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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Ausrichtung
von zwei drehbar gelagerten Maschinenteilen, eine Ausrichtung von
zwei hohlyzylinderförmigen Maschinenteilen oder Überprüfung
einer Komponente auf Geradheit.
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In
vielen technischen Gebieten besteht die Aufgabe, die Raum- und/oder
Winkellage zweier drehbar gelagerter Maschinenteile, insbesondere zweier
rotierender Wellen, relativ zueinander zu bestimmen. So besteht
z. B. bei der Kalibration und Einstellung von Werkzeugmaschinen
der Bedarf, Maschinenspindeln hochgenau zueinander auszurichten,
was eine genaue Bestimmung der relativen Raum- und Winkellagen der
Spindeln zueinander voraussetzt. Weiterhin weisen viele Antriebssysteme zur
Momenten- und/oder Kraftübertragung aneinandergekoppelte
Wellen auf, deren Relativausrichtung optimiert werden muss, um den
Verschleiß des Antriebssystems möglichst gering
zu halten.
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Oftmals
sind die zu vermessenden rotierenden Maschinenteile durch ein Kupplungselement
miteinander verbunden. Die relative Ausrichtung der beiden Maschinenteile
hat dabei einen großen Einfluß auf die Betriebsbelastung
des Kupplungselements: Je höher die Fehlausrichtung der
beiden Maschinenteile zueinander ist, desto höher sind
die Kräfte und Momente, denen das Kupplungselement während
des Betriebs ausgesetzt ist. Daher ist es wichtig, die Relativausrichtung
der beiden rotierenden Maschinenteile hochgenau zu bestimmen, um durch
eine Justierung der Rotationsachsen die Winkelabweichung und den
räumlichen Versatz zwischen den Maschinenteile minimieren
zu können.
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Aus
dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen
bekannt, mit deren Hilfe die Relativausrichtung zweier Maschinenteile überprüft,
vermessen und beurteilt werden kann.
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Aus
der
DE 33 20 163 A1 ist
bereits ein Verfahren zum Feststellen, ob zwei hintereinander angeordnete
Wellen hinsichtlich ihrer Mittelachse fluchten oder versetzt sind
bekannt, wobei bei der Ermittlung die erste Messeinheit, beinhaltend
eine Lichtquelle und einen Detektor an dem ersten Maschinenteil
befestigt ist, und die zweite Messeinheit mit einem Reflektor, insbesondere
einem Reflektorprisma, für den Lichtstrahl an dem zweiten
Maschinenteil befestigt ist, so dass der punktförmige Lichtstrahl
auf die Detektoreinheit auftrifft und dass ein von dem punktförmigen
Lichtstrahl erzeugter Auftreffpunkt des punktförmigen Lichtstrahls
auf dem Detektor zur Bestimmung einer Fehlausrichtung der Achsen
der Maschinenteile relativ zueinander ausgewertet wird. Das Messsignal
in den einzelnen Messwinkelpositionen wird als Signal erzeugt, das
zu der Abstandskomponente proportional ist, das die Mittelachse
der Wellen in einer zu dieser im wesentlichen senkrechten Ebene
(Messebene) in der durch die jeweilige Messwinkelposition festgelegten
radialen Richtung voneinander aufweist. Dabei kann in relativ einfacher
Weise die radial zur Welle verlaufende Koordinate des Auftreffpunkts
des Lichtstrahls dem parallelen Versatz der beiden Wellen zueinander
zugeordnet werden, während die dazu senkrechte Koordinate
den Winkelversatz der beiden Wellen zueinander wiedergibt.
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Aus
der
EP 1 698 855 A1 ist
ein Verfahren zum Ausrichten von Maschinen und Maschinenelementen
oder dergleichen, insbesondere von Rohren oder Hohlzylindern bekannt,
wobei in einer von zwei Messphasen bei fixierter Lichtsende- und
Empfangsvorrichtung eine Drehung eines Reflektor-Prismas in mindestens
drei beliebig wählbare Drehpositionen samt zugehöriger
Datenerfassung stattfindet und in der anderen der beiden Messphasen
bei fixierten Reflektor-Prisma eine Drehung der Lichtsende- und Empfangsvorrichtung
in entweder zwei vordefinierte rechtwinklig aufeinander stehende
Drehlagen oder aber drei oder mehr beliebig wählbare Drehpositionen
damit zugehöriger Datenerfassung stattfindet.
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Die
Genauigkeit der Messung mit den bekannten Vorrichtungen ist jedoch
nicht besonders hoch.
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Es
stellt sich ferner heraus, dass die Messung empfindlich gestört
wird, wenn zwischen den beiden gekoppelten Maschinenteilen ein Kupplungsspiel
vorliegt. In diesem Fall verfälscht das Kupplungsspiel
die ermittelten Werte der relativen Raum- und Winkellagen der beiden
Maschinenteile.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Ausrichtung von
zwei drehbar gelagerten Maschinenteilen, oder von hohlzylinderförmigen
Maschinenteilen zu ermöglichen, die relativ einfach und gleichzeitig
höchst präzise ist.
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Weiter
ist es Aufgabe der Erfindung, Materialeinsatz und Gewicht der bekannten
Ausführungsformen zu reduzieren.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
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Bei
der Vorrichtung zur Ermittlung einer Ausrichtung von zwei drehbar
gelagerten Maschinenteilen mit einer ersten Messeinheit mit einer
Lichtquelle zur Aussendung eines punktförmigen Lichtstrahls
sowie einer optischen Detektoreinheit und mit einer zweiten Messeinheit
mit einem Reflektorprisma ist vorgesehen, dass bei der Ermittlung
die erste Messeinheit an dem ersten Maschinenteil befestigt ist,
und die zweite Messeinheit an dem zweiten Maschinenteil befestigt
ist, so dass der punktförmige Lichtstrahl parallel zur
Achse des ersten Maschinenteils ausgerichtet wird und auf die Detektoreinheit
auftrifft, dass der von dem punktförmigen Lichtstrahl erzeugte
Auftreffpunkt auf dem Detektor zur Bestimmung einer Fehlausrichtung
der Achsen der Maschinenteile relativ zueinander ausgewertet wird
und dass die Reflektion der punktförmigen Lichtstrahls
an der der Eintrittsfläche gegenüberliegenden
Kante des Reflektorprismas erfolgt Eine vorteilhafte Ausgestaltung
ist Gegenstand des Unteranspruchs.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Anbringung
an drehbaren Maschinenteilen enthält eine Lichtquelle und
eine optisch messende Detektoreinheit, wobei die Lichtquelle und
die Detektoreinheit am ersten Maschinenteil befestigt werden. Die Lichtquelle
sendet einen punktförmigen Lichtstrahl aus, der am auf
dem zweiten Maschinenteil angebrachten Reflektor-Prisma in Richtung
auf das erste Maschinenteil zurückgeworfen wird. Auf dem
dort in der Nähe der Lichtquelle angebrachten Detektor
wird der Auftreffpunkt des Lichtstrahls ortsaufgelöst erfasst.
Wird nun das erste Maschinenteil gedreht, folgt der Lichtstrahl
der Rotation des ersten Maschinenteils. Der vom Lichtstrahl auf
der Detektoreinheit erzeugte Lichtpunkt vollführt dabei
zunächst eine Drehbewegung, die – nach Überwindung
des Kupplungsspiels – in eine Relativbewegung übergeht,
deren Größe durch Winkel- und Lateralversatz der
Achsen der beiden Maschinenteile bestimmt ist.
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Der
Detektor weist in vorteilhafter Weise einen zweidimensional auslesbaren
Detektor, insbesondere ein CCD-Array oder eine positionsempfindliche
Diode (PSD) auf, der in einer solchen Weise in der Nähe
der Lichtquelle angeordnet ist, dass der Lichtstrahl näherungsweise
senkrecht zum Detektor verläuft. so dass das auf dem Detektorelement
erzeugte Abbild des Lichtstrahls den Detektor bei idealer Ausrichtung
senkrecht und mittig trifft. Wenn eine Fehlausrichtung vorliegt,
wandert der Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf dem Detektor dann
bei gemeinsamer Drehung der beiden Maschinenteile über
die Frontfläche des Reflektor-Prismas und den Detektor, verlässt
diese jedoch nicht. Aus einer Wanderung des Auftreffpunkts auf dem
Detektor während der gemeinsamen Drehung der beiden Maschinenteile kann
eine Fehlausrichtung bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß entsteht
eine besonders genau messende Ausführungsform dieser an
sich bekannten Vorrichtung, wenn bei der Anbringung der beiden Messeinheiten
für die Messung auf den beiden Maschinenteilen der Strahl
der Lichtquelle und das Reflektorprisma so zueinander ausgerichtet
werden, dass der Lichtstrahl, der ja zu einer kleinen Fläche,
im Allgemeinen ein Kreis oder eine Ellipse, aufgeweiet ist, an der
Kante des Reflektorprismas reflektiert wird. Dadurch wird der Einfluss
eines eventuellen Spiels zwischen den beiden Maschinenteilen stark reduziert.
Ein solches Spiel bewirkt ja, dass bei einer Drehung beider Maschinenteile
miteinander zunächst nur ein Maschinenteil bewegt wird,
während der andere zunächst in seiner Position
verharrt. Damit erfolgt aber dann eine Verschiebung des Auftreffpunkts
des Lichtstrahls auf dem Reflektorprisma und auf dem Detektor, die
fälschlich als Fehlausrichtung interpretiert und gemessen
wird. Die Erfindung reduziert den Einfluss dieses Spiels.
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Bisher
bestand das Vorurteil, dass es zu bevorzugen ist, wenn ein Lichtstrahl
zur Gänze an den beiden verspiegelten Flächen
eines Reflektorprismas reflektiert wird, da die Abbildungsqualität
durch die nie perfekt bearbeitbare Kante beeinträchtigt
wird. Mit modernen Bearbeitungsmethoden ist immer noch ein Effekt
feststellbar, wenn der Lichtfleck die Kante überdeckt.
Diese Linie im Lichtfleck beeinträchtigt die nachfolgende
Auswertung zur Bestimmung des Auftrefforts des Lichtstrahls auf
dem Detektor aber nicht wesentlich, sei es die Bestimmung einer
oder zweier Richtungskoordinaten mit einem PSD oder die Ermittlung
eines Schwerpunkts, wenn pixelorientierte Sensoren verwendet werden.
Das zu erwartende Profil eines Lichtflecks, der zum Teil an einer
Kante und zum Teil an zwei an die Kante angrenzenden Flächen
reflektiert wird, kann empirisch ermittelt und in die nachfolgende
elektronische Verarbeitung eingerechnet werden.
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Die
Erfindung kann günstig zur Ermittlung der Ausrichtung von
gekoppelten und nicht gekoppelten Maschinenteilen eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere
bei der Vermessung von zwei gekoppelten Maschinenteilen in einem
Messroboter oder einem Koordinatenmeßgerät eingesetzt
werden. Weiterhin eignet sich die erfindungsgemäße
Vorrichtung zum gleichzeitigen Ausrichten zweier gekoppelter Wellen
in einer beliebigen Kraftübertragungseinheit, insbesondere
einem Motor, einem Generator, einer Pumpe oder einem Getriebe.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist zur Ermittlung einer Ausrichtung
von zwei hohlzylinderförmigen Maschinenteilen mit einer
ersten Messeinheit mit einer Lichtquelle zur Aussendung eines punktförmigen
Lichtstrahls sowie mit einer optischen Detektoreinheit und einer
zweiten Messeinheit, welche aus einem rein passiven Reflektorprisma
besteht, vorgesehen, dass bei der Ermittlung die erste Messeinheit
parallel zur Achse im ersten Maschinenteil angeordnet ist, und die
zweite Messeinheit parallel zur Achse im zweiten Maschinenteil angeordnet
ist, dass der parallel zur Achse des ersten Maschinenteils angeordnete
Lichtstrahl auf die Detektoreinheit auftrifft, wobei zumindest eine der
Messeineinheiten koaxial drehbar ist und bei einer Drehung zumindest
einer der Messeinheiten um ihre Achse, ein von dem Lichtstrahl erzeugter
Auftreffpunkt auf dem Detektor zur Bestimmung einer Fehlausrichtung
der Achsen relativ zu einander ausgewertet wird, wobei zur Bestimmung
der Fehlausrichtung der Auftreffpunkt des punktförmigen
Lichtstrahls auf dem Detektor verwendet wird. Ein Verfahren zur
Ausrichtung von hohlzylinderförmigen Maschinenteilen ist
aus der
EP 1 698 855
A1 bekannt, auf deren Offenbarungsgehalt vollinhaltlich
Bezug genommen wird. Hier können die beiden Messeinheiten
mechanisch gekoppelt sein oder sich frei auf der hohlzylinderförmigen
Fläche bewegen. Dabei kann es zu Fehlern kommen, die denen
vergleichbar sind, die durch Kupplungsspiel erzeugt werden. Diese Fehler
werden zum Beispiel durch Vibrationen, Erschütterungen
oder durch mit einem Spiel behaftete mechanische Kopplung zwischen
den beiden Messeinheiten bewirkt. Auch bei der Bewegung der Messeinheiten
im Hohlzylinder auf Rollen kann das zu Fehlern durch Spiel kommen.
Wenn der Lichtstrahl das Reflektorprisma auf der Kante trifft, kann
auch hier die Gesamtgenauigkeit erhöht werden, da diese Fehler
verringert werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
schematisierte Ansicht zweier Maschinenteile mit einer Messvorrichtung
zur Ermittlung einer Ausrichtung von zwei drehbar gelagerten Maschinenteilen
mit einer Lichtquelle und einer Detektoreinheit auf der einen Seite
und einem Reflektorprisma auf der anderen Seite, die auf den Maschinenteilen
montiert sind;
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2a eine
schematisierte Ansicht eines Reflektorprismas aus der Richtung des
einfallenden Lichtstrahls in zwei Positionen bei bekanntem Strahlengang
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2b eine
schematisierte Ansicht eines Reflektorprismas aus der Richtung des
einfallenden Lichtstrahls in zwei Positionen bei erfindungsgemäßem
Strahlengang
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1 zeigt
zwei drehbar gelagerte Maschinenteile 3 und 4,
insbesondere Wellen, mit den zugehörigen Maschinen 1, 2.
Die Maschinenteile 3, 4 sind durch ein Kupplungselement 8 lose
aneinander gekoppelt.
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Die
beiden Maschinenteile 3, 4 sind näherungsweise
parallel und fluchtend angeordnet, weisen jedoch im allgemeinen
einen Parallelversatz zueinander auf. Weiterhin schließen
die Drehachsen der beiden Maschinenteile 3, 4 im
allgemeinen einen Winkelversatz miteinander ein. Je größer
der Parallelversatz bzw. der Winkelversatz ist, desto höher sind
die Belastungen des Kupplungselements 8 und der Lager rotierender
Bauelemente während des Betriebs.
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Zur
Ermittlung der relativen Ausrichtung der Maschinenteile
1,
2 wird
die in
1 gezeigte Messvorrichtung
7,
6 verwendet,
deren Aufbau und Funktionsweise analog der in der
DE 33 201 63 A1 beschriebenen
sind, deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegende Anmeldung übernommen
wird. Im Unterschied zu diesem Stand der Technik trifft jedoch erfindungsgemäß der
Lichtstrahl nicht eine der beiden relativ zum Lichtstrahl üblicherweise
um 45° geneigten Flächen des Prismas, wie in
1 der Übersichtlichkeit
halber dargestellt, sondern die diesen beiden geneigten Flächen
gemeinsame Kante
6b, die im gezeigten Beispiel tangential
zu einem Kreis um die Drehachse des Maschinenteils
4 verläuft
und der Eintrittsfläche
6a gegenüberliegt.
Zur Durchführung der Ermittlung der Relativausrichtung
der Maschinenteile
3,
4 werden die Einheiten
6,
7 mit
Hilfe von nicht gezeigten Halterungen an den zu vermessenden Maschinenteilen
3,
4 befestigt.
Dann wird die Einheit
7 und/oder das Reflektorprisma
6 in
einer solchen Weise in den Halterungen verschoben und somit der
Laserlichtstrahl
11 auf der Frontfläche
6a des Reflektorprismas
so ausgerichtet, dass er sowohl auf die der Eintrittsfläche
gegenüberliegende Kante
6b des Prismas als auch
auf den Detektor
10 bzw. die diesem vorgeschaltete Abbildungslinse
20 trifft.
Dies ist in zweifacher Hinsicht besonders vorteilhaft, da einerseits
ein durch ein eventuelles Spiel erzeugter Fehler verringert werden
kann und andererseits das Reflektorprisma damit wesentlich kleiner
und
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Die
Messvorrichtung besteht aus zwei Einheiten 6, 7,
wobei die erste Einheit eine Lichtquelle 5 und einen Detektor 10 zur
ortsaufgelösten Messung der von der Lichtquelle 5 ausgesandten
Strahlung enthält, während die zweite Einheit 6 aus
einem Reflektorprisma besteht, dessen Seite 6a im wesentlichen
senkrecht zum Lichtstrahl 11 steht. Die Lichtquelle 5 ist
ein Laser, der mit einer (in 1 nicht
gezeigten) Optik zur Erzeugung eines nach vorne punktförmigen
Laserlichtstrahls 11 versehen sein kann. Der Detektor 10 besteht
z. B. aus einem zweidimensional auslesbaren PSD. Es sind jedoch
auch Ausführungsformen mit einem oder mehreren eindimensional
auslesbaren Detektor vorgesehen. Alle diese Detektoren, seien sie
eindimensional oder zweidimensional auslesbar, können PSD's,
CMOS- oder CCD-Arrays sein. Zur Auswertung der Messwerte des Detektors 10 ist
eine nicht gezeigte Auswerteeinheit vorgesehen.
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In 2a ist
das Reflektorprisma dargestellt, wie es aus der Richtung des auftreffenden
Lichtstrahls vom ersten Maschinenteil her aussieht. Das Reflektorprisma 6 wird
im gezeigten Beispiel durch Kupplungsspiel zum Reflektorprisma 60 verschoben. Der
die Frontfläche 6a des Prismas treffende Lichtstrahl 30 wird
an den beiden relativ zum Lichtstrahl um etwa 45° geneigten
Flächen des Prismas reflektiert und verlässt das
Prisma wieder als Lichtpunkt 31. In der grafischen Darstellung
der 2a lässt sich das relativ einfach durch
Spiegelung des Lichtpunkts 30 an der der Eintrittsfläche 6a gegenüberliegenden
Kante 6b des Prismas darstellen. Dafür wurde die
Spiegellinie 32 gestrichelt eingezeichnet. Wenn nun die
erste Messeinheit örtlich unverändert bleibt,
die zweite Messeinheit aber zum Beispiel durch Kupplungsspiel so
verschoben wird, dass das Reflektor Prisma nun in Position 60 steht,
wird der Lichtstrahl 40 als Lichtfleck 41 in der
oben beschriebenen Weise reflektiert. Der Einfluss des Kupplungsspiels
drückt sich also als die Distanz 50 zwischen den
reflektierten Lichtflecken 31 und 41 aus. Diese Distanz 50 ist
ein echter Fehler, der die Messung verfälscht. Dieser Fehler
ist besonders groß in der Richtung der der Eintrittsfläche
gegenüberliegenden Kante des Reflektorprismas. In der Richtung
senkrecht zur Kante 60b ist auch ein Fehler festzustellen,
der aber geringer ist. In 2a wurde
der z. B. durch Kupplungsspiel entstehende Fehler durch Vergrößerung
des Drehwinkels stark übertrieben, um eine anschauliche
Darstellung zu ermöglichen.
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In 2b ist
nun die erfindungsgemäße Situation bei Vorliegen
von Kupplungsspiel dargestellt. Wieder ist das Reflektorprisma 6 beziehungsweise 60 einmal
in der korrekten Position dargestellt und einmal in der durch Kupplungsspiel
verschobenen Position. Diesmal sind die Lichtpunkte 30 und 40 auf der
Frontfläche des Plasmas näher an der Kante 6b bzw. 60b dargestellt.
Es ist unmittelbar ersichtlich, dass der Fehler 50 bei
Annäherung an die Kante des Prismas geringer wird. In 2b wurde
nun absichtlich eine nur kantennahe Position gewählt, damit
es überhaupt möglich ist, einen Fehler 50 in
der 2b darzustellen. In Wirklichkeit wird der Lichtfleck 30, 40 so
eingerichtet, dass er tatsächlich die Kante 6b beziehungsweise 60b überdeckt.
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Obwohl
in der Grafik in den Figuren die Prismen nach dem Stand der Technik
und nach der Erfindung als gleich groß dargestellt sind,
ist es doch unmittelbar ersichtlich, dass durch die Erfindung das Prisma
sehr viel kleiner ausgeführt werden kann, als es bisher
möglich war. Damit können die Prismen auch leichter
werden. Diese Verringerung der Größe und des Gewichts
geht aber nicht mit einem Verlust an nutzbarer Detektorfläche
einher.
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Selbstverständlich
ist es auch möglich, das Reflektorprisma so anzuordnen,
dass die Kante 6b radial oder unter einem Winkel zur Richtung
der auszurichtenden Maschinenachsen verläuft. Es ist ebenfalls
möglich, zwei Lichtstrahlen oder einen aufgespalteten Lichtstrahl
auf zwei Prismen zu lenken, deren der Eintrittsfläche gegenüberliegende
Kanten einen Winkel einschließen und in einer Ebene liegen, deren
Normale zum Lichtstrahl parallel verläuft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3320163
A1 [0005, 0026]
- - EP 1698855 A1 [0006, 0019]