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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störungen an einem Objekt mit einer wenigstens teilweise nicht-ebenen Oberfläche optischer Güte.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2006 054 148 B4 der Anmelderin ist ein Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störungen an Körpern aus transparentem Material mit wenigstens einer ebenen Grenzfläche optischer Güte bekannt, bei der mittels eines telezentrischen Beleuchtungs- und Bildaufnahmestrahlengang ein Untersuchungsbereich in der Größe der Ausdehnung der Feldlinse erfaßt wird. Die Funktion der Vorrichtung basiert auf dem bekannten Zusammenhang der Intensitäten von einfallendem, durchgelassenem und reflektiertem Strahl bei einem senkrechten Strahleneinfall auf einen Körper aus transparentem Material an der Grenzfläche zu Luft oder Vakuum. Im Beispiel einer Grenzfläche Glas/Luft tritt eine Intensität von 96% der einfallenden Intensität durch die Grenzfläche hindurch, während 4% senkrecht zurück reflektiert werden.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 44 34 699 C2 ist eine Anordnung zur Prüfung durchsichtiger oder spiegelnder Objekte zur Erkennung von Fehlern an der Oberfläche oder im Inneren der zu untersuchenden Objekte mit telezentrischen Beleuchtungs- und Meßstrahlengängen bekannt, wobei bei transparenten Objekten ein Retroreflektor auf der der Beleuchtungsanordnung abgewandten Seite des Objekts vorgesehen ist.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 37 17 274 A1 ist eine optische Fehlerinspektionsvorrichtung für spiegelnd reflektierende und/oder transparente, im wesentlichen ebene Oberflächen von Gegenständen bekannt, wobei zur Beleuchtung ein Spiegelreflektor vorgesehen ist.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 21 52 510 C3 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von Oberflächenfehlern an glatten, vorzugsweise ebenen Oberflächen, wobei die Oberfläche mit einem Laserstrahl punktweise abgescannt wird und aus der Analyse der Beugungsmuster des reflektierten Laserstrahls auf die Art der Oberflächenfehler geschlossen wird.
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Bei den bekannten Vorrichtungen zur optischen Untersuchung von Objekten mit glänzenden, nicht-ebenen Flächen in einem Auflichtverfahren wird die Erkennbarkeit von Störungen auf einer Oberfläche optischer Güte eines Objekts beispielsweise dadurch negativ beeinflußt, daß Fremdlicht von außerhalb der Vorrichtung, wie Raumbeleuchtung oder Tageslicht den Kontrast vermindern oder ungünstige Spiegelungen auftreten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber Umgebungslicht und störenden Spiegelungen unempfindliche Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störungen auf einer wenigstens teilweise nicht-ebenen Oberfläche optischer Güte eines Objekts mit einem Auflichtverfahren zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die eine telezentrische Beleuchtungs- und Bildaufnahmeeinrichtung mit einer Lichtquelle kleiner Ausdehnung, einer Feldlinse und einem Bildverarbeitungsrechner aufweist, wobei auf der dem Objekt zugewandten Seite der Feldlinse eine Zusatzoptik angeordnet ist, die das Parallellichtbündel des telezentrischen Strahlenganges derart auf die Oberfläche des Objekts ablenkt, daß an jeder Stelle des Untersuchungsbereiches die einfallenden Strahlen senkrecht auf der Oberfläche des Objekts stehen und daß die von der Oberfläche des Objekts reflektierten Lichtstrahlen die Bildaufnahmeeinrichtung nur dann erreichen, wenn diese senkrecht von der Oberfläche des Objekts ausgehen. Bei einem senkrechten Einfall der Lichtstrahlen auf ein spiegelndes Objekt wird je nach Reflexionseigenschaften der Oberfläche ein vorbestimmter Anteil der eingestrahlten Intensität zurück reflektiert. Durch die Telezentriebedingung erreichen nur solche Lichtstrahlen von der Oberfläche des Objekts die Bildaufnahmeeinheit, wenn sie annähernd den gleichen optischen Weg zurücklegen wie der eingestrahlte Lichtstrahl. Eine ungestörte Oberfläche optischer Güte liefert mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Bild mit isotroper Intensitätsverteilung. Trifft ein Lichtstrahl auf eine Störung der Oberfläche, so wird ein Teil der eingestrahlten Intensität durch Streuung, Brechung oder Beugung in eine andere Richtung als die des Einfallsstrahls abgelenkt. Am Ort der Störung ist im Bild der Bildaufnahmeeinrichtung die Intensität am abgebildeten Ort der Störung kleiner als die Intensität der Umgebung; die Störung erscheint gegenüber der ungestörten Umgebung dunkler. Das dem erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegende Verfahren ist für alle Oberflächen optischer Güte unempfindlich gegenüber Umgebungslicht, das nicht von der Lichtquelle der Vorrichtung ausgesandt wurde. Bei den Oberflächen kann es sich beispielsweise um polierte Metall- oder Halbleiteroberflächen, verspiegelte oder unverspiegelte, glänzende Kunststoff- oder Glasoberflächen handeln.
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Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert.
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In 1 ist eine Ansicht des telezentrischen Strahlenganges einer Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störungen auf der Oberfläche eines Objekts (8) senkrecht zu den optischen Achsen von Bildaufnahmeeinrichtung (11) und Feldlinse (4) schematisch dargestellt. Von einer Beleuchtungseinrichtung (21) in der beleuchtungsseitigen Fokalebene (20) der Feldlinse (4) wird mittels derer in Richtung des Objekts (8) ein paralleles Lichtbündel auf eine Vorsatzoptik (40) geleitet. Das Licht passiert dabei zwischen der Beleuchtungseinrichtung (21) und der Feldlinse (4) einen Strahlteiler (6) mit einer teildurchlässig verspiegelten Grenzfläche (7). Dieser Strahlteiler reflektiert teilweise das von der Vorsatzoptik (40) parallel zur optischen Achse der Feldlinse (4) emittierte Licht um einen Winkel von 90° in die Eintrittspupille (13) des Objektivs (12) der Bildaufnahmeeinheit (11). Die Eintrittspupille (13) des Kameraobjektivs (12) liegt dabei in der bildaufnehmerseitigen Fokalebene (10) der Feldlinse (4) und hat die Funktion der Aperturblende des telezentrischen Strahlengangs.
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Die Vorsatzoptik (40) lenkt das parallele Lichtbündel derart ab, daß die Lichtstrahlen auf der Objektseite der Vorsatzoptik (40) an jedem Punkt des Untersuchungsbereiches (30) senkrecht auf die Grenzfläche des Objekts (8) auftreffen.
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Als Beispiel für ein Objekt (8) ist in 1 ein hohlzylindrischer Körper mit einer Zylinderoberfläche (80) und einer Zylinderachse (43) dargestellt. Der Untersuchungsbereich (30) ist durch die Schnittfläche des objektseitigen Strahlenbündels der Vorsatzoptik (40) mit der Zylinderoberfläche (80) festgelegt. Die Vorsatzoptik (40) kann in dem dargestellten Beispiel aus einer zylindrische Sammellinse bestehen, deren Brennpunkt mit der Zylinderachse (43) zusammenfällt.
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Die Beleuchtungsvorrichtung (21) ist im Beispiel der 1 als punktförmige Lichtquelle dargestellt. Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, eine Lichtquelle als Beleuchtungsvorrichtung (21) zu verwenden, die in der beleuchtungsseitigen Fokalebene (10) der Feldlinse (4) angeordnet ist und eine Ausdehnung in dieser Ebene von maximal dem 10-fachen Durchmessers der Eintrittspupille (13) des Kameraobjektivs (12) aufweist. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung einer nicht-punktförmigen Lichtquelle als Beleuchtungsvorrichtung (21) kleine Positionierungsabweichungen des Objekts (8) gegenüber der Vorsatzoptik (40) toleriert.
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Als Feldlinse (4) wird vorzugsweise eine sphärische Linse verwendet. Ist bei einem gewählten optischen Aufbau und einer vorgegebenen Ausdehnung eines Untersuchungsbereiches (30) ein Öffnungswinkel des von der Beleuchtungseinrichtung (21) emittierten annähernd kegel- oder pyramidenförmigen Lichtbündels von mehr als etwa 30° erforderlich, so kann die Verwendung einer asphärischen Linse als Feldlinse (4) von Vorteil sein. Aus Kosten- und Gewichtsgründen kann an Stelle einer sphärischen Linse auch eine Fresnellinse oder ein holografischoptisches Element (HOE) verwendet werden.
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In 2 ist als Beispiel für ein Objekt (8) ein Körper mit einem Untersuchungsbereich (30) auf einer konkaven Zylinderfläche (81) und einer Zylinderachse (43) dargestellt. Der Untersuchungsbereich (30) ist durch die Schnittfläche des objektseitigen Strahlenbündels der Vorsatzoptik (40) mit der Zylinderoberfläche (81) festgelegt. Die Vorsatzoptik (40) des Beispiels kann aus einer zylindrischen Zerstreuungslinse bestehen, deren virtueller Brennpunkt mit der Zylinderachse (43) zusammenfällt.
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In 3 ist als Beispiel für ein Objekt (8) ein Körper mit einem Untersuchungsbereich (30) auf einer konkaven sphärischen Fläche (82) mit einem Krümmungsmittelpunkt (44) dargestellt. Der Untersuchungsbereich (30) ist durch die Schnittfläche des objektseitigen Strahlenbündels der Vorsatzoptik (40) mit der konkaven sphärischen Oberfläche (82) festgelegt. Die Vorsatzoptik (40) des Beispiels kann aus einer sphärischen Sammellinse bestehen, deren Brennpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt (44) der konkaven sphärischen Oberfläche (81) zusammenfällt.
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Als Beleuchtungsvorrichtung Lichtquelle (21) ist im Rahmen der Erfindung vorzugsweise eine Licht emittierende Halbleiterdiode (LED) oder ein Festkörperlaser (Laserdiode) und als Bildaufnahmeeinheit (11) eine CCD- oder CMOS-Kamera vorgesehen. Im Falle der LED-Beleuchtung können LED mit engen Farbspektren oder mit Weißlicht-Emissionsspektrum verwendet werden. Die Auswahl des Spektrums der Lichtquelle (21) kann bei Bedarf der wellenlängenabhängigen Absorption der zu untersuchenden Störungen angepaßt werden.
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Sollen mit der Vorrichtung Phasenobjekte auf oder in dem Körper (8) aus transparentem Material detektiert werden, so ist die Verwendung einer Lichtquelle (21) für monochromatisches, kohärentes Licht erforderlich. Vorzugsweise wird in einem solchen Fall eine Laserdiode verwendet, deren Strahl bedarfsweise durch eine Aufweitungsoptik derart aufgeweitet wird, daß die gesamte Querschnittsfläche der Feldlinse (4) und damit der gesamte Untersuchungsbereich (30, 30', 30'') auf dem Objekt (8) ausgeleuchtet wird. Bei der Aufweitungsoptik kann es sich beispielsweise im Fall eines rechteckigen Untersuchungsbereiches um eine Zylinderoptik handeln. Mit einer derartigen Anordnung ist es beispielsweise möglich, Störungen in der optischen Vergütung der ersten Grenzfläche (1) nachzuweisen.
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In einem herkömmlichen Bildverarbeitungsrechner (14) werden die gewonnenen Aufnahmen der Bildaufnahmeeinrichtung (11) weiterverarbeitet und gegebenenfalls abgespeichert und auf einem Monitor dargestellt. Für den Fall, daß die Störungen Codes darstellen, werden die gewonnenen Aufnahmen der Bildaufnahmeeinrichtung (11) mit einem Zeichenerkennungsprogramm des Bildverarbeitungsrechners (14) vorzugsweise automatisch analysiert. Die Störungen können in diesem Fall die Form von Ziffern oder Buchstaben haben oder beispielsweise eine Anordnung von Punkten oder Linien darstellen, wie im Falle eines Barcodes oder 2D-Codes, wobei diese Anordnung von Punkten oder Linien mit einer Decodierungsvorschrift nach bekannten Verfahren decodiert werden kann.
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In 4 ist als Beispiel für ein Objekt (8) ein hohlzylindrischer Körper mit einer Zylinderoberfläche (80) und einer Zylinderachse (43) dargestellt. Der Untersuchungsbereich (30, 30', 30'') ist durch die Schnittflächen der objektseitigen Strahlenbündel der aus einem Parabolspiegel (45) und einer Zylinderlinse (42) bestehenden Vorsatzoptik (40) festgelegt. Dabei setzt sich der Untersuchungsbereich (30, 30', 30'') aus drei nicht-zusammenhängenden Bereichen zusammen, wobei der Untersuchungsbereich (30) der Zylinderlinse (42) und die Untersuchungsbereiche (30', 30'') dem Parabolspiegel (45) zugeordnet sind.
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In 5 ist als Beispiel für ein Objekt (8) mit einer Oberfläche aus abschnittsweisen Zylinderoberflächen (80, 80') und ebenen Oberflächen (83, 83') dargestellt. Der Untersuchungsbereich (30, 30') ist durch die Schnittflächen der objektseitigen Strahlenbündel der aus einem Prisma (41) und einer Zylinderlinse (42) sowie eines Prismas (41') bestehenden Vorsatzoptik (40) festgelegt. Dabei setzt sich der Untersuchungsbereich (30, 30') aus zwei nicht-zusammenhängenden Bereichen zusammen, wobei der Untersuchungsbereich (30) der Zylinderlinse (42) und dem Prisma (41) und der Untersuchungsbereich (30') dem Prisma (41') zugeordnet sind. Das auf der Objektseite der Feldlinse (4) emittierte Parallelstrahlenbündel wird durch eine Blende (46) derart ausgeblendet, daß diejenigen Stahlen, die außerhalb der Untersuchungsbereiche (30, 30') auf das Objekt (8) auftreffen würden, abgeblendet werden.
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Die Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störungen in einem Untersuchungsbereich (30, 30', 30'') auf der Oberfläche eines Objekts (8) ist vorgesehen und besonders geeignet für Objekte, die eine wenigstens teilweise nicht-ebene Oberfläche optischer Güte aufweisen.
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Unter ”Oberflächen optischer Güte” sollen spiegelnde Grenzflächen von transparenten oder nicht-transparenten Körpern verstanden werden. Bei den Körpern selbst kann es sich um Ampullen, wie Impfstoffampullen, Vials, Fläschchen, Glas-, Kunststoff- oder Metallbehältnisse oder allgemein Körper mit glänzender Oberfläche handeln.
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Die Störungen innerhalb des Untersuchungsbereiches (30, 30', 30'') können Materialfehler, Beschädigungen, Kratzer, Blasen, Verunreinigungen oder Oberflächenmarkierungen wie Barcodes, 2D-Codes, Beschriftungen oder Identifikationsmarkierungen sein.
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Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Vorsatzoptik (40) aus einer zylindrischen Sammellinse besteht und der Untersuchungsbereich (30) auf der Oberfläche des Objekts (8) ein aufgewickeltes Rechteck auf einer äußeren Zylindermantelfläche darstellt, wobei das Objekt (8) derart bezüglich der Vorsatzoptik (40) positioniert ist, daß die Zylinderachse (43) in der zur optischen Achse der Feldlinse (4) senkrechten Ebene liegt, die die Fokallinie der Zylinderlinse enthält.
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Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Vorsatzoptik (40) aus einer zylindrischen Zerstreuungslinse besteht und der Untersuchungsbereich (30) auf der Oberfläche des Objekts (8) ein aufgewickeltes Rechteck auf einer inneren Zylindermantelfläche darstellt, wobei das Objekt (8) derart bezüglich der Vorsatzoptik (40) positioniert ist, daß die Zylinderachse (43) in der zur optischen Achse der Feldlinse (4) senkrechten Ebene liegt, die die virtuelle Fokallinie der Zylinderlinse enthält.
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Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Vorsatzoptik (40) aus einer sphärischen Sammellinse besteht und der Untersuchungsbereich (30) auf der Oberfläche des Objekts (8) eine Kugelkalotte auf einer äußeren Kugelfläche darstellt, wobei das Objekt (8) derart bezüglich der Vorsatzoptik (40) positioniert ist, daß der Kugelmittelpunkt der Kugelfläche in der zur optischen Achse der Feldlinse (4) senkrechten Ebene liegt, die den Brennpunkt der Sammellinse enthält.
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Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Vorsatzoptik (40) aus einer spärischen Zerstreuungslinse besteht und der Untersuchungsbereich (30) auf der Oberfläche des Objekts (8) eine konkave Kugelkalotte auf einer inneren Kugelfläche darstellt, wobei das Objekt (8) derart bezüglich der Vorsatzoptik (40) positioniert ist, daß der Kugelmittelpunkt der Kugelfläche in der zur optischen Achse der Feldlinse (4) senkrechten Ebene liegt, die den virtuellen Brennpunkt der sphärischen Zerstreuungslinse enthält.
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Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Vorsatzoptik (40) aus einem rotationsparabolischen Spiegel besteht und der Untersuchungsbereich (30) auf der Oberfläche des Objekts (8) eine Kugelkalotte auf einer äußeren Kugelfläche darstellt, wobei das Objekt (8) derart bezüglich der Vorsatzoptik (40) positioniert ist, daß der Kugelmittelpunkt der Kugelfläche in der zur optischen Achse der Feldlinse (4) senkrechten Ebene liegt, die den Brennpunkt des rotationsparabolischen Spiegels enthält.
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Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Vorsatzoptik (40) aus einem linearen Parabolspiegel besteht und der Untersuchungsbereich (30) auf der Grenzfläche (1) des Objekts (8) ein aufgewickeltes Rechteck auf einer äußeren Zylindermantelfläche darstellt, wobei das Objekt (8) derart bezüglich der Vorsatzoptik (40) positioniert ist, daß die Zylinderachse der Oberfläche in der zur optischen Achse der Feldlinse (4) senkrechten Ebene liegt, die die Fokallinie des linearen Parabolspiegels enthält.
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Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Vorsatzoptik (40) aus refraktiven und reflektiven und beugungsoptischen Elementen besteht und der Untersuchungsbereich (30, 30', 30'') auf der Oberfläche des Objekts (8) aus wenigstens zwei nicht miteinander zusammenhängenden Teilbereichen besteht.
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Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Vorsatzoptik (40) aus einem holografischen optischen Element (HOE) besteht und der Untersuchungsbereich (30) auf der Oberfläche des Objekts (8) eine Freiformfläche darstellt, wobei das Objekt (8) derart bezüglich der Vorsatzoptik (40) positioniert ist, daß die objektseitigen Stahlen aus dem HOE in allen Punktes des Untersuchungsbereiches (30) senkrecht auf die Oberfläche des Objekts (8) auftreffen.
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Verzeichnis der Abbildungen
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1: Schematische Ansicht des Strahlenganges senkrecht zu den optischen Achsen von Objektiv und Kameraobjektiv für eine Vorrichtung zur Untersuchung von Zylinderoberflächen
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2: Schematische Ansicht des objektseitigen Strahlenganges für eine Vorrichtung zur Untersuchung einer konkaven zylindrischen Oberfläche
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3: Schematische Ansicht des objektseitigen Strahlenganges für eine Vorrichtung zur Untersuchung einer konkaven sphärischen Oberfläche
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4: Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung von Zylinderoberflächen mit Feldspiegel, Zylinderlinse und Parabolspiegel
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5: Vorsatzoptik für eine aus ebenen und zylindrischen Flächen zusammengesetzte Oberfläche eines Objekts.
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Bezugszeichenliste
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- 4
- Feldlinse
- 6
- Strahlteiler
- 7
- teildurchlässig verspiegelte Grenzfläche
- 8
- Objekt
- 10
- bildaufnehmerseitige Fokalebene der Feldlinse
- 11
- Bildaufnahmeeinrichtung
- 12
- Kameraobjektiv
- 13
- Eintrittspupille
- 14
- Bildverarbeitungsrechner
- 20
- beleuchtungsseitige Fokalebene der Feldlinse
- 21
- Beleuchtungseinrichtung
- 40
- Vorsatzoptik
- 41, 41'
- Prisma
- 42
- Zylinderlinse
- 43
- Zylinderachse
- 44
- Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Oberfläche
- 45
- Parabolspiegel
- 46
- Blende
- 81
- Konkave zylindrische Oberfläche
- 82
- Sphärische Oberfläche
- 30, 30', 30''
- Untersuchungsbereich
- 80, 80'
- Zylinderoberfläche
- 83, 83'
- Ebene Oberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006054148 B4 [0002]
- DE 4434699 C2 [0003]
- DE 3717274 A1 [0004]
- DE 2152510 C3 [0005]
