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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mess- und Prüfvorrichtung zur Bestimmung
der optischen Eigenschaften von Linsen und Objektiven. Es ist notwendig,
die optischen Eigenschaften zu bestimmen, um einen hohen technologischen
Standard von Linsen und Objektiven zu gewährleisten und um theoretisch
vorbestimmte Leistungsparameter zu verifizieren. Ein wesentliches
Merkmal der Leistungsfähigkeit
dieser optischen Komponenten ist z. B. die optische Übertragungsfunktion.
Viele Objektive werden insbesondere hinsichtlich hoher Werte der
optischen Übertragungsfunktion
optimiert. Zur Überprüfung von
Toleranzeinhaltungen und Produktionsgenauigkeiten werden, sowohl
bei einzelnen Linsen als auch bei Linsengruppen in Form von Objektiven, Messvorrichtungen
benötigt.
Diese Messvorrichtungen sollten flexibel an die Anforde rungen der
zu prüfenden
Linsen bzw. Objektive, im folgenden auch Prüflinge genannt, adaptierbar
sein. Desweiteren sind wartungsarme, kompakte und störunempfindliche
Messvorrichtungen erstrebenswert. Multifunktional einsetzbare Messvorrichtungen
sollten zudem die Möglichkeit
eröffnen,
neben der optischen Übertragungsfunktion
auch weitere Kenngrößen der
Prüflinge
zu erfassen. Dies können
z. B. Verzeichnungen oder Bildfeldwölbungen sein.
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Verfahren
und Vorrichtungen zur Vermessung der optischen Eigenschaften von
Linsen und Objektiven sind bereits Stand der Technik. Eine solche
Vermessung ist notwendig, da eine hohe Qualität von Linsen und Objektiven
heute trotz hoch entwickelter Designsoftware und hoch entwickelter
Produktionstechniken nicht immer gegeben ist. Insbesondere Fertigungsfehler
beeinflussen die Abbildungsqualität signifikant. Für die Charakterisierung der
Abbildungsleistung von Optiken nach dem Produktionsprozess hat sich
die sogenannte Modulationsübertragungsfunktion
(MTF) zunehmend durchgesetzt. Diese ist Bestandteil der optischen Übertragungsfunktion.
Die MTF gibt den Quotienten von Bild- zu Objektkontrast in Abhängigkeit
der Ortsfrequenz bei Abbildung eines Liniengitters mit cosinusförmiger Transmission
an. Die Ortsfrequenz wird in Linienpaaren pro mm (lp/mm) ausgedrückt. Aufgrund der
Kontrastbestimmung eines Liniengitters vereinigt die MTF die optischen
Kenngrößen Auflösung und Kontrast
in einer gemeinsamen Darstellung. Ein Merkmal der MTF-Messung ist,
dass sie die Prüfung optischer
Systeme entsprechend der angestrebten Anwendung erlaubt. Feldpositionen,
Spektralbereiche, Abbildungslängen
und Objekt- sowie Bildschnittweiten können mittels einer entsprechenden MTF-Messeinrichtung
simuliert werden.
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Bei
der klassischen MTF-Messung wird das Bild einer Kante oder eines
Spaltes, welches vom Prüfling
erzeugt wird, durch eine mechanische Scanbewegung fotometrisch abgetastet.
Die resultierende Kantenbildfunktion stellt die Lichtintensität in Abhängigkeit
der Scanposition dar. Aus der Kantenbildfunktion kann rechnerisch
die Linienbildfunktion abgeleitet werden, ein eindimensionales Intensitätsprofil
des Bildes. Die MTF des optischen Systems ist die Fouriertransformierte
der Linienbildfunktion.
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Die
Video-MTF-Messung ermöglicht
dagegen die gleichzeitige Darstellung des auszuwertenden Kanten-
oder Spaltbildes als Live-Bild beispielsweise auf einem PC-Monitor
sowie dessen Auswertung in Echtzeit.
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Mechanische
Abtastbewegungen sind hierbei nicht mehr notwendig. Das Messfeld
wird durch ein frei positionierbares Messfenster eingegrenzt. Eine
leistungsfähige
Auswertesoftware führt
das Messfenster bei automatisierten Messabläufen nach. Meridionale und
sagittale Daten, also Daten in der Ebene aus Objektpunkt und optischer
Achse und Daten in der dazu senkrechten Ebene, welche ebenfalls die
optische Achse enthält,
können
gleichzeitig aufgenommen werden. Hierzu wird eine entsprechend orientierte
Kante durch den Prüfling
und ein Messobjektiv auf ein zweidimensionales Detektorarray (Kamera)
abgebildet. Die MTF kann ebenso aus einem entsprechend orientierten
Spaltbild berechnet werden.
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Die
für alle
vorgestellten Messsysteme notwendige Beleuchtungsbaugruppe besteht
heutzutage aus einer Lampe, einer oder mehreren Kondensorlinsen
und einem Testchart (dies ist ein lithographisch hergestelltes Glasdia
mit einem hochpräzisen Kanten-
oder Spaltbild) und ist auf einer Schrittmotorführung senkrecht zur optischen
Achse montiert. Mit Hilfe dieser motorischen Verstellmöglichkeit
kann das Testchart an verschiedenen Objektfeldpositionen des Prüflings positioniert
werden. Die Messgenauigkeit hängt
hierbei primär
von der Positioniergenauigkeit des verwendeten Schrittmotors ab.
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Die
Nachteile der bisherigen Verfahren bestehen vor allem in
- – der
Verwendung eines lithographisch hergestellten Testcharts. Dieses
Testchart ist unveränderlich
und erlaubt somit keine Variationen der Testbedingungen der MTF-Messung
(z.B. der Breite des Spaltes) und keine Prüfung anderer Kenngrößen der
optischen Abbildung (z.B. der Verzeichnung).
- – der
Verwendung von Schrittmotoren zur mechanischen Positionierung des
Testcharts an verschiedenen Objektfeldpositionen. Die Positioniergenauigkeit
des Schrittmotors begrenzt hierbei wie beschrieben die Messgenauigkeit.
- – der
Verwendung einer komplexen Beleuchtungsbaugruppe aus Lichtquelle,
Kondensoroptik, Testchart und zusätzlichen Filtern (z.B. zur
Wellenlängenselektion).
Durch die Komplexität
bzw. durch Produktionsungenauigkeiten der Baugruppenelemente wird
die Messgenauigkeit ebenfalls begrenzt.
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Die
DE 101 54 125 A1 beschreibt
ein Abbildungssystem, bei dem abhängig von der Prüfungsaufgabe
das Objektmuster durch elektronische Ansteuerung der Mustererzeugungsvorrichtung
verändert
werden kann, im Sinne von z.B. einer Verschiebung oder Verdrehung
des Objektmusters. Das verwendete Display selbst ist eine starre
Vorrichtung, die keinerlei Veränderung
der räumlichen
Lage einzelner Pixel zueinander erlaubt. In der Vorrichtung zur
Beurteilung der Güte
eines Messfeldes oder eines Linsensystems gemäß der
DE 201 11 617 U1 wird ein
Testbild auf einem starren selbstleuchtenden Abbildungssystem, beispielsweise
einem Monitor, erzeugt. Die einzelnen selbstleuchtenden Elemente
bzw. Pixel sind während
des Messprozesses nicht hinsichtlich ihrer relativen räumlichen
Anordnung zueinander veränderbar
und die Beleuchtungsvorrichtung ist kein selbstleuchtendenes und
flexibles, während
des Messprozesses verformbares Display.
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Die
DE 34 39 578 A1 und
die
DE 198 23 844 C1 befassen
sich mit nicht-selbstleuchtenden, d.h. mit jeweils einer separaten
Lampe beleuchtbaren, starren und nicht-variablen Teststrukturen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mess- und Prüfvorrichtung zur Bestimmung
der optischen Eigenschaften von Linsen und Objektiven zur Verfügung zu
stellen, die ohne Zuhilfenahme eines Testcharts, von Schrittmotoren
und von komplexen Elementen für
die Beleuchtungsbaugruppe beliebige Lichtstrukturen generiert und
durch den Prüfling auf
einen Empfänger
abbildet. Die Beleuchtungsbaugruppe einer derartigen Mess- und Prüfvorrichtung ist
dann sehr kompakt und störunempfindlich
und durch die Variabilität
in der Erzeugung verschiedenster Lichtmuster ist es möglich, verschiedenste
Kenngrößen der
Abbildungseigenschaften von Linsen und Objektiven zu überprüfen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Mess- und Prüfvorrichtung gemäß Patentanspruch
1 und ein Mess- und Prüfverfahren
gemäß Patentanspruch
26 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Mess- und Prüfapparatur
sowie des beschriebenen Verfahrens sowie Verwendungen werden in
den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Eine
erfindungsgemäße Mess-
und Prüfvorrichtung
weist die folgenden Bestandteile auf: eine selbstleuchtende Anzeigevorrichtung
hinreichender Lichtstärke
als Beleuchtungsbaugruppe, im Folgenden auch Mikrodisplay oder einfach
Display genannt, sowie eine Vorrichtung zur Detektion des durch
den Prüfling
generierten Abbildes der Anzeigevorrichtung. Das Display weist hierbei
mindestens zwei einzelne, selbstleuchtende Mikrodisplay- bzw. Displayelemente,
auch Pixel genannt, auf. Das Display ist erfindungsgemäß als flexibles,
während
des Messprozesses verformbares Display ausgestaltet. Die Mikrodisplayelemente
weisen vorteilhafterweise eine Kantenlänge im Bereich von 4 bis 400
Mikrometern, insbesondere im Bereich von 4 bis 20 Mikrometern und
vorzugsweise von 15 Mikrometern auf. Bei den Elementen handelt es
sich beispielsweise vorteilhafterweise um organische Leuchtdioden.
In einer vorteilhaften Ausführung
weist das Display ein zweidimensionales Array von in einer Ebene
angeordneten Pixeln auf. Die einzelnen Displayelemente werden zur
Generierung beliebiger Lichtstrukturen eingesetzt. Da derartige
Displays bzw. ihre Elektrodenstruktur mit photolithographischen
Techniken hergestellt werden, besitzen die einzelnen Dis playelemente
eine sehr gute intrinsische Maßverkörperung. Durch
Verwendung dergestaltiger Displayelemente können somit beliebige Teststrukturen
praktisch verzerrungsfrei erzeugt werden. Zudem ist das Display auf
einem flexiblen Trägermaterial
hergestellt, somit ist seine Form variabel gestaltet. Die Displays
können
auf vorteilhafte Art und Weise die in der Mess- und Prüftechnik
bisher eingesetzten, von hinten mit einer Kondensoroptik beleuchteten
Testcharts bzw. transmittive oder reflektive Mikrodisplays ersetzen. Diese
Displays erfordern ebenfalls eine komplexe Beleuchtungsbaugruppe
aus Lichtquelle, Homogenisator und Kondensoroptik. Das selbstleuchtende
Display wird so angeordnet, dass es bzw. seine einzelnen Display-
bzw. Anzeigeelemente über
den Prüfling,
beispielsweise die Linse oder das Objektiv, in dessen Bildebene
abgebildet wird. Die zu prüfenden Linsen
können
hierbei beispielsweise freie Durchmesser im Bereich von 2 bis 110
mm und Brennweiten im Bereich von 3 bis 90 mm aufweisen. Die Ansteuerung
jedes Displayelements erfolgt hierbei unabhängig vom Nachbarelement über direkte
oder indirekte, d.h. aus einem Pufferspeicher resultierende, Rechnersteuerung.
Durch die freie Ansteuerung der einzelnen Displayelemente wird ein
gewünschtes Testmuster,
im Fall der MTF das Muster einer Kante oder eines Spaltes, erzeugt.
Die Bildebene des Prüflings
wird dann mittels des Detektionssystems abgetastet. Als Detektionssystem
kann hier beispielsweise ein ein- oder zweidimensional abrasternder
Detektor, ein aus in einer Richtung angeordneten Einzelelementen
bestehender Zeilendetektor, oder ein zweidimensionales Flächendetektorarray,
also eine zweidimensionale Anordnung einzelner Detektorelemente,
eingesetzt werden. Ein solches Detektionssystem kann mit oder ohne
eine zusätzliche
Abbildungsoptik verwendet werden. Die Aufzeichnung der Messwerte
durch das Detektionssystem, also die Messung der In tensitätsverteilung
des Testmusters in der Bildebene, erfolgt dabei synchronisiert mit
der Ansteuerung des Displayarrays. Mit Hilfe der aufgezeichneten
Messwerte werden die gewünschten
optischen Abbildungseigenschaften des Prüflings, beispielsweise die
Modulationstransferfunktion, die Phasentransferfunktion, die optische
Verzeichnung oder asphärische
Abweichungen bestimmt.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Mess- und Prüfvorrichtung
wird die selbstleuchtende Anzeigevorrichtung direkt durch den Prüfling in dessen
Bildebene abgebildet und die Bildebene direkt mit dem Detektionssystem
betrachtet. Hierzu wird der Prüfling
zwischen der selbstleuchtenden Anzeigevorrichtung und dem Detektionssystem
angeordnet.
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In
einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die erfindungsgemäße Mess-
und Prüfvorrichtung
analog zur ersten beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungsform
aufgebaut, jedoch wird die Bildebene des Prüflings vom Detektionssystem durch
eine Abbildungsoptik hindurch betrachtet. Die Abbildungsoptik wird
hierzu zwischen der Bildebene des Prüflings und dem Detektionssystem
angeordnet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die erfindungsgemäße Mess-
und Prüfvorrichtung
eine Vorrichtung zur Abbildung der selbstleuchtenden Anzeigevorrichtung
in das Unendliche auf. Diese Vorrichtung kann beispielsweise ein Teleskop
sein. Die Vorrichtung wird zwischen der Anzeigevorrichtung und dem
Prüfling
angeordnet. Der Prüfling
seinerseits bildet dieses aus dem Unendlichen kommende Bild in seine
Bildebene ab. Die Bildebene des Prüflings wird direkt mit einem
Detektionssystem betrachtet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die erfindungsgemäße Mess-
und Prüfvorrichtung
analog zur eben beschriebenen Ausgestaltungsform eine Vorrichtung
zur Abbildung der Anzeigevorrichtung durch den Prüfling hindurch
auf, die Bildebene des Prüflings
wird jedoch von dem Detektionssystem durch eine Abbildungsoptik
hindurch betrachtet. Hierzu wird diese Abbildungsoptik zwischen
der Bildebene des Prüflings
und dem Detektionssystem angeordnet.
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Die
vorstehend beschriebene Mess- und Prüfvorrichtung für Linsen
und Objektive zeichnet sich im Vergleich zu den bisher bekannten
Vorrichtungen durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus:
- – Durch
die freie Adressierbarkeit jedes einzelnen selbstleuchtenden Displayelements
mit intrinsischer Maßverkörperung
ist die Erzeugung beliebiger Testmuster in hoher Genauigkeit möglich. Somit
können
die verschiedensten optischen Kenngrößen von Linsen und Objektiven,
wie beispielsweise die Modulationstransferfunktion, wie Verzerrungen
und Verzeichnungen bestimmt werden.
- – Der
Einsatz von Displayelementen unterschiedlicher Farben ermöglicht die
gezielte Verwendung definierter Wellenlänge zur Vermessung der optischen
Parameter.
- – Durch
die Verwendung des flexiblen Displays ist durch gezielte Verformung
des Displays eine in situ Wellenfrontadaption während des Messprozesses möglich, womit
komplexe Messaufgaben, wie beispielsweise die Asphärenprüfung, gelöst werden.
Mit Hilfe der Wellenfrontadaption sind optische Weglängendifferenzen
bzw. optische Gangunterschiede ausgleichbar.
- – Die
Beleuchtungsbaugruppe der Messvorrichtung be steht nur noch aus einem
einzigen Bauelement, der selbstleuchtenden Anzeigevorrichtung, und
ist somit sehr stabil, störunempfindlich und
kompakt.
- – Durch
die Verwendung großflächiger Displays ist
eine Vermessung der MTF an verschiedenen Objektfeldpositionen des
Prüflings
möglich,
ohne dass eine mechanische Verschiebung der Beleuchtungsbaugruppe
erforderlich ist. Dies führt zu
einem Geschwindigkeits- und Genauigkeitsgewinn, sowie zu erhöhter Störsicherheit
der Messvorrichtung.
- – Die
bei den bisher bekannten Beleuchtungsbaugruppen auftretende Erwärmung der
Maßverkörperung
durch intensive Lichtquellen und die damit verbundene Verfälschung
der Messwerte entfällt.
- – Die
erfindungsgemäß zum Einsatz
kommenden selbstleuchtenden Displays weisen eine lange Lebensdauer
und einen niedrigen Energiebedarf auf, dies führt zu niedrigen Betriebskosten.
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Erfindungsgemäße Mess-
und Prüfvorrichtungen
für den
Einsatz in der Linsen- und Objektivprüfung können wie in einem der nachfolgenden
Beispiele beschrieben ausgeführt
sein oder verwendet werden. In den zu den nachfolgenden Beispielen
zugehörigen
Figuren werden für
dieselben oder sich entsprechende Bestandteile bzw. Bauelemente
dieselben oder entsprechende Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
bei der die Bildebene des Prüflings
direkt mit einem Detektorsystem betrachtet wird.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
bei der die Bildebene des Prüflings
von einem Detektorsystem durch eine entspre chende Abbildungsoptik
hindurch betrachtet wird.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
bei der die Beleuchtungsbaugruppe durch ein Teleskop und den Prüfling abgebildet
wird und die Bildebene des Prüflings
direkt mit einem Detektorsystem betrachtet wird.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
analog zu 3, bei der die Bildebene des
Prüflings
von dem Detektorsystem durch eine entsprechende Abbildungsoptik
hindurch betrachtet wird.
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1 zeigt
ein Optikprüfgerät mit einer selbstleuchtenden
Anzeigevorrichtung als Beleuchtungsbaugruppe. Links in der Abbildung
ist ein flexibles Display 1 mit einer Vielzahl einzelner
Displayelemente 1a gezeichnet. Dieses erzeugt einen Lichtstrahl,
dessen Hauptstrahlen mit 7a und 7b bezeichnet
sind. Der Prüfling
ist so angeordnet, dass er das Display 1 in die Bildebene 3 abbildet.
Weiter im Strahlengang neben dem Prüfling 2 befindet sich
ein Detektionssystem 5 zur Abtastung der Bildebene 3 des Prüflings 2.
Mit Hilfe der freien Adressierbarkeit jedes Displayelements 1a auf
der Displayfläche 1 werden beliebige
Lichtmuster generiert und direkt durch den Prüfling 2 in dessen
Bildebene 3 abgebildet. Das Detektionssystem 5,
eine zweidimensionale Anordnung einzelner Detektorelemente bzw.
ein Flächendetektorsystem,
tastet diese Bildebene ab.
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2 zeigt
eine Messvorrichtung analog zu 1, jedoch
mit einer zusätzlichen
Abbildungsoptik 4. Für
die in diesem Beispiel verwendeten Bauteile sind konkrete Komponenten
konkreter Hersteller angegeben. Es versteht sich jedoch von selbst,
dass im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch Komponenten anderer Hersteller an ihre Stelle treten können. Die
Abbildungsoptik 4 ist einem Mikroskopobjektiv Planapochromat
20x/0,40 ∞/0,17-A (Carl-Zeiss
Jena). Analog zu 1 sind die selbstleuchtende
Anzeigevorrichtung 1, ein SVGA+ Rev 2 High Brightness Monochrome
Yellow OLED Display (eMagin Corporation, Hopewell Junction, NY,
USA), deren einzelne Displayelemente 1a, der Prüfling 2, ein
c-mount Objektiv Tevidon 1,8/16 (Carl Zeiss Jena), dessen Bildebene 3,
sowie die beiden Hauptstrahlen 7a und 7b gezeichnet.
Weiter im Strahlengang neben der Bildebene 3 befindet sich
eine weitere Abbildungsoptik 4, sowie neben der Abbildungsoptik
das Detektionssystem 5, eine Pulnix TM-6CN Kamera. Die Bildebene 3 wird
von dem Detektionssystem 5 durch die Abbildungsoptik 4 hindurch
betrachtet. Dies ist in der Figur durch die Darstellung der beiden
Hauptstrahlen 7c und 7d skizziert.
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3 zeigt
eine Messvorrichtung gemäß 1,
jedoch mit einem Teleskop 6 als weiterem Bauelement. In 3 ist
zwischen dem flexiblen Display 1 bzw. den Displayelementen 1a und
dem Prüfling 2 ein
Teleskop 6 angeordnet. Die selbstleuchtende Anzeigevorrichtung
wird hier durch das Teleskop 6 und durch den Prüfling 2 in
die Bildebene 3 des Prüflings
abgebildet. Dies ist in der Figur durch zwei von einem Displayelement 1a zum
Rand der das Teleskop 6 darstellenden Ellipse gehenden
Randstrahlen 8a und 8b skizziert. Die Bildebene 3 wird
direkt mit einem Flächendetektor 5 betrachtet.
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4 zeigt
eine Messvorrichtung gemäß 3,
je doch mit einer zusätzlichen
Abbildungsoptik 4. Zusätzlich
zum Flächendetektor 5 ist
in 4 zwischen der Bildebene 3 des Prüflings und
dem Flächendetektor 5 eine
zusätzliche
Optik 4 angeordnet, die die Bildebene 3 des Prüflings 2 auf
den Flächendetektor 5 abbildet.
Dies ist durch die beiden Hauptstrahlen 7c und 7d des
in der Bildebene 3 liegenden Abbildes des Displays dargestellt.