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Die
Erfindung betrifft eine Polarisationsmeßeinrichtung sowie ein Verfahren
zur Bestimmung der Polarisation eines Laserstrahls. Insbesondere
ist die Erfindung geeignet, die Polarisationsebene eines linear
polarisierten Laserstrahls, der eine relativ hohe Leistung hat,
zu bestimmen. Ein solcher linear polarisierter Laserstrahl kann
beispielsweise von einem Kohlendioxidlaser erzeugt werden und hat
eine Leistung von 50 W oder größer, typischerweise
im Bereich von 100 W bis 6 kW. Die Erfindung ist auch dazu bestimmt,
die Art der Polarisation des Laserstrahls, d.h. linear oder zirkular,
zu bestimmen.
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In
vielen Anwendungen ist es notwendig, Informationen über die
Polarisation von Laserstrahlung zu erhalten. Insbesondere dann,
wenn einem Laser optische Elemente nachgeschaltet sind, deren Wirkung
abhängig
von der Polarisation des Laserstrahls ist, wie Strahlenteiler oder
Leistungssteuereinheiten, oder wenn die Polarisation des Laserstrahls
selbst kritisch für
die Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und einem zu bearbeitenden
Material ist, muß es
möglich
sein, die Polarisation eines Laserstrahls vor dessen Einsatz genau
zu bestimmen.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, die Polarisation von Laserstrahlen
kleinerer Leistung, d.h. deutlich unter 50 W, mittels um 90° drehbarer
Polarisationsfilter und einem Leistungsmeßgerät zu messen. Abhängig von
dem Drehwinkel des Polarisationsfilters und der Polarisation des
Laserstrahls ändert
sich der Anteil der von dem Polarisationsfilter hindurch gelassenen
Laserstrahlung und der absorbierten Laserstrahlung. Durch Messen
der von dem Polarisationsfilter hindurchgelassenen, oder transmittierten,
Laserleistung kann daher abhängig
von dem Drehwinkel des Polarisationsfilters eine Information über die
jeweilige Polarisationsrichtung des Laserstrahls und damit auch über die
Art der Polarisation des Laserstrahls, linear oder zirkular, erhalten werden.
Ist ein Laserstrahl zu 100% linear polarisiert, so wird das Polarisationsfilter
im Laufe seiner Drehung um 90° den
Laserstrahl von 0 bis 100% zunehmend absorbieren, so daß sich aus
dem Anteil der transmittierten Laserleistung die Polarisationsebene bestimmen
läßt. Ist
der Laserstrahl zirkular polarisiert, so wird ein Polarisationsfilter,
das für
eine bestimmte Polarisationsebene ausgelegt ist, immer ein und denselben
Anteil der Laserleistung hindurchzulassen.
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Für Laserstrahlungen
höherer
Leistung können
die bekannten Polarisationsfilter nicht zur Bestimmung der Polarisation
des Laserstrahls eingesetzt werden, weil sie durch die Absorption
der Laserleistung zerstört
würden.
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Die
DE 3215611 beschreibt eine
Vorrichtung zur Messung der Polarisation eines Laserstrahls hoher
Dauerstrichleistung. Die Vorrichtung umfaßt eine ebene, perforierte
Metallplatte geringer Dicke mit einer spiegelnden Oberfläche, die
in einen Rohr eingebracht ist. In weiteren Ausführungen kann die Metallplatte
keine Perforation aufweisen oder durch einen Gitterrost, ein schmales,
ebenes Metallband mit spiegelnder Oberfläche oder eine Reihe von Stegen
mit spiegelnder Oberfläche
ersetzt sein. Das Rohr wird in den Ausbreitungsweg des Laserstrahls
gelegt und gedreht, um die Polarisation des Laserstrahls zu ermitteln.
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Die
US 4,725,145 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Polarisation des
Lichtstrahls, bei dem ein drehbarer Photodetektor in den Ausbreitungsweg
des Lichtstrahls eingebracht wird.
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Die
JP 11101740 A (Abstract)
beschreibt eine Einrichtung zum Analysieren der Polarisation eines
Lichtstrahls, bei dem drei flache, feststehende Platten in den Ausbreitungsweg
eines Lichtstrahls eingebracht werden, wobei die Platten auf dem Brewster-Winkel
eingestellt sind. Die Art des Lichtstrahls und der Platten ist nicht
näher beschrieben.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Polarisationsmeßeinrichtung und ein Meßverfahren
zur Bestimmung der Polarisation eines Laserstrahls anzugeben, die
sich für
Laserstrahlungen höherer
Leistungen, insbesondere 50 W oder darüber, eignen. Die Polarisationsmeßeinrichtung
und das Verfahren sollen möglichst
einfach und zuverlässig
sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Polarisationsmeßeinrichtung
gemäß Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Polarisationsmeßeinrichtung
umfaßt
wenigstens ein Brewster-Element, das in den Ausbreitungsweg des
Laserstrahls eingebracht wird, eine Vorrichtung zum Drehen dieses
wenigstens einen Brewster-Elementes, eine Leistungsmeßvorrichtung
zur Erfassung der von dem Brewster-Element transmittierten oder
reflektierten Laserleistung und eine Steuereinheit zum Ableiten
der Polarisation des Laserstrahls aus der von der Leistungsmeßvorrichtung
erfaßten
Laserleistung und dem Drehwinkel des Brewster-Elementes.
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, die im Stand der Technik üblichen
Polarisationsfilter zur Messung der Polarisation eines Laserstrahls
durch eine geeignete, wellenlängenspezifische
Brewster-Platte zu ersetzen, welche den entscheidenden Vorteil hat,
daß sie
bei Drehung um einen Winkel zwischen 0 und 90° einen linear polarisierten
Laserstrahl zwischen 0 und 100% reflektiert bzw. zwischen 100 und
0% transmittiert. Der Anteil des Laserstrahls, der von der Brewster-Platte
nicht hindurchgelassen wird, wird somit nicht absorbiert, sondern
reflektiert, wodurch es möglich
ist, Laserstrahlungen mit wesentlich höheren Leistungen zu verarbeiten.
Die erfindungsgemäße Polarisationsbestimmung
kann gleichermaßen
durch Messung des reflektierten oder des transmittierten Anteils
der Laserstrahlleistung erfolgen.
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Im
Stand der Technik ist die Verwendung von Brewster-Platten zur Steuerung
der Laserstrahlenergie eines Laserstrahls grundsätzlich bekannt. Verfahren und
Vorrichtungen zur Steuerung der Laserstrahlenergie sind beispielsweise
in der
DE 101 54 363
C1 und in der WO 01/51 244 A1 derselben Anmelderin beschrieben.
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Die
WO 01/51 244 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Steuern des Pegels der Laserstrahlenergie eines Laserstrahls, der über ein Target
streicht, wobei wenigstens ein Laserstrahl-Ablenkmodul verwendet
wird und das Laserstrahl-Ablenkmodul eine motorgetriebene Ablenkeinrichtung zum
Führen
des Laserstrahls über
das Target und ein Brewster-Element
aufweist, wobei das Brewster-Element die Strahlenergie des Laserstrahls,
der über das
Target streicht, abhängig
von der Bewegung der Ablenkeinrichtung steuert. Das Brewster-Element umfaßt insbesondere
eine oder zwei Brewster-Platten, die um eine Achse drehbar sind,
welche parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist. Die eine
oder zwei Brewster-Elemente können
um einen Winkel zwischen 0° und
90° gedreht
werden, um die Transmission des Laserstrahls zwischen 0% und 100%
zu steuern. Die Drehung des Brewster-Elements wird mit der Bewegung
der Ablenkeinrichtung, welche den Laserstrahl über die zu belichtende Fläche führt, synchronisiert.
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Aus
der US-A-4,775,220 ist ferner die Verwendung eines Brewster-Fensters
bekannt, das als ein Strahlenteiler wirkt, um die Intensität eines
Laserstrahls zu messen und ein Strahlenintensitäts-Ausgangssignal an eine elektronische
Steuerung zurückzuführen. Abhängig von
dem Rückführungssignal stellt
ein Strahldämpfungsmodul
die Größe der Dämpfung des
Laserstrahls ein, so daß die
Ausgangsstrahlenergie innerhalb von etwa 5% der gewünschten
Energie gehalten wird. In dieser Druckschrift ist das Brewster-Fenster
jedoch stationär,
um immer den gleichen Teil des Laserstrahls in eine Meßeinrichtung
zu lenken. Das Brewster-Fenster wird nicht zur Bestimmung der Polarisation
des Laserstrahls verwendet, noch findet sich ein Hinweis darauf,
daß das
Brewster-Fenster für
die Messung gedreht wird.
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Im
Stand der Technik war es tatsächlich
bisher nicht möglich,
die Polarisation von Laserstrahlung höherer Leistung präzise zu
bestimmen. Dies wird erst durch die vorliegende Erfindung möglich, welche
die bekannten Polarisationsfilter durch ein oder mehrere Brewster-Platten ersetzt.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung wird eine Brewster-Platte verwendet, welche zwischen
0 und 90° um
eine Achse drehbar ist, die parallel zur Ausbreitungsrichtung des
Laserstrahls ist. In einer anderen Ausführungsform können zwei Brewster-Platten
verwendet werden, welche um dieselbe Achse zwischen 0 und 90°, oder sogar
nur zwischen 0 und 45°,
drehbar sein müssen.
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Brewster-Elementen beschränkt. Die
Brewster-Elemente sind für CO2-Laserstrahlung vorzugsweise ZnSe-Platten,
die mit einer vorgegebenen Neigung (Brewster-Winkel) zur Laserstrahlung
ausgerichtet und jeweils für
eine bestimmte Polarisationsebene (z.B. S-Polarisation oder P-Polarisation) ausgelegt
sind. Für
verschiedene Arten von Lasern können
verschiedene Materialen für
die Brewster-Platten gewählt
werden.
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In
Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls stromabwärts der Brewster-Elemente ist
die Leistungsmeßvorrichtung
angeordnet, welche den von den Brewster-Elementen transmittierten
Anteil der Laserstrahlung erfaßt.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
die Steuereinheit Mittel zum Steuern der Drehung der Brewster-Elemente
sowie Mittel zur Auswertung der von der Leistungsmeßvorrichtung erfaßten Laserleistung
abhängig
von dem Drehwinkel der Brewster-Elemente.
Diese Mittel können
insbesondere softwaregesteuert sein.
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Die
Brewster-Elemente können
beispielsweise mittels eines galvanometrischen Motors oder eines
Schrittmotors präzise
gedreht werden.
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Der
von den Brewster-Platten reflektierte Anteil des Laserstrahls wird
vorzugsweise in einer Strahlenfalle (Beam Dump) aufgefangen.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigt:
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1 ein
Beispiel eines einzelnen Brewster-Elementes zur Erläuterung
des Verhaltens eines linear polarisierten Laserstrahls, der von
dem Brewster-Element reflektiert oder hindurchgelassen wird;
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2 ein
Beispiel einer Anordnung aus zwei Brewster-Elementen, auf welche
ein linear polarisierten Laserstrahl auftrifft;
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3 eine
schematische Darstellung der Polarisationsmeßeinrichtung gemäß der Erfindung.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand des Beispiels eines CO2-Lasers dargestellt, der einen in genau
einer Richtung linear polarisierten Laserstrahl erzeugt. Der Fachmann
wird jedoch verstehen, daß die
Erfindung auch in Verbindung mit anderen Laserquellen verwendet
werden kann, die linear oder zirkular polarisierte Laserstrahlen
erzeugen.
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Die
erfindungsgemäße Meßeinrichtung
und das Verfahren nutzen vorzugsweise eine oder zwei ZnSe-Brewster-Platten,
die durch eine motorisierte Steuerung zwischen 0 und 90° um eine
Achse drehbar sind, welche parallel zur Ausbreitungsrichtung des
Laserstrahls ist. Durch Einstellen der Brewster-Platten auf den
der Laserstrahlung entsprechenden Brewster-Winkel werden diese Platten
100% der Laserstrahlenergie hindurchlassen, wenn sie mit der Polarisationsebene
des Laserstrahls ausgerichtet sind, und zunehmend bis zu 100% des
Laserstrahls reflektieren, während
sie um die Laserstrahlachse gedreht werden, wobei die folgende Formel
gilt: Transmission = K·cos4Φwobei Φ der Drehwinkel
der Brewster-Platten und K eine Konstante ist.
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1 zeigt,
wie ein Laserstrahl, der entweder in P-Pol(parallel) oder S-Pol(senkrecht)
Richtung polarisiert ist, mit einem einzelnen Brewster-Element 200 reflektiert
oder hindurchgelassen werden kann. Zum Zweck der Darstellung sind
sowohl P-Polarisation als auch S-Polarisation
in der Zeichnung dargestellt. Ein Fachmann wird jedoch verstehen,
daß in der Praxis
z.B. ein CO2-Laserstrahl im wesentlichen nur
eine Art von Polarisation (Linearpolarisation) aufweist. In 1 wird,
wenn die Eingangspolarisation P-Pol ist, der Strahl reflektiert.
Wenn die Eingangspolarisation S-Pol ist, wird der Eingangsstrahl
hindurchgelassen.
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2 zeigt
zwei zueinander ausgerichtete Brewster-Elemente 450, 452,
die es ermöglichen, daß der Ausgangsstrahl
des Lasers zum Eingangsstrahl des Lasers nicht versetzt ist, weil
das zweite Brewster-Element 452 die durch das erste Brewster-Element 450 erzeugte
Parallelverschiebung kompensiert. In der Realität und abhängig von der Beschichtung der
Brewster-Elemente 450, 452 wird
der von dem ersten Brewster-Element 450 reflektierte Teil
des P-Pol-Laserstrahls
einen sehr hohen Prozentsatz des P-Pol-Eingangsstrahls umfassen,
so daß nur
noch ein sehr kleiner Prozentsatz von dem zweiten Brewster-Element 452 reflektiert
werden muß.
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3 zeigt
schematisch eine Polarisationsmeßeinrichtung gemäß der Erfindung,
welche die Polarisation eines Laserstrahls 10, der von
einem Laser 12, beispielsweise einem CO2-Laser
ausgegeben wird, erfaßt.
Die Polarisationsmeßeinrichtung
umfaßt bei
der gezeigten Ausführungsform
eine Brewster-Platte 14, die um einen Winkel zwischen 0
und 90° um
eine Achse drehbar ist, welche parallel zur Ausbreitungsrichtung
des Laserstrahls 10 ist. Die Brewster-Platte 14 ist mit einem Motor 16 zum
Drehen der Brewster-Platte gekoppelt. Der von der Brewster-Platte 14 transmittierte
Laserstrahl 10' wird von
einer Leistungsmeßvorrichtung 18 erfaßt. Die Leistungsmeßvorrichtung 18 und
der Motor 16 werden über
eine Steuereinheit 20 angesteuert, wobei die Steuereinheit 20 auch
die Auswertung der Meßsignale
durchführt.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
sendet der Laser 12 einen linear parallel polarisierten (P-Pol)-Laserstrahl 10 aus.
Dieser trifft auf die Brewster-Platte 14, welche auf den
für den
CO2-Laserstrahl relevanten Brewster-Winkel
eingestellt ist und bei Drehung um 90° zwischen 0 und 100% der P-Polarisation
hindurchläßt.
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Für verschiedene
Arten von Lasern können verschiedene
Materialien für
die Brewster-Elemente gewählt werden.
Verschiedene Beschichtungen können
auf den Flächen
der Brewster-Elemente aufgebracht werden, welche die maximale und
minimale Transmission, die Ausgangspolarisation und die erforderliche
Drehung der Brewster-Elemente zum Steuern der Transmission verändern können. In
der Praxis beträgt
die maximale Transmission eines Brewster-Elements der oben beschriebenen
Art "nur" 99,98%. Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung kann jedoch eine maximale Transmission
von 100% angenommen werden. Wenn höhere Genauigkeiten erforderlich
sind, kann die Restabsorption des „geöffneten" Brewster-Elementes mit berücksichtigt
werden.
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Die
Leistungsmeßvorrichtung 18 erfaßt den von
der Brewster-Platte 14 transmittierten Teil 10' der Laserstrahlenergie
und gibt ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 20 aus.
Da die Steuereinheit 20 den Motor 16 zum Drehen
der Brewster-Platte 14 ansteuert, kennt sie zu jeder Zeit
den genauen Rotationswinkel der Brewster-Platte 14 und
kann diesen in Verbindung mit der erfaßten Laserstrahlenergie auswerten.
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Wird
beispielsweise das Maximum der Laserleistung erfaßt, so kann
die Steuereinheit 20 dem Laserstrahl 10 anhand
des bekannten Rotationswinkels der Brewster-Platte 14 die
genaue Polarisationsebene zuordnen. Referenzmessungen können bei weiteren,
bekannten Rotationswinkeln der Brewster-Platte 14 vorgenommen
werden.
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Sofern
sich bei Drehung der Brewster-Platte 14 zwischen 0 und
90° die
transmittierte Laserleistung nicht zwischen 0 und 100% ändert, sondern konstant
bleibt oder sich innerhalb nur eines Teilbereichs ändert, erkennt
die Steuereinheit, daß der
Laserstrahl 10 ganz oder teilweise zirkular polarisiert
ist.
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Der
von der Brewster-Platte 14 nicht transmittierten Anteil 10' des Laserstrahls 10 wird
in eine in der Figur nicht dargestellte Strahlenfalle reflektiert. Vorzugsweise
sind die Brewster-Platte 14 und
die Strahlenfalle über
eine Kühlvorrichtung
gekühlt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
läßt sich
somit die Polarisation eines Laserstrahls ermitteln und Polarisationsänderungen
im Laserlicht detektieren. Dadurch kann die Qualität herkömmlicher Laser
deutlich verbessert werden, weil deren Polarisationsart (linear,
zirkular, gemischt linear und zirkular) und Polarisationsebene präzise bestimmt
werden können.
Nachgeschaltete optische Elemente, wie Strahlenteiler, können korrekt
angeordnet und ausgerichtet werden, und der Wirkungsgrad der Wechselwirkung
zwischen dem polarisierten Licht und nachgeschalteten polarisationsempfindlichen
Materialien kann optimiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Polarisationsmeßeinrichtung
wurde von der Anmelderin bereits erfolgreich getestet. In einem
Anwendungsbeispiel wurde ein herkömmlicher Laser in Verbindung
mit einer Leistungssteuereinrichtung eingesetzt, wie sie beispielsweise
in den oben beschriebenen Dokumenten WO 01/51 244 und
DE 101 54 363 C1 derselben
Anmelderin beschrieben sind. Es wurde ein deutlich reduzierten Wirkungsgrad
der Leistungssteuereinrichtung im Vergleich zu anderen, baugleichen
Leistungssteuereinrichtungen festgestellt. In der „geöffneten
Position" des Brewster-Elementes,
in welcher 100% der Laserleistung transmittiert werden sollte, trat
ein auffällig
hoher Energieverlust auf, während
in der „geschlossenen
Position", in der
keine Laserstrahlleistung hindurchgelassen werden sollte, ein nicht
akzeptabel hoher Anteil der Laserstrahlenergie transmittiert wurde.
Ferner wurde festgestellt, daß ein
50:50-Strahlenteiler
den Laserstrahl tatsächlich
in einem Verhältnis
von 55:45 aufteilte. Da die beschriebene Leistungssteuereinheit
mit einem CO
2-Laser arbeitete, war es nicht
möglich,
den verwendeten Laser mit einer herkömmlichen Polarisationsmeßeinrichtung
zu überprüfen. Die
Anmelderin hat daher zur Überprüfung des
Lasers das erfindungsgemäße System
entwickelt, und Messungen mit der drehbaren Brewster-Platte
14 haben
tatsächlich
ergeben, daß die
Polarisationsebene des Lasers um 2,5° von der Senkrechten und damit
von der vom Hersteller spezifizierten Polarisationsebene abwich.
Durch eine entsprechende Drehung des Lasers konnte die nachgeschaltete
Lasersteuereinheit mit ihren vorbestimmten Spezifikationen arbeiten.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.