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Anordnung zur Lichtmodulation Die Anmeldung betrifft eine Anordnung
zur Modulation von durch periodische lichtbeugende Strukturen (z.B. Gitter, Zonenplatten)
gelenktem Licht zum Zwecke der Bewegungs-und/oder Positionsmessung mit Hilfe der
aus den relativ zu den Objekten bewegten Strukturen von Korrelations- bzw.
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Schrittgebern erhaltenen Signale.
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Eine Relativbewegung zwischen einem Objekt (bzw. seinem Bild) und
der Struktur wird in Richtung der Flächennormalen und/ oder wenigstens einer Flächen
tangen te der periodischen Struktur gemessen. Die Lichtmodulation ergibt sich aus
der statisch oder dynamisch auswertbaren Interferenzüberlagerung von zumindest teilkohärenten
Teilbildern (z.B. der Lichtquelle oder der Objektivpupille des optischen Systems,
welches das Objektbild auf der periodischen Struktur erzeugt) vorzugsweise in der
Empfängerfläche (z.B. Netzhaut, lichtelektrische Empfänger).
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Die Verwendung von relativ zueinander bewegten Gittern zum Zwecke
der Winkel- oder Längenmessung ist bekannt, beispielsweise durch: J. Guild "The
Interference Systems of Crossed Diffraction Gratings", Oxford 1956 und "Diffraction
Gratings as Measuring Scales", London 1960, oder J.M. Burch, Progr. in Optics 2,
S. 73-10S, Amsterdam 1963 oder F. Hock, A Conference on Molare Fringe Technology,19-20.6.72,
East Kilbride-Glasgow, oder
die DT-OS 1 946 301 sowie die Patentanmeldung
P 22 40 968.3.
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Auch die Geschwindigkeits- oder Positionsmessung statistisch lichtstreuender
Objekte ist durch: L.M. Bibermann, "Retioles in Eleotro-Optical Devioesd Chapter
8, London 1966, und die Patentanmeldung P 22 37 564.0 vorbekannt.
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Die Anwendung lichtstreuender bzw. gitterförmiger Strukturen zur Fokusbestimmung
ist beispielsweise durch die DT-OS 2 009 188 sowie die DT-OS 2 163 188 bekannt.
Die in der DT-OS 2 009 188 beschriebenen Einstellsoneiben dienen zur Anpassung der
von einer Kamera entworfenen Bilder auf die Augenlinse, nutzen jedoch nioht die
Interferenzeffekte zwisohen verschiedenen Pupillenbildern aus.
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Messungen mit grobstrukturierten Objekt- bzw. Bildortsfrequenzen sind
in der GB-PS 1 249 302 sowie in der DT-OS 2 156 617 vorbeschrieben. Die dort verwendeten
Gitter sind auch an Kameraoptiken als Pyramidenraster-Einstellscheiben bekannt.
Die Grundlage der Strahlaufteilung der in diesen Schriften beschriebenen Anordnungen
ist u.a. durch geometrisoh-optisohe Beziehungen bei der Signalgewinnung hinsichtlich
Brechzahlen und Neigungswinkel von Strukturelementen gegeben. Gleiches gilt für
die in der FR-PS 1 322 669 beschriebenen Anordnungen.
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Die CH-PS 538 708, US-PS 3 510 223 und US-PS 3 756 695 beschreiben
Gitter, die in der Fourier-Ebene eines Abbildungsstrahlenganges angeordnet sind
und zur Lichtstreuung aus dem Nutzstrahlengang heraus hohe Ortsfrequenzen und zur
Bildbeeinflussung durch die Lichtphase niedrige Strukturortsfrequenzen haben.
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Es ist ferner bekannt, zur Erzeugung von Gegentaktsignalen relativ
feine Phasengitter bevorzugt als Laminargitter zu verwenden. Dabei ist fur das Verhältnis
der Gitterkonstante der verwendeten beugenden Struktur zur Lichtwellenlänge ein
Bereich von 2t1 bis 20s1 (max. 50sol) einzurichten, innerhalb dessen noch mit ausreichender
Lichtausbeute Beugungsordnungen getrennt werden können, die benachbarten Raumwinkeln
geometrisch zugeordnet sind. Die mit der Ortsfrequenzfilterung verbundene geometrisohe
Trennung gewährleistet Zweistrahlinterferenzen und damit sinusbrmige Ortsabhängigkeiten
der Signale, wobei relativ hohe Ortsfrequenzen auftreten, die ihrerseits bezogen
auf die Relativgeschwindigkeiten zwisohen Beugungsgittern und Objektbildhohe Signalfrequenzen
zur Folge haben, die den Signal-Störabstand ungünstig beeinflussen. Häufig ist der
Energieinhalt des an den sohwaoh ausgebildeten hohen Objektortsfrequenzen gebeugten
Lichtes gering, so daß aus diesem Grund mit feinen Gittern nur geringe Signal-Rausch-Abstände
erreichbar sind.
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Bei relativ grober Gitterkonstante der aus der GB-PS 1 249 302 bekannten
Anordnungen wird das Verhältnis der Gitterkonstanten zur Wellenlänge meist groß
(über 20011) gewählt. Bei der Signalgewinnung mittels solcher Gitter sind außerdem
harmonische Oberwellen vorhanden, woduroh Objektgeschwindigkeiten bei Ausfall der
Objekt-Gittergrundfrequenz um ganzzahlige Faktoren falsoh gemessen werden können
und eine Unterteilung der Signale unsicher und ungenau wird. Entsprechende Ortafrequenzfilterung
in der Fourier-Ebene zur Erzwingung von Sinussignalen führt zu erheblichen Lichtverlusten.
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Weitere Nachteile der bekannten Anordnungen treten bei relativ zum
Objekt ruhendem Meßkopf auf, wenn z.B. das Meßgitter in seiner Ebene schwingen soll,
da insbesondere an große Gitterkonstanten angepaßte große Schwingungsamplituden
von
Laminargittern oder große Rotationsgeschwindigkeiten von Radialgittern erhöhten
Aufwand bei der Meßanordnung bedingen. Außerdem liegt bei den seither bekannten
Korrelations-Geschwindigkeits- oder Fokusmeßsystemen die Ortsfrequenz durch die
Gitter nach Betrag und Azimut fest, was Geräteanpassung an das Objekt erschwert.
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Aufgabe der Anmeldung ist, eine Anordnung zur Modulation von durch
periodische lichtbeugende Strukturen gelenktem Licht anzugeben, die Signale relativ
geringer Signalfrequenz mit eindeutig auswertbarer sinusförmiger Ortsabhängigkeit
und hoher Unterteilbarkeit liefern.
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Gegenstand der Anmeldung ist daher eine Anordnung der eingangs genannten
Art, die sich dadurch auszeichnet, daß mittels speziell geformter periodischer Strukturen
Licht zur Signalgewinnung nur in eine (in der jeweiligen Meßkoordinate) teschränkte
Zahl von Beugungsordnungen - bestehend aus Paaren oder Tripeln - gebeugt wird, wobei
zumindest teilkohärente Teilbilder mit gegeneinander verschobenen homologen Punkten
einander überlagertwerden1 und die Differenz der Ordnungszahlen der Paare (bzw.
Tripeln) von Beugungsordnungen klein ist gegen den in Ordnungszahlen ausgedrdckten
Abstand zu einem weiteren, der gleichen Meßkoordinate zugeordneten Paar (Tripel)
von Beugungsordnungen und daIindestens ein fotoempfindlioher Empfänger zur Umformung
der entsprechenden modulierten Liohtflüsse in entsprechende Informationsgrößen vorgesehen
ist.
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Folgende theoretische Überlegungen erläutern den Grundgedanken des
Anmeldungsgegenstandes: Eine Analyse der Feinstruktur der Winkelverteilung von relativ
zur Lichtwellenlänge grob (d.h. g > 50 A)strukturierten Gittern ergibt, daß bei
Beleuchtung mit monochromatischem Licht z.B. die Gitter nach der GB-PS 1 249 302
in
der Gitterkonstante entsprechenden Winkelabständen eine große Zahl von Beugungsordnungen
erzeugen, deren Intensitäten sich auf Bereiche höherer Beugungsordnungen - d.h.
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auf Winkelbereiche konzentrieren, für die die Brechungsgesetze die
Lichtrichtung vorschreiben. Bei hohen Ordnungszahlen variiert der von der Wellenlänge
abhängige Beugungswinkel relativ zur Ordnungszahl einer Standardwellenlänge entsprechend
sohnell. Die Signalstruktur resultiert aus der Intensitätsverteilung auf die einzelnen
Beugungsordnungenfür die jeweilige Lichtwellenlänge und aus der Überlagerung der
wellenlängenabhängigen Beugungsordnungen. Naoh bekannten Anordnungen ist ein nahezu
normverteiltes Intensitätsspektrum beispielsweise für zwei symmetrisohe Gruppen
von Beugungsordnungen in Fig. 1 dargestellt. Die in der neuen Anordnung verwendeten
Strukturen beschränken die Zahl der intensitätsmäßig auf die Empfänger wirksamen
Beugungsordnungen auf zwei (Fig. 2) oder höchstens 3 (Fig. 3).
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Oder anders ausgedrückt wird einer großen, technisch gut zugänglichen
beugungsoptisohen Strahlaufspaltung durch eine relativ hohe Ortsfrequenz - sozusagen
einer Trägerfrequenz - eine Überstruktur relativ niedriger Ortsfrequenz hinzugefügt.
Der dreidimensionale Raum der optischen Informationsverarbeitung bietet dabei gegenüber
dem eindimensionalen der Nachrichtentechnik (wegen nur einer Zeitkoordinate) entsprechend
größere Lösungsmannigfaltigkeiten.
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Bewegt man ein Beugungsgitter relativ zum zu beugenden Lichtbündel
um z Gitterkonstanten g, so ändert sich hinter dem Beugungsgitter die Liohtphase
der m-ten Beugungsordnung gegenüber der unverändert bleibenden Bezugswelle der nullten
Beugungsordnung um ztm 2T, die Lichtphase zwischen der m-ten und (m - n)-ten Beugungsordnung
um knn27r.
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Die Phasenänderung stellt sich bei Bewegungen als- Lichtfrequenzänderung
dar. Bei einer vorgegebenen Gittergeschwindigkeit V ändert sich die Lichtfrequenz
V0 je nach Bewegungsrichtung um
in den ersten Beugungsordnungen und dementsprechend um m'dY in der m-ten Beugungsordnung,
so daß die kohärenten Teilbilder durch die Beugung nicht nur geometrisoh gegeneinander
versetzt werden, sondern im Bewegungszustand zwischen Gitter und Objektbild auch
in der Lichtfrequenz gegeneinander versetzt werden! Die Differenzen dieser optischen
Frequenzen werden für die kohärenten Lichtanteile von den lichtelektrischen Empfängern
als elektrische Differenzsignale dieser Lichtfrequenzen wahrgenommen.
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Verwendet man drei wirksame gleichabständige Beugungsordnungen, so
entstehen nur oberwellenfreie Signale, wenn die Intensität der mittleren Beugungsordnung
die Summe der Intensitäten der beiden anderen übertrifft. Grundsätzlich ist das
Zusammenwirken von zwei oder drei Beugungsordnungen und die weitere Signalauswertung
gleichwertig zu behandeln, so daß die weiteren Erläuterungen sich auf Beugungs-Bilder-Ordnungspaare
beschränken können.
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Die beugenden Strukturen werden bevorzugt absorptionsfrei ausgebildet.
Dadurch ist gewährleistet, daß bei der Gewinnung eines modulierten Signals aufgrund
des Energieerhaltungssatzes ein gegenphasiges Signal gewonnen werden kann. Gegenphasige
Signalphasen erlauben bekanntlich die Unterdrückung von Gleichlichtanteilen und
Lichtintensitätsschwankungen (Vgl. z.B. US-PS 2 016 036).
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Es zeigen: Fig. 4 und 5 den erfindungsgemäßen Verlauf der Wellenfronten-Normalen
in Duroh- bzw. Auflicht an bekannten Gittern,
Fig. 6 eine neue Anordnung
mit zwei unter einem Winkel ç < 45 sverdrehtenGittern, Fig. 6a eine neue Anordnung
mit zwei dezentrierten Zonenplatten aus wechselnd transparenten und spiegelnden
Ringen, Fig. 7-9 im Schnitt gezeichnete Teilbereiohe der neuen Anordnungen mit Gittern
bzw. Zonenplatten mit besonderer Überstruktur durch X/2-Phasenhübe, Fig. 10, 11
im Schnitt gezeiohnete Teilbereiche der neuen Anordnung mit besonderer Überstruktur
durch alternierend erzeugte Polzustände bzw. mehrfache Blaze-Riohtungen, Fig. 12
im Schnitt gezeichnete neue Anordnung mit Schallwellen, Fig. 13 perspektivisch gezeiohnete
Teilbereiche einer neuen Anordnung mit mehrfach periodischen Phasengittern, Fig.
13a im Schnitt gezeichnete Teilbereiche einer neuen Anordnung mit einer Zonenplatte,
Fig. 14 im Sohnitt gezeichnete Teilbereiohe einer neuen Anordnung mit kombinierten
durchlässig und verspiegelten Phasengittern.
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Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Gitter haben die bekannten sinus-
bzw. dreieckförmigen Oberflächenprofile.
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Beugungspaare, dargestellt durch Wellenfronten-Normalen in den jeweiligen
Richtungen, entstehen beispielsweise durch zusätzliche Dichteschwankungen der blasbasis
dieser Gitter, so daß - wie in Fig. 4 dargestellt - im Durchlicht zwei Beugungsrichtungen
r, 1 mit Paaren der jeweiligen +10. (m1) und +12. (m1 + n1) Ordnung erscheinen,
oder - wie in Fig. 5 dargestellt - in Reflexion zwei Beugungsordnungen r, 1 mit
Paaren der 22. (m2) und -24. (m2 + n2) Ordnung erscheinen.
Die bevorzugten
Beugungspaare können auch durch zwei oder drei verschiedene, um einen Winkel çverdrehte
Laminargitter u, v bzw. dezentrierte Zonenplatten erzeugt werden.
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Dadurch sind die durch Strichrichtung und Gitterkonstante der beiden
Teilgitter u, v gegebenen Strukturvektoren selbst bei gleicher Gitterkonstante unterschiedlich.
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Das in Fig. 6 dargestellte, entsprechend beleuchtete Objekt 61 wird
mit der abbildenden Optik 62 in die Ebene der Gitter u, v abgebildet. Die Blende
62a, die die Pupillenebene dieser Optik 62 festlegt, wird durch die Linse 63 in
die (Fourier-)Ebene 64 der Gitter abgebildet. Dadurch bewirken die Gitter u, v in
der Fourier-Ebene 64~für jedes der beiden-Beugungsbilder der +1. Ordnung der von
den Gittern u, v getrennt als Beugungsbilder abgebildeten Blende 62a. Drei in den
Überlappungsbereichen dieser Bilder angeordnete fotoelektrische Empfängerflächen
k1> 2 und g liefern modulierte elektrische Signale für je zwei Bewegungskomponenten
(die Empfänger k1 2 messen in -v, -u bzw. +v, +u-Richtung; Der Empfänger g mißt
senkrecht dazu (-v, +u bzw. -u, +v-Richtung).
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Bei Verwendung eines relativ zum Objekt bzw. dessen Bild ruhenden
Meßkopfes können die Gitter unterschiedlicher Strukturvektoren u, v zueinander bewegbar
gelagert werden; bevorzugte Bewegung senkrecht zur Strichrichtung. Das hat den Vorteil,
daß nur Bauteile geringen Gewichts nur um Strecken, die der Ortsfrequenz (Trägerfrequenz)
eines Einzelgitters entsprechen, bewegt werden müssen. Beim Oszillieren bzw. stetigen
Bewegen um mindestens eine halbe Gitterkonstante werden bereits die beschriebenen
Signalfolgen mittels der neuen Anordnung erzielt, Es genügt bei diesen Gittern,
einen Teil - z.B. u - relativ langsam um eine Periode zu verschieben, um eine erheblich
größere (Weg-) Periode der Signalfrequenz durchzumodulieren. Bei Gittergebern
mit
elektrischen Trägerfrequenzsignalen (z.B. mit rotierenden Radialgitterscheiben DT-OS
1 804 028) können die zur Trägerfrequenzerzeugung erforderlicnen hohen Gesonwindigkeiten
durch langsame Relativbewegung einer in den Strukturvektoren unterschiedlichen Gitterkombination
u, v ersetzt werden.
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Unterschiedliche Strukturvektoren liegen auch vor, falls bei gleichen
Strichrichtungen die Gitterkonstanten unterschiedlich sind.
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Die Empfängerflächen (k und g) weisen auch vorteilhaft eine der Differenz
der jeweiligen Strukturvektoren entsprechende Breite in Meßrichtung auf.
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Um auch entfernt gelegene Objekte erfassen zu können, wird eine entsprechend
aus dieser Entfernung abbildende Optik (Fernrohr) verwendet, wobei die Pupille (des
Fernrohres) die Funktionen der Blende 62a erfüllen muß. Die Gitter können unterschiedliche
Dimensionen und Größen je nach Entfernung und Objektstruktur aufweisen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der neuen Anordnung, dargestellt in
Fig. 6a, können die Gitter durch spiegelnde Zonenplatten ersetzt werden. Bei Dezentrierung
der Platten ergeben sich in Duroh- und Auflicht - analog Fig. 14 -Beugungsbilderpaare
E1, E2. Der durch die Ringblende 66 herausgegriffene Objekt-Ortsfrequenzbereioh
mit beliebigem Azimut wird in die Brennebene 1. Ordnung der Zonenplatten bevorzugt
abgebildet und ergibt dort - je nach Betrag und Richtung der Zonenplattendezentrierung
- ein Maß für den Ortsfrequenzinhalt des Objekts.
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Die neue Anordnung mit Zonenplattenpaaren kann ferner
durch die Verwendung von je einer positiven und negativen
Amplitudenplatte
oder durch die Verwendung von komplementären Phasenzonenplatten variiert werden,
wobei die Gegentaktsignale durch die Kombination eines solchen Paares mit einem
aus identischen Platten bestehenden Paar erzeugt werden.
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In den Fig. 7-10 sind Gitter dargestellt, die aus Gitter-Elementgruppen
unterschiedlicher Strukturvektoren bestehen, z.B. aus Stufen oder Streifen, die
altertierend /2-Phasenhübe bzw. komplementäre Polarisationen bewirken und dadurch
die gewünschten Beugungspaare bevorzugen, die z.B. auch durch verschiedene Blaze-Richtungen
der Gitteroberflächen (Fig. 11) erreicht werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der neuen Anordnung mit beugenden Strukturen
durch Schall stellt Fig. 12 dar.
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Die beiden elektrisohen Schallgeneratoren 121, 122 wirken über ein
elektrisches Misoh- und Anpaßglied 123 auf den Schallumsetzer 124, der sich in einem
Schalltrog 125 befindet. Mit dem aus 1/4-S¢hichten bestehenden Reflektor 126 kann
beispielsweise eine stehende Schallwelle 1 erzeugt werden, gegen die die andere
Welle 2 stetig läuft, wenn sie hinter dem k1-Reflektor 126 im Bereioh 127 vollständig
absorbiert wird.
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Die besonderen Eigenschaften der Fig. 13 bestehen darin, daß ein laminares
Phasengitter mit X/2-Phasenhub, welches an sich die 0. Beugungsordnung unterdrückt,
in Unterabsohnitte zerlegt wird, die sich mit einem Sprung der halben Gitterkonstante
in der Teilungsphase alternierend aneinander anschließen. Das Laminargitter ohne
Überstruktur liefert ca. 2x 40% Intensität in die +1. Beugungsordnungen. Durch die
Verschiebung von gleichflächigen Gitterteilen um halbe Gitterkonstanten untereinander
( g/d) werden auch
diese Intensitäten ausgelöscht. Dafür erscheinen
die jejeweiligen 40% Intensitäten verteilt auf Beugungspaare, deren Abstand von
der (fehlenden) 1. Ordnung der Gitterkonstante der Überstruktur entspricht.
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Fig. 13a zeigt eine entsprechend aufgebaute Zonenplatte, die nach
dem Prinzip der neuen Anordnung zwei hintereinander liegende kohärente Brennflecken
(Bilder) liefert, wodurch sich insbesondere-Fokussierungsprobleme lösen lassen.
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In Fig. 14 ist ein Beispiel eines gemischten Phasen-Amplitudengitters
beschrieben, bei dem die hmplitudenstruktur durch verspiegelte Flächen wirksam wird,
die das Licht in reflektierte und durchgelassene Anteile zu gleichen Teilen auftrennt.
Die Phasen-Überstruktur bewirkt aus diesen Teilen die Auslöschung der 0. Ordnung
und dafür Bevorzugung der jeweils +1. Ordnungen. Der kleine Abstand n entspricht
den Abständen zwischen den jeweils +1. Ordnungen, während der große Abstand m durch
Trennung auf beide Seiten des Gitters gegeben ist.
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Selbstverständlich können auch zweidimensionale Kreuzgitterstrukturen
nach den gleichen Prinzipien aufgebaut werden, die dementsprechend in jeder der
beiden Teilungsrichtungen zwei wirksame Paare oder Tripel von Beugungsordnung erzeugen.