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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung mit günstigen Toleranzen, niedrigen thermischen Anforderungen und Herstellungskosten sowie geringem Gewicht anzugeben.
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Die Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise geeignet, in einem Scheinwerferelement, insbesondere in einem Kraftfahrzeug-Scheinwerferelement verwendet zu werden.
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Bei Verwendung von Leuchtdioden (LEDs) in Scheinwerfersystemen ergeben sich besonders hohe Anforderungen an die Positionierung der Lichtquelle. Es ist ein höherer technischer und damit auch finanzieller Aufwand erforderlich, um unter produktionsbedingten Streuungen bei der Herstellung sowohl der Leuchtdiode als auch des Scheinwerfersystems eine bestimmte Lichtverteilung zu erreichen.
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Aufgrund der höheren Kosten im Vergleich zu konventionellen Halogensystemen werden Leuchtdioden bisher nur in Scheinwerfern von Fahrzeugen der Oberklasse eingesetzt. Um die Anwendung für Fahrzeuge der Mittelklasse und für Kleinfahrzeuge zu ermöglichen, sind weitere Kosten senkende Maßnahmen erforderlich.
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Des Weiteren stellt sich bei Scheinwerfersystemen mit Leuchtdioden verstärkt das Problem der Wärmedissipation. In Scheinwerfersystemen gemäß dem Stand der Technik können Temperaturen von bis zu ungefähr 100 Grad Celsius auftreten. Dadurch ergeben sich hohe Anforderungen an die Materialwahl für die Leuchtdiode, an die thermische Auslegung des Scheinwerfers sowie an Kühlvorrichtungen, was zusätzliches Gewicht und Kosten verursacht. Im Stand der Technik werden zur Kühlung sehr große und schwere Kühlkörper oder aktive Kühlsysteme und Gebläse verwendet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle, ein Licht leitendes Element sowie ein Licht lenkendes Element, wobei das Licht leitende Element Licht von der Lichtquelle in Richtung des Licht lenkenden Elements leitet.
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Dadurch, dass ein Licht leitendes Element vorgesehen ist, das Licht von der Lichtquelle in Richtung des Licht lenkenden Elements leitet, wird erreicht, dass die Positionierung der Lichtquelle von der Positionierung des Licht lenkenden Elements unabhängiger wird. Insbesondere ist dadurch eine thermisch günstigere Positionierung der Lichtquelle möglich. Ferner wird dadurch eine höhere Flexibilität bezüglich der Implementierung der Optik in dem vorhandenen, oft sehr beschränkten Bauraum erreicht.
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Das Licht leitende Element ermöglicht eine Verlagerung der Position der Lichtquelle unter Beibehaltung der Licht emittierenden Fläche(n) im Innenraum der Beleuchtungseinrichtung. Das Licht leitende Element kann ferner dazu dienen, das Abstrahlverhalten der Lichtquelle den jeweiligen Erfordernissen anzupassen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung leitet das Licht leitende Element Licht im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zu einer Licht emittierenden Oberfläche der Lichtquelle. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung leitet das Licht leitende Element Licht im Wesentlichen in einer Richtung parallel zu einer Licht emittierenden Oberfläche der Lichtquelle.
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Vorzugsweise hat das Licht leitende Element im Wesentlichen die Form eines Stabes und leitet Licht im Wesentlichen in Richtung der Längsrichtung des Stabes. Dabei wird von der Lichtquelle emittiertes Licht vorzugsweise an einem Ende des Stabes in das Licht leitende Element eingekoppelt und an dem anderen Ende des Stabes aus dem Licht leitenden Element ausgekoppelt. Die Form des Licht leitenden Elements ist allerdings nicht auf eine Stabform beschränkt. Solange die Bedingung für eine Totalreflektion im Licht leitenden Element erfüllt ist, kann die Form beliebig gewählt werden.
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Das Licht leitende Element wirkt als eine Primäroptik, und das Licht lenkende Element wirkt als eine Sekundäroptik.
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Vorzugsweise umfasst die Beleuchtungseinrichtung ferner ein Gehäuse, wobei die Lichtquelle außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und das Licht lenkende Element innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass die von der Lichtquelle erzeugte Wärme außerhalb des Gehäuses anfällt, wodurch eine effizientere Kühlung ermöglicht wird, die zu einem geringeren thermischen Widerstand führt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinrichtung ferner ein Gehäuse, wobei die Lichtquelle oder eine die Lichtquelle tragende Platine an dem Gehäuse befestigt ist und das Licht lenkende Element innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass die von der Lichtquelle erzeugte Wärme einfacher aus dem Gehäuse abgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Lichtquelle auf einer Platine angebracht werden, deren Rückseite mit Kühlrippen versehen ist und die mittels Schraubverschluss an dem Scheinwerfergehäuse angebracht wird, so dass die Kühlrippen in den Außenraum des Gehäuses ragen und die von der Lichtquelle erzeugte Wärme über die Kühlrippen aus dem Gehäuse abgeführt wird.
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Das Licht leitende Element kann innerhalb des Gehäuses, außerhalb des Gehäuses oder teils innerhalb, teils außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
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Die Lichtquelle kann mindestens eine Leuchtdiode umfassen. Bei der Leuchtdiode kann es sich vorzugsweise um einen Leuchtdiodenchip und besonders bevorzugt um einen Dünnfilm-Leuchtdiodenchip, d.h. einen Leuchtdiodenchip frei von einem Aufwachssubstrat, handeln. Das Licht leitende Element kann mindestens einen Lichtwellenleiter umfassen.
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Das Licht lenkende Element kann mindestens einen Reflektor umfassen. Mindestens eine Oberfläche des Reflektors kann zumindest teilweise die Form eines Paraboloids aufweisen. Vorzugsweise befindet sich eine Licht emittierende Fläche des Licht leitenden Elements zumindest näherungsweise im Brennpunkt des Paraboloids. Dadurch wird erreicht, dass die aus dem Licht leitenden Element austretenden Strahlen näherungsweise in parallele Richtungen gelenkt werden.
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Wahlweise kann die Oberfläche des Reflektors eine Freiformfläche sein, die durch Lösung einer partiellen Differentialgleichung auf Grundlage der angestrebten Lichtverteilung berechnet wird. Dadurch wird erreicht, dass die Position des Brennpunkts für verschiedene Stellen auf der Oberfläche des Reflektors verschieden sein kann.
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Die Beleuchtungseinrichtung kann ferner einen Kühlkörper umfassen, der in thermischem Kontakt mit der Lichtquelle steht. Dadurch wird ein geringerer thermischer Widerstand erreicht. Sofern die Beleuchtungseinrichtung ein Gehäuse umfasst, ist der Kühlkörper vorzugsweise außerhalb des Gehäuses angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die Dissipation der von der Lichtquelle erzeugten Wärme außerhalb des Gehäuses stattfindet, was wiederum zu einem geringeren thermischen Widerstand führt.
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Das Licht leitende Element und das Licht lenkende Element können einstückig miteinander ausgebildet sein. Dadurch wird erreicht, dass die erforderlichen Genauigkeiten durch die Materialform und nicht durch die Positionierung mehrerer Komponenten zueinander erfüllt werden. Beispielsweise können das Licht leitende Element und das Licht lenkende Element durch Mehrkomponentenspritzguss ausgebildet werden. Eine Fehlpositionierung der Lichtquelle führt dann lediglich zu Einkoppelverlusten; die Lichtverteilung an der Austrittsfläche des Lichtleiters ist hauptsächlich durch die Formgebung der Gussform bestimmt und ist relativ unempfindlich bezüglich der Positionierung der Lichtquelle. Die Einkoppelverluste in den Lichtleiter bewirken in erster Linie eine Skalierung der Intensitätsverteilung und beeinflussen kaum die Form der Intensitätsverteilung.
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Wahlweise kann durch eine geeignete Formgebung des Licht leitenden Elements und des Licht lenkenden Elements eine sowohl einfache als auch genaue Positionierung des Licht leitenden Elements bezüglich des Licht lenkenden Elements erreicht werden.
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Das Licht leitende Element kann zumindest teilweise verspiegelt sein. Insbesondere kann das Licht leitende Element in der Umgebung einer Fläche, auf der innerhalb des Gehäuses Licht aus dem Licht leitenden Element ausgekoppelt wird, verspiegelt sein. Dadurch wird die Effizienz des Licht leitenden Elements erhöht.
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Vorzugsweise weist das Licht leitende Element zumindest teilweise einen rechteckigen Querschnitt auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Licht leitende Element zumindest teilweise einen runden, insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt auf.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Scheinwerferelement mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung sowie ein Abblendlicht oder ein Fernlicht mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
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Die hier angegebene Beleuchtungseinrichtung weist gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf.
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Durch die günstigere thermische Positionierung der Lichtquelle kann der thermische Widerstand zwischen der Lichtquelle und der Umgebung reduziert werden. Dies führt zu geringeren Anforderungen an die thermische Auslegung der Beleuchtungseinrichtung, wodurch sowohl der erforderliche Bauraum als auch das Gewicht reduziert werden.
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Die Lichtquelle unterliegt in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung einer geringeren thermischen Belastung. Handelt es sich bei der Lichtquelle um eine Leuchtdiode, so kann aufgrund der geringeren thermischen Belastung eine nominell dunklere Leuchtdiode verwendet werden und/oder der Strom durch die Leuchtdiode kann reduziert werden. Dadurch kann die Lebensdauer der Leuchtdiode erhöht werden.
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Bei der Produktion von Leuchtdioden schwankt die Helligkeit von Leuchtdiode zu Leuchtdiode. Da diese Helligkeitsschwankungen in vielen Anwendungen die Funktion beeinträchtigen, werden die Leuchtdioden in sogenannte Bins mit ähnlichen Parameterwerten, beispielsweise Helligkeiten, unterteilt. Eine bestimmte Leuchtdiode ist somit mit Parametern in verschiedenen Parameterbereichen, beispielsweise mit einer Helligkeit in verschiedenen Helligkeitsbereichen, erhältlich. Beim Erwerb einer Leuchtdiode kann dann ein bestimmtes Bin und somit ein bestimmter Parameterbereich, beispielsweise ein bestimmter Helligkeitsbereich, angegeben werden. Die Helligkeit einer Leuchtdiode nimmt mit der Temperatur ab; dies ist bei der thermischen Auslegung der Beleuchtungseinrichtung und bei der Auswahl eines Bins für die Leuchtdiode zu berücksichtigen. Eine geringere thermische Belastung der Leuchtdiode erlaubt die Auswahl eines Bins mit geringerer nomineller Helligkeit und führt somit zu einer Kostensenkung.
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Je nach Gestaltung des Licht leitenden Elements können die Toleranzen bezüglich der Justierung der Lichtquelle deutlich vergrößert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Licht leitende Element und das Licht lenkende Element einstückig miteinander ausgebildet werden. Die verbleibenden Toleranzen bei der Einkopplung des Lichts in das Licht leitende Element sind weniger kritisch und haben lediglich Einfluss auf die absolute Systemeffizienz, kaum aber auf die eigentliche Funktion. Die Länge und der Querschnitt sowie die Form des Querschnitts werden bevorzugt so gewählt, dass eine gute Durchmischung des eingekoppelten Lichts stattfindet.
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Dadurch, dass die Lichtquelle nicht im Innenraum der Beleuchtungseinrichtung angeordnet werden muss, wird die Entwicklung kostengünstiger Leuchtdioden-Modulkonzepte erleichtert.
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Des Weiteren ermöglicht die Erfindung eine Positionierung der Lichtquelle, die es erlaubt, die Lichtquelle auszutauschen, wohingegen gemäß dem Stand der Technik die Lichtquelle im Innenraum des Gehäuses angeordnet wird und dort nicht ausgetauscht werden kann, da die äußere Linse, die die Scheinwerferabdeckung bildet, an das restliche Scheinwerfergehäuse geklebt wird und nicht abgenommen werden kann, ohne den Scheinwerfer zu zerstören.
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Die beschriebenen Vorteile ermöglichen eine deutliche Kostenreduktion aufgrund geringerer Systemkomplexität, geringerer Materialanforderungen und einfacherer Montage.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung kann in einer Vielzahl von Geräten zum Einsatz kommen. Dazu gehören beispielsweise Kraftfahrzeugscheinwerfer (z.B. Auto-Abblendlicht, Fernlicht, Nebelscheinwerfer, Signallicht, Positionslicht, Bremslicht, Motorradscheinwerfer, Mopedscheinwerfer), Scheinwerfersysteme für Lastkraftwagen, Scheinwerfer für den Ersatzteil- und Zubehörmarkt, nachrüstbare Leuchtdioden-Scheinwerfer, Leuchtdioden-Fahrradscheinwerfer sowie Flash-Anwendungen.
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Im Folgenden wird die hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen; vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Teils der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt eine Perspektivansicht eines Teils der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt die Abmessungen des Licht leitenden Elements der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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5 zeigt eine Schnittansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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6 zeigt eine Schnittansicht einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Lichtquelle ist eine Leuchtdiode 12, die außerhalb eines Gehäuses 14 auf einem Kühlkörper 16 angeordnet ist. Ein Lichtleiter 18 dient als Licht leitendes Element und leitet das von der Leuchtdiode 12 emittierte Licht durch das Gehäuse 14 zu einer Licht reflektierenden Fläche 20, an der es in Richtung einer Licht emittierenden Fläche 22 reflektiert wird. Nach dem Durchtritt durch die Licht emittierende Fläche 22 trifft das Licht auf einen Reflektor 24, der als Licht lenkendes Element dient. Die Oberfläche des Reflektors 24 hat näherungsweise die Form eines Paraboloids, so dass die von dem Reflektor 24 reflektierten Strahlen näherungsweise parallel aus der Beleuchtungseinrichtung austreten. Beispielhaft sind zwei Strahlengänge 40 eingezeichnet.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Teils der Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Reflektor 24 ist in dieser Schnittansicht nicht gezeigt. In dieser Darstellung ist deutlicher zu erkennen, dass der Lichtleiter 18 das von der Leuchtdiode 12 emittierte Licht durch eine Öffnung 26 in einer Gehäuseoberfläche 28 in den Innenraum des Gehäuses 14 leitet.
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3 zeigt eine Perspektivansicht eines Teils der Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Reflektor 24 und das Gehäuse 14 sind in dieser Darstellung nicht gezeigt. In dieser Darstellung ist deutlicher zu erkennen, dass die Positionierung des Lichtleiters 18 bezüglich der Leuchtdiode 12 relativ geringe Auswirkungen auf die resultierende Lichtverteilung hat. Bei Änderungen dx und dy in der Positionierung des Lichtleiters 18 parallel zur Oberfläche der Leuchtdiode 12 oder einer Änderung dz im Abstand des Lichtleiters 18 von der Oberfläche der Leuchtdiode 12 kann sich die Gesamtmenge des durch den Lichtleiter 18 weitergeleiteten Lichts etwas ändern; die Form der Lichtverteilung wird dadurch jedoch nur in geringem Maße beeinflusst, solange der Lichtleiter 18 mit einem geeignetem Aspektverhältnis gewählt wird und lang genug ist. Die Form des Querschnitts wird bevorzugt so gewählt, dass eine gute Durchmischung des eingekoppelten Lichts stattfindet.
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4 zeigt die Abmessungen des Lichtleiters 18 der Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Lichtleiter 18 ist im Wesentlichen quaderförmig und weist an dem von der Leuchtdiode 12 abgewandten Ende des Quaders einen abgeschrägten Fortsatz auf, an dem sich die Licht reflektierende Fläche 20 und die Licht emittierende Fläche 22 befinden. Die Höhe H liegt vorzugsweise zwischen 2mm und 30mm. Die Länge L liegt vorzugsweise zwischen 5mm und 80mm. Die Breite B liegt vorzugsweise zwischen 2mm und 30mm.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel wird nur der Halbraum auf einer Seite des Lichtleiters 18 genutzt. 5 zeigt eine Schnittansicht einer Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, in dem der gesamte Raum um den Lichtleiter 18 genutzt wird. Zu diesem Zweck weist der Lichtleiter 18 eine weitere Licht reflektierende Fläche 30 sowie eine weitere Licht emittierende Fläche 32 auf, über die von der Leuchtdiode 12 emittiertes Licht auf den oberen Teil des Reflektors 24 gelenkt wird. Ansonsten entspricht der Aufbau der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel demjenigen der Beleuchtungseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Beispielhaft sind in jedem Halbraum zwei Strahlengänge 40 eingezeichnet. In dieser Ausführungsform eignet sich die Beleuchtungseinrichtung insbesondere zur Verwendung in einem Abblendlicht, einem Fernlicht oder einem Nebelscheinwerfer.
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6 zeigt eine Schnittansicht einer Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Wiederum ist eine Leuchtdiode 12 auf einem Kühlkörper 16 angeordnet. Der Lichtleiter 18 leitet das Licht in diesem Ausführungsbeispiel nicht wie in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen im Wesentlichen senkrecht von der Leuchtdiode 12 weg, sondern erzielt durch mehrfache Reflexion an den Grenzflächen des Lichtleiters 18, zuletzt an der Licht reflektierenden Fläche 20, die als Licht lenkendes Element dient, eine seitliche Versetzung der Licht emittierenden Fläche 22 gegenüber der Leuchtdiode 12. Wiederum sind beispielhaft zwei Strahlengänge 40 eingezeichnet.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
