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Vorrichtung zur zweidimensionalen Vermessung von Lichtpunkten
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur zweidimensionalen
Vermessung von auf der Dingseite befindlichen Lichtpunkten, mit einer zwischen Dingseite
und Bildseite angeordneten Abbildungsoptik und zwei Fotodiodenzeilen zum Erfassen
der beiden Koordinaten des Lichtpunktes.
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Lichtempfindliche Dioden, die in einer Vielzahl in Zeilenform aneinandergereiht
sind, sind auch als sog. CCD-Zeile bekannt.
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Eine CCD-Zeile ist ein Halbleiterbauelement, das aus einer grossen
Zahl auf einem Substrat dicht integrierter MOS-Kondensatoren besteht, die ein analoges
Signal in Form von Ladungspaketen speichern können und die diese Ladungspakete bei
entsprechender Steuerung durch Taktsignale von Kondensator zu Kondensator weiterleiten
können. Die einzelnen Dioden oder auch Bildelemente werden auch als Pixel bezeichnet.
Ein einziges Pixel oder eine einzige Diode kann beispielsweise typisch eine Größe
von 0,013 x 0,013 mm2 oder auch 0,010 x 0,010 mm2 aufweisen. Die einzelnen Dioden
sind unmittelbar aneinanderstoßend in Zeilenform angeordnet. Es ist bekannt, in
einer solchen Zeile beispielsweise 256 - 4.096 einzelne Dioden bzw. Pixel anzuordnen.
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Wird eine einzelne Diode innerhalb der Zeile belichtet, so entsteht
eine elektrische Ladung, die in einen Zwischenspeicher verschoben wird. Die Zwischenspeicher
können dann ausgelesen werden, um festzustellen, welche der zahlreichen Dioden belichtet
worden ist. Die dabei erhältlichen Informationen können entweder analog als Helligkeitsverteilung
dargestellt oder mit Hilfe eines Analog-/Digital-Wandlers in Zahlenwerte umgeformt
werde. Die Belichtungszeit einerseits und die Auslesetaktrate andererseits können
gesteuert werden. Das Auslesen kann äußerst schnell erfolgen, z.B. mit einer Auslesetaktrate
von bis zu 20 MHz.
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Für eine Zeile mit 1.728 Dioden und einer Auslesetaktrate von 2 MHz
ergibt sich eine Wiederholfrequenz von 1,16 KHz. Es versteht sich, daß mit derartigen
Fotodiodenzeilen nur ein eindimensionales Messen möglich ist.
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Zum zweidimensionalen Messen ist es bekannt, die Dioden, Bildelemente
bzw. Pixel als Matrix anzuordnen, die dann aus n zeilen mit je m Dioden besteht.
Auf diese Art und Weise ergeben sich n x m Bildelemente. Die Bildelemente können
rechteckige Form, z. B. 0,018 x 0,030 mm2 oder auch quadratische Form, z. B. 0,023
x 0,023 mm2 haben. Daraus ergeben sich auch die Abstände in Zeile und Reihe. Eine
solche Fotodiodenmatrix wird auch als CCD-Array bezeichnet. Das Auslesen einer solchen
Matrix erfolgt zeilenweise, d. h. die n Zeilen werden zeitmäßig nacheinander ausgelesen.
Aus diesem Grund ist die Auslesezeit um den Faktor n größer als bei einer Einzelzeile.
Die übliche Auslesetaktrate liegt hier bei 50 Hz.
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Für eine zweidimensionale Messung wird eine Kamera mit einer Fotodiodenmatrix
eingesetzt. Für die Messung der dreidimensionalen Lage von Lichtpunkten werden üblicherweise
zwei derartige Kameras in Stereoanordnung benötigt. Solche Messungen sind z. B.
von erheblicher Bedeutung bei der zwei- oder dreidimensionalen berührungslosen Positionierung
von mobilen Robotern relativ zu einem Lichtpunkt. Ein solcher Lichtpunkt kann selbstleuchtend
ausgebildet sein, also z. B. als Diode oder auch durch Remission erzeugt werden.
Mit einer dreidimensionalen Punktvermessung kann somit auch die Oberfläche eines
Körpers erfaßt werden, wobei z. B. die Lichtpunkte von einem bewegten Laserstrahl
nach Scanntechnik erzeugt werden.
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Die für die angesprochenen Messungen verfügbaren Kameras, die mit
einer Fotodiodenmatrix arbeiten, haben vor alen Dingen zwei wesentliche Nachteile.
Die Anzahl der Fotodioden innerhalb der Matrix ist relativ gering und die Auslese
zeit ist relativ hoch. Oft wird auch, z. B. für Positionieraufgaben ein großer Bildbereich
bei hoher Auflösung in Verbindung mit einer kurzen Meßzeit verlangt. Diese Forderungen
können von einer Fotodiodenmatrix, bedingt durch deren konstruktiven Aufbau, praktisch
nicht oder nur sehr schwer erfüllt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, die mit einer geringen Anzahl von Fotodioden auskommt
und bei der die Auslesetaktrate relativ hoch gewählt werden kann, wie dies an sich
bei Fotodiodenzeilen möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die beiden Fotodiodenzeilen
getrennt voneinander in unterschiedlichen Bildebenen und nicht in einer gemeinsamen
Ebene angeordnet sind, daß die Abbildungsoptik einen halbdurchlässigen Spiegel und
zwei dem Spiegel nachgeordnete Zylinderlinsen aufweist, und daß die den Fotodiodenzeilen
zugeordneten Zylinderlinsen mit ihren Zylinderachsen windschief zueinander angeordnet
sind und die Koordinatenachsen festlegen. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus,
die Verwendung einer Fotodiodenmatrix mit mehreren Zeilen bei der zweidimensionalen
Vermessung zu verlassen und gleichsam eine Matrix aus zwei Zeilen in zwei räumlich
getrennte Zeilen voneinander aufzuteilen und damit zu messen. Die Erfindung setzt
somit die an sich bekannten Fotodiodenzeilen mit ihren höheren Auslesetaktraten
ein, jetzt aber nicht zur eindimensionalen, sondern zur zweidimensionalen Messung.
Diese beiden Fotodiodenzeilen werden in unterschiedlichen Bildebenen so angeordnet,
daß
sie nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen. Zur Abbildungsoptik
gehört weiterhin ein halbdurchlässiger Spiegel und zwei dem Spiegel nachgeordnete
Zylinderlinsen. Die Erfindung benutzt weiterhin die Erkenntnis, daß sich ein Punkt
mit Hilfe einer Zylinderlinse zu einem Strich bzw. Balken abbilden läßt. Aus einem
Leuchtpunkt wird dabei ein Lichtbalken. Bildet man diesen Lichtbalken schräg auf
der Fotodiodenzeile ab, dann wird das betreffende Bildelement im Schnittpunkt beleuchtet.
Aus der betreffenden Fotodiodenzeile läßt sich eine Koordinate auslesen.
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Gleiches gilt für die andere Fotodiodenzeile, wobei die Zylinderachsen,
die im allgemeinen Fall lediglich windschief zueinander angeordnet sein müssen,
zugleich die Koordinatenachsen festlegen. Mit diesen zwei Fotodiodenzeilen lassen
sich auf diese Art und Weise die X- und die Y-Koordinate des Lichtpunktes messen,
und zwar mit sehr großer Geschwindigkeit. Jeder auf diese Art und Weise erzeugte
Lichtbalken beschreibt in Verbindung mit dem Projektionszentrum der Abbildungsoptik
eine Ebene im Raum.
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Sämtliche Lichtpunkte im dingseitigen Bereich dieser Ebene werden
auf dem Lichtbalken abgebildet. Führt man dies mit Hilfe des halbdurchlässigen Spiegels
zweimal für den betreffenden Lichtpunkt durch, so werden letztendlich zwei Ebenen
im Raum definiert und der Lichtpunkt kann nur auf der Schnittgeraden dieser beiden
Ebenen im Raum liegen. Durch die Verwendung von zwei Fotodiodenzeilen wird erfindungsgemäß
gleichsam eine Pseudo-Array-Kamera geschaffen. Überraschend daran ist, daß man mit
Fotodiodenzeilen, die an sich bisher nur zur eindimensionalen Messung eingesetzt
wurden, auf die Art und Weise auch zweidimensional messen kann. Die Anwendung einer
etwas weiter ausgebildeten Vorrichtung erlaubt sogar eine dreidimensionale Messung,
und zwar ebenfalls unter Verwendung von nur zwei Fotodiodenzeilen, was völlig ungewöhnlich
ist. Es ist natürlich auch möglich, mit zwei Vorrichtungen, die zur zweidimensionalen
Messung ausgebildet sind, letztendlich dreidimensional zu messen.
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Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind darin
zu sehen, daß nur zwei Fotodiodenzeilen ausgelesen werden müssen. Dies kann parallel
zueinander geschehen, wodurch extrem kurze Meßzeiten erreicht werden. Die Meßfrequenz
liegt mit Sicherheit im KHz-Bereich. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die Auf lösung
in beiden Koordinatenrichtungen gleich sein kann und dem Abstand der Fotodioden
in der Zeile entspricht, also in einer Größenordnung von 0,010 bis 0,013 mm liegt.
Mit handelsüblichen CCD-Zeilen können auf diese Art und Weise 4.096 x 4.096 = 16.777.216
Bildpunkte bestimmt werden. Die Anzahl der Bildpunkte kann durch das Aneinanderreihen
von CCD-Zeilen weiter erhöht werden.
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Die Zylinderachsen können den Fotodiodenzeilen so zugeordnet sein,
daß der durch die Abbildung des Lichtpunktes jeweils entstehenden Lichtbalken orthogonal
auf der jeweiligen Fotodiodenzeile steht. Dies hat den Vorteil, daß ein größtmöglicher
Bildwinkel zur Verfügung steht. Die Auflösung ist dabei auf den Abstand der Dioden
in der Diodenzeile beschränkt.
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Die beiden Bildebenen, die beiden Fotodiodenzeilen und die beiden
Zylinderlinsen können jeweils orthogonal zueinander angeordnet sein. Damit ergibt
sich eine kompakte, kleinbauende Einheit, die als Kamera auch eine hinreichende
Stabilität besitzt.
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Die Abbildungsoptik kann eine dem halbdurchlässigen Spiegel vorgeordnete
Linsenoptik oder zwei nachgeordnete Linsenoptiken aufweisen. Bei der Nachordnung
erhöht sich der bauliche Aufwand geringfügig.
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Für die Realisierung des halbdurchlässigen Spiegels ergeben sich verschiedene
Möglichkeiten, z. B. auch als Strahlen teiler usw.
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Zum Zwecke der dreidimensionalen Vermessung können zwei derartige
Vorrichtung, wie beschrieben, in Stereoanordnung Verwendung finden. Es versteht
sich, daß dabei mit beiden Vorrichtungen der Dingraum mit dem zu vermessenden Lichtpunkt
gemeinsam überdeckt werden muß. Es ist aber auch möglich, den Aufwand nicht zu verdoppeln,
sondern lediglich eine etwas weitergebildete Vorrichtung für die dreidimensionale
Messung einzusetzen. Dies ist dadurch möglich, daß zwei Linsenoptiken vor oder nach
dem halbdurchlässigen Spiegel angeordnet sind, und daß im Bereich einer der beiden
durch den halbdurchlässigen Spiegel dingseitig definierten optischen Achsen ein
Oberflächenspiegel so angeordnet ist, daß sich auf der Dingseite ein gemeinsam überdeckter
Messraum ergibt. Der zusätzliche Aufwand ist hier an sich nur noch in einem Oberflächenspiegel
zu sehen, so daß überraschenderweise mit lediglich zwei Fotodiodenzeilen insgesamt
3 Koordinaten und somit der Lichtpunkt dreidimensional vermessen werden kann. Selbstverständlich
ist es dabei erforderlich, zu unterscheiden, im Bereich welcher optischer Achse
die zwei zueinander gehörigen Koordinaten jeweils ermittelt werden. Dabei ist es
möglich, daß der halbdurchlässige Spiegel und der Oberflächenspiegel so angeordnet
sind, daß der Schnittwinkel der optischen Achsen dingseitig möglichst groß, insbes.
900, ist. Es ergibt sich damit die größte Koordinatenmeßgenauigkeit.
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Die einzelne Vorrichtung kann auch dadurch bezüglich der Fotodiodenzeile
im Messbereich vergrößert werden, daß anstelle einer Fotodiodenzeile mehrere Fotodiodenzeilen
in einer Ebene vorgesehen und einer Zylinderlinse bzw. Abbildungsoptik zugeordnet
sind, auf die der Lichtbalken mittels Prismen, Spiegel o. dgl. abgebildet wird.
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In Verbindung mit dem halbdurchlässigen Spiegel ist es auch möglich,
zwei Meßräume mit einer einzigen Vorrichtung zu überwachen, wobei lediglich eine
Zuordnung zwischen den Meßräumen und den ermittelten Koordinaten erfolgen muß.
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Die Erfindung wird anhand einiger Ausfahrungsbeispiele weiter dargestellt
und verdeutlicht. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Abbildung
eines Lichtpunktes in einen Lichtbalken, Fig. 2 die räumliche Zuordnung der wesentlichen
Teile der Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform, Fig. 3 die Möglichkeit der
Verwendung von mehreren Fotodiodenzeilen anstelle einer Fotodiodenzeile, Fig. 4
eine räumliche Anordnungsmöglichkeiten der Vorrichtung zur Uberwachung von zwei
Meßräumen und Fig. 5 eine für eine dreidimensionale Messung weitergebildete Vorrichtung.
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Fig. 1 verdeutlicht die Abbildung eines Lichtpunktes 1, der auf der
Dingseite 2 vorgesehen ist zu einem Lichtbalken 3 auf einer Bildebene 4 im Bereich
der Bildseite 5. Dies geschieht mit Hilfe einer Abbildungsoptik 6, die eine Linsenoptik
7 und eine Zylinderlinse 8 aufweist. Die Zylinderachse 9 der Zylinderlinse 8 und
der Lichtbalken 3 legen in einer gemeinsamen Ebene, ja sogar parallel zueinander,
wenn die Bildebene 4 entsprechend positioniert ist. Die Abbildungsgesetze einer
Zylinderlinse 8 sind an sich bekannt. In einer ersten Abbildung erscheint der Lichtbalken
3 so wie dargestellt. Positioniert man nun eine Fotodiodenzeile 10 in der Bildebene
4 so, daß der Lichtbalken 3 schräg oder
auch quer die Fotodiodenzeile
10 schneidet, so wird das betreffende Diodenelement der Fotodiodenzeile 10 belichtet
und stellt damit eine Koordinate des Lichtpunktes 1 dar. Es versteht sich, daß in
Verbindung mit der Zylinderachse 9 und dem belichteten Element der Fotodiodenzeile
10 eine Ebene definiert ist, in der auch der Lichtpunkt 1 angeordnet ist.
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Die Anordnung nach Fig. 1 erlaubt noch keine zweidimensionale Vermessung,
soll aber die prinzipiellen Möglichkeiten einer solchen Abbildung mit einer Zylinderlinse
8 aufzeigen.
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Der in Fig. 2 dargestellte grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung für
eine zweidimensionale Messung baut zunächst auf der Anordnung gemäß Fig. 1 auf,
d. h. der Lichtpunkt 1 wird mit Hilfe einer Linsenoptik 7 durch einen als Strahlenteiler
ausgebildetem halbdurchlässigen Spiegel 11 und mittels der Zylinderlinse 8, deren
Zylinderachse 9 dargestellt ist, als Lichtbalken 3 mit einer Fotodiodenzeile 10
zum Schnitt gebracht, wodurch beispielsweise die Koordinate X festgelegt ist. So
wie die Zylinderlinse 8 an einer äußeren Planfläche des als Strahlenteilers ausgebildeten
halbdurchlässigen Spiegels 11 angeordnet ist, ist eine zweite Zylinderlinse 12 mit
ihrer Zylinderachse 13 orthogonal zu der Zylinderlinse 8 angeordnet. Mit Hilfe des
halbdurchlässigen Spiegels 11 und der Zylinderlinse 12 wird der Lichtpunkt 1 ein
zweites Mal als ein Lichtbalken 14 auf einer weiteren Fotodiodenzeile 15 abgebildet
und damit die Koordinate Y des Lichtpunktes 1 festgelegt. Die beiden Fotodiodenzeilen
10 und 15 sind getrennt voneinander in unterschiedlichen Bildebenen und nicht in
einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, daß es nicht unbedingt
erforderlich ist, die Zylinderlinsen 8 und 12 orthogonal zueinander anzuordnen.
Eine windschiefe Anordnung zueinander genügt. Jedoch trägt diese orthogonale Anordnung
zum
leichteren Verständnis bei. Jeder Lichtbalken 3, 14 beschreibt in Verbindung mit
dem Projektionszentrum der Abbildungsoptik 6 eine Ebene im Raum. Sämtliche LIchtpunkte
auf der Dingseite 2 dieser Ebene werden auf demselben Lichtbalken abgebildet. Es
lassen sich zwei Raumebenen definieren. Der Schnittpunkt von zwei Raumebenen ist
eine Schnittgerade 16, auf der der Lichtpunkt 1 liegt. Es versteht sich, daß sämtliche,
auf der Schnittgeraden 16 liegenden Lichtpunkte gleiche X und Y Koordinaten liefern.
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Die Darstellung der Fig. 3 soll verdeutlichen, daß mit Hilfe von Prismen
17 oder Spiegeln 18 die Möglichkeit besteht, den von einer Zylinder linse 8 abgebildeten
Lichtbalken 3 bereichsweise auf drei Fotodiodenzeilen 19, 20, 21 zu lenken. Die
Fotodioenzeilen 19, 20 und 21 ersetzen eine Fotodiodenzeile 10 oder 15.
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Der Vorteil besteht darin, daß die Fotodioenzeilen 19, 20, 21 den
Meßbereich vergrößern und außerdem parallel zueinander ausgelesen werden können,
so daß sich damit die Geschwindigkeit der Messung noch einmal vergrößern läßt.
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Gemäß Fig. 4 ist es möglich, mit einer Vorrichtung zwei verschiedene
Bildräume zu überwachen, wobei im einen Bildraum der Lichtpunkt 1 und im anderen
Bildraum der Lichtpunkt 22 angeordnet sein mögen. Mit Hilfe des halbdurchlässigen
Spiegels 11 läßt sich die Messung einmal in Richtung des Lichtpunktes 1 und einmal
in Richtung des Lichtpunktes 22 durchführen. Eine entsprechende Unterscheidung der
dabei gemessenen Koordinaten ist natürlich erforderlich. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Zylinderlinsen 8 und 12 orthogonal zueinander angeordnet. Auch hier reicht
selbstverständlich aie windschiefe Anordnung grundsätzlich aus.
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Aus den bisherigen Ausführungen ist für den Fachmann erkennbar, daß
die zweifache Anwendung einer Vorrichtung zur zweidimensionalen Messung dann eine
dreidimensionale Messung erlaubt, wenn eine Stereoanordnung verwirklicht wird.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Vorrichtung zur
dreidimensionalen Vermessung, wobei aber lediglich zwei Fotodiodenzeilen 10 und
15 eingesetzt werden. Der halbdurchlässige Spiegel 11 wird einmal nach der einen
und zum anderen nach der anderen Richtung benutzt. Zu diesem Zweck muß neben der
Linsenoptik 7 noch eine weitere Linsenoptik 23 vorgesehen sein. Die beiden Linsenoptiken
7 und 23 könnten auchlinter dem halbdurchlässigen Spiegel 11 angeordnet sein.
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Beispielsweise der Linsenoptik 23 ist ein Oberflächenspiegel 24 zugeordnet,
und zwar derart, daß auch in dieser Richtung die Dingseite 2 mit dem Lichtpunkt
1 überdeckt wird. Auf diese Art und Weise ist es möglich, mit den Fotodiodenzeilen
10 und 15 einmal durch die Linsenoptik 7 zwei Koordinaten festzustellen. Auch durch
die Linsenoptik 23 ergeben sich zwei Koordinaten. Die jeweiligen Koordinatenpaare
müssen jetzt nur sich unterschieden werden, was z. B. mit einer Chopper-Scheibe
25 geschehen kann, die in dem Strahlengang der Linsenoptik 23 angeordnet ist. Eine
solche Chopper-Scheibe ist eine sich drehende Scheibe, die z. B. Fenster oder Aussparungen
aufweist, so daß der Strahlengang einmal freigegeben und einmal abgedeckt wird.
Auf diese Art und Weise erscheinen auf den Fotodiodenzeilen 10 und 15 immer abwechselnd
2 und 4 Koordinatensignale. Auch andere Unterscheidungsmethoden sind denkbar.
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Bezugszeichenliste: 1 = Lichtpunkt 2 = Dingseite 3 = Lichtbalken 4
= Bildebene 5 = Bildseite 6 = Abbildungsoptik 7 = Linsenoptik 8 = Zylinderlinse
9 = Zylinderachse 10 = Fotodiodenzeile 11 = halbdurchlässiger Spiegel 12 = Zylinderlinse
13 = Zylinderachse 14 = Lichtbalken 15 = Fotodiodenzeile 16 = Schnittgerade 17 =
Prisma 18 = Spiegel 19 = Teilzeile 20 = Teilzeile 21 = Teilzeile 22 = Lichtpunkt
23 = Linsenoptik 24 = Oberflächenspiegel 25 = Chopper-Scheibe
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