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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Emission von Licht mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt,
welche in unterschiedlicher Weise die Überlagerung von
Licht verwenden. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 20 2005 001 540
U1 eine Lichtquelle bekannt, welche aus einer Gruppe von
Leuchtdioden (LED) besteht, die bezüglich der Farbtemperatur
einstellbar sind. Durch die Kombination des Lichtes soll Licht mit
einem tageslichtähnlichen Spektrum erzeugt werden, das
den Verhältnissen einer bestimmten Tageszeit angepasst
ist.
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Weiterhin
ist aus Druckschriften wie
DE 10 2005 020 695 A1 bekannt, weißes
Licht mit bestimmten Farbeigenschaften zu erzeugen, indem Licht,
das von Leuchtdioden stammt, mit dem Licht von mindestens zwei Lumineszenzfarbstoffen
additiv überlagert wird. In ähnlicher Weise beschreibt
die Druckschrift
DE
10 2004 038 199 A1 eine Vorrichtung, welche eine Farbmischung
von Licht, das aus einer blauen LED stammt, mit dem Licht von Leuchtstoffen
im grün- und orangeroten Farbbereich ausnutzt, um Farbwiedergabewerte
R
a im Bereich von 90 zu erzeugen, wobei
gleichzeitig eine niedrige Farbtemperatur < 5000 K vorausgesetzt ist.
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Daneben
existieren beispielsweise Druckschriften, wie
DE 43 05 796 A1 , welche
verschiedene Eigenschaften von Lichtquellen zu optimieren versuchen.
In diesem Fall wird eine typische Rotverschiebung des Lichtes von
Glüh- oder Halogenlampen, welche beim Dimmen entsteht,
durch Überlagerung eines blauen Anteils kompensiert. Aus
DE 199 62 765 A1 ist
dagegen bekannt, dass bei sogenannten Phosphor-LED durch Anbringung
eines zusätzlichen Fluoreszenzmaterials mittels Lichtüberlagerung
eine Erhöhung des Rotanteils erlangt wird.
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Phosphorkonvertierende
LED sind mittlerweile handelsüblich und zur Erzeugung weißen
Lichtes gebräuchlich. Nachteilig an diesen Leuchtdioden ist
die Tatsache, dass eine bestimmte Farbtemperatur vorgegeben.
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Insgesamt
wird bei diesem Stand der Technik als nachteilig empfunden, dass
bei der Wahl einer Lichtquelle zu einem bestimmten Zweck auf das
Einstellen wenigstens einer Farbeigenschaft, wie z. B. die Einstellung
einer gewünschten Farbtemperatur, die Einstellung des Farbwiedergabeindexes
Ra oder eines ausreichenden Lichtstromes
in der Regel verzichtet werden muss.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es erlaubt,
neue Lichtquellen zur Verfügung zu stellen oder handelsübliche
Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere phosphorkonvertierende Leuchtdioden,
derart zu ergänzen bzw. zu optimieren, dass eine Farbwiedergabe
erreicht wird, die einen möglichst natürlichen
und unverfälschten Seheindruck ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale.
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Durch
die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der
Erfindung möglich.
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Dementsprechend
zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass für eine
bestimmte Wahl der Farbtemperatur durch Überlagerung der
Lichtquelle und Änderung der Intensität den ihrer
Intensität einstellbaren Lichtquellen mit jeweils einem
Spektralmaximum Licht mit einem Wiedergabewert Ra von
mindestens 90 erzeugt wird.
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Zunächst
wird eine kommerzielle Lichtquelle, hier als Probelichtquelle bezeichnet,
vorgegeben. Typischerweise weist eine solche Lichtquelle wenigstens
ein Intensitätsmaximum in ihrem Spektrum auf. Diesem Licht
wird das Licht wenigstens einer Lichtquelle überlagert,
welche in ihrer Intensität einstellbar ist und jeweils
ein spektrales Maximum aufweist. Dabei werden die zuletzt genannten
Lichtquellen so gewählt, dass die Maxima in jeweils anderen
Farbbereichen liegen. In Bezug auf die Wellenlänge sollte
kein spektrales Maximum mit dem einer anderen Lichtquelle übereinstimmen.
Wird nun eine bestimmte Farbtemperatur vorgegeben, so ist es möglich,
durch Variation der Intensität der in ihrer Intensität
einstellbaren Lichtquellen mit jeweils einem Spektralmaximum einen
Farbwiedergabewert Ra der durch Überlagerung
entstandenen Gesamtlichtquelle von mindestens 90 zu erzeugen.
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Dies
bietet besonders vorteilhafte Anwendungen insbesondere in der Medizintechnik.
Gerade in der Zahnmedizin müssen intensive Lichtquellen zur
Verfügung stehen, welche durch einen hohen Farbwiedergabewert
die natürliche Farbe von Zahnimplantatmaterial oder Ähnlichem
erkennen lassen. Aber auch in anderen Bereichen, etwa bei der Beleuchtung
in Museen oder Kunstgalerien, in der Fotografie, beim Film oder
für die Theatertechnik werden derartige besondere Lichtquellen
benötigt. Dabei spielen besondere Farbeigenschaften eine Rolle.
Oft genügt es nicht allein weißes Licht zur Verfügung
zu stellen, welches einen hohen Farbwiedergabewert besitzt, sondern
es wird zusätzlich verlangt, eine spezielle Farbtemperatur
vorgeben zu können. Ein Beispiel hierfür wäre
die Verwendung von sogenanntem "warmweißen Licht".
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Die
Erfindung erlaubt es, verschiedene Farbtemperaturen einzustellen
und gleichzeitig einen exzellenten Farbwiedergabewert Ra > 90 zu gewährleisten.
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Seit
einigen Jahren bereits spielt der Einsatz von Halbleiterbauelementen,
insbesondere von Hochleistungs-LED, in der Beleuchtungstechnik eine immer
stärker werdende Rolle. Es existieren hohe Anforderungen
an Lebensdauer und Lichtstrom der Lichtquellen. Deswegen ist diejenige
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens von besonderer Bedeutung, bei der für sämtliche
Lichtquellen Leuchtdioden verwendet werden.
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Wie
bereits oben erwähnt, ist es technisch auch möglich,
Leuchtdioden zur Verfügung zu stellen, welche weißes
Licht erzeugen. Handelsüblich sind hierfür phosphorkonvertierende
Leuchtdioden. Da für eine derartige LED die Farbtemperatur
durch ihre Bauart bereits vorgegeben ist, ermöglicht eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens eine gewünschte
Farbtemperatur einzustellen, während gleichzeitig auf einen
exzellenten Farbwiedergabewert Ra > 90 nicht verzichtet
werden muss. Vorteilhaft ist dabei, dass kommerzielle phosphorkonvertierende
LED von nun an auch in vielfältiger Weise in speziellen
Bereichen, wie beispielsweise der Zahnmedizin, verwendet werden
können. Es sind bei der Verwendung weitaus weniger Kompromisse in
Bezug auf die gewünschten Farbeigenschaften notwendig.
Zur Überlagerung des Lichtes der phosphorkonvertierenden
LED mit dem Licht weiterer Lichtquellen genügen in diesem
Fall in der Regel handelsübliche cyanfarbene und rote Leuchtdioden, wenn man
von einem typischen Spektrum derartiger phosphorkonvertierender
LED mit einem Maximum im blauen Farbbereich sowie einem breiten
Maximum im gelben Bereich ausgeht. Bei der Farbe Cyan handelt es
sich um eine Mischfarbe aus Blau und Grün. Monochromatische
LED besitzen üblicherweise eine spektrale Halbwertsbreite
von 15 nm bis 30 nm.
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Zur
Einstellung eines hohen Farbwiedergabewertes ist bei monochromatischen
Leuchtdioden zu beachten, dass aus halbleiterphysikalischen Gründen
eine spektrale Lücke im grünen Bereich besteht.
Bei der Verwendung einer phosphorkonvertierenden Leuchtdiode als
Probelichtquelle fällt diese Tatsache jedoch aufgrund des
breiten Intensitätsmaximums in diesem Bereich nicht mehr
ins Gewicht.
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Es
wird eine Vorrichtung zur Emission von Licht gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, bei
der Mittel zur Überlagerung der Lichtquellen vorgesehen
sind. Bei diesen Mitteln kann es sich insbesondere um spezielle
Optiken, beispielsweise bestehend aus Linsen, Spiegeln, Prismen,
Blenden usw. handeln. Vorteilhaft ist an einer derartigen Vorrichtung
insbesondere, dass diese als kompaktes Bauteil, also als gesonderte
Lichtquelle, genutzt werden kann. In einer besonders bevorzugten
Weiterbildung werden dabei Mittel zur Verfügung gestellt,
um Parameter, wie beispielsweise die Farbtemperatur durch den Benutzer
einzustellen und automatisch eine Anpassung der Intensität
und des Farbwiedergabewertes Ra des Lichtes
hervorzurufen. Beispielsweise handelt es sich bei diesen Mitteln um
eine Steuerelektronik, ggf. rechnergesteuert. Vorteilhaft ist hieran,
dass die Erfindung besonders vielfältig einsetzbar ist.
Neben der Ausbildung einer Optik zur Überlagerung des Lichtes
ist es auch denkbar, die Probelichtquellen und die in ihrer Intensität
einstellbaren Lichtquellen in besonderer Weise anzuordnen. Denkbar
ist es, eine Lichtquelle vor der Überlagerung als ein Leuchtelement
zu belassen oder aber in wenigstens ein Leuchtelement aufzuteilen.
Letzteres ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Lichtquellen
eine gewisse Ausdehnung besitzen. Es ist beispielsweise denkbar,
das Licht der Lichtquellen in wenigstens eine Lichtleitfaser einzukoppeln,
um diese Ausbildung von Leuchtelementen für die spätere Überlagerung
des Lichts auszunutzen. Somit ist es denkbar, durch Aufteilung in
einzelne Leuchtelemente und anschließende Überlagerung
eine qualitativ bessere Überlagerung des Lichtes zu erreichen.
Es ist aber genauso denkbar, wenigstens eine Lichtquelle als für
sich stehendes einzelnes Leuchtelement aufzufassen und zu überlagern.
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Um
eine homogene Erscheinungsform des Lichtes zu erlangen, ist es gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung möglich, die Leuchtelemente
auf Kreislinien anzuordnen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Weiterbildung liegen bei dieser Anordnung
keine Leuchtelemente, die der gleichen Lichtquelle angehören, nebeneinander.
Somit wird eine besonders gute und homogene Durchmischung bzw. Überlagerung
des Lichtes erreicht.
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Ein
besonders wichtiges Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt
sich, wenn als Probelichtquelle eine weiße phosphorkonvertierende
Leuchtdiode und als in ihrer Intensität einstellbaren Lichtquellen
zumindest eine cyanfarbene und eine rote Leuchtdiode vorgesehen
sind. Dieses Ausführungsbeispiel erlangt dadurch besondere
Bedeutung, dass phosphorkonvertierende Leuchtdioden kommerziell verfügbare
und im Handel weit verbreitete Lichtquellen darstellen. Dies wird
durch den Wunsch verstärkt, zunehmend mehr Halbleiterbauelemente
in der Beleuchtungstechnik anzuwenden.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Erfindung, die eine Kontrolleinheit
(Englisch: control unit) zur Einstellung der Intensität
gemäß der Einstellung der Farbtemperatur sowie
zur Erreichung eines Farbwiedergabewertes > 90 umfasst. Eine derartige Kontrolleinheit
kann verschieden ausgeprägt sein. Beispielsweise kann es
sich dabei um eine reine Steuereinheit handeln, die gemäß einer
Vorgabe, etwa der Farbtemperatur, die Intensitäten der
in ihrer Intensität einstellbaren Lichtquellen steuert.
Es kann sich aber beispielsweise auch um eine Regelungseinheit handeln.
Diese ermittelt anhand gemessener Werte, wie die Intensitäten
einzustellen sind. Es ist denkbar, z. B. das Spektrum des überlagerten
Lichts zu messen und bezüglich der Farbtemperatur und/oder
des Farbwiedergabewertes und/oder bezüglich der Gesamtintensität
auszuwerten und anschließend anhand diese Auswertung ein
Steuersignal rückzukoppeln, durch welches die Intensität
der in ihrer Intensität einstellbaren Lichtquellen gesteuert wird.
Eine Kontrolleinheit, die nicht nur als reine Steuereinheit, sondern
als Regelungseinheit aufgebaut ist, kann folglich eine Rückkopplungsschleife
(Englisch: feed-back loop) umfassen. Beide Varianten, eine Steuereinheit
und eine Regelungseinheit, sind mit dem Begriff der Kontrolleinheit
im Sinne der Erfindung erfasst.
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Figurenbeschreibung:
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Im Einzelnen
zeigen
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1 ein
Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
Steuerung zur Intensitätsregelung,
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2 Schema
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Überlagerungsoptik,
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3 und 4 Überlagerungsspektren
einer phosphorkonvertierenden LED mit dem Licht einer cyanfarbenen
LED für jeweils zwei verschiedene Farbtemperaturen und
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5 Diagramm
der Farbtemperatur T und des Farbwiedergabewertes Ra als
Funktion des Grünanteils G.
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1 zeigt
ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Steuerung zur Intensitätsregelung 10 mittels
Kontrolleinheit 6 und Vorrichtungen zur Intensitätsanpassung 11 und 12,
in diesem Fall der cyanfarbenen LED 2 und der roten LED 3.
Als Probe-Lichtquelle wird eine phosphorkonvertierende LED 1 verwendet.
Das Licht der Lichtquellen 1, 2 und 3 gelangt
auf eine Überlagerungsoptik 4. In diesem Beispiels
besteht Überlagerungsoptik 4 aus einem Diffusor
sowie einer weiteren Linsenoptik. Das überlagerte Licht
gelangt anschließend auf einen Detektor 5, der
das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, das von der Kontrolleinheit 6 ausgewertet
wird, wobei am Ende der Steuereinheit ein intensitätsregelndes
Signal als Ausgang zur Verfügung steht und über
die Vorrichtungen zur Intensitätsanpassung 11, 12 rückgekoppelt
wird. Im Einzelnen besteht hier die Kontrolleinheit 6 aus
einer Auswerteeinheit 7, welche die Farbtemperatur T und
den Farbwiedergabewert Ra aus dem aufgenommenen
Spektrum bestimmt. Mittels der Vergleiche 8 und 9 werden
entsprechend die Farbtemperatur T mit einem gewünschten
Farbtemperatur-Soll-Wert T sowie der Farbwiedergabewert Ra mit dem Wert 90 verglichen. Der Farbtemperatur-Soll-Wert
T kann von einem Benutzer eingegeben werden. Liegt der Farbwiedergabewert
Ra über 90 und ist ebenso die gewünschte
Farbtemperatur T erreicht, so ist keine weitere Steuerung mittels
Intensitätsregulierung notwendig. Andernfalls müssen
die Intensitäten des Lichtes der LED 2 bzw. 3 angepasst werden.
Dies erfolgt durch die Intensitätsregelungseinheit 10 sowie
die entsprechenden Vorrichtungen zur Intensitätsanpassung 11 und 12 der
cyanfarbenen und roten LED 2 und 3. Beispielsweise
kann durch die Kontrolleinheit 6 sowie die entsprechenden Vorrichtungen
zur Intensitätsanpassung 11 und 12 der
Diodenstrom der LED 2 und 3 angepasst werden. In
diesem Ausführungsbeispiel ist die Kontrolleinheit 6 folglich
als Regelungseinheit mit einer Rückkopplung vorgesehen.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit Überlagerungsoptik. Hierzu wird das Licht
der Probelichtquelle 1 mit dem der cyanfarbenen und roten
LED 2 und 3 überlagert. Mittels einer
Einkopplungsoptik 17 wird das Licht der jeweiligen Leuchtdioden 1, 2 und 3 in entsprechende
Lichtleiter 13 eingekoppelt. Die Lichtleiter 13 sind
mit ihrer Ausgangsstelle auf einer Kreislinie 14 angebracht.
Das Licht 16 gelangt über eine Kollimieroptik 15 auf
den Detektor 5, wobei mittels einer Steuerungseinheit 6 über
die Intensitätsregelung 10 und die Vorrichtungen
zur Intensitätsanpassung 11 und 12 die
Intensitäten der cyanfarbenen und roten Leuchtdioden 2 und 3 jeweils
geregelt und angepasst werden können.
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In
den 3 und 4 wird jeweils der Strahlungsfluss Φ in
W/nm in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt. 3 zeigt
ein Überlagerungsspektrum 20 einer phosphorkonvertierenden LED 1 mit
dem Licht jeweils einer cyanfarbenen LED 2 für
eine Farbtemperatur T1 = 4400 K. Der dazugehörige
Farbwiedergabewert des Überlagerungsspektrums 20 liegt
bei Ra = 95. In 4 ist eine
andere Farbtemperatur eingestellt, nämlich T2 =
4700 K. Der Farbwiedergabewert liegt bei Ra =
93. Das Licht der phosphorkonvertierenden LED 1, welches
als Spektrum 18 bzw. 22 zusehen ist, besitzt in
beiden Fällen, also sowohl in 3 als auch
in 4, eine Farbtemperatur von 3800 K. Die cyanfarbene
LED 2, deren Spektrum 19 bzw. 21 in den 3 bzw. 4 zu sehen
ist, liegt in einem Wellenlängenbereich bei λ = 520
nm. Es werden also in beiden 3 und 4 die
gleichen Leuchtdioden 1 und 2 verwendet. Die Farbwiedergabewerte
verbleiben bei einem Wert größer als 90, obgleich
die Farbtemperaturen der jeweiligen Überlagerungsspektren 20 und 23 geändert wurden.
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Um
eine Einstellung über einen größeren Temperaturbereich
mit sehr gutem Farbwiedergabewert zu ermöglichen, ist es
vorteilhaft, ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zu benutzen,
bei dem zusätzlich das Licht einer roten LED 3 hinzugemischt werden
kann.
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5 zeigt
ein Diagramm mit einer Kurve 24 der Farbtemperatur T und
einer Kurve 25 des Farbwiedergabewertes Ra als
Funktion des Grün-Anteils G. Durch den Grün-Anteil
G kann hier bei hohem Ra-Wert die Farbtemperatur
im Bereich 4000 K bis 5000 K gesteuert werden.
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Allen
genannten Ausführungsbeispielen und Weiterbildungen ist
jedoch gemeinsam, dass für eine Wahl der Farbtemperatur
durch Überlagerung des Lichtes der Lichtquellen und Änderung
der Intensität den der Intensität einstellbaren
Lichtquellen mit jeweils einem Spektralmaximum Licht mit einem Farbwiedergabewert
von mindestens 90 erzeugt wird.
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- 1
- Phosphorkonvertierende
LED
- 2
- Cyanfarbene
LED
- 3
- Rote
LED
- 4
- Überlagerungsoptik
- 5
- Detektor
- 6
- Kontrolleinheit
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Vergleicher
mit gewünschter Farbtemperatur Tw
- 9
- Vergleicher
mit gewünschtem Farbwiedergabewert (> 90)
- 10
- Intensitätsregelung
- 11
- Vorrichtung
zur Intensitätsanpassung einer LED
- 12
- Vorrichtung
zur Intensitätsanpassung einer LED
- 13
- Lichtleitfasern
- 14
- Kreislinienanordnung
- 15
- Kollimieroptik
- 16
- Strahlengang
- 17
- Einkopplungsoptik
- 18
- Spektrum
einer phosphorkonvertierenden LED
- 19
- Spektrum
einer cyanfarbenen LED
- 20
- Überlagerungsspektrum
(T = 4400 K, Ra = 95)
- 21
- Spektrum
einer cyanfarbenen LED
- 22
- Spektrum
einer phosphorkonvertierenden LED
- 23
- Überlagerungsspektrum
(T = 4700 K, Ra = 93)
- 24
- Farbtemperatur
T als Funktion von G
- 25
- Farbwiedergabewert
Ra als Funktion von G
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202005001540
U1 [0002]
- - DE 102005020695 A1 [0003]
- - DE 102004038199 A1 [0003]
- - DE 4305796 A1 [0004]
- - DE 19962765 A1 [0004]