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Dokumentenidentifikation DE69506832T2 01.07.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0710423
Titel BILDPROJEKTIONSSYSTEM
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder JANSSEN, Peter, Scarborough, NY 10510, US;
SHIMIZU, Jeffrey, Peekskill, NY 10566, US
Vertreter Peters, C., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 22335 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69506832
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 05.05.1995
EP-Aktenzeichen 959159773
WO-Anmeldetag 05.05.1995
PCT-Aktenzeichen IB9500326
WO-Veröffentlichungsnummer 9531062
WO-Veröffentlichungsdatum 16.11.1995
EP-Offenlegungsdatum 08.05.1996
EP date of grant 23.12.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.07.1999
IPC-Hauptklasse H04N 9/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bildprojektionssystem mit:

einer Lichtquelle;

einer Projektionslinse zum Projizieren eines Bildes an einer Schaufläche;

einer Lichtstrecke, die sich zwischen der genannten Lichtquelle und der genannten Projektionslinse erstreckt;

einem Lichtventil in der genannten Lichtstrecke zwischen der genannten Lichtquelle und der genannten Projektionslinse, wobei dieses Lichtventil eine Reihe schwenkbarer Spiegelpixel aufweist, wobei diese Pixel um eine Schwenkachse schwenkbar sind, wobei diese Pixel auftreffendes Licht von der Lichtquelle entweder in die Projektionslinse reflektieren oder weg von der genannten Projektionslinse, zum Modulieren des Lichtes entsprechend derselben zugeführter Bildinformation; und

Aperturmitteln, vorgesehen in der genannten Lichtstrecke.

Der Ausdruck Bildprojektionseinrichtung sollte in weitem Sinne verstanden werden und umfaßt eine Einrichtung zum Wiedergeben, beispielsweise eines Videobildes, einer Graphik, numerischer Information oder zum Wiedergeben einer Kombination derselben. Die Bilder können monochrom sowie farbig sein.

Die meisten kommerziell erhältlichen Projektionsvideosysteme benutzen einzelne Projektionsstrecken für jede der drei Primärfarben. Die Systeme erfordern also ein Rotlichtventil, ein Grünlichtventil und ein Blaulichtventil und optische Strecken, die einwandfrei Ausrichtmerkmal Schirm konvergieren zollen, bilden einen Beitrag an der Aufwendigkeit des Systems. Neulich wurden Projektionsvideosysteme entwickelt, die nur ein einziges Lichtventil erfordern. Ein solches System ist ein sog. farbteilbildsequentielles System, wobei das normale Video-Teilbild, beispielsweise 1/50stel oder 1/60stel Sekunde, in drei Teile bzw. Farbsubteilbilder von beispielsweise 1/150stel oder 1/180stel Sekunde aufgeteilt wird.

Während der drei Farbsubteilbildern wird das Lichtventil sequentiell mit rotem, grünem und blauem Licht beleuchtet. Während das Lichtventil mit irgendeiner Farbe belichtet wird, werden die Videodaten, die dieser Farbe entsprechen, Ausrichtmerkmal Lichtventil wiedergegeben. Das Auge vereinigt dann die drei Farbsubteilbilder zu einem einzigen Vollfarbenteilbild. Das Auge vereinigt auch aufeinanderfolgende Videoteilbilder zu einem Bewegtbildvollfarbenvideo. Dieses System erfordert eine Einrichtung zur sequentiellen Beleuchtung der Oberfläche des Lichtventils mit den drei Farben. Die einfachste Ausführungsform solchen Einrichtungen ist ein Farbrad, das beim Drehen die Farbe eines von einer weißen Lampe herrührenden Strahls ändert.

Neulich sind verbesserte Lichtventile, insbesondere geeignet zum Gebrauch bei Projektionsfernsehsystemen erhältlich. Eine solche Einrichtung ist eine sog. verformbare Spiegelvorrichtung (manchmal auch als "deformable mirror device" = DMD bezeichnet), die in der US patentschrift Nr. 5.079.544 dargestellt ist, wobei das Lichtventil aus einer Anordnung winziger schwenkbarer spiegelartiger Pixel besteht, zum Ablenken eines Lichtstrahls, entweder durch die Projektionslinse hindurch zu dem Wiedergabeschirm (eingeschaltet) oder weg von der Projektionslinse (abgeschaltet). Diese Einrichtung eignet sich insbesondere zum Gebrauch bei einem teilbildsequentiellen System, weil die Pixel die Möglichkeit haben sehr schnell geschaltet zu werden. Durch die Möglichkeit einer sehr schnellen Schaltung der Pixel ist sogar eine Grauskalaerzeugung möglich.

Es gibt immer den Wunsch einer größeren Leuchtdichte bei Projektionsvideosystemen, so daß die Leuchtdichte der von Direktsichtsystemen (Elektronenstrahlerzeugungssystemen) nähert oder darüber hinaussteigt. Nebst einer großen Helligkeit, soll das Bild auch einen guten Kontrast haben, so daß das projizierte Bild nicht aus "in der Wächse erbleicht" erscheint. Ein übliches Verfahren zur Steigerung der Leuchtdichte bei einem Projektionsvideosystem ist die Apertur des Systems zu steigern. Das Steigern der Apertur erhöht aber meistens auch die Aufwendigkeit des optischen Systems und weiterhin kann der Systemkontrast verringert werden, weil die gesteigerte Apertur es erlaubt, daß mehr Streulicht in das System eintritt. Wo ein hoher Kontrast von ständiger Bedeutung ist, muß bei vielen Projektionssystemen die Apertur verringert werden, damit der Kontrast gesteigert wird, aber dies auf Kosten verringerter Leuchtdichte.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Bildprojektionssystem, das eine gesteigerte Leuchtdichte sowie einen größeren Kontrast hat. Dieses Systems weist dazu das Kennzeichen auf, daß die genannten Aperturmittel eine lange und eine kurze · Abmessung haben und in der Lichtstrecke vorgesehen sind, wobei die genannte große Abmessung parallel zu der Schwenkachse der Pixel des genannten Lichtventils vorgesehen ist.

Die asymmetrische Apertur liegt an einer oder mehreren Stellen längs der Lichtstrecke. Die Längsachse der asymmetrischen Apertur ist orthogonal zu der Schaltrichtung der Pixel. Wenn eine größere Kontrastleistung erwünscht ist, kann die Aperture weiterhin derart vorgesehen werden, daß sie kleiner ist in der Richtung, in der Licht durch die Struktur der DMD gebrochen oder gestreut wird. Die asymmetrische Apertur kann in der Lichtstrecke zwischen der Lampe und der DMD oder hinter der DMD, beispielsweise in der Projektionslinse oder an beiden Stellen vorgesehen werden. Die Erfindung läßt sich bei Farb- oder Monochromsystemen sowie bei Systemen, bei denen mehrere Lichtventile und mehrere Projektionslampen verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht der Oberfläche eines DMD- Lichtventils, wobei die Richtung der Scharniere der einzelnen Pixel dargestellt sind;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Winkeltrennung des auftreffenden Strahles, des ON-Strahles, des spiegelreflektierten Strahles und des OFF- Strahles in einem DMD-Projektionssystem,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildprojektionssystems,

Fig. 4 eine Darstellung eines Vergleichs zwischen einer symmetrischen Apertur und einer asymmetrischen Apertur, wie dies in der Lichtstrecke des Beleuchtungssystems verwendet wird,

Fig. 5 eine Darstellung der asymmetrischen Apertur nach Fig. 4, gesehen in Richtung der optischen Achse des Systems im Verhältnis zu dem Lichtventil;

Fig. 6 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer asymmetrischen Apertur zum Gebrauch bei der Erfindung, und

Fig. 7 die asymmetrische Apertur nach Fig. 6, gesehen längs der optischen Achse des Systems im Verhältnis zu dem Lichtventil.

Fig. 1 zeigt ein Lichtventil 20 in Form einer verformbaren Spiegelvorrichtung (nachstehend als DMD bezeichnet) mit einer Anordnung von Spiegelpixeln 22. Jedes Pixel 22 ist derart angeordnet, daß es um Torsionsscharniere 24 schwenkbar ist, die an zwei einander diagonal gegenüberliegenden Ecken jedes Pixels 22 vorgesehen sind. Im Betrieb wird, wenn dem Pixel 22 eine geeignete ON-Spannung zugeführt wird, die linke obere Ecke 26 des Pixels 22 nach oben bewegen aus der Ebene der DMD 20, während die rechte untere Ecke 28 sich abwärts bewegen wird. Auf gleiche Weise wird, wenn eine OFF-Spannung zugeführt wird, das Pixel 22 um Torsionsscharniere 24 derart schwenken, daß die Ecke 26 nach unten bewegt und die Ecke 28 nach oben bewegt wird. Auf diese Weise bewirken die ON- und OFF-Positionen zwei bestimmte Bewegungen jedes Pixels 22. Im Allgemeinen können die Pixel 22 um 10º nach jeder Seite der Ebene der DMD 20 bewegen. In der ON-Position wird die eintreffende Strahlung in die Apertur einer Projektionslinse reflektiert. In der OFF-Position wird die eintreffende Strahlung aus der Apertur der Projektionslinse reflektiert und erreicht folglich nicht den Schirm. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls anwendbar bei DMDen vom sog. "verborgenen Scharnier"-Typ, wobei die Scharniere für die einzelnen Pixel unterhalb der Pixel vorgesehen sind.

Fig. 2 zeigt die Lichtstrecke resultierend aus dem Schalten der Pixel 22. In Fig. 2 zeigt die gestrichelte Linie 30 die Position des Pixels 22, wenn in die OFF- Position geschwenkt. Die vertikale gezogene Linie zeigt schematisch die planare Position der Pixel 22 (weder ON, noch OFF). Ein durch 34 schematisch dargestelltes Beleuchtungssystem schafft ein Lichtbündel 36, das auf die Fläche jedes Pixels 22 auf trifft. Wenn das Pixel 22 sich in der ON-Position 30 befindet, wird das auftreffende Bündel 36 als Bündel 38 reflektiert zu einem Projektionslinsensystem 40, welches das Bündel 38 auf den (nicht dargestellten) Schirm hinter dem Projektionslinsensystem projiziert. Wenn das Pixel 22 aktiviert und in die OFF-Position 32 geschwenkt wird, wird das auftreffende Bündel 36 zu einem "OFF"-Bündel 42 reflektiert, das außerhalb des Eintrittswinkels des Projektionslinsensystems 40 liegt, so daß den Projektionsschirm kein Licht aus der OFF-Position des Pixels 22 erreicht.

In Wirklichkeit sind das ON-Bündel 38 und das OFF-Bündel 42 nicht die einzigen Bündel, die an DMD 20 reflektiert werden. Zusätzlich gibt es ein spiegelreflektiertes Bündel 44, das von dem die DMD 20 bedeckenden Fenster sowie von der Interpixelstruktur reflektiert wird. Das Spiegelbündel 44 hat keinen Informationsinhalt und stellt optisches System-"Rauschen" dar. Das Projektionslinsensystem 40 und das Beleuchtungssystem 34 sollten derart entworfen sein, daß sie den Effekt des spiegelreflektierten Bündels 44 reduzieren, wodurch der Schwarzpegel gesteigert wird, wodurch der Gesamtkontrast in dem projizierten Bild reduziert wird. Bei dem Projektionssystem sollten die vier Bündel 36, 38, 44 und 42 getrennt sein, damit ein entsprechender Kontrast geschaffen wird, wobei auf diese Weise der Eintrittswinkel des Projektionssystems 40 im Allgemeinen auf weniger als + 10º beschränkt ist. Wenn versucht wird, den Eintrittswinkel des Projektionssystems zu einem größeren Ausmaß zu begrenzen, wird die Systemhelligkeit reduziert.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildes, beispielsweise eines Videoprojektionssystems 48 nach der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte System in Fig. 3 ist ein Einfachplatte-Vollfarbensystem. Die Grundlage der vorliegenden Erfindung ist aber nicht auf Einfachplatte-Vollfarbensysteme beschränkt und kann ebensogut bei Monochromsystemen sowie Mehrfachplatte-Farbsystemen angewandt werden. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird eine Projektionslampe 49 verwendet zum Schaffen einer Quelle weißen Lichtes. Die Projektionslampe 49 kann einen integralen Reflektor 50 haben oder sie kann in Kombination mit einer konvergierenden Linse oder einem Linsensystem 52 verwendet werden, das dazu benutzt wird, ein bündel 54 in Richtung eines Farbrads 56 zu fokussieren. Das Farbrad 56 enthält eine Reihe von Segmenten oder Speichen aus Rot-, Grün- und Blaufiltern. Das Farbrad 56 wird um dessen Achse gedreht, die sich parallel zu der Systemachse 53 erstreckt, damit die farbigen Segmente sequentiell das Lichtbündel 54 schneiden. Nach der Erregung des Farbrads 56 wird das nun farbige Lichtbündel 58 durch eine Bildformungslinse 60 beeinflußt und geht danach durch eine Kondenserlinse 62 und einen Integrator 63.

Nach der Erregung des Integrators 63 wird das Bündel 64 auf eine Aperturplatte 66 gerichtet mit einer Apertur 68, die eine Konfiguration und Ausrichtung hat, wie dies nachstehend noch detailliert beschrieben wird. Auf der Aperturplatte 66 befindet sich auch eine weitere Integratorplatte 70. Das Lichtbündel wird danach in Richtung eines Prismasystems 72 fokussiert. In dem Prismasystem 72 wird Licht an einer Fläche 74 reflektiert und zu der Oberfläche der DMD 20 gerichtet. Das Prismasystem 72 ist an sich derart vorgesehen, daß das Licht, das an der Oberfläche der DMD 20 reflektiert wird, und folglich die modulierte Videoinformation enthält, auf eine Projektionslinse 76 gerichtet wird zum Projizieren an einem Schirm oder einer (nicht dargestellten) Fläche. Das Prismasystem 72 kann einer Konfiguration sein, wie diese in dem US patent Nr. 4.969.730 von von den Brandt dargestellt ist. Die Integratoren 63, 70, die ein einheitliches Lichtbündel bilden, können ein Integrator sein, wie die in dem US patent Nr. 5.098.134 von von den Brandt u. a. dargestellt sind.

Fig. 4 zeigt eine Aperturkonfiguration zum Gebrauch bei DMD- Projektionssystemen, wie diese in Fig. 3 dargestellt sind. Bei den meisten Projektionssystemen soll das optische System einen Eintrittswinkel von etwa 15º oder weniger haben. Der optische Entwurf, insbesondere der der Projektionslinse, wird bei steigender Apertur immer schwieriger. Zur Vereinfachung des optischen Systems wird die Apertur auf einen praktischen Wert beschränkt. Bei Vorrichtungen aber wie bei DM- Den, beschränkt die DMD selber die Apertur in der Schaltrichtung, im allgemeinen auf etwa 8º. Im Allgemeinen sind die Aperturen bei Projektionssustemen kreisförmig. Eine kreisförmige Apertur met einem Bündeldurchmesser von etwa 8º ist als punktierte Linie 90 in Fig. 4 dargestellt.

Der Eintrittswinkel einer DMD ist nur in den Richtungen, in denen Pixel 22 scharnieren, begrenzt. Auf diese Weise kann die Apertur des Systems vergrößert werden in einer Richtung senkrecht zu der Schwenkrichtung, und folglich senkrecht zu den Scharnieren 24 der Pixel 22. In Fig. 4' ist eine asymmetrische Apertur 92 mit einem Eintrittswinkel von 15º längs der Scharnierrichtung mit einem Eintrittswinkel von 8º längs der Spiegelschwenkrichtung dargestellt. In Fig. 4 ist der Pfeil 94 in der Schwenkrichtung der Pixel 22 gerichtet und der Pfeil 96 zeigt die Richtung der Scharniere 24 der einzelnen Pixel 22. Auf diese Weise ist ersichtlich, daß die Längsachse der asymmetrischen Apertur 92 längs der Scharnierachse gerichtet ist. Mit anderen Worten, die asymmetrische Apertur ist längs der Schwenkachse verlängert.

Fig. 5 ist eine Darstellung längs der optischen Achse 53 des Projektionssystems 48 und zeigt die Ausrichtung der asymmetrischen Apertur 92 in Bezug auf die DMD 20 und die Pixel 22. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist die asymmetrische Apertur 92 längs der Achse der Scharniere 24 jedes Pixels 22 ausgerichtet und folglich in einem Winkel von 45º gegenüber dem Horizont des durch DMD 20 gebildeten Bildes gekippt. Im Allgemeinen its die Helligkeit des Bildes proportional zu dem Gebiet der Apertur und das Gebiet der asymmetrischen Apertur 92 ist das 2,3fache des Gebietes der symmetrischen Apertur 90. Die wirklich erzielte Steigerung der Helligkeit ist abhängig von den Merkmalen der Lichtquelle und des Sammelobjektivs.

In Fig. 4 ist die Systemapertur in der Richtung der Scharniere 24 (senkrecht zu der Spiegelkipprichtung) erweitert. In einem DMD-System kann diese Aperturkonfiguration zu einem verringerten Kontrastverhältnis führen, weil eine größere Apertur mehr Streulicht in dem OFF-Zustand annehmen kann. Weiterhin kann die Verteilung des Streulichtes derart sein, daß eine weitere Formgestaltung der Apertur erwünscht ist. Ein Beitrag zum Verlust an Kontrast ist Licht, das von der Pixelstruktur in das Projektionslinsensystem gebeugt wird. Dieses gebeugte Licht wird längs der Richtung der Pixelränder gerichtet, die in einem Winkel von 45º auf der Spiegelkipprichtung stehen. Auf entsprechende Weise kann zur Verbesserung des Kontrastverhältnisses, die Systemapertur geformt werden, wie in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform 98 einer asymmetrischen Apertur dargestellt. In Fig. 6 wurde die asymmetrische Apertur 98 in der Richtung 100 zur Mitte des spiegekeflektierten Bündels 44 hin verengt, wie in Fig. 2 dargestellt. Dies wird die Möglichkeit der Beugung von Licht von dem Spiegelbündel in das Projektionslinsensystem verringenn, wodurch der Kontrast des durch das Projektionssystem gebildeten Bildes gesteiugert wird. Wie in Fig. 7 dargestellt, wird der Rand 102 der Apertur 98 parallel zu den Seitenrändern der Pixel 22 ausgerichtet, während der Rand 104 sich parallel zudem oberen und unteren Rand der Pixel 22 erstrecken wird. Wie in Fig. 6 ersichtlich, erstrec ken sich die Ränder 102 in einem Winkel von 45º zu der oberen Wand 106 der Apertur 98.

Wie oben erwähnt, sind die beschriebenen Ausführungsformen nicht auf Farbsysteme beschränkt und sind sie auch auf Monochromsysteme anwendbar. Ein Monochromsystem, ähnlich wie das aus Fig. 3 könnte auf einfache Weise auf das Farbrad und die Schaltung zum betreiben des Lichtventils für die drei Farben verzichten. Auf ähnliche Weise lassen sich bei Farbsystemen viele andere Verfahren, anders als Farbräder anwenden zum Erzeugen von drei sequentiellen Lichtfarben. Ein RGB- System kann ebenfalls mit drei Lampen gebildet werden, und zwar eine Lampe für jede Primärfarbe. Die Verwendung einer erfindungsgemäß konfigurierten Apertur ist ebenfalls anwendbar bei diesem Typ von Beleuchtungssystem, sowie bei einer Apertur, die in jeder der drei Beleuchtungsstrecken vorgesehen ist. Es können auch anamorphische Linsen verwendet werden zum Formen des Beleuchtungsbündels zu einer asymmetrischen Form. Zur Steuerung der Apertur eines optischen Systems kann bei dem Aperturstop oder bei einem Bild davon ein physikalischer Stop, wie eine Aperturplatte 66 mit einer Apertur 68 der gewünschten Form angeordnet werden. Außerdem kann die Projektionslinse 76 ebenfalls einen inneren Stop haben, mit der gewünswchten Form. Wie bei den meisten Projektionssystemen sollte der Aperturstop des Beleuchtungssystems in den inneren Stop der Projektionslinse dargestellt sein.

Obschon die vorliegende Erfindung anhand verformbarer Spiegelvorrichtung beschrieben worden ist, kann das Konzept auch angewandt werden bei jedem Lichtventiltyp. So variiert beispielsweise das Kontrastverhältnis, das von einer Flüssigkristallwiedergabeanordnung (LCD) erzeugt worden ist als Funktion des Eintreff winkels. Im Allgemeinen ist diese Funktion nicht kreissymmetrisch um normale Eintreffwinkel. Es kann also eine verbesserte Systemhelligkeit und/oder ein verbessertes Kontrastverhältnis dadurch erzielt werden, daß eine Systemapertur verwendet wird, die nicht kreissymmetrisch ist.

Die oben beschriebene Einrichtung ist nur illustrativ für die Grundlage der vorliegenden Erfindung. Dem Fachmann dürften im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch viele Abwandlungen und Anpassungen derselben einfallen.


Anspruch[de]

1. Bildprojektionssystem mit:

einer Lichtquelle (49);

einer Projektionslinse (76) zum Projizieren eines Bildes an einer Schaufläche;

einer Lichtstrecke, die sich zwischen der genannten Lichtquelle und der genannten Projektionslinse erstreckt;

einem Lichtventil (20) in der genannten Lichtstrecke zwischen der genannten Lichtquelle und der genannten Projektionslinse, wobei dieses Lichtventil eine Reihe schwenkbarer Spiegelpixel aufweist, wobei diese Pixel um eine Schwenkachse schwenkbar sind, wobei diese Pixel auftreffendes Licht von der Lichtquelle entweder in die Projektionslinse reflektieren oder weg von der genannten Projektionslinse, zum Modulieren des Lichtes entsprechend derselben zugeführter Bildinformation; und

Aperturmitteln (66), vorgesehen in der genannten Lichtstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Aperturmittel eine lange und eine kurze Abmessung haben und in der Lichtstrecke vorgesehen sind, wobei die genannte große Abmessung parallel zu der Schwenkachse der Pixel des genannten Lichtventils vorgesehen ist.

2. Bildprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei die genannten Aperturmittel gerade Ränder längs der langen Abmessung haben und gekrümmte Ränder um die kurze Abmessung.

3. Bildprojektionssystem nach Anspruch 2, wobei die genannten geraden Ränder der genannten Aperturmittel verschieden lang sind, so daß das genannte Aperturmittel längs eines Längsrandes enger ist.

4. Bildprojektionssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die genannten Aperturmittel zwischen der genannten Lichtquelle und dem genannten Lichtventil vorgesehen sind.

5. Bildprojektionssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die genannten Aperturmittel in der Lichtstrecke von dem Lichtventil bis zu der genannten Projektionslinse vorgesehen sind.

6. Bildprojektionssystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, weiterhin mit einem zweiten Aperturmittel, vorgesehen in der Lichtstrecke hinter dem Lichtventil der genannten Projektionslinse.

7. Bildprojektionssystem nach einem der Ansprüche 1-6 zum Projizieren eines Farbbildes, weiterhin mit Mitteln (56) zur sequentiellen Abwechselung der Farbe des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes mit wenigstens zwei verschiedenen Farben.

8. Bildprojektionssystem nach Anspruch 7, wobei die genannten Mittel zum Wechseln der Farbe des von der Lichtquele ausgestrahlten Lichtes ein rotierendes Rad enthalten.







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