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Die Erfindung betrifft eine lichtdurchlässige Abdeckscheibe mit Betauungsschutz für Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere für Kfz-Scheinwerfer. Die Erfindung betrifft außerdem eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Abdeckscheibe.
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Die genannten Abdeckscheiben finden beispielsweise bei Beleuchtungseinrichtungen Verwendung, wo sie zur Abdeckung eines Lichtaustrittsabschnittes beziehungsweise einer Lichtaustrittsöffnung der Beleuchtungseinrichtung dienen.
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Bei abgedeckten Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere bei Kfz-Scheinwerfern, kann aufgrund von Luftfeuchtigkeit unter bestimmten Umweltbedingungen eine störende Betauung beziehungsweise ein störendes Beschlagen der Abdeckscheibe auftreten. Dies kann sich als ein bei Betrachtung der Beleuchtungseinrichtung unschön wirkender Schleier auf der Abdeckscheibe auswirken. Störend ist insbesondere eine Betauung auf der die Lichtaustrittsöffnung abdeckenden Innenfläche der Abdeckscheibe von Scheinwerfern, da diese Innenfläche von außen nicht zugänglich ist und daher nicht einfach abgewischt werden kann.
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Die Betauung beziehungsweise das Beschlagen der Abdeckscheibe ist auf Kondensation von Wasserdampf, das heißt auf die Bildung mikroskopisch kleiner Tröpfchen, zurückzuführen. Solche Tröpfchen streuen das Licht im sichtbaren Bereich. Daher kann eine transparente Scheibe durch Betauung nahezu vollständig undurchsichtig werden.
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Kondensation an einem Gegenstand tritt generell dann auf, wenn der Taupunkt erreicht wird, das heißt, wenn bei vorhandener Feuchte bei einem gegebenen Umgebungsdruck die Temperatur des Gegenstandes unter die Taupunkttemperatur fällt. Dann stellt sich auf der Oberfläche des Gegenstandes ein Gleichgewichtszustand aus kondensierendem und verdunstendem Wasser ein, wobei sich kleine Wassertröpfchen als Kondensationskeime ausbilden.
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Um bei Beleuchtungseinrichtungen diese störende Betauung zu vermeiden, sind verschiedene Lösungsansätze bekannt. So ist beispielsweise denkbar, bei einer mit einer Abdeckscheibe bedeckten Beleuchtungseinrichtung Belüftungsöffnungen für den von der Abdeckscheibe abgedeckten Innenraum vorzusehen. Durch Luftzirkulation kann dann kondensiertes Wasser wieder in die Gasphase überführt und abtransportiert werden. Diese Maßnahmen sind bei Fahrzeugleuchten jedoch nur begrenzt möglich, da in diesem Anwendungsgebiet eine Abdichtung des Scheinwerfers gegenüber der Umwelt erforderlich ist.
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Zur Vermeidung von Betauung sind außerdem Antifog-Beschichtungen bekannt. Solche Beschichtungen bestehen in der Regel aus einem Netzmittel, welches die Oberflächenspannung von Wasser herabsetzen und so Tröpfchenbildung verhindern kann. Allerdings müssen derartige Beschichtungen in einem meist aufwändigen, weiteren Fabrikationsschritt auf die Abdeckscheibe aufgebracht werden.
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Problematisch an den genannten Ansätzen zur Vermeidung von Betauung ist daher, dass sie in der Regel die Herstellung von Beleuchtungseinrichtungen beziehungsweise Scheinwerfern aufwändig und damit vergleichsweise teuer machen. So sind beispielsweise zum Aufbringen einer Antifog-Beschichtung weitere Arbeitsschritte nach der Herstellung der Abdeckscheibe selbst erforderlich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auf einfache und kostengünstige Weise einen Betauungsschutz für Beleuchtungseinrichtungen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine lichtdurchlässige Abdeckscheibe gemäß dem Schutzanspruch 1 sowie durch eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Schutzanspruch 15 gelöst.
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Insofern wird eine lichtdurchlässige Abdeckscheibe zur Abdeckung eines Lichtaustrittsabschnittes einer Beleuchtungseinrichtung vorgeschlagen, wobei die Abdeckscheibe eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist. Außerdem ist die Abdeckscheibe derart ausgebildet, dass auf die Innenfläche eingestreutes Licht, insbesondere mit Wellenlänge, im sichtbaren Bereich durch die Abdeckscheibe hindurch gestrahlt werden kann und durch die Außenfläche austreten kann.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe weist die Innenfläche der Abdeckscheibe eine Vielzahl von Nanostrukturelementen zur Vermeidung von Betauung und Beschlagen der Innenfläche auf. Dabei sind die Nanostrukturelemente einstückig mit der Abdeckscheibe verbunden und derart ausgebildet, dass die Nanostrukturelemente bei Betrachtung mit dem menschlichen Auge unsichtbar sind und dass eine Bildung von Flüssigkeitströpfchen durch Kondensation an der Innenfläche vermeidbar ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Abdeckscheibe muss daher keine Beschichtung auf die Innenfläche aufgebracht werden, da die Abdeckscheibe und die Nanostrukturelemente einstückig ausgebildet sind. Vielmehr können die Nanostrukturelemente aus dem Material der Abdeckscheibe selbst gebildet werden. Dies ist vorteilhaft in einem Herstellungsschritt möglich, was eine kostengünstige Herstellung erlaubt.
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Da die Nanostrukturelemente einstückig mit der Abdeckscheibe ausgebildet sind, wird die Transparenz der Abdeckscheibe nicht durch störende Grenzflächen beeinträchtigt. Es ist daher möglich, eine vollkommen klar erscheinende Abdeckscheibe nach der erfindungsgemäßen Lehre auszubilden.
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Eine störende Betauung beziehungsweise ein Beschlagen der Abdeckscheibe wird dadurch vermieden, dass aufgrund der Nanostrukturelemente die Bildung von Kondensationskeimen bei Unterschreitung des Taupunktes gestört wird.
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Um dies zu erreichen, weisen die Nanostrukturelemente in der Regel zumindest eine charakteristische Strukturlänge (Höhe, Abstand voneinander, Kantenlänge oder Ähnliches) auf, welche im Bereich oder kleiner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht in Vakuum gewählt ist (zwischen etwa 380 nm bis 780 nm). Denkbar sind insbesondere Strukturlängen zwischen 10 nm und 1000 nm. Die Nanostrukturelemente können regelmäßig angeordnet sein mit Abständen, welche der charakteristischen Strukturlänge (z. B. Ausdehnung) eines Nanostrukturelements entsprechen oder in derselben Größenordnung liegen. Denkbar ist jedoch auch eine unregelmäßige Anordnung, insbesondere mit mittleren Abständen in der Größenordnung der genannten Strukturlänge.
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Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn die Abdeckscheibe in einem einzigen Spritzgussverfahren oder Spritzprägeverfahren hergestellt wird, wobei die Nanostrukturelemente mit der Innenfläche gemeinsam ausgeformt werden. Insbesondere erfolgt die Ausbildung der Nanostrukturelemente in ein und demselben Spritzguss-Verfahrensschritt wie die Herstellung der Abdeckscheibe. Dadurch werden die Nanostrukturelemente während des Spritzgießens auf die Innenfläche der Abdeckscheibe übertragen. Hierzu ist es beispielsweise möglich, ein Negativbild oder eine Negativstruktur der Nanostrukturelemente bereits auf oder an einem Einsatz beziehungsweise einer Matrize des Spritzgießwerkzeuges zur Herstellung der Abdeckscheibe aufzubringen. Man erhält dann direkt beim Spritzguss beziehungsweise Spritzprägeverfahren die gewünschte Oberflächenstruktur. Ein weiterer Fertigungsschritt zum Aufbringen einer Antifog-Beschichtung kann daher entfallen.
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Konkret sind die Nanostrukturelemente vorzugsweise derart ausgebildet, dass bei Abkühlung der Abdeckscheibe unter den Taupunkt der Umgebungsluft bei Standarddruck eine Bildung von Flüssigkeitströpfchen durch Kondensation an der Innenfläche insbesondere im Bereich der Nanostrukturelemente vermeidbar ist. Hierbei wird der Taupunkt bei einem Druck im Bereich des Normaldrucks, insbesondere im Bereich des Normaldrucks auf Meereshöhe, das heißt im Bereich von 1013 hPa beziehungsweise 1,013 bar gewählt.
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Die Abdeckscheibe selbst ist aus einem transparenten Material ausgebildet, das heißt einem für Licht im sichtbaren Bereich (Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 780 nm) durchlässigen Material wie beispielweise Glas oder transparenter Kunststoff (z. B. Acrylglas, PMMA).
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Die Nanostrukturelemente sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass Licht die Abdeckscheibe bei Betrachtung der Abdeckscheibe mit dem menschlichen Auge durch die Außenfläche im Wesentlichen streuungseffektfrei, das heißt ohne sichtbare Streuung an den Nanostrukturelementen durchdringt. Dies kann durch geeignete Wahl der genannten Strukturlängen der Nanostrukturelemente erzielt werden. Bei genügend kleinen Strukturlängen ist mit dem menschlichen Auge kein Streuungseffekt wahrnehmbar.
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Die Nanostrukturelemente können in vorteilhafter Weise auf der Innenfläche durch Ätzen, durch Laserbestrahlung oder durch Elektronenbestrahlung hergestellt werden. Insofern ist jede Art von Lithographie nach den vorstehenden Prinzipien denkbar, beispielsweise Elektronenstrahl-Lithographie oder Fotolithographie. Hierbei ist auch denkbar, dass eine im Spritzgussverfahren hergestellte erfindungsgemäße Abdeckscheibe mit einem der vorstehend genannten Verfahren nachbehandelt wird. Als Material für die Abdeckscheibe und die Nanostrukturelemente wird vorzugsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) und/oder Polycarbonat (PC) gewählt. Diese Polymere haben sich bei der Verwendung in verschiedenen Lithographieverfahren, insbesondere Elektronenstrahl-Lithographie, bewährt und können als Flüssiglack auch gespritzt beziehungsweise geprägt werden.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Abdeckscheibe ergibt sich dadurch, dass die Innenfläche einen definierten Tauschutzbereich und einen Freibereich aufweist, wobei nur an dem Tauschutzbereich Nanostrukturelemente in der genannten Art und Weise angeordnet sind, das heißt wobei der Freibereich frei von Nanostrukturelementen ist. Insbesondere genügt es oftmals, wenn sich der Tauschutzbereich nur über einen bestimmten Bereich der Innenfläche erstreckt, welcher je nach Anwendung besonders anfällig für Betauung beziehungsweise Beschlagen ist. Diesbezüglich tritt Betauung besonders an den Bereichen der Abdeckscheibe auf, welche bei ihrer Verwendung deutlich kälter als andere Bereiche der Abdeckscheibe sind. Dabei kann es genügen, wenn der Tauschutzbereich zwischen 10% und 90% der gesamten Innenfläche bedeckt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist beispielsweise für eine Abdeckscheibe denkbar, welche in ihrer lateralen Ausdehnung (entlang der Innenfläche) von Begrenzungskanten berandet wird. In diesem Fall genügt es oftmals, wenn sich der genannte Tauschutzbereich nur über einen Teil der Innenfläche erstreckt und an die Begrenzungskante anschließt. Im übrigen, insbesondere in einem mittleren Bereich der Innenfläche, ist die Abdeckscheibe daher frei von Nanostrukturelementen. Dies kann genügen, da eine störende Betauung oftmals nur im Randbereich der Abdeckscheibe auftritt, da die Abdeckscheibe dort meist eine geringere Temperatur aufweist als in ihrem mittigen beziehungsweise von der Begrenzungskante beabstandeten Bereich.
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Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, wenn sich der begrenzte Tauschutzbereich in einem Mittenabschnitt beziehungsweise in einem von der Begrenzungskante beabstandeten Abschnitt der Innenfläche erstreckt. Dann schließt sich der Tauschutzbereich nicht an die Begrenzungskante an. Bei Verwendung der Abdeckscheibe in einer Beleuchtungseinrichtung kann der Tauschutzbereich auf der Innenfläche so vorgegeben werden, dass er sich nur an kritischen Stellen, das heißt an im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung vergleichsweise kalten Bereichen der Abdeckscheibe erstreckt.
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Die Nanostrukturelemente können beispielsweise zylinderförmig, kegelförmig oder pyramidenförmig mit einer Grundfläche und einer senkrecht zu der Grundfläche gemessenen Strukturhöhe ausgebildet sein, wobei die Nanostrukturelemente über die Grundfläche mit der Innenfläche der Abdeckscheibe verbunden sind. Denkbar ist auch, dass die Nanostrukturelemente eine allgemeine Zapfenform mit einer Grundfläche und einer Strukturhöhe senkrecht zu dieser Grundfläche aufweisen.
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Dabei erstrecken sich die Nanostrukturelemente vorzugsweise von der Innenfläche weg. Insbesondere sind die Nanostrukturelemente als senkrecht von der Innenfläche abstehende Zylinder, Kegel, Pyramiden oder Zapfen ausgebildet.
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Um die erfindungsgemäßen Eigenschaften der Abdeckscheibe zu realisieren, wird die Strukturhöhe der Nanostrukturelemente vorzugsweise im Bereich der Wellenlänge von sichtbarem Licht oder kleiner als eine Wellenlänge von sichtbarem Licht gewählt. Ein möglicher Längenbereich für die Strukturhöhe ist 10 nm bis 100 nm.
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Zur weiteren Ausgestaltung sind die Nanostrukturelemente vorzugsweise in einem Raster mit einer Rasterlänge zwischen Anordnungspositionen benachbarter Nanostrukturelemente angeordnet. Dieses Raster kann insbesondere quadratisch oder in der Art eines Dreieckes angeordnete Anordnungspositionen für Nanostrukturelemente vorsehen.
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Dabei wird auch die Rasterlänge vorzugsweise im Bereich der Wellenlänge von sichtbaren Licht oder kleiner als die Wellenlänge von sichtbaren Licht gewählt. Wiederum hat sich ein Bereich zwischen 10 nm und 1000 nm als vorteilhaft erwiesen.
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Die Abdeckscheibe wird dadurch weiter ausgestaltet, dass auch die Außenfläche der Abdeckscheibe eine Vielzahl von Nanostrukturelementen zur Vermeidung von Betauung beziehungsweise Beschlagen der Innenfläche aufweist, wobei die Nanostrukturelemente auch hier einstückig mit der Abdeckscheibe verbunden sind und derart ausgebildet sind, dass die Nanostrukturelemente bei Betrachtung mit dem menschlichen Auge unsichtbar sind und dass eine Bildung von Flüssigkeitströpfchen durch Kondensation an der Außenfläche vermeidbar ist. Dadurch kann auch ein Beschlagen der Außenfläche in der vorstehend beschriebenen Art verhindert werden.
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Dieser zusätzliche Vorteil kann ohne größeren Konstruktionsaufwand erzielt werden, da lediglich das Herstellungswerkzeug für die Außenfläche der Abdeckscheibe in entsprechender Weise zum Herstellungswerkzeug für die Innenfläche der Abdeckscheibe ausgebildet werden muss. Daher ist diese Verbesserung in der Regel ohne nennenswerten Kostenaufwand möglich.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug gelöst, welche eine Lichtquelle zum Ausstrahlen von Licht aufweist, und einen Lichtaustrittsabschnitt beziehungsweise eine Lichtaustrittsöffnung vorsieht, durch welchen beziehungsweise durch welche Licht von der Beleuchtungseinrichtung abstrahlbar ist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist dabei vorgesehen, dass der Lichtaustrittsabschnitt beziehungsweise die Lichtaustrittsöffnung mit einer Abdeckscheibe der vorstehend beschriebenen Art bedeckt ist, wobei die Innenfläche der Abdeckscheibe der Lichtquelle zugewandt ist. Dadurch ist es möglich, eine im Wesentlichen luftdicht oder zumindest flüssigkeitsdicht ausgestaltete Beleuchtungseinrichtung zu bauen, ohne dass in dem von der Abdeckscheibe begrenzten Innenraum die Gefahr der störenden Betauung besteht.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung ergibt sich dadurch, dass zur Abdeckung des Lichtaustrittsabschnitts eine Abdeckscheibe verwendet wird, welche einen definierten Tauschutzbereich und einen Freibereich aufweist, wobei Nanostrukturelemente nur an dem Tauschutzbereich angeordnet sind und der Freibereich frei von Nanostrukturelementen ist. Dabei ist der Taubereich derart ausgestaltet, dass er sich nur über solche Bereiche der Abdeckscheibe erstreckt, welche im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung eine geringere Temperatur aufweisen als umgebende Abschnitte der Abdeckscheibe. Die Nanostrukturen sind insofern nur dort an der Abdeckscheibe angeordnet, wo aufgrund vergleichsweise geringerer Temperatur eine Betauung droht.
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Zur Erläuterung der vorstehenden, allgemeinen Beschreibung der Erfindung wird nachfolgend die in den 1 und 2 skizzierte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.
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In der 1 ist eine Beleuchtungseinrichtung 10 skizziert, welche eine Lichtquelle 12 zum Ausstrahlen von Licht aufweist. Die Lichtquelle 12 ist in einem Gehäuse 14 der Beleuchtungseinrichtung 10 angeordnet. Das Gehäuse 14 ist im Bereich eines Lichtaustrittsabschnitts 16 offen, so dass Licht aus dem Gehäuse 14 durch den Lichtaustrittsabschnitt 16 in Lichtabstrahlrichtung 17 abgestrahlt werden kann.
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Im Strahlengang nach der Lichtquelle 12 ist in der 1 exemplarisch ein optisches Element 18 angedeutet. Ein solches optisches Element 18 kann beispielsweise dazu dienen, eine geeignete Abstrahllichtverteilung zu formen (beispielsweise mittels optischer Linsen). Das optische Element 18 kann jedoch auch entfallen.
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Das Gehäuse 14 ist im Bereich des Lichtaustrittsabschnitts 16 mit einer Abdeckscheibe 20 verschlossen. Die Abdeckscheibe 20 weist eine Innenfläche 22 und eine Außenfläche 24 auf. Dabei ist die Abdeckscheibe 20 derart angeordnet, dass die Innenfläche 22 der Lichtquelle 12 zugewandt ist. Bei der Beleuchtungseinrichtung 10 erfolgt die Lichtabstrahlung somit durch die Abdeckscheibe 20.
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Anhand der 2a wird die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abdeckscheibe 20 näher erläutert. Die Abdeckscheibe 20 ist in ihrer lateralen Ausdehnung von einer Begrenzungskante 26 begrenzt. Entlang dieser Begrenzungskante 26 ist die Abdeckscheibe 20 in den Lichtaustrittsabschnitt 16 der Beleuchtungseinrichtung 10 eingepasst (vergleiche 1).
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Im Folgenden wird rein exemplarisch angenommen, dass die Abdeckscheibe 20 im Betrieb Beleuchtungseinrichtung 10 im Bereich ihrer Begrenzungskante 26 eine geringere Temperatur aufweist, als in ihrem von der Begrenzungskante beabstandeten Mittenbereich. Dieser „Kaltbereich” kann beispielsweise darauf zurückzuführen sein, dass die Abdeckscheibe 20 im Bereich der Begrenzungskante 26 an das Gehäuse 14 anstößt und daher ein Wärmeabtransport gewährleistet ist. Ebenso kann die durch einen von der Lichtquelle 12 ausgehenden Lichtstrom hervorgerufene Erwärmung in dem Mittenbereich stärker sein. Bei komplexerer Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung 10 (beispielsweise andere Ausformung des Lichtaustrittsabschnitts 16, des Gehäuses 14 oder der Abdeckscheibe 20) kann der genannte Kaltbereich einen anderen als den oben beschriebenen Verlauf aufweisen und muss insbesondere nicht an die Begrenzungskante 26 anschließen.
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In ihren an die Begrenzungskante 26 angrenzenden Bereichen weist die Innenfläche 22 der Abdeckscheibe 20 einen Tauschutzbereich 28 auf (vgl. 2a). Eine Neigung zur Betauung besteht in erster Linie in dem oben erläuterten „Kaltbereich” der Abdeckscheibe 20. Insofern erstreckt sich bei der Abdeckscheibe 20 der Tauschutzbereich 28 gerade im Bereich des genannten Kaltbereiches. Der übrige Bereich der Innenfläche 22 bildet einen Freibereich 29.
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Die Innenfläche 22 weist im Tauschutzbereich 28 eine Vielzahl von Nanostrukturelementen 30 auf. Diese werden im Folgenden anhand der 2b näher erläutert.
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In der 2b ist schematisch eine Vergrößerung der Abdeckscheibe 20 im Tauschutzbereich 28 der Innenfläche 22 dargestellt.
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Erkennbar weist die Innenfläche 22 eine Vielzahl von Nanostrukturelementen 30 auf. Jedes der Nanostrukturelemente 30 ist als zylindrischer Körper mit einer Grundfläche 32 sowie einer senkrecht zu dieser Grundfläche 32 gemessenen Strukturhöhe 34 ausgebildet. Der zylindrische Körper erhebt sich mit seiner Strukturhöhe 34 über das Niveau der Innenfläche 22. Dabei erstrecken sich die zylindrisch ausgebildeten Nanostrukturelemente 30 im Wesentlichen senkrecht zu dem Niveau der Innenfläche 22.
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Dabei ist jedes Nanostrukturelement 30 über seine Grundfläche 32 einstückig mit der Abdeckscheibe 20 verbunden. Insofern können die Nanostrukturelemente 30 als Ausformungen der Innenfläche 22 betrachtet werden.
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Die Nanostrukturelemente 30 sind in einem regelmäßigen Raster mit einer Rasterlänge 36 angeordnet. Im Falle der 2b ist die Rasterlänge 36 ungefähr gleich der Strukturhöhe 34 gewählt. Sowohl die Strukturhöhe 34 als auch die Rasterlänge 36 liegen vorzugsweise im Bereich der Wellenlänge von sichtbarem Licht.
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Mit der derartigen Ausgestaltung der Abdeckscheibe 20 können die vorstehend erläuterten vorteilhaften Effekte zur Vermeidung einer Betauung erzielt werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn – wie in der 2a dargestellt – die Nanostrukturelemente 30 nur in einem Tauschutzbereich 28 vorgesehen sind. Denkbar ist jedoch auch, die gesamte Innenfläche 22 in der beschriebenen Art und Weise mit Nanostrukturelementen 30 zu versehen. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn auch die Außenfläche 24 der Abdeckscheibe 20 entsprechende Nanonstrukturelemente 30 aufweisen.
