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Die vorliegende Erfindung betrifft eine stroboskopische Messvorrichtung zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines Objektes im Raum mit genau einer Strahlungsquelle, die gepulste Strahlung bereitstellt und die auf das Objekt gerichtet ist, wobei die vom Objekt reflektierte Strahlung zur Ermittlung der Form- und/oder Lageänderungen über Aufnahmemittel detektierbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein stroboskopisches Messverfahren.
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Stroboskopische Messverfahren eignen sich zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines Objektes im Raum, wobei die Form- und/oder Lageänderungen des Objektes sehr schnell ablaufen und sehr kleine Wegestrecken umfassen, die mit gewöhnlichen bildgebenden Messverfahren nicht erfassbar sind. Folglich müssen sowohl sehr kleine Lageänderungen des Objektes im Raum messtechnisch erfasst werden, wobei auch eine Formänderung des Objektes selbst mittels stroboskopischer Messverfahren erfasst werden muss. Derartige Formänderungen ergeben sich beispielsweise bei schwingungsangeregten Objekten, wie dies bei Strahltriebwerken von Luftfahrzeugen im Betrieb beobachtet werden kann. Beispielhaft sei das Schwingungsverhalten von Schaufelelementen von Triebwerken für Luftfahrzeuge genannt, die im Betrieb Eigenschwingungen aufweisen können und die messtechnisch erfasst werden müssen. In diesem Zusammenhang kann die Scherografie genannt werden, dessen Verfahren auf der Messung von mechanischen Verformungen der Objektoberfläche beruht. Hieraus können Fehlstellen im Material detektiert werden, wobei ferner eine quantitative Beurteilung der Fehlstellen und deren Überwachung ermöglicht ist, da die Verformungen des Objektes im Zusammenhang mit mechanischen, festigkeitsrelevanten Eigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfung des Objektes stehen.
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Die
US 2006/006 1680 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Abbildungssystem für die Erfassung von Bildern eines sich verändernden Zielobjekts. Dabei werden Pulsfolgen, basierend auf unterschiedlichen Strahlungsquellen oder wellenlängentransformiert, mit unterschiedlichen Wellenlängen auf das Objekt ausgerichtet und vom Objekt reflektiert. Die Zeit zwischen nacheinander folgenden Pulsen wird durch die Repetitionsrate der respektiven Strahlungsquelle limitiert. Auch beträgt die Repetitionsrate maximal 1 GHz.
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Das vorliegende Verfahren nutzt eine Strahlungsquelle, mit der gepulste Strahlung bereitgestellt wird, wobei die Strahlungsquelle zumeist eine Laserstrahlquelle ist. Die Laserstrahlquelle emittiert gepulste Strahlung mit einer hohen Repetitionsrate, die die Anzahl der emittierten Laserpulse pro Zeiteinheit beschreibt. Die gepulste Strahlung wird auf das Objekt gerichtet, dessen Oberfläche diese reflektiert. Die reflektierte Strahlung kann mit Aufnahmemitteln detektiert werden, wobei sich die Form- und/oder Lageänderungen des Objektes im Verhalten der reflektierten Strahlung abbilden.
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Die reflektierte Strahlung wird über eine Kamera aufgenommen, wobei diese Bildfolgen des Objektes wiedergibt, die die räumlichen Änderungen des Objektes abbilden. Durch die Beleuchtung des Objektes mit ultrakurzen Pulsen im Sub-Pikosekundenbereich können Bilder eines Objektes quasi eingefroren werden. Nachteilhaft ist jedoch, dass die zeitliche Auflösung der räumlichen Änderungen durch die Repetitionsrate des Lasers und die Bildverarbeitungszeit der optischen Kamera begrenzt ist. Folglich ist nicht nur die minimal detektierbare Pulsdauer des Einzelpulses als limitierender Faktor zu nennen, da auch die Repetitionsrate des Lasers begrenzt ist und die erforderliche Bildverarbeitungszeit der optischen Kamera die Anzahl der detektierbaren Bilder pro Zeiteinheit begrenzt. Für sehr hochfrequente Formänderungen des Objektes im Raum oder für sehr hohe Geschwindigkeiten, mit denen sich das Objekt im Raum in der Lage ändert, können herkömmliche stroboskopische Messverfahren nicht eingesetzt werden, woraus sich das Erfordernis nach erweiterten Messmöglichkeiten für die Vermessung schnellster Vorgänge ergibt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein stroboskopisches Messverfahren und eine Messvorrichtung zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines Objektes im Raum derart weiterzubilden, dass eine zeitlich hoch auflösende Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines Objektes im Raum möglich ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem stroboskopischen Messverfahren zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines Objektes im Raum gemäß des Oberbegriff des Anspruchs 6 sowie einer Vorrichtung hierzu gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die auf das Objekt gerichtete Strahlung wellenlängen- und zeitkodiert bereitgestellt wird und wobei Mittel vorgesehen sind, mit denen die reflektierte Strahlung mehreren Aufnahmemitteln zeit- und wellenlängenabhängig zugeteilt wird.
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Durch die wellenlängen- und zeitkodierte Bereitstellung der gepulsten Strahlung ergibt sich die Möglichkeit, eine Bildfolge des Objektes bereitzustellen, die mehr Bilder pro Zeiteinheit aufweist, als dies der Repetitionsrate der gepulsten Strahlung entspricht. Die Wellenlängenkodierung bewirkt verschiedene Wellenlängen, in die der von der Strahlungsquelle emittierte Einzelpuls überführt wird. Folglich umfasst der Einzelpuls mehrere Farben, wobei die Zeitkodierung eine Aufeinanderfolge der farblich getrennten Pulse einer Pulsfolge beschreibt.
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Die Strahlungsquelle ist vorzugsweise eine Laserstrahlquelle, die zunächst Einzelpulse einer diskreten Wellenlänge emittiert. Durch die Wellenlängen- und Zeitkodierung werden die Einzelpulse in Pulsfolgen überführt, wobei aufeinanderfolgende Pulsfolgen die Repetitionsrate der Laserstrahlquelle beschreibt. Im Ergebnis wird die Anzahl der verfügbaren Einzelbilder pro Zeiteinheit mit dem Faktor vergrößert, der sich durch die Anzahl der Pulse ergibt, in die die vom Laser emittierten Einzelpulse überführt werden.
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Die Wellenlängen- und Zeitkodierung der auf das Objekt gerichteten Strahlung ergibt sich ebenfalls für die reflektierte Strahlung. Daher sind erfindungsgemäß Mittel vorgesehen, durch die die Pulse mehreren Aufnahmemitteln wellenlängenabhängig zugeteilt werden kann. Die Mittel für die Wellenlängen- und Zeitkodierung der auf das Objekt gerichteten Strahlung können entweder in der Strahlungsquelle selbst oder im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Objekt angeordnet sein. Die Mittel, die vorgesehen sind, die reflektierte Strahlung mehreren Aufnahmemitteln zuzuteilen, sind hingegen im Bereich des Strahlengangs angeordnet, der sich zwischen dem Objekt und den Aufnahmemitteln erstreckt. Folglich ist sowohl eine herkömmliche Strahlungsquelle als auch herkömmliche Aufnahmemittel, beispielsweise in Form von Kameras einsetzbar, wobei nicht eine Kamera sondern mehrere Kameras vorgesehen sind, die wellenlängenabhängig die reflektierte Strahlung detektieren. Im Folgenden werden sowohl die ersten Mittel zur Wellenlängen- und Zeitkodierung der auf das Objekt gerichteten Strahlung als auch die zweiten Mittel zur wellenlängen- und zeitabhängigen Zuteilung der Strahlung auf mehrere Aufnahmemittel genauer dargestellt.
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Zur Überführung der Einzelpulse in Pulsfolgen wird die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung mittels Strahlteilern in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt, wodurch sich unterschiedliche Weglängen für die Teilstrahlen ergeben. Strahlteiler sind im Allgemeinen optische Bauelemente, durch die ein Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt werden kann. Diese umfassen zumeist Substrate mit einer Oberflächenbeschichtung, die eine Teilreflexion der Strahlung bewirken, so dass im Ergebnis zwei Teilstrahlen mit einem Strahlteiler gebildet werden. Bei Anordnung mehrerer Strahlteiler kann ein Einzelstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden, wobei vorliegend drei Teilstrahlen vorgesehen sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch zwei Teilstrahlen oder mehr als drei Teilstrahlen vorgesehen sein, wobei mit einer höheren Anzahl der Teilstrahlen die Genauigkeit der Messung weiter erhöht werden kann. Die von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Einzelpulse weisen Pulslängen von wenigen Pikosekunden oder Femtosekunden auf. Wird der Einzelstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt, ergeben sich unterschiedliche Weglängen für die Teilstrahlen. Bei Pulsen mit derart kurzen Pulsdauern ergeben sich bei unterschiedlichen Weglängen aufeinander folgende Wellenzüge, die auf das Objekt auftreffen und an diesem wieder reflektiert werden.
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Die durch die Strahlteiler bereitgestellten Teilstrahlen durchlaufen optisch nichtlineare Materialien, wodurch diese wellenlängentransformiert werden. Die Wellenlängentransformation erfolgt durch Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der Materie der optisch nichtlinearen Materialien, wodurch eine Verlagerung der Wellenlänge erfolgen kann. Im Ergebnis ergeben sich mehrere Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge, die als Pulsfolge auf das Objekt gerichtet werden. Die Teilstrahlen werden dabei vor Auftreffen auf das Objekt mittels Kantenfilter wieder auf eine optische Achse vereinigt und durch ein Teleskop geleitet, um eine Kollimation der Teilstrahlen zu schaffen, bevor diese auf das Objekt auftreffen. Die Teilstrahlen bilden dabei die Pulsfolge, wobei bei drei Teilstrahlen drei Wellenzüge unterschiedlicher Wellenlängen aufeinander folgen und die Pulsfolge bilden. Die Pulsfolge wird dabei mit der Repetitionsrate der Laserstrahlquelle wiederholt, so dass eine kontinuierliche Folge der Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen auf das Objekt auftrifft.
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Das stroboskopische Messverfahren beruht auf dem Prinzip der Reflexion der auf das Objekt gerichteten Strahlung, in der sich die Form- und/oder Lageänderungen des Objektes abbilden. Die reflektierte Strahlung wird daher zunächst mit einem weiteren Teleskop erfasst, wobei alle Wellenzüge mit den jeweiligen Wellenlängen auf einer optischen Achse kollimiert werden. Nach Durchlauf des Teleskops wird die reflektierte Strahlung mittels einer Filteranordnung wieder in die einzelnen Wellenzüge aufgeteilt. Die Filteranordnung kann aus Farbfiltern bestehen, die auf die zuvor aufgeteilten Wellenlängen der Teilstrahlen abgestimmt sind. Im Ergebnis können über die Aufnahmemittel die einzelnen Teilstrahlen detektiert werden, die zuvor mittels der Strahlteiler und der optisch nichtlinearen Materialien in einzelne Teilstrahlen aufgeteilt und wellenlängentransformiert wurden.
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Die Aufnahmemittel sind derart beschaffen, dass diese die vom Objekt reflektierten Wellenzüge einzeln aufnehmen können, wobei diese durch die Aufnahmemittel diskret weiter verarbeitet werden. Die Aufnahmemittel können vorzugsweise durch Kameras gebildet werden, die farblich kodierte Bilder aufnehmen können. Es ist auch vorstellbar, eine Kamera zu verwenden, die getrennt nach Farben den Teilstrahlen zu einem jeweils diskreten Zeitpunkt eine Abbildung des Objektes hinsichtlich der Form- und/oder Lageänderung zuordnet. Die farblich kodierten Bilder werden nachfolgend einer Bildverarbeitungseinheit zugeleitet, die diese miteinander vergleicht und eine Bildsequenz erzeugt.
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Das vorliegende Messverfahren bedient sich daher der Möglichkeit, einen monochromatischen Einzelpuls kurzer Pulsdauer durch eine Wellenlängentransformation in farblich kodierte Teilstrahlen zu unterteilen. Über eine Weglängendifferenz der einzelnen Teilstrahlen können diese zeitlich versetzt werden, wobei die Pulsdauern der Teilstrahlen im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich angeordnet sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt drei Teilstrahlen mit drei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt. Werden mehr als drei Teilstrahlen erzeugt, kann eine Bildsequenz mit mehr als drei hintereinander ablaufenden Momentaufnahmen des Objektes erzeugt werden. Folglich steigt die Erhöhung der Messgenauigkeit mit der Anzahl der erzeugten und farblich unterschiedlichen Teilstrahlen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine stroboskopische Messvorrichtung zur Messung der Form- und/oder Lageänderungen des Objektes im Raum. Hierfür ist eine Strahlungsquelle vorgesehen, die gepulste Strahlung bereitstellt und die auf das Objekt gerichtet ist, wobei vom Objekt reflektierte Strahlung zur Ermittlung der Form- und/oder Lageänderungen über Aufnahmemittel detektierbar sind. Erfindungsgemäß sind erste Mittel vorgesehen, die die auf das Objekt gerichtete Strahlung wellenlängen- und zeitkodiert bereitstellen, wobei zweite Mittel vorgesehen sind, mit denen die reflektierte Strahlung mehreren Aufnahmemitteln wellenlängen- und zeitdiskret zuteilbar ist. Die ersten Mittel sind dabei durch Strahlteiler gebildet, mit denen die Strahlung in mehrere Teilstrahlen aufteilbar ist, wobei die ersten Mittel ferner optisch nichtlineare Materialien aufweisen, mit denen die Teilstrahlen wellenlängentransformierbar sind. Hingegen sind die zweiten Mittel durch eine Filteranordnung gebildet, die die vom Objekt reflektierte Strahlung wellenlängendiskret mehreren zugeordneten Kameras zuteilt. Schließlich ist eine Bildverarbeitungseinheit vorgesehen, die die farblich kodierten Bilder von den Kameras miteinander vergleicht und hieraus eine Bildsequenz erzeugt.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Strahlengangs zwischen einer Strahlungsquelle und einem Objekt mit ersten Mitteln zur Ausführung des erfindungsgemäßen stroboskopischen Messverfahrens;
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2 eine beispielhafte Darstellung des Verlaufes der durch die Strahlungsquelle bereitgestellten gepulsten Strahlung, die aus einer Pulsfolge von drei farblich kodierten Pulsen besteht und
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3 eine schematische Darstellung des Strahlengangs der vom Objekt reflektierten Strahlung in Richtung mehrerer Aufnahmemittel, die durch Kameras gebildet sind und die die Teilstrahlen farblich getrennt voneinander detektieren.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Strahlengangs zwischen einer Strahlungsquelle 2 und einem Objekt 1 dargestellt, mit dem ein stroboskopisches Messverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden kann. Die Strahlung wird von der Strahlungsquelle 2 als gepulste Strahlung 3 bereitgestellt und auf das Objekt 1 gerichtet. Die gepulste Strahlung 3 besteht aus einer Folge von Einzelpulsen, wobei die Strahlungsquelle 2 als Laserstrahlquelle ausgeführt ist. Die Einzelpulse sind monochromatisch, kohärent und verlaufen parallel der optischen Achse der gepulsten Strahlung 3. Die Einzelpulse treffen auf Strahlteiler, durch die die gepulste Strahlung 3 in mehrere Teilstrahlen 3a, 3b und 3c aufgeteilt wird. Insgesamt sind drei Strahlteiler 4a, 4b und 4c vorgesehen, wobei der erste Strahlteiler 4a beispielsweise ein Drittel der Strahlung durchlässt und zwei Drittel der Strahlung auf die benachbarten Strahlteiler 4b und 4c umlenkt. Folglich ist der Strahlteiler 4b derart ausgelegt, dass dieser 50% der Strahlung reflektiert und 50% der Strahlung den Strahlteiler durchlaufen kann. Schließlich ist der Strahlteiler 4c als reine Strahlumlenkung ausgebildet und weist eine Reflexion von 100% auf. Im Ergebnis werden drei Teilstrahlen 3a, 3b und 3c gebildet, die alle eine im Wesentlichen gleiche Intensität aufweisen.
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Die Teilstrahlen 3a, 3b und 3c durchlaufen jeweils zugeordnete optisch nichtlineare Materialien 5a, 5b und 5c, die eine Wellenlängentransformation der Teilstrahlen 3a, 3b und 3c bewirken. Folglich sind zumindest die Teilstrahlen 3b und 3c wellenlängentransformiert, so dass alle drei Teilstrahlen 3a, 3b und 3c eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisen. Die Teilstrahlen werden durch Kantenfilter 6a, 6b und 6c wieder auf die optische Achse vereint, so dass alle drei Teilstrahlen 3a, 3b und 3c ein Teleskop 7 durchlaufen können, um eine Kollimation der Strahlung zu bewirken, die auf das Objekt 1 gerichtet ist. Aufgrund der Weglängendifferenz der Strahlengänge der Teilstrahlen 3a, 3b und 3c entsteht ein zeitlicher Versatz der farblich unterschiedlichen Einzelpulse, da sich die Pulslängen im Pikosekunden- oder im Femtosekundenbereich befinden.
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2 zeigt drei aufeinander folgende Farbpulse, die durch die Pulsfolgen mit den getrennten Wellenzügen λ1, λ2, und λ3 dargestellt sind. Die Einzelpulse sind durch die jeweiligen Pulsfolgen wiedergegeben, wobei drei Einzelpulse mit jeweils drei Farbpulsen dargestellt sind.
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3 zeigt den Strahlengang der vom Objekt 1 reflektierten Strahlung. Diese trifft zunächst wieder auf ein Teleskop 8, das eine Kollimation der Strahlung bewirkt. Anschließend trifft die Strahlung auf eine Filteranordnung 9, die die Strahlung wie in obenstehend bereits beschriebener Weise in die einzelnen Wellenzüge λ1, λ2, und λ3 aufteilt. Folglich ist die Filteranordnung 9 als eine Anordnung von drei Farbfiltern ausgeführt, so dass mehrere Kameras 10a, 10b und 10c beleuchtet werden können. Daher wird die Kamera 10a mit dem Puls der Wellenlänge λ1, die Kamera 10b mit dem Puls der Wellenlänge λ2 und die Kamera 10c mit dem Puls der Wellenlänge λ3 ausgeleuchtet. Schließlich ist eine Bildverarbeitungseinheit vorgesehen, an die die farblich kodierten Bilder durch die Kameras geleitet werden, die diese miteinander vergleicht und im Ergebnis eine Bildsequenz erzeugt. Der zeitliche Abstand von Bild zu Bild innerhalb der Bildsequenz, die durch die Wellenzüge λ1, λ2, und λ3 erzeugt wurden, entspricht dem zeitlichen Abstand zwischen den Wellenzügen λ1, λ2, und λ3, der sich durch die Weglängendifferenz der Teilstrahlen 3a, 3b und 3c ergibt. Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen stroboskopischen Messverfahren eine erhebliche Erhöhung der zeitlichen Auflösung der Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines Objektes im Raum ermöglicht, wobei eine weitere Erhöhung der zeitlichen Auflösung der Messung durch eine Überführung der Einzelpulse in mehr als drei Pulse einer Pulsfolge ermöglicht ist.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- 2
- Strahlungsquelle
- 3
- Strahlung
- 3a
- erster Teilstrahl
- 3b
- zweiter Teilstrahl
- 3c
- dritter Teilstrahl
- 4
- Strahlteiler
- 5a
- optisch nichtlineares Material
- 5b
- optisch nichtlineares Material
- 5c
- optisch nichtlineares Material
- 6a
- erstes Kantenfilter
- 6b
- zweites Kantenfilter
- 6c
- drittes Kantenfilter
- 7
- Teleskop
- 8
- Teleskop
- 9
- Filteranordnung
- 10a
- erste Kamera
- 10b
- zweite Kamera
- 10c
- dritte Kamera
- 11
- Bildverarbeitungseinheit
- λ1
- erster Wellenzug
- λ2
- zweiter Wellenzug
- λ3
- dritter Wellenzug
