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Die vorliegende Erfindung betrifft Anordnungen und Verfahren zum optischen Messen von Brillenfassungen, insbesondere des Fassungsnutgrundes in Brillenfassungen mit umlaufender Fassungsnut zum Einpassen der Brillengläser.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene taktile oder optische Verfahren zur Ermittlung des Verlaufs von Brillenfassungen bekannt.
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Für die taktilen Verfahren sollen hier beispielhaft die
JP 2007-216383 A ,
WO 2008/142291 A2 und
EP 1 353 215 A2 genannt sein. Bei diesen Verfahren wird der komplette Verlauf der Fassungsnut in der Brillenfassung abgetastet, wobei die Brillenfassung fest arretiert ist. Durch die Arretierung und die Antastkräfte können auf Grund von Verformungen verfälschte Daten aufgenommen werden. Dies beeinflusst die korrekte Aufnahme der Brillenfassungsform. Weiterhin sind die bisherigen taktilen Messgeräte nicht fähig das gesamte Spektrum der Brillenformen zu erfassen. Insbesondere sogenannte High-Curve Brillenfassungen können nicht gemessen werden. Als High-Curve Brillenfassungen werden Brillenfassungen bezeichnet, die eine besonders große Ausdehnung in Z-Richtung haben und sich somit weit um den Kopf des Brillenträgers schmiegen.
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Außerdem durchdringen die Frästechnik sowie die dazugehörigen Fräsverfahren zum Herstellen der erforderlichen Brillengläser immer stärker den Markt, mit denen eine deutliche Genauigkeitssteigerung und erhöhte Herstellungsvielflat verbunden ist. Diesen steigenden Anforderungen an die Passgenauigkeit zwischen Brillenfassung und -gläsern sind die momentanen taktilen Messgeräte nicht mehr gewachsen.
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Aus der Patentschrift
DE 199 19 311 C1 ist ein berührungsloses Messverfahren zum Abtasten der Brillenglasöffnung einer Brillenfassung bekannt. Hierbei werden die Innenkonturdaten mit Hilfe eines drehbaren Signalgebers, welcher in der Brillenglasöffnung sitzt, aufgenommen. Der Signalgeber emittiert kohärente, zum Fassungsnutgrund gerichtete Wellen, wie Ultraschallwellen oder Laserstrahlen. Durch einen Messwertaufnehmer kann dann die Raumkurve des Fassungsnutgrunds erstellt werden.
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Bei der in der
WO 98/45664 A1 beschriebenen Lösung wird das Lichtschnittverfahren und das Prinzip der Triangulation genutzt. Für den Aufbau ist ein Laserprojektionssystem und als Haltevorrichtung ein Drehtisch vorgesehen.
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Ein weiteres berührungsloses Verfahren wird im Patent
DE 199 37 647 C1 beschrieben, bei dem mit einem Video-Scanner-System und einem Spiegel die Innenkontur einer taumelnden Brillenfassung aufgenommen wird.
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In dem Patent
US 5,428,448 A , welches auf der Verwendung von polarisiertem Licht beruht, werden die Messwerte über die Abbildung des Messobjekts auf eine Membran ermittelt und die Konturdaten mit Hilfe einer Kamera aufgenommen.
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In der Patentanmeldung
FR 2 763 707 A1 wird ein computerkontrolliertes Multifunktionsgerät für das Optikerhandwerk vorgestellt. Neben diversen optometrischen Funktionen kann zum einen der Verlauf der Brillenglasöffnung aus einer manuell ausgerichteten Frontaufnahme der Brillenfassung mittels einer Kamera ermittelt werden. Zum anderen wird die Meniskenwölbung der Brillenfassung sowie die Fassungsnuttiefe mittels mehrerer Stifte bestimmt. Der dreidimensionale Verlauf der Fassungsnut wird anschließend von einem PC berechnet.
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Eine weitere Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten der Öffnungen einer Brillenfassung ist im Gebrauchsmuster
DE 9 317 381 U1 gezeigt. Bei dieser Vorrichtung ist oberhalb und unterhalb des inneren Öffnungsrandes der Brillenfassung jeweils ein Laserscanner angeordnet. Die Brillenfassung wird an einem Drehtisch gehalten, der für die komplette Aufnahme der Innenkontur erforderlich ist.
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Außerdem ist zum Stand der Technik noch auf die
US 2007/0253003 A1 und auf die
DE 87 15 619 U1 hinzuweisen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten messtechnischen Lösungen zur Ermittlung des dreidimensionalen Verlaufs der Fassungsnut von Brillenfassungen und somit der Schleifdaten für Brillengläser haben folglich verschiedene Nachteile. Während die taktilen Lösungen Nachteile bei der Genauigkeit, Verformung und Erfassung extremer Formen haben, sind die berührungslosen Lösungen meist sehr aufwendig und somit kostspielig (im Vergleich zu den taktilen Verfahren), da mehrere integrierte Sensoren und eine Vielzahl von Aufnahmen des Messobjekte erforderlich sind. Außerdem sind bei allen optischen Verfahren die Messergebnisse stark von den Brillenfassungsmaterialien abhängig. Ein Beispiel hierfür ist das optische Eindringen eines Laserstrahls in transparenten Kunststoff.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden, und eine technisch möglichst einfache und kostensparende Anordnung und ein dazugehöriges Verfahren zur berührungslosen Messung von Brillenfassungen, insbesondere des Fassungsnutgrundes in Brillenfassungen mit umlaufender Fassungsnut zum Einpassen der Brillengläser bereitzustellen, mit denen es gelingt, einen exakten Datensatz über die räumlich geometrische Beschaffenheit der Fassungsnut zu liefern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe anordnungsseitig durch die Merkmale des ersten und zweiten Patentanspruches und verfahrensseitig durch die Merkmale des fünften oder sechsten Patentanspruches gelöst.
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Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnungen sind in den Patentansprüchen 3 und 4 angegeben, während eine bevorzugte weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Patentansprüchen 7 aufgezeigt ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile in den gesamten Figuren bezeichnen, näher erläutert sind. Es zeigt:
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1 – isometrische Darstellung des erfindungsgemäßen Messaufbaus
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2 – Frontansicht (oben) und Seitenansicht (unten) des Messobjektes
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3 – Seitenansichten des erfindungsgemäßen Messaufbaus mit jeweils ausgerichtetem Messobjekt
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4 – Fassungsnutgrundverlauf und Beispielpunkte als Element einer Halbkugel
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5 – Darstellung des Nuttiefe-Messprinzips
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6 – Verschiedene Nutformen von Brillenfassungen mit der jeweiligen Nuttiefe
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7 – Fassungsnutgrundverlauf in Bezug zur Messkante Mit Äquidistante
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8 – räumliche Darstellung der ermittelten Brillenfassungsnut
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Für die Bestandteile einer Brillenfassung werden Begriffe in der DIN EN ISO 8624 sowie Kurzzeichen festgelegt. Auf diese Begrifflichkeiten wird sich in der vorliegenden Erfindungsbeschreibung sowie auch in den Patentansprüchen gestützt.
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Grundsätzlich wird bei der Bezeichnung der Orientierung von Brillenfassungen von der Perspektive des Brillenträgers ausgegangen. Dies bezieht sich sowohl auf die linke und rechte Brillenfassungsseite während der Nutzung, als auch auf oben und unten. Zusätzlich wird nach Front- und Rückseite unterschieden. Die Rückseite einer Brillenfassung ist die dem Kopf des Brillenträgers zugewandte Seite. Die Frontseite ist die vom Kopf abgewandte Seite.
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In der vorliegenden Beschreibung sowie auch in den Patentansprüchen handelt es sich um die Seitenansicht einer Brillenfassung, wenn die Brillenfassung aus der Frontansicht um 90° gedreht wird, so dass der obere Teil der Brillenfassung zum Betrachter zeigt. In 2 ist auch erkennbar, dass der obere und untere Rand der Brillenfassung in der Seitenansicht deckungsgleich sind. Ebenso ist in dieser Ansicht der Fassungsscheibenwinkel zu sehen. Dieser resultiert zum einen aus der Meniskenwölbung des Brillenglasrohlings. Zum anderen ist er der Ästhetik geschuldet, da viele Brillenträger eine Brillenfassung bevorzugen, welche der Kopfform folgt und entsprechend gekrümmt ist. Die konvexe Seite der Brillenfassung ist stets frontseitig. Die Brillenfassung umschließt das Brillenglas, welches in die Brillenglasöffnung eingepasst wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Brillenfassungsnuten zum Einpassen von Brillengläsern in eine Brillenfassung mit umlaufender Fassungsnut nach einer Idee des Zwei-Tafel-Projektions-Prinzips. Wie in 1 gezeigt, besteht die Messanordnung grundlegend aus einer optischen Detektoreinheit (1), einem optischen Abbildungssystem (2) und einer Haltevorrichtung (3) für die zu messende Brillenfassung (4). Die optische Detektoreinheit (1) bildet zusammen mit dem optischen Abbildungssystem (2) eine optische Aufnahmeeinheit. Die Erfassung der Daten erfolgt im Detail aus der Abbildung der zu messenden Brillenfassung (4) auf den optischen Detektor (1) über das optische Abbildungssystem (2). Bei der gezeigten Anordnung handelt es sich um eine Durchlichtanordnung, bei der „Material” dunkel und „kein Material” hell dargestellt wird. Diese Anordnung ermöglicht es, eine Vielzahl von Brillenwerkstoffen zu messen. Metallische Werkstoffe sind nicht lichtdurchlässig und auch halbtransparente Werkstoffe sowie transparente Kunststoffe sind gut abbildbar. Bei der optischen berührungslosen Erfassung treten keine Verformungen der Brillenfassungen durch Antastkräfte auf. Die Besonderheit der hier gezeigten Messanordnung liegt in der rotatorischen Drehung der zu messenden Brillenfassung zum optischen Strahlengang, wobei mechanisch nur eine vernachlässigbare kleine Verschiebung in X-Richtung stattfinden darf und somit das Prinzip der Zwei-Tafel-Projektion realisiert werden kann.
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Die optische Detektoreinheit (1) gibt die Abbildung der zu messenden Brillenfassung (4) aus, welche im ersten Verfahrensschritt nur 2-dimensionale Informationen enthält.
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Die entsprechende Abbildung der zu messenden Brillenfassung (4) ist in 2, oben beispielhaft in der Frontansicht gezeigt. Der Messablauf nach dem Zwei-Tafel-Projektions-Prinzip gestaltet sich wie folgt: Zu Beginn des Messablaufs wird die zu messende Brillenfassung (4) in der Haltevorrrichtung (3) befestigt und automatisch rotatorisch so ausgerichtet, dass die optische Achse der optischen Aufnahmeeinheit senkrecht zur Frontansicht der Brillenfassung ist. Hierbei können unterschiedliche geometrische Größen, wie Flächengehalt des Brillenglases und/oder der -fassung, Minimal- bzw. Maximallängen der Brillenfassung, die Winkelverhältnisse an der Brillenfassung oder eine Kombination aus den aufgeführten Größen, zur Ausrichtung der Front dienen. Diese Ausrichtung der Brillenfassung ist in 3, rechts dargestellt. Eine andere Variante ist das Ausrichten der Brillenfassung in der Seitenansicht nach selbigen oben genannten geometrischen Größen (s. 3, links).
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Mit der in 3, rechts dargestellten Ausrichtung der Brillenfassung, können aus der Abbildung die X- und Y-Daten der Brillenfassung für eine beliebige Anzahl von Messpunkten ermittelt werden. Dargestellt ist dies am Beispiel eines Punktes P in 2, oben, welcher in der sogenannten Frontansicht die Koordinaten x und y enthält. Als Methode zur Messung hierfür wären zum Beispiel ein Konturverfolgungsalgorithmus oder eine Kantendetektion geeignet.
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Nach der Ermittlung der 2-dimensionalen Koordinaten der Punkte P in der Frontansicht ist es notwendig, die dritte Dimension zu bestimmen. Dies geschieht z. B. durch Drehen der Brillenfassung um 90° zur bisherigen Lage um die Y-Achse. In der Seitenansicht (s. 2, unten) findet eine Überdeckung der nun Vorder- und Hinterkante statt. Vorder- und Hinterkante entsprechen der Ober- oder Unterkante der ersten Ansicht (Frontansicht). Aus der Seitenansicht und deren optischer Abbildung auf der Detektoreinheit (1) können nun die Z-Koordinaten der Brillenfassung ermittelt werden. Diese Z-Koordinaten werden anschließend den in der Frontansicht ermittelten X-Koordinaten räumlich zugeordnet.
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Selbstverständlich liegt es auch im Bereich der Erfindung, dass bei der Ermittlung der dreidimensionalen Daten der Brillenfassung mit der Seitenansicht begonnen wird und die dritte Koordinate aus der Frontansicht der Brillenfassung gewonnen wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung kann auch die optische Aufnahmeeinheit um 90° geschwenkt werden, wobei die Brillenfassung ihre Position nicht verändert. Weiterhin ist es denkbar, die zwei erforderlichen Ansichten der Brillenfassung durch ein Spiegelumlenkungssystem bei feststehendem Messobjekt und feststehender optischer Aufnahmeeinheit zu realisieren oder durch Verwendung von zwei getrennten optischen Aufnahmeeinheiten, deren optische Achsen senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Eigenschaft einer jeden zu untersuchenden Brillenfassung, dass jeder Punkt des gemessenen Verlaufs der Fassungsnut einer Brillenfassung gleichzeitig ein Punkt auf einer Kugeloberfläche ist. Aus diesem Grund, kann aus den Punkten der Seitenansicht ein am besten geeigneter Kugelmittelpunkt bestimmt werden, auf dessen Grundlage wiederum die Z-Koordinaten passend zur jeweiligen Brillenfassung bestimmt werden können. Zur besseren Veranschaulichung dient hierzu 4. Dargestellt sind Beispielpunkte (18) einer Kugeloberfläche, welche in regelmäßigem Abstand um den Kugelmittelpunkt (10) verteilt sind. Auf Grund der Miniskenwölbung liegt der Kugelmittelpunkt (10) immer in Richtung des Brillenträgers. Die Punkte der gesuchten Raumkurve (19) auf der Kugeloberfläche sind fett markiert und haben ebenfalls den Kugelmittelpunkt (10) als Bezugspunkt. Bei dem Modell einer Kugel für die dreidimensionale Lage der Fassungsnut handelt es sich um ein mathematisches Hilfsmittel zur Bestimmung der korrekten Lage des Fassungsnutgrunds ausgehend von der gemessenen Brillenfassung.
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Die Aufnahme der Brillenform mit den X-Y-Daten in der Frontansicht repräsentiert jedoch noch nicht den exakten Verlauf der Brillenfassungsnut, da es sich bei dem gesuchten Fassungsnutverlauf um eine Hinterschneidung im Material handelt, die mit Hilfe der Parameter Nuttiefe (8) und Breite des Brillenrandes (11) definiert ist. Diese Parameter lassen sich extern oder intern bestimmen. Eine externe Bestimmung der Parameter kann je nach Genauigkeitsforderung per Schieblehre (taktil), Laserlichtschnittverfahren (optisch) oder jedem anderen geeigneten Messverfahren durchgeführt werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Parameter der Hinterschneidung intern über einen geometrisch und maßlich bekannten Taststift (20) zu ermitteln, wobei der Taststift (20) in der Durchlichtanordnung sicht- und messbar ist und über seine Eindringtiefe der Parameter Hinterschneidungstiefe (Nuttiefe) (8) bestimmt wird. In 5 ist das Prinzip der Messung der Nuttiefe dargestellt. Form und Lage des Taststifts (20) sind so angepasst, dass der Nutgrund sicher erreicht wird. Ein Verrutschen wird durch eine Anpresskraft F verhindert, jedoch wird durch den direkten Kraftfluss keine Verformung der Brillenfassung bewirkt. Die Fassungsnuttiefe, welche der Eindringtiefe entspricht, ergibt sich aus der Differenz von Tasterlänge b und gemessener Länge a in der Durchlichtanordnung. Die hier eingezeichnete Blickrichtung kann dabei auch entgegengesetzt orientiert sein.
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Die Sichtbarkeit der Innenkontur der Brillenfassung ist auf Grund des a-priori Wissen und bekannter möglicher Nutformen nicht notwendig. In 6 sind Beispielnutformen dargestellt. Die Fassungsnuten können als Rechteck, V-förmig oder halbrund ausgeführt sein. Außerdem ist eine Schnittansicht des Brillenrandes (14) für verschiedene Ausführungsformen zusammen mit der Kennzeichnung der Parameter Nuttiefe (8) und Breite des Brillenrandes (11) dargestellt.
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Der Parameter Brillenrandbreite wird durch eine Messaufnahme in der Seitenansicht bestimmt.
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In der Frontansicht bei der Durchlichtanordnung wird nur die innerste Kante der Brillenfassung erfasst. Dies ist in Anbetracht des Kugelmodells die Hinterkante von der Front aus gesehen. Durch Ermittlung der Nuttiefe (8) und Breite des Brillenrandes (11) kann die mit Hilfe der Zwei-Tafel-Projektion ermittelte Kante verschoben werden, so dass sich, wie in 7 dargestellt, eine rechnerisch korrigierte Raumkurve (12) ergibt.
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Die rechnerische Korrektur soll mit Hilfe der 7 näher erläutert werden. Für die Erläuterung ist in 7, oben die X-Z-Ebene (Seitenansicht) und in 7, unten die X-Y-Ebene (Frontansicht) gezeigt. In der Frontansicht werden für jeden Punkt P der gemessenen Punktmenge (9) eine Tangente (13) und eine zugehörige Normale an den Verlauf berechnet, welche die nach außen gerichtete Verschieberichtung (7) für die X-Y-Ebene liefern. Die Verschieberichtungen in der X-Z-Ebene bzw. Y-Z-Ebene bilden sich aus der Lage der gemessenen Punkte zum Kugelmittelpunkt. Dabei ist der Betrag der Verschiebung das Skalarprodukt aus Nuttiefe (9) und Breite des Brillenrandes (11), da diese in einem Winkel von 90° zueinander stehen. Somit ergibt sich eine rechnerisch korrigierte Raumkurve (12), wobei der Umfang der gemessenen Punkte grundsätzlich kleiner ist als der Umfang des realen Fassungsnutverlaufs.
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Im Ergebnis der Messung und Berechnung ergeben sich für jeden einzelnen Messpunkt 3-dimensionale Koordinaten (s. 8). Speziell der endgültige dreidimensionale Verlauf der Fassungsnut der Brillenfassung (15), sowie der Konturverlauf der Frontansicht (16) und der Seitenansicht (17) sind ebenfalls gezeigt. Aus 7 ist der Zusammenhang beider Messansichten nochmals nachzuvollziehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optische Detektoreinheit
- 2
- optisches Abbildungssystem
- 3
- Haltevorrichtung
- 4
- zu messende Brillenfassung
- 5
- abgebildetes Material der Brillenfassung (dunkel)
- 6
- Scheibenform, abgebildete Öffnung der Brillenfassung (hell)
- 7
- Richtung der Punktverschiebung bei der Korrekturberechnung
- 8
- Hinterschneidungstiefe (Nuttiefe)
- 9
- gemessene Punktemenge
- 10
- Kugelmittelpunkt
- 11
- Breite des Brillenrandes
- 12
- rechnerisch korrigierte Raumkurve
- 13
- Tangente mit Normale an den Konturverlauf
- 14
- Brillenrand (Schnittansicht)
- 15
- endgültiger Konturverlauf dreidimensional
- 16
- Konturverlauf der Frontansicht
- 17
- Konturverlauf der Seitenansicht
- 18
- Beispielpunkt der Kugeloberfläche
- 19
- Punkt der Raumkurve auf der Kugeloberfläche
- 20
- Taststift
- 21
- Blickrichtung auf die Durchlichtbeleuchtung
- 22
- Durchlichtbeleuchtung
