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Die
Erfindung betrifft eine optische Sonde umfassend, einen Sondenkörper,
Mittel zum Einleiten elektromagnetischer Strahlung in den Sondenkörper,
einen im Sondenkörper angeordneten, für die eingesetzte
elektromagnetische Strahlung reflektierenden Strahlungs-Umlenkkörper
sowie eine Strahlungs-Austrittsöffnung für den
Austritt der am Strahlungs-Umlenkkörper reflektierten Strahlung.
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Aus
der
DE 3232904 C2 ist
eine optische Sonde der vorgenannten Art zum automatischen Prüfen
von Oberflächen bekannt. Derartige optische Sonden werden
bevorzugt zur Untersuchung der Oberflächen von Bohrungen
eingesetzt, wobei die Sonden in das zu untersuchende Bohrloch eingeführt werden.
In der genannten Druckschrift ist es offenbart, Laserstrahlung durch
einen zentralen, rohrförmigen, geradlinigen Zuleitungskanal
auf einen Umlenkspiegel zu richten, von wo aus die eingesetzte Laserstrahlung über
die Strahlungs-Austrittsöffnung aus dem Sondenkörper
austritt, um möglichst rechtwinklig auf eine zu untersuchende
Oberfläche zu fallen. Das von der zu untersuchenden Oberfläche
reflektierte oder zurückgestreute Licht wird über
Glasfasern zur Auswertung geleitet, wobei ein Teil der Glasfasern
ringförmig unmittelbar um den Zuleitungskanal herum angeordnet
ist und das reflektierte oder unter geringem Winkel gestreute Licht
aus dem Hellfeld aufnimmt, während weiter außen
liegende Lichtleiter Streulicht aus dem Dunkelfeld aufnehmen. Das
reflektierte und gestreute Licht wird jeweils einer Auswertung zugeführt.
Die Sonde kann um ihre Mittelachse gedreht und gleichzeitig in Richtung
dieser Achse verschoben werden, so dass die Oberfläche einer
Bohrung in einer Spiralbahn abgefahren werden kann. Aus dem Verhältnis
der Lichtintensität im Hellfeld zu der im Dunkelfeld lassen
sich Aussagen über die Oberflächenqualität
des jeweils untersuchten Bereichs treffen. Maßnahmen zur
Bildung eines Fokuspunktes sind nicht offenbart. Die beabstandeten
Lichtleiterringe zur Aufnahme der gestreuten Strahlung aus dem Hellfeld
bzw. dem Dunkelfeld begrenzen die Miniaturisierbarkeit erheblich.
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Aus
der
US 6,781,699 B2 ist
eine optische Sonde bekannt, bei der Strahlung zweier verschiedener
Wellenlängen eingesetzt werden kann. Die Strahlung wird über
eine Sammellinse auf einen Strahlteiler gerichtet, der das Strahlbündel
in zwei Teilbündel aufteilt. Das vom Strahlteiler reflektierte
Teilbündel fällt über die Strahlungs-Austrittsöffnung
mit seinem Fokuspunkt auf eine zu untersuchende Oberfläche. Das
durch den Strahlteiler transmittierende Teilbündel wird
an einer weiteren Oberfläche totalreflektiert und tritt über
eine zweite Strahlungs-Austrittsöffnung ebenfalls aus der
Sonde aus. Beide Teilbündel enthalten die beiden unterschiedlichen
Wellenlängen. Aus den beiden eingesetzten Wellenlängen
lässt sich eine effektive Wellenlänge ermitteln,
womit gegenüber einer einzelnen Wellenlänge ein
größerer Messbereich geschaffen wird. Die beiden
Teilbündel werden nacheinander zur Messung eingesetzt.
Durch eine Bewegung des Sondenkörpers gelangt der Fokus
des einen Teilbündels auf die zu untersuchende Oberfläche,
während der Fokus des anderen Teilbündels sich
von einem anderen, zuvor untersuchten Bereich der Oberfläche
entfernt. Die beiden Teilbündel können zur Längsachse
der Sonde unterschiedliche Winkel aufweisen, so dass auch Oberflächen
untersucht werden können, die nicht parallel zur Längsachse
verlaufen. Nachteilig ist, dass Sammellinse und Strahlteiler zu
Strahlungsverlusten führen. Zudem ist diese Variante mit
einem hohen Justageaufwand verbunden.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine optische Sonde der
eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, deren
Aufbau vereinfacht ist und eine hohe Miniaturisierbarkeit aufweist
und deren grundsätzlicher Aufbau zahlreiche Varianten zulässt.
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Diese
Aufgabe wird bei einer optischen Sonde der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, dass der Strahlungs-Umlenkkörper
strahlformend ist.
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Eine
strahlformende Eigenschaft bedeutet, dass die einfallende Strahlung
nicht nur umgelenkt wird, wie bei einem planen Spiegel. Vielmehr
weist der Strahlungs-Umlenkkörper im Bereich des Auftreffens
eine von der planen Ebene abweichende Struktur auf. So kann der
Strahlungs-Umlenkkörper z. B. eine konkave Oberfläche
aufweisen, mit der auftreffende Strahlung fokussiert wird. Dabei
kann vorgesehen sein, dass die auftreffende Strahlung in Strahlverlauf
vor dem Umlenkkörper parallel ist. Die auftreffende Strahlung
kann aber auch ein sich aufweitendes oder ein sich verengendes Bündel
sein. Bei bekanntem Verlauf der auftreffenden Strahlung kann die
Krümmung der Reflexionsfläche des Strahlungs-Umlenkkörpers
so gestattet werden, dass sich der Fokuspunkts am gewünschten
Ort relativ zum Sondenkörper befindet.
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Die
Sonde kann dann in einer zu untersuchenden Bohrung so platziert
werden, dass der Fokuspunkt genau auf der zu untersuchenden Oberfläche
liegt. Die reflektierende Fläche des Strahlungs-Umlenkkörpers
kann eine ultrapräzisionsgefertigte Funktionsfläche
sein, wodurch eine hochgenaue Ausrichtung des Fokuspunktes möglich
ist.
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Bei
einer konvexen Form der reflektierenden Funktionsfläche
kann auch eine zerstreuende Wirkung erreicht werden, um einen möglichst
großen Bereich auf der zu untersuchenden Oberfläche
zu bestrahlen.
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Mit
dem strahlformenden Strahlungs-Umlenkkörper kann auf weitere
strahlformende Bestandteile, insbesondere Linsen, verzichtet werden.
Hierdurch können Strahlungsverluste auf Grund der Transmission
durch eine Linse vermieden werden. Soweit auf Linsen verzichtet
wird, wird auch die Miniaturisierbarkeit erhöht. Zudem
ist der Justageaufwand geringer.
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Die
erfindungsgemäße Sonde kann auch so ausgeführt
werden, dass mindestens eine weitere Strahlungs-Austrittsöffnung
vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die Strahlung die Sonde in
zwei verschiedenen Richtungen verlassen. So kann es zum Beispiel
vorgesehen sein, nur einen Teil der in die Sonde eingespeisten Strahlung
durch den strahlformenden Strahlungs-Umlenkkörper abzulenken
und durch die erste Strahlungs-Austrittsöffnung aus der Sonde
herauszuführen. Ein weiterer Teilstrahl kann zum Beispiel
ohne Umlenkung am unteren Ende der Sonde aus derselbigen austreten
und ebenfalls für eine Oberflächenuntersuchung
eingesetzt werden.
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Die
optische Sonde kann aber auch so ausgebildet sein, dass mindestens
ein weiterer Strahlungs-Umlenkkörper vorgesehen ist. Der
zweite und auch jeder weitere Strahlungs-Umlenkkörper kann jeweils
für ein gesondertes Strahlenbündel vorgesehen sein.
Alternativ kann ein Strahlenbündel auch nur zum Teil auf
einen bestimmten Strahlungs-Umlenkkörper fallen, so dass
von diesem Umlenkkörper nur ein Teilbündel reflektiert
wird. Die reflektierten (Teil-)Strahlenbündel können
den Sondenkörper durch unterschiedliche Strahlungs-Austrittsöffnungen
verlassen. Unterschiedliche reflektierte Strahlenbündel
können den Sondenkörper auch in verschieden Richtungen
oder parallel und mit Abstand zueinander durch einen gemeinsamen
Strahlungsaustritt verlassen.
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Je
nach Anwendung kann ein einzelner oder ein Teil mehrerer Strahlungs-Umlenkkörper
plane, also nicht strahlformende Reflexionsflächen aufweisen.
Dies kann sinnvoll sein, wenn eine bestimmte Strahlformung nicht
notwendig ist oder die Strahlformung durch andere Mittel bewirkt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Sonde kann auch so ausgebildet
sein, dass die Mittel zum Einleiten elektromagnetischer Strahlung
derart eingerichtet sind, dass mindestens zwei separate Austrittsstrahlenbündel
der elektromagnetischen Strahlung den Sondenkörper verlassen,
wobei die mindestens zwei Austrittsstrahlenbündel ohne
Strahlteiler mittels Reflexion am mindestens einen Strahlungs-Umlenkkörper erzeugt
werden.
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Durch
den Verzicht auf den Strahlteiler wird eine Ursache für
Strahlungsverluste eliminiert. Des Weiteren ist ein Bauteil ohne
Strahlteiler besser miniaturisierbar. Zudem kann der Justage-Aufwand
für die optischen Elemente verringert werden. Die Erzeugung
zweier oder mehrerer separater Austrittsstrahlenbündel
ohne Strahlteiler kann z. B. dadurch erfolgen, dass nur ein Teilbündel
eines Eingangsstrahlenbündels am Strahlungsumlenkkörper
reflektiert wird, während das andere Teilbündel
ohne Umlenkung den Sondenkörper verlässt. Ein
zusammenhängendes Eingangsstrahlenbündel kann
auch als aus zwei Teilbündeln zusammengesetzt betrachtet werden,
die unmittelbar aneinander grenzen. Somit werden zwei Strahlengänge
erzeugt, die separat ausgewertet werden können und die
es ermöglichen, ohne Bewegung des Sondenkörpers
gleichzeitig verschiedene Oberflächenbereiche abzutasten
und durch Auswertung der von der jeweiligen Oberfläche reflektierten
Strahlung zu untersuchen. Eine gegebenenfalls für die Untersuchung
größerer Oberflächenbereiche noch notwendige
Bewegung der Sonde kann hierdurch reduziert werden, wodurch eine
erhebliche Zeitersparnis erreicht wird.
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Die
von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierte Strahlung
wird in der Regel wieder über den betroffenen Strahlungsumlenkkörper
zurück durch den Strahlungseintrittsbereich hindurch einer Auswerteeinheit
zugeführt, wobei die zurückgeführte Strahlung
die Strecke des Strahlverlaufs des zugehörigen Eingangsstrahlenbündel
in umgekehrter Richtung durchläuft.
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Vorteilhaft
können die Mittel zum Einleiten elektromagnetischer Strahlung
derart eingerichtet sein, dass im Strahlungseintrittsbereich die
elektromagnetische Strahlung im Sondenkörper vor dem erstmaligen
Auftreffen auf den (die) Strahlungs-Umlenkkörper mindestens
zwei räumlich voneinander getrennte Eingangsstrahlenbündel
bildet. Die Eingangsstrahlenbündel münden dann
in die zugehörigen Austrittsstrahlenbündel. Durch
die räumliche Trennung kann die Auswertbarkeit der separaten Strahlengänge
weiter vereinfacht werden.
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Des
Weiteren kann es vorgesehen sein, die erfindungsgemäße
Sonde so auszubilden, dass mindestens zwei Strahlungsquellen der
elektromagnetischen Strahlung mit unterschiedlichen Strahlungsfrequenzen
vorgesehen sind. Die unterschiedlichen Strahlungsfrequenzen können
kombiniert in der Untersuchung eines bestimmten Oberflächenbereiches in
bekannter Weise eingesetzt werden, um durch die Kombination zweier
Wellenlängen einen größeren Messbereich
zu erreichen.
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Es
ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße
Sonde so auszubilden, dass die Mittel zum Einleiten elektromagnetischer
Strahlung derart eingerichtet sind, dass sich die Frequenz der Strahlung in
einem der Eingangsstrahlenbündel von der Frequenz der Strahlung
in einem anderen der Eingangsstrahlenbündel unterscheidet.
Auf diese Weise können separate und aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen
in der Auswertung voneinander unterscheidbare Strahlengänge
gebildet werden. Insbesondere kann hierdurch die gleichzeitige Untersuchung
mehrerer Oberflächenbereiche erleichtert werden.
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Schließlich
kann die erfindungsgemäße Sonde auch so ausgeführt
werden, dass die Mittel zum Einleiten elektromagnetischer Strahlung
Lichtleiter umfassen. Mittels der Lichtleiter kann die Strahlung
in effektiver Weise nahe an die Strahlungs-Umlenkkörper
herangebracht werden. Dabei kann auch eine Gradienten-Index-Faser
verwendet werden, zum Beispiel um eine Fokussierung des Strahlenbündels auch
dann zu erreichen, wenn das Strahlenbündel nicht auf einen
strahlformenden Strahlungs-Umlenkkörper trifft, sondern
ohne Umlenkung aus dem Sondenkörper austritt. Durch den
Einsatz von Lichtleitern kann auch bei mehreren parallelen Strahlengängen eine
hohe Miniaturisierung erreicht werden.
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Im
Folgenden werden Ausbildungsbeispiele der erfindungsgemäßen
optischen Sonde anhand von Figuren dargestellt.
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Es
zeigen schematisch:
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1:
im Querschnitt eine Sonde mit einem konkaven Umlenkkörper,
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2:
eine Sonde mit einem Umlenkkörper mit zwei konkaven Reflexionsflächen
und zwei Lichtleitern,
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3:
eine Sonde mit drei Lichtleitern und zwei Umlenkkörpern,
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4:
eine mögliche Variante der Versorgung dreier Lichtleiter
mit dem Licht einer einzelnen Strahlungsquelle und
-
5:
das Beispiel der Versorgung dreier Lichtleiter mit der Strahlung
zweier verschiedener Strahlungsquellen.
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1 zeigt
schematisch eine Sonde mit einem Sondenkörper 1,
in den ein paralleles Strahlenbündel 2 aus einer
hier nicht dargestellten Strahlungsquelle eingestrahlt wird. Dabei
handelt es sich zum Beispiel um Laserstrahlung. Das Strahlenbündel 2 wird
an einem Umlenkkörper 3 zum einen um etwa 90° umgelenkt
und zum anderen geformt. Der Umlenkkörper 3 weist
eine konkave Reflexionsfläche 4 auf, durch den
das Strahlenbündel 2 fokussiert wird. Mit Hilfe
hier nicht dargestellter Mittel zur kontrollierten Bewegung des
Sondenkörpers 1 kann ein Fokuspunkt 5 des
Strahlenbündels 2 auf eine zu untersuchende Oberfläche 6 einer
Bohrung gebracht werden. Die von der Oberfläche 6 reflektierte
Strahlung gelangt zurück über den Umlenkkörper 3 durch
den Sondenkörper 1 zu einer hier nicht dargestellten
Auswerteeinheit, die zum Beispiel ein Interferometer umfassen kann.
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2 zeigt
eine Variante, bei der ein Sondenkörper 7 von
zwei Lichtleitern 8a und 8b durchlaufen wird,
durch die zwei Strahlenbündel 9a und 9b in
den Sondenkörper 7 eingebracht werden. Die im Wesentlichen
parallelen Strahlenbündel 9a und 9b fallen
auf einen Umlenkkörper 10 mit zwei konkaven Reflexionsflächen 11 und 12,
die das Strahlenbündel 9a bzw. 9b fokussieren
und als Austrittsstrahlenbündel 38a und 38b aus
den Sondenkörper 7 hinauslenkt. Die Fokuspunkte 13a und 13b der
beiden getrennten Strahlenbündel 9a und 9b fallen
gleichzeitig auf zu untersuchende Oberflächen 14 bzw. 15.
Die jeweils von den Oberflächen 14 bzw. 15 zurückgeworfene
Strahlung wird einer hier nicht dargestellten Auswertung zugeführt.
Bei dieser Auswertung kann es vorgesehen sein, dass die aus den
Strahlenbündeln 9a und 9b resultierende,
zu untersuchende Strahlung gleichzeitig, zum Beispiel in zwei verschiedenen
Interferometern, oder durch ein Multiplex-Verfahren nacheinander
ausgewertet wird.
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3 zeigt
einen Sondenkörper 16 mit drei Lichtleitern 17a, 17b und 17c,
die durch eine gemeinsame Strahlungsquelle 18 gespeist
werden. In der prinzipiellen Darstellung in 3 ist die
Art und Weise des aus dem Stand der Technik bekannten Einkoppelns
der Strahlung, zum Beispiel Laserstrahlung, in einen Lichtleiter
nicht dargestellt. Auch die Zuführung von der Einkoppelstelle
zu den drei Lichtleitern 17a, 17b und 17c ist
nur schematisch wiedergegeben. Die Hinleitung erfolgt ebenfalls über
Lichtleiter, wobei durch zwei Kopplungselemente 19 und 20 jeweils
die Strahlung von einem Lichtleiter auf zwei nachfolgende aufgeteilt
wird.
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Die
eingekoppelte Strahlung läuft in Form von drei separaten
Strahlenbündeln 24a bis 24c durch den
Sondenkörper 16 hindurch, wobei sie beim erstmaligen
Durchlaufen der Lichtleiter 17a, 17b und 17c und
des weiteren Sondenkörpers 16 die Eingangsstrahlenbündel
im Sinne des Anspruchssatzes bilden. Der Sondenkörper 16 weist
insgesamt drei Strahlungsausgänge 21, 22 und 23 auf,
durch die die Strahlenbündel 24a bis 24c dann
als Austrittsstrahlenbündel 39a, 39b bzw. 39c den
Sondenkörper 16 verlassen. Das Strahlenbündel 24a verlässt
den Lichtleiter 17a im Wesentlichen parallel und wird durch
eine konkave Reflexionsfläche 25 im Umlenkkörper 26 umgelenkt
und auf eine Oberfläche 27 fokussiert.
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Das
Strahlenbündel 24b tritt ohne Kontakt mit einem
Umlenkkörper durch den Strahlungsausgang 22 unmittelbar
auf eine Oberfläche 28. Bei dem Lichtleiter 17b handelt
es sich um eine Gradienten-Index-Faser, deren Strahlenbündel 24b bereits fokussiert
aus dem Lichtleiter austritt. Weitere strahlformende Elemente sind
daher nicht notwendig.
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Lichtleiter 17c ist
ebenfalls eine Gradienten-Index-Faser mit einem fokussiert austretenden Strahlenbündel 24c,
das über einen nicht strahlformenden Umlenk-Körper 29 durch
den Strahlungsausgang 23 hindurch auf die Oberfläche 30 trifft.
Auf diese Weise können drei Oberflächenbereiche gleichzeitig
oder im Multiplexverfahren unmittelbar nacheinander untersucht werden,
ohne dass der Sondenkörper 16 hierfür
bewegt werden müsste. Der einfache Aufbau der Sondenkörper
erlaubt es, kostengünstig verschiedene, an unterschiedliche
Bohrungsgeometrien angepasste Sondenkörpervarianten herzustellen.
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Die 4 und 5 zeigen
alternative Möglichkeiten der Einkopplung der Strahlung
in drei separate Lichtleiter 17a bis 17c. 4 zeigt
schematisch ein Mulitplexverfahren, bei dem die Strahlung einer Strahlungsquelle 31 nach
Einkoppeln über eine erste Lichtleitfaser 32 geführt
wird. Diese Lichtleitfaser 32 kann über einen
Schaltmechanismus 33 wechselweise an die Koppelstellen 34a bis 34c angeschlossen werden,
von wo aus die Strahlung zu den Lichtleitern 17a bis 17c weitergeleitet
wird.
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In 5 ist
beispielhaft aufgeführt, wie das Licht zweier verschiedener
Strahlungsquellen auf die drei Lichtleiter 17a bis 17c geführt
wird. Die Strahlungsquellen 35 und 36 können
unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Die Strahlung
der Strahlungsquelle 35 wird alleine in den Lichtleiter 17a eingekoppelt,
während die Strahlung der Strahlungsquelle 36 über
eine feste Kopplungsstelle 37 auf die beiden Lichtleiter 17b und 17c verteilt
wird.
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- 1
- Sondenkörper
- 2
- Strahlenbündel
- 3
- Umlenkkörper
- 4
- Reflexionsfläche
- 5
- Fokuspunkt
- 6
- Oberfläche
- 7
- Sondenkörper
- 8a,
8b
- Lichtleiter
- 9a,
9b
- Strahlenbündel
- 10
- Umlenkkörper
- 11
- Reflexionsfläche
- 12
- Reflexionsfläche
- 13a,
13b
- Fokuspunkt
- 14
- Oberfläche
- 15
- Oberfläche
- 16
- Sondenkörper
- 17a
bis 17c
- Lichtleiter
- 18
- Strahlungsquelle
- 19
- Kopplungselement
- 20
- Kopplungselement
- 21
- Strahlungsausgang
- 22
- Strahlungsausgang
- 23
- Strahlungsausgang
- 24a
bis 24c
- Strahlenbündel
- 25
- Reflexionsfläche
- 26
- Umlenkkörper
- 27
- Oberfläche
- 28
- Oberfläche
- 29
- Umlenkkörper
- 30
- Oberfläche
- 31
- Strahlungsquelle
- 32
- Lichtleitfaser
- 33
- Schaltmechanismus
- 34a
bis 34c
- Kopplungsstellen
- 35
- Strahlungsquelle
- 36
- Strahlungsquelle
- 37
- Kopplungsstelle
- 38a
bis 38b
- Austrittsstrahlenbündel
- 39a
bis 39c
- Austrittsstrahlenbündel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3232904
C2 [0002]
- - US 6781699 B2 [0003]