CH708032B1 - Verfahren zur Bildung eines Lichtdiffraktionsfensters für Lichtauskopplung in wenigstens einer bestimmten Zone eines Objektes und mit dem Verfahren erzeugtes Objekt. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Lichtdiffraktionsfensters für Lichtauskopplung in wenigstens einer definierten Zone eines Objektes, um in dieser Zone Lichtemission bei einer oder mehreren sichtbaren Wellenlängen zu erzeugen sowie ein Objekt, zum Beispiel ein Uhrzeiger, der ganz oder teilweise aus fluoreszierenden oder phosphoreszierenden optischen Materialien mit Wellenleitereigenschaften besteht. Die Querschnitte, geometrischen Formen und spezifischen Oberflächenstrukturen der Wellenleiter (10) sind zwecks Optimierung der optischen Eigenschaften oder Auskopplung des Lichtes besonders ausgebildet.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Lichtdiffraktionsfensters für Lichtauskopplung in wenigstens einer definierten Zone eines Objektes, um in dieser Zone Lichtemission bei einer oder mehreren sichtbaren Wellenlängen zu erzeugen, wobei, auf der Oberfläche des Objektes in wenigstens einer definierten Zone eine oberflächige Behandlung durchgeführt wird, damit wenigstens teilweise auf dieser Oberfläche dreidimensionale Strukturen mit wenigstens einer bestimmten Form und/oder Aussenmassen hergestellt werden, wobei das besagte Objekt ganz oder teilweise aus wenigstens einem lichtemittierenden Material besteht, damit die Lichtauskopplung und/oder die Sichtbarkeit der besagten Zone erhöht wird, wobei die besagten Strukturen durch Aufbringen/Erzeugen von lichtstreuenden gitterähnlichen Formen auf die besagte Oberfläche erzeugt werden.

[0002] Sie betrifft weiter ein Objekt mit einem Lichtdiffraktionsfenster für Lichtauskopplung in wenigstens einer bestimmten Zone dieses Objektes, um diese Zone lichtemittierend mit einer sichtbaren Wellenlänge zu erzeugen, nach dem obigen Verfahren.

[0003] Verschiedene Verfahren, die die Sichtbarkeit von einem Objekt, wie zum Beispiel Zeigern in Uhren oder Messgeräten verbessern, sind bekannt. Oft basieren solche Verfahren auf Leuchtstoffen, die auf die Zeiger durch Beschichtungstechniken angebracht werden: solche Leuchtstoffe enthalten in der Regel fluoreszierende oder phosphoreszierende Pigmente.

[0004] In der Schweizer Patentanmeldung CH 704601 wurde ein Verfahren beschrieben, um die Sichtbarkeit der Zeiger durch auf der Zeigerfahne angeordneten optischen Wellenleiter entscheidend zu verbessern: die Wellenleiter werden optisch angeregt und können in verschiedenen Farben und Geometrien zum Leuchten gebracht werden. Die Zeiger werden mit optischen Wellenleitern versehen, die in verschiedenen Anordnungen in oder auf das Zeigerblatt eingebaut werden. In der genannten Anmeldung wurden verschiedene geeignete Materialien und Dotierungen aufgeführt.

[0005] Ein Zeiger mit optischem Lichtleiter (z.B. eine Kunststofffaser, eine Glasfaser oder eine kristalline Faser) wird nach Anmeldung CH 704 601 durch eine Lichtquelle so beleuchtet, dass im Lichtleiter das Licht geführt wird. Der Lichtleiter ist so gewählt, dass im Kern Lichtkonversion durch Photolumineszenz oder Phosphoreszenzstattfinden kann. Photolumi-neszierende oder phosphoreszierende Stoffe können z.B. Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren, wenn sie im blauen oder ultravioletten Bereich angeregt werden. Als Kern des Lichtleiters bezeichnet man den inneren Teil des Wellenleiters, wo die Brechzahl höher ist als im äusseren Bereich: letzterer ist als Mantel bekannt. Für die Anwendung kann der Kern durchaus den gesamten Wellenleiter bilden, das Licht wird dann im Kern geführt, weil dessen Brechzahl höher ist als diejenige der umgebenden Atmosphäre. Zur Beleuchtung der Wellenleiter eignen sich die verschiedensten Lichtquellen, u.a. Leuchtdioden, Laserdioden, Lampen und Sonnenlicht.

[0006] Unter einer entsprechenden Anregung emittieren wellenleiterähnliche Objekte mit einem photolumineszierenden oder phosphoreszierenden Kern Licht, das zum Zweck einer erhöhten Sichtbarkeit aus dem Mantel z.B. durch ein Lichtdiffraktionsfenster für Lichtauskopplung ausgekoppelt wird.

[0007] In der vorliegenden Erfindung wird das eingekoppelte Anregungslicht über die gesamte Länge des Objektes geführt und im gesamten Volumen des transparenten Materials, aus dem das Objekt besteht, durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz konvertiert. Eine effiziente Auskopplung erfolgt durch gitterähnliche Strukturen an einer oder mehreren Oberfläche(n) des Volumens.

[0008] Lumineszierende Zusätze (wie in DE 10 126 712 A, wo lichtumwandelnde Schichten auf den Seiten der Zeigerfahnen aufgetragen sind) werden nicht eingesetzt. Anders als in US 2008/213 508 A1 oder in US 2004/004 826 A1 besteht in der vorliegenden Erfindung das gesamte Objekt aus transparentem Material mit fluoreszierenden Eigenschaften: dabei wird das Licht, das durch die Oberflächenstrukturen ausgekoppelt wird, in einem und demselben Material durch Fluoreszenz erzeugt und durch Oberflächenstrukturen sichtbar gemacht. Dies bildet ebenfalls den Hauptunterschied zu US 2009/278 448 A1 und US 2006/018 623 A1.

[0009] In der Erfindung werden die Oberflächenstrukturen auf einer Oberfläche des aus transparentem fluoreszierendem Material bestehenden Objektes (z.B. eine einkristalline aus Ce:YAG-Z oder Eu:KYW-Faser) hergestellt, damit das Licht, das im Volumen des Objektes erzeugt und in einer Art Wellenleiter geführt wird, ausgekoppelt werden kann. Das Material ist das lichterzeugende Medium und die Auskopplungsstrukturen an seinen Oberflächen führen zu der eigentlich Sichtbarkeit des transparenten Materials, da das einkristalline Material keine Körner oder Defekte aufweist, die sonst Licht streuen könnten. Zahlreiche Beispiele wurden von uns in Prototypform bereits realisiert.

[0010] Dabei wird auf der Oberfläche des Objektes in wenigstens einer definierten Zone eine oberflächige Behandlung durchgeführt, damit wenigstens teilweise auf dieser Oberfläche dreidimensionale Strukturen mit bestimmten Formen und Rauigkeiten hergestellt werden, wobei das besagte Objekt ganz oder teilweise aus wenigstens einem transparenten, durch Fluoreszenz und/oder Phosphoreszenz lichtemittierenden Material besteht, damit die Lichtauskopplung und/oder die Sichtbarkeit der besagten Zone erhöht wird. Die besagten Strukturen können durch mechanische und/oder chemische Behandlungen der besagten Oberfläche, durch Aufbringen/Erzeugen von lichtstreuenden gitterähnlichen Formen auf die besagte Oberfläche, erzeugt werden.

[0011] Transparente fluoreszierende und/oder phosphoreszierende Materialien können z.B. als Einkristalle in unterschiedlichen Formen hergestellt werden, als massive Einkristalle, als einkristalline Fasern, als einkristalline dünne Schichten, als epitaktische einkristalline Schichten oder als Kompositstrukturen mit einkristallinen Elementen. Materialien aus diesen Gruppen zeigen die für Einkristalle typischen Eigenschaften. Die zu den für die Erfindung wichtigen Materialklassen gehörenden Materialien sind im sichtbaren Wellenlängenbereich mindestens teilweise transparent und für die Herstellung von Wellenleitern ähnlichen Objekten geeignet. Durch ihre Transparenzeigenschaften können sie im ganzen lichtleitenden Volumen angeregt werden. Durch ihre mechanische Robustheit eignen sie sich hervorragend für die Herstellung von Oberflächen mit kontrollierter Rauigkeit.

[0012] Als transparente fluoreszierende und/oder phosphoreszierende Materialien können ebenfalls Gläser, transparente Keramiken, Glaskeramiken und Kunststoffe eingesetzt werden.

[0013] Die Funktion der mit den in den Beispielen angegebenen Geometrien bearbeiteten Materialien hat zum Ziel, die optischen Eigenschaften von Objekten, insbesondere Zeiger in Uhren oder Messinstrumente durch wellenleitende Effekte in fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Materialien zu verbessern. Dabei werden verschiedene kostengünstige Herstellungsmethoden erläutert.

[0014] Es liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch einfache und wirksame Mittel in einer Zone eines aus transparentem fluoreszierendem und/oder phosphoreszierendem Material bestehenden Objektes ein Lichtdiffraktionsfenster für Lichtauskopplung zu bilden, um eine Lichtemission bei einer oder mehreren sichtbaren Wellenlängen zu erzeugen.

[0015] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, das im Wellenleiter-ähnlichen Objekt erzeugte Licht wirksam auszukoppeln und für den Betrachter das Objekt sichtbar zu machen. Dabei soll gewährleistet werden, dass die Funktionalität, geometrische Dimensionen und Querschnitte und die Oberflächenbeschaffenheit der Wellenleiter-ähnlichen Objekte wie z.B. Zeiger in Messinstrumenten durch geeignete Herstellungsverfahren in der Praxis kostengünstig realisiert werden können.

[0016] Diese Aufgaben der Erfindung werden erfindungsgemäss durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

[0017] Weiter wird die Aufgabe zur Bereitstellung eines transparenten, fluoreszierenden und/oder phosphoreszierenden Objektes mit einem Lichtdiffraktionsfenster für Lichtauskopplung erfindungsgemäss durch die in Anspruch 5 genannten Merkmale gelöst. Dies betrifft insbesondere ein aus einem Substrat mit Oberflächenschicht bestehenden Objekt, wobei auf einer Oberfläche des fluoreszierenden und/oder phosphoreszierenden Substrates eine durch epitaktisches Wachstum erhaltene kristalline Schicht mit einer gitterähnlichen Struktur aufgebracht ist. Solche Objekte sind zum Beispiel geeignet, um in Uhren oder Messgeräten Zeiger und/oder Indizes herzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0018] Folgende Beispiele wurden skizziert:

Die Fig. 1A bis 1L zeigen verschiedene mögliche Wellenleiter in Faserform, mit verschiedenen Querschnitten und verschiedenen Beispielen für strukturierte Oberflächen, die Fig. 2 zeigt, wie Wellenleiter aus scheibenförmigem Material hergestellt werden können, mit Herstel lungsbeispiel durch Trennen und Strukturieren einzelner monolithischer Teile, die Fig. 3A bis 3E zeigen Wellenleiter, bestehend aus auf einem Substrat aufgebrachten dünnen Schichten, und, die Fig. 4A bis 4D erläutern die Bearbeitungsschritte für Wellenleiter mit Oberflächenstruktur.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung [0019] In den Fig. 1 werden verschiedene mögliche Wellenleiter 10 in Faserform, mit verschiedenen Querschnitten und verschiedenen Beispielen für strukturierte Oberflächen gezeigt. Die Faser kann verschiedenartige Querschnittformen aufweisen: z.B. kann der Querschnitt rund, quadratisch, rechteckig oder elliptisch sein. Entlang der Längsachse der Faser kann der Querschnitt konstante oder variable Ausmasse aufweisen: z.B. kann die Faser zylindrisch oder konisch sein, über die gesamte Länge konstant bleiben oder variieren.

[0020] Fig. 1A zeigt ein Muster mit gerundeter Aussparung; Fig. 1B, ein Muster mit rechteckiger Aussparung; Fig. 1C ein Muster mit dreieckiger, asymmetrischer Aussparung; Fig. 1D ein Muster mit dreieckiger, symmetrischer Aussparung; Fig. 1E ein Muster mit jeweils dreieckiger und halbzylindrischer Aussparung; Fig. 1F ein Muster mit kleiner, rechteckiger Aussparung und longitudinaler Nut; Fig. 1G ein Muster mit zwei rechteckigen Aussparungen und doppelter longitudinaler Nut; Fig. 1H ein Muster mit im Zickzack Kurs verlaufender longitudinaler Nut und konischem Ende; Fig. 11 ein Muster mit longitudinaler Nut mit Unterbrechungen; Fig. 1J ein Spiralförmiges Muster; Fig. 1K ein Muster mit kreisförmigem Loch; und Fig. 1L ein Muster mit rechteckigem Loch.

[0021] Die Faser kann verschiedenartige Querschnittformen aufweisen: z.B. kann der Querschnitt rund, quadratisch, rechteckig oder elliptisch sein. Entlang der Längsachse der Faser kann der Querschnitt konstante oder variable Ausmasse aufweisen: z.B. kann die Faser zylindrisch oder konisch sein, über die gesamte Länge konstant bleiben oder variieren.

[0022] Typische geometrische Ausmasse für die für Anzeigezwecke zu verwendenden Fasern sind: - Längen zwischen 2 und 500 bis 1000 mm, besonders zwischen 2,5 und 35 mm, ganz besonders zwischen 3 und 23 mm. - Querschnitte (kreisförmig oder elliptisch) zwischen 0,02 und 3 mm (= Durchmesser), besonders zwischen 0,05 und 1,5 mm, ganz besonders zwischen 0,08 und 0,8 mm. - Querschnitte (quadratisch) zwischen 0,02 und 3 mm (= Diagonale des Querschnittes), besonders zwischen 0,05 und 1,5 mm, ganz besonders zwischen 0,08 und 0,8 mm. - Querschnitte (rechteckig) mit Kantenlängen 0,02 und 3 mm, besonders zwischen 0,03 und 1,5 mm, ganz besonders zwischen 0,04 und 1,2 mm.

[0023] Die Strukturen auf der Faseroberfläche können nicht nur verschiedene Ausmasse, sondern auch verschiedene Ausrichtungen haben. Beispiele in Quer- und Längsrichtung sind in den Fig. A bis J aufgeführt.

[0024] Die Strukturen werden in deren Geometrie dem jeweiligen Wellenleiter in Faserform angepasst. Die Strukturen können transversal, longitudinal, spiralförmig, auf einer oder mehreren Seiten verlaufen. Für eine zylindrische oder leicht konische Faser mit Querschnitt 0,08 bis 0,8 mm liegen die typischen Ausmasse der Strukturen im Bereich Tiefe x Breite = 40 bis 200 μm x 10 bis 300 μm, mit gleichmässigen oder variablen Abständen = 10 bis 1000 μm. Kleinere, gitterförmige Strukturen im Mikrometerbereich sind ebenfalls denkbar. Experten auf diesem Gebiet werden sofort weitere Möglichkeiten und Kombinationen erkennen, die aus dieser Offenlegung hergeleitet werden können.

[0025] Die auf den Oberflächen der Wellenleiter aufgebrachten Strukturen ermöglichen ein effizientes und gut sichtbares Auskoppeln des durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz erzeugten Lichtes. Die Strukturen bilden kleine Facetten oder Gitter, die den Austritt der Lichtstrahlen aus den Wellenleitern ermöglichen.

[0026] Herstellungsmethoden für solche Strukturen sind bekannt und umfassen: - Bearbeitung mit beschichteten (mit Schleifkörnern, z.B. Diamant oder Carbide) oder unbeschichteten Werkzeugen, z.B. Innenloch, Draht oder Trennsägen. Hiermit wird das Muster mechanisch aufgebracht. Die aufgebrachte Oberfläche kann mit verschiedenen Arten der Rauigkeit versehen werdende nach gewünschtem optischem Effekt. - Bearbeitung mit Laserquellen, mit Wellenlängen im Bereich 1000-1100 nm, 500-550 nm, 333-367 nm, 250-275 nm, Pulsdauern zwischen 10 fs bis 1 ps und mittlere Leistungen im Bereich 0,3 bis 10 000 W. Besonders bevorzugt sind Pulsdauern zwischen 20 fs und 1 ns mit mittleren Leistungen im Bereich 1 bis 1000 W. Auch mit diesem Verfahren können unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten erreicht werden.

[0027] Weitere Bearbeitungsmethoden sind ebenfalls denkbar, wie z.B. chemisches Ätzen, lonenstrahlquellen oder Plasmaätzen.

[0028] In den Fig. 2A bis 2C werden gezeigt, wie Wellenleiter 20 aus scheibenförmigem Material hergestellt werden können, mit Herstellungsbeispielen durch Trennen und Strukturieren einzelner monolithischer Teile. In diesem beispielhaften Herstellungsverfahren ist das Ausgangsmaterial eine Scheibe (Fig. 2A) des Materials, das in Wellenleiterform verwendet werden soll. Diese Scheibe kann z.B. aus kristallinem Material wie z.B. Ce:YAG oder einer anderen kristallinen Substanz hergestellt und möglicherweise poliert (ein- oder beidseitig) werden. Typische Ausmasse für solche Scheiben sind Durchmesser 10 bis 100 mm, Dicke 0,05 bis 3 mm. Kristalline Scheiben mit anderen (als zylindrischen) Formen können ebenfalls verwendet werden.

[0029] Diese Scheibe(n) werden in einem weiteren Schritt (ebenfalls in Fig. 2A skizziert) in eine Richtung mit Längsschnitten bearbeitet und später (Fig. 2B) in möglichst viele Wellenleiterelemente mit den gewünschten Ausmassen unterteilt. Die entstehenden Seitenflächen können bei Bedarf nachbearbeitet werden, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verändern oder um die gewünschten Muster einzuprägen oder zu gravieren. In Fig. 2C sind die verwendbaren Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind, skizziert.

[0030] Das Verfahren ist für relativ grosse Stückzahlen sehr gut geeignet: ausgehend von einem Zylinder mit Durchmesser = 60 mm x Länge = 100 mm aus geeignetem Material (wie z.B. Ce:YAG oder einer anderen kristallinen Substanz der weiter oben aufgeführten Liste) können ohne weiteres 80 Scheiben mit Dicke = 500 μm und aus jeder Scheibe über 150 Wellenleiterelemente mit Endausmassen von ca. 0,800 x 0,500 x 10 mm hergestellt werden.

[0031] Das Prinzip des Verfahrens ist materialunabhängig und kann ebenfalls auf nichtkristalline Materialien erweitert werden.

[0032] In den in den Fig. 2 beschriebenen Fällen ist das Wellenleitermaterial monolithisch, d.h., das Material ist im gesamten Volumen des Wellenleiters dasselbe. In den nun folgenden Beispielen ist dies nicht mehr der Fall.

[0033] In den Fig. 3A bis 3E werden gezeigt, wie Wellenleiter 30 aus scheibenförmigem Material bestehend aus einem Substrat mit aufgebrachten dünnen Schichten hergestellt werden können, mit Herstellungsbeispielen durch Trennen und Strukturieren einzelner monolithischer Teile.

[0034] In diesem weiteren Herstellungsverfahren ist das Ausgangsmaterial eine aus mehreren Schichten bestehende Scheibe (Fig. 3A). Eine solche Scheibe kann auf verschiedene Arten hergestellt worden sein: - z.B. kann durch ein «Flüssigphasenepitaxie» genanntes Verfahren beidseitig auf eine YAG-Scheibe (das sog. Substrat, mit Dicke 0,1 bis 2,5 mm) eine Ce:YAG-Schicht (mit typischer Dicke zwischen 0,5 und 50 μm) aufgebracht worden sein. Andere Materialien können ebenfalls epitaktisch aufgewachsen werden, wie z.B. dotiertes Y2SÌO5 auf undotiertes Y2SiO5 oder dotiertes KY(WO4)2 auf undotiertes KY(WO4)2. Für Spezialisten auf diesem Gebiet ist ersichtlich, dass sehr viele epitaktische Kombinationen möglich und für die hier beschriebenen Anwendungen nützlich sein können: z.B. können dotierte Schichten auf dotierte Substrate mit verschiedenen Dotierungen aufgewachsen werden. Damit kann erreicht werden, dass ein Mehrschichtwellenleiter mit verschiedenen Farben gleichzeitig fluoresziert. Zusätzlich können über Oberflächenstrukturierungen neuartige optische Effekte erzeugt werden, dadurch dass die Struktur durch eine Oberflächenschicht hindurch auf eine tieferliegende und anders dotierte Schicht führt. - eine weiteres Beispiel wäre die Herstellung von Scheiben mit aufeinander geklebten Substraten. Denkbar sind kristalline auf andere kristalline Schichten, Glas auf Glas, oder Glas auf Kristall. Weitere Kombinationen (mit z.B. Kunststoffschichten) sind ebenfalls denkbar.

[0035] Im in den Fig. 3A bis 3E erläuterten Beispiel bestehen ursprünglich (Fig. 3A) zwei Schichten auf dem Substrat. Beide Schichten können im Prinzip weiterverwendet werden. In dem in der Figur skizzierten Verfahren wird jedoch eine Schicht wegpoliert und, als Ausgangsmaterial für weitere Verarbeitungsschritte, dient eine Scheibe bestehend aus zwei Schichten (Fig. 3B). Diese Scheibe(n) werden in einem weiteren Schritt (Fig. 3C) in eine Richtung mit Längsschnitten bearbeitet und später (Fig. 3D) in möglichst viele Wellenleiterelemente mit den gewünschten Ausmassen unterteilt. Die entstehenden Seitenflächen können bei Bedarf nachbearbeitet werden, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verändern oder um die gewünschten Muster einzuprägen oder zu gravieren. In E sind die verwendbaren Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind, skizziert. Die Schritte der Fig.. 3C bis 3E entsprechen den Schritten der Fig. 2A bis 2C des anhand behandelten Beispiels.

[0036] Im in den Fig. 3A bis 3E erläuterten Beispiel können zusätzliche Schritte eingesetzt werden: - das Substrat kann mit Strukturen versehen werden, um im Substrat Wellenleiter zu erzeugen. Z.B. können entlang der vorgesehenen Längsschnittrichtung Materialänderungen vorgenommen werden, um in der gesägten Richtung eine Brechzahländerung hervorzurufen. Beispiele für solche Prozesse sind bekannt: bei YAG Substraten oder im Allgemeinen bei kristallinen oxidischen Substanzen können durch Diffusionsverfahren bei hohen Temperaturen, durch Ionenimplantation von z.B. Helium oder Wasserstoffionen oder durch feine Gravur mittels Laser- oder lonenstrahlen gewünschte Strukturen erzeugt werden. Diese Strukturen müssen im fertigen Wellenleiterelement untergebracht werden und werden daher mit ähnlichen oder kleineren Dimensionen (als das fertige Element) im Substrat aufgebracht. - Weitere Wellenleiterarten können mittels dem eben beschriebenen Verfahren im Substrat hergestellt werden, mit einem weiteren Herstellungsschritt basierend auf den beschriebenen Epitaxieverfahren. Damit kann der Wellenleiter auch oben und unten von kristallinem Material mit geeigneten optischen Eigenschaften umgeben werden. - Noch weitere Wellenleiter können mittels einer Kombination von Strukturierung und weiteren Epitaxieschichten hergestellt werden. Epitaxie von YAG Schichten oder ähnlichen oxidischen Materialien (mit oder ohne Dotierungen) ist bekannterweise möglich ausgehend von bereits bestehenden epitaktischen Schichten. Damit können die hier beschriebenen Verfahren ohne wesentliche Änderungen auf durch mehrfache Epitaxie hergestellte Schichtstrukturen erweitert werden.

[0037] In den Fig. 4A bis 4D wird gezeigt, wie Wellenleiter 40 aus scheibenförmigem Material mit Oberflächenstrukturen hergestellt werden können, mit Herstellungsbeispielen durch Trennen und Strukturieren einzelner monolithischer Teile.

[0038] In diesem weiteren Herstellungsverfahren ist das Ausgangsmaterial eine aus einer einzelnen oder mehreren Schicht(en) bestehende Scheibe (Fig. 4A). Eine solche Scheibe kann mit den erwähnten Strukturierungsverfahren vorbereitet werden. Diese Scheibe wird dann in einem weiteren Schritt (Fig. 4B) in eine Richtung mit Längsschnitten bearbeitet und später (Fig. 4C) in möglichst viele Wellenleiterelemente mit den gewünschten Ausmassen unterteilt. Die entstehenden Seitenflächen können bei Bedarf nachbearbeitet werden, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verändern oder um die gewünschten Muster einzuprägen oder zu gravieren. In der Fig. 4D sind die verwendbaren Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind, skizziert.

[0039] Die Schritte der Fig. 4B bis 4D entsprechen ebenfalls den Schritten der Fig. 2A bis 2C des anhand behandelten Beispiels. Die auf Fig. 4A bis 4D bezogenen Schritte können auch mit dem Beispiel von den Fig. 3A bis 3E verknüpft werden.

[0040] Beispiele für lumineszierende oder phosphoreszierende Materialien mit Emissionswellenlängen zwischen ca. 400 und 700 nm und Anregungswellenlängen zwischen 230 und 450 nm sind: - anorganische Substanzen mit seltenen Erden Dotierungen: YVO4:Eu, Y2O2S:Eu, Gd2O2S:Tb, Υ3ΑΙ5Οι2:Οθ, Y2SiO5:Ce,Tb, (Ce,La)PO4:Tb, BaMgAI14O23:Eu, Sr2AI60n:Eu, SrAI2O4:Eu,Dy, CdSiO3:Mn,Y, Sr2MgSÌ2O7:Eu, AIN:Eu, Ba2Si5N8:Eu, LiEu(Mo04)2. - sogenannte «Quantum Dots» wo ein anorganischer Nanokristall mit einer typischen Grösse von 2-20 nm (z.B. ZnS:Eu, Mn) in eine Matrix (z.B. aus Glas) eingebettet wird. - organische Verbindungen (Phenoxazine, Phenotyazine, Phtalocyanine, Naphtalocyanine, Indoliumderivate, Pyrillium-derivate, Seltenerdcheiate, Rhodamine, Pyranine, Triphenylmethanfarbstoffe, Stilbene, Coumarine, u.a.).

[0041] Besonders geeignet für die Herstellung von einkristallinen Fasern oder Wellenleitern sind kongruent schmelzende Materialien: [0042] (SE)VO4, (SE)3AI5O12, (SE)2SiO5, CaAI(SE)O4, (SE)AIO3, wo SE eine seltene Erde (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) oder eine Mischung von mehreren seltenen Erden darstellt. Diese Materialien können zusätzlich dotiert werden, um fluoreszierende oder phosphoreszierende Zentren im Kristall einzubauen.

[0043] Für die Herstellung von Materialien mit aufgewachsenen epitaktischen Schichten können die aufgeführten Materialien ebenfalls eingesetzt werden. Epitaxie Versuche sind für Experten mit Erfahrung in diesem Bereich hinreichend bekannt und können für die Zwecke dieser Erfindung und die benötigten Materialzusammensetzungen verwendet werden. Epitaxie ist ein Kristallwachstumsverfahren, das erlaubt, dünne, einkristalline Schichten aus einer gesättigten Lösung auf einem kristallinen Substrat mit angepasstem Kristallgitter aufwachsen zu lassen. Dieses Verfahren kann für die oben genannten Materialien und zusätzlich auch, z.B. (SE)AI3(BO3)4, (SE)Ga3(BO3)4, (SE)Sc3(BO3)4, (A)(SE)(Mo04)2, (A)(SE)(WO4)2 eingesetzt werden. Hier steht SE ebenfalls für Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, und A für Li Na, K, Rb, Cs. Dotierungen mit zusätzlichen seltenen Erden oder Übergangsmetallen können von Vorteil sein. Weitere Materialbeispiele sind für Experten durchaus denkbar und können für diese Erfindung ebenfalls verwendet werden, wie z.B. Li(SE)F4, K(SE)3F10, SrAI2O4, CaAI2O4.

[0044] Des Weiteren können fluoreszierende oder phosphoreszierende Materialien in Einkristallform eingesetzt werden, z.B. nach dem Verfahren, das in Fig. 2. beschrieben wird und weiter oben ausführlich diskutiert wurde. Bedingung ist, dass der Kristall sich zu einem Wellenleiter verarbeiten lässt, ausgehend von einer dünnen Scheibe, oder von einer Komposit-scheibe, bestehend aus mehreren geklebten oder geschweissten Schichten.

[0045] Des Weiteren können fluoreszierende oder phosphoreszierende Materialien in Form von Gläsern, Glaskeramiken, Keramiken oder Kunststoffen eingesetzt werden, z.B. nach dem Verfahren, das in Fig. 2. beschrieben wird und weiter oben ausführlich diskutiert wurde. Bedingung ist, dass der Kristall sich zu einem Wellenleiter verarbeiten lässt, ausgehend von einer dünnen Scheibe, oder von einer Kompositscheibe bestehend aus mehreren geklebten oder geschweissten Schichten. Solche Kompositherstellungstechniken sind besonders bei der Verwendung von Gläsern als Stand der Technik durchaus bekannt und sind geeignet, Schichten aus fluoreszierenden Gläsern (z.B. Gläser, die mit Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb dotiert sind) mit Unterlagen zu verbinden. Bei der Verwendung von Keramiken werden transparente Keramiken bevorzugt, die ebenfalls mit fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Zentren dotiert werden können. Denkbar sind ebenfalls Verbindungen von kristallinen mit keramischen Materialien, von Kristallen mit Gläsern, von Kunststoffen mit Gläsern usw.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bildung eines Lichtdiffraktionsfensters für Lichtauskopplung in wenigstens einer definierten Zone eines optisch transparenten und fluoreszierenden und/oder phosphoreszierenden Objektes, um in dieser Zone Lichtauskopplung bei einer oder mehreren sichtbaren Wellenlängen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer definierten Zone des Objektes dreidimensionale gitterähnliche Strukturen mit geometrisch definierten Tiefen, Breiten, Abständen, Orientierungen und Rauigkeiten in die Oberfläche eingearbeitet werden.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterähnlichen Strukturen Tiefen im Bereich 40 bis 200 μm, Breiten im Bereich 10 bis 300 μm, und gleichmässige oder variable Abstände im Bereich 10 bis 1000 μm aufweisen.

3. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauigkeit der eingearbeiteten Strukturen durch Diffraktion und/oder Streuung für den Betrachter sichtbares Licht auskoppeln.

4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente und fluoreszierende und/oder phosphoreszierende Objekt ganz oder teilweise aus Glas, Glaskeramik, optisch transparenten Keramiken oder Kunststoffen besteht.

5. Optisch transparentes und fluoreszierendes und/oder phosphoreszierendes Objekt mit einem Lichtdiffraktionsfenster für Lichtauskopplung in wenigstens einer definierten Zone, um in dieser Zone Lichtemission und/oder Lichtauskopplung bei einer oder mehreren sichtbaren Wellenlängen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer definierten Zone des Objektes dreidimensionale gitterähnliche Strukturen mit geometrisch definierten Tiefen, Breiten, Abständen, Orientierungen und Rauigkeiten in die Oberfläche eingearbeitet sind.

6. Objekt gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Objekt aus einem Substrat mit Oberflächenschicht besteht, wobei auf einer Oberfläche des optisch transparenten, fluoreszierenden und/oder phosphoreszierenden Substrates wenigstens eine durch epitaktisches Wachstum erhaltene kristalline Schicht mit wenigstens einer gitterähnlichen Struktur aufgebracht ist.

7. Objekt gemäss einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Objekt aus einem Substrat mit Oberflächenschicht besteht, wobei auf einer Oberfläche des Objektes mehrere epitaktisch aufeinander aufgewachsene kristalline Schichten aufgebracht sind mit wenigstens einer gitterähnlichen Struktur in einer Oberflächenschicht.

8. Objekt gemäss einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schicht einkristallin ist und mit gegenüber dem Substrat unterschiedlichen fluoreszierenden und/oder phosphoreszierenden Zentren dotiert ist, wobei Licht mit verschiedenen Farben emittiert wird.

9. Objekt gemäss einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einkristallinen epitaktischen Schichten in der folgenden Liste zu wählen sind: (SE)VO4; (SE)3AL5O-|2; (SE)2SiO5; CaAI(SE)O4; (SE)AI3(BO3)4; (SE)Ga(BO3)4; (SE)Sc3(BO3)4; (A)(SE)(WO4)2, wobei SE eine seltene Erde bedeutet (Se, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Tm, Er, Tm, Yb, Lu) oder eine Mischung von wenigstens zwei dieser seltenen Erden.

10. Gerät, welches wenigstens ein Objekt gemäss Anspruch 5 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das im Gerät enthaltene Objekt ein Zeiger ist.

11. Gerät, welches wenigstens ein Objekt gemäss Anspruch 5 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das im Gerät enthaltene Objekt ein Index ist.

12. Gerät gemäss einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine Uhr ist.