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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Positionsbestimmung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen, bei welchen durch optische Weglängenmessungen, insbesondere durch Trilateration, die Position eines Objekts in einen Raumbereich bestimmt wird. Mit derartigen Verfahren kann beispielsweise die Position eines Abschnitts einer Mehrachskinematik, beispielsweise eines Roboterarms, bestimmt werden. An den Enden derartiger Roboterarme oder auch an anderen Punkten der Roboterarme können Messgeber, Werkzeuge und dergleichen befestigt werden.
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Zum Vermessen von Objekten mit derartigen Messgebern bzw. zum Bearbeiten von Objekten mit derartigen Werkzeugen ist es je nach Messgeber bzw. Werkzeug nötig, die Position und Orientierung des Abschnitts der Mehrachskinematik, an welchem der Messgeber bzw. das Werkzeug angebracht ist, genau zu kennen.
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Bei derartigen Systemen ist es wünschenswert, die Position in Räumen von einigen Metern Länge mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich zu bestimmen. Dies stellt eine hohe technische Herausforderung dar.
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Diesbezüglich ist es bekannt, zur Ortsbestimmung Laserweglängenmessgeräte zu verwenden, bei welchem ein Abstand eines Punktes, dessen Position zu bestimmen ist, von einem festgelegten Referenzpunkt durch Laufzeitmessung von Lichtstrahlen bestimmt werden. So ist aus der
DE 10 2004 021892 A1 beispielsweise eine Vorrichtung bekannt, bei welcher zur Bestimmung einer Position und einer Orientierung nacheinander sechs verschiedene Retroreflektoren mittels eines sog. Lasertrackers angemessen werden.
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Bei anderen Verfahren wird von drei stationären Messeinrichtungen ein beispielsweise an einem Roboterarm angebrachter Retroreflektor angemessen. Aus so ermittelten drei Distanzen zwischen den einzelnen Messvorrichtungen und dem Retroreflektor kann mittels Trilateration die Position des Retroreflektors bestimmt werden. Bei anderen Verfahren kann beispielsweise auch parallel oder sequentiell mit einer Messvorrichtung an einem Abschnitt eines Roboterarms oder allgemeiner an einem Objekt zu drei oder mehr stationären Reflektoren gemessen werden.
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Dabei besteht eine Möglichkeit darin, die verwendeten Lichtstrahlen derart aufzuweiten, dass sie einen gesamten relevanten Raumbereich erfassen. Dies führt jedoch entweder einer geringen Strahlintensität oder zur Notwendigkeit sehr starker Lichtquellen. Daher besteht eine Alternative darin, einen Lichtstrahl nur in denjenigen Raumbereich zu lenken, in welchem sich der jeweilige Reflektor befindet, wobei der Lichtstrahl dann beispielsweise mittels eines Spiegels dem Reflektor nachgeführt werden kann. Hierfür können beispielsweise mikroelektromechanische Spiegel (MEMS-Spiegel) verwendet werden, welche aber aufgrund der bei derartigen Spiegeln verwendeten Festkörpergelenke den Nachteil haben, nur einen relativ geringen Winkelbereich, circa ±10°, abzudecken. Hierdurch wird der abgedeckte Raumbereich eingeschränkt.
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Auf der anderen Seite bieten derartige mikromechanische Spiegel den Vorteil einer hohen Geschwindigkeit, was zur Positionsbestimmung sich beweglicher Objekte mit hinreichend hoher Rate wichtig ist.
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Aus der
DE 601 10 049 T2 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher ein Laserstrahl so abgelenkt wird, dass er große Bereiche abdeckt, wobei hierfür ein reflektierender Körper verwendet werden kann, welcher beispielsweise die Form eines Kegels oder Kegelstumpfs haben kann, um einen großen Bereich mit dem Laser überstrichen werden kann. Der Laserstrahl kann dann detektiert werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren zur Positionsbestimmung zu schaffen, bei welchem ein größerer Winkelbereich schnell erfasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 4. Die abhängigen Ansprüche definieren weiter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
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Erfindungsgemäß werden Verfahren und Vorrichtungen zur Positionsbestimmung beispielsweise mittels Trilateration bereitgestellt, bei welchen z. B. drei Weglängen zur Bestimmung eine Position des Objekts gemessen werden. Zur Messung wird Licht von einer oder von mehreren Messvorrichtungen zu einem oder mehreren Reflektoren gesendet und das reflektierte Licht detektiert. Erfindungsgemäß wird dabei ein Licht über einen beweglichen Spiegel und eine den beweglichen Spiegel nachgeschaltetes optisches Element zu dem Reflektor gelenkt, wobei das optische Element drehsymmetrisch, insbesondere zylindersymmetrisch ist oder einen Abschnitt einer drehsymmetrischen, insbesondere zylindersymmetrischen, Optik darstellt.
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Durch die Verwendung einer derartigen Spiegeloptik kann erreicht werden, dass auch mit einem Spiegel mit relativ geringem Winkelverstellbereich ein Raumbereich von 360° in einer zur Symmetrieachse des optischen Elements senkrechten Ebene erreicht werden.
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Das optische Element umfasst dabei einen Hyperbolspiegel.
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Hyperbolspiegel bieten dabei den Vorteil, dass eine optische Weglänge im Wesentlichen unabhängig von dem jeweiligen Ablenkwinkel ist, was die Berechnung von Weglängen für eine Trilateration auf Basis der optischen Messungen vereinfacht.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Elemente zur Vergrößerung des mit dem Lichtstrahl erfassbaren Bereichs bereitgestellt werden, beispielsweise refraktive Elemente, wie Teleskope oder Weitwinkeloptiken.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung, welche beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel der 2 verwendet werden kann,
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4 ein Beispiel einer Messvorrichtung, welche kein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, und
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht als den Bereich der Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird als Anwendung ein Roboterarm 10 verwendet, welcher ein Beispiel für eine Mehrachskinematik ist. An einem letzten Glied 11 des Roboterarms 10 ist ein Retroreflektor 12 angebracht, dessen Position auf optische Weise mit der in 1 dargestellten Vorrichtung bestimmbar ist. An dem letzten Glied 11 des Roboterarms kann hierfür beispielsweise am Messgeber angebracht sein, beispielsweise ein optischer oder taktiler Messgeber, z. B. ein Taststift, mit welchem eine Oberfläche vermessen wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann an dem letzten Glied 11 ein Werkzeug angebracht sein, mit welchem ein Objekt zu bearbeiten ist.
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Zur Positionsbestimmung des Retroreflektors 12 und somit des letzten Gliedes 11 sind in 1 drei Messvorrichtungen 13, 14, 15 bereitgestellt, welche jeweils wie durch gestrichelte Linien angedeutet, einen Lichtstrahl zu dem Retroreflektor 12 senden und das reflektierte Licht messen. Die in den Messvorrichtungen 13, 14 und 15 detektierten reflektierten Signale werden dann von einer Auswerteeinheit 16, welche beispielsweise einen Mikroprozessor umfassen kann, ausgewertet. Durch diese Messung kann jeweils die Distanz zwischen der jeweiligen Messvorrichtung 13, 14 und 15 und dem Retroreflektor 12 bestimmt werden und somit bei bekannter Position der stationären Messvorrichtungen 13, 14 und 15 durch Trilateration die Position des Retroreflektors 12 und somit des letzten Gliedes 11 bestimmt werden. Zu beachten ist, dass der Retroreflektor 12 in 1 nicht mallstabsgetreu dargestellt ist und insbesondere relativ klein gewählt werden kann.
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Die Messvorrichtungen 13, 14 und 15 umfassen jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem beweglichen Spiegel und einem optischen Element, womit der jeweilige Lichtstrahl in Richtung des Retroreflektors 12 gelenkt wird. Ausführungsbeispiele derartiger Vorrichtungen werden später unter Bezugnahme auf 5 detaillierter erläutert. Dabei kann der jeweilige Lichtstrahl kegelförmig aufgeweiet sein, so dass die Richtung des Retroreflektors 12 nicht exakt getroffen werden muss, sondern lediglich am Raumbereich, in welchem sich der Retroreflektor 12 befindet, beleuchtet werden muss.
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Zu bemerken ist, dass die Lichtstrahlen, welche von den Messvorrichtungen 13, 14 und 15 ausgesendet werden, verschiedene Eigenschaften haben können, um die reflektierten Lichtstrahlen voneinander trennen zu können, beispielsweise verschiedene Wellenlängen oder verschiedene Modulationen, beispielsweise verschiedene Pulsraten. Bei den Lichtstrahlen kann es sich insbesondere um Laserstrahlen, beispielsweise Laserstrahlen eines Kurzpulslasers handeln.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 1 wird Licht von stationären Messvorrichtungen 13, 14 und 15 zu einem an einem beweglichen Objekt, in diesem Fall dem letzten Glied 11 des Roboters 10, gesendet und das reflektierte Licht gemessen. Es ist jedoch ebenso die umgekehrte Konfiguration möglich. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird auch bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ein Roboterarm, in diesem Fall ein Roboterarm 20, als Anwendungsbeispiel verwendet, wobei eine Position eines letzten Gliedes 21 des Roboterarms 20 bestimmt werden soll, Wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erläutert, kann an dem letzten Glied 21 beispielsweise ein Messgeber oder ein Werkzeug angebracht sein.
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An dem letzten Glied 21 ist eine Messvorrichtung 22 angebracht, welche wie durch gestrichelte Linien angedeutet, Lichtstrahlen zu Retroreflektoren 23, 24 und 25 aussendet und die reflektierten Lichtstrahlen jeweils detektiert. Auf Basis des detektierten Lichts kann dann in einer Auswerteeinheit 26 durch Trilateration die Position der Messvorrichtung 22 und somit des letzten Gliedes 21 bestimmt werden.
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Wie die Messvorrichtungen 13, 14 und 15 sind auch die Retroreflektoren 23, 24 und 25 nicht in einer Linie angeordnet, so dass drei linear unabhängige Richtungen gemessen werden.
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Die Messvorrichtung 22 kann die Retroreflektoren 23, 24 und 25 sequentiell nacheinander anmessen, wobei der Lichtstrahl nacheinander auf die Retroreflektoren gerichtet werden kann. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Messvorrichtung 22 auch, wie dies in 3 schematisch dargestellt worden ist, drei separate Messeinrichtungen umfassen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 umfasst eine Messvorrichtung insbesondere drei in Form eines Dreiecks 30 angeordnete Messeinrichtungen 31, 32 und 33, welche jeweils durch Lichtkegel der von ihnen ausgesandten Strahlen repräsentiert sind.
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Jede der Messeinrichtungen 31, 32, 33 kann einen der Retroreflektoren 23, 24, 25 anmessen, wobei sich die verwendeten Strahlen wiederum, wie unter Bezugnahme auf 1 erläutert, beispielsweise hinsichtlich ihrer Wellenlänge oder hinsichtlich ihrer Modulation unterscheiden können. Es kann auch jeder der Messeinrichtungen 31, 32, 33 hintereinander mehrere der Retroreflektoren 23, 24, 25 anmessen, oder es können mehr Retroreflektoren hierfür bereitgestellt sein, um mehr Daten zu erhalten, beispielsweise um ein überbestimmtes Gleichungssystem zur Bestimmung der Position zu schaffen, oder um auch eine Orientierung der Messeinrichtung im Raum zu bestimmen. Bei anderen Ausführungen können mehrere, z. B. drei, Messeinrichtungen und mehrere, z. B. drei, Reflektoren auf andere Weise angeordnet sein, um simultan mehrere, z. B. drei, Messgrößen, insbesondere Längen, zu erfassen.
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Auch bei dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 enthalten die Messvorrichtung 22 bzw. die Messeinrichtungen 31, 32, 33 erfindungsgemäße Vorrichtungen zum Lenken des jeweiligen Lichtstrahls in Richtung des jeweiligen Retroreflektors, welche einen beweglichen Spiegel und ein weiteres optisches Element umfassen.
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Beispiele derartiger Vorrichtungen zum Lenken eines Lichtstrahls werden nunmehr unter Bezugnahme auf die 4 und 5 näher erläutert.
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Bei dem Beispiel einer Lenkvorrichtung, welches in 4 dargestellt ist und welches kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wird ein Lichtstrahl 41, insbesondere ein Laserstrahl, auf einen an einem Oberteil 40 angebrachten beweglichen Spiegel 42 gelenkt. Der bewegliche Spiegel 42 kann beispielsweise ein mikroelektromechanischer Spiegel sein, beispielsweise ein auf einem Siliziumsubstrat aufgebauter Spiegel, welcher um zwei zueinander im Wesentlichen senkrecht stehende Achsen beweglich ist. Bei anderen Varianten kann der Spiegel 42 auch um eine Achse kippbar und um eine andere Achse, welche beispielsweise in 4 im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Spiegels stehen kann, drehbar sein. Der von dem Spiegel 42 reflektierte Lichtstrahl 41 ist in 4 mit dem Bezugszeichen 43 bezeichnet.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung aus 4 einen auf einem Unterteil 44 angebrachten kegelförmigen Spiegel 45, auf welchen der reflektierte Strahl 43 trifft und zu einem weiter reflektierten Strahl 46 reflektiert wird. Der kegelförmige Spiegel 45 ist dabei bei dem dargestellten Beispiel derart ausgerichtet, dass seine Symmetrieachse durch einen Schnittpunkt der beiden Achsen des Spiegels 42 hindurchgeht.
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Durch Verkippen des Spiegels 42 um diese Achsen kann der Auftragpunkt des reflektierten Strahls 43 auf den kegelförmigen Spiegel 45 verändert werden. Ein Winkelbereich, in welchem diese Veränderung möglich ist, ist in 4 mit 48 bezeichnet. Dabei kann eine (nicht dargestellte) Blende vorgesehen sein, um den mittleren Bereich des kegelförmigen Spiegels 45, d. h. einen Bereich um die Spitze des kegelförmigen Spiegels 45 herum, auszunehmen, so dass der Verstellbereich auf jeder Seite des kegelförmigen Spiegels 45, wie durch gestrichelte Linien angedeutet, begrenzt ist. Hierdurch ergibt sich ein Verstellbereich für den reflektierten Strahl 46 um 360° in einer Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse des kegelförmigen Spiegels 45 und ein Verstellbereich entsprechend einem Winkel 49, wie durch gestrichelte Linien in 4 angedeutet, senkrecht zu dieser Ebene. Somit kann durch Verwendung des kegelförmigen Spiegels 45 der gesamte Verstellbereich deutlich vergrößert werden.
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Beispielsweise kann der Winkel 48 einen Bereich von ±10°, also insgesamt 20°, oder einen Bereich von 40°, also ±20° abdecken, und der Winkel 49 kann beispielsweise 20° betragen.
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Bei den Beispielen von 4 ist das Oberteil 40 mit dem Unterteil 44 durch ein Verbindungsteil 47 verbunden. Das Verbindungsteil 47 ist dabei vorzugsweise in einer Richtung angeordnet, in welchen eine hierdurch verursachte Abschattung des reflektierten Strahls 46 nicht stört, und kann beispielsweise in Form dünner Stäbe oder in Form radial angeordneter dünner Bleche realisiert sein, um die Abschattung zu minimieren.
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Derartige Anordnungen sind jedoch nicht auf die Verwendung kegelförmiger Spiegel, wie des kegelförmigen Spiegels 45 beschränkt, sondern es können auch andere drehsymmetrische, insbesondere zylindersymmetrische, optische Elemente verwendet werden, um einen von einem Spiegel, wie dem Spiegel 42 abgelenkten Lichtstrahl in einen größeren Raumbereich zu lenken. Erfindungsgemäß wird statt eines kegelförmigen Spiegels ein Hyperbolspiegel verwendet, wie dies in 5 dargestellt ist.
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Ähnlich wie bei dem Beispiel der 4 wird auch bei dem Ausführungsbeispiel der 5 ein Lichtstrahl 51, beispielsweise ein Laserstrahl, auf einen beweglichen Spiegel 52 gelenkt, welcher bei dem Ausführungsbeispiel der 5 an einem Oberteil 50 angebracht ist. Der reflektierte Strahl ist mit Bezugszeichen 53 bezeichnet, wobei in 5 zwei Strahlenbündel dargestellt sind, wobei die einzelnen Strahlen verschiedenen Stellungen des Spiegels 52 entsprechen. Eine Blende 57 beschränkt den Winkelbereich, in welchem die Strahlen auf einen Hyperbolspiegel 55 gelenkt werden. Der Hyperbolspiegel 55 ist dabei auf einem Unterteil 54 angebracht, welches, wie bereits unter Bezugnahme auf 4 erläutert, mit dem Oberteil 50 verbunden sein kann (in 5 nicht explizit dargestellt). Der Hyperbolspiegel 55 ist dabei derart angeordnet, dass ein erster Brennpunkt 58 des Hyperbolspiegels mit dem Schnittpunkt von zwei Achsen, um welche der Spiegel 52 kippbar ist, zusammenfällt.
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Bei einer derartigen Konfiguration ist die Summe einer ersten Länge l1 von dem Spiegel 52 zu dem Hyperbolspiegel 55 und einer zweiten Länge l2 von dem Hyperbolspiegel 55 zu einer Kugelfläche 510 um einen zweiten Brennpunkt 59 unabhängig von der Stellung des Spiegels 52 konstant. Dies erleichtert die Auswertung der optischen Messung, beispielsweise in der Auswerteeinheit 16 der 1 oder Auswerteeinheit 26 der 2, da bei anderen optischen Elementen, wie beispielsweise dem Kegelspiegel der 4, die optische Weglänge nicht nur von der Entfernung des angepeilten Retroreflektors, sondern auch von der Winkelstellung des Spiegels abhängt, was beispielsweise in der Auswerteeinheit dann rechnerisch kompensiert wird.
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Die Konfigurationen mit Oberteil und Unterteil, wie in den 4 und 5 dargestellt. sind lediglich als Beispiel zu verstehen, und der bewegliche Spiegel, wie das optische Element, können in jeglicher geeigneten Weise in der jeweiligen Messvorrichtung angebracht sein. Beispielsweise kann bei einer Variation des Beispiels der 4 und des Ausführungsbeispiels der 5 der Lichtstrahl von unten durch eine zentrale Bohrung im jeweiligen optischen Element 45 bzw. 55 auf den Spiegel 42 bzw. 52 gelenkt werden. Der Spiegel 42 bzw. 43 wäre dann in „Nullstellung” waagerecht und könnte zu allen Seiten ausgelenkt (gekippt) werden.
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Bei Anwendungen, in welchem eine Abdeckung eines 360° Bereichs um eine Symmetrieachse des optischen Elements, wie des kegelförmigen Spiegels 45 oder des Hyperbolspiegels 55 nicht benötigt wird, kann auch ein entsprechend kleinerer Abschnitt des jeweiligen optischen Elements verwendet werden. Wird beispielsweise nur eine Abdeckung von 270° benötigt, kann entsprechend ein 270° umfassender Abschnitt des jeweiligen optischen Elements bereitgestellt sein.
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Zudem können statt eines einzigen optischen Elements auch mehrere drehsymmetrische oder zylindersymmetrische optische Elemente verwendet werden.
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Zu bemerken ist, das sich Richtungsangaben wie „Oberteil”, „Unterteil”, „oben”, „unten”, „waagerecht” und dergleichen lediglich auf die Darstellung in den Figuren beziehen. Die dargestellten Anordnungen können in jeder beliebigen Orientierung im Raum angeordnet werden.
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Wie aus den obigen Beschreibungen von Variationen und Abwandlungen ersichtlich, ist der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht auf die spezifisch dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
