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Die
Erfindung betrifft die optische Empfangsvorrichtung eines Laserscanners
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, sowie einen Laserscanner mit einer solchen
Empfangsvorrichtung.
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Bei
3D-Scannern wird der von einem optischen Sender abgegebene Lasermessstrahl
durch ein mechanisches Strahlablenksystem derart abgelenkt, dass
u.a. eine raumfüllende,
dreidimensionale Umgebungsvermessung ermöglicht ist. Die digitalisierten
Messdaten werden auf einem Rechnersystem abgelegt und stehen dort
zur weiteren Bearbeitung und zur Visualisierung des vermessenen
Objekts und/oder der Umgebung zur Verfügung.
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Eine
3D-Vermessung erfolgt bspw. durch Führen des Laserlichtes über die
zu vermessende Umgebung, wobei für
unterschiedliche Raumrichtungen sowohl der Entfernungs- als auch
der Reflexionswert punktuell vermessen werden kann. Aus der Anordnung
aller vermessenen Raumpunkte resultieren Entfernungs- und Reflexionsbilder.
Die Entfernungsbilder geben die Geometrie der Umgebung wieder und
die Reflexionsbilder deren visuelle Abbildung, analog zu den Grauwertbildern
einer Schwarzweiß – Fotografie.
Beide Bilder korrespondieren pixelweise und sind aufgrund der eigenständigen,
aktiven Beleuchtung mit Laserlicht weitgehend unabhängig von
Umwelteinflüssen.
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Im
Allgemeinen hat sich gezeigt, dass mit Laserscannern, die einen
Messstrahl im infraroten Wellenlängenbereich
aussenden, genauere Messergebnisse zu erzielen sind als mit Laserscannern,
die einen Messstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich aussenden, da Störgrößen wie
zum Beispiel Sonnenlicht einen geringeren bis keinen Einfluss auf
die Messergebnisse haben.
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Für den Empfang
der reflektierten Laserstrahlen ist im Stand der Technik eine Empfangsvorrichtung
vorgesehen, die mittels einer Linse bzw. eines Linsensystems die
reflektierten Laserstrahlen in Richtung eines Detektors bündelt und
leitet. Da jedoch die empfangenen Strahlen nicht nur infrarote Laserstrahlen
sind, die für
den Messvorgang verwendet werden, sondern auch Streustrahlen im
sichtbaren Bereich, ist vor dem Detektor ein Filter angeordnet,
das unerwünschte
Komponenten des Spektralbereiches, in dem der Detektor empfindlich
ist herausfiltert.
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Nachteilig
an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass das Filter im konvergenten
Strahlengang angeordnet ist, wodurch sich die effektive Filterkurve
in Abhängigkeit
des Inzidenzwinkels der Strahlung verschiebt. Dies resultiert in
einer abgeflachten Filterkurve, die keine klar definierten Filterkanten mehr
aufweist. Dadurch wird die Filterwirkung signifikant verschlechtert.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es deshalb, eine Empfangsvorrichtung
bereitzustellen, die exakt definierte Filterkanten aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Empfangsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, sowie einen
Laserscanner gemäß Patentanspruch
12.
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Erfindungsgemäß weist
die optische Empfangsvorrichtung einen Detektor zum Empfangen der Laserstrahlen,
eine Optik zum Leiten der empfangenen Laserstrahlen zu dem Detektor
und einen Filter zum Herausfiltern unerwünschter Komponenten in dem
zu empfangenen Licht auf, wobei erfindungsgemäß das Filter in dem parallelen
Strahlengang vor der bündelnden
Optik angeordnet ist.
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Aufgrund
der Anordnung der Optik im parallelen Strahlengang wird vermieden,
dass die Filterkurvenkanten abgeflacht bzw. verschliffen sind. Diese
Abflachung entsteht durch unterschiedliche Inzidenzwinkel der Laserstrahlen
auf das Filter. Liegt das Fuilter vor dem bündelnden optischen Element,
so sind die Laserstrahlen im Wesentlichen parallel ausgerichtet
und die Inzidentzwinkel liegen im Wesentlichen bei 0°. Dadurch
weist die Filterkurve eine klar definierte Filterkante auf, die
dafür sorgt,
dass die unerwünschten
Komponenten zuverlässig
heraus gefiltert werden, bei gleichzeitig hoher Transmission im spezifizierten
Transmissiondsbereich des Filters.
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Dadurch
ist zudem vorteilhafterweise die prozentuale Transmission von infraroter
Strahlung auf den Detektor erhöht,
was wiederum ermöglicht, die Laserleistung
zu reduzieren, ohne einen Intensitätsverlust am Detektor zu erleiden.
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Besonders
vorteilhaft in ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das Filter ein Rotglasfilter ist, oder mindestens über eine
dielektrische Beschichtung verfügt,
die die Filterwirkung bereitstellt.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das Filter aus einem Schichtstapel mit hoch- und niederbrechenden
Schichten besteht.
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Für die nach
dem Filter angeordnete Optik können,
wie weitere besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen, eine
Linse bzw. ein Linsensystem oder auch ein Parabolspiegel verwendet
werden.
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Weitere
Vorteile und bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen genauer beschrieben
werden, wobei die Figuren jedoch nicht dazu geeignet sein sollen, die
Erfindung auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
einzuschränken.
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Es
zeigen:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Vergleichs zwischen der Filterkurve
eines erfindungsgemäßen Filters
und der Filterkurve eines Filters aus dem Stand der Technik;
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2 zeigt
eine schematische Prinzip-Darstellung der erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung;
und
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3:
ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Laserscanners mit einer erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung.
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Im
Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. analoge
Bauelemente.
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1 zeigt
einen schematischen Vergleich zweier Filterkurven, wobei auf der
x-Achse die Wellenlänge
und auf der y-Achse die durch das Filter bereitgestellte Transmission
in Prozent angegeben ist.
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Der
mit A bezeichnete Graph zeigt eine typische Filterkurve für einen
nach einer Linse bzw. einer Optik angeordnetes Filter. Wie unschwer
zu erkennen ist, sind die Kanten aufgrund der unterschiedlichen
Inzidenzwinkel stark abgeflacht und die Gesamttransmission verringert.
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Im
Gegensatz dazu zeigt 1 im Graph B eine Filterkurve,
die charakteristisch ist für
ein Filter, das vor der Optik im parallelen Strahlengang unter 0° Inzidenzwinkelangeordnet
ist. Deutlich zu sehen ist, dass diese Filterkurve eine klar definierte
Filterkante und einen deutlich höheren
Transmissionsprozentsatz aufweist.
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Aufgrund
dieser klar definierten Filterkante und der höheren Transmission im Durchlassbereich können zum
einen die Laserleistung reduziert werden, und zum anderen genauere
Messungen durchgeführt
werden.
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2 zeigt
die Prinzip-Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Empfangsvorrichtung.
Die aus einem Detektor D, einer Optik O und einem Filter F bestehenden Empfangsvorrichtung
weist in dem 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
als Optik O eine Linse bzw. ein Linsensystem auf, das Laserstrahlen
bündelt
und dem Detektor D zuführt.
Aufgrund der Sammelwirkung der Optik entsteht nach der Optik O aus
einem parallelen Strahlengang IP ein konvergenter
Strahlengang IK. Würde das Filter F in dem konvergenten Strahlengang
IK angeordnet sein, würde der Inzidenzwinkel von
0° abweichen,
was wiederum zu besagter Abflachung der Filterkurve führt.
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Aus
diesem Grund ist, wie 2 zeigt, das Filter F in dem
parallelen Strahlengang IP vor der Optik
O angeordnet. Dadurch werden unerwünschte Komponenten mit Hilfe
einer genau definierten Filterfunktiion herausgefiltert und nur
noch Strahlen im verbleibenden Transmissionsbereich dem Detektor
D zugeführt.
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3 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Scanner
mit einem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung
zum Scannen einer Umgebung bzw. eines Messobjekts.
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Der
Scanner 2 hat ein Gehäuse 4,
das einen Innenraum 6 begrenzt, in dem ein Umlenkspiegel 52 aufgenommen
ist.
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Das
Gehäuse 4 hat
einen Schacht 8 mit einem Hohlraum 24, an dessen
einer Außenfläche 10 eine
erste Lichtquelle 12 zum Aussenden eines Messstrahls 14 und
eine zweite Lichtquelle 16 zum Aussenden eines Pilotstrahls 18 angeordnet
sind. Die Lichtquellen 12, 16 umfassen handelsübliche kollimierte
Laserdioden, wobei die erste Lichtquelle 12 Licht im nicht
sichtbaren infraroten Wellenlängenbereich
und die zweite Lichtquelle 16 Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich
aussendet. D.h., das Licht des Messstrahls 14 ist für einen
Beobachter unsichtbar und das Licht des Pilotstrahls 18 ist
für den
Beobachter sichtbar. Der Messstrahl 14 und der Pilotstrahl 18 werden
jeweils durch eine Öffnung 20, 22 der
Außenfläche 10 in
den Hohlraum 24 geführt.
Im Bereich der Öffnungen 20, 22 sind
in dem Hohlraum 24 ein schräg angestellter Spiegel 28 und
ein dichroitischer Spiegel 26 angeordnet.
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Über den
Spiegel 28 wird der Pilotstrahl 18 in Richtung
einer als Kanal 32 ausgebildeten Optik umgeleitet. Der
dichroitische Spiegel transmittiert den Pilotstrahl 18 und
reflektiert den Messstrahl 14, so dass beide ab dem dichroitischen
Spiegel 26 kollinear verlaufen.
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Genauso
kann jedoch auch ein Laserscanner verwendet werden, der nur eine
einzige Lichtquelle 12 zum Aussenden eines Messstrahls 14 verwendet,
im Folgenden wird jedoch die besonders vorteilhafte Variante eines
Laserscanners mit Pilotstrahl besprochen.
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Der
Kanal 32 hat eine längliche
Gestalt mit einem rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt.
Er ist transparent und besteht vorzugsweise aus Glas. Er ist in
einen Durchbruch 30 des Gehäuses 4 zwischen dem
Hohlraum 24 und dem Innenraum 6 eingesetzt und
ragt aufgrund seiner länglichen
Gestalt in den Innenraum 6 hinein. Er hat eine den Hohlraum 24 verschließende stirnseitige
Einkoppelfläche 34 für den Messstrahl 14 und
den Pilotstrahl 18 und eine von der Einkoppelfläche 34 entfernte
verspiegelte Umlenkfläche 36 zur
Umlenkung des Messstrahls 14 und des Pilotstrahls 18 in
Richtung des scannenden Spiegels und über diesen in Richtung des
Messobjekts. Das Licht tritt durch eine Auskoppelfläche aus
der Optik aus. Vorzugsweise ist die Umlenkfläche 36 in einen Winkel δ = 45° zur optischen
Achse der Sende-/Empfangsvorrichtung des Scanners 2 angestellt.
Zwischen der Einkoppelfläche 34 und
dem Umlenkspiegel 36 erstrecken sich vier Längsflächen 40, 58, 60, 62.
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Zur
Reduzierung von Reflexionen und Erhöhung der Effizienz sind die
Einkoppelfläche 34,
die Auskoppelfläche
und die Längsfläche 58 entspiegelt. Befindet
sich die Längsfläche 40 in
optischen Kontakt mit der Filterscheibe 42, so darf sie
nicht entspiegelt werden.
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Das
Gehäuse 4 hat
eine Eintrittsöffnung 44 zum
Eintritt eines von dem Messobjekt reflektierten Messstrahls 46,
die von einem Filter 42 verschlossen ist. Das Filter 42 ist
in das Gehäuse 4 eingesetzt
und lässt
nur die infraroten Wellenlängenanteile
des reflektierten Messstrahls 46 in den Innenraum 6 durch und
filtert andere Wellenlängenanteile
heraus, so dass von einem Detektor 54 nur die Wellenlängenanteile
des reflektierenden Messstrahls 46 erfasst werden, die
für eine
Messung relevant sind.
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Das
Filter 42 besteht vorzugsweise aus einem für die zu
transmittierenden Frequenzbereiche transparenten Material, wie zum
Beispiel Rotglas, wobei die Filterwirkung zumindest über eine
dielektrische Beschichtung an einer Stirnfläche 64 oder 48 erzielt
wird.
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Ebenfalls
ist es möglich,
das Filter 42 aus einem Schichtstapel mit hoch- und niederbrechenden Schichten
aufzubauen, wodurch ebenfalls eine Filterwirkung mit scharfer Filterkante
im infraroten Spektralbereich erzeugt werden kann.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Kanal 32 über
seine Längsfläche 40 in
Anlage mit einer dem Innenraum 6 zugewandten Innenstirnfläche 48 des
Filters 42, wobei der Kanal 32 fest mit dem Filter 42 verbunden
ist, beispielsweise mittels eines optischen Kitts. Zum Austritt
des Messstrahls 14 und des Pilotstrahls 18 in
Richtung des Messobjekts hat das Filter 42 eine Austrittsöffnung 50,
die von der Auskoppelfläche 35 abgedeckt
ist und vorzugsweise keinerlei optische Filterwirkung aufweist.
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Der
Umlenkspiegel 52 in dem Innenraum 6 wirkt als
Umlenk- und Bündeleinrichtung
und ist ein drehfest gelagerter Spiegel in paraboloider Form, über den
der reflektierte Messstrahl 46 in Richtung des Detektors 54 umlenkbar
ist, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
außerhalb
des Gehäuses 4 angeordnet
ist. Zum Austritt des vom Umlenkspiegel 52 umgelenkten
reflektierten Messstrahls 46 weist das Gehäuse 4 einen
entsprechenden Durchbruch 56 auf, der vorzugsweise von
einem den Detektor 54 aufnehmenden nicht dargestellten
Gehäuseabschnitt dichtend
umgriffen ist.
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Zudem
ist die Einkoppelfläche 34 des
Kanals 32 angestellt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist
die Schrägstellung
durch einen hier nicht dargestellten Innenwinkel γ verdeutlicht,
der zwischen der Längsfläche 62 und
der Einkoppelfläche 34 verläuft. Bei
nicht angestellter Einkoppelfläche 34 beträgt dieser
Innenwinkel γ =
90°. Die
Anstellung bewirkt, dass Anteile des Messstrahls 14 und
des Pilotstrahls 18, die insbesondere an der Einkoppelfläche 34 trotz möglicher
Entspiegelung zurück
in Richtung der Lichtquellen 12, 16 reflektiert
werden, nicht in diese einfallen, was die Stabilität der Emission
der Laserdioden stören
würde.
Der Innenwinkel γ ist
in Abhängigkeit
des Materials des Kanals 32, der Lichtwellenlänge und
der Geometrie des Kopfes zu bestimmen.
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Über den
Inzidenzwinkel α lässt sich
die Richtung des unerwünschten,
reflektierten Strahles wählen.
Der gebrochene Winkel β lässt sich über das optische
Brechungsgesetz errechnen:
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Der
Innenwinkel γ des
Kanals ist somit: γ = 90° – β
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Die
Differenz der beiden Winkel α und β ist der
Ablenkwinkel ε,
um den der Kanal verdreht eingebaut werden muss, damit die Strahlen
innerhalb des Kanals parallel zu den Seiten 40, 58, 60 und 62 verlaufen. ε =α – β.
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Bei
Ansteuerung des Scanners zur dreidimensionalen Abtastung eines Messobjekts
bzw. einer Umgebung werden der nicht sichtbare Messstrahl 14 und
der sichtbare Pilotstrahl 18 von den Lichtquellen 12, 16 emittiert
und über
die Spiegel 26, 28 in Richtung des Kanals 32 abgelenkt.
Der Messstrahl 14 und der Pilotstrahl 18 treten
durch die Einkoppelfläche 34 in
den Kanal 32 ein, wobei sie aufgrund der Schrägstellung
der Einkoppelfläche 34 und der
verdrehten Einbaulage des Kanals 32 so gebrochen werden,
dass sie von der Einkoppelfläche 34 parallel
zu den Längsflächen 40, 58, 60, 62 in
Richtung des Umlenkspiegels des Sendeteils 36 verlaufen,
an der sie in Richtung des scannenden Spiegels und über diesen
in Richtung des Messobjekts umgelenkt werden. Der Messstrahl 14 und
der Pilotstrahl 18 treten durch die Austrittsfläche aus
dem Kanal 32 aus und verlassen den Aufbau durch die Austrittsöffnung 50 der
Filterscheibe 42.
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Beim
Auftreffen der beiden Strahlen 14, 18 auf dem
Messobjekt werden diese von dem Messobjekt gestreut und fallen teilweise
in Richtung des Scanners 2 zurück. Der reflektierte Messstrahl 46 trifft
auf das Filter 42 auf, wobei nur der infrarote Wellenlängenanteil
des Messstrahls 46 dieses durchdringt und in den Innenraum 6 eintritt,
in dem er von dem Umlenkspiegel 52 in Richtung des Detektors 54 zur
Erfassung und Auswertung des infraroten Wellenlängenanteils umgelenkt wird.
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Der
reflektierte Messstrahl 46 wird durch die Filterscheibe
transmittiert, der reflektierte Pilotstrahl und sonstiges Restlicht
aber werden ausgefiltert. Somit dringt lediglich der reflektierte
Anteil des Infrarot-Messstrahls 46 in den Innenraum 6 ein,
wo er vom Umlenkspiegel 52 in Richtung des Detektors 54 zur
Erfassung und Auswertung umgelenkt wird.
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Offenbart
ist eine Empfangsvorrichtung für einen
Laserscanner, sowie ein Laserscanner mit einer solchen Empfangsvorrichtung,
die einen Detektor, eine Optik und ein Filter aufweist, wobei das
Filter im parallelen Strahlengang vor der Optik angeordnet ist.
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- A
- Filterkurve – Filter
vor Detektor
- B
- Filterkurve – Filter
vor Optik
- F
- Filter
- L
- Linse
- D
- Detektor
- IP
- paralleler
Strahlengang des reflektierten Lasermessstrahls
- IK
- konvergenter
Strahlengang des reflektierten Lasermessstrahls
- 2
- Sende-/Empfangsvorrichtung
- 4
- Gehäuse
- 6
- Innenraum
- 8
- Schacht
des Sendeteils
- 10
- Außenfläche
- 12
- erste
Lichtquelle
- 14
- Messstrahl
- 16
- zweite
Lichtquelle
- 18
- Pilotstrahl
- 20
- Öffnung
- 22
- Öffnung
- 24
- Hohlraum
- 26
- dichroitischer
Spiegel
- 28
- Spiegel
- 30
- Durchbruch
- 32
- Kanal
- 34
- Einkoppelfläche
- 36
- Umlenkspiegel
des Sendeteils
- 40
- Längsfläche
- 42
- Filter
- 44
- Eintrittsöffnung
- 46
- reflektierter
Messstrahl
- 48
- Innenstirnfläche
- 50
- Austrittsöffnung
- 52
- Umlenkspiegel
des Empfangsteils
- 54
- Detektor
- 56
- Durchbruch
- 58
- Längsfläche
- 60
- Längsfläche
- 62
- Längsfläche
- 64
- Außenstirnfläche
