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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur optischen Erfassung der Oberflächengestalt
eines Körpers.
Derartige Vorrichtungen werden im allgemeinen in speziellen Verfahren
dazu eingesetzt, die Grob- und Feingestalt von ebenen, gekrümmten und
unterbrochenen Oberflächen
zu bestimmen. Das Ergebnis derartiger Messungen ist die Wiedergabe
der dreidimensionalen Form der Oberfläche eines Körpers.
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Die Anwendungsgebiete derartiger
Vorrichtungen und Verfahren liegen unter anderem im Maschinen- und
Anlagenbau, in der Medizin, beispielsweise der Prothetik und der
Chirurgie.
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Die bekannten Verfahren Kohärenz-Radar-Verfahren
weisen bei der Messung feinstrukturierter Oberflächen den Nachteil einer geringen
Objektfeldgröße bzw.
einer geringen Höhenmeßgenauigkeit
im Bereich von nur 1 μm
auf.
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Bei der Oberflächenerfassung mittels der Moiré-Technik
besteht das Problem, daß aufgrund sich ändernder
oder nicht definierter Reflexionseigenschaften der zu vermessenden
Oberfläche
eine an sich als konstant angenommene effektive Wellenlänge sich
im Bereich der Änderung
des Reflexionsvermögens
der Oberfläche
sprunghaft ändern
kann, was zu einer dementsprechenden Beeinträchtigung des Meßergebnisses
führt.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
44 13 758 ist ein Schräglicht-Interferenzmikroskopie-Verfahren
mit ausgehenden Lichtquellen bekannt. Mittels dieser Vorgehensweise
ist die Messung von Oberflächen
mit einem Oberflächenrauhigkeitswert Ra
bis zu 0,5 μm
in einem Objektfeld von bis zu 10 mm Durchmesser möglich. Größere Profile
oder Profile auf gekrümmten
Oberflächen
können
jedoch aufgrund der geringen Schärfentiefe
des Verfahrens nicht vermessen werden.
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Aus der
US 4,564,295 eine Vorrichtung zur optischen
Erfassung der Oberflächengestalt
eines Körpers
bekannt, welche umfaßt:
wenigstens eine Lichtquelle, ein der wenigstens einen Lichtquelle
zugeordnetes Objektiv zum Erzeugen eines Lichtbündels, wenigstens ein im Strahlengang
des Lichtbündels
auf das Objektiv folgend angeordnetes Gitter, ein erstes Abbildungssystem
zum Abbilden des Gitters auf eine Meßebene, wobei der Körper im
Bereich der Meßebene
derart positioniert werden kann, daß eine Oberfläche des
Körpers
wenigstens bereichsweise in der Meßebene liegt und/oder diese
schneidet, einem zweiten Abbildungssystem zum Empfang des von dem
Körper
reflektierten oder gestreuten Lichts und zum Erzeugen eines Bildes
und einer Bildaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des von dem zweiten
Abbildungssystem erzeugten Bildes. Die zuvor beschriebenen Nachteile
treten hier ebenfalls auf.
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Gemäß einer weiteren Veröffentlichung
in „Spektrum
der Wissenschaft" 10/1994
von J.W. Lichtmann „Konfokale
Mikroskopie ist ein Verfahren zur optischen Erfassung der Oberflächengestalt
eines Körpers
vor längerer
Zeit bekannt geworden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
umfaßt:
- a) Richten eines Lichtbündels von wenigstens einer
Lichtquelle auf wenigstens ein Gitter,
- b) Abbilden des Gitters auf eine Meßebene,
- c) Positionieren eines Körpers
im Bereich der Meßebene
derart, daß eine
Oberfläche
des Körpers wenigstens
bereichsweise in der Meßebene
liegt und/oder diese schneidet,
- d) Abbilden der Oberfläche
mittels von dieser reflektierten oder gestreuten Lichts auf das
wenigstens eine Gitter,
- e) Aufnehmen wenigstens eines Teils des von der Oberfläche auf
das wenigstens eine Gitter reflektierten oder gestreuten Lichts
mittels einer Bildaufnahmeeinrichtung und
- f) Erzeugen eines Aufnahmeintensitätswertes von wenigstens einem
Bildpunkt der Oberfläche.
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Diese Lösung hat jedoch den Nachteil,
daß sie
die abzubildenden Objekte nur auf sehr großen Bildschirmen mit nicht
ausreichender Schärfe
abbilden kann oder das eine Abbildung auf fotographischer Basis
als Zwischenstufe notwendig ist, wobei auch diese Ergenisse als
unbefriedigend aus heutiger Sicht anzusehen sind.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung zu entwikkeln, mit deren Hilfe die Genauigkeit
der Messung sowohl bei einer Feinstruktur- als auch bei einer Grobstrukturertassung deutlich
erhöht
werden soll. Insbesondere soll dazu bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine
Beeinträchtigung
von Meßergebnissen
durch unterschiedliche Reflexionsverhalten an unterschiedlichen
Oberflächenbereichen
vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit
Bezug auf die beiliegende Figur anhand einer bevorzugten Ausführungsform
detailliert beschrieben. Die Figur zeigt den schematischen Aufbau
und den Strahlengang bei einer Vorrichtung zur optischen Erfassung
der Oberflächengestalt
eines Körpers
unter Einbeziehung der erfindungsgemäßen Lösungen.
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In der Figur ist eine allgemein mit
10 bezeichnete Vorrichtung unter Einbeziehung der vorliegenden Erfindung
dargestellt.
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Die Vorrichtung 10 umfaßt eine
Lichtquelle 12, welche monochromatisches, quasi-monochromatisches
oder weißes
Licht abgibt. Das durch die Lichtquelle 12 emittierte Licht
tritt durch eine Blende 14 hindurch, so daß Strahlen
S auf ein Beleuchtungsobjektiv 16 auftreffen. Das Beleuchtungsobjektiv 16 kollimiert
die Lichtstrahlen S zu einem Lichtbündel B mit, wie in der Figur
erkennbar, im wesentlichen parallelen Lichtstrahlen. In Strahlrichtung
auf das Beleuchtungsobjektiv 16 folgend ist ein später beschriebener Strahlteiler 18 angeordnet.
Das durch das Beleuchtungsobjektiv 16 erzeugte Lichtbündel B geht
durch den Strahlteiler 18 hindurch und trifft unter einem Winkel α auf ein
Gitter 19. Das Gitter 19 ist in einer Brennebene
F1 eines ersten Objektivs 20 eines ersten Abbildungssystems 22 angeordnet.
Die durch das Gitter 19 hindurchgehenden Lichtstrahlen
des Lichtbündels
B werden durch das Objektiv 20 in eine konjungierte Brennebene
F2 desselben fokussiert. Diese konjungierte Brennebene F2 stimmt
mit der Brennebene eines zweiten Objektivs 24 des ersten Abbildungssystems 22 überein.
Durch das zweite Objektiv 24 werden die Lichtstrahlen S
des Bündels B,
wie in der Figur erkennbar, wieder näherungsweise parallel gerichtet.
Diese Lichtstrahlen treffen unter einem Winkel β auf eine Oberfläche O eines
Körpers 26 auf.
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Der Körper 26 ist, wie nachfolgend
beschrieben, auf einem Verschiebetischmechanismus 28 angebracht
und ist in einer Richtung R in Richtung auf das Gitter 19 und
vom Gitter 19 weg verschiebbar.
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Die von der Oberfläche O ebenfalls
unter dem Winkel β reflektierten
oder gestreuten Strahlen S' werden
durch das zweite Objektiv 24 des ersten Abbildungssystems 22 wieder
in die Brennebene F2 fokussiert und werden durch das erste Objektiv 20 des
ersten Abbildungssystems 22 wiederum auf das Gitter 19 gerichtet.
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Die auf das Gitter 19 projizierten
und durch dieses hindurchtretenden Lichtstrahlen treffen auf den
Strahlteiler 18, werden von diesem reflektiert und treffen
auf ein erstes Objektiv 30 eines zweiten Abbildungssystems 32.
Durch das erste Objektiv 30 werden die vom Strahlteiler 18 reflektierten
Lichtstrahlen in einer Brennebene F4 fokussiert,
welche mit einer Brennebene eines zweiten Objektivs 34 des
zweiten Abbildungssystems 32 übereinstimmt. Durch das zweite
Objektiv 34 werden die Lichtstrahlen auf eine Bildaufnahmevorrichtung
in der Form einer CCD-Kamera 36 mit einer Vielzahl an Bildaufnahmesequenten
oder Pixel 38 gerichtet.
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Die CCD-Kamera 36 und der
Hubtischmechanismus 28 stehen über jeweilige Signalleitungen 40, 42 mit
einer Steuereinrichtung, z.B. einem Computer 44 oder dergleichen
zur Steuerung des Meßvorgangs
und zur Signalauswertung in Verbindung.
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Das bei der Vorrichtung 10 verwendete
Gitter ist ein Gitter mit statistischer Verteilung von Gitterlinien
oder Gitterpunkten in der Form einer Specklestruktur. Ferner ist
es vorteilhaft, wenn das Gitter 19 sich in der Gitterebene,
d.h. der Brennebene F1 bewegt. Dies kann
beispielsweise durch eine Linearverschiebung oder durch eine Drehbewegung
eines Gitters mit erhalten werden.
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Zur Bestimmung der Oberflächenstrukturierung
des Körpers 26 wird,
wie folgend beschrieben, das durch die Lichtstrahlen S gebildete
Lichtbündel
B auf die Oberfläche
O gerichtet, so dass auf der Oberfläche O ein Bild des Gitters 19 abgebildet
wird. Dieses Bild des Gitters wird von der Oberfläche O wiederum
reflektiert oder gestreut und wird mittels des ersten Abbil dungssystems 22 wieder
auf das Gitter 19 zurück
abgebildet. Bei all denjenigen Punkten an der Oberfläche O des
Körpers 26,
welche in der Brennebe F3, welche eine Meßebene bildet,
liegen, werden einzelne Durchlaßbereiche
des Gitters 19 wieder auf sich selbst abgebildet. Diese
wieder auf sich selbst abgebildeten Durchlaßbereiche haben zur Folge,
daß die
entsprechenden Lichtstrahlen durch das Gitter hindurchgehen und
auf den Strahlteiler 18 auftreffen, was zu einer dementsprechenden
Bilderzeugung auf der CCD-Kamera 36 führt. Wird nun mittels des Hubtischmechanismus 28 der
Körper 26 in Richtung
R auf das Gitter 19 zu bzw. von diesem weg bewegt, so verschiebt
sich auch die Relativlage eines bestimmten Oberflächenpunkts
bezüglich
der Brennebene F3. Da jedoch nur dann, wenn
ein entsprechender Oberflächenpunkt
in der Brennebene F3 liegt, eine scharfe
Abbildung von Durchlaßbereichen des
Gitters 19 auf sich selbst erzeugt wird, wird bei derartiger
Positionierung ein Intensitätsmaximum
für diesen
Bildpunkt im entsprechenden Pixel oder den entsprechenden Pixels
der CCD-Kamera 36 erzeugt. Verschiebt sich ein Oberflächenpunkt
von der Brennebene F3 weg, so nimmt der
zugeordnete Intensitätswert,
welcher durch die CCD-Kamera 36 erzeugt wird, ebenfalls
ab. D.h. bei Verschiebung in Richtung R läßt sich ein Intensitätsverlauf
für verschiedene Punkte
an der Oberfläche
O des Körpers 26 erzeugen,
welcher dann maximal ist, wenn der Oberflächenpunkt in der Meßebene bzw.
Brennebene F3 liegt.
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Der sich in Abhängigkeit von der Verschiebung
in Richtung R ergebende Mittelmaximumswert gibt ein Maß für den Abstand
eines Punkts an der Oberfläche
von der Meßebene
bzw. Brennebene F3.
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Durch das Zusammenführen verschiedener Werte
der Verschiebung in Richtung R und die sich dabei ergebenden Intensitätswerte
mittels des Computers 44 läßt sich somit ein Höhenprofil
der Oberfläche
O gewinnen, bei dem die Relativlage jedes Oberflächenpunktes bezüglich der
Meßebene
F3 durch das jeweilige Intensitätsverlaufsmaximums
für jeden Oberflächenpunkt
gegeben ist und somit unabhängig von
unmittelbar benachbarten oder anderen Oberflächenpunkten ist. D.h. mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren können Einpunktstrukturen
gemessen werden.
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Wie bereits vorangehend beschrieben,
wird das Gitter 19 in der Gitterebene, d.h. der Brennebene F1 bewegt. Dies führt dazu, daß das im
Zuge dieser Bewegung auf der Oberfläche O alle Bereiche abgetastet
werden und keine beispielsweise durch ein statisch ruhendes Gitter
erzeugten Abschattungsbereiche vorhanden sind, in denen keine Messung
stattfindet. Dies führt
dazu, daß auch
Oberflächenstrukturen mit
Strukturgrößen unterhalb
der Linienbreite eines Gitters noch erfaßt werden können. Bewegt sich dabei das
Gitter mit statistischer Verteilung im Vergleich zur Integrationszeit
der CCD-Kamera relativ schnell, so ergibt sich für das sogenannte dominate Mittenmaximum
ein an eine Gauß-Kurve
angenäherter
Signalverlauf. Die Mittenlage dieses gaußartigen Profils läßt sich
mit einem Fit, beispielsweise einem Parabel-Fit, sehr genau bestimmen.
Der Vorteil eines Gitters mit statistischer Verteilung ist, daß gegenüber Liniengittern
eine Mehrdeutigkeit vermieden werden kann, welche sich bei der einhüllenden
Modulationsfunktion mit einer hinsichtlich der Wellenlänge zu großen Breite
in einem periodischen Signal ergeben kann.
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Wie in der Figur erkennbar, ist die
Lichtquelle 12 mit dem Beleuchtungsobjektiv 3 derart
angeordnet, daß das
Lichtbündel
B unter dem Winkel α auf das
Gitter 19 auftrifft. Der Winkel α liegt dabei vorteilhafterweise
im Bereich von ca. 18°.
Durch eine derartige Anordnung kann die Höhenempfindlichkeit der Vorrichtung 10 verbessert
werden, da zum Erhalt einer verbesser ten Höhenempfindlichkeit eine hohe Apertur
der Abbildungsstufe vorzusehen ist. Je größer der Winkel α, desto größer ist
auch der Winkel β, unter
welchem die Strahlen auf die Oberfläche O auftreffen und von dieser
zur Rückabbildung
auf das Gitter 19 reflektiert oder gestreut werden. Dies
hat wiederum zur Folge, daß das
sich bei Verschiebung in der Richtung R beim Durchlauf der Meßebene F3 ergebende Intensitätssignal eine schmale Spitze
mit dementsprechend erhöhter
Erfassungsgenauigkeit aufweist. Im Falle eines Aperturwinkels von
nahe Null bzw. einem Winkel zwischen dem beleuchtenden und abbildenden
Lichtbündel
von nahe oder gleich Null wird der Signalverlauf breit. Bei der
Bewegung eines Gitters mit unregelmäßiger Verteilung, daß keine
Nebenmaxima erzeugt werden, welche nachfolgend irrtümlicherweise
als Mitten- oder Hauptmaximum ausgewertet werden könnten, was
bei Liniengittern nicht immer auszuschließen ist.
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Wie bereits erwähnt, können für das Gitter 19 verschiedenste
Strukturen, mit statistischer Verteilung verwendet werden. Auch
kann das Gitter computergesteuerte Schichten mit veränderlicher
Transparenz oder sich zufällig
bewegende, lichtundurchlässige
Partikel, beispielsweise auf einer transparenten Oberfläche, aufweisen.
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Die Herstellung derartiger Gitter
ist an sich bekannt. Beispielsweise können eindimensionale oder zweidimensionale
Strukturen lichtdurchlässiger und
lichtundurchlässiger
Streifen durch Elektronenstrahl-Lithographie erzeugt werden.
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Die Bewegung des Gitters in der Gitterebene in
translatorischen, rotatorischen oder in statistischen Bahnen kann
mittels eines am Gitter vorgesehenen Präzisionslagers, beispielsweise
eines aeorostatischen Lagers vor gesehen werden, welches einen möglichst
geringen Taumelfehler und Axialschlag aufweist.
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Das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 verwendete
Gitter muß nicht
notwendigerweise die in der Figur dargestellte Planare Form aufweisen. So
kann beispielsweise zur Anpassung an die gekrümmte Oberflächenform von zu messenden Körpern das
Gitter eine entsprechend gekrümmte
Fläche
aufweisen. Beispielsweise kann bei der Krümmung einer asphärischen,
konvexen Oberfläche,
beispielsweise einer Linse, das Gitter ebenfalls eine sphärisch oder
asphärisch
gekrümmte
konkave Oberfläche
aufweisen. Wird die 4f-Anordnung zur Abbildung des Gitters mit der
gekrümmten
Oberfläche
verwendet, so ist der Krümmungsradius
der Gitterfläche
gleich den mitterem Krümmungsradius
der zu prüfenden
Oberfläche.
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Sollen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 Oberflächen mit
abgesetzten Flächen
vermessen bzw. erfaßt
werden, so können
hierfür
ein ebenfalls abgesetztes Gitter oder zwei zueinander versetzte
Gitter verwendet werden, wobei die Absatzhöhe der Gitterteile oder der
beiden Gitter sich aus dem Abbildungsmaßstab der Abbildungsstufe für das Gitter
und der zu erwartenden Absatzhöhe
des Prüflings
ergibt. Wird beispielsweise die 4f-Anordnung zur Abbildung des Gitters
verwendet, dann ist für
das Gitter die gleiche Absatzhöhe
zu wählen,
wie sie beim zu prüfenden
Körper
zu erwarten ist. Bei einem von 1:1 unterschiedlichen Abbildungsmaßstab und
bei einer afokalen Anordnung verhalten sich die Absatzhöhen von
Gitter und Körper
entsprechend dem Quadrat des lateralen Abbildungsmaßstabes, bzw.
des Tiefenabbildungsmaßstabs.
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Neben der vorangehenden und in der
Figur dargestellten Verschiebung des Körpers 26 mittels des
Hubtischmechanismuses 28 zum Durchfahren der Messebene
F3 ist es beispielsweise bei großen Messkörpern möglich, den
Messkörper
in Ruhe zu belassen und stattdessen die optische Vorrichtung in der
Richtung R zu verschieben. Insbesondere bei der Vermessung relativ
großer
Körper
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass sowohl Körper als auch optische Messeinrichtung
bezüglich
einander in Ruhe belassen werden und lediglich das Gitter 19 in
Richtung R, d.h. auf den Körper
zu bzw. von diesem weg bewegt wird. Bei dieser insbesondere bei
Messkörpern
im Größenbereich
von einem Kubikmeter oder dergleichen vorteilhaften Vorgehensweise
wird also durch die Verschiebung des Gitters die Messebene, d.h.
die Ebene F3, über
die Oberfläche
des Körpers hinweg
verschoben, so dass verschiedene Oberflächenpunkte in der Messebene
zu liegen kommen. Um dabei mit einem herkömmlichen Projektionsobjektiv
die räumliche
ausgedehnte Struktur aufzunehmen, die im Volumen sehr viel größer als
die Abbildungsstufe 22 sein kann, wird dabei mit einer
zentralperspektivischen Abbildung des Gitters 19 und auch der
Oberfläche
O gearbeitet. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass nach den
Gesetzen der geometrischen Optik beim Verschieben des Gitters sich
der Maßstab
einer auf die Oberfläche
O projizierten Messfläche
verändert.
Bei der Auswertung der sich bei Verschiebung des Gitters 19 ergebenden
Intensitätswerte
muss eine derartige Maßstabsverschiebung
durch entsprechende Umskalierungen berücksichtigt werden.
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Ähnlich
wie bei der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungsform ergibt
sich auch bei Verschiebung des Gitters 19 in Abhängigkeit
von der Verschiebestellung ein Signalverlauf für jeden Bildpunkt, der dann,
wenn der entsprechende Punkt an der Oberfläche O in der Messebene F3 liegt,
ein Signalmaximum aufweist. Es hat sich hier zum Erhalt eindeutiger
Signalkurven als vorteilhaft erwiesen, ein Gitter mit statistischer
Transmissionsverteilung in der Form von Speckles, zu verwenden,
wel ches sich zusätzlich
in der Gitterebene selbst, beispielsweise durch Rotation bewegt.
Die laterale Auflösung
bei der Abbildung des Gitters 19 auf die CCD-Kamera 36 sowie
das Auflösungsvermögen der
CCD-Kamera 36 selbst sollten aufeinander abgestimmt sein.
So ist es vorteilhaft, wenn die Größe der Speckles etwa der Pixelgröße der Pixel 38 entspricht.
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Bei einer Ausgestaltung der Vorrichtung 10, bei
welcher das Gitter 19 verschoben wird, kann diese Verschiebung
mittels eines Translationstisches vorgenommen werden. Um dabei eine
scharfe Abbildung auf die CCD-Kamera
zu gewährleisten,
ist es vorteilhaft, wenn diese zusammen mit dem zweiten Abbildungssystem 32 ebenfalls
mit dem Translationstisch mit verschoben werden.
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Der in der Figur dargestellte Strahlteiler 18 kann
von herkömmlichem
Aufbau sein und beispielsweise einen Würfel oder eine Planparallelplatte
umfassen.