DE2802724A1 - Verfahren zum optischen abtasten von objekten und optischer abtaster - Google Patents

Description

Patentanwalt

Dr.-lng. Heinrich Scheller
51 Λ-_;'γΊ π, Wi'l-I^str. 33
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SCHUMAG GMBH, D-5100 Aachen

Verfahren zum optischen Abtasten γοη Objekten und optischer Abtaster

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Abtasten gemäß dem Oberbegriff τοη Anspruch 1 und einen optischen Abtaster mit einem parallel zu sich selbst hin- und hergeführten Lichtstrahl gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 oder 11. Solche Abtaster können beispielsweise zur berührungslosen Messung der Abmessungen, speziell der Dicke τοη Werkstücken mit einem dünnen Lichtstrahl dienen, der quer zum Werkstück parallel zu sich selbst bewegt wird, wobei das Werkstück das Auftreffen des Lichtstrahls auf ein Fotoelement unterbricht.

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Dabei geht man von folgenden Überlegungen aus. Es ist zweckmäßig, die Abmessungen eines Werkstücks zu messen, während dieses in der Werkzeugmaschine ist. Dabei ist es vorteilhaft, die Messung kontinuierlich zu machen oder wiederholt in kurzen Zeitabständen. Außerdem ist es vorteilhaft, die Messung ohne mechanische Berührung zwischen dem Meßgerät und dem Werkstück vorzunehmen. Hierdurch wird eine Abnutzung des Meßgerätes, die Ungenauigkeiten nach sich ziehen würde, vermieden. Außerdem werden Markierungen durch das Meßgerät auf dem Merkstück vermieden.

Bekannt ist die vorgenannte Messung mit einem dünnen Lichtstrahl. Wenn der Lichtstrahl parallel zu sich selbst bewegt wird und wenn seine Geschwindigkeit bekannt ist und er, wenn er das Werkstück passiert, aufgefangen wird, dann ist die Zeit, während der der Lichtstrahl durch das Werkstück abgedunkelt wird, multizipliert mit der Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtstrahls, ein Maß für die Abmessung des Werkstücks. Ein Gerät für eine solche Messung ist bekannt, aber es ist aufwendig, weil zur Erzielung eines genauen Ergebnisses viele der Funktionen des Gerätes sehr genau ausgeführt werden müssen. Insbesondere muß die Bewegung des Lichtstrahls genau parallel zu sich selbst sein. Auch die Bewegungsgeschwindigkeit muß genau und gleichförmig sein, und die Messung der Zeit muß sehr genau vorgenommen werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen und einen optischen Abtaster zu konstruieren, bei dem die Meßgenauigkeit mindestens gleich derjenigen der bekannten Maßnahmen ist, wobei aber äas der Abtastet kompakter und weniger aufwendig ist, weil nur eine kleine Anzahl seiner Teile genau sein muß.

Zur lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen von Anspruch 1. Durch die Eückspiegelung der Teilstrahlen ergibt sich trotz der Abtastbewegungen ein stationäres Vergleichsbild. Vorteilhafte Arten und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Der optische Abtaster gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen vom Anspruch 5 oder 11. Der Abtaster gemäß Anspruch 5 oder 11 ermöglicht eine sehr genau parallele Bewegung bei der Messung, und zwar auch bei verhältnismäßig großen Bewegungsbereichen.

Vorteilhafte Ausführungsarten und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 6 bis 10 und 12 bis 17 beschrieben.

Besonders vorteilhaft ist es, bei der Messung auch die Zeitbestimmung und eine mögliche Ungleichmäßigkeit der Bewegung zu eliminieren,, Am Beispiel der Messung

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der Dicke von Werkstücken ist diese erfindungsgemäße Konstruktion des optischen Abtasters in den Ansprüchen 11 bis 15 beschrieben.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Ansprüchen 16 und 17 beschrieben.

Weitere Einzelheiten sind der nachstehenden Beschreibung zu entnehmen. Der dünne lichtstrahl, der zweckmäßig, aber nicht notwendigerweise, ein Laser-Strahl sein kann, bewegt sich prallel zu sich selbst zweckmäßig über eine Distanz, die größer ist als die größte zu messende Abmessung. Bei der Art gemäß den Ansprüchen 11 bis 15 braucht diese Bewegung nicht gleichförmig zu sein. Sie kann zweckmäßig Sinusform haben, was mit mechanisch einfachen Mitteln zu bewerkstelligen ist.

Der erste Teilstrahl (siehe Anspruch 1 und 14) passiert nach der Spiegelung am Planspiegel das Werkstück ein zweites Mal. Der zweite Teilstrahl fällt auf die reflektierende Skala, die helle und dunkle Teile hat, welche das Licht zum Austrittsende der optischen Strahlführung abwechselnd zurückwerfen und es durchlassen, wobei das durchgelassene Licht verloren ist. Da beide Teilstrahlen zur optischen Strahlführung zurückkehren und diese rückwärts durchlaufen, ist für die Messung die Bewegung des Abtasters eliminiert, und der Abtaster bringt gleichsam stationäre Strahlen zum Vorschein.

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Die der Trennung der Lichtstrahlen dienenden Einrichtungen des optischen Würfels und der 1/4-Wellen-Scheibe (siehe Ansprüche 12 und 15) wirken dabei so, . daß die hälbreflektierende Diagonalfläche des Würfels in einer Ebene"polarisiertes Licht durchläßt und das in der anderen Ebene-polarisierte Licht reflektiert. Beim Passieren"der 1/4-Wellen-Scheibe wird das Licht zirkulär polarisiert. Der-zirkulär polarisierte Strahl passiert bei seinem Rücklauf die -1/4-Wellen-Scheibe und wird dadurch in einer Ebene polarisiert, die rechtwinklig ist zur ursprünglichen Polarisationsebene. Er verhält sich auf diese Weise in bezug auf die halbreflektierende Diagonalfläche entgegengesetzt und kehrt nicht zur Lichtquelle zurück, sondern verläßt den optischen Würfel in anderer Richtung und gelangt zu einem Anzeigefühler (Fotoelement).

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich auf dieses lusführüngsbeispiel bzw. auf die Zeichnung. In der Zeichnung .zeigen

Fig. 1a schematiseh im-Schnitt, von vorn gesehen, eine Ausführungsart des .-erfindungsgemäßen optischen Abtasters,

Fig. 1b eine Draufsicht auf den Abtaster geaäß Fig. 1a,

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Fig. 2a schematisch in Vorderansicht eine ergänzte Äusführungsart mit Darstellung der Funktion bei der Dickenmessung von Werkstücken,

Fig. 2b eine Seitenansicht von der Darstellung gemäß Fig. 2a,

Fig. 3a schematisch ein Bild von der Aufzeichnung des Teilstrahls von der Abtastung der Skala auf dem Fotoelement gemäß Anspruch 10 und

Fig. 3b ein Bild gemäß Fig. 3a von der Abtastung des Werkstücks gemäß Anspruch 9.

Das Folgeride bezieht sich zunächst auf Fig. 2a und 2b. Der in einer Ebene polarisierte Ausgangsstrahl (Gesamtlichtstrahl) 1 beispielsweise von einem 2 mW He-Ne-Laser durchläuft einen Kollimator 26 und gelangt zum optischen Wurfel 2 und wird von der halbreflektierenden Diagonalfläche reflektiert. Er geht dann durch die 1/4-Wellen-Scheibe 3, wobei er zirkulär polarisiert wird. Wenn räumliche Lichtverhältnisse Schwierigkeiten bieten, kann auch/noch ein Botfilter zwischengeschaltet sein. Danach verläuft der Laser-Strahl in der hohlen Drehachse 4» Diese hohle Drehachse ist zugleich der ortsfeste Eingang für den Laser-Strahl.

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Zum Folgenden siehe auch Figo 1a und 1b, Die Drehachse 4 ist im Halterahmen 13 gelagert und durch den Motor 15 und den Eiementrieb 14 drehangetrieben. Die Drehachse 4 trägt oben den ersten rotierenden Träger 17, an dem das parallelogrammförmige erste Prisma 5 befestigt ist. Auf dem ersten Träger 17 befindet sich die hohle Drehachse 19, die den zweiten rotierenden Träger trägt. Auf dem zweiten Träger 18 ist das parallelogrammförmige Prisma 6 befestigt,, Mit dem zweiten Träger 18 ist das Zahnrad 20 drehungsschlüssig verbunden. Das Zahnrad 20 hat halb so viel Zähne wie das Zahnrad 16, das undrehbar auf dem Halterahmen 13 sitzt. Auf dem ersten Träger 17 befindet sich ein lose gelagertes Ritzel 21, das mit den Zahnrädern 16 und 20 kämmt. Durch diese Anordnung ist erreicht, daß das Austrittsende 24 des Prismas in einem weiten Bereich der Gesamtbewegung hin- und hergeht.

Der Laser-Strahl tritt nach Durchlaufen des Eingangs in das Eintrittsende des Prismas 5 ein, wird zweimal reflektiert und tritt aus dem Austrittsende des Prismas in das Eintrittsende des Prismas 6 ein, wird auch hier zweimal reflektiert und tritt aus dem Austrittsende als hin- und herbewegter Strahl aus. Er ist hier mit bezeichnete

Die beiden Träger 17 und 18 sind wie Schwungräder ausgewuchtet, und es werden dadurch kurzzeitige Unvollkommenheiten beim Hin- und Herbewegen des Strahles 22

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ausgeglichen. Längere Abweichungen beeinflussen die Genauigkeit nicht, wie weiter unten ersichtlich ist_o

Der Strahl 22 gelangt vom Austrittsende 24 zum feststehenden Strahlteiler 7, wo er in den durchgehenden Teilstrahl 22' und den gespiegelten Teilstrahl 22" zerlegt wird. Der Teilstrahl 22' passiert das Werkstück 8 und wird am Planspiegel 9 reflektiert und kommt als Strahl 23' zurück. Der gespiegelte Teilstrahl 22" fällt auf die reflektierende Skala 12 mit dem zusätzlichen Spiegel 12¹ und wird zurückgeworfen als Teilstrahl 23". Der zusätzliche Spiegel 12' bewirkt eine gewisse seitliche Versetzung, so daß der rücklaufende Teilstrahl 23" neben dem rücklaufenden Teilstrahl 23' die optische Strahlführung mit den Prismen 5 und 6 rückwärts durchläuft und schließlich aus dem optischen Würfel 2 austritt. Die Strahlen 23' und 23" gelangen dann zu den nebeneinander angeordneten Fotoelementen 10, 11. Infolge der beschriebenen Polarisationseffekte Kx±g ergibt sich ein ungestörter Verlauf des von der Laser-Einrichtung 25 erzeugten Strahles 1 mit den Strahlen 23' und 23".

Der Strahlteiler 7 und der Planspiegel 9 müssen optisch eben sein. In den Weg des Teilstrahles 23' kann noch eine Schlitzblende eingeschaltet sein. Die Spiegelanordnung 12, 12' hat zweckmäßig eine Skaleneinteilung, die nennenswert größer ist als der Strahldurchmesser.

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Fig. 3a zeigt die τοπ der Skala 12, 12¹ bewirkten Impulse des Strahles 23" auf dem Fotoelement 11. Man erkennt, daß die Impulse zu den Enden der Hin- und Herbewegung des Austrittsendes 24 gedehnt sind. Dies liegt an der Art der Erzeugung der Hin- und Herbewegung. Für die hier beschriebene Messung ergibt sich aber hierdurch keine Ungenauigkeit« In ähnlicher Weise ergibt sich eine Aufzeichnung vom Fotoelement 10, siehe in der Fig. 3b die Linie zum Strahl 23 Ό Diese linie ergibt sich aus der Unterbrechung des Laser-Strahles durch das Werkstück 8 und ist auf die gleiche Weise aufgenommen wie die Linie des Strahles 23", Der Durchmesser des Werkstücks 8 ergibt sich durch Abzählen der Zahl der vollständigen "Skalen"-Impulse während der Unterbrechungsperiode zuzüglich des Teilskalenimpulses an jeder Seite der Aufzeichnung.

optische
Der erfindungsgemäße/Abtaster hat folgende Vorteile:

Die Abtastergeschwindigkeit braucht nicht genau eingehalten zu werden, da sie sich in gleicher Weise beim Abtasten des Werkstücks und beim Abtasten der Skala auswirkt.

Statt eines Lasers kann auch eine sonstige intensive Lichtquelle verwendet werden.

Die verwendeten Optiken sind durchweg ebene Optiken, die leicht mit großer Genauigkeit hergestellt werden können.

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Das ganze System ist sehr einfach und hat keine Spezialkomponenten, ausgenommen den Abtaster selbst.

Hinter dem Werkstück ist lediglich ein Planspiegel angeordnet.

Zur anschließenden Kontrolle der Maschine ist es nur nötig, den Planspiegel 9 und die Skala 12, auszuwechseln.

Das System ist ohne weiteres geeignet für eine Messung xhh in zwei Ebenen.

Ungenauigkeiten des Abtasters werden ausgeglichen durch seine Schwungradwirkung.

Die einzigen Komponenten, die eine hohe Genauigkeit bei der Konstruktion erfordern, sind die Skala 12, die Prismen 5 und 6, der Strahlteiler 7 und der Planspiegel 9.

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Le e rs e i te

Claims (17)

Aachen, den 20.1.1978 Patentanwalt Dr.-!ng. Heinrich Steller Mein Zeichen P 11 948 /. J>-.r-, '."':'V.l-^ti·. 33 ve: ■ ■·■> ■ ■?. -j. :.„.i ζύyj49 Pat entansprüche

1) Verfahren zum optischen Abtasten von Objekten mit einem Lichtstrahl, der von einem Ausgangspunkt ausgeht, über eine optische Strahlführung geleitet und danach parallel zu sich selbst hin- und hergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gesamtlichtstrahl geteilt wird in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl, daß beim Hin- und Herführen des GesamtlichtStrahles mit dem ersten Teilstrahl das Objekt und mit dem zweiten Teilstrahl eine Vergleichsskala abgetastet wird, daß beide Strahlen nach dem Abtasten zurückgespiegelt und unter optischer Trennung auch in bezug auf den Gesamtlichtstrahl über die optische Strahlführung zum Ausgangspunkt zurückgeleitet und zur getrennten Aufzeichnung auf zwei Fotoelemente gegeben werden.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtlichtstrahl linear hin- und hergeführt wird.

3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gesamtlichtstrahl eine einfache harmonische Bewegung erteilt wird.

°R'G1NAL

4) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtlichtstrahl ein Laserstrahl ist.

5) Optischer Abtaster mit einem parallel zu sich selbst hin- und hergeführten Lichtstrahl, insbesondere zur Verwendung beim Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, gekennzeichnet durch einen ortsfesten Eingang (4) für den Lichtstrahl (1), durch ein dem Eingang (4) nachgeschaltetes, längliches Prisma (5) von Parallefögrammform, das sich quer zur Eingangsrichtung des Lichtstrahles erstreckt und in dessen eines Ende (Eintrittsende) der Lichtstrahl eintritt und nach zweimaliger Reflektion an dessen anderem Ende (Austritt sende) parallel zur Eintrittsrichtung austritt, das um eine Achse, die mit der Eingangsrichtung des Lichtstrahls am Eintrittsende zusammenfällt, schwenkbar ist und dessen Austrittsende für den austretenden Lichtstrahl den jeweiligen Ort beim Abtasten bestimmte

6) Optischer Abtaster nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen ortsfesten Eingang (4) für den Lichtstrahl (1), durch ein dem Eingang (4) nachgeschaltetes, längliches erstes Prisma (5) von Parallelogrammform, das sich quer zum Lichtstrahl erstreckt und in dessen eines Ende (Eintrittsende) der Lichtstrahl eintritt und nach zweimaliger Eefelktion an dessen anderem Ende (Austrittsende) parallel zur Eintrittsrichtung

austritt, durch ein zweites gleiches Prisma (6), dessen Eintrittsende dem Austrittsende des ersten Prismas (5) nachgeschaltet ist und dessen Austrittsende (24) für den austretenden Lichtstrahl (22) den jeweiligen Ort beim Abtasten 'bestimmt, durch einen ersten rotierenden Träger (17) für das erste Prisma (5), dessen mathematische Drehachse parallel zum in das erste Prisma eintretenden Lichtstrahl durch das Eintrittsende des ersten Prismas geht, und durch einen zweiten, in bezug auf den ersten Träger (17) mit doppelter Drehzahl (absolut mit gleicher Drehzahl) gegenläufig rotierenden Träger (18) für das zweite Prisma (6), dessen mathematische Drehachse parallel zum aus dem ersten Prisma (5) austretenden Lichtstrahl durch das Austrittsende des ersten Prismas geht und die Umlaufbewegung dieses Austrittsendes mitmacht.

7) Abtaster nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine drehangetriebene (15, 14) Drehachse (4), an der der erste rotierende Träger (17) sitzt, durch eine auf dem

; ersten Träger befindliche Drehachse (19) für den zweiten rotierenden Träger (18), durch ein zur Drehachse (4) des ersten Trägers konzentrisches erstes Zahnrad (16), das undrehbar festsitzt, durch ein auf der Drehachse (19) des zweiten Trägers (18) zwischen diesem und dem ersten Träger (17) sitzendes zweites Zahnrad (20) von halber Zähnezahl, das drehungsschlüssig mit dem zweiten Träger (18) verbunden ist, und durch ein auf einer zu

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den Drehachsen parallelen Achse am ersten Träger (17) gelagertes loses Ritzel (21), das mit dem ersten (16) und zweiten (20) Zahnrad kämmt.

8) Abtaster nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen (4, 19) für die Träger (17, 18) hohl sind für den Durchtritt des Lichtstrahls.

9) Abtaster nach den Ansprüchen β "bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Prisma (5) auf der einem Halterahmen (13) zugekehrten Seite am ersten Träger (17) und das zweite Prisma (6) auf der dem Halterahmen (13) abgekehrten Seite am zweiten Träger (18) angebracht ist.

10) Abtaster nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Träger (17, 18) mit den Prismen (5, 6) schwungradartig ausgewuchtet sind.

11) Optischer Abtaster zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 10, zur berührungslosen Messung der Abmessungen von Werkstücken mit einem dünnen Lichtstrahl, der quer zum Werkstück parallel zu sich selbst bewegt wird, wobei das Werkstück das Auftreffen des Lichtstrahls auf ein Fotoelement unterbricht, gekennzeichnet durch eine optische Strahlführung mit drehbaren Prismen (5, 6) und mit einem

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ortsfesten Eingang (4) für den Lichtstrahl und einem hin- und hergeführten Austrittsende (24), aus dem der Lichtstrahl (22) zum Abtasten austritt, und durch einen dem Werkstück (8) nachgeschalteten, feststehenden Planspiegel (9), der den Lichtstrahl, soweit er nicht Tom Werkstück unterbrochen ist, zurückwirft (23*) auf das hin- und hergeführte Austrittsende (24), so daß der Lichtstrahl die optische Strahlführung rückwärts durchläuft, am ortsfesten Eingang (4) austritt und unter Trennung vom eintretenden Lichtstrahl (1) auf das Fotoelement (10) auftrifft,

12) Abtaster nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine der Trennung der Lichtstrahlen dienende, dem ortsfesten Eingang (4) der optischen Strahlführung vorgeschaltete optische Einrichtung mit einem optischen Würfel (Polarisationsprisma) (2) mit halbreflektierender Diagonalfläche und einer zwischen dem Würfel und dem Eingang angeordneten 1/4-Wellen-Scheibe (3).

13) Abtaster nach den Ansprüchen 11 und 12, gekennzeichnet durch eine dem optischen Würfel (2) vorgeschaltete Lichtquelle (25), deren Lichtstrahlrichtung (1) senkrecht zur optischen Achse des ortsfesten Ein-

rA\ ζ χ· t„ Strahlführung . gangs (4) der optischen iBzixmg ist, und durch eine dem optischen Würfel (2) nachgeschaltete Anordnung des Fotoelementes (10) in Eichtung der optischen Achse des ortsfesten Eingangs (4) der optischen Strahlführung.

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14) Abtaster nach den Ansprüchen 11 bis 13, gekennzeichnet durch einen zwischen die optische Strahlführung und das Werkstück (8) zwischengeschalteten, in Schräglage feststehenden, halbreflektierenden Strahlteiler (7) zum Aufteilen des Lichtstrahls (22) in einen ersten Teilstrahl (22¹), der durch den Strahlteiler (7) hindurchgeht, das Werkstück (8) abtastet und nach Spiegelung am Planspiegel (9) erneut (23*) durch den Strahlteiler hindurchgeht und auf das Austrittsende (24) der optischen Strahlführung zurückgeworfen wird, und einen zweiten Teilstrahl (22"), der am Strahlteiler (7) gespiegelt wird, eine reflektierende Skala (12) abtastet und nach Spiegelung an der Skala erneut am Strahlteiler (7) gespiegelt wird und ebenfalls auf das Austrittsende (24) der optischen Strahlführung zurückgeworfen wird.

15) Abtaster nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Skala (12) einen zusätzlichen Spiegel (12*) aufweist, um dem zurückgeworfenen zweiten Teilstrahl (23") eine kleine seitliche Versetzung gegenüber dem ersten zurückgeworfenen Teilstrahl (23') zu geben, und daß zwei Fotoelemente (10, 11) nebeneinander angeordnet sind zum getrennten Auftreffen beider Teilstrahlen nach deren Rückwärtsdurchlaufen der optischen Strahlführung, der 1/4-Wellen-Scheibe (3) und des optischen Würfels (2).

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16) Abtaster nach einem der Ansprüche 5 Ms 15, gekennzeichnet durch eine Laser-Einrichtung (25) zur Erzeugung des als Laserstrahl (1) Yorgesehenen Lichtstrahls.

17) Abtaster nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch : einen der Laser-Einrichtung nachgeschalteten Kollimator (26),

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