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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Körpers mittels eines knickbaren Substrats mit den Merkmalen von Anspruch 1, sowie einen solchen dreidimensionalen Körper mit den Merkmalen von Anspruch 12, wobei in diesem dreidimensionalen Körper Bauelemente vorgesehen sind, zwischen denen sich durch das Knicken des Substrats ein Kommunikationspfad ausbildet.
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Sehr viele Anwendungen basieren heutzutage auf Optiksystemen oder wenden solche an. Dies betrifft insbesondere auch Fälle mit sehr großen Fertigungsstückzahlen wie Digitalkameras, Projektoren, Displays, Beleuchtungseinrichtungen oder Messtechnikanwendungen. Sie sind ohne Optik nicht denkbar.
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Bei der Fertigung von Optiksystemen kommen unterschiedlichste Komponenten zum Einsatz: Linsen, Spiegel, Prismen, Lichtquellen, Detektoren, Filter, Gitter, integrierte optoelektronische Bauelemente, Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems (sog. MOEMS) und dergleichen.
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Bei der Kombination optischer und elektrischer Funktionalitäten spielen vielfältige Aspekte eine wesentliche Rolle. Die optische Strahlführung und die elektronische Funktion müssen gleichzeitig gewährleistet werden. Moderne Anwendungen erfordern oftmals zudem die Berücksichtigung vieler bzw. breiter Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Hierbei sind zusätzlich die komplexen Materialeigenschaften und ihre Auswirkungen auf die Systemperformance, speziell optisch, zu berücksichtigen.
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Je breiter bzw. exotischer die verwendeten Wellenlängen, desto problematischer werden Fragen der Verfügbarkeit ausreichend transparenter Materialien, sensitiver Detektoren und der Aberration, speziell der chromatischen Aberration. Multispektrale Systeme, d.h. Kombinationen von Wellenlängen im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich und im Infrarotbereich, erscheinen zwar attraktiv, sind aber seitens der optischen Systemrealisierung sehr komplex. Anwendungen in Automobilen (z.B. Fahrerassistenzsysteme und dergleichen), Kameras in mobilen Geräten, Projektoren, Head-up Displays, Datenbrillen und ähnliches können nur erfolgreich vermarktet werden, wenn eine kostengünstige Fertigung ermöglicht wird.
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Analog können vergleichbare Ansätze für Schallwellen oder Ultraschallwellen betrachtet werden. Auch wenn zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Folgenden beispielhaft Optiksysteme beschrieben werden, gilt aber stets, dass ein akustisches oder Ultraschal-System analog betrachtet werden kann.
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Optiksysteme, deren Strahlengang entlang einer ausgezeichneten optischen Achse verlaufen, sogenannte „on- axis“ Systeme, können effizient durch Einbringen der Komponenten in einen Formkörper oder das Stapeln verschiedener Baugruppen gefertigt werden. Die meisten Optiken für Foto- und Videokameras sind volumenstarke Beispiele für derartige Systeme. Montagewerkzeuge zum effizienten und schnellen Aufbau derartiger Systeme mit hoher Positioniergenauigkeit sind verfügbar. Kameraoptiken für Mobiletelefone, Tablets, Laptops und andere Systeme werden beispielsweise in sehr großen Stückzahlen gefertigt.
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In vielen anderen Anwendungen, in denen der Strahlengang nicht entlang einer solchen ausgezeichneten Achse erfolgen kann („off-axis“ Systeme), sind Optiken erforderlich. Beispiele hierfür sind Spektralapparate, Interferometer, Teleskope oder andere off-axis Objektive.
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Sollen Systeme mit komplexen, gefalteten oder verzweigten Strahlengängen gefertigt werden, so ist ein hoher Aufwand für die Montage und Justage die Folge. Mit zunehmender Miniaturisierung wächst das Justageproblem und begrenzt gegebenenfalls die Realisierbarkeit von Systemen, bevor physikalisch-optische Grenzen (z.B. Beugungsbegrenzung, etc.) erreicht werden.
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Komplexe Optiksysteme mit nicht geradlinigem Strahlverlauf , wie beispielsweise Spektralapparate, Interferometer, oder auch off-axis Abbildungsoptiken, wie z.B. sogenannte Schiefspiegler, werden mit den Technologien gemäß des Stands der Technik vorwiegend in Manufakturverfahren aufgebaut. Anschließend wird der Strahlengang an entsprechend vorgesehenen Stellen durch geeignete Vorrichtungen justiert. Hierdurch entsteht ein hoher Fertigungsaufwand, der nur bei vergleichsweise geringen Stückzahlen und entsprechend hoher Wertschöpfung gerechtfertigt werden kann.
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Die Verkleinerung derartiger Systeme führt zu weiter erhöhten Anforderungen bezüglich der Justagegenauigkeit und begrenzt die Miniaturisierung durch die Justageproblematik zusätzlich. Insbesondere benötigen die Justageelemente verhältnismäßig viel Platz, was wiederum dem Wunsch nach Verkleinerung weiter im Wege steht.
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Gestapelte Aufbauten, die mit automatisierten Fertigungseinrichtungen effizient (in Planarmontage) gefertigt werden können, sind für „on-axis“ Systeme bekannt. In einigen Anwendungen wurden auch off-axis Systeme durch das Stapeln von Baugruppen realisiert (siehe z.B. Hybridspektrometer in der
DE 10 2008 019 600 A1 ). Die Anwendbarkeit ist aber auf Spezialfälle begrenzt in denen die Justage durch die beim Stapeln verfügbaren Freiheitsgrade (Positionieren, Verdrehen, Einstellen von Abständen) erreicht werden kann. Neben der eingeschränkten Anwendbarkeit ist auch der Aufwand (aktive Justage, etc.) erheblich. Jedoch resultiert das planare Stapeln in gewissen Restriktionen und ist dadurch gegebenenfalls mit weiteren Kosten verbunden.
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Ein anderer Weg zur Realisierung derartiger Systeme ist das Einbringen verschiedener Baugruppen in vertikaler Richtung in einen vorgeformten Gehäusekörper, der durch Anschläge und Justageeinrichtungen das Einstellen des Strahlengangs erlaubt. Die Montage wird hierdurch komplex, d.h. aufwändige Verfahren und Geräte sind hierfür erforderlich. Gegebenenfalls müssen sogar mehrere Teilschritte für verschiedene Montagerichtungen implementiert werden und zum Abschluss muss eine Endjustage vorgenommen werden.
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Wünschenswert ist ein Verfahren nebst Baugruppen, um ein System mit direktem Strahlengang aber auch mit einem komplexen „Off-Axis“ Strahlengang schnell, präzise und effizient fertigen zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Substrat bereitgestellt. Das Substrat kann beispielsweise ein im Wesentlichen planares Substrat sein. Das Substrat kann beispielsweise Kunststoff, Metall oder Keramik aufweisen. Das Substrat kann auch beispielsweise ein Foliensubstrat oder ein Wafer, z.B. ein Siliziumwafer sein. Das Substrat weist mindestens eine Knickkante auf, die das Substrat in zwei Substratbereiche unterteilt. Das Substrat weist somit also mindestens einen ersten und einen zweiten Substratbereich auf. In dem ersten Substratbereich wird ein erstes Bauelement bereitgestellt. In dem ersten Substratbereich oder in dem zweiten Substratbereich wird ein zweites Bauelement bereitgestellt. Ein solches Bauelement kann zum Beispiel ein optisches und/oder ein akustisches und/oder ein (elektro-) mechanisches (z.B. MEMS) Funktionselement sein. Das Bauelement kann ein elektronisches Bauelement sein, das beispielsweise in SMD-Technik auf dem jeweiligen Substratbereich angeordnet wird, oder auch mittels z.B. Fotolithografieverfahren und/oder bekannter Ätzverfahren in den jeweiligen Substratbereich eingebracht wird. Die bereits zuvor erwähnte Knickkante kann beispielsweise eine im Vergleich zur Restsubstratdicke geringere Materialstärke aufweisen. Eine Knickkante kann beispielsweise ein in das Substrat geätzter Graben oder eine anderweitig in das Substrat eingebrachte Art der Umformung oder ein Materialabtrag, z.B. mittels Stanzen, Perforieren, Laserschneiden, etc., sein. Die Knickkante ist jedenfalls derart ausgebildet, dass das Substrat, oder genauer gesagt die Substratbereiche, entlang dieser Knickkante in ihrer relativen Lage zueinander verändert werden können, d.h. geknickt, gebogen oder gefaltet werden können. Erfindungsgemäß wird das Substrat entlang dieser zumindest einen Knickkante geknickt (bzw. gebogen oder gefaltet), um einen dreidimensionalen Körper zu erhalten. Somit wird aus dem ursprünglich im Wesentlichen planaren, d.h. zweidimensionalen, Substrat ein dreidimensionaler Körper. Die Erfindung kennzeichnet sich unter anderem dadurch, dass durch das Knicken das erste Bauelement und das zweite Bauelement zueinander ausgerichtet werden, um einen Kommunikationspfad zwischen denselben bereitzustellen. In anderen Worten geben also die eine oder mehreren vordefinierten Knickkanten die Form des dreidimensionalen Körpers vor. Dabei werden die Bauelemente bereits vor dem Knicken des Substrats relativ zu den Knickkanten so angeordnet, dass die Bauelemente nach dem Knicken des Substrats korrekt zueinander ausgerichtet sind. Das heißt, die Bauelemente sind derart zueinander ausgerichtet, dass sich ein Kommunikationspfad zwischen ihnen ausbildet. Der Kommunikationspfad kann beispielsweise ein Strahlengang sein entlang dem sich Strahlung ausbreitet. Dies kann elektromagnetische Strahlung oder auch akustische Strahlung in Form von Wellen, z.B. Schallwellen oder Ultraschallwellen, sein. Entlang des Kommunikationspfads können also beispielsweise Schallwellen oder elektromagnetische Strahlung, z.B. Licht unterschiedlicher Wellenlängen, zwischen den beiden Bauelementen übertragen werden. Aufgrund der Tatsache, dass die Bauelemente bereits vor dem Knicken des Substrats auf dem zu diesem Zeitpunkt noch als ein im Wesentlichen planares Substrat vorliegendes Substrat bereitgestellt werden, können die Bauelemente beispielsweise einfach in Planartechnik auf dem Substrat bereitgestellt werden. Erst nach dem Bereitstellen der Bauelemente auf den jeweiligen Substratbereichen wird das Substrat gefaltet, sodass sich der dreidimensionale Körper ergibt, in dem dann die Bauelemente angeordnet sind. Vorteilhafter Weise sind die Bauelemente somit in dem dreidimensionalen Körper korrekt zueinander ausgerichtet. Im Stand der Technik hingegen wird zuerst der dreidimensionale Körper bereitgestellt und anschließend müssen dann die Bauelemente aufwendig in diesem dreidimensionalen Körper befestigt werden. Im Vergleich dazu bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine wesentlich unkompliziertere und somit eine deutlich zeit- und kostensparende Alternative zum Stand der Technik.
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Es ist denkbar, dass die beiden Bauelemente vor dem Knicken derart auf den jeweiligen Substratbereichen bereitgestellt werden, dass sich nach dem Knicken ein Strahlengang einer zwischen den beiden Bauelementen übertragenen Strahlung innerhalb des dreidimensionalen Körpers derart einstellt, dass sich der Strahlengang von dem die Strahlung emittierenden Bauelement entlang eines direkten oder eines indirekten Pfades zu dem die Strahlung empfangenden Bauelement hin ausbreitet. Der Strahlengang kann also beispielsweise ein direkter Strahlengang sein, d.h. die Strahlung trifft ohne Umwege von dem strahlungsemittierenden Bauelement auf das die Strahlung empfangende Bauelement. Der Strahlengang kann aber auch innerhalb des dreidimensionalen Körpers abgelenkt sein, sodass sich ein komplexer bzw. gefalteter Strahlengang ergibt. Dieser komplexe Strahlengang kann mehrere Ablenkungen erfahren, d.h. er trifft nicht auf direktem Wege, sondern auf einem indirekten Pfad auf das die Strahlung empfangende Bauelement auf. In diesem Fall müssen die beiden Bauelemente innerhalb des dreidimensionalen Körpers relativ zueinander derart ausgerichtet sein, dass das die Strahlung empfangende Bauelement die Strahlung trotz des (mehrfach) gefalteten Strahlengangs empfängt, d.h. die Positionierung der beiden Bauelemente relativ zueinander ist schwieriger im Vergleich zu einem direkten Strahlengang. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch in beiden Fällen die Bauelemente derart auf dem planaren Substrat angeordnet werden, dass sie nach dem Knicken des Substrats innerhalb des sich dadurch ergebenden dreidimensionalen Körpers korrekt zueinander ausgerichtet sind, d.h. so, dass der von dem strahlungsemittierenden Bauelement ausgesandte Strahlengang auf das die Strahlung empfangende Bauelement auftrifft, unabhängig davon ob sich der Strahlengang auf einem direkten oder einem indirekten Pfad in dem dreidimensionalen Körper ausbreitet.
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Es ist vorstellbar, dass zumindest eine Begrenzungsstruktur auf dem Substrat bereitgestellt wird, die beim Knicken des Substrats den Betrag der Lageänderung des jeweils geknickten Substratbereichs begrenzt. Eine solche Begrenzungsstruktur kann beispielsweise ein mechanischer Anschlag sein, der den Knickwinkel beim Knicken des Substrats bzw. des jeweiligen Substratteils begrenzt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ergibt das Knicken des Substrats einen dreidimensionalen Körper, der mittels der einzelnen Substratbereiche allseitig verschlossen ist. Das heißt, das Substrat wird zu einem geschlossenen dreidimensionalen Körper geformt. Im einfachsten Fall handelt es sich hierbei um eine rechteckige Form, vergleichbar mit einer Schachtel. Somit kann auf einfache Weise ein zur Umgebung dichter, z.B. lichtdichter und/oder schalldichter und/oder gasdichter, dreidimensionaler Körper bereitgestellt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ergibt das Knicken des Substrats einen dreidimensionalen Körper, der eine Öffnung aufweist, wobei diese Öffnung mittels eines von dem Substrat separaten Deckels abgedeckt wird. Das heißt, das Substrat wird zu einem dreidimensionalen Körper geformt, der zumindest eine Öffnung aufweist. Im einfachsten Fall handelt es sich hierbei um eine rechteckige Form, vergleichbar mit einer Schachtel ohne Deckel. Zum Abdecken dieser Öffnung kann ein von dem Substrat separates Teil verwendet werden, um den dreidimensionalen Körper zur Umgebung hin z.B. lichtdicht und/oder schalldicht und/oder gasdicht abzudichten.
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Erfindungsgemäß kann mindestens eine Öffnung in einem der Substratbereiche vorgesehen werden, die derart ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung und/oder Schallwellen hindurchtreten können, um einen Austausch der elektromagnetischen Strahlung und/oder der Schallwellen zwischen dem dreidimensionalen Körper und der Umgebung bereitzustellen.
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Es wäre ebenso denkbar, dass mindestens eine Öffnung in einem der Substratbereiche bereitgestellt wird, durch die Gas zwischen dem dreidimensionalen Körper und der Umgebung austauschbar ist, und wobei die Öffnung ferner ausgebildet ist, um einen Lichteintritt in das Innere des dreidimensionalen Körpers abzuschwächen und/oder zu verhindern. Hierfür kann die Öffnung beispielsweise eine Lichtschleuse in Form einer Mäanderstruktur aufweisen. Die Öffnung kann aber auch mittels eines mit einer lichtundurchlässigen Beschichtung versehenen Bauteils abgedeckt werden.
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Es ist ferner denkbar, dass eine lokale Struktur, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit zur lokalen Kühlung oder eine Transparenz zur lokalen Lichtdurchlässigkeit aufweist, in mindestens einen Substratbereich eingebracht wird. Dies kann beispielsweise eine in dem Substrat ausgebildete Heat-Pipe, ein Fenster, oder ein optischer Spalt sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens eines der beiden Bauelemente bereits bei der Herstellung des Substrats mittels Planartechnik in dem jeweiligen Substratabschnitt ausgebildet und/oder angeordnet werden. Die Planartechnik ist ein ausgereiftes Verfahren, mit dem die Bauelemente schnell, einfach und kostengünstig auf den jeweiligen Substratbereichen bereitgestellt werden können. Die Planartechnik bietet sich insbesondere dann an, wenn das Ausgangssubstrat ein im Wesentlichen planares Substrat ist. Mit der Planartechnik können Montagegenauigkeiten besser als 50 µm, oder besser als 20 µm, oder besser als 10 µm, oder besser als 5 µm erzielt werden.
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Ausführungsformen der Erfindung können vorsehen, dass das Substrat mittels eines laserbasierten Verfahrens zum Trennen, Perforieren, Abdünnen, Abtragen oder zum lokalen Verändern einer Eigenschaft bearbeitet wird. Insbesondere bei Metall aufweisenden Substraten bietet sich dieses Verfahren an, um das Substrat einfach und kostengünstig zu bearbeiten. Es ist beispielsweise denkbar, dass die zumindest eine Knickkante in dem Substrat mittels eines solchen laserbasierten Verfahrens in das Substrat eingebracht wird. Diese gelaserte Knickkante kann beispielsweise ein in das Substrat eingebrachter perforierter oder ausgedünnter Abschnitt sein. Alternativ oder zusätzlich zu der Knickkante kann das Substrat auch anderweitig mittels des laserbasierten Verfahrens bearbeitet werden. Beispielsweise können Öffnungen bzw. Löcher in das Substrat gelasert werden, oder es können einzelne Substratabschnitte von dem Substrat abgetrennt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Substrat, das einen ersten und einen zweiten Substratbereich aufweist. In dem ersten Substratbereich ist ein erstes Bauelement angeordnet. In dem ersten oder in dem zweiten Substratbereich ist ein zweites Bauelement angeordnet. Das Substrat weist zumindest eine Knickkante auf, entlang derer das Substrat geknickt ist. Das geknickte Substrat bildet einen dreidimensionalen Körper aus. Durch das Knicken werden das erste Bauelement und das zweite Bauelement derart zueinander ausgerichtet, dass sich innerhalb des dreidimensionalen Körpers ein Kommunikationspfad zwischen den beiden Bauelementen ausbildet. Diese Vorrichtung, die durch das oben erwähnte Verfahren erhaltbar ist, weist demgemäß dieselben, wie zuvor mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Vorteile, auf.
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Erfindungsgemäß werden die einzelnen Substratbereiche durch die Knickkanten definiert. Das heißt, die Knickkanten unterteilen das Substrat in die einzelnen Substratbereiche. Somit ist auf dem Substrat selbst erkennbar (d.h. auf der Vorderseite oder auf der Rückseite des Substrats), was ein einzelner Substratbereich eines Substrats ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die einzelnen Substratbereiche einstückig miteinander ausgebildet und an den Knickkanten miteinander in Kontakt. Das heißt, die einzelnen Substratbereiche sind Bestandteil des Substrats selbst. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Knickkanten in das Substrat eingebracht werden, ohne dass das Substrat dabei physisch getrennt wird. Durch Knicken des Substrats an diesen Knickkanten wird der dreidimensionale Körper gebildet. Dies unterscheidet sich somit deutlich von dreidimensionalen Körpern, bei denen einzelne separate Substrate mittels Fügeprozesse zu dem dreidimensionalen Körper zusammengefügt sind.
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Es ist denkbar, dass zumindest eine Begrenzungsstruktur auf dem Substrat vorgesehen ist, die beim Knicken des Substrats den Betrag der Lageänderung des jeweils geknickten Substratbereichs begrenzt. Eine solche Begrenzungsstruktur kann beispielsweise ein mechanischer Anschlag sein, der den Knickwinkel beim Knicken des Substrats bzw. des jeweiligen Substratteils begrenzt.
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Gemäß weiterer Ausführungsformen können die beiden Bauelemente optische Funktionselemente, oder mikromechanische MEMS-Funktionselemente, oder akustische Funktionselemente sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um Licht emittierende Funktionselemente, wie z.B. LEDs, handeln, die zusammen mit Licht empfangenden Bauelementen, wie z.B. Fotodioden, entlang des Kommunikationspfads miteinander kommunizieren. Alternativ oder zusätzlich können Lautsprecher und Mikrofone eingesetzt werden, um eine Schallausbreitung entlang des Kommunikationspfads bereitzustellen. Als ein denkbares MEMS-Funktionselement könnte beispielsweise ein MEMS-Spiegel zum Einsatz kommen, um beispielsweise einen Lichtstrahl abzulenken und so einen gefalteten Strahlengang zu realisieren.
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Es wäre denkbar, dass die beiden Bauelemente optische Funktionselemente sind und in einem optischen Strahlengang zwischen den beiden Bauelementen ein Prisma angeordnet ist.
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Ein in dem Strahlengang angeordnetes Prisma kann ebenfalls die Strahlung im Kommunikationspfad in geeigneter Weise ablenken oder spektral aufspalten.
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Es wäre auch denkbar, dass die beiden Bauelemente optische Funktionselemente sind, die zusammen ein Gitterspektrometer, oder einen Gitterspektrographen, oder einen Gittermonochromator bilden.
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Vorstellbar wäre auch, dass die beiden Bauelemente optische Funktionselemente sind, die, wenn sie miteinander kommunizieren, ein optisches Off-Axis-System mit nicht geradlinigem Strahlverlauf bilden. Insbesondere bei derartigen Off-Axis Systemen ist die genaue Ausrichtung der beiden Bauelemente relativ zueinander von entscheidender Bedeutung. Bei den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ist es schwierig, die beiden miteinander kommunizierenden Bauelemente in einem dreidimensionalen Körper genau auszurichten. Hierfür sind aufwendige Justageschritte nötig. Dadurch, dass das erfindungsgemäße Substrat jedoch Knickkanten aufweist, können die beiden Bauelemente hier wesentlich einfacher und unkomplizierter auf dem Substrat bereitgestellt werden, und zwar noch bevor das Substrat letztlich zu dem dreidimensionalen Körper geformt wird.
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Es ist denkbar, dass mindestens einer der Substratbereiche eine Öffnung aufweist, wobei die mindestens eine Öffnung derart ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung und/oder Schallwellen hindurchtreten können, um einen Austausch der elektromagnetischen Strahlung und/oder der Schallwellen zwischen dem dreidimensionalen Körper und der Umgebung bereitzustellen.
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Alternativ oder zusätzlich wäre es denkbar, dass mindestens einer der Substratbereiche eine Öffnung aufweist, durch die Gas zwischen dem dreidimensionalen Körper und der Umgebung austauschbar ist, und wobei die Öffnung ferner ausgebildet ist, um einen Lichteintritt in das Innere des dreidimensionalen Körpers abzuschwächen und/oder zu verhindern.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Substratbereich eine lokale Struktur aufweist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit zur lokalen Kühlung oder eine Transparenz zur lokalen Lichtdurchlässigkeit aufweist. Eine solche lokale Struktur kann beispielsweise eine Heat-Pipe, ein Fenster, oder ein optischer Spalt sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2A ein Substrat mit Bauelementen, das unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemacht werden kann,
- 2B das Substrat aus 2A, das entlang einer Knickkante geknickt ist,
- 2C das Substrat aus 2B, um 180° gedreht, wobei die Bauelemente derart zueinander ausgerichtet sind, dass sie einen Kommunikationspfad ausbilden,
- 3A - 3F ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren mit mehreren Einzelschritten, das zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung führt,
- 4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
- 5 eine Perspektivansicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Block 101 wird ein Substrat mit einem ersten und einem zweiten Substratbereich bereitgestellt.
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In Block 102 wird ein erstes Bauelement in dem ersten Substratbereich und ein zweites Bauelement in dem ersten oder in dem zweiten Substratbereich bereitgestellt.
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In Block 103 wird das Substrat entlang zumindest einer Knickkante geknickt, um einen dreidimensionalen Körper zu erhalten, wobei durch das Knicken das erste Bauelement und das zweite Bauelement zueinander ausgerichtet werden, um einen Kommunikationspfad zwischen den beiden Bauelementen bereitzustellen.
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Die 2A, 2B und 2C zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 200. 2A zeigt ein Substrat 210, das einen ersten Substratbereich 201 und einen zweiten Substratbereich 202 aufweist.
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In dem ersten Substratbereich 201 ist ein erstes Bauelement 203 bereitgestellt. In dem zweiten Substratbereich 202 ist ein zweites Bauelement 204 bereitgestellt.
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Das Substrat 210 weist zumindest eine Knickkante 205 auf.
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Wie in 2B gezeigt ist, ist das Substrat 210 entlang dieser zumindest einen Knickkante 205 geknickt, wodurch sich ein dreidimensionaler Körper, hier beispielhaft in Form eines Dreiecks, ausbildet.
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2C zeigt dieselbe Anordnung, jedoch um 180° gedreht. Wie in 2C zu erkennen ist, werden die beiden Bauelemente 203, 204 durch das Knicken des Substrats 210 entlang der Knickkante 205 derart zueinander ausgerichtet, dass sich innerhalb des dreidimensionalen Körpers ein Kommunikationspfad 206 zwischen den beiden Bauelementen 203, 204 ausbildet.
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Der Kommunikationspfad 206 kann ein direkter oder indirekter, z.B. gefalteter, Strahlengang sein. In diesem Kommunikationspfad 206 können Wellen, z.B. Schallwellen, oder Strahlung, z.B. elektromagnetische Strahlung in Form von Licht, übertragen werden.
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Dementsprechend können die beiden Bauelemente 203, 204 optische Funktionselemente und/oder akustische Funktionselemente und/oder mikromechanische MEMS-Funktionselemente sein. Beispielsweise können die beiden Bauelemente 203, 204 optische Funktionselemente sein, die, wenn sie miteinander kommunizieren, ein optisches Off-Axis-System mit nicht geradlinigem Strahlverlauf bilden.
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In dem in den 2A, 2B und 2C gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Bauelement 203 ein strahlungsemittierendes Bauelement, und das zweite Bauelement 204 ist ein die Strahlung empfangendes Bauelement.
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Das strahlungsemittierende erste Bauelement 203 weist eine spezifische Strahlungscharakteristik auf, d.h. die Strahlung wird entlang eines für dieses Bauelement charakteristischen Strahlengangs 206 emittiert. Dieser Strahlengang 206 entspricht in diesem Fall dem in 2C gezeigten Kommunikationspfad 206. Im Falle von akustischen Funktionselementen 203, 204 wäre der Kommunikationspfad 206 der Pfad entlang dem sich die von dem schallemittierenden Bauelement ausgesandten Schallwellen in Richtung des schallempfangenden Bauelements ausbreiten.
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Wie in 2C zu sehen ist, sind die beiden Substratbereiche 201, 202 derart zueinander ausgerichtet, dass sich der Kommunikationspfad 206 zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelement 203, 204 ausbildet. Das heißt, das erste Bauelement 203 strahlt elektromagnetische Strahlung oder Schallwellen aus, die sich in Abhängigkeit der spezifischen Strahlungscharakteristik des ersten Bauelements 203 entlang des Strahlengangs bzw. Kommunikationspfads 206 in Richtung des zweiten Bauelements 204 ausbreiten.
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Anders ausgedrückt sind die beiden Bauelemente 203, 204 derart zueinander ausgerichtet sein, dass sich der Kommunikationspfad 206 in Abhängigkeit der spezifischen Strahlungscharakteristik des ersten Bauelements 203 zwischen den beiden Bauelementen 203, 204 ausbreitet.
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Da die beiden Bauelemente 203, 204 in diesem Ausführungsbeispiel auf jeweils einem Substratbereich 201, 202 bereitgestellt sind, kann die Ausrichtung der beiden Bauelemente 203, 204 relativ zueinander unter anderem durch die Ausrichtung der beiden Substratbereiche 201, 202 relativ zueinander beeinflusst werden. Erfindungsgemäß wird das Substrat 210 derart geknickt, dass die beiden Substratbereiche 201, 202 derart zueinander ausgerichtet sind, dass sich zwischen den beiden Bauelementen 203, 204 der Kommunikationspfad 206 ausbildet, d.h. sodass die von dem strahlungsemittierenden Bauelement 203 emittierte Strahlung auf dem strahlungsempfangenden Bauelement 204 auftrifft.
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Hierfür werden die beiden Bauelemente 203, 204 vor dem Knicken (2A) des Substrats an definierten Positionen auf dem Substrat 210 bereitgestellt. Diese definierten Positionen bestimmen sich zum einen in Abhängigkeit von der sich später, d.h. nach dem Knicken des Substrats 210, ergebenden Form des dreidimensionalen Körpers, und zum anderen in Abhängigkeit von der zuvor erwähnten Strahlungscharakteristik des strahlungsemittierenden Bauelements 203, 204.
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Erfindungsgemäß werden also die beiden Bauelemente 203, 204 vor dem Knicken des Substrats 210 derart auf den jeweiligen Substratbereichen 201, 202 bereitgestellt, dass sich nach dem Knicken des Substrats 210 ein Strahlengang 206 einer zwischen den beiden Bauelementen 203, 204 übertragenen Strahlung innerhalb des dreidimensionalen Körpers derart einstellt, sodass sich der Strahlengang 206 von dem die Strahlung emittierenden Bauelement 203 entlang eines direkten oder eines indirekten Pfades zu dem die Strahlung empfangenden Bauelement 204 hin ausbreitet.
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Die beiden Bauelemente 203, 204 können erfindungsgemäß also bereits auf dem noch nicht geknickten Substrat 210 (2A) an ihren jeweiligen definierten Positionen positioniert werden, sodass sich der Kommunikationspfad 206 nach dem Knicken des Substrats 210 ( 2C) zwischen den beiden Bauelementen 203, 204 wie gewünscht einstellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass die Bauelemente 203, 204 auf dem noch nicht geknickten Substrat 210 beispielsweise in herkömmlicher Planartechnik bereitgestellt werden können. Beispielsweise kann mindestens eines der beiden Bauelemente 203, 204 bereits bei der Herstellung des Substrats 210 mittels Planartechnik an dem jeweiligen Substratabschnitt 201, 202 bereitgestellt werden.
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Unter dem Bereitstellen eines Bauelements 203, 204 auf einem Substratabschnitt 201, 202 ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung zu verstehen, dass Bauelemente 203, 204 beispielsweise auf dem jeweiligen Substratbereich 203, 204 angeordnet werden können, z.B. als SMD-Bauelement (SMD: surface mounted device; deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement), oder dass Bauelemente 203, 204 in dem jeweiligen Substratbereich 201, 202 ausgebildet werden, z.B. unter Anwendung von Fotolithografieverfahren und/oder Ätzverfahren.
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Wie insbesondere in 2A zu erkennen ist, werden die einzelnen Substratbereiche 201, 202 durch die Knickkanten 205 definiert. In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel ist eine einzige Knickkante 205 gezeigt, die das Substrat 210 in den ersten Substratbereich 201 und in den zweiten Substratbereich 202 unterteilt.
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Die einzelnen Substratbereiche 201, 202 sind einstückig miteinander ausgebildet und an den jeweiligen Knickkanten 205 miteinander in Kontakt. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 von bekannten Vorrichtungen, bei denen mehrere einzelne Substrate zu einem dreidimensionalen Körper zusammengefügt werden.
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Eine Knickkante 205 kann beispielsweise bei Siliziumsubstraten durch Ätzen eines Grabens bereitgestellt werden. Der Graben wird dabei lediglich so tief geätzt, dass sich das Substrat 210 nicht physisch in zwei Teile separiert. Der Graben bzw. die dadurch entstehende Knickkante 205 teilt das Substrat 210 lediglich in zwei Substratbereiche 201, 202 auf, die aber immer noch einstückig miteinander bzw. einstückig mit dem Substrat 210 ausgebildet sind.
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Die 3A bis 3F zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 mit mehr als einer Knickkante.
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3A zeigt ein Substrat 210 mit insgesamt neun Knickkanten 205a bis 205i. Dementsprechend ist das Substrat 210 in zehn Substratbereiche unterteilt.
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3B zeigt, dass auf einem ersten Substratbereich 201 ein erstes Bauelement 203 bereitgestellt ist. Auf einem zweiten Substratbereich 202 ist ein zweites Bauelement 204 bereitgestellt. Auf dem ersten Substratbereich 201 ist zusätzlich noch ein drittes Bauelement 304 bereitgestellt. Es sind also zwei Bauelemente 204, 304 auf dem ersten Substratbereich 201 bereitgestellt, und ein Bauelement 205 ist auf dem zweiten Substratbereich 202 bereitgestellt.
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Das erste Bauelement 203 kann beispielsweise ein strahlungsemittierendes Bauelement, z.B. eine LED, sein. Das zweite Bauelement 204 kann beispielsweise ein die Strahlung reflektierendes Bauelement sein. Das dritte Bauelement 304 kann ein strahlungsempfangendes Bauelement, z.B. eine Fotodiode, sein.
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Es ist aber auch denkbar, dass auf dem zweiten Substratbereich 202 kein Bauelement bereitgestellt ist. Dann wären die beiden Bauelemente 204, 304, d.h. ein erstes und ein zweites Bauelement 204, 304, beide auf dem ersten Substratbereich 201 angeordnet. Wenn das Substrat 210 beispielsweise reflektierende Eigenschaften aufwiese, dann könnte das auf dem zweiten Substratbereich 202 bereitgestellte reflektierende Bauelement 205 weggelassen werden und das erste und das zweite Bauelement 204, 304 könnten auf demselben, d.h. auf dem ersten, Substratbereich 201 bereitgestellt werden.
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In 3C ist gezeigt, wie das Substrat 210 geknickt werden kann. Hier werden zunächst die Substratabschnitte entlang der Knickkanten 205a, 205c, 205g, 205h geknickt.
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In 3D werden dann die Substratabschnitte entlang der Knickkanten 205b, 205f geknickt.
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In den 3C und 3D sind außerdem Begrenzungsstrukturen 301, 302 abgebildet. Die Begrenzungsstrukturen 301, 302 werden ebenfalls auf dem Substrat 210 bereitgestellt, wobei diese beim Knicken des Substrats 210 den Betrag der Lageänderung des jeweils geknickten Substratbereichs begrenzen.
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Die Begrenzungsstrukturen 301, 302 sind hier beispielhaft als mechanische Anschläge ausgebildet. Die Begrenzungsstrukturen 301, 302 begrenzen die Lageänderung der geknickten Substratbereiche 310, 311, 312, 313 nach innen.
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In 3E ist der Substratbereich 314 entlang der Knickkante 205e geknickt, und der Substratbereich 315 ist entlang der Knickkante 205d geknickt.
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Somit ergibt sich in 3E durch das Knicken des Substrats 210 ein dreidimensionaler Körper, der eine Öffnung 320 aufweist. Das heißt, der dreidimensionale Körper ist mit Ausnahme von mindestens einer Seite auf all seinen verbleibenden Seiten mittels der Substratabschnitte verschlossen. Der dreidimensionale Körper ist hier vergleichbar mit einer Schachtel ohne Deckel.
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Die Öffnung 320 kann bei Bedarf mit einem Deckel verschlossen werden, wobei der Deckel als ein von dem Substrat 210 separates Bauteil ausgeführt sein kann.
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Wie in 3F zu erkennen ist, kann das Substrat 210 aber auch einen weiteren Substratbereich 316 aufweisen, mittels dem die zuvor erwähnte Öffnung 320 verschlossen werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ergibt das Knicken des Substrats 210 entlang der Knicklinie 205i einen dreidimensionalen Körper, der mittels der einzelnen Substratbereiche allseitig verschlossen ist.
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4 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus 3E. Es sind zum einen die Begrenzungselemente 301, 302 zu erkennen, die einen mechanischen Anschlag für die Substratbereiche 310, 311, 312, 313 bilden.
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Außerdem sind in 4 die Bauelemente 203, 204, 304 gut zu erkennen. Hier sind ein strahlungsemittierendes erstes Bauelement 203 und ein strahlungsempfangendes zweites Bauelement 304 gemeinsam auf dem ersten Substratbereich 201 bereitgestellt.
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Auf dem zweiten Substratbereich 204 ist ein reflektierendes Bauelement, z.B. ein MEMS-Spiegel, angeordnet. Das strahlungsemittierende Bauelement 203 sendet Strahlung aus. Diese ausgesandte Strahlung trifft auf das reflektierende Bauelement 204. Das reflektierende Bauelement 204 reflektiert die Strahlung, sodass diese auf das strahlungsempfangende Bauelement 304 auftrifft.
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Somit bildet sich also zwischen dem strahlungsemittierenden Bauelement 203 und dem strahlungsempfangenden Bauelement 304 ein Strahlengang bzw. ein Kommunikationspfad 206 aus.
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Im Gegensatz zu dem in 2C gezeigten Ausführungsbeispiel ist der in 4 gezeigte Kommunikationspfad jedoch ein indirekter Kommunikationspfad, da er an dem reflektierenden Bauelement 204 reflektiert wird und somit nicht auf direktem Wege von dem strahlungsemittierenden Bauelement 203 zu dem strahlungsempfangenden Bauelement 304 geleitet wird.
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In dem Strahlengang bzw. dem Kommunikationspfad 206 kann außerdem ein Prisma 317 angeordnet sein, um die Strahlung bei Bedarf entsprechend abzulenken.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300. Die hier abgebildete Vorrichtung 300 weist mindestens eine Öffnung 501 auf, die in einem der Substratbereiche ausgebildet ist. Diese mindestens eine Öffnung 501 ist derart ausgebildet, dass elektromagnetische Strahlung und/oder Schallwellen hindurchtreten können, um einen Austausch der elektromagnetischen Strahlung und/oder der Schallwellen zwischen dem dreidimensionalen Körper und der Umgebung bereitzustellen.
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Durch diese Öffnung 501, oder alternativ durch mindestens eine andere Öffnung 502, in einem der Substratbereiche, kann Gas zwischen dem dreidimensionalen Körper und der Umgebung austauschbar sein. Die Öffnung 501, 502 kann ausgebildet sein, um einen Lichteintritt in das Innere des dreidimensionalen Körpers abzuschwächen und/oder zu verhindern.
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Das in 5 abgebildete Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 weist außerdem einen Substratbereich auf, in dem eine lokale Struktur 503 eingebracht ist, die eine Transparenz zur lokalen Lichtdurchlässigkeit aufweist. Hierbei kann es sich um eine einfache Öffnung oder um ein Fenster handeln. Das Fenster 503 kann, z.B. mittels einer speziellen Beschichtung, einfallendes Licht zumindest teilweise reflektieren, sodass nur bestimmte Wellenlängenbereiche in den dreidimensionalen Körper eintreten können.
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Die lokale Struktur 503 kann aber auch als eine Struktur mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zur lokalen Kühlung, z.B. in Gestalt einer Heatpipe, ausgebildet sein.
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Nachfolgend sollen einige Beispiele aufgeführt werden, die mittels der vorliegenden Erfindung realisierbar sind.
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NDIR Gasanalysesystem
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Für Anwendungen in der Gasanalyse werden oftmals eine Lichtquelle mit zwei Filtern und entsprechenden Detektoren kombiniert. Verschiedene Aufbauvarianten unterschiedlicher Komplexität sind verfügbar. Relevant ist eine Lichtstrecke, mittels derer die spezifische Absorption eines Gases, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, in Luft erfasst wird.
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In einer Anordnung gemäß der Erfindung wird ein Substrat bereitgestellt, bei dem an jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Teilfläche an einer rechteckigen Grundfläche angeordnet ist. Auf den beiden Teilen an den kurzen Seiten des Rechtecks werden die Lichtquelle, die Detektoren, die Filter und eventuelle Umlenkspiegel in der benannten Planartechnologie montiert.
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Anschließend werden die an den langen Kanten vorgesehenen Seitenflächen hochgeklappt und bilden durch ihre Kanten die Anschläge, die die Endposition für die kurzen Kanten darstellen. Diese werden hochgeklappt und schlagen bei exakt 90° gegen die Anschläge, so dass die Flächen sich im Rahmen enger Toleranzen gegenüberstehen und der Strahlengang von der Lichtquelle zur gegenüberliegenden Filter- Detektoreinheit automatisch justiert ist.
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Alternativ kann auch eine Variante realisiert werden, bei der die Lichtquelle und die Filter-Detektoreinheit auf einer Fläche realisiert sind und auf der gegenüberliegenden Seite ein Spiegel angeordnet ist.
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Das System wird durch Montage eines Deckels, der entweder als gesondertes Bauelement oder in Verbindung mit einer entsprechend ausgeführten Fläche des Substrats vorgesehen sein kann, abgeschlossen und versiegelt.
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Nahinfrarotspektrometer - erste Variante Hybridspektrometer
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Am Fraunhofer IPMS wurde ein MEMS basiertes Gitterspektrometer im Zuckerwürfelformat entwickelt. Dieses System basiert auf der Idee, einen Stapel von planaren bzw. teilplanaren Substraten zu fügen. Die Verfügbarkeit schneller Montagemaschinen für die Realisierung von Mikrosystemen aus einem Stapel planarer Substrate befördert solche Entwicklungen, die beispielsweise auch zur Herstellung von Kameras für Mobiltelefone in großen Stückzahlen erfolgreich eingesetzt werden. Mit der planaren bzw. teilplanaren Ausführung sind wichtige Restriktionen und damit Kosten bei der Realisierung der einzelnen Substrate verbunden. Die Vorteile der schnellen und kostengünstigen Montagetechnik werden in Teilen durch Stückkosten der einzelnen Substrate aufgebraucht. Weiterhin existieren Fälle, bei denen Systeme wie beispielsweise Gitterspektrometer aufgrund der planaren bzw. teilplanaren Restriktionen einer derartigen Realisierung nicht zugänglich sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auch die Herstellung von Mikrospektrometern mit komplexen Strahlenverläufen. Mit der vorliegenden Erfindung können im Vergleich zu dem vorgenannten Substratstapel die erreichbaren Stückzahlen nochmals deutlich erhöht und die Fertigungskosten erheblich reduziert werden.
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Ein entsprechend bereitgestelltes Substrat weist passende Biegekanten und Anschläge zum Einstellen der erforderlichen Winkel auf. Die Baugruppen MEMS-Chip (mit dem Eingangsspalt, MEMS-Gitter und Austrittsspalt) werden über dem Detektor auf einer Seite des Substrats montiert. Auf der anderen Seite wird das Spiegelbauelement (Kollimationsspiegel und Refokussierspiegel, entweder zwei Bauteile oder gemeinsam in einem Halbzeug realisiert) in planarer Technologie montiert.
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Anschließend werden die vorgefertigten Seitenwände hochgeklappt und stellen durch die Anschläge präzise Winkel zur Grundfläche her. Der Deckel schließt das Gehäuse ab, fixiert die aufgefalteten Komponenten und verhindert das Eindringen von Streulicht und mechanischen Verunreinigungen.
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Vorteilhaft ist die einfache Ausführung mit rechteckigem Grundriss und stets rechtwinkliger Ausführung. Jedoch werden hohe Anforderungen an die Topologie der Spiegel gestellt (i.A. sind bikonische off-axis Spiegel notwendig), um eine passable Abbildungsleistung zu erzielen.
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Nahinfrarotspektrometer - zweite Variante Czerny-Turner-Anordnung
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Die originale Ausführung eines Czerny-Turner-Spektrografen erreicht mit rotationssymmetrischen sphärischen Spiegeln brauchbare Abbildungsleistungen, wobei jedoch das Gitter stark verkippt werden muss. Mit dem Ansatz des oben genannten Ausführungsbeispiels b) ist dies aus technologischen Gründen nicht möglich.
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Ein MEMS basiertes Spektrometer mit einer Anordnung wie nach Czerny und Turner beschrieben, kann realisiert werden, indem das Gitter und die Spalte als einzelne Bauelemente ausgeführt werden.
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Das Substrat weist entsprechende Biegekanten und Anschläge zum Einstellen der erforderlichen Winkel auf. Die Baugruppen Eingangsspalt, Kollimationsspiegel, MEMS-Gitter, Refokussierspiegel, Austrittsspalt und Detektor werden in planarer Technologie montiert. Anschließend werden die vorgefertigten Seitenwände hochgeklappt und stellen durch die Anschläge präzise Winkel zur Grundfläche her.
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Die Position des Gitters kann durch die Wahl der Knickkante so eingestellt werden, dass sie für die Funktion des Spektrometers optimal ist. Der Deckel schließt das Gehäuse ab, fixiert die aufgefalteten Komponenten und verhindert das Eindringen von Streulicht und mechanischen Verunreinigungen.
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Die Justage des Systems beschränkt sich auf eine Kalibrierung der Wellenlängenskala, die im Rahmen der Fertigungsendprüfung erfolgen kann, wobei in einfacher Weise die digitale Kalibrierdatei in einem nichtflüchtigen Speicher des Systems hinterlegt werden kann.
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Vorteilhaft ist die einfache (kostengünstige) Bauform der Spiegel. Jedoch ist ein erhöhter Montage- und Justageaufwand nötig, was gegebenenfalls zu möglichen Einschränkungen der Leistungsfähigkeit des Systems durch Ungenauigkeiten bei der Montage führen kann.
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Nahinfrarotspektrometer - dritte Variante 2D Scanning Grating Anordnung
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel für ein Nahinfrarotspektrometer wird ein neuartiger Chip verwendet, bei dem das bewegliche Gitter in einem im Chip realisierten Rahmen gefertigt wird, der wiederum gegenüber dem verbleibenden Chip einmalig durch eine entsprechende Struktur ausgelenkt werden kann.
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Der MEMS Chip weist somit die beiden Spalte sowie das im Rahmen vorgesehene bewegliche Gitter auf. Die Ausrichtung der Spalte und des Gitters wird durch die Lithografie des Herstellungsprozess mit höchster Genauigkeit eingestellt.
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Das Substrat weist neben den Biegekanten und Anschlägen auch eine Struktur auf, die aus der Ebene herausragt und so ausgeführt ist, dass bei der Montage des MEMS Chips der Rahmen mit dem darin befindlichen Gitter dauerhaft vorausgelenkt wird und zwar um einen gezielt auf den Spektralbereich ausgewählten Winkel.
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Alternativ kann diese Struktur justierbar oder sogar im Betrieb verstellbar ausgeführt werden, wodurch mit einem etwas erhöhten Aufwand eine signifikant erweiterbare Funktion (z.B. Kalibrierung des Wellenlängenbereichs oder sogar Einstellbarkeit des Wellenlängenbereichs) ermöglicht wird.
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Der verbleibende Fertigungsprozess entspricht den vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei hier wiederum rotationssymmetrische sphärische Spiegel ausreichen können, um eine gute Abbildungsleistung zu erzielen.
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Vorteilhaft ist die einfache Justage und Fertigung des Systems. Jedoch ist der Aufwand bei der MEMS Bauelementfertigung etwas höher.
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Schiefspieglerkamera
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Im Bereich der Bilderfassungssysteme können mit der vorliegenden Erfindung neben axial angeordneten Linsensystemen und entsprechenden Spiegeloptiken mit Zentralabschattung auch off-axis Optiken nach dem von Anton Kuttern benannten Schiefspieglerprinzip realisiert werden.
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Diese haben den Vorteil, dass die rein reflektive Anordnung die chromatische Aberration und Absorption durch das Linsenmaterial vermeidet.. Die Bildverzerrung kann bei der Verwendung digitaler Detektoren mittels entsprechender Algorithmen korrigiert werden. Eine subpixelgenaue Korrektur ist möglich.
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Der gefaltete Strahlengang erfordert mit Ansätzen aus dem Stand der Technik einen hohen Aufwand bei der Herstellung der Systemkomponenten, der Montage und der Justage des Systems.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, den komplexen Strahlengang durch entsprechendes Ausführen der Lage der Biegekanten einzustellen. Die jeweiligen Spiegel (typischerweise vier Stück) werden in planarer Montage an der vorgesehenen Stelle montiert. Weiterhin wird der Detektor und erforderlichenfalls ein Eintrittsfenster vor der entsprechenden Öffnung des Substrats montiert. Die Ausführung der Flächen des Substrats wird so gewählt, dass nicht nur die Flächen und Anschläge sondern auch der lichtdichte Abschluss des Systems sicher gewährleistet wird.
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Multispektrale Kamera
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Die in Ausführungsbeispiel e) beschriebene Kamera nach dem Schiefspieglerprinzip weist den großen Vorteil auf, dass die Spiegeloptik die für Linsensysteme üblichen chromatischen Aberrationen und spektralen Absorptionen unterdrückt. Hierdurch ist es möglich, sehr breite Spektralbereiche zu adressieren.
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In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsvariante einer „Multispektralen Kamera nach dem Schiefspieglerprinzip“ können mehrere Detektoren parallel verwendet werden, um einen größeren Spektralbereich zu adressieren, als ein einzelner Detektor ermöglicht.
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In einem Testsystem aus dem Stand der Technik wurde ein hochauflösender Flächendetektor für den sichtbaren Spektralbereich mit einem zweiten Flächendetektor für Wärmebilder (thermisches Infrarot) kombiniert. Der Aufbau wird durch den Strahlteiler und den zusätzlichen Detektor komplexer und das Testsystem ist vergleichsweise groß.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung kann jedoch auch hier ein kompaktes System bereitgestellt werden, das effizient und auch in großen Stückzahlen kostengünstig gefertigt werden kann.
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Interferometer
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In zahlreichen Systemansätzen und Ausführungsvarianten wird die Interferenz von Licht für Systemfunktionen verwendet. Der Aufbau von Interferometern ist bezüglich der Justage stets besonders empfindlich, da die Strahlen möglichst deckungsgleich sein müssen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können verschiedene Typen von Interferometern aufgebaut werden.
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Im einfachsten Fall ist das Substrat in der Form eines Würfelnetzes realisiert, welche zusätzliche Flächen für die jeweiligen Anschläge aufweist. Ein Strahlteiler, z.B. als Würfel ausgeführt, wird in die Mitte montiert, zwei Seiten werden mit Spiegeln versehen, von denen einer modulierbar ist, eine Seite mit einer Eingangsapertur und die vierte Seite mit einem Detektor.
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Nach dem Zusammenfalten entsteht direkt das Interferometer, welches beispielweise zur spektralen Analyse des Lichts durch eine Fourier Transformation eingesetzt werden kann (sog. FT -Spektrometer).
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Hyperspektrale Kamera
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In Anwendungen zur Materialerkennung oder -sortierung werden oftmals sogenannte hyperspektrale Zeilenkameras eingesetzt. Der Aufbau eines solchen Systems kann vorteilhaft in der erfindungsgemäß beschriebenen Art und Weise erfolgen.
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Durchstimmbare Lichtquelle
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Ein weiteres komplexes Optiksystem stellt eine durchstimmbare Lichtquelle dar. Angepasste Ausführungsvarianten dieser Lichtquelle können anstelle eines Stapels von Substraten auch in der erfindungsgemäß beschriebenen Weise realisiert werden.
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Vorteilhaft hierbei ist die Verwendung von Standardbaugruppen, insbesondere seitens des Gitters, die zwar zusätzlichen Montageaufwand erfordern, jedoch bezüglich Verfügbarkeit und Variabilität vorteilhaft sein können.
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Laserprojektor und Head-Up Display
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Unter Verwendung eines oder mehrerer modulierbarer Lichtquellen mit engem Strahlprofil, vorzugweise Laser und einer Einrichtung zum Ablenken des Laserstrahls (beispielsweise ein 2D Scannerspiegel oder eine Kombination aus zwei 1D Scannerspiegeln), kann eine Projektionseinheit aufgebaut werden.
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Aufgrund der optischen Eigenschaften eignet sich diese besonders vorteilhaft für sogenannte Head-Up Displays. Derartige Anordnungen sind insbesondere bezüglich der Strahlkombination der Lichtquellen und der Scannerspiegel sehr justageempfindlich.
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Zur Minimierung von Bildfehlern, insbesondere der konischen Bildverzerrung, ist ein möglichst steiler Einfallswinkel vorteilhaft. Hierdurch wird ein komplexer dreidimensionaler Strahlverlauf erforderlich.
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Eine derartige Anordnung kann mit der erfindungsgemäßen Lösung besonders vorteilhaft realisiert werden.
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Prismenspektrograph
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Prismenspektrographen gelten oftmals zu Unrecht als technisch überholt. Speziell für sehr hohe Fertigungsvolumen bieten moderne Fertigungstechnologien mögliche Systemansätze, die seitens der Herstellungskosten vorteilhaft sein können.
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In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung sind Systeme möglich, die aufgrund der effizienten Herstellung extrem kostengünstig gefertigt werden können.
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weitere Anwendungsbeispiele
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In weiteren Anwendungsbeispielen sind unter anderem auch akustische oder Ultraschall-basierte Systeme anstatt der zuvor beschriebenen optischen Systemen denkbar. Relevant ist die Ausbreitung einer Energieform (z.B. Licht, elektromagnetische Strahlung, Schall, Ultraschall, andere Wellen, etc.) entlang einer mehr oder weniger ausgeprägten Richtung, die dann einen Weg passiert, eine Wechselwirkung erfährt oder bewirkt und dann wieder messtechnisch erfasst wird. Die Aufzählung möglicher Anwendungsbeispiele ist nicht abschließend; zahllose weitere Anwendungsbeispiele sind denkbar.
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Denkbar wären hier zum Beispiel Ausführungsbeispiele, wie z.B. ein Prismenfernglas oder ein Periskop, die ohne jegliche elektrische Funktion auskommen könnten.
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Die Erfindung beschreibt also unter anderem ein Verfahren, um aus einem planaren Substrat durch das Prägen von Knickkanten und das Trennen entlang vorgesehener Kanten durch Falten einen dreidimensionalen Körper herzustellen. Eine besonders hohe Genauigkeit bzw. Formstabilität kann durch entsprechend vorgesehene Anschläge erreicht werden, ohne dass mittels Füge oder Klebeverfahren eine zusätzliche Stabilisierung vorgesehen werden muss. Zur Veranschaulichung ist dies in etwa vergleichbar mit Versandkartons von Logistikunternehmen. Bei der Erfindung handelt es sich jedoch um wesentlich kleinere Abmessungen, so dass erheblich filigranere Knickkanten bereitgestellt werden müssen, die mit herkömmlichen Pappkartons nicht vergleichbar sind.
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Heutige Fertigungstechnologien für Kunststoffteile und andere in Frage kommende Substratwerkstoffe ermöglichen Genauigkeiten von besser als 10 µm. Abformende Verfahren können beispielsweise planare Werkstücke mit vorgezeichneten Knick- oder Trennkanten hocheffizient in großen Stückzahlen bereitstellen. Die Lage solcher Kanten ist frei wählbar, so dass nicht nur rechtwinkelige Körper realisiert werden können. Die erreichbaren Genauigkeiten liegen bei Systemdimensionen im Zentimeterbereich bei 1:1000, was für die Justage vieler Optiksysteme ausreichend ist.
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Montagewerkzeuge zur Platzierung von Baugruppen auf planaren oder näherungsweise planaren Substraten sind verfügbar, deren Positioniergenauigkeit weniger als einen Mikrometer betragen kann.
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Somit bietet die Erfindung eine Möglichkeit, um mittels eines geeigneten Substrats und einem entsprechenden Fertigungsablauf ein komplexes Optiksystem in einfacher Weise zu fertigen. Große Stückzahlen können mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kostengünstig bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß kann ein planares oder zumindest näherungsweise planares Substrat derart ausgeführt werden, dass nach der Montage der Bauelemente mittels eines entsprechenden Montagetools, Teilbereiche entlang vorgesehener Linien/Kanten (z.B. im Substrat vorgegeben, oder besonders gekennzeichnet, biegbar, etc.), verkippt werden. Außerdem können gegebenenfalls erwünschte Kippwinkel und Lagen durch Anschläge mechanisch hergestellt werden, ohne dass eine Justage erforderlich ist.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sich der (gefaltete/komplexe) Strahlengang selbstständig einstellt.
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Die Erfindung bietet zusammenfassend also den Vorteil, „off-axis“ Optiksysteme mit komplexem Strahlenverlauf durch eine einfache Montage mittels eines Planarmontagegerätes zu realisieren und den Strahlengang so herzustellen, dass ein möglichst geringer Justageaufwand entsteht, in dem sich das System selbst bei der Fertigstellung justiert oder sehr einfache (automatisierbare) Justageschritte ausreichen, um den Strahlengang einzustellen.
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In etwas allgemeineren Worten ausgedrückt, kann die Erfindung in folgenden Ausführungsbeispielen ausgeführt sein. Diese Ausführungsbeispiele können mit jeder in den Ansprüchen beanspruchten Ausführungsform kombinierbar sein, wobei die beanspruchte Vorrichtung nachfolgend auch als System bzw. optisches System bzw. Optiksystem bezeichnet wird.
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Ausführungsbeispiel 1:
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System und Verfahren zur Herstellung desselben, gekennzeichnet dadurch, dass auf einem planaren oder nahezu planaren Substrat eine Mehrzahl von Komponenten montiert werden, die eine optische, elektrische, mechanische oder akustische Funktion aufweisen, das Substrat durch vorgesehene Vor- bzw. Einrichtungen wie Trennlinien, Biegekanten, Anschläge oder dergleichen in eine dreidimensionale Anordnung überführt wird, derart dass mindestens zwei Komponenten zueinander in einer Beziehung stehen, die für die Systemfunktion relevant ist und dieser selbstständig eingestellt wird, so dass keine Justage oder maximal eine geringfügige Nachjustierung erforderlich ist.
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Dies bedeutet, dass:
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- - ein Substrat hergestellt wird, welches bevorzugte Kanten zum Umbiegen vor Teilbereichen des Substrats vorsieht
- - weitere Strukturen, die zur Einstellung bestimmter Winkel beim Umbiegen von Teilbereichen fungieren, eine Mehrzahl von Bauelementen mit optischer Funktion wie Spiegel, Gitter, Linsen, Aperturbegrenzungen (Spalte, Pinholes), Detektoren, Strahlteiler, Filter; mechanischer, elektrischer Funktion wie MEMS Komponenten oder akustischer Funktion auf dem Substrat platziert werden
- - gegebenenfalls Öffnungen in Substrat vorgesehen sind, die elektromagnetische Strahlung oder Schallwellen durchlassen
- - nach dem Umbiegen der Teilbereiche der Strahlengang selbstständig oder durch geringe Nachjustierung eingestellt wird
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Ausführungsbeispiel 2:
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System nach Ausführungsbeispiel 1, wobei die Präzision der Anordnung qualitativ oder sogar quantitativ spezifiziert ist, z.B. der Strahlverlauf die jeweiligen Begrenzungen der Komponenten nicht überschreitet. Montagegenauigkeit ist besser als 50 µm / 20 µm / 10 µm / 5 µm - bzw. analoges für die Winkel der Strahlverläufe.
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Ausführungsbeispiel 3:
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Optisches System nach Ausführungsbeispiel 1 oder 2, in der Form eines optischen Systems mit nicht geradlinigem Strahlverlauf oder optisches System mit komplexem nicht geradlinigem Strahlverlauf oder off-axis System.
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Ausführungsbeispiel 4:
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System nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele mit Kanten und Anschlägen die ausgebildet sind zur Einstellung von Positionen mit einer Genauigkeit von besser als 50 µm / 20 µm /10 µm / 5 µm.
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Ausführungsbeispiel 5:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei das Optiksystem ein Gitterspektrometer oder Gitterspektrograph oder Gittermonochromator ist.
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Ausführungsbeispiel 6:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei das Optiksystem ein Prisma enthält.
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Ausführungsbeispiel 7 :
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei eine Interferenz von elektromagnetischer Strahlung erzeugt wird.
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Ausführungsbeispiel 8 :
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei durch einen nicht geradlinigen Strahlengang mindestens eine Abbildung erzeugt wird.
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Ausführungsbeispiel 9:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei Leitbahnen im Substrat integriert sind.
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Ausführungsbeispiel 10:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei eine lokale Struktur in das Substrat eingebracht wird, die eine besondere Eigenschaft vorsieht, wie eine hohe Wärmeleitfähigkeit zur lokalen Kühlung „Heatpipe“ oder eine Transparenz zur lokalen Lichtdurchlässigkeit, z.B. „Fenster“ oder optischer Spalt.
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Ausführungsbeispiel 11:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei mindestens ein Bauelement direkt bei der Herstellung des Substrats mit hoher Genauigkeit in das Substrat eingebracht wird.
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Ausführungsbeispiel 12:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei der Fertigungsprozess mehrere Teilschritte aufweist, die sukzessive die 3D Anordnung ergeben (Ecken hochklappen, dann Seiten umbiegen; s. 3A-3F)
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Ausführungsbeispiel 13:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei das Substrat alle Seitenflächen des Systems in einem Teil beinhaltet.
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Ausführungsbeispiel 14:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei das Substrat in das System überführt wird und dieses durch ein weiteres Bauteil (Deckel) verschlossen wird.
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Ausführungsbeispiel 15:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei ein speziell ausgeführter Teilbereich des Substrats mit einem Bauelement wechselwirkt und dadurch eine vorteilhafte Funktion erreicht wird (beispielsweis eine mechanische Vorauslenkung eines beweglichen Funktionselements).
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Ausführungsbeispiel 16:
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Optiksystem gemäß vorherigen Ausführungsbeispielen, wobei Öffnungen im Gehäuse einen Gasaustausch zulassen. Erforderlichenfalls werden die Öffnungen so angeordnet, dass die entstehenden Kanäle das Eindringen von Licht unterbinden.
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Mit der hier beschriebenen und offenbarten Erfindung kann ein planares oder zumindest näherungsweise planares Substrat so ausgeführt werden, dass nach der Montage der Bauelemente durch ein entsprechendes Montagetool, Teilbereiche entlang vorgesehener Linien/Kanten - im Substrat vorgegeben, durch Ausführung besonderes gekennzeichnet, biegbar, ... - verkippt werden, gegebenenfalls erwünschte Kippwinkel und Lagen durch Anschläge mechanisch hergestellt werden, ohne dass eine Justage erforderlich ist
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Mit der hier beschriebenen und offenbarten Erfindung kann sich außerdem der (gefaltete/komplexe) Strahlengang selbstständig einstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008019600 A1 [0012]
