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Achromatische Phasenplatte aus organischem Kunststoff
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und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf
eine achromatische Phasenplatte aus einem doppelbrechenden organischen Kunststoff
und auf ein Verfahren zur Herstellung solcher achromatischer Phasenplatten.
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Achromatische Phasenplatten finden Anwendung in polarisationsoptischen
Systemen in der Meßtechnik und in der Mikroskopie zur Erzeugung von Licht mit definiertem
Polarisatioszustand unabhängig von der vorliegenden Wellenlängen-Zusammense tzung.
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Phasenplatten bestehen üblicherweise aus optisch arisotropen Medien,
in denen einfallendes Licht durch die Doppelbrechung in zwei Teilwellen aufgespalten
wird, die senkrecht zueinander polarisiert sind. Diese Teilwellen weisen nach ihrem
Austritt aus solchen Platten einen optischen Gangunterschied auf, der durch geeignete
Wahl der Plattendicke auf bestimmte Bruchteile oder Vielfache der Wellenlänge des
einfallenden Lichtes eingestellt werden kann. Am häufigsten werden h /4-, t/2 oder
A -Phasenplatten angewandt.
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Solche einfachen Phasenplatten erzeugen jedoch auf Grund ihrer Dispersionseigenschaften
einen solchen definierten Gangunterschied von beispielsweise ?¼ /4 nur für eine
bestimmte Wellenlänge und sind deshalb nur für monochromatisches Licht einsetzbar.
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Für Arbeiten in einem breiteren Spektralbereich ist es notwendig,
einen konstanten Gangunterschied unabhängig von der wellenlänge zu realisieren.
So gehört es zum Stand der Technik, eine Quarzplatte mit einer Platte aus Magnesiumfluorid
in gekreuzter Stellung der optischen Achsen unter Einhaltung bestimmter Dickenverhältnisse
beider Platten zu kombinieren. Die beiden Platten sind dabei parallel zur optischen
Achse geschnitten (DE-OS 1772901). Die damit erreichte chromasie dieser Phasenplattenanordnung
beruht auf einer optimalen Kompensation der ellenlängenabhängigkeit der Gangunterschiede
der Einzelplatten. Der Mangel dieser achromatischen Phasenplatte besteht jedoch
darin, daß sie aus einer Anordnung von verschiedenen doppelbrechenden Kristallmedien
aufgebaut ist und die Dicken der Einzelplatten besonders bei Gangunterschieden unter
M 2 so geringe Werte annehmen müssen, daß sie in Anbetracht der damit verbundenen
engen Dickentoleranzen und der gleichzeitig erforderlichen hohen Parallelität der
Flächen nur mit sehr hohem technologischen Aufwand herstellbar sind. Außerdem sind
die Kosten für die Herstellung der Ausgangskristalle in der erforderlichen Größe
sehr hoch.
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Ferner ist es bekannt, achromatische Phasenplatten aus verschiedenen
doppelbrechenden organischen Polymermedien herzustellen, indem gestreckte Folien
aus Cellulosenitrat und Celluloseacetat in der eise kombiniert werden, daß die Richtungen
der größten Brechzahlen gekreuzt sind (US-Pat. 2.441.049).
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Auch hierbei ist es von Nachteil, daß zur Realisierung der Achromasie
des optischen Gangunterschiedes ein Verbund aus zwei unterschiedlichen Medien notwendig
ist, dessen Realisierung eine aufwendige Technologie erfordert.
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Zu dem wirkt sich nachteilig aus, das derartige achromatische Phasenplatten
bei Temperaturen von 55° C keine ausreichende Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und
Warme besitzen.
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Den bekannten technischen Lösungen gemeinsam ist darüber hinaus der
Mangel, daß die Funktionstüchtigkeit der bisherigen achromatischen Phasenplatten
wesentlich von der genauen Orientierung der optischen Achsen der verschiedenen doppelbrechenden
Medien zueinander abhängt, wozu ebenfalls ein hoher .tLufuand an Meßtechnik und
Technologie notwendig ist.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Mängel der bekannten achromatischen
Phasenplatten zu beseitigen, deren Funktionseigenschaften zu verbessern, die Funktionssicherheit
zu erhöhen und gleichzeitig deren Aufbau zu vereinfachen. Außerdem soll das Verfahren
zur Herstellung achromatischer Phasenplatten vereinfacht und der technische Aufwand
zur Realisierung der Achromasie vermindert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, achromatische Phasenplatten zu realisieren,
die nur aus einem doppelbrechenden Medium aufgebaut sind. Darüber hinaus soll neben
der Achromasie gleichzeitig eine Temperaturabhängigkeit des optischen Gangunterschiedes
im VIS-Spektralbereich unter 1 nm/K erreicht werden. Weiterhin soll die Beständigkeit
der achromatischen Phasenplatten bei Temperaturen von mindestens + 550 C gesichert
sein.
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Zur Aufgabe der Erfindung gehört auch ein Verfahren zur Herstellung
derartiger achromatischer Phasenplatten, wobei auch großflächige Formen realisierbar
sein sollen.
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Erfindungsgemäß wird die Zugabe durch eine achromatische Phasenplatte
aus doppelbrechendem organischen Kunststoff gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß sie homogen aus einem Copolymeren von 50 bis d0 Masse-% Methacrylsäurealkylestern
mit Alkylgruppen einer Kettenlänge von 1 bis 3 C-Atomen, 10 bis 35 Masse-% Diallylestern
der isomeren Phthalsäuren und/oder Diethylenglakolbis-allylcarbonat und 4 bis 2G
Masse-% Styren oder Methylstyren besteht. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht
in einem Verfahren zur Herstellung derartiger achromatischer Phasenplatten, bei
dem jeweils bezogen auf die Gesamtmenge des Ansatzes, eine Mischung von 5') bis
80 Masse-% Methacrylsäurealkylester von einer Kettenlänge von 1 bis 3 C-Atomen im
Alkylrest und 10 bs 35 Masse-% Diallvlester der isomeren Phthalsäuren oder Diethylenglykol-bis-allkylcarbonat
und 4 bis 20 Masse-° Styrer oder α-Methylstyren in Gegenwart von 0,05 bis
0,2 Masse-% radikalbildender organischer Peroxidverbindungen in einer ersten Stufe
30 Minuten lang bei 80 bis 85° C unter Inertgasatmosphäre vorpolwmerisiert wird.
In einer zweiten Stufe wird das Vorpolymerisat in küvettenartige Formen gefüllt,
in denen unter tuftabschluß im Verlaufe von 12 Stunden bei 400 C und 24 Stunden
bei 500 C und anschließend unter stufenweiser Steigerung der Temperatur auf 105°
C innerhalb von weiteren 27 Stunden die Copolymerisation zu Ende geführt wird.
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In einem dritten Verfahrensschritt wird das entstandene plattenförmige,
feste Copolymerisat nach der Entformung bei 1300 C bis 1600 C um das 1,1- bis 2-fache
seiner Länge verstreckt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß anstelle der einzelnen Methacrylsäurealkylester Mischungen von
mindestens zwei dieser Ester eingesetzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
bosteht darin, daß anstelle der einzelnen isomeren Phthalsäurediallylester Mischungen
von mindestens zwei der isomeren Phthalsäurediallylester in den Copolysmerisationsatz
eingebracht werden.
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Zu den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehört es auch,
daß Mischungen aus den isomeren Phthalsäurediallylestern und aus Diethylenglykol-bis-allylcarbonat
im Copolymerisationsansatz verwendet werder.
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Von besonderem Vorteil ist es, daß die erfnindungsgemäßen achromatischen
1-'hasenplatten im Gegensatz zu den bekannten technischen Lösungen eine Verbundanordnungen
aus verschiedenen doppelbrechenden Medien sind, sondern sie bestehen aus einem einzige
homogenen, organischen Polymermedium. Die Achromasic der bischer bekannten Phasenplatten
wurde durch eine Kompensation der verschieden gerichteten Doppelbrechungs- und Dispersionseigenschaften
zwischen unterschiedlichen optischen Medien erreicht. Demgegenüber wird die mit
der vorliegenden Erfindung erreichte Achromasie und die gleichzeige hohe Temperaturunabhängigkeit
des optischen Gangunterschiedes von # 0,5 nm/K mit einem neuen Wirkprinzip erklärt,
das in einer intramolekularen Kompensation der unterschiedlich gerichteter Doppelbrechungs-
und Dispersionsinkremente der Bestandteile der erfindungsgemäßen Copolymerisate
besteht.
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Die zur Copolymerisation vorteilhafterweise eingesetzten Methacrylsäureester
sind Methacrylsäuremethylester, Methacrylsäureethylester, Methacrylsäurepropylester,
während als isomere Phthalsäurediallglester, Derenhthalsäurediallylester, Isophthalsäurediallylester
und o-Phthalsäurediallylester in Frage kommen.
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Als radikalbildende Polymerisationsinitiatoren werden vorzugsweise
organische Peroxide, wie z. B. Benzoylperoxid, Lauroylperoxid, tert.-Butylperoxid
eingesetzt.
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Als weiterer Vorteil ist die Tatsache anzusehen, daß die einachsige
Verstreckbarkeit der erhaltenen Copolymerisate trotz des Gehaltes an potentiell
Duroplaste bildenden Diallylverbindungen bis zu 35 Masse-% voll erhalten bleibt
und daher eine Beschränkung der zur Copolymerisation einzusetzenden Stoffe auf ausschließlich
Thermoplaste bildende Monomeren nicht notwendig ist.
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Ausführungsbeispiele: An Hand der folgenden Ausführungsbeispiele wird
die vorliegende Erfindung naher erläutert.
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Beispiel 1 917,6 g (77,4 Masse-%) Methacrylsäuremethylester, 167,7
g (14,1 Masse-gO) Terephthalsäurediallylester und 100,7 g (8,5 Masse%) Styren werden
unter Rühren miteinander vermischt. Anstelle des Methacrylsäuremethylesters können
mit gleichem Erfolg 957,8 g einer Mischung aus Methacrylsäuremethylester und Methacrylsäurepropylester
im Masse-Verhältnis von 80 : 20 eingesetzt werden.
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Nach dem Zusatz von 920 mg (0,08 Masse%) Dibenzoylperoxid oder 1520
mg (0,13 B.tasse-%) Dilauroylperoxid als radikalbildende Polymerisationsinitiatoren
wird die Mischung bei 80 bis 850 C etwa 30 Minuten unter einer Inertgasatmosphäre
aus Argon, Helium oder Stickstoff bis zu einer sirupartigen Konsistenz vorpolymerisiert.
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Das noch gießfähige Vorpolymerisat wird in Küvetten aus mit Trennmittel
beschichteten Glasplatten gegossen, die einen Hohlraum von 220 x 220 x 6 mm3 umschließen.
Nach dem Einfüllen des Vorpolymerisats wird die Öffnung der Küvette abgedeckt, um
bei der weiteren Copolymerisation den Luftzutritt zu verhindern. In einem Umlufttrockenschrank
erfolgt die Copolymerisation nach folgendem Temperaturprogramm: 4000 12 Stunden
3000 1 Std.
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50°C 24 " 85°C 1 Std.
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55°C 3 " 90°C 1 Std.
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60°C 1 Std. 95°C 1 Std.
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65°C 1 Std. 100°C 4 Std.
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70°C 1 Std. 105°C 3 Std.
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7500 10 Std.
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Anschliießend wird die Küvette samt auspolymerisiertem Inhal-t auf
700 C abgekühlt und in ein Wasserbad von 350 C gelegt, odurch die Entformung stattfindet
und das Copolymerisat aus der Kiivettenform entnommen werden kann. banach wird das
plattenförmige Copolymerisat mit einer Dicke von 4,5 bis 4,6 mm in einer Streckvorrichtung
eingespannt, etwa 4 bis 5 Minuten auf 140 bis 150° C erhitzt und dann auf das 1,43-fache
seiner ursprünglichen Länge gereckt. Die so hergestellten ? #/4-Phasenplatten zeigen
nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur eine achromatische Dispersion. Die Ehringhaus-Zahl
beträgt -3,55. Der Verlauf des optischen Gangunterschiedes von #/4 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge V geht aus der folgenden Tabelle 1 hervor: # #/4 gemessen #/4
berechnet 486 nm 112,5 nm 121,5 nm 551 nm 134,5 nm 137,7 nm 589 nm 146,1 nm 147,5
nm 656 nm 153,7 nm 164,0 nm
Die gemessene Temperaturabhängigkeit
des Gangunterschiedes beträgt # 0,5 nm/K.
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Beispiel 2 Wie im Beispiel 1 beschrieben, wird eine Mischung aus 640
g (52,6 Masse-%) Methacrylsäuremethylester 360 g (29,6 Masse-%) Terephtalsäurediallylester
und 217,5 g (17,8 Masse-%) Styren unter Zugabe von 1350 mg (0,12 Masse) Dibenzoylperoxid
copolymerisiert. Mit gleichem Erfolg kann anstelle von Styren 246,8 g α-Methylstyren
und anstelle von Dibenzoylperoxid können 550 mg (0,05 Masse-%) tert. Butylperoxid
eingesetzt werden.
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Nach der im Beispiel 1 beschriebenen Entformung werden die in einer
Dicke von 4,5 bis 4,6 erhaltenen Platten in einer Streckvorrichtung um das 1,32-fache
in Iiängsrichtung bei einer Temperatur von 150 bis 1600 G verstreckt.
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Die so erhaltenen Platten zeigen eine Temperaturabhängigkeit des optischen
Gangunterschiedes von #0,4 nm/K. Die Werte für die optischen Gangunterschiede N/4
in Abhängigkeit von der Wellenlänge Iv entsprechen den in Tabelle 1 wiedergegebenen
Werten.
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Beispiel 3 1105 g (80,5 Masse-%) Methacrylsäurepropylester, 167,7
g (12,2 Masse-%) TerepSthalsäurediallylester und 100,7 g (7,3 Masse-%) Storen werden
in Gegenwert von 920 mg (0,07 Masse-%) Dibenzoylperoxid oder 1520 mg (0,11 Masse-%)
Dilauroylperoxid in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise copolymerisiert. Anstelle
des Methacrylsäurepropylesters können auch 1043 g einer
Mischung
aus Methacr 7lsäuremethylester und Methacrwlsäurepropglester im Masseverhältnis
von 20 : 80 eingesetzt werden. Die nach der Entformung erhaltenen Platten werden
in einer Streckvorrichtung um das 1,53-fache in Längsrichtung bei einer Temperatur
von 1300 C bis 1400 C verstreckt.
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Die Temperaturabhängigkeit des optischen Gangunterschiedes beträgt
# 0,5 nm/K. Die Abhängigkeit des optischen Gangunterschiedes #/4 von der Wallenlänge
# ist aus der folgenden Tabelle 2 zu ersehen.
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# #/4 gemessen #/4 theoret.
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486 nm 110,0 nm 121,5 nm 551 nm 135,1 nm 137,7 nm 589 nm 147,O nm
147,5 nm 656 nm 165,1 nm 164,0 nn Beispiel 4 Analog der in Beispiel 1 beschriebenen
Verfahrensweise werden 640 g (52,6 Masse-%) Methacrylsäuremethylester, 360 g (29,6
Masse-%) Isophthalsäurediallylester und 217,5 g 17,8 Masse-%) Storen unter Zugabe
von 1350 mg (0,12 Masse-%) Dibenzoylperoxid copolymerisiert.
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Nach der im Beispiel 1 beschriebenen Entformung wird die erhaltene
Platte in einer Streckvorrichtung um das 1,52-fache bei 1400 C - 1500 C gestreckt.
Die Temperaturabhängigkeit des optischen Gangunterschiedes #/4 liegt bei # 0,5 nm/K.
Der Verlauf des optischen Gangunterschiedes # /4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge
ist aus der folgenden Tabelle 3 zu ersehen:
# #/4 gemessen #/4
theoret.
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486 nm 115,7 nm 121,5 nm 551 nm 137,4 nm 137,7 nm 589 nm 146,3 nm
147,5 nm 656 nm 152,6 nm 164,0 nm Beispiel 5 Wie in Beispiel 1 beschrieben, werden
640 g (52,6 Masse-%) Methacrylsäuremethylester, 360 g (29,6 Masse-%) einer Mischung
aus Derephthalsäurediallylester und Isophtalsäurediallylester im Masse-Verhältnis
von 85 : 15 und 217,5 g (17,8 Masse-%) Storen unter Zugabe von 1350 mg (G,12 Masse-%)
Dibenzoylperoxid copolymerisiert.
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Die nach der Entformung erhaltene Platte wird in einer Streckvorrichtung
bei 1500 C bis 1600 C um das 1,47-fache in Längsrichtung verstreckt. Die so erhaltene
achromatische Phasenplatte weist eine Temperaturabhängigkeit des #/4-Gangunterschides
von # 0,4 nm/K auf. Der Verlauf des #/4-Gangunterschides in Abhängigkeit von der
Wellenlänge entspricht den werten der Tabelle 1.
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Beispiel 6 800 g (61,25 Masse-%) Methacrylsäuremethylester, 450 g
(34,5 Masse-%) Diethylenglykol-bis-allylcarbonat und 55,5 g (4,25 Masse-%)Styren
werden unter Zugabe von 850 mg (0,07 Masse-%) Dibenzoylperoxid in der in Beispiel
1 beschriebenen Verfahrensweise copolymerisiert. Die nach der in Beispiel 1 beschriebenen
iEntformung erhaltene Platte wird bei 1400 C bis 150 C um das 1,34-fache in Längsrichtung
verstreckt, um eine
achromatische #/4-Phasenplatte zu erhalten.
Die Temperaturabhängigkeit des #/4-Gangunterschiedes beträgt # 0,5 nm/K. Der Verlauf
des #/4-Gangunterschiedes in Abhängigkeit von der Wellenlange # ist aus der folgenden
Tabelle 4 zu ersehen: # #74 gemessen #/4 theoret.
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486 nm 122,4 nm 121,5 nm 551 nm 138,7 nm 137,7 nm 589 nm 147,2 nm
147,5 nm 656 nm 157,1 nm 164,0 nm Beispiel 7 Analog Beispiel 6 werden 800 g (61,1
Masse) Methacrylsäuremethylester, 455 g (34,7 Masse-%) einer Mischung aus 50 Masse-Teilen
Diethylenglykol-bis-allylcarbonat und 50 Masse-Teilen Therephtalsäurediallylester
und 55,5 g (4,2 Masse-%) Styren unter Zugabe von 850 mg (0,07 Masse-%) Dibenzoylperoxid
in der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise copolymerisiert und entformt.
Die erhaltene Platte wird bei 1400 C bis 1500 C um das 1,38-fache in Längsrichtung
verstreckt. Die so entstandene achromatische #/4-Phasenplatte hat eine Temperaturabhängigkeit
des #/4-Gangunterschiedes von # 0,45 nm/K. Der Verlauf des #/4-Gangunterschiedes
in Abhängigkeit von der Wellenlänge# ist aus der folgenden Tabelle 5 zu entnehmen:
# #/4 gemessen #/4 theoret.
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486 nm 119,3 nm 121,5 nm 551 nm 136,9 nm 137,7 nm 589 nm 145,8 nm
147,5 nm 656 nm 152,4 nm 164,0 nm
In Abhängigkeit vom Vertreckungsgrad
bzw. von der nach der Verstreckung eingestellten Schichtdicke können auf der Grundlage
der Ausführungsbeispiele wahlweise auch achromatische Phasenplatten mit Gangunterschieden
hergestellt werden, die größer oder kleiner als #/4 sind.
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So ist es z. T3. nach Beispiel 1 möglich, durch eine Verstreckung
um das 1,86-fache eine #/4-Phasenplatte herzustellen. Nach Beispiel 2 erhält man
analog durch Verstrecken um das 1,16-fache eine #/8-Phasenplatte.