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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kollimatorlinse für
eine optische Faser, die angepaßt ist, um divergentes, aus einer
lichtemittierenden Stirnfläche der optischen Faser austretendes Licht in einen
parallelen Strahl umzuwandeln.
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Eine eine optische Faser und eine an einer lichtemittierenden
Stirnfläche der optischen Faser befestigte Kollimatorlinse einschließende
Vorrichtung kann als lichtdurchlässiger optischer Fasersensor, als optischer
Fasersensor von einer lichtreflektierenden Art oder als eine
Lichtverzweigungsvorrichtung verwendet werden.
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Bei einer herkömmlichen, in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist eine
aus Glas oder transparentem Kunststoffmaterial gebildete konvexe Linse 22
so angeordnet, daß sich eine lichtemittierende Stirnfläche einer optischen
Faser 21 in einem Brennpunkt 23 der konvexen Linse 22 befindet.
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Eine andere Art der herkömmlichen Vorrichtung ist in Fig. 2
dargestellt und umfaßt eine Stablinse 32 mit einer konvergenten Verteilung des
Brechungsindex, die an eine lichtemittierende Stirnfläche einer optischen
Faser 31 anstößt, welche an einer Stirnfläche der Stablinse 32 angeordnet
ist. Die zuletzt genannte Art ist in der offengelegten japanischen
Patentanmeldung No. 59-38706 offenbart. Bei beiden Vorrichtungen tritt aus dem
Ende der jeweiligen Kollimatorlinse paralleles Licht 33 aus.
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Bei der Kollimatorlinse aus Fig. 1 ist es erforderlich, eine
ausreichende Genauigkeit vorzusehen, um einen aus dem Ende der optischen Faser
abgestrahlten divergenten Lichtstrahl mit Hilfe der Kollimatorlinse 22
wirkungsvoll in einen parallelen Lichtstrahl umzuwandeln. Das bedeutet, daß
die Kollimatorlinse 22 eine sehr genaue Bearbeitung erfordert.
Dementsprechend ist die entstehende Linse teuer. Weiter ist es auch erforderlich, die
Winkelausrichtung der Kollimatorlinse, die Lage von deren Brennpunkt, die
Lage der lichtemittierenden Stirnfläche der optischen Faser und die
Winkellagenbeziehung zwischen diesen genau zu steuern. Wenn diese
Lagenbeziehungen nicht genau befolgt werden, wäre es unmöglich, parallele Lichtstrahlen
zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß der in Fig. 2 dargestellten zweiten Art des herkömmlichen
optischen Faserkollimators hat weiter die Stablinse einen Durchmesser von nicht
mehr als ungefähr 2 mm, da sonst die Stablinse keine genaue Verteilung des
Brechungsindex schaffen würde. Die zweite Art ist deshalb nicht für eine
breite Anwendung verfügbar. Da die eine konvergente Verteilung des
Brechungsindex besitzende Stablinse zudem einen kleinen Durchmesser hat,
erfordert eine axiale Ausrichtung zwischen der Achse der Stablinse und der
Achse des Lichts an der lichtemittierenden Stirnfläche der optischen Faser
eine Technik mit hoher Genauigkeit. Wenn die Achsen gegeneinander versetzt
sind, wäre es unmöglich exakt paralleles Licht zur Verfügung zu stellen,
außerdem kann die herkömmliche Stablinse nicht notwendigerweise ausreichend
numerische Apertur (NA) besitzen, um an optische Fasern hoher NA, wie zum
Beispiel optische Fasern aus Kunststoff, anpaßbar zu sein, so daß die
Umwandlung vom divergenten Licht in einen parallelen Lichtstrom nicht
wirkungsvoll durchgeführt werden kann.
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Die US-A-4 534 616 beschreibt einen faseroptischen Verbinder, der ein
elastisches Muffenelement umfaßt, das an einem vorderen Ende eine Linse
besitzt, die mit einer inneren Bohrung in Verbindung steht, in welcher ein
faseroptisches Übertragungsglied so angeordnet ist, daß sich das Ende des
faseroptischen Übertragungsglieds im wesentlichen im Brennpunkt der Linse
befindet. Ein Indexangleichmaterial ist in der Bohrung des Muffenelements
angeordnet, um das faseroptische Übertragungsglied zu schützen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben
beschriebenen Nachteile und Hindernisse des Standes der Technik zu
überwinden und einen verbesserten Kollimator für eine optische Faser
bereitzustellen.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
Kollimator bereitzustellen, der zuläßt, daß eine einfache axiale Ausrichtung
zwischen der Achse eines Kollimators und der optischen Achse des aus einer
Stirnfläche einer optischen Faser emittierten Lichtes möglich ist.
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Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die
einfach herzustellende Kollimatorlinse bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kollimatorlinse mit einem
zylindrischen, einen wirksamen Radius R und eine wirksame Länge L
aufweisenden Bauteil vorgesehen, wobei das besagte zylindrische Bauteil aus
optisch durchlässigem Material gebildet ist, das einen Brechungsindex n&sub1;
besitzt, wobei das besagte zylindrische Bauteil einen runden Endabschnitt
besitzt, der mit einem mit einer optischen Faser verbundenen Verbinderteil
versehen ist, wobei der andere runde Endabschnitt mit einer Fresnel-Linse
versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine positive
Brennweite F besitzt, die kürzer ist als die wirksame Länge, wobei die besagte
Brennweite F, die besagte wirksame Länge L, der besagte wirksame Radius R
und der besagte Brechungsindex n&sub1; den folgenden Formeln (I) und (II)
genügen;
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F/L = tan (sin&supmin;¹ (NA/n&sub1;))/tan (sin&supmin;¹(NA)) ...I
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R ≥ L · tan(sin&supmin;¹(NA/n&sub1;)) ...II
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worin NA die numerische Apertur der besagten optischen Faser ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer
herkömmlichen, mit einer optischen Faser gekoppelten Kollimatorlinse und einen
durch das herkömmliche System hindurchtretenden Lichtpfad zeigt;
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die ein anderes Beispiel einer
herkömmlichen, mit einer optischen Faser gekoppelten Kollimatorlinse und
einen durch das zweite herkömmliche System hindurchtretenden Lichtpfad
zeigt;
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Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die eine Kombination einer
Kollimatorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung und einer daran montierten
optischen Faser zeigt;
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Fig. 4 ist ein erläuterndes Schaubild, das den Betrieb der optischen
Faser-Kollimatorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 5 und 6 zeigen Beispiele von an einer Stirnseite der
Kollimatorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten Fresnel-Linsenmustern;
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Fig. 7 ist ein schematisches Schaubild, das eine Vorrichtung zum
Messen von Eigenschaften einer optischen Faser-Kollimatorlinse gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 8(a) bis 8(g) sind graphische Darstellungen, die von der in
Fig. 7 dargestellten Vorrichtung gemessene optische
Übertragungseigenschaften von Kollimatorlinsen zeigen; und
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Fig. 9(a) und 9(b) sind schematische Ansichten, welche
Lichtverzweigungsvorrichtungen zeigen, die optische Faser-Kollimatoren gemäß der
vorliegenden Erfindung verwenden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Kollimatorlinse für eine optische Faser gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine
mit einer optischen Faser 42 gekoppelte Kollimatorlinse 41 der vorliegenden
Erfindung zeigt. In Fig. 4 bezeichnet Rc den Lichtausbreitungswinkel von
aus einer lichtemittierenden Stirnfläche der optischen Faser 42 emittiertem
Licht, das sich durch die Kollimatorlinse 41 ausbreitet. Falls die optische
Faser eine numerische Apertur NA besitzt, und die Kollimatorlinse aus einem
optisch durchlässigen Material mit einem Brechungsindex n&sub1; gebildet ist,
sollte der Lichtausbreitungswinkel Rc die folgende Gleichung (III)
erfüllen:
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Rc = sin&supmin;¹(NA/n&sub1;) ....(III)
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Um einen parallelen Lichtstrom 43 aus der Stirnfläche an der Spitze
der Kollimatorlinse zur Verfügung zu stellen, müssen außerdem die wirksame
axiale Länge L und der wirksame Radius R der Kollimatorlinse der folgenden
Gleichung (II) genügen:
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R ≥ L · tanRc = L · tan(sin&supmin;¹(NA/n&sub1;)) .....(II)
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Wenn R kleiner ist als L · tanRc, dann wird ein Teil des sich durch
den Kollimator ausbreitenden Lichts an der Innenwand reflektiert, bevor es
die Stirnfläche erreicht. Eine derartige Kollimatorlinse kann aus dem von
der optischen Faser abgestrahlten Licht nicht wirkungsvoll einen parallelen
Lichtstrom erzeugen. Deshalb muß der Radius R der Kollimatorlinse der oben
genannten Formel (II) genügen.
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Weiter sollte die Kollimatorlinse eine runde, mit einer eine positive
Brennweite F aufweisenden Fresnel-Linse gebildete Stirnfläche 44 besitzen,
um einen parallelen Lichtstrom aus der runden Stirnfläche mit einem
wirksamen Radius R zu erzeugen, wobei der parallele Lichtstrom aus Licht
gebildet
wird, das seinen Ursprung auf der lichtemittierenden Stirnfläche der
optischen Faser hat und sich mit einem anfänglichen Ausbreitungswinkel 6c
durch die Kollimatorlinse ausbreitet.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 4 muß bei Licht eines Ausbreitungswinkels
Rmax die Linse mit der Brennweite F und der wirksamen axialen Länge L
ebenfalls der folgenden Gleichung (IV) genügen:
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F = L · tanRc/tanRmax ....(IV)
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In der Gleichung (IV) bezeichnet L die wirksame axiale Länge der
Kollimatorlinse. Diese Länge wird von der an einem Ende der Kollimatorlinse
angeordneten Stirnfläche der optischen Faser bis zu ihrem mit dem Fresnel-
Linsenmuster versehenen anderen Ende gemessen.
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Rmax kann durch die folgende Gleichung (V) dargestellt werden:
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Rmax = sin&supmin;¹(NA) ....(V)
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Die Gleichung (IV) kann deshalb in die folgende Gleichung (VI)
umgeformt werden:
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F = L · tan(sin&supmin;¹(NA/n&sub1;))/tan(sin&supmin;¹(NA)) ....(VI)
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Die mit der Kollimatorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung
gekoppelte und eine numerische Apertur NA aufweisende optische Faser wird aus
der Gruppe ausgewählt, die aus optischen Fasern mit Polymethylmethacrylat-
Kern mit numerische Aperturen NA zwischen 0,45 und 0,55, optischen Fasern
mit Polystyrol-Kern mit NA von 0,53 bis 0,58, optischen Fasern mit
Polycarbonat-Kern mit NA von 0,70 bis 0,80, usw. besteht.
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Die einen Brechungsindex n&sub1; besitzende Kollimatorlinse gemäß der
vorliegenden Erfindung wird überdies aus der Gruppe ausgewählt, die aus
einem Harz der Acryl-Gruppe mit einem Brechungsindex n&sub1; zwischen 1,47 und
1,50, einem Harz der Polystyrolgruppe mit einem Brechnungsindex n&sub1; zwischen
1,50 und 1,58, einem Harz der Siliziumgruppe mit einem Brechungsindex n&sub1;
zwischen 1,35 und 1,60 und einem Harz der Fluorgruppe mit einem
Brechungsindex n&sub1; zwischen 1,30 und 1,42 besteht.
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Wenn die Kollimatorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung für eine
optische Faser verwendet wird, kann der von der Stirnfläche der optischen
Faser emittierte divergierende Lichtstrom in einem parallelen Lichtstrom
umgewandelt werden, der mit hoher Richtwirkung über eine größere Entfernung
durch eine Atmosphäre übertragen werden kann.
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Wenn der vom optischen Faserende emittierte divergierende Lichtstrom
mit Hilfe der eine konvexe Form aufweisenden Kollimatorlinse konvergiert
wird, pflanzt sich der Lichtstrom sequentiell durch die optische Faser,
Luft, die Kollimatorlinse und Luft fort, wodurch Fresnel-Reflexionen an
jeder Phasengrenze auftreten können. Dabei kann eine Dämpfung von mehreren
Prozent auftreten. Jedoch kann der Lichtverlust infolge der
Fresnel-Reflexion dadurch stark verringert werden, daß ein Indexangleichöl, wie
beispielsweise Silikonöl in die Grenzfläche zwischen dem Faserende und der
Kollimatorlinse eingebracht wird.
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Die Kollimatorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen aus
der Stirnfläche der optischen Faser austretenden Lichtstrom in einen
parallelen
Lichtstrom umwandeln, der mit einem geringeren Übertragungsverlust
über eine große Entfernung wirksam übertragen werden kann. Die
Kollimatorlinse der vorliegenden Erfindung sorgt deshalb für derartige Vorteile und
ist in Form von Vorrichtungen für die optische Nachrichtenübermittlung
verfügbar, wie zum Beispiel in Form einer optischen Verzweigungsvorrichtung
und eines Teilers für Wellenlängen und anderer optischer Bauteile.
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Es wird ein Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
BEISPIEL
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Drei Arten optischer Fasern mit einer NA von 0,5 für die optische
Übertragung, die einen Kern aus Polymethylmethacrylat und einem aus einem
Fluorharz gebildeten Mantel umfassen, wurden hergestellt. Eine erste Faser
hatte einen Außendurchmesser von 1 mm (ESKA EH 4001; Warenzeichen der
Mitsubishi Rayon Co., Ltd.), die zweite Faser hatte einen Außendurchmesser von
500 um (ESKA EH 2001; Warenzeichen der Mitsubishi Rayon Co., Ltd.), und die
dritte Faser hatte einen Außendurchmesser von 250 um (ESKA EH 10;
Warenzeichen der Mitsubishi Rayon Co., Ltd.). Jede der drei optischen Fasern wurde
einer Kabelverarbeitung unterworfen.
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Polymethylmethacrylat mit einem Brechungsindex n&sub1; von 1,492 wurde als
Rohmaterial für die Kollimatorlinse verwendet. Zwei Arten von
Kollimatorlinsen wurden hergestellt, von denen jede einen wirksamen Radius von 5 mm
und 10 mm besaß. Der Ausbreitungswinkel Rc des vom Faserende in die
Kollimatorlinse abgestrahlten Lichts war 20 Grad, wie aus Gleichung (III)
ersichtlich ist. Aus der Formel (II) waren weiter die wirksamen axialen
Längen L der beiden Kollimatorlinsen L = 13,74 mm bezüglich der Linse mit dem
Radius von 5 mm und L = 27,48 mm bezüglich der Linse mit dem Radius von 10 mm.
Weiter waren die Brennweiten F:
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F = 8,64 mm für die Linse mit 5 mm Radius
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F = 16,93 mm für die Linse mit 10 mm Radius
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wie aus Gleichung (IV) ersichtlich ist.
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Zwei aus Polymethylmethacrylat gebildete zylindrische Stäbe mit
Radien von 5 mm und 10 mm wurden hergestellt. Jede der Stirnflächen der Stäbe
wurde einer Bearbeitung mit einer NC-Drehmaschine ausgesetzt, so daß
Fresnel-Linsen mit Brennweiten (F) von 8,64 mm und 16,93 mm gebildet wurden. Die
Teilung des Fresnel-Linsenmusters betrug ungefähr 100 um. Die Fresnel-Muster
wurden mit einem Oberflächenrauhigkeitsprüfer vom Nadelberührungstyp
gemessen und die erhaltenen Meßmuster sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
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Wie in Fig. 3 dargestellt, wurde die Spitze jedes Endes der drei
Arten von optischen Fasern 13 mit einem optischen Faserverbinder 12
verbunden. Ein Endabschnitt 14 an der Spitze jeder optischen Faser wurde in jedes
Kupplungsteil 15 der Kollimatorlinse eingeführt. Der Endabschnitt 14 an der
Spitze wurde mit einer Indexangleichflüssigkeit aus Silikonöl beschichtet
und in das Kupplungsteil 15 eingeführt, um dadurch eine optische
Faserbauteilkupplung mit der Kollimatorlinse bereitzustellen.
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Zwei unabhängige, mit den Kollimatorlinsen gekoppelte optische
Faserbauteile wurden hergestellt. Wie in Fig. 7 dargestellt, wurden freie
Stirnseiten
(Fresnel-Linsenseiten) einander gegenüberliegend und im Abstand
voneinander angeordnet. Ein optisches Faserende eines optischen
Faserbauteils wurde mit einer He-Ne Laserquelle verbunden und ein optisches
Faserende des anderen optischen Faserbauteils wurde mit einem optischen
Leistungsmeßgerät verbunden. Während der Abstand verändert wurde, wurde die
entsprechende Lichtschwächung des von der Kollimatorlinsenfläche (Fresnel-
Linsenseite) abgestrahlten Lichts gemessen. Die Ergebnisse sind in den
Fig. 8(a) bis 8(g) und unten in Tabelle 1 dargestellt.
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Wie in Fig. 8(a) dargestellt, betrug die Lichtübertragungsentfernung
nur einige cm, wenn eine Kollimatorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht mit dem Faserbauteil gekoppelt war, sondern die optischen Faserenden
zur optischen Übertragung lediglich einander gegenüberliegend angeordnet
wurden. Wie in den Fig. 8(b) bis 8(g) gezeigt wird, wurde andererseits
die Entfernung, über die das Licht übertragen werden konnte, sehr lang und
überschritt 50 cm, falls das optische Faserbauteil mit der Kollimatorlinse
der vorliegenden Erfindung versehen ist. Derartige, mit der Kollimatorlinse
versehene optische Faserbauteile konnten als Lichtverzweigungsvorrichtung,
wie in den Fig. 9(a) und 9(b) dargestellt, verwendet werden. Das
Lichtverzweigungsbauteil schließt eine optische Faser 91 für optische
Übertragung, eine mit der lichtemittierenden Stirnfläche der Faser verbundene
Kollimatorlinse 92, halbdurchlässige Spiegel 94, Kollimatorlinsen 93 zum
Empfang eines abgezweigten Lichtstroms und als Lichtempfänger dienende
optische Fasern 95 ein. Diese Kollimatorlinsen 92 und 93 sind in
Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Falls gewünscht, kann ein
optisches Filter 96, wie in Fig. 9(b) gezeigt, vor dem Kollimator 93 der
Lichtempfängerbauteile angeordnet werden.
Tabelle 1
Durchmesser der optischen Faser Kollimatorlinse Wirksame Radien Länge Brennweite Fresnel-Linsenmuster Ergebnis der Messung des Betrags der Lichtschwächung Fig. Keine Verwendung der Kollimatorlinse
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine spezielle
Ausführungsform derselben ausführlich beschrieben worden ist, ist es für den
Fachmann ersichtlich, daß verschiedene Änderungen und Abweichungen daran
vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.