüllt ist. Der Licht-Transmissionskörper 14 ist zumindest für den vorgegebenen Wellenlängenbereich transmittierend. Der Licht-Transmissionskörper 14 kann insbesondere zumindest für den vorgegebenen Wellenlängenbereich transparent sein. Zusätzlich ist der Licht-Transmissionskörper 14 zumindest teilweise aus mindestens einem für den vorgegebenen Wellenlängenbereich diffusen Medium gebildet, wobei der Licht-Transmissionskörper 14 zumindest einen ersten Teilbereich 16a mit (zumindest) einer ersten Diffusivität Dl und einen zweiten Teilbereich 16b mit (zumindest) einer von der ersten Diffusivität Dl

abweichenden zweiten Diffusivität D2 aufweist. Aufgrund der Ausbildung des Licht-Transmissionskörpers 14 aus dem mindestens einen (für den

vorgegebenen Wellenlängenbereich) diffusen Medium eignet sich das optische Element 10 vorteilhaft zur Erzeugung von diffusem Licht mit einer (im

Wesentlichen) homogenen Winkelverteilung. Das optische Element 10 eignet sich somit für einen Einsatz in einer Vielzahl von optischen Systemen, welche eine möglichst homogene Intensitäts- und Winkelverteilung von Licht benötigen. Gleichzeitig kann das optische Element 10 aufgrund der unterschiedlichen Diffusivitäten Dl und D2 in den mindestens zwei Teilbereichen 16a und 16b seines Licht-Transmissionskörpers 14 zur Konzentration von Licht in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich vorteilhaft eingesetzt werden. Es eignet sich insbesondere dazu, Licht in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich von einer größeren Fläche auf eine kleinere Fläche zu konzentrieren und trotzdem dessen Ausgangswinkelverteilung zu homogenisieren. Das optische Element 10 kann deshalb als ein Diffusor- Konzentrator bezeichnet werden. Gegenüber einer optischen Linse bietet das als Diffusor- Konzentrator bezeichenbare optische Element 10 eine Steigerung seiner

„Lichteinsammeleffizienz“ bei einer gleichzeitig äußerst geringen Bauhöhe des optischen Elements 10. Vorzugsweise sind die Haltehülse 12/der Licht- Transmissionskörper 14 derart geformt, dass das Lichtdurchströmvolumen/der Licht-Transmissionskörper 14 auf einer ersten Seite eine

Lichteintrittsöffnung/Lichteinsammelfläche 18 mit einem ersten Flächeninhalt und auf einer zweiten Seite eine Lichtaustrittsöffnung/Lichtaustrittsfläche 20 mit einem zweiten Flächeninhalt kleiner als dem ersten Flächeninhalt aufweisen. Ein als Bauhöhe des optischen Elements 10 bezeichenbarer Abstand zwischen der Li chte i ntrittsöff n u n g/

Lichteinsammelfläche 18 und der Lichtaustrittsöffnung/Lichtaustrittsfläche 20 kann z.B. kleiner als eine maximale Ausdehnung der

Lichteintrittsöffnung/Lichteinsammelfläche 18 und/oder eine maximale

Ausdehnung der Lichtaustrittsöffnung/Lichtaustrittsfläche 20 sein. Insbesondere kann der Abstand zwischen der Lichteintrittsöffnung/

Lichteinsammelfläche 18 und der Lichtaustrittsöffnung/Lichtaustrittsfläche 20 kleiner als eine Hälfte der maximalen Ausdehnung der

Lichteintrittsöffnung/Lichteinsammelfläche 18 und/oder als eine Hälfte der maximalen Ausdehnung der Lichtaustrittsöffnung/

Lichtaustrittsfläche 20 sein.

Die Öffnungen/Flächen 18 und 20 können beispielsweise rund, elliptisch, quadratisch und/oder rechteckig sein. Das Lichtdurchströmvolumen/der Licht- Transmissionskörper 14 kann somit eine kegelstumpfförmige oder

pyramidenstumpfförmige Geometrie aufweisen. Die Öffnungen/Flächen 18 und 20 können ebenso durch einen allgemeinen Polygonzug begrenzt sein. Der erste Flächeninhalt der Lichteintrittsöffnung/

Lichteinsammelfläche 18 kann beispielsweise zwischen 15 mm ²

(Quadratmillimeter) und 50 mm ² (Quadratmillimeter) liegen. Der zweite

Flächeninhalt der Lichtaustrittsöffnung/

Lichtaustrittsfläche 20 kann z.B. zwischen 3 mm ² (Quadratmillimeter) bis 12 mm ² (Quadratmillimeter) betragen. Beispielsweise kann ein Quotient aus dem ersten Flächeninhalt geteilt durch den zweiten Flächeninhalt in einem Bereich von 2 bis 8 liegen. Aufgrund seiner vergleichsweise geringen Bauhöhe, seiner relativ kleinen Öffnungen/Flächen 18 und 20 und seiner Eignung als Diffusor- Konzentrator ermöglicht das optische Element 10 einen äußerst kompakten Aufbau einer damit ausgestatteten optischen Vorrichtung. Zusätzlich erleichtern die

vorteilhaften Eigenschaften des optischen Elements 10 eine Miniaturisierung der damit ausgestatteten optischen Vorrichtung. Das als Diffusor- Konzentrator einsetzbare optische Element 10 kann beispielsweise für eine Eingangsapertur eines (miniaturisierten) Spektrometers verwendet werden.

In dem Beispiel der Fig. 1 weist der Licht-Transmissionskörper 14 eine

Schichtstruktur aus nur den zwei Teilbereichen 16a und 16b mit

unterschiedlichen Diffusivitäten Dl und D2 auf. Außerdem ist für das optische Element 10 eine sich von der Lichteintrittsöffnung/Lichteinsammelfläche 18 zu der Lichtaustrittsöffnung/Lichtaustrittsfläche 20 erstreckende und den Licht- Transmissionskörper 14 schneidende Mittellängsachse 22 definierbar, wobei die Diffusivitätsverteilung des Licht-Transmissionskörpers 14 bezüglich der

Mittellängsachse 22 rotationssymmetrisch ist. Der erste Teilbereich 16a mit der ersten Diffusivität Dl liegt an der Lichtaustrittsfläche 20 und kann deshalb als Austrittsbereich 16a des Licht-Transmissionskörpers 14 bezeichnet werden. Der Austrittsbereich 16a weist eine (senkrecht zu der Lichtaustrittsfläche 20 ausgerichtete) variierende Schichtdicke auf, wobei die Schichtdicke des

Austrittsbereichs 16a an der Mittellängsachse 22 minimal ist (z.B. gegen Null geht) und an der mindestens einen reflektierenden Teiloberfläche 12a maximal ist. Entsprechend weist der zweite Teilbereich 16b mit der zweiten Diffusivität D2, welcher an der Lichteinsammelfläche 18 liegt und als Eintrittsbereich 16b des Licht-Transmissionskörpers 14 bezeichenbar ist, ebenfalls eine (senkrecht zu der Lichteinsammelfläche 18 ausgerichtete) variierende Schichtdicke auf. Die (senkrecht zu der Lichteinsammelfläche 18 ausgerichtete) variierende

Schichtdicke des Eintrittsbereichs 16b des Licht-Transmissionskörpers 14 ist an der Mittellängsachse 22 maximal und wird an der mindestens einen

reflektierenden Teiloberfläche 12a der Haltehülse 12 minimal (z.B. gleich Null).

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Licht-Transmissionskörpers 14 ist die zweite

Diffusivität D2 größer als die erste Diffusivität Dl. Der Licht-Transmissionskörper 14 der Fig. 1 weist damit eine anisotrope, richtungsabhängige Diffusivitätsverteilung auf, eine Konzentrierung des durch den Licht- Transmissionskörper 14 transmittierten Lichts von der größeren

Lichteinsammelfläche 18 auf die kleinere Lichtaustrittsfläche 20, und evtl, auf eine dahinter angeordnete Eingangsapertur, bewirkt. Das optische Element 10 ist deshalb als Diffusor- Konzentrator gut einsetzbar. (In einem herkömmlichen Diffusor gewöhnlich eingesetzte diffuse Medien haben in der Regel eine isotrope Diffusivität/ Diffusivitätsverteilung. Eine Lichtausbreitung erfolgt deshalb in einem herkömmlichen Diffusor meistens in alle Richtungen "gleich schnell".)

Zur Festlegung/Einstellung der Diffusivitätsverteilung/der (lokalen) Diffusivitäten Dl und D2 in dem Licht-Transmissionskörper 14 können zufällig angeordnete Streuzentren genutzt werden, welche zur Mehrfachstreuung des durch den Licht- Transmissionskörper 14 transmittierenden Lichts und zur Randomisierung von dessen Ausbreitungsrichtung führen. (Die Streuzentren können auch als „dielektrische Streuer“ umschrieben werden.) Die (lokale) Diffusivität Dl oder D2 ist (aufgrund ihrer Proportionalität zur mittleren freien Weglänge zwischen zwei Streuereignissen) umgekehrt proportional zu einer lokalen Konzentration cl und c2 von in dem Licht-Transmissionskörper 14 zufällig angeordneten Streuzentren. In dem Beispiel der Fig. 1 weist der erste Teilbereich 16a mit der ersten

Diffusivität Dl eine erste lokale Konzentration cl von zufällig angeordneten Streuzentren auf, welche größer als eine zweite lokale Konzentration c2 von zufällig angeordneten Streuzentren des zweiten Teilbereichs 16b mit der zweiten Diffusivität D2 ist.

Vorzugsweise ist der Licht-Transmissionskörper 14 zumindest teilweise aus mindestens einem für den vorgegebenen Wellenlängenbereich

transmittierenden/transparenten Matrixmaterial, welches mit den vorgegebenen Wellenlängenbereich streuenden Partikeln und/oder Gasblasen/Luftblasen (als Streuzentren) vermischt ist, (als dem mindestens einen für den vorgegebenen Wellenlängenbereich diffusen Medium) gebildet. (Wie oben schon erwähnt, haben diesem Fall die mindestens zwei Teilbereiche 16a und 16b des Licht- Transmissionskörpers 14 unterschiedliche Konzentrationen cl und c2 von streuenden Partikeln und/oder Gasblasen.) Die mindestens zwei Teilbereiche 16a und 16b des Licht-Transmissionskörpers 14 können entweder aus dem mindestens einen gleichen Matrixmaterial oder aus unterschiedlichen

Matrixmaterialien gebildet sein.) Beispielsweise können PDMS

(Polydimethylsiloxan), PMMA (Polymethylmethacrylat) und/oder SU8 (Fotolack von Microchem Corp.) als das mindestens eine für den vorgegebenen

Wellenlängenbereich transmittierende/transparente Matrixmaterial verwendet sein. Der Licht-Transmissionskörper 14 kann z.B. Titandioxid- Partikel (Ti02), Siliziumdioxid-Partikel (Si02), Melaminharz-Partikel (MF) und/oder Polystyrol- Partikel als die den vorgegebenen Wellenlängenbereich streuenden Partikel aufweisen. Somit sind kostengünstige und leicht verarbeitbare Materialien zum Bilden des Licht-Transmissionskörpers 14 verwendbar.

Alternativ kann der Licht-Transmissionskörper 14 auch zumindest teilweise aus mindestens einem porösen Material (als dem mindestens einen für den vorgegebenen Wellenlängenbereich diffusen Medium) gebildet sein.

Beispielsweise kann Silizium als das mindestens eine poröse Material eingesetzt sein. In diesem Fall können die mindestens zwei Teilbereiche 16a und 16b des Licht-Transmissionskörpers 14 unterschiedliche Konzentrationen cl und c2 von Poren und/oder abweichende mittlere Porendurchmesser aufweisen. (Die mindestens zwei Teilbereiche 16a und 16b des Licht-Transmissionskörpers 14 können entweder aus dem mindestens einen gleichen porösen Material oder aus unterschiedlichen porösen Materialien gebildet sein.)

Die oben beschriebenen Komponenten des optischen Elements 10 können auf einem für den vorgegebenen Wellenlängenbereich

transmittierenden/transparenten Substrat 24 angeordnet/ausgebildet sein. Das optische Element 10 kann jedoch auch ohne das Substrat 24 vorliegen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines optischen Elements zur Lichtkonzentration.

Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Licht-Transmissionskörper 14 weist den oben schon beschriebenen Eintrittsbereich 16b mit der zweiten Diffusivität D2 auf, wobei der Eintrittsbereich 16b an der Lichteinsammelfläche 18 liegt und eine (senkrecht zu der Lichteinsammelfläche 18 ausgerichtete) variierende Schichtdicke hat, die an der Mittellängsachse 22 maximal ist und an der mindestens einen reflektierenden Teiloberfläche 12a der Haltehülse 12 minimal wird (z.B. gegen Null geht). Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen

Ausführungsform weist der Austrittsbereich 16c bis 16f des Licht- Transmissionskörpers 14 der Fig. 2 jedoch eine Laminatstruktur aus um die Mittellängsachse 22 verlaufenden Laminatschichten 16c bis 16f mit

unterschiedlichen Diffusivitäten D3 bis D6 auf. (Der aus den Laminatschichten 16c bis 16f gebildete Austrittsbereich 16c bis 16f weist erneut eine (senkrecht zu der Lichtaustrittsfläche 20 ausgerichtete) variierende Schichtdicke auf, welche an der Mittellängsachse 22 minimal wird (z.B. gegen Null geht) und an der mindestens einen reflektierenden Teiloberfläche 12a maximal ist.) Die

Diffusivitäten D3 bis D6 der Laminatschichten 16c bis 16f können so ausgebildet sein, dass jeweils eine Laminatschicht 16d mit einer Diffusivität D4 unter der zweiten Diffusivität D2 zwischen zwei Laminatschichten 16c und 16e mit jeweils einer Diffusivität D3 und D5 über der zweiten Diffusivität D2 liegt, und jeweils eine Laminatschicht 16e mit einer Diffusivität D5 über der zweiten Diffusivität D2 zwischen zwei Laminatschichten 16d und 16f mit jeweils einer Diffusivität D4 und D6 unter der zweiten Diffusivität D2 liegt. Vereinfacht können die Diffusivität D3 und D5 und/oder die Diffusivität D4 und D6 jeweils gleich sein. (Die bildliche Wiedergabe der„höheren“ Diffusivität D3 in der Mitte des Austrittsbereichs 16c bis 16f ist nur beispielhaft; alternativ könnte auch eine„niedrigere“ Diffusivität mittig ausgebildet sein. Entsprechend können auch entweder die lokalen

Konzentrationen c3 und c5 kleiner als die lokale Konzentration c2 und die lokalen Konzentrationen c4 und c6 größer als die lokale Konzentration c2 sein oder die lokalen Konzentrationen c3 und c5 größer als die lokale Konzentration c2 und die lokalen Konzentrationen c4 und c6 kleiner als die lokale Konzentration c2 sein.)

Die Lichtausbreitung entlang der Laminatschichten 16c bis 16f erfolgt damit bevorzugt gegenüber einer Lichtausbreitung senkrecht zu den Laminatschichten 16c bis 16f. Die Orientierung der Laminatschichten 16c bis 16f zu einer Mitte der Lichtaustrittsfläche 20 bewirkt deshalb eine Lichtkonzentration des durch den Licht-Transmissionskörper 14 diffundierenden Lichts. Auch das optische Element der Fig. 2 eignet sich deshalb gut als Diffusor- Konzentrator. Bezüglich weiterer Merkmale des optischen Elements 10 der Fig. 2 wird auf die vorhergehende Ausführungsform verwiesen.

Anstelle einer Schichtstruktur des Licht-Transmissionskörpers 14, wie anhand der vorhergehenden Beispiele erläutert, kann der Licht-Transmissionskörper 14 auch eine graduelle Variation der lokalen Diffusivität, beispielsweise mittels einer graduellen Variation der lokalen Konzentrationen von Streuzentren, aufweisen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Spektrometers.

Das in Fig. 3 schematisch dargestellte Spektrometer ist beispielhaft ein statisches Fourier-Transformationsspektrometer. Als Eingangsapertur weist das Spektrometer ein als Diffusor- Konzentrator ausgebildetes optisches Element 10 auf. (Alternativ kann ein derartiges optisches Element jedoch auch in einem Strahlengang eines Spektrometers/Mikrospektrometers eingesetzt sein.)

Benachbart zu der Lichtaustrittsfläche 20 des optischen Elements 10/seines Licht-Transmissionskörpers 14 ist ein Polarisator 30 angebracht, welcher das aus dem Licht-Transmissionskörper 14 austretende Licht (mit einem Winkel von 45° zur Bildebene) polarisiert. Dem Polarisator 30 nachgeordnet ist ein Savart- Element 32 aus zwei unterschiedlich orientierten doppelbrechenden Kristallen, welche das polarisierte Licht in ein (zur Bildebene) parallel/horizontal

polarisiertes Strahlenbündel und ein (zur Bildebene) senkrecht/vertikal polarisiertes Strahlenbündel aufspalten. Beide Strahlenbündel durchlaufen je nach Polarisation und Einfallswinkel einen unterschiedlich langen Lichtweg durch die zwei doppelbrechenden Kristalle des Savart- Elements 32. Ein optischer Weglängenunterschied zwischen den beiden Strahlenbündeln ist somit von einem Einfallswinkel des aus dem optischen Element 10 austretenden Lichts abhängig. Anschließend projiziert ein weiterer Polarisator 34 die beiden

Strahlenbündel wieder zusammen (mit einem Winkel von 45° zur Bildebene), damit das Licht beider Strahlenbündel miteinander interferieren kann. Im

Anschluss bildet ein Linsensystem 36 alle Lichtstrahlen mit dem gleichen Einfallswinkel auf den gleichen Detektionsbereich eines Detektorarrays 38 ab. Je nach Phasenunterschied interferiert das Licht konstruktiv oder destruktiv. Man erhält somit mittels des Detektorarrays 38 ein 2D-lnterferenzbild, aus dem mittels einer Fourier-Transformation ein Spektrum bestimmt werden kann.

Die Ausstattung des Spektrometers der Fig. 3 mit dem optischen Element 10 gewährleistet eine gleichmäßige Ausleuchtung der dem optischen Element 10 nachordneten Spektrometerkomponenten 30 bis 36. Aufgrund der Konzentrierung des auf die relativ große Lichteinsammelfläche 18 auftretenden Lichts auf die deutlich kleinere Lichtaustrittsfläche 20, kann das „lichtstarke“ Spektrometer mit einem vergleichsweise kleinen Volumen hergestellt werden.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Spektrometers.

Der mittels der Fig. 4 wiedergegebene Spektrometertyp weist als

Eingangsapertur das als Diffusor- Konzentrator ausgebildete optische Element 10 auf. (Auch bei diesem Spektrometertyp kann das optische Element 10 alternativ in einem Strahlengang eingesetzt sein.)

Das auftreffende Licht wird zuerst mittels des optischen Elements 10 gleichmäßig intensitäts- und winkelverteilt. Das aus dem optischen Element 10 austretende Licht wird optionaler Weise mittels eines Bandpassfilters 40 gefiltert. Dem

(optionalen) Bandpassfilter 40 ist ein winkelabhängiges Filterelement 42, wie beispielsweise ein Fabry-Perot- Filter 42, nachgeordnet. Mittels einer Linse 44 wird das aus dem winkelabhängigen Filterelement 42 austretende Licht anschließend so auf ein Detektorarray 46 abgebildet, dass unterschiedliche Einfallswinkel bzw. Wellenlängen auf unterschiedliche Detektionsbereiche des Detektorarrays 46 auftreffen.

Auch bei der Ausführungsform der Fig. 4 ermöglicht das optische Element 10 eine möglichst homogene Intensitäts- und Winkelverteilung.

Alle oben beschriebenen Spektrometer weisen aufgrund ihrer Ausstattung mit dem optischen Element 10 eine kompakte Bauweise auf. Durch die

Vergrößerung der Lichteinsammelfläche 18 bei gleichbleibender

Dimensionierung der nachfolgenden Bauteile kann mehr Licht eingesammelt werden. Alternativ kann auch durch die Verkleinerung der Lichtaustrittsfläche 20 (gegenüber der Lichteinsammelfläche 18) das jeweilige Spektrometer ohne nennenswerte Zusatzkosten minimiert werden.

Alle oben beschriebenen optischen Elemente und Spektrometer eignen sich aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Größe gut zur Verwendung in einem Mobilgerät, wie beispielsweise einem Mobiltelefon oder einem Smartphone.

Fig. 5a bis 5f zeigen schematische Querschnitte zum Erläutern einer

Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein optisches Element zur Lichtkonzentration.

Bei einem Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens wird zuerst eine Haltehülse 12 des späteren optischen Elements derart geformt, dass ein Lichtdurchströmvolumen von mindestens einer reflektierenden Teiloberfläche 12a der Haltehülse 12 umrahmt ist. Dazu wird ein Hülsenmaterial 50, wie beispielsweise ein Halbleitermaterial (Silizium), ein Metall und/oder ein

Kunststoff, auf einem Substrat 24 abgeschieden (siehe Fig. 5a). Vorzugsweise wird als Substrat 24 ein für den zur Lichtkonzentration vorgegebenen

Wellenlängenbereich transmittierendes/transparentes Substrat 24 verwendet. In diesem Fall kann ein späteres Entfernen des Substrats 24 entfallen.

Fig. 5b zeigt ein Herausstrukturieren der Haltehülse 12 aus dem Hülsenmaterial 50. Das Strukturieren des Hülsenmaterials 50 kann beispielsweise mittels eines anisotropen Ätzvorgangs erfolgen.

Anstelle der in den Fig. 5a und 5b wiedergegebenen Verfahrensschritte kann die Haltehülse 12 auch mittels eines Spritzgusses, einer Drehverspannung, eines Prägeverfahrens, eines Fräsens, eines 3D-Druckens oder einer

Graustufenlithographie hergestellt werden. Alternativ kann auch ein Waferstück genommen und anisotrop in die gewünschte Form einer Vielzahl von Haltehülsen 12 strukturiert werden.

Im Falle einer noch unzureichenden Reflektivität der mindestens einen das Lichtdurchströmvolumen umrahmenden reflektierenden Teiloberfläche 12a der Haltehülse 12 kann die mindestens eine Teiloberfläche 12a noch zusätzlich (insbesondere durch einen Reflow- Prozess) geglättet und/oder (z.B. durch Aufbringen mindestens einer reflektierenden Schicht) verspiegelt werden.

Mittels der weiteren Verfahrensschritte wird ein Licht-Transmissionskörper 14 des späteren optischen Elements 10 derart gebildet, dass der Licht- Transmissionskörper 14 zumindest für den vorgegebenen Wellenlängenbereich transmittierend ist. Dabei wird das Lichtdurchströmvolumen zumindest teilweise mit dem Licht-Transmissionskörper 14 gefüllt. Der Licht-Transmissionskörper 14 wird zumindest teilweise aus mindestens einem für den vorgegebenen

Wellenlängenbereich diffusen Medium derart gebildet, dass der Licht- Transmissionskörper 14 zumindest einen ersten Teilbereich 16a mit (zumindest) einer ersten Diffusivität Dl und einen zweiten Teilbereich 16b mit (zumindest) einer von der ersten Diffusivität Dl abweichenden zweiten Diffusivität D2 aufweist. Beispielhaft wird bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Licht- Transmissionskörper 14 nur mit den beiden Teilbereichen 16a und 16b mit insgesamt zwei unterschiedlichen Diffusivitäten Dl und D2 ausgebildet. Eine Ausführbarkeit des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens ist jedoch nicht auf einen derartigen Licht-Transmissionskörper 14 limitiert.

In der hier beschriebenen Ausführungsform wird zuerst, wie in Fig. 5c

schematisch wiedergegeben ist, ein Matrixmaterial (beispielsweise PDMS) mit einer ersten (lokalen) Konzentration cl von als Streuzentren eingesetzten streuenden Partikeln in das spätere Lichtdurchströmvolumen eingefüllt. Die streuenden Partikel können beispielsweise Titandioxid- Partikel sein.

Fig. 5d zeigt einen Prägevorgang, mittels welchem der spätere erste Teilbereich 16a des Licht-Transmissionskörpers 14 in seine oben schon beschriebene Form gebracht wird. Der Prägevorgang kann leicht und verlässlich mittels aus der Nanoprägelithographie bekannten Techniken ausgeführt werden. Fig. 5e zeigt den geformten ersten Teilbereich 16a mit der ersten Diffusivität Dl nach einem Entfernen eines zur Prägung eingesetzten Stempels 52.

In einem weiteren Verfahrensschritt, welcher mittels der Fig. 5f schematisch wiedergegeben ist, wird das gleiche Matrixmaterial, jedoch mit einer von der ersten Konzentration cl abweichenden zweiten Konzentration c2 von streuenden Partikeln, in einen noch nicht aufgefüllten Rest des Lichtdurchströmvolumens eingefüllt. Mittels einer Rakel 54 kann für eine glatte Lichteinsammelfläche 18 des auf diese Weise fertiggestellten Licht-Transmissionskörpers 14 gesorgt werden. Evtl, kann das Substrat 24 dann entfernt werden.

Die oben erläuterten Verfahrensschritte können auch auf Wafer-Level ausgeführt werden. In einer Weiterbildung des mittels der Fig. 5a bis 5f schematisch wiedergegebenen Herstellungsverfahrens können mehrere Prägeschritte ausgeführt werden, um die in Fig. 2 dargestellte Lamellenstruktur zu erzeugen.

Die oben beschriebene Verwendung von streuenden Partikeln als zufällig verteilte Streuzentren ist nur beispielhaft zu verstehen. Eine (lokale)

Konzentration cl oder c2 von Streuzentren in dem Licht-Transmissionskörper 14 kann beispielsweise mittels einer Monte-Carlo-Simulation einer gewünschten

Lichtausbreitung festgelegt werden. Je größer der Quotient aus dem ersten Flächeninhalt der Lichteinsammelfläche 18 geteilt durch den zweiten

Flächeninhalt der Lichtaustrittsfläche 20 ist und je kleiner ein Abstand zwischen der Lichteinsammelfläche 18 und der Lichtaustrittsfläche 20 ist, desto

vorteilhafter in ein starker Diffusivitätskontrast.