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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beleuchtung und Aufnahme von Oberflächeninhomogenitäten spiegelnder Oberflächen.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Oberflächeninspektion oder Oberflächenprüfung bekannt. Hierbei wird die sichtbare Hülle eines Objektes geprüft. Eigenschaften und Defekte im Inneren des Objektes sind allerdings nicht Gegenstand der Oberflächeninspektion. Kunden fordern vom Hersteller absolut fehlerfreie Ware. Für die Erzeuger ist daher ein gut funktionierendes Qualitätsmanagement dringend erforderlich. Hierbei helfen Methoden, Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächeninspektion / Oberflächenprüfung dabei, Produktionsprozesse zu verbessern. Qualität wird zunehmend messbar und automatische Prüfsysteme liefern die Information dazu. Optische Oberflächeninspektionen werden diesbezüglich häufig angewandt. Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von Prüfmethoden – zum einen die Prüfung durch den Menschen, zum anderen die (automatisierte) optische Oberflächenprüfung.
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Bei der ersten Oberflächenfehler-Prüfmethode (Prüfung durch den Menschen) handelt es sich um die erste und einfachste Form der Qualitätssicherung. Hierbei durchläuft das Werkstück seinen Produktionsprozess und am Ende dieser Kette steht ein Mensch, der sich das Bauteil nochmals genau ansieht. Er nimmt das zu überprüfende Teil in die Hand, dreht es in alle Richtungen und kann bei entsprechenden Rahmenbedingungen (Beleuchtung, Sauberkeit, ...) die meisten Fehler relativ schnell erkennen. Nachteilig an dieser sehr einfachen Methode ist, dass bei der Prüfung durch den Menschen häufig gravierende Fehler unerkannt bleiben.
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Bei der zweiten Prüfmethode ((automatisierte) optische Oberflächeninspektion) wird die Inspektion der Oberfläche mithilfe von Kameras fotografisch durchgeführt. Hier stehen Zeilenkameras sowie Flächenkameras zur Verfügung. Mit Hilfe von bildverarbeitenden Methoden werden die gemachten Bilder aufgearbeitet und entsprechende Fehler bzw. Schäden der Oberfläche erkannt.
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Fotografische Aufnahmen von Oberflächeninhomogenitäten bzw. von Oberflächenschäden von stark reflektierenden Gegenständen werden üblicherweise in Lichtkästen bzw. Lichtzelten durchgeführt. Diese Lichtkästen bzw. Lichtzelte (auch Fotostudio oder Ministudio genannt – Quelle: Wikipedia) sind Flächenbeleuchtungsmittel insbesondere für die Studiofotografie bis hin zur gemäßigten Makrofotografie. Sie dienen der möglichst gleichmäßigen und weichen, schattenfreien Ausleuchtung des jeweiligen Motivs. Als Lichtquelle wird üblicherweise polarisiertes Licht verwendet. Zwar sind diese Lichtkästen / Lichtzelte kostengünstig, leuchten aber aufgrund von nicht gleichmäßig geneigten und unebenen Wänden die zu untersuchenden Objekte nachteilig nicht gleichmäßig aus und besitzen für das Objektiv der Kamera zu große Öffnungen. Weiterhin haben diese handelsüblichen Vorrichtungen den Nachteil, dass der Einsatz von Mikroskopen nicht möglich ist. Weitere Verfahren bzw. Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen nachfolgend kurz erwähnt und beurteilt werden.
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H. Marguerre: „Kontrastierverfahren an Oberflächen zur Qualitätsprüfung" in Feinwerktechnik und Messtechnik (1985), Heft 93/8, S. 419–422. Nachteilig an dem hier beschriebenen Verfahren ist, dass eine 100%-Erfassung der Oberfläche nicht möglich ist. Der Aufwand für die erforderliche angepasste Beleuchtung der Oberfläche ist sehr hoch.
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DE 3021448 A1 (Marguerre): „Verfahren und Anordnung zur Erfassung räumlicher Abweichungen von einer glatten Ebene an Oberflächen von Gegenständen“. Hier ist nachteilig eine strukturierte Beleuchtung über Gitter erforderlich.
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DE 41 21 464 (Mazda): „Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächendefekten“. Die hier vorgestellte Vorrichtung zur Feststellung von Oberflächendefekten verwendet / bedarf nachteilig Licht mit einem vorbestimmten Änderungsmuster.
DE 43 37 707 (Lübbert, Muth): „Anordnung zur Beleuchtung und Abbildung“. Hier wird nachteilig eine aufwändige Apparatur zur Beleuchtung und Aufnahme des Gegenstands mit einem einzigen Strahlengang vorgestellt.
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Die Probleme des oben genannten Standes der Technik sind, dass die Lichtkästen / Lichtzelte keine ausreichende Homogenität des Lichtes bieten, die unnötig große Öffnung des Lichtkastens für die Kamera von beispielsweise konvexen Oberflächen reflektiert wird und die Wände des Lichtkastens nicht homogen sind. Durch die Verwendung von Polarisationsfiltern wird dieser Effekt noch verstärkt. Die Aufnahme und Ausleuchtung von Oberflächen, speziell spiegelnder / reflektierender Oberflächen ist so nicht optimal möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist demnach, eine Vorrichtung zur Aufnahme von Oberflächeninhomogenitäten (u.a. stark) reflektierender / spiegelnder Oberflächen zur Verfügung zu stellen, die einfach und robust ist und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile behebt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat die Vorteile, dass die Vorrichtung ermöglicht, Oberflächenschäden bzw. -inhomogenitäten stark spiegelnder / reflektierender Oberflächen einfach und robust bei hoher Qualität zu erfassen.
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Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Beleuchtung und optischen Aufnahme von mindestens einer Oberfläche einen zylindrischen Hohlkörper aufweist, der eine Rotationsachse aufweist, wobei sich auf dieser Rotationsachse ein zu untersuchendes Objekt befindet, wobei auf einer Innenwand des zylindrischen Hohlkörpers eine Vielzahl von Leuchtmitteln aufgebracht sind, die den zylindrischen Hohlkörper gleichmäßig ausleuchten.
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Hierbei ist vorteilhaft dass als Aufnahmetechnik handelsübliche Einrichtungen einsetzbar sind (Spiegelreflex-Fotoapparat, Mikroskop, etc.). Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Vorrichtung robust und unabhängig von Umgebungslicht arbeitet. Dabei ist die durch die Beleuchtung erzeugte Homogenität so gut, dass keine Pseudofehler in der Aufnahme durch die Beleuchtung erzeugt werden. Diese hoch homogene Beleuchtung erlaubt somit die optimale Untersuchung spiegelnder / reflektierender (konvexer) Gegenstände.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Vorteilhaft umgeben die Leuchtmittel das zu untersuchende Objekt kreisförmig. Diese kreisförmige Anordnung unterstützt die Homogenisierung des Lichteinfalls auf das Objekt.
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Vorteilhafterweise werden als Leuchtmittel LEDs eingesetzt, bevorzugt handelt es sich dabei um weiße LEDs. LEDs zeichnen sich durch eine hohe Energieeffizienz aus und haben bereits eine Lichtausbeute von 50–60 Lumen pro Watt. Weiterhin zeichnen sich LEDs vorteilhafterweise durch eine hohe Lebensdauer aus. 25.000 Stunden beträgt derzeit die Lebensdauer einer modernen LED-Lampe. Sie sind somit quasi über Jahrzehnte hinweg praktisch wartungsfrei. Weiterhin geben LEDs ein flackerfreies Licht und sind stufenlos dimmbar. Zusätzlich ist vorteilhaft, dass LEDs klein und kompakt sind und eine sehr geringe Wärmeabstrahlung aufweisen. Für besondere Untersuchungen können vorteilhaft farbige Leuchtmittel verwendet werden (z.B. farbige LEDs), um Farbveränderungen der zu untersuchenden Oberfläche (Beispielsweise Anlassfarben durch unzulässig hohe Erwärmung des untersuchten Gegenstands) hervorzuheben.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass sich zwischen den Leuchtmitteln und dem zu untersuchenden Objekt ein Diffusor befindet. Dieser Diffusor ist zwischen den LEDs und dem zu untersuchenden Objekt angeordnet und sorgt (beispielsweise in Kombination mit einer diffus streuenden Filterfolie) für eine hoch-homogene Beleuchtung des zu untersuchenden Objekts.
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Vorteilhafterweise ist der Diffusor zylindrisch ausgeführt. Durch die zylindrische Ausführung/Form kann der Diffusor optimal zwischen der Innenwand des zylindrischen Hohlkörpers und dem zu untersuchenden Objekt platziert werden. Als Diffusor wird vorzugsweise Pergamentpapier, mattes Acrylglas (PMMA, Plexiglas), eine Farbfilterfolie, Druckerpapier oder eine PTFE-Scheibe (Teflon) eingesetzt. Diese Diffusoren zeichnen sich vorteilhaft durch günstige Lichtdurchlässigkeit, mechanische Belastbarkeit und homogene Oberflächen aus. Sie erzeugen somit vorteilhafterweise das für die Vorrichtung benötigte diffuse Licht.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Objekt mit einer optischen Aufnahmevorrichtung, vorzugsweise einem Fotoapparat oder einem Mikroskop untersucht wird. Diese Aufnahmevorrichtungen sind die im Handel üblicherweise zur Verfügung stehenden Einrichtungen und sind somit vorteilhafterweise einfach zu beschaffen und entsprechend preisgünstig.
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Vorteilhafterweise wird der zylindrischen Hohlkörper von einem halbkugelförmigen Deckel bedeckt. Einerseits kann so kein Streulicht von außerhalb der Vorrichtung ins Innere derselben gelangen und somit bei der Untersuchung des Objektes keine störenden Reflexe verursachen. Andererseits kann das im Inneren des zylindrischen Hohlkörpers erzeugte Licht von der Innenseite des halbkugelförmigen Deckels in Richtung des zu untersuchenden/beleuchtenden Objektes reflektiert werden und somit ebenfalls zur optimalen Ausleuchtung desselben beitragen.
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Der halbkugelförmige Deckel weist auf seiner Innenseite vorteilhafterweise ebenfalls Beleuchtungsmittel auf. Somit trägt er ebenfalls vorteilhaft zur Beleuchtung des Objektes bei.
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Um die Beleuchtung des zu untersuchenden Objektes weiter zu verbessern, befindet sich zwischen der Innenseite des halbkugelförmigen Deckels und dem zu untersuchenden/beleuchtenden Objektes ebenfalls ein Diffusor. Als Diffusor wird hier analog vorzugsweise Pergamentpapier, mattes Acrylglas (PMMA, Plexiglas), eine Farbfilterfolie, Druckerpapier oder eine PTFE-Scheibe (Teflon) eingesetzt (Vorteile s.o.).
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Weiterhin ist in dem halbkugelförmigen Deckel eine Öffnung vorgesehen, die auf einer Rotationsachse des halbkugelförmigen Deckels liegt. Durch diese Öffnung ist vorteilhafterweise die Beobachtung des zu untersuchenden Objektes möglich. Zu dem Zweck der Beobachtung des zu untersuchenden Objektes befindet sich die verwendete optische Aufnahmevorrichtung vorteilhaft auf eben dieser Rotationsachse des halbkugelförmigen Deckels und untersucht das Objekt durch eben diese Öffnung.
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Um den zylindrischen Hohlkörper und den halbkugelförmigen Deckel relativ zueinander optimal auszurichten, liegt die Rotationsachse des zylindrischen Hohlkörpers koaxial auf der Rotationsachse des halbkugelförmigen Deckels. Sie können auch als identisch bzw. parallel zueinander betrachtet werden.
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Um die optische Aufnahme der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes auch aus anderen Raumrichtungen zu ermöglichen, sind die Rotationsachsen sowohl des zylindrischen Hohlkörpers, als auch des halbkugelförmigen Deckels in einer weiteren Ausführungsform zueinander um einen Winkel verkippt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird, um einen mobilen Einsatz der Aufnahmeeinrichtung zu ermöglichen, die Vorrichtung mit einer Anschlusseinrichtung an das Objektiv der Aufnahmeeinrichtung verbunden. Dabei kann die Vorrichtung koaxial und verkippt montiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Querschnittes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beleuchtung und optischen Aufnahme von mindestens einer Oberfläche;
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2: eine weitere schematische Darstellung eines Querschnittes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beleuchtung und optischen Aufnahme von mindestens einer Oberfläche;
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3: eine weitere schematische Darstellung eines Querschnittes einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beleuchtung und optischen Aufnahme von mindestens einer Oberfläche;
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Beleuchtung und optischen Aufnahme von mindestens einer Oberfläche 11. Die Oberfläche 11 gehört zu einem zu untersuchenden Objekt 14. Dieses Objekt 14 befindet sich innerhalb eines zylindrischen Hohlkörpers 12. Dieser Hohlkörper 12 hat eine Rotationsachse 13 und auf dieser Rotationsachse 13 ist das zu untersuchende Objekt 14 angeordnet.
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Weiterhin verfügt der Hohlkörper 12 über eine Innenwand 15. Auf dieser Innenwand 15 ist eine Vielzahl von Leuchtmittel 16 angebracht. Diese Leuchtmittel umgeben das zu untersuchende Objekt 14 kreisförmig, sind somit also gleichmäßig / regelmäßig auf der zylindrischen Innenwand 15 über die gesamte Fläche der Innenwand 15 verteilt. Somit wird das zu untersuchende Objekt 14 gleichmäßig, hoch-homogen ausgeleuchtet. Bei den Leuchtmitteln 16 handelt es sich beispielsweise um LEDs die vorzugsweise weißes Licht abstrahlen. Zwischen den Leuchtmitteln 16 und dem zu untersuchenden Objekt 14 befindet sich ein Diffusor 18. Dieser Diffusor 18 ist aufgrund der zylindrischen Form des Hohlkörpers 12 ebenfalls zylindrisch ausgeführt, steckt also quasi als zylindrische Hülse im Inneren des Hohlkörpers 12 und wird von den Leuchtmitteln 16 durchstrahlt. Als Diffusor 18 wird vorzugsweise Pergamentpapier, mattes Acrylglas (PMMA, Plexiglas), eine Farbfilterfolie, Druckerpapier oder eine PTFE-Scheibe (Teflon) verwendet. Um eine optische Aufnahme des zu untersuchenden Objektes 14 zu erstellen, wird eine optische Aufnahmevorrichtung 19 verwendet, die vorzugsweise ein Fotoapparat oder ein Mikroskop ist. Dabei wird diese Aufnahmevorrichtung 19 so positioniert, dass sie auf einer Rotationsachse 13 des zylindrischen Hohlkörpers 12 angeordnet ist. Das zu untersuchende Objekt 14 ist ebenfalls auf dieser Rotationsachse 13 positioniert. Der zylindrische Hohlkörper 12 kann an einem Arm bzw. einer Halterung (hier nicht dargestellt) befestigt sein, die es ermöglicht, den Hohlkörper 12 schwenkbar im Raum zu positionieren. Weiterhin kann der zylindrische Hohlkörper 12 Bestandteil eines Mikroskopaufbaus sein (hier nicht dargestellt) und kann beispielsweise auf dem Objekttisch des Mikroskops aufliegen und dadurch in allen 3 Raumrichtungen verschiebbar gelagert sein. Als Aufnahmegerät kann innerhalb dieses Mikroskopaufbaus eine beliebige Kamera, ein Mikroskop oder andere Bilderfassungsgeräte dienen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Beleuchtung und optischen Aufnahme von mindestens einer Oberfläche 11. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel wird der zylindrische Hohlkörper 12 von einem halbkugelförmigen Deckel 20 bedeckt. Dieser halbkugelförmigen Deckel 20 kann hochreflektierend ausgeführt sein und auf seiner Innenseite 23 Beleuchtungsmittel 16 (siehe oben) aufweisen. Diese Beleuchtungsmittel 16 sind genauso wie im zylindrischen Hohlkörper 12 gleichmäßig/symmetrisch auf der Innenseite 23 verteilt, sodass eine homogene Beleuchtung des Innenbereichs des zylindrischen Hohlkörpers erfolgt. Zwischen der Innenseite 23 des halbkugelförmigen Deckels 20 und dem zu beleuchtenden Objekt befindet sich ebenfalls ein Diffusor 18, der analog zu dem in 1 gezeigten Diffusor 18 ausgeführt ist/sein kann. Dieser Diffusor 18 ist ebenfalls halbkugelförmig ausgeführt. Innerhalb des halbkugelförmigen Deckels 20 befindet sich eine Öffnung 21 die auf einer Rotationsachse 22 des halbkugelförmigen Deckels liegt (vorzugsweise im Durchstoßpunkt eines Pols des halbkugelförmigen Deckels). Durch diese Öffnung 21 ragt die optische Aufnahmevorrichtung 19 in den Innenraum, der von zylindrischem Hohlkörper und halbkugelförmigen Deckel aufgespannt wird und befindet sich auf der Rotationsachse 22 des halbkugelförmigen Deckels 20. Hierbei sind die Rotationsachse 13 des zylindrischen Hohlkörpers 12 und die Rotationsachse 22 des halbkugelförmigen Deckels koaxial identisch. Mit anderen Worten passt der halbkugelförmigen Deckel 20 präzise auf den zylindrischen Hohlkörper, sodass die Wandung des halbkugelförmigen Deckels zur Deckung mit der Wandung des zylindrischen Hohlkörpers kommt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Beleuchtung und optischen Aufnahme von mindestens einer Oberfläche 11. Gleiche Elemente in Bezug auf 1 und 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Rotationsachse 22 des halbkugelförmigen Deckels 20 um einen Winkel A gegenüber der Rotationsachse 13 des zylindrischen Hohlkörpers 12 verkippt. Durch diese Verkippung ist es möglich, mittels der optischen Aufnahmevorrichtung 19 das zu untersuchende Objekt 14 entlang des gesamten räumlichen Öffnungswinkels von 2π zu untersuchen. Dazu kann der halbkugelförmige Deckel, dessen Wandung in diesem Ausführungsbeispiel nicht mit der Wandung des zylindrischen Hohlkörpers 12 zur Deckung kommt, über den gesamten genannten räumlichen Öffnungswinkel verkippt und kreisförmig bewegt werden, wodurch Aufnahmen mittels der optischen Aufnahmevorrichtung über den gesamten Öffnungswinkel 2π möglich sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3021448 A1 [0007]
- DE 4121464 [0008]
- DE 4337707 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- H. Marguerre: „Kontrastierverfahren an Oberflächen zur Qualitätsprüfung“ in Feinwerktechnik und Messtechnik (1985), Heft 93/8, S. 419–422 [0006]
