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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit wenigstens zwei relativ zueinander verdrehbaren Linsen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Linsen gattungsgemäßer Vorrichtungen bilden miteinander ein optisches System aus, um durch Relativverdrehung der beiden Linsen zueinander die optischen Eigenschaften des Systems kontinuierlich oder in diskreten Stufen zu verändern. Gemäß einer besonderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Moire-System, bei welchem zwei Linsen, die jeweils ein diffraktives optisches Element (DOE) ausbilden hintereinander in einem Strahlengang positioniert sind und sich über einen breiten Brennweitenbereich durch einfache Verdrehung der optischen Elemente relativ zueinander fokussieren lassen. Solche fokussierbaren Moire-Linsen sind bei monochromatischem Licht frei von Aberrationen und können für Wellenlängen vom UV- bis IR-Spektrum angepasst werden. Typischerweise werden Moire-Linsen in optischen Laserbaugruppen eingesetzt, zum Beispiel in variablen Strahlaufweitern oder auch als Elemente in Zoomobjektiven.
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Beispielsweise offenbart
EP 2 174 168 B1 eine optische Vorrichtung mit zwei in einem Strahlengang hintereinander positionierten Linsen, die jeweils ein diffraktives optisches Element ausbilden. Die dort beschriebene optische Eigenschaft der Anordnung kann auch bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt sein.
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Herkömmlich weisen solche optische Vorrichtungen einen am Außenumfang wenigstens einer Linse angreifenden Elektromotor auf, mit welchem die Linse verdreht werden kann. Der Elektromotor beziehungsweise der elektromotorische Antrieb erfordert einen entsprechenden Bauraum am Außenumfang der Linse und der Antrieb leitet einseitig auch in Radialrichtung zur Drehachse wirkende Kräfte in die Linse ein, die von einer entsprechenden Lagerung aufgenommen werden müssen. Die Lagerung muss dabei derart positionsbeständig und stabil ausgeführt sein, dass eine exzentrische Ausrichtung der Linse in jedem Betriebszustand vermieden wird, um Abbildungs- oder Fokussierfehler der optischen Vorrichtung zu vermeiden. Bei zum Teil äußerst hohen Anforderungen an die Konzentrizität der Linsen im Mikrometerbereich ist dies in der Praxis nur schwer zu erreichen.
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Beispiele für einen am Außenumfang einer Linse angreifenden Antrieb sind in
US 2003/0179804 A1 und
EP 3 026 479 A1 offenbart.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrichtung der eingangs dargestellten Art derart zu verbessern, dass ein bauraumreduzierter Aufbau und eine äußerst exakte Lagerung erreicht werden kann.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Zoomobjektiv mit einer entsprechenden optischen Vorrichtung angegeben.
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Eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung umfasst wenigstens zwei relativ zueinander verdrehbare Linsen, sowie einen ersten Linsenträger, der wenigstens eine erste der Linsen drehbar um eine Drehachse trägt. Die Linse kann dabei konzentrisch auf der Drehachse positioniert sein, sodass sie über der Drehachse, die dann mit der Mittelpunktsachse der Linse zusammenfällt, rotiert oder sie kann exzentrisch zur Drehachse positioniert sein, das heißt mit ihrer Mittelpunktsachse exzentrisch parallel oder schräg zur Drehachse, um insgesamt exzentrisch um die Drehachse umzulaufen. Im erstgenannten Fall ist beispielsweise eine kontinuierliche Verstellung der optischen Eigenschaften der optischen Vorrichtung möglich. Im zweitgenannten Fall erfolgt zum Beispiel eine Verstellung in Stufen, indem die erste Linse mehr oder weniger in Überdeckung mit der zweiten Linse in einen Strahlengang gebracht wird. Jedoch ist in beiden Fällen grundsätzlich eine kontinuierliche oder stufenförmige Verstellung der optischen Eigenschaften der Vorrichtung möglich.
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Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung weist ferner einen zweiten Linsenträger auf, der wenigstens eine zweite der Linsen in Richtung der Drehachse neben der ersten Linse trägt. Die zweite Linse ist insbesondere stationär. Auch die zweite Linse kann konzentrisch zur Drehachse oder exzentrisch zur Drehachse positioniert sein. Die Linsen weisen einen konstanten axialen Abstand, das heißt Abstand in Richtung der Drehachse, zueinander auf, und es ist eine Antriebseinheit vorgesehen, die eingerichtet ist, den ersten Linsenträger rotatorisch anzutreiben. Die Antriebseinheit kann beispielsweise als ein Gleichstrommotor, insbesondere als ein bürstenloser Gleichstrommotor, als ein Schrittmotor, als ein Piezomotor, beispielsweise als ein Wanderwellenmotor und/oder als ein Ultraschallmotor, und/oder als eine andere Antriebseinheit, welche zu einer Erzeugung einer Drehbewegung geeignet ist, ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß sind der erste Linsenträger und der zweite Linsenträger zumindest im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und sich einander in der Radialrichtung umschließend konzentrisch zu der Drehachse positioniert, wobei der erste Linsenträger um die Drehachse drehbar an dem zweiten Linsenträger gelagert ist.
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Der erste Linsenträger kann auch als Rotor bezeichnet werden und der zweite Linsenträger kann insbesondere als Stator bezeichnet werden. Der erste Linsenträger kann einen ersten Lagerring ausbilden und der zweite Linsenträger kann einen zweiten Lagerring ausbilden, derart, dass die Lagerringe Bestandteil einer Wälzlagerung oder einer Gleitlagerung sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen der erste Lagerring und der zweite Lagerring beziehungsweise allgemein der erste Linsenträger und der zweite Linsenträger gemeinsam wenigstens eine erste elektrische Spule und Permanentmagneten oder wenigstens zwei elektrische Spulen und bilden miteinander einen Elektromotor aus. Der Stator, das heißt der zweite Linsenträger, der die zweite Linse trägt, ist demnach zugleich der Stator des Elektromotors und der Rotor beziehungsweise der erste Linsenträger, der die erste Linse trägt, ist demnach zugleich der Rotor des Elektromotors.
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Durch die Erfindung ist eine besonders exakte, insbesondere koaxiale Anordnung aller Bauteile wie erster Linsenträger (insbesondere Rotor), zweiter Linsenträger (insbesondere Stator) und Linsen über einer gemeinsamen Drehachse möglich, was unerwünschte einseitige in Radialrichtung wirkende Antriebskräfte minimiert oder ausschließt. Bevorzugt kann auf jegliche radial einseitige Einleitung von Antriebskraft verzichtet werden. Zugleich ist der erfindungsgemäße Aufbau äußerst kompakt und kann leicht gegen Umwelteinflüsse geschützt, insbesondere abgedichtet werden.
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Der erste und/oder der zweite Linsenträger, insbesondere in Form des ersten und/oder zweiten Lagerringes kann/können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein.
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Bevorzugt bilden die erste Linse und die zweite Linse jeweils ein diffraktives optisches Element (DOE) aus. Diese diffraktiven optischen Elemente können strukturiert und/oder stufenförmig sein und insbesondere gemeinsam der optischen Vorrichtung kontinuierlich veränderbare optische Eigenschaften verleihen. Beispielsweise bildet die optische Vorrichtung ein Zoomobjektiv mit kontinuierlich veränderbarer Brennweite aus. Ein solches Zoomobjektiv ist aufgrund seiner kompakten Bauform beispielsweise als Zoomobjektiv einer in ein Smartphone integrierten Kamera verwendbar.
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Beispielsweise weist der radial innerer der beiden Linsenträger, insbesondere der innere Lagerring, einen Innendurchmesser von 1,5 bis 15 mm auf, insbesondere von 2,5 bis 10 mm. Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann eine sehr exakte Konzentrität der beiden Linsen erreicht werden, beispielsweise mit einer Abweichung von weniger als 10 µm oder bis zu einem 1 µm. Die Lagerung der Linsen kann nahezu oder vollständig spielfrei erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Linse stirnseitig an einem ersten axialen Ende an dem ersten Linsenträger angeschlossen und die zweite Linse ist stirnseitig an einem ersten axialen Ende an dem zweiten Linsenträger angeschlossen. Die beiden ersten axialen Enden der Linsenträger können in derselben Richtung ausgerichtet sein, jedoch auch, je nach Ausführungsform, in entgegengesetzter axialer Richtung.
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Bevorzugt steht der radial äußere der beiden Linsenträger mit seinem ersten axialen Ende in Richtung der Drehachse über den radial inneren der beiden Linsenträger über und die beiden Linsen sind derart an den sich entsprechenden Stirnseiten der Linsenträger angeschlossen, das heißt an den in derselben Axialrichtung ausgerichteten Stirnseiten, dass die am radial äußeren Linsenträger angeschlossene Linse die am radial inneren Linsenträger angeschlossene Linse unter Bildung eines Axialspaltes stirnseitig abdeckt. Die beiden Linsen sind demnach unmittelbar nebeneinander positioniert und der Axialspalt beträgt beispielsweise ein Fünfzigstel oder ein Hundertstel der axialen Länge der beiden Linsenträger, insbesondere des vergleichsweise kürzeren der beiden Linsenträger.
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Bevorzugt weist der radial äußere der beiden Linsenträger an einem zweiten axialen Ende, das dem ersten axialen Ende abgewandt ist, ein transparentes Schutzelement auf, das zusammen mit der Linse an dem ersten axialen Ende einen Innenraum radial innerhalb des radial äußeren Linsenträgers abschließt. Der radial innere der beiden Linsenträger ist vollständig innerhalb dieses Innenraumes aufgenommen.
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Der Innenraum kann beispielsweise gegenüber der Umgebung abgedichtet sein und insbesondere evakuiert oder mit einem Schutzgas, insbesondere einem Inertgas oder Edelgas, gefüllt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Linsenträger radial innerhalb des zweiten Linsenträgers positioniert. Insbesondere ist der erste Linsenträger drehbar in dem zweiter Linsenträger gelagert. Der erste Linsenträger bildet demnach einen Lagerinnenring und der zweite Linsenträger einen Lageraußenring aus.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Linsenträger radial außerhalb des zweiten Linsenträgers positioniert. Insbesondere ist der erste Linsenträger drehbar auf dem zweiter Linsenträger gelagert. Der erste Linsenträger bildet demnach einen Lageraußenring und der zweite Linsenträger einen Lagerinnenring aus.
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Bevorzugt ist zwischen dem ersten Linsenträger und dem zweiten Linsenträger ein Radialspalt vorgesehen, in welchen eine Vielzahl von Wälzkörpern eingebracht ist. Die Wälzkörper sind in Umfangsrichtung über der Drehachse hintereinander positioniert und wälzen auf dem ersten Linsenträger und dem zweiten Linsenträger ab. In diesem Fall bilden die Linsenträger die genannten Lagerringe aus. Die Wälzkörper können in der Umfangsrichtung mit Abstand zueinander positioniert sein oder aneinander anliegend. Die Wälzkörper können durch Käfige gehalten werden oder das Wälzlager kann käfigfrei ausgeführt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt oder weisen eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Beispielsweise können die Wälzkörper aus Keramik hergestellt sein oder eine Keramikbeschichtung aufweisen.
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Bevorzugt sind wenigstens zwei Wälzkörperreihen vorgesehen, von denen jeweils eine im Bereich jedes axialen Endes des ersten und des zweiten Linsenträgers positioniert ist. Die elektrische Spule und/oder die Permanentmagneten wenigstens eines der beiden Linsenträger kann/können dann in Richtung der Drehachse in einem Axialbereich zwischen den beiden Wälzkörperreihen positioniert sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der erste Linsenträger eine elektrische Spule (elektrische Wicklung, insbesondere Kurzschlusswicklung) auf und der zweite Linsenträger weist einen Eisenkern mit einer elektrischen Spule (elektrischen Wicklung) auf.
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Die Bauart des Elektromotors, den die beiden Linsenträger miteinander ausbilden, kann je nach Anwendungsbereich der optischen Vorrichtung ausgewählt werden. Beispielsweise bilden der erste Linsenträger und der zweite Linsenträger gemeinsam einen Asynchronmotor aus.
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Die beiden Linsen können mit ihren Flächen oder Mittelebenen parallel beziehungsweise äquidistant zueinander positioniert sein, jedoch auch mit einem Winkel zueinander.
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Die beiden Linsenträger können durch den ausgebildeten Elektromotor in einzelnen Schritten oder kontinuierlich gegeneinander verdreht werden. Beispielsweise kann die Drehgeschwindigkeit mit einer Pulsfrequenz eines durch die Linsen geleiteten Lichtstrahls, insbesondere Laserstrahls, abgestimmt sein.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung mit zwei konzentrisch zueinander positionierten Linsen;
- 2 ein Ausführungsbeispiel ähnlich der 1, jedoch mit einem Außenläufer anstelle eines Innenläufers.
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In der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäß ausgeführte optische Vorrichtung dargestellt, mit einer ersten Linse 1, die stirnseitig an einem ersten axialen Ende 6.1 eines ersten Linsenträgers 6 angeschlossen ist, und einer zweiten Linse 2, die stirnseitig an einem ersten axialen Ende 7.1 eines zweiten Linsenträgers 7 angeschlossen ist. Der erste Linsenträger 6 bildet einen Lagerinnenring und der zweite Linsenträger 7 bildet einen Lageraußenring, wobei in einem Radialspalt 11 zwischen den beiden Linsenträgern 6, 7 eine Vielzahl von Wälzkörpern 12, hier in zwei Wälzkörperreihen 13, positioniert ist.
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Der erste Linsenträger 6 ist Bestandteil eines Rotors 3, der über der Drehachse 4 rotierbar ist. Der zweite Linsenträger 7 hingegen ist Bestandteil eines Stators 5, der stationär ist.
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Der Rotor 3 wird elektromotorisch angetrieben. Hierfür bilden der erste Linsenträger 6 und der zweite Linsenträger 7 gemeinsam einen Elektromotor aus, mit einer ersten elektrischen Spule 8 am oder im ersten Linsenträger 6 und einer zweiten elektrischen Spule 9, hier mit Eisenkern, am oder im zweiten Linsenträger 7. Grundsätzlich kommt jedoch jede Bauart von Elektromotor in Betracht, den die beiden Linsenträger 6, 7 gemeinsam miteinander ausbilden.
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Am zweiten axialen Ende 7.2 ist der zweite Linsenträger 7 durch ein transparentes Schutzelement 15 verschlossen. Das zweite axiale Ende 6.2 des ersten Linsenträgers 6 hingegen ist unverschlossen. Alternativ oder zusätzlich zum transparenten Schutzelement 15 am zweiten Linsenträger 7 könnte jedoch auch hier ein transparentes Schutzelement vorgesehen sein.
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Aufgrund des Abschlusses des Innenraumes 14 des zweiten Linsenträgers 7 durch die Linse 2 und das transparente Schutzelement 15 an den beiden axialen Enden 7.1, 7.2 des zweiten Linsenträgers 7 wird die Lagerung und auch der Strahlweg des durch die optische Vorrichtung geleiteten Lichtstrahls 16 vor Verunreinigungen und Fremdpartikeln geschützt. Der Innenraum 14 kann beispielsweise gegenüber der Umgebung luftdicht abgedichtet sein.
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Der Lichtstrahl 16 tritt im gezeigten Ausführungsbeispiel durch das transparente Schutzelement 15, das insbesondere den Lichtstrahl 16 nicht bricht oder fokussiert, weil es ohne optische Funktion ausgeführt ist, in die optische Vorrichtung ein, durchtritt zunächst die erste Linse 1 und anschließend die zweite Linse 2, die der ersten Linse 1 mit einem kleinen Axialspalt 10 stirnseitig gegenübersteht, und verlässt über die zweite Linse 2 die optische Vorrichtung. Durch Verdrehen der beiden Linsen 1, 2 relativ zueinander, kann der Lichtstrahl 16 mehr oder minder fokussiert werden. Auch könnten andere Eigenschaften des Lichtstrahls 16 durch die Verdrehung der ersten Linse 1 gegenüber der zweiten Linse 2 verändert werden. Alternativ kann das transparente Schutzelement 15 auch mit optischen Eigenschaften ausgestattet sein, um beispielsweise den Lichtstrahl 16 vor einem Eintritt in das eigentliche optische System zu bündeln.
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Dadurch, dass gemäß dem Ausführungsbeispiel in der 1 der erste Linsenträger 6 zusammen mit der ersten Linse 1 vollständig innerhalb des Innenraumes 14 des zweiten Linsenträgers 7 gelagert ist, ist die Abdichtung der optischen Vorrichtung gegenüber der Umgebung besonders leicht möglich und der notwendige Bauraum ist gering.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativ ausgebildeten optischen Vorrichtung. Der erste Linsenträger 6, der stirnseitig die erste Linse 1 trägt, ist radial außerhalb des zweiten Linsenträgers 7, der stirnseitig die Linse 2 trägt, positioniert. Die beiden Linsenträger 6, 7 bilden wieder miteinander einen Radialspalt 11 aus, in dem entsprechend der Ausführungsform gemäß der 1 Wälzkörper 12 in zwei Wälzkörperreihen 13 positioniert sind.
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Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel trägt der Stator 5 die elektrische Spule 9 nicht unmittelbar auf dem zweiten Linsenträger 7, sondern es ist eine vom zweiten Linsenträger 7 radial nach außen geführte Verlängerung 17 vorgesehen, welche die elektrische Spule 9 trägt, die somit wiederum radial außerhalb der elektrischen Spule 8 des ersten Linsenträgers 6 positioniert ist. Diese Ausführungsform bietet mehr Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Antriebseinheit, da sich diese radial außerhalb des optischen Systems befindet. Alternativ könnte jedoch auch die elektrische Spule 9 oder entsprechende Permanentmagneten unmittelbar im oder an dem zweiten Linsenträger 7 positioniert sein.
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Durch die topfförmige Verlängerung 17 des zweiten Linsenträgers 7 kann der Innenraum 14 mit der Lagerung nicht mit einem am zweiten axialen Ende 7.2 des zweiten Linsenträgers 7 angeordneten transparenten Schutzelement entsprechend dem transparenten Schutzelement 15 in der 1 verschlossen werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist das entsprechende axiale Ende der optischen Vorrichtung offen gestaltet. Alternativ könnte jedoch der Strahlweg des durch die optische Vorrichtung geleiteten Lichtstrahls 16 durch ein entsprechendes transparentes Schutzelement am zweiten axialen Ende 7.2 des zweiten Linsenträgers 7 verschlossen sein, um den Strahlengang vor Verunreinigungen und Fremdpartikeln zu schützen.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß der 2 durchtritt der Lichtstrahl 16 zunächst die zweite Linse 2, dann den Axialspalt 10 und schließlich die erste Linse 1. Im Übrigen gilt das zur 1 Gesagte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linse
- 2
- Linse
- 3
- Rotor
- 4
- Drehachse
- 5
- Stator
- 6
- erster Linsenträger
- 6.1
- erstes axiales Ende
- 6.2
- zweites axiales Ende
- 7
- zweiter Linsenträger
- 7.1
- erstes axiales Ende
- 7.2
- zweites axiales Ende
- 8
- elektrische Spule
- 9
- elektrische Spule
- 10
- Axialspalt
- 11
- Radialspalt
- 12
- Wälzkörper
- 13
- Wälzkörperreihe
- 14
- Innenraum
- 15
- Schutzelement
- 16
- Lichtstrahl
- 17
- Verlängerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2174168 B1 [0003]
- US 2003/0179804 A1 [0005]
- EP 3026479 A1 [0005]
