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Präzisionsoptik

Sphärische Linsen – Bewährte Optik für vielseitige Anwendungen

Sphärische Linsen gehören zu den am häufigsten eingesetzten optischen Komponenten – und das aus gutem Grund. Aufgrund ihrer gleichmäßig gekrümmten Oberfläche sind sie vergleichsweise einfach herzustellen, während sie gleichzeitig für viele Anwendungen die erforderliche optische Leistung liefern. Ob in der Bildverarbeitung, Messtechnik oder Beleuchtung: Sphärische Linsen bilden das Rückgrat zahlreicher optischer Systeme. In der Photonik werden sie einzeln oder in Kombination eingesetzt, um Licht zu bündeln, zu streuen oder Abbildungen zu erzeugen. Wer ihre Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten kennt, kann optische Systeme gezielt und wirtschaftlich gestalten. 

Was sind sphärische Linsen?

Sphärische Linsen zeichnen sich durch ihre charakteristische Oberflächenform aus: Mindestens eine Seite entspricht einem Kugelausschnitt mit konstantem Krümmungsradius. Diese geometrische Einfachheit bringt praktische Vorteile – die Fertigung ist mit konventionellen Schleif- und Polierverfahren gut beherrschbar, was sphärische Linsen zu einer wirtschaftlichen Wahl macht. 

Die Grundform lässt sich vielfältig variieren. Je nach Anwendung können beide Seiten konvex (nach außen gewölbt), konkav (nach innen gewölbt) oder eine Kombination aus beidem sein. Auch planare, also ebene Flächen kommen vor. Diese unterschiedlichen Geometrien ermöglichen es, Lichtstrahlen gezielt zu lenken – ob zum Fokussieren, Aufweiten oder zur Bildkorrektur. 

In der Praxis bedeutet das: Sie haben eine breite Auswahl an Linsentypen, die sich für unterschiedlichste Aufgaben eignen. Von der einfachen Lupe bis zum komplexen Mikroskopobjektiv – sphärische Linsen bilden oft die Basis. Ihre optischen Eigenschaften sind allgemein bekannt und lassen sich präzise berechnen, was die Systemauslegung erleichtert. 

Wie funktionieren sphärische Linsen?

Das Funktionsprinzip sphärischer Linsen beruht auf der Brechung von Licht an gekrümmten Grenzflächen. Wenn Lichtstrahlen von einem Medium in ein anderes übertreten – etwa von Luft in Glas –, ändern sie ihre Richtung. Bei einer sphärischen Linse geschieht dies an der gekrümmten Oberfläche, wodurch die Strahlen entweder zusammenlaufen oder auseinanderlaufen. 

Sammellinsen (Konvex-Linsen) sind in der Mitte dicker als am Rand. Sie bündeln parallel einfallende Lichtstrahlen in einem Punkt, dem Brennpunkt. Der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt wird als Brennweite bezeichnet – ein zentraler Parameter, der bestimmt, wie stark die Linse das Licht fokussiert. Je kürzer die Brennweite, desto stärker die Brechkraft. Sammellinsen verwenden Sie überall dort, wo Sie Licht konzentrieren oder vergrößernde Abbildungen erzeugen möchten. 

Streulinsen (Konkav-Linsen) sind am Rand dicker als in der Mitte. Sie lenken parallel einfallende Strahlen so ab, dass sie scheinbar von einem virtuellen Brennpunkt hinter der Linse ausgehen. Diese Linsen setzen Sie ein, wenn Sie Lichtstrahlen aufweiten oder verkleinernd abbilden möchten. In Kombination mit Sammellinsen lassen sich damit verschiedene optische Fehler korrigieren. 

Die Brechkraft einer sphärischen Linse hängt von mehreren Faktoren ab: dem Krümmungsradius der Oberflächen, dem Brechungsindex des Materials und der Linsendicke. Diese Parameter können Sie gezielt wählen, um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erreichen. 

Welche Arten von sphärischen Linsen gibt es?

Sphärische Linsen werden nach ihrer Geometrie klassifiziert. Jeder Typ hat spezifische Eigenschaften, die ihn für bestimmte Anwendungen besonders geeignet machen. 

Bikonvexe und plankonvexe Linsen 

Bikonvexe Linsen haben zwei nach außen gewölbte Oberflächen. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen, bei denen Sie Licht von beiden Seiten symmetrisch bündeln möchten. Die symmetrische Form minimiert bestimmte Abbildungsfehler, was sie zur ersten Wahl für viele Standardanwendungen macht. 

Eine plankonvexe Linse besitzt eine gewölbte und eine plane Seite. Diese Geometrie ist besonders effizient, wenn Sie paralleles Licht fokussieren oder eine Punktquelle kollimieren möchten. Die Ausrichtung spielt dabei eine Rolle: Für beste Ergebnisse sollte die konvexe Seite zur Quelle mit der größeren Entfernung zeigen. Plankonvexe Linsen finden Sie häufig in der Laseroptik, wo sie Laserstrahlen präzise fokussieren oder für die Strahlformung eingesetzt werden. 

Bikonkave und plankonkave Linsen 

Bikonkave Linsen haben zwei nach innen gekrümmte Flächen und streuen Licht symmetrisch. Sie werden eingesetzt, wenn Sie Lichtstrahlen aufweiten oder die Brennweite eines Systems verlängern möchten. In Kombination mit Sammellinsen helfen sie, chromatische Aberrationen zu reduzieren. 

Die plankonkave Linse kombiniert eine konkave mit einer plane Fläche. Sie eignet sich besonders für Strahlaufweitung und zur Korrektur optischer Systeme. Auch hier gilt: Die Orientierung beeinflusst die Performance – die konkave Seite sollte zur Quelle mit der größeren Entfernung zeigen. 

Konkav-konvex und konvex-konkave Linsen (Meniskuslinsen) 

Eine Konkav-Konvex-Linse, auch als Meniskuslinse bekannt, hat eine nach außen und eine nach innen gekrümmte Seite. Die Meniskuslinse wird häufig in Brillengläsern und Kameraobjektiven eingesetzt, da sie Abbildungsfehler reduziert und ein breiteres Sichtfeld ermöglicht. Je nach Krümmungsverhältnis kann eine Meniskuslinse sammelnd oder zerstreuend wirken. 

Diese Linsentypen sind besonders wertvoll, wenn Sie komplexe optische Systeme optimieren möchten. In Kombination mit anderen Elementen aus der Präzisionsoptik lassen sich hochwertige Abbildungen über große Bildbereiche erzielen. 

Typische Einsatzgebiete sphärischer Linsen

Sphärische Linsen begegnen Ihnen in nahezu allen Bereichen der Optik – ihre Vielseitigkeit macht sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug. 

Bildverarbeitung und Messtechnik 

In der industriellen Bildverarbeitung bilden sphärische Linsen die Grundlage vieler Kamerasysteme. Sie erzeugen Abbildungen von Objekten auf Sensoren und ermöglichen so automatisierte Qualitätskontrollen. In der Messtechnik werden sie eingesetzt, um präzise geometrische Daten zu erfassen. Häufig kommen mehrere sphärische Linsen in Kombination zum Einsatz, um Abbildungsfehler zu minimieren und die Bildqualität zu optimieren. 

Mikroskopie und Vergrößerung 

Von der einfachen Lupe bis zum hochauflösenden Forschungsmikroskop – sphärische Linsen ermöglichen vergrößernde Abbildungen. Als Sammellinse bündeln sie das Licht und erzeugen vergrößerte Bilder von kleinen Objekten. In komplexen Mikroskopobjektiven werden verschiedene Linsentypen kombiniert, um höchste Auflösung und Farbkorrektur zu erreichen. 

Lasertechnik und Strahlformung 

In der Lasertechnik spielen sphärische Linsen eine wichtige Rolle bei der Strahlformung. Plankonvexe Linsen fokussieren Laserstrahlen auf kleine Punkte für Materialbearbeitung oder medizinische Anwendungen. In Kombination mit anderen Laseroptiken entstehen Systeme für Schneiden, Schweißen oder Gravieren. 

Beleuchtungstechnik 

In der Beleuchtungsoptik werden sphärische Linsen verwendet, um Licht zu sammeln, zu verteilen oder zu formen. Sie finden sie in Projektoren, Scheinwerfern und LED-Systemen. Die gezielte Lichtlenkung ermöglicht effiziente Beleuchtungslösungen mit definierter Abstrahlcharakteristik. 

Telekommunikation und Sensorik 

In Glasfasersystemen koppeln sphärische Linsen Licht in Fasern ein oder aus. Auch in optischen Sensoren, etwa für Abstandsmessung oder Objekterkennung, sind sie unverzichtbar. Ihre kompakte Bauform und zuverlässige Performance machen sie zur idealen Wahl für solche Anwendungen.

OEM-Optiken

Unterschied zwischen sphärischen und asphärischen Linsen

Die Frage nach dem Unterschied zwischen sphärischen und asphärischen Linsen beschäftigt viele, die optische Systeme planen. Beide Linsentypen haben ihre Berechtigung – es kommt auf Ihre spezifischen Anforderungen an. 

Geometrie und Abbildungsqualität 

Sphärische Linsen haben einen konstanten Krümmungsradius – ihre Oberfläche entspricht einem Kugelausschnitt. Dadurch sind sie einfach herzustellen, gleichzeitig führt dies aber zur sphärischen Aberration: Randstrahlen werden stärker gebrochen als achsennahe Strahlen, was die Abbildungsqualität beeinträchtigt. Bei asphärischen Linsen variiert die Krümmung über die Oberfläche, wodurch dieser Fehler korrigiert wird. 

Systemkomplexität und Kosten 

Wenn Sie mit sphärischen Linsen arbeiten, können Sie Abbildungsfehler durch Kombination mehrerer Linsen reduzieren. Das erhöht zwar die Anzahl der Komponenten, ist aber oft wirtschaftlicher als der Einsatz asphärischer Linsen – besonders bei kleinen Stückzahlen. Asphärische Linsen ermöglichen kompaktere Systeme, da eine Linse oft mehrere sphärische Elemente ersetzen kann. 

Wann welche Lösung? 

Sphärische Linsen sind die richtige Wahl, wenn moderate Abbildungsqualität ausreicht, Sie mehrere Linsen kombinieren können oder Kosten eine wichtige Rolle spielen. Für Standardanwendungen, in der Ausbildung oder bei großen Öffnungswinkeln mit moderaten Anforderungen erfüllen sie ihren Zweck hervorragend. Asphärische Linsen greifen Sie dann, wenn höchste Bildqualität gefordert ist, der Bauraum begrenzt ist oder Sie Gewicht sparen möchten.

Spezifikation:

Durchmesser:2-200mm
Ebenheit:bis L/10
Flächensauberkeit:S/D 10-5
Zentriergenauigkeit:<30 arcsec

*Beschichtung auf Anfrage

Materialien:

Alle optischen Gläser von SCHOTT, OHARA, CDGM oder SUMITA

Kristalle

Quarzgläser

*Andere Materialien auf Anfrage

Optische Eigenschaften sphärischer Linsen

Die optischen Eigenschaften sphärischer Linsen bestimmen, wie gut sie in Ihrer Anwendung funktionieren. Ein Verständnis dieser Parameter hilft Ihnen, die richtige Linse auszuwählen. 

Eigenschaft Beschreibung Bedeutung für die Anwendung 
Brennweite Abstand zwischen Linse und Brennpunkt Bestimmt die Brechkraft und Vergrößerung 
Brechungsindex Maß für die Lichtbrechung im Material Beeinflusst Brechkraft und Reflexionsverluste 
Durchmesser Größe der nutzbaren Linsenfläche Bestimmt Lichtsammelvermögen und Systemgröße 
Mittendicke Dicke im Zentrum der Linse Beeinflusst Gewicht und chromatische Aberration 
Oberflächenqualität Rauheit und Formgenauigkeit Entscheidend für Streulicht und Abbildungsqualität 
Beschichtung Antireflex- oder Filterschichten Verbessert Transmission und spektrale Eigenschaften 

 

Brennweite und Brechkraft 

Die Brennweite einer Linse ist einer der wichtigsten Parameter. Sie gibt an, in welchem Abstand parallel einfallende Lichtstrahlen fokussiert werden. Eine kurze Brennweite bedeutet starke Brechkraft – die Linse bündelt das Licht stark. Eine lange Brennweite entspricht schwacher Brechkraft. Bei der Systemauslegung bestimmt die Brennweite, welche Vergrößerung Sie erreichen und wie groß Ihr optisches System wird. 

Material und Brechungsindex 

Sphärische Linsen werden aus verschiedenen optischen Gläsern gefertigt. Der Brechungsindex des Materials bestimmt, wie stark das Licht gebrochen wird. Höhere Brechungsindizes ermöglichen stärkere Krümmungen bei gleicher Brechkraft oder flachere Linsen. Die Materialwahl beeinflusst auch die chromatische Aberration – verschiedene Wellenlängen werden unterschiedlich stark gebrochen. 

Oberflächenqualität und Beschichtung 

Die Qualität der Oberfläche ist entscheidend für die Abbildungsleistung. Kratzer, Einschlüsse oder Unregelmäßigkeiten verursachen Streulicht und mindern die Bildqualität. Hochwertige sphärische Linsen werden deshalb mit größter Sorgfalt geschliffen und poliert. Antireflex-Beschichtungen reduzieren Reflexionsverluste an den Grenzflächen und verbessern die Transmission – besonders wichtig, wenn Sie mehrere Linsen kombinieren. 

Unterschied zwischen torischen und sphärischen Linsen

Ein weiterer wichtiger Vergleich betrifft torische und sphärische Linsen – besonders in der Augenoptik und speziellen technischen Anwendungen. 

Sphärische Linsen haben in allen Richtungen die gleiche Krümmung. Sie korrigieren Kurz- oder Weitsichtigkeit, können aber keinen Astigmatismus ausgleichen. In technischen Anwendungen erzeugen sie rotationssymmetrische Abbildungen. 

Torische Linsen hingegen haben unterschiedliche Krümmungen in verschiedenen Richtungen – meist in zwei senkrecht zueinanderstehenden Hauptschnitten. Sie werden hauptsächlich in der Augenoptik eingesetzt, um Astigmatismus zu korrigieren. In technischen Anwendungen kommen sie zum Einsatz, wenn Sie Lichtstrahlen in verschiedenen Ebenen unterschiedlich formen möchten – etwa bei der Strahlformung von Laserdioden. 

Der Unterschied ist also funktional: Sphärische Linsen für symmetrische Aufgaben, torische Linsen für asymmetrische Korrekturen oder spezielle Strahlformungen.

Sphärische Linsen in komplexen optischen Systemen

In der Praxis werden sphärische Linsen selten allein eingesetzt – ihre wahre Stärke zeigt sich in der Kombination mit anderen optischen Elementen. 

Kombination mit achromatischen Linsen 

Achromatische Linsen bestehen aus zwei oder mehr Elementen mit unterschiedlichen Glasarten. Sie korrigieren chromatische Aberration – den Farbfehler, der entsteht, weil verschiedene Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen werden. Wenn Sie sphärische Linsen mit Achromaten kombinieren, erhalten Sie Systeme mit guter Farbkorrektur über einen breiten Spektralbereich. 

Einsatz mit optischen Prismen 

Die Kombination aus sphärischen Linsen und optischen Prismen ermöglicht Strahlablenkung bei gleichzeitiger Fokussierung. In Periskopen, Spektrometern oder Kamerasystemen wird diese Kombination genutzt, um kompakte Bauformen zu realisieren. Das Prisma lenkt den Strahlengang, während die Linsen für die Abbildung sorgen. 

Integration mit Reflektoren 

In Beleuchtungssystemen werden sphärische Linsen häufig mit sphärischen Reflektoren kombiniert. Der Reflektor sammelt das Licht einer Quelle, die Linse formt und lenkt es in die gewünschte Richtung. So entstehen effiziente Beleuchtungslösungen mit hoher Lichtausbeute. 

Mehrlinsige Systeme 

Komplexe optische Systeme kombinieren oft mehrere sphärische Linsen unterschiedlicher Geometrie. Durch geschickte Anordnung lassen sich verschiedene Abbildungsfehler kompensieren. Objektive für Kameras oder Mikroskope enthalten häufig fünf bis zehn oder mehr Linsen, die präzise aufeinander abgestimmt sind. Die Herausforderung liegt in der Optimierung: Jede Linse beeinflusst das Gesamtsystem, und es gilt, den besten Kompromiss aus Bildqualität, Größe und Kosten zu finden. 

Materialien und Herstellung sphärischer Linsen

Die Qualität einer sphärischen Linse hängt maßgeblich von Material und Fertigungsverfahren ab. 

Optische Gläser 

Die meisten sphärischen Linsen werden aus optischem Glas gefertigt. Verschiedene Glassorten stehen zur Verfügung, von einfachen Krongläsern bis zu hochbrechenden Flintgläsern. Jedes Material hat spezifische optische Eigenschaften – Brechungsindex, Dispersion, Transmission. Für UV-Anwendungen eignet sich Quarzglas, für den Infrarotbereich kommen Materialien wie Germanium oder Silizium zum Einsatz. 

Kunststofflinsen 

Für Anwendungen mit moderaten Anforderungen werden auch Kunststofflinsen eingesetzt. Sie sind leichter als Glas und können kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Allerdings erreichen sie nicht die optische Qualität und Temperaturbeständigkeit von Glas. In der Consumer-Optik – also bei optischen Komponenten für Endverbraucherprodukte wie Kameras, Smartphones oder Brillen – oder bei Einweganwendungen sind sie dennoch eine gute Wahl, da hier Gewicht und Kosten oft wichtiger sind als absolute Spitzenleistung. 

Fertigungsverfahren 

Die Herstellung beginnt mit dem Schleifen der Rohform. Dabei wird das Material in die gewünschte sphärische Form gebracht. Anschließend erfolgt die Politur, die für die erforderliche Oberflächengüte sorgt. Moderne CNC-gesteuerte Maschinen ermöglichen höchste Präzision. Nach der Formgebung werden die Linsen gereinigt und optional beschichtet. Antireflex-Beschichtungen werden im Hochvakuum aufgedampft und verbessern die optischen Eigenschaften erheblich. 

Qualitätskriterien bei sphärischen Linsen

Bei der Anschaffung sphärischer Linsen gibt es ein paar Dinge, die sie beachten sollten. Wir haben ihnen eine Liste mit wichtigen Merkmalen zusammengestellt. 

Formgenauigkeit 

Die Abweichung der tatsächlichen Form von der idealen Kugelgestalt sollte minimal sein. Diese wird oft in Welleneinheiten (λ) angegeben. Hochwertige Linsen erreichen Werte von λ/4 oder besser – das entspricht Abweichungen im Bereich weniger hundert Nanometer. 

Oberflächenqualität 

Kratzer, Schleifspuren oder Einschlüsse beeinträchtigen die optische Leistung. Die Oberflächenqualität wird nach standardisierten Verfahren klassifiziert. Für anspruchsvolle Anwendungen sollten Sie Linsen mit hoher Oberflächengüte wählen. 

Zentriergenauigkeit 

Bei Linsen mit zwei gekrümmten Flächen ist die präzise Zentrierung wichtig. Wenn die optischen Achsen beider Flächen nicht übereinstimmen, entstehen Abbildungsfehler. Hochwertige Linsen werden deshalb mit engen Toleranzen gefertigt und geprüft. 

Transmission und Beschichtung 

Die Transmission gibt an, wie viel Licht die Linse durchlässt. Unbeschichtete Glasoberflächen reflektieren etwa 4 % des Lichts pro Fläche. Mit Antireflex-Beschichtungen lässt sich dieser Wert auf unter 0,5 % reduzieren. Bei Systemen mit mehreren Linsen summieren sich diese Verluste – hochwertige Beschichtungen sind daher unverzichtbar.

Individuelle Lösungen für Ihre optischen Anforderungen

Jedes optische System hat eigene Anforderungen – und manchmal reichen Standardlinsen nicht aus. Welche Brennweite benötigen Sie genau? Welches Material eignet sich für Ihren Wellenlängenbereich? Wie lassen sich mehrere Linsen optimal kombinieren? 

Bei solchen Fragen hilft Ihnen eine persönliche Beratung weiter. Ob Sie sphärische Linsen für ein neues Projekt suchen, ein bestehendes System optimieren möchten oder Unterstützung bei der Auswahl benötigen – gemeinsam finden wir die Lösung, die zu Ihren Anforderungen passt. Nehmen Sie Kontakt auf und sprechen Sie mit uns über Ihr Vorhaben. 

 

Häufig gestellte Fragen zu sphärischen Linsen

Rund um sphärische Linsen tauchen immer wieder ähnliche Fragen auf. Hier finden Sie fundierte Antworten, die Ihnen bei der Auswahl und Anwendung weiterhelfen. 

Was sind sphärische Linsen? 

Sphärische Linsen sind optische Bauelemente mit mindestens einer kugelförmig gekrümmten Oberfläche. Der Krümmungsradius ist konstant, was die Fertigung mit konventionellen Verfahren ermöglicht. Sie werden verwendet, um Licht zu bündeln, zu streuen oder Abbildungen zu erzeugen. Durch ihre Vielseitigkeit und wirtschaftliche Herstellung sind sie in nahezu allen Bereichen der Optik zu finden. 

Wie funktionieren sphärische Linsen? 

Sphärische Linsen funktionieren durch Lichtbrechung an gekrümmten Grenzflächen. Wenn Licht von einem Medium in ein anderes übergeht, ändert es seine Richtung. Bei Sammellinsen werden parallel einfallende Strahlen in einem Brennpunkt gebündelt, bei Zerstreuungslinsen werden sie aufgeweitet. Die Brennweite bestimmt, wie stark die Linse das Licht beeinflusst – sie hängt von Krümmung, Material und Dicke ab. 

Welche Arten von sphärischen Linsen gibt es? 

Es gibt verschiedene Typen: Bikonvexe und plankonvexe Linsen bündeln Licht und wirken als Sammellinsen. Bikonkave und plankonkave Linsen streuen Licht und wirken als Zerstreuungslinsen. Meniskuslinsen haben eine konvexe und eine konkave Seite und werden häufig zur Fehlerkorrektur eingesetzt. Jeder Typ hat spezifische Eigenschaften, die ihn für bestimmte Anwendungen besonders geeignet machen. 

Wo werden sphärische Linsen eingesetzt? 

Sphärische Linsen finden Sie in der Bildverarbeitung, Messtechnik, Mikroskopie und Lasertechnik. Sie werden in Kamerasystemen, Projektoren, Teleskopen und medizinischen Geräten eingesetzt. Auch in der Beleuchtungstechnik, Telekommunikation und Sensorik spielen sie eine wichtige Rolle. Ihre Vielseitigkeit macht sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil optischer Systeme in nahezu allen technischen Bereichen. 

Was ist der Unterschied zwischen sphärischen und asphärischen Linsen? 

Sphärische Linsen haben einen konstanten Krümmungsradius, während asphärische Linsen eine variable Krümmung aufweisen. Dadurch korrigieren asphärische Linsen die sphärische Aberration, die bei sphärischen Linsen auftritt. Sphärische Linsen sind einfacher und kostengünstiger herzustellen, asphärische Linsen ermöglichen kompaktere Systeme mit höherer Abbildungsqualität. Die Wahl hängt von Ihren Anforderungen an Bildqualität, Baugröße und Budget ab. 

Welche optischen Eigenschaften haben sphärische Linsen? 

Die wichtigsten Eigenschaften sind Brennweite, Brechungsindex, Durchmesser und Oberflächenqualität. Die Brennweite bestimmt die Brechkraft und damit die Abbildungseigenschaften. Der Brechungsindex des Materials beeinflusst, wie stark das Licht gebrochen wird. Durchmesser und Mittendicke bestimmen Lichtsammelvermögen und Systemgröße. Die Oberflächenqualität ist entscheidend für Streulicht und Abbildungsschärfe. Hochwertige Beschichtungen verbessern die Transmission und reduzieren Reflexionsverluste. 

Was ist eine Sammellinse? 

Eine Sammellinse ist eine konvexe Linse, die parallel einfallende Lichtstrahlen in einem Brennpunkt bündelt. Sie ist in der Mitte dicker als am Rand und hat eine positive Brechkraft. Sammellinsen werden für vergrößernde Abbildungen, zum Fokussieren von Licht oder zur Projektion eingesetzt. Typische Beispiele sind bikonvexe und plankonvexe Linsen. Die Brennweite bestimmt, wie stark die Bündelung erfolgt. 

 

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