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Gegenstand der Anmeldung ist eine Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Messpunkten auf der Oberfläche eines Werkstücks mit einem optischen Sensor nach dem Fokusprinzip bezieht.
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Für die dimensionelle Ermittlung von Oberflächenmesspunkten an Werkstücken mit komplexen Geometrien werden verschieden taktile, taktil-optische, optische oder computertomografische Sensoren verwendet. Bevorzugt werden diese in Koordinatenmessgeräten (KMGs) betrieben, teilweise auch mehrere Sensoren kombiniert in einem Gerät (Multisensor-KMG).
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Typische optische Sensoren nach dem Fokusverfahren, auch Fokusvariationsverfahren genannt, zeichnen sich dadurch aus, dass in mehreren Entfernung entlang der Abbildungsrichtung, bzw. optischen Achse, eines Mikroskops, zwischen zu messender Oberfläche eines Objekts wie Werkstücks und der Fokusebene des Sensors mit diesem Bilder aufgenommen werden und der Kontrast oder die Helligkeit bzw. Intensität in mehreren Teilbereichen der Bilder ausgewertet wird. Der Verlauf des Kontrastes bzw. der Helligkeit durch den Bilderstapel, also entlang des Abstandes wird als Fokuskurve bezeichnet und hat sein Maximum für den Abstand, in dem die Oberfläche im Fokus des Sensors angeordnet ist. Je Bereich des Bildes wird so ein Messpunkt bzw. Oberflächenmesspunkt berechnet. Bei der Auswertung der Intensität wird bevorzugt konfokal, also durch kleine Öffnungen beleuchtet und abgebildet. Diese Öffnungen werden lateral über die Oberfläche geführt, um mehrere Messpunkte zu erzeugen, beispielsweise mit rotierenden Lochscheiben wie Nipkow-Scheiben. Alternativ wird eine Maske mit mehreren Öffnungen verwendet, um mehrere Messpunkte gleichzeitig aufzunehmen. Entsprechende Fokusvariationsverfahren sind beispielsweise in der
WO 03/052347 beschrieben. Die Änderung des Abstandes kann durch Bewegen des Sensors und des Objekts relativ zueinander erfolgen. Analog dazu ist auch die Änderung der Fokusweite des Sensors möglich, beispielsweise durch Bewegen einzelner Linsen oder den Einsatz von Flüssiglinsen, wie beispielsweise die
WO 2014/053573 nach einer Alternativen vorschlägt. Die bekannten Verfahren haben zudem gemein, dass die Fokuskurven jeweils für im Bild, also bildseitig, gleichbleibende Bereiche, zum Beispiel jeweils wenige Pixel oder auch nur ein Pixel umfassende Bereiche, gebildet werden.
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Bei der Änderung des Abstandes zwischen der Fokusebene des Sensors und der Werkstückoberfläche kommt es zur Defokussierung der Abbildung auf dem Bildsensor wie Kamera des Sensors. Bedingt durch die Eigenschaften der Oberfläche wie Neigung, Strukturierung, Rauheit usw. und die Eigenschaften des abbildenden Objektivs bzw. der abbildenden Optik des Sensors kommt es bei Defokussierung zusätzlich zu einer senkrecht zur Abbildungsrichtung auftretenden Verschiebung der Abbildung der Werkstückoberflächenbereiche auf der Kamera, hier bildseitige Verschiebungen genannt. Die auf feste Kamerapixel bezogenen Fokuskurven beziehen sich dann nicht mehr auf die exakt gleichen Oberflächenbereiche, sondern werden aus benachbarten Werkstückbereichen berechnet, wodurch Messfehler entstehen. Die bildseitigen Verschiebungen sind lokal im Bild unterschiedlich stark und unter Umständen nichtlinear mit der Änderung des Abstandes verknüpft.
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Grundlegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese bildseitigen Verschiebungen zu korrigieren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, die bildseitigen Verschiebungen für jeden auszuwertenden Oberflächenbereich und in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Werkstückoberfläche und Fokusebene des Sensors (hier auch als Relativlagen bezeichnet) in Form sogenannter Verschiebevektoren zu ermitteln und bei der Auswertung der Fokuskurven zu berücksichtigen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Messpunkten auf der Oberfläche eines Werkstücks mit einem optischen Sensor nach dem Fokusprinzip, vorzugsweise konfokalem Fokusprinzip, bestehend zumindest aus einem eine Vielzahl von Pixeln aufweisenden flächigen Bildsensor, wobei in mehreren in Richtung der optischen Achse des optischen Sensors variierenden Relativlagen zwischen Werkstückoberfläche und Fokusebene des Sensors die Werkstückoberfläche auf den Sensor abgebildet wird und zweidimensionale Bilder der Werkstückoberfläche aufgenommen werden, wobei die Werkstückoberfläche in mehrere senkrecht zur optischen Achse versetzte Teilbereiche (Werkstückbereiche) unterteilt ist und jedem Werkstückbereich ein Teilbereich der Bilder (Bildbereich) zugeordnet ist, und aus den Bildern (Bilderstapel) für die Werkstückbereiche ein charakteristischer Parameter wie Kontrastwert und/oder Intensitätswert im jeweils zugeordneten Bildbereich in jedem Bild bestimmt wird, und aus der Relativlage und dem charakteristischen Parameter die entlang der optischen Achse vorliegende Koordinate eines dem jeweiligen Werkstückbereich zugeordneten Messpunktes bestimmt wird.
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Die Erfindung sieht zur Lösung im Wesentlichen ein Verfahren vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass zwischen den Relativlagen auftretende bildseitige Verschiebungen (Verschiebevektoren) der Abbildungen der Werkstückbereiche senkrecht zur optischen Achse bestimmt und bei der Zuordnung der Bildbereiche zu den Werkstückbereichen für jede Relativlage separat berücksichtigt werden.
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Bei dem flächigen Bildsensor handelt es sich um einen flächig ausgeprägter Bildsensor wie beispielsweise eine CCD- oder CMOS-Kamera.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass die Zuordnung der Bildbereiche zu den Werkstückbereichen zur Berechnung eines korrigierten Bilderstapels verwendet wird, der zur Bestimmung der Messpunkte verwendet wird, vorzugsweise indem die Verschiebevektoren den zur Verzeichnungskorrektur eingesetzten Algorithmen zugeführt werden.
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Entsprechende Algorithmen sehen bereits eine Verschiebung von Bildbereichen zueinander aufgrund einzelner Stützstellen im Bild zugeordneter Verschiebungen (Vektoren) vor, wobei die Verschiebung für Zwischenbereiche interpoliert werden und zumeist im Anschluss an die Verschiebung durch Resampling ein in einem äquidistantem Raster vorliegendem und vorzugsweise in der Größe dem ursprünglichen Bild entsprechendes Bild erzeugt und weiterverarbeitet wird.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Verschiebevektoren bestimmt werden, indem zumindest eine mehrere Marken, vorzugsweise Kreise, aufweisende strukturierte Beleuchtung, beispielsweise durch eine beleuchtete Lochmaske erzeugt, auf die Werkstückoberfläche projiziert und anschließend vom Bildsensor erfasst werden, wobei für die auf dem Bildsensor abgebildeten Marken jeweils die in den Bildern vorliegende Verschiebung ermittelt wird, vorzugsweise durch Korrelationsmethoden, wobei besonders bevorzugt die einzelnen abgebildeten Marken derart beabstandet zueinander sind, dass sich diese in den Bildern nicht überlagern, insbesondere für alle Relativpositionen, also auch im nicht fokussierten Zustand, nicht überlagern.
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Die seitliche Verschiebung der Abbildung von Oberflächenbereichen wird also durch lokale Verfolgung der Marken einer Markenprojektion, abhängig von der Entfernung zwischen dem Objekt und der Fokusebene des Sensor ermittelt und anhand dessen die Anpassung der für die einzelnen Fokuskurven zu verwendenden Pixelinformationen der Kamera vorgenommen.
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Die mehreren Marken sind bevorzugt derart gestaltet, dass sich diese auch im nicht fokussierten Zustand in der Bildebene nicht überlagern, um ein Übersprechen zwischen den Messpunkten zu vermeiden. Der nicht fokussierte Zustand bezieht sich dabei nur auf den Bereich, der für die Relativverschiebung vorgesehen ist. Dies sind in der Regel nur wenige Millimeter, meist weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm, besonders bevorzugt weniger als 2 mm, abhängig von der verwendeten Optik, insbesondere weniger, je größer der Abbildungsmaßstab der Optik ist. Bei größeren Abständen zwischen Oberfläche und Fokusebene treten zwangsläufig Überlappungen auf. Diese Abstände sind für die Maximumfindung der Fokuskurve aber nicht mehr relevant und daher von der Messung ausgeschlossen.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass lediglich die durch die Marken beleuchteten Bereiche der Werkstückoberfläche die Werkstückbereiche bilden, für die jeweils Messpunkte bestimmt werden, wobei bevorzugt der Bilderstapel, insbesondere nur die den Werkstückbereichen zugeordneten Bildbereiche, hinsichtlich der Kontrastwerte ausgewertet wird.
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Der Kontrast wird also nur in den durch die Marken beleuchteten Bereichen ausgewertet. Diese Bereiche sind, unabhängig von der Defokussierung, gleichbleibenden Oberflächenbereichen zugeordnet, da die Beleuchtung bzgl. der Oberfläche senkrecht zur Abbildungsrichtung fix bleibt. Bildseitig, also auf der Kamera bewegen sich diese Bereiche jedoch in der Bildebene. Erfindungsgemäß wird diese Bewegung bzw. Verschiebung jedoch korrigiert.
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Erfindungsgemäß kann somit vorgesehen sein, dass Verschiebevektoren und Messpunkte aus getrennt aufgenommenen Bilderstapeln berechnet werden, wobei die Projektion der Marken lediglich zur Bestimmung der Verschiebevektoren eingeschaltet wird.
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Es werden also mindestens zwei getrennte Messungen vorgenommen, einmal mit eingeschalteter Markenbeleuchtung bzw. Markenprojektion und einmal ohne eingeschaltete Markenprojektion. Die beiden Messungen müssen dabei nicht zwangsläufig getrennt voneinander nacheinander ablaufen. Es kann ebenso während der Variation der Relativlagen, also der Änderung des Abstandes zwischen Oberfläche und Fokusebene, abwechseln ein Bild mit und ein oder mehrere Bilder ohne Markenprojektion aufgenommen werden. Die Verschiebevektoren können dann zwischen den Bildern interpoliert werden, also für Bilder, die zwischen den Bildern aufgenommen wurden, für die eine Markenprojektion vorlag.
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Nach einer besonders bevorzugten Lösung sieht die Erfindung also vor, dass die Marken durch separat schaltbare Elemente einer flächigen Beleuchtung gebildet werden, die vorzugsweise in den Strahlengang des optischen Sensors integriert ist, wobei besonders bevorzugt unterschiedlich strukturierte Beleuchtungen generiert werden und dabei jeweils ein Bilderstapel aufgenommen wird.
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Eine entsprechende schaltbare Elemente aufweisende Beleuchtung ist beispielsweise in der
WO 2014/053573 beschrieben. Die Beleuchtungsquelle deckt dabei bevorzugt den gesamten erfassten Oberflächenbereich ab, beleuchtet aber jeweils nur sich nicht überlappende, insbesondere beabstandete Bereiche. Die hierdurch nicht erfassten Zwischenbereiche werden bevorzugt in einer weiteren oder mehreren weiteren Messung mit entsprechend verschoben projizierten Marken, also unterschiedlich strukturierter Beleuchtung, gemessen. Die mehreren dabei aufgenommenen Bilderstapel werden jeweils zur Ermittlung der Fokuskurven zu den jeweils beleuchteten Bereichen gebildet. Auf diese Art und Weise wird die gesamte Messobjektoberfläche mit Messpunkten erfasst.
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Bevorzugt ist auch, dass die Messpunkte aus einem kombinierten Bilderstapel ermittelt werden, wobei zur Aufnahme der Bilderstapel unterschiedliche Lichtmengen, insbesondere unterschiedliche Beleuchtungsintensitäten und/oder unterschiedliche Kamerabelichtungszeiten eingestellt werden.
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Entsprechende Verfahren werden beispielsweise als High Dynamik Range (HDR) Verfahren bezeichnet und sind beispielhaft in der
DE 10 2010 017 604 für Fokusvariationsverfahren beschrieben.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass Messpunkte aus zumindest zwei der nachfolgend genannten Auswertungen fusioniert werden, insbesondere gemeinsam ausgewertet werden:
- – Auswertung der Kontrastwerte an einem Bilderstapel, der ohne Projektion der Marken aufgenommen wurde,
- – Auswertung der Kontrastwerte an einem Bilderstapel, der mit Projektion der Marken aufgenommen wurde, wobei bevorzugt Messpunkte lediglich in den durch die Marken beleuchteten Bereichen der Werkstückoberfläche ermittelt werden,
- – Auswertung der Intensitätswerte an einem Bilderstapel der mit Projektion der Marken aufgenommen wurde, bevorzugt unter Verwendung des im vorherigen Anstrich genannten Bilderstapels, der zur Auswertung der Kontrastwerte verwendet wurde,
wobei vorzugsweise den Messpunkten zumindest eine Qualitätskennzahl zugeordnet wird und abhängig von der Qualitätskennzahl zu fusionierende Messpunkte ausgewählt werden.
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Die Qualitätskennzahl kann beispielsweise von dem absolut festgestellten Kontrast- bzw. Intensitätswert abgeleitet werden. Demnach werden beispielsweise Messpunkte verworfen, die einen Mindestwert unterschreiten oder einen Maximalwert überschreiten. Auch der Verlauf der Fokuskurve bzw. Störungen der Homogenität können hierfür herangezogen werden. Grundlegend werden hierdurch Bereichen von der Auswertung ausgenommen, für die keine gültigen Messergebnisse vorliegen, beispielsweise aufgrund zu großer Oberflächenneigung oder störender Reflexe, Strukturen o. ä.
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Besonders hervorzuheben ist der Gedanke, dass zumindest ein Bilderstapel bei konfokaler Beleuchtung, vorzugsweise durch eine rotierende Lochscheibe wie Nipkowscheibe oder durch eine mehrere Marken aufweisende strukturierte Beleuchtung wie beispielsweise mittels einer Lochmaske erzeugt, der Werkstückoberfläche aufgenommen wird, der bevorzugt hinsichtlich der Intensitätswerte ausgewertet wird.
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Kennzeichnend kann daher auch sein, dass das Verfahren in einem Koordinatenmessgerät eingesetzt wird, vorzugsweise gemeinsam mit weiteren Sensoren in einem Multisensorkoordinatenmessgerät integriert eingesetzt wird.
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Die den Ansprüchen zu entnehmenden Merkmale können gegebenenfalls beliebig kombiniert werden, und zwar unabhängig von den in den Ansprüchen berücksichtigten Rückbeziehungen.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindungen ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
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Es zeigen:
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1a–1c Prinzipdarstellungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ohne Projektion einer strukturierten Beleuchtung und
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2a–2c Prinzipdarstellungrn eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Projektion einer strukturierten Beleuchtung.
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Die 1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei keine strukturierte Beleuchtung auf die Oberfläche des zu messenden Werkstücks projiziert wird. 1a zeigt das von einem Bildsensor des optischen Sensors aufgenommene Bild 1a eines Abschnitts der Werkstückoberfläche in einer ersten Entfernung (Relativposition) z = z0 zwischen Werkstückoberfläche und Fokusebene des optischen Sensors. Die Werkstückoberfläche weißt dabei eine Strukturierung 2a auf, die durch Linie verdeutlicht wird. An realen Werkstücken können unterschiedliche Höhen in dem von einem Bild 1a, 1b, 1c erfassten Bereich auftreten. Zur Vereinfachung ist die Werkstückoberfläche hier aber nahezu vollständig eben und z = z0 entspricht in etwa der Fokusebene, so dass die gesamte Werkstückoberfläche 2a nahezu ideal scharf im Bild 1a aufgenommen wird.
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Beispielhaft ist der einem Werkstückbereich zugeordnete Bildbereich 3a, also die Abbildung dieses Werkstückbereichs, durch einen Kreis 3a markiert. Für diesen Werkstückbereich soll erfindungsgemäß ein Messpunkt bestimmt werden. Derartige Werkstückbereiche sind erfindungsgemäß über den gesamten Bildbereich in der Bildebene zueinander versetzt vorgesehen, wobei Anzahl und Abstand frei einstellbar sind. Die Bereiche dürfen sich dabei auch überlappen. Für jeden Teilbereich wird eine Fokuskurve bestimmt und aus deren Maximum der Messpunkt ermittelt.
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In der 1b ist ein aufgenommenes Bild 1b desselben Abschnitts des Werkstücks dargestellt, jedoch in der um dz in Richtung der Abbildungsrichtung verschobenen Relativposition z = z0 + dz zwischen Werkstückoberfläche und Fokusebene. Die Strukturierung 2b ist dadurch im Vergleich zur Strukturierung 2a weniger scharf abgebildet und zudem in der Bildebene (entspricht in der Figur der Zeichenebene) verzerrt, einzelne Bereiche sind also ungleichmäßig verschoben. Beispielhaft ist die Verschiebung des dem zuvor beispielhaft genannten Werkstückbereich zugeordneten Bildbereiches von 3a nach 3b mittels des Verschiebevektors 4b dargestellt. Die Bildbereiche 3a und 3b sind daher dem gleichen, zuvor genannten Werkstückbereich auf der Oberfläche des Werkstücks zur Bildung der jeweiligen Fokuskurve zuzuordnen, obwohl sie in der Bildebene zueinander verschoben sind.
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Gleiches gilt für den Bildbereich 3c in 1c. Auch dieser ist dem zuvor beispielhaft genannten Werkstückbereich zuzuordnen. Der Bildbereich 3c ist um den Verschiebevektor 4c zum Bildbereich 3a aus 1a verschoben. Im der 1c ist die Relativposition nochmals um den Betrag dz, also bezüglich z0 um 2xdz variiert, wodurch die Abbildung der Strukturierung 2c nochmals an Schärfe abnimmt. Im Allgemeinen werden mehrere 10 bis mehrere 100 Relativpositionen bei der Fokusvariation eingenommen.
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Grundlegend ist es möglich den Startpunkt für die Verschiebevektoren frei zu wählen, also beispielsweise in eine Ecke des Bildes zu verlagern. Für die Bestimmung der zu korrigierenden Verschiebung wird dann jeweils die geometrische Differenz des jeweiligen Verschiebevektors zu einem dem jeweiligen Werkstückbereich zugeordneten Referenzvektors bestimmt. Als Referenzvektor dient dabei der Vektor von dem frei wählbaren gemeinsamen Startpunkt aus zu dem dem Werkstückbereich zugeordneten Bildbereich, für den die Fokuskurve ihr Maximum aufweist. Dieser Bildbereich wird zudem bevorzugt für die Bestimmung der Koordinaten des Messpunktes in den beiden senkrecht zur Abbildungsrichtung vorliegenden Raumrichtungen verwendet.
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Anhand der 1a, 1b und 1c ist die bildseitige Verschiebung der Bildbereiche 3a, 3b und 3c, also der Abbildung eines beispielhaften Werkstückbereichs, erkennbar. Die Ermittlung der entsprechenden Verschiebevektoren 4b und 4c ist erfindungsgemäß vorgesehen. Bei ausreichender Strukturierung keine eine Lösung darin bestehen, dass mit Hilfe von Korrelationsverfahren die Verschiebungen für die Bildbereiche ermittelbar sind. Aufgrund der Defokussierung der Werkstückoberfläche oder bei geringer oder unregelmäßiger Strukturierung erweist sich dies jedoch als meist zu ungenau. Insbesondere wenn die Bildbereiche sehr klein sind, ist die notwendige Korrelation zwischen den Bildbereichen 3a, 3b und 3c kaum noch vorhanden. Zur Lösung wird dann das in der 2 gezeigt Verfahren angewendet.
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2 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei mittels einer strukturierten Beleuchtung die Marken 5a, 5b, 5c auf die Oberfläche des zu messenden Werkstücks projiziert werden. Diese Beleuchtung besteht hier beispielhaft aus einer mehrere Löcher 5a, 5b, 5c (Marken) aufweisenden Lochblende bzw. Lochmaske, die von einer Beleuchtungsquelle beleuchtet und auf das Werkstück abgebildet wird, wodurch nur die Bereiche des Werkstücks beleuchtet werden, an denen die Marken abgebildet werden.
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In den 2a, 2b und 2c ist zur besseren Erkennbarkeit dennoch die Abbildung der Werkstückoberfläche auch für die Bereiche eingezeichnet, die nicht durch die Marken beleuchtet werden. Ein entsprechender Beleuchtungsstrahlengang wird meist über einen Strahlteiler oder ein Pellicle in den eigentlichen Strahlengang des optischen Sensors eingespiegelt. Beispielhaft ist die Abbildung des Werkstücks aus 1 dargestellt, sowie die Relativstellungen aus den 1a, 1b und 1c.
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In der 2a ist wiederum die Relativstellung z0 dargestellt, wodurch auch die Marken 5a scharf abgebildet werden. Beispielhaft ist die Marke 6a bezeichnet. Grundlegend sind die Anzahl, die Größe und der Abstand der Marken frei wählbar. Bevorzugt sollen sich die Marken jedoch nicht überlagern, auch im unscharfen Zustand nicht, wie beispielsweise in den 2b und 2c dargestellt.
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Anhand der Abbildung der Marke 6a in den zunehmend defokussierten Bildern 1b und 1c der 2b und 2c werden die Verschiebevektoren 4b bzw. 4c bestimmt. Dabei wird nicht eine Korrelation der Abbildung der Werkstückoberfläche benötigt, sondern lediglich die Verschiebung der jeweiligen Marke an sich bestimmt. Der Mittelpunkt einer kreisrunden Marke ist dabei auch bei Defokussierung noch genau ermittelbar.
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Die den jeweiligen Werkstückbereichen zuzuordnenden Bildbereiche, also die Verschiebevektoren, werden dadurch für alle Marken und alle Relativstellungen bestimmt. Zur Bestimmung der Messpunkte ist erfindungsgemäß nach einem ersten Vorschlag vorgesehen, diese Verschiebevektoren zur Korrektur eines entsprechend der 1a bis 1c aufgenommenen Bilderstapels zu verwenden. Für Bildbereiche zwischen den Markenpositionen wird dabei der Verschiebevektor bevorzugt durch Interpolation bestimmt. Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Vorschlag erfolgt die Anwendung der Verschiebevektoren auf den mit Markenprojektion aufgenommenen Bilderstapel, wobei die Auswertung der Fokuskurven und damit die Ermittlung der Messpunkte nur innerhalb der Bildbereiche 5a, 5b, 5c der von den Marken beleuchteten Werkstückbereichen, also innerhalb der Marken, erfolgt. Bevorzugt wird dabei der Kontrast innerhalb der Marken ausgewertet. Beide Verfahren sind auch kombinierbar, ebenso wie eine Kombination mit der Intensitätsauswertung in den Marken erfolgen kann. Verwendet werden erfindungsgemäß dann jeweils nur die Messpunkte, die vorbestimmte Gütekriterien erfüllen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 03/052347 [0003]
- WO 2014/053573 [0003, 0020]
- DE 102010017604 [0022]