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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquellenanordnung mit einer Mehrzahl von Halbleiterlaserlichtquellen, die derart angeordnet sind, dass das von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierte Laserlicht parallel ausgerichtet ist, sowie mit einer Umlenkeinheit zum Sammeln und Beeinflussen aller Strahlengänge des von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierten Laserlichts, um ein Strahlenbündel auszubilden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Scheinwerfer mit einem eine Lichtaustrittsöffnung aufweisenden Gehäuse sowie einer in dem Gehäuse angeordneten Lichtquellenanordnung.
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Stand der Technik
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Lichtquellenanordnungen der gattungsgemäßen Art dienen als Leuchtmittel für Scheinwerfer, die für die unterschiedlichsten Beleuchtungszwecke hohe Lichtleistungen bereitstellen müssen. Scheinwerfer der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise Fahrzeugscheinwerfer, Beleuchtungseinrichtungen für Daten- und Video-Projektoren, digitale Kinofilmprojektoren, Effektscheinwerfer in der Unterhaltungsindustrie und Beleuchtungseinrichtungen für technische, industrielle und medizinische Anwendungen, sowie für Raumbeleuchtungen, insbesondere Freiraumbeleuchtungen, wie sie beispielsweise bei Flutlichtanlagen in Stadien zum Einsatz kommen, und/oder dergleichen. Die erforderlichen Lichtleistungen benötigen entweder sehr voluminöse Lichtquellen oder aber sie benötigen eine Vielzahl von Kleinleistungslichtquellen, beispielsweise Halbleiterlichtquellen, wie sie durch Leuchtdioden oder Halbleiterlaserdioden bereitgestellt werden. Um jedoch die erforderliche Lichtleistung erreichen zu können, ist die Zusammenführung der Vielzahl der Halbleiterlaserlichtquellen erforderlich.
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Bisherige Konzepte sehen vor, dass jede Halbleiterlaserlichtquelle eine eigene Fokussierungslinse sowie einen eigenen Umlenkspiegel aufweist, mittels dem über eine weitere Beugungsoptik, die insbesondere eine große Linse für sämtliche Strahlen des Laserlichts aufweist, erfordert. Das hierauf basierende Prinzip basiert darauf, dass das Laserlicht einem Konversionswerkstoff zugeführt wird, der mit dem Laserlicht wechselwirkt und infolgedessen Licht mit einer gewünschten, vorgegebenen spektralen Verteilung bereitstellt. Als Konversionswerkstoff wird häufig ein Leuchtstoff bzw. ein oder mehrere Leuchtstoffgemische eingesetzt. Aufgrund der hohen Energie und Leistungsdichte des Laserlichts kann mit dem Konversionswerkstoff eine hohe Lichtleistung hoher Leuchtdichte mit einer gewünschten spektralen Verteilung erzeugt werden. Solche Anwendungen werden auch Laser Activated Remote Phosphor-Anwendungen (LARP-Anwendungen) genannt.
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Verfügbare Halbleiterlaserlichtquellen in Form von Halbleiterlaserdioden sind derzeit mit einer Leistung von wenigen Watt verfügbar. Bei einer benötigten optischen Gesamtleistung von 100 W oder mehr sind deshalb entsprechend viele Halbleiterlaserdioden zusammenzuschalten und gemeinsam zu betreiben, wobei deren erzeugte Strahlen von Laserlicht über eine geeignete Umlenkeinheit zusammengeführt werden müssen. Zur Erzeugung einer geeigneten Strahlenqualität des erzeugten Laserlichts kann die Halbleiterlaserlichtquelle eine Primäroptik, beispielsweise in Form einer Linse aufweisen.
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Aufgrund der vergleichsweise großen Anzahl von einzelnen Halbleiterlaserlichtquellen, die das Laserlicht bereitstellen, ergibt sich für die Lichtquellenanordnung des Stands der Technik eine Baugröße, die maßgeblich von der Anzahl und der Anordnung der Halbleiterlaserlichtquellen und der Umlenkeinheit bestimmt ist. Ist eine hohe Lichtleistung gewünscht, erweist sich die Systemintegration als immer aufwändiger.
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Lichtquellenanordnungen dieser gattungsgemäßen Art sind beispielsweise aus der
US 6,356,577 vorbekannt. Hier werden mehrere zeilenweise angeordnete Halbleiterlaserlichtquellenanordnungen derart mit einer Umlenkeinheit angeordnet, dass die von den Halbleiterlaserlichtanordnungen bereitgestellten Laserlichtstrahlen zu einem gemeinsamen Strahlenbündel gebeugt werden. Zu diesem Zweck ist die Umlenkeinheit vorgesehen, die aus einer Anzahl von in Zeilenrichtung miteinander verbundenen Spiegeln gebildet ist und die die von den Halbleiterlaserlichtquellenanordnungen bereitgestellten, ebenfalls zeilenweise angeordneten Laserlichtstrahlen zu einem gemeinsamen Strahlenbündel umlenkt.
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Der Einsatz solcher Umlenkeinheiten, die für jeden einzelnen Strahl emittierten Laserlichts einen eigenen Spiegel aufweisen, erweist sich als aufwändig in der Konstruktion und benötigt viel Bauraum. Weiterhin sind vergleichsweise lange Strahlenwege in der Umlenkeinheit erforderlich, die einer Reduzierung der Baugröße entgegenstehen. Schließlich erfordert die Anordnung der zeilenförmigen Halbleiterlaserlichtquellenanordnungen gegenüber der Umlenkeinheit einen erhöhten Aufwand. Für die Herstellung moderner, kompakter Scheinwerfer und Projektoren, insbesondere für einen mobilen Einsatz, ist diese Konstruktion ungünstig.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, dass bei einer gattungsgemäßen Lichtquellenanordnung die Erzeugung des Strahlenbündels verbessert ist. Entsprechend wird ein verbesserter Scheinwerfer gewünscht.
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Als Lösung wird mit der Erfindung eine Lichtquellenanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen. Ferner wird mit der Erfindung ein Scheinwerfer gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 10 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Insbesondere sieht die Erfindung bei einer Lichtquellenanordnung der gattungsgemäßen Art vor, dass die Umlenkeinheit ein erstes Spiegelelement mit einer konkav gekrümmten Oberfläche, die ausgebildet ist, das von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierte Laserlicht mittels der Oberfläche zu erfassen und zu reflektieren, sowie ein zweites Spiegelelement mit einer konvex gekrümmten Oberfläche aufweist, die ausgebildet ist, das vom ersten Spiegelelement reflektierte Laserlicht zu erfassen und zu fokussieren.
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Scheinwerferseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Lichtquellenanordnung gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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Mit der Erfindung wird erreicht, dass Weglängen der Strahlen des von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierten Laserlichts im Wesentlichen gleich lang oder zumindest mit lediglich geringen Abweichungen untereinander realisiert werden können. Abweichungen können gegebenenfalls insofern auftreten, als dass die Krümmung der Spiegelelemente die Weglängen beeinflusst. Darüber hinaus kann mit der Erfindung erreicht werden, dass der Strahlengang des Strahlenbündels durch die Doppelreflexion aufgrund des ersten und des zweiten Spiegelelements deutlich verkürzt wird, so dass eine erheblich größere Kompaktheit erreicht werden kann, die eine Reduzierung des Bauvolumens der Lichtquellenanordnung insgesamt erlaubt. Darüber hinaus kann mit der Erfindung erreicht werden, dass Winkelfehler und Toleranzen aufgrund der vergleichsweise kurzen Weglängen wesentlich unkritischer als beim Stand der Technik sind. Große und teure Ausgangslinsen mit den verbundenen Nachteilen können damit weitgehend vermieden werden. Die Erfindung erreicht dies, indem der Strahlengang aufgrund der zweifachen Reflexion am ersten und am zweiten Spiegelelement gefaltet wird.
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Die Umlenkeinheit kann eine separate Baueinheit sein. Sie kann aber auch mit den Halbleiterlaserlichtquellen zu einer gemeinsamen Einheit zusammengefasst sein. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Halbleiterlaserlichtquellen und das zweite Spiegelelement eine gemeinsame Baugruppe bilden. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es darüber hinaus, auch bei einer großen Anzahl von Halbleiterlaserlichtquellen einen weitgehend kompakten Aufbau zu realisieren.
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Vorzugsweise sind die Halbleiterlaserlichtquellen dazu ausgebildet, Laserlicht von im Wesentlichen der gleichen Wellenlänge zu erzeugen. Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass Halbleiterlaserlichtquellen miteinander kombiniert werden, die Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen. Je nach gewünschter Anwendung kann dies variiert werden.
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Das erste Spiegelelement weist die konkav gekrümmte Oberfläche auf, die in Richtung der Halbleiterlaserlichtquellen ausgerichtet ist. Das von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierte Laserlicht trifft auf die konkave Oberfläche auf und wird in Richtung eines Brennpunktes der konkaven Krümmung der Oberfläche des ersten Spiegelelements reflektiert. Die konkave Krümmung kann beispielsweise eine sphärische Krümmung, eine parabolische Krümmung, eine hyperbolische Krümmung, Kombinationen hiervon oder dergleichen sein.
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Das vom ersten Spiegelelement reflektierte Laserlicht trifft sodann auf die konvex gekrümmte Oberfläche des zweiten Spiegelelements. Die konvexe Krümmung kann wie beim ersten Spiegelelement sphärisch, parabolisch, hyperbolisch und/oder dergleichen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist sie an die Krümmung der Oberfläche des ersten Spiegelelements angepasst ausgebildet, so dass die von der Oberfläche des zweiten Spiegelelements reflektierten Strahlen des Laserlichts auf einen Bereich beziehungsweise Punkt fokussiert werden. Dieser Bereich beziehungsweise Punkt kann entweder vor der Oberfläche des ersten Spiegelelements oder auch dahinter angeordnet sein. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass der Bereich auch seitlich neben dem ersten Spiegelelement angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Krümmungen der ersten und des zweiten Spiegelelements derart aufeinander abgestimmt, dass eine Fokussierung des Laserlichts auf einen Bereich, besonders bevorzugt im Wesentlichen auf einen Punkt erfolgt.
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Die Oberflächen können durch entsprechend geformte Festkörper bereitgestellt sein, insbesondere durch keramische Festkörper, die mit einer geeigneten Verspiegelung, insbesondere einer entsprechenden Metallisierung, beispielsweise einer Silberschicht, einer Goldschicht, Legierungen hiervon und/oder dergleichen versehen sind. Vorzugsweise sind die Oberflächen für eine möglichst verlustarme Reflexion des Laserlichts angepasst ausgebildet. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn optische Achsen des ersten und des zweiten Spiegelelements koaxial zueinander ausgerichtet sind. Dadurch lässt sich eine besonders günstige Führung des Laserlichts erreichen.
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Die Erfindung erlaubt es, dass ein Durchmesser des ersten Spiegelelements quer zu den Strahlengängen des von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierten Laserlichts sehr viel größer sein kann als ein entsprechender Durchmesser des zweiten Spiegelelements. Dadurch kann nicht nur eine sehr kompakte und wirksame Bauform zur Erfassung sämtlicher Strahlengänge des von den Halbleiterlichtquellen emittierten Laserlichts erreicht werden, sondern zugleich durch das gefaltete Reflexionsprinzip auch eine deutliche Verkürzung des Strahlengangs, um die bestimmungsgemäße Funktion der Lichtquellenanordnung erreichen zu können.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Krümmungen und der Abstand der Oberflächen des ersten und des zweiten Spiegelelements derart ausgebildet sind, dass ein Brennpunk der konkav gekrümmten Oberfläche mit einem virtuellen Brennpunkt der konvex gekrümmten Oberfläche zusammenfällt. Der virtuelle Brennpunkt der konvex gekrümmten Oberfläche liegt rückseitig zur Oberfläche des zweiten Spiegelelements. Tatsächlich wird dieser Brennpunkt von den Strahlengängen des Laserlichts aufgrund der Reflexion an der Oberfläche des zweiten Spiegelelements nicht erreicht.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das erste Spiegelelement eine Durchgangsöffnung aufweist. Dadurch ist es möglich, das Laserlicht rückseitig vom ersten Spiegelelement auszukoppeln und auf diese Weise einen symmetrischen Strahlengang zu erzeugen. Da eine Querschnittsfläche des zweiten Spiegelelements quer zum Strahlengang des Laserlichts sehr klein ausfallen kann und durch die Reflexion an der Oberfläche des zweiten Spiegelelements eine weitere Fokussierung erfolgt, kann die Öffnung im ersten Spiegelelement sehr klein ausfallen. Die Funktion der Reflexion der von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierten Strahlen des Laserlichts an der Oberfläche des ersten Spiegelelements ist dadurch nicht behindert. Dies ist darüber hinaus dem Umstand geschuldet, dass in dieser Ausgestaltung das zweite Spiegelelement koaxial zum ersten Spiegelelement angeordnet sein kann. Da dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Durchgangsöffnung aufgrund der zuvor genannten Fokussierungseigenschaft, können im Bereich der Durchgangsöffnung ohnehin keine unmittelbar von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierten Strahlen von Laserlicht auftreffen.
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Die Halbleiterlaserlichtquellen sind ferner vorzugsweise derart angeordnet, dass sie ihr Licht im Wesentlichen nicht im Bereich des zweiten Spiegelelements emittieren. Dadurch kann erreicht werden, dass im Wesentlichen das gesamte emittierte Laserlicht sämtlicher Halbleiterlaserlichtquellen vom ersten Spiegelelement erfasst werden kann. Die geringen Abmessungen des zweiten Spiegelelements erlauben es, die Anordnung der Halbleiterlaserlichtquellen im Wesentlichen nicht zu beeinträchtigen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Durchgangsöffnung ein Lichtleiter angeordnet ist, der sich vorzugsweise rückseitig in Bezug auf die konkav gekrümmte Oberfläche des ersten Spiegelelements über das erste Spiegelelement hinaus erstreckt. Der Lichtleiter erlaubt es, das durch die Umlenkeinheit der Erfindung fokussierte Laserlicht einzufangen und an eine gewünschte Stelle zu führen. Dadurch kann der Aufbau der Lichtquellenanordnung weiter kompaktiert werden. Dabei erweist es sich ferner als vorteilhaft, wenn der Lichtleiter die Durchgangsöffnung ausfüllt und über die Rückseite des ersten Spiegelelements hinausragt. Natürlich kann die Durchgangsöffnung auch an verfügbare Querschnitte von Lichtleitern angepasst ausgebildet sein. Vorzugsweise füllt der Lichtleiter den vollständigen Querschnitt der Durchgangsöffnung aus, so dass eine gute Einkopplung möglichst des gesamten Laserlichts realisiert werden kann. Mit dem Lichtleiter kann das Laserlicht zu weiteren, der Lichtquellenanordnung zuzurechnenden Beugungseinrichtungen geführt werden, um das Laserlicht in gewünschter Weise zu nutzen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels des Lichtleiters das Laserlicht zu einer Konversionsschicht geführt wird, in der das Laserlicht in Licht gewünschter spektraler Verteilung gewandelt wird. Vorzugsweise ist die Konversionsschicht derart ausgebildet, dass weißes Licht erzeugt wird. Die Konversionsschicht kann auch derart ausgebildet sein, dass sie Bereiche mit unterschiedlicher Wirksamkeit in Bezug auf das Laserlicht aufweist, so dass die Bereiche Licht unterschiedlicher spektraler Verteilung erzeugen, die dann vorzugsweise weißes Licht in Summe überlagert bereitstellen. Der Lichtleiter kann beispielsweise ein glasbasierter Lichtleiter sein. Er kann aber auch ein kunststoffbasierter Lichtleiter sein. Der Lichtleiter kann auch als Hohlleiter ausgebildet sein, zum Beispiel mit Seitenflächen, die als metallischer oder dielektrischer Spiegel ausgeführt sind. Vorzugsweise ist der Lichtleiter an die Wellenlänge des Laserlichts angepasst ausgebildet, so dass dieser das Laserlicht auch bei ungünstigen Krümmungsradien weitgehend verlustfrei führen kann. Dadurch kann insgesamt ein hoher Wirkungsgrad der Lichtquellenanordnung erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das zweite Spiegelelement ausgebildet ist, das von seiner Oberfläche reflektierte Laserlicht in die Durchgangsöffnung hinein zu fokussieren. Dadurch kann die Durchgangsöffnung in Bezug auf ihren Querschnitt mit geringen Abmessungen realisiert sein.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Lichtleiter über die konkav gekrümmte Oberfläche des ersten Spiegelelements in Richtung des zweiten Spiegelelements hinausragt und das zweite Spiegelelement ausgebildet ist, das von seiner Oberfläche reflektierte Laserlicht auf eine Einkoppelfläche des Lichtleiters zu fokussieren. Besonders vorteilhaft liegt die Durchgangsöffnung auf einer Achse der koaxialen Anordnung des ersten und des zweiten Spiegelelements. Diese Ausgestaltung erlaubt es, Abweichungen hinsichtlich der Fokussierung der Umlenkeinheit auszugleichen.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung an eine Anordnung der Halbleiterlaserlichtquellen angepasst ausgebildet ist. Ist beispielsweise die Anordnung der Halbleiterlaserlichtquellen rechteckig, so kann die Durchgangsöffnung ebenfalls entsprechend rechteckig und entsprechend ausgerichtet ausgebildet sein. Im Grunde nach gilt dies auch für das erste und das zweite Spiegelelement, die entsprechend der Anordnung der Halbleiterlaserlichtquellen ausgebildet sein können. Besonders vorteilhaft erweist sich diese Ausgestaltung, wenn eine Vielzahl von Halbleiterlaserlichtquellen beispielsweise in einer Ebene quer zu den Strahlengängen des von den Halbleiterlaserlichtquellen emittierten Laserlichts angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Umlenkeinheit im Strahlengang zwischen den Halbleiterlaserlichtquellen und dem ersten Spiegelelement eine Linse aufweist, die vorzugsweise einstückig mit dem zweiten Spiegelelement ausgebildet ist. Durch die Linse kann eine zusätzliche fokussierende Wirkung erreicht werden, mit der der Strahlengang insgesamt weiter verkürzt werden kann. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn diese Linse zusammen mit dem zweiten Spiegelelement als katadioptrisches System ausgebildet ist. Dadurch kann die Baugröße der Lichtquellenanordnung weiter reduziert werden.
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Schließlich wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, dass ein Abstand der Halbleiterlaserlichtquellen zur konkav gekrümmten Oberfläche des ersten Spiegelelements kleiner als ein Abstand der konvex gekrümmten Oberfläche des zweiten Spiegelelements zur konkav gekrümmten Oberfläche des ersten Spiegelelements ist. Durch diese Ausgestaltung kann der Strahlengang insgesamt weiter verkürzt werden, so dass auch schlecht fokussierende Halbleiterlaserlichtquellen in großer Anzahl zuverlässig zur Erzeugung des Strahlenbündels genutzt werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. In den Figuren werden gleiche Bauteile und Funktionen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Lichtquellenanordnung gemäß des Stands der Technik mit einem Treppenspiegel und einer Linsenanordnung zur Erzeugung eines Strahlenbündels,
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2 eine weitere Ausgestaltung der Lichtquellenanordnung gemäß 1 in einer schematisch perspektivischen Ansicht,
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3 in schematischer perspektivischer Ansicht einen Scheinwerfer mit einer Lichtquellenanordnung gemäß 1,
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4 in schematischer Schnittdarstellung eine Umlenkeinheit für eine Lichtquellenanordnung gemäß der Erfindung,
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5 eine konkretisierte Schnittdarstellung der Umlenkeinheit basierend auf dem Prinzip gemäß 4,
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6 eine perspektivische schematische Ansicht für eine Lichtquellenanordnung mit einer Umlenkeinheit gemäß 5,
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7 einen schematischen Funktionsaufbau eines Scheinwerfers mit einer Lichtquellenanordnung gemäß 6,
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8 eine weitere Ausgestaltung für einen Scheinwerfer gemäß der Erfindung basierend auf einer Lichtquellenanordnung gemäß 6 in Verbindung mit einem Lichtleiter,
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9 eine schematische Darstellung eines Diagramms für eine Intensitätsverteilung über den Querschnitt des Lichtleiters gemäß 8,
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10 eine alternative Darstellung der Intensitätsverteilung im Lichtleiter basierend auf 9, wobei die Darstellung in 10 die Querschnittsfläche darstellt und die unterschiedlich schraffierten Bereiche unterschiedliche Intensitäten,
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11 in schematischer Darstellung eine seitliche Schnittansicht durch eine weitere Lichtquellenanordnung gemäß der Erfindung basierend auf der Ausgestaltung nach 8 und
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12 eine schematische, perspektivische Darstellung der Ausgestaltung nach 11.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in einer schematisch perspektivischen Schnittansicht eine Lichtquellenanordnung 10 gemäß des Stands der Technik mit einer Halbleiterlaserlichtquellenanordnung 16, die vorliegend 24 Halbleiterlaserlichtquellen 20 aufweist, die in drei Spalten angeordnet sind (Bezugszeichen 16). Die Halbleiterlaserlichtquellen 20 emittieren Laserlicht, welches parallel zueinander ausgerichtet ist. Die Lichtquellenanordnung 10 umfasst ferner eine nicht bezeichnete Umlenkeinheit, die einen Treppenspiegel 12 sowie eine Linsenanordnung 14 umfasst. Der Treppenspiegel 12 stellt für jeden einzelnen Strahlengang eines von den Halbleiterlaserlichtquellen 20 emittierten Laserlichts separaten Spiegel zur Verfügung, so dass sämtliche Strahlengänge des von den Halbleiterlaserlichtquellen 20 emittierten Laserlichts gesammelt und beeinflusst werden, um ein Strahlenbündel zu bilden. Die Umlenkeinheit gemäß 1 dient somit dazu, die Lichtstrahlen zum Strahlenbündel zu konzentrieren. Die Halbleiterlaserlichtquellenanordnung 16 weist in der Ausgestaltung gemäß 1 eine Abmessung bezüglich des Lichtaustrittsquerschnitts von 30 mm × 30 mm auf. Darüber hinaus besteht alternativ die Möglichkeit, die Halbleiterlaserlichtquellenanordnung 16 durch eine kleinere Halbleiterlaserlichtquellenanordnung 18 mit den Abmessungen 12 mm × 12 mm zu ersetzen, wobei dann natürlich die Umlenkeinheit mit dem Treppenspiegel 12 und der Linsenanordnung 14 entsprechend anzupassen ist.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus einem nicht bezeichneten Scheinwerfer für einen Strahlengang mit einer Lichtquellenanordnung 10, bestehend aus einer Matrixanorndung von 4 × 8 Laserdioden, sowie einer weiteren Lichtverarbeitungseinheit 22, die dazu dient, das gebündelte Laserlicht einer Konversionseinheit zuzuführen, so dass weißes Licht zu Beleuchtungszwecken bereitgestellt wird. Schematisch ist dies anhand von 3 verdeutlicht, hier allerdings in einer 4 × 12 Anordnung.
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Zum Zwecke des Erzeugens von weißem Licht aus dem monochromatischen Laserlicht der Halbleiterlaserlichtquellen 20, hier blaues Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm, ist eine Konversionseinheit 24 vorgesehen, die eine rotierende Scheibe aufweist, mittels der die gewünschte Farbzusammenstellung des Lichts erreicht werden kann. Vorliegend handelt es sich um eine rotierende Scheibe, auch als rotierendes Leuchtstoffrad bezeichnet, die Konversionsstoffe für unterschiedliche Farben aufweist, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind und somit in sequentieller Reihenfolge, also zeitlich seriell vom Laserlicht angestrahlt werden. Die Rotationsgeschwindigkeit der Konversionsscheibe ist derart angepasst, dass für das menschliche Auge eine überlagerte Farbwirkung hin zu weißem Licht erzeugt wird.
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Aufgrund der Anordnung und Ausgestaltung der Umlenkeinheit der Lichtquellenanordnung 10 ist diese nur begrenzt für die Reduzierung von Abmessungen geeignet, insbesondere, wenn die Anzahl der Halbleiterlaserlichtquellen 20 zur Erzeugung einer höheren Strahlungsleistung erhöht werden soll, zumal die Strahlenwege entsprechende Abmessungen erfordern.
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4 zeigt eine Umlenkeinheit 32 gemäß der Erfindung, die ein erstes Spiegelelement 40 mit einer konkav gekrümmten Oberfläche 34 aufweist, die ausgebildet ist, das von den Halbleiterlaserlichtquellen 20 emittierte parallele Laserlicht mittels der Oberfläche 34 zu erfassen und zu reflektieren.
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Die Umlenkeinheit 32 dient zum Sammeln und Beeinflussen aller Strahlengänge 44 des von den Halbleiterlaserlichtquellen 20 emittierten Laserlichts, um ein Strahlenbündel zu bilden, und umfasst ferner ein zweites Spiegelelement 42 mit einer konvex gekrümmten Oberfläche 36, die ausgebildet ist, das vom ersten Spiegelelement 40 reflektierte Laserlicht zu erfassen und zu fokussieren. Das erste und das zweite Spiegelelement 40, 42 sind vorliegend koaxial in Bezug auf eine jeweilige optische Achse zueinander angeordnet. Im Bereich der Achse der koaxialen Anordnung weist das Spiegelelement 40 eine Durchgangsöffnung 46 auf. Das vom zweiten Spiegelelement 42 reflektierte Laserlicht wird auf einen hinter dem ersten Spiegelelement 40 liegenden Fokussierungspunkt 48 fokussiert. 5 verdeutlicht einen Gesamtstrahlengang von Strahlengängen des von den Halbleiterlaserlichtquellen 20 emittierten Laserlichts in der Umlenkeinheit 32. 6 zeigt eine entsprechende perspektivische Anordnung mit einer matrixartigen Halbleiterlaserlichtquellenanordnung der Halbleiterlaserlichtquellen 20. Aus 6 ist ersichtlich, dass auch bei einer großen Anzahl von vorzugsweise in einer Ebene angeordneten Halbleiterlaserlichtquellen 20 eine gute Fokussierung bei geringen Abmessungen erreicht werden kann.
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Mit der Umlenkeinheit, insbesondere der Umlenkeinheit 32 der Erfindung, kann das Strahlenbündel für kleinere, nachfolgende optische Einrichtungen aufbereitet werden.
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Es ist unmittelbar durch Vergleich der Erfindung gemäß der Ausgestaltung entsprechend der 5 und 6 gegenüber dem Stand der Technik gemäß der 1 bis 3 ersichtlich, dass die Strahlenlänge der einzelnen jeweiligen Strahlengänge 44 bei der Erfindung erheblich kürzer sind. Zusätzlich wirken sich Winkelfehler und Toleranzen bei der Erfindung weniger aus, da lange Strahlenwege in dieser Hinsicht größere Auswirkungen zur Folge haben. Folglich ist mit der Erfindung eine geringe Mittendicke und ein geringes Gewicht der Lichtquellenanordnung 30 erreichbar.
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Die Erfindung nutzt zur Erreichung ihres Vorteils unter anderem den Effekt des Faltens des Strahlengangs, der eine wesentliche Reduzierung der Baugröße zur Folge haben kann (vergleiche 4 bis 6). Das parallel einfallende Laserlicht wird von dem konkaven Spiegelelement 40, das hier parabolisch geformt ist, über das zweite Spiegelelement 42, das hier konvex hyperbolisch geformt ist, auf den Fokussierungspunkt 48 fokussiert. Der Fokussierungspunkt 48 liegt in dieser Ausgestaltung außerhalb der Umlenkeinheit 32. Besonders im Falle der Anwendung bei LARP-Anwendungen kann der Fokussierungspunkt auch innerhalb der Umlenkeinheit 32 liegen, weil ein nachfolgendes optisches System bei diesen Anwendungen notwendig ist. Alternativ können sowohl der Primärspiegel als auch der Sekundärspiegel freiförmig ausgebildet sein.
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Ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lichtquellenanordnung 30 ergibt sich dahingehend, dass bei bestimmten Ausführungsformen der beiden Spiegelelemente 40, 42 eine sehr gute Abbildungsqualität erreicht werden kann und diese im Wesentlichen nur von der Divergenz der Strahlengänge 44 des einfallenden Laserlichts und der Qualität der Spiegel beziehungsweise der Einstellung abhängig ist.
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Bezogen auf LARP-Anwendungen ergeben sich mit der Erfindung neue Möglichkeiten, die Anzahl der Halbleiterlaserlichtquellen 20 deutlich zu erhöhen und trotzdem noch eine akzeptable Systemgröße zu erhalten. Durch die guten Abbildungseigenschaften der Spiegeloptik der Umlenkeinheit 32 sind unterschiedliche Strahlformungsprinzipien für das weitere optische System denkbar. Dabei können die Halbleiterlaserlichtquellen 20 beinahe in beliebiger geometrischer Anordnung um das zweite Spiegelelement 42 herum angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Rasters oder dergleichen.
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In der Ausgestaltung gemäß 6 ist vorgesehen, dass das zweite Spiegelelement 42 aus Sicht des ersten Spiegelelements 40 einen größeren Abstand aufweist als die Halbleiterlaserlichtquellen 20, also aus Sicht des ersten Spiegelelements 42 den Halbleiterlaserlichtquellen 20 nachgelagert ist. In 6 ist die Durchtrittsöffnung im Spiegelelement 40 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Alternativ kann die Durchtrittsfläche auch als ein transmissiv ausgeführtes Flächensegment im Zentrum des ersten Spiegelelementes 40 ausgebildet sein.
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7 zeigt einen Scheinwerfer 38 in einer prinzipiellen Strahlführungsansicht, die eine Lichtquellenanordnung 30 basierend auf der von 6 aufweist. Im Unterschied zur 6 ist hier jedoch das zweite Spiegelelement 42 in einem kürzeren Abstand zum ersten Spiegelelement 40 angeordnet als die Halbleiterlaserlichtquellen 20. 7 zeigt die weitere optische Verarbeitung mittels des optischen Systems 22, wie es bereits anhand von 3 erläutert worden ist. Hier ist die reflektierende Oberfläche des zweiten Spiegelelements 42 so ausgeführt, das die Laserstrahlen 33 zu einem parallelen Lichtbündel zusammengeführt werden.
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8 zeigt eine weitere Ausgestaltung für einen Scheinwerfer mit einer Lichtquellenanordnung, die auf der Lichtquellenanordnung 30, wie zuvor bereits zu den 4 bis 7 beschrieben, basiert. Im Unterschied zur Lichtquellenanordnung 30 gemäß der 4 bis 7 ist hier im Bereich der Durchgangsöffnung ein Lichtleiter 52 angeordnet, der das Strahlenbündel, welches von der Umlenkeinheit 32 bereitgestellt wird, aufnimmt und einem abbildenden System 54 zuführt. Die Durchgangsöffnung ist in 8 der Übersichtlichkeit halber nicht explizit eingezeichnet. Das abbildende System 54 umfasst eine Linsenanordnung 56, 58, welche die Austrittsebene des Lichtleiters 46 auf einem mit einem Leuchtstoff beschichteten, reflektiven Konversionselement, welches der Linse 58 nachgelagert ist (in der Zeichnung nicht explizit dargestellt), abbildet. Dort wird das Laserlicht, welches hier eine Wellenlänge im blauen Bereich aufweist, in weißes Licht umgewandelt und zugleich reflektiert. Zwischen den Linsen 56 und 58 ist ein zum Strahlengang unter 45 Grad schräg gestellter dichroitischer Auskoppelspiegel (in der Zeichnung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) angeordnet, der das blaue Laserlicht transmittiert und das Konversionslicht reflektiert und somit auskoppelt und damit einer weiteren Verwendung zugeführt.
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11 zeigt eine schematische Darstellung eine seitliche Schnittansicht durch eine weitere Lichtquellenanordnung 60 gemäß der Erfindung basierend auf der Ausgestaltung nach 8. In 12 ist die Lichtquellenanordnung gemäß 11 in einer schematischen, perspektivischen Darstellung gezeigt. Im Unterschied zur Ausgestaltung nach 8 ist hier ein kreisförmiger sphärisches erstes Spiegelelement 40 vorgesehen. Dieses dient zum Erfassen und Reflektieren der Strahlengänge 44 der Halbleiterlaserlichtquellen 20, die in dieser Ausgestaltung in mehreren Abstandsebenen 62, 64, 66 in Bezug auf das erste Spiegelelement 40 angeordnet sind. Der weitere Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau, wie er bereits zur 8 erläutert worden ist, weshalb ergänzend auf diese Ausführungen verwiesen wird.
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9 zeigt in einer schematischen Diagrammansicht einen horizontalen Intensitätsverlauf des durch den Lichtleiter 52 geführten Laserlichts auf der Oberfläche des Konversionselements.. Vorliegend ist der Lichtleiter 52 mit einem rechteckigen Querschnitt versehen, der entsprechend der Anordnung der Halbleiterlaserlichtquellen 20 ausgerichtet ist. Es ergibt sich der in 9 mit dem Graphen dargestellte Intensitätsverlauf der Laseranregungsstrahlung auf der Oberfläche des Konversionselements. 10 zeigt die dazu korrespondierende Intensitätsverteilung über die rechteckige Querschnittfläche des Konversionselements. Dabei weist die innere Fläche des rechteckförmigen Bereiches eine Homogenität von größer als 85% auf.
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Insgesamt ist daher festzuhalten, dass die Umlenkeinheit 32 der Erfindung ein erstes Spiegelelement 40, auch Primärspiegel genannt, aufweist, welches konkav parabolisch ausgebildet sein kann. Kombiniert sein kann dieses erste Spiegelelement 40 mit dem zweiten Spiegelelement 42, auch Sekundärspiegel genannt, welches konvex hyperbolisch ausgebildet sein kann. Dadurch ergeben sich sehr gute Abbildungseigenschaften, ein kleiner Fokus des Spiegelsystems sowie Vorteile für das nachfolgende optische System 22.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Spiegelelement 40 konkav parabolisch ausgebildet ist, wohingegen das zweite Spiegelelement 42 konvex sphärisch ausgebildet ist. Zwar hat diese Ausgestaltung ungünstigere Abbildungseigenschaften, ist jedoch dafür günstiger herzustellen, beispielsweise in Verbindung mit einer Plankonvexlinse mit Spiegelbeschichtung oder dergleichen.
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Weiterhin können strahlformende beziehungsweise homogenisierende Elemente vorgesehen sein, insbesondere in Form eines rechteckigen Lichtleiters 52, mittels dem eine Einstellung eines rechteckigen Spots erreicht werden kann. Die Lichtleitereintrittsöffnung kann auch innerhalb der Umlenkeinheit 32 angeordnet sein, wodurch sich eine kürzere Baulänge des Gesamtsystems ergeben kann.
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Weiterhin kann auch eine Mehrzahl leistungsstärkerer Laserlichtquellen mit kollimiertem Ausgangsstrahlungsfeld vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer sogenannten „Multi-Die-Package“, welches Leistungen bis zu 50 W Ausgangsleistung aufweisen kann. Mit einer solchen Ausführung können optische Gesamtleistungen von mehreren 100 W realisiert werden. Ein Multi-Die-Package ist eine hochkonzentrierte integrierte Anordnung von matrixförmig angeordneten Laserdioden, beispielsweise von 40 Laserdioden in einer 5 × 8 Matrix, oder einer einem 16:9 Bildformat angepassten Matrixanordnung von 16 × 9, also 144 Laserdioden. So kann beispielsweise jede der in 8 dargestellte Laserdioden 20 durch ein oben beschriebenes Multi-Die-Package ersetzt werden.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich unter Nutzung von katadioptrischen Systemen, wobei insbesondere die beiden Spiegelelemente als Rückflächenspiegel ausgeführt sein können und somit das eigentliche Spiegelsubstrat als Linse zur Kompensation von Abbildungsfehlern ergänzend genutzt werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Spiegelelement als facettiertes Spiegelelement beziehungsweise als Freiformspiegel ausgebildet ist. Hierdurch ergeben sich weitere Gestaltungsmöglichkeiten für das optische System.
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Wie bereits eingangs erläutert, können Halbleiterlaserlichtquellen 20 mit unterschiedlichen Wellenlängen zum Einsatz kommen, insbesondere andere Wellenlängen im Bereich Blau bis Ultraviolett (UV) bis Infrarot (IR), oder aber auch Wellenlängen, die Bereiche einer Leuchtstoffkonversion ersetzen können, zum Beispiel Rot.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass das erste Spiegelelement 40 strahlformende Elemente wie zum Beispiel Lichtleiter, Diffusoren, Mikrolinsenarrays, Linsen oder dergleichen umfassen kann, die Bestandteil des Spiegelsubstrats sein können, somit monolithisch ausgebildet sein können.
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Die zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Die Erfindung kann nicht nur bei Scheinwerfern für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, sondern auch im Allgemeinen bei Leuchtmitteln für Video- und Datenprojektoren, insbesondere bei hohen und sehr hohen Lichtleistungen.
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Die Laserlichtquellen müssen dabei nicht in einer strengen Matrixanordnung ausgerichtet sein, sondern können den Erfordernissen entsprechend frei angeordnet werden.
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Auch können die Laserlichtquellen unterschiedliche Wellenlängen emittieren.
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Auch muss die Orientierung der Strahlprofile der Halbleiterlaser, also speziell die Orientierung der Fast Axis, nicht einheitlich ausgerichtet sein, sondern kann den Erfordernissen entsprechend frei gestaltet sein. Auf diese Weise können Strahlprofilmuster erzeugt werden, die dann in Folge auf einem Konversionselement ebenfalls unterschiedliche, der konkreten Beleuchtungsaufgabe angepasste Intensitätsverteilungen erzeugen. Auch können die jeweiligen Halbleiterlaser eines Multi-Die-Packages eine jeweils unterschiedliche Polarisationsorientierung aufweisen. Die Laserlichtquellen können einzeln, in Gruppen oder als Gesamteinheit im Dauerstrichbetrieb oder auch getaktet bzw. gepulst betrieben werden, wobei die Taktzeiten der einzelnen Laserlichtquellen bzw. der jeweils zu einem Strang zusammen geschalteten Laserlichtquellen variabel einstellbar sind, also auch unterschiedlich sein können. Auch können die jeweiligen Laserlichtquellen eines Multi-Die-Packages jede für sich mit unterschiedlichen Betriebsmodi, beispielsweise mit unterschiedlichen Taktzeiten und Bestromungswerten, betrieben werden. Speziell bedeutet dies, dass jede einzelne Laserdiode direkt und unabhängig von den anderen Laserdioden des Multi-Die-Packages ansteuerbar ist. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Energiedichteverteilung des Laserspots auf dem Konversionselement den Anforderungen entsprechend variiert bzw. eingestellt werden kann.
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Schließlich können natürlich Merkmale der Ansprüche und der Beschreibung in nahezu beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, um zu weiteren Ausgestaltungen im Sinne der Erfindung zu gelangen. Insbesondere können Vorrichtungsmerkmale auch durch entsprechende Verfahrensschritte und umgekehrt realisiert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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