CH668338A5 - Annaeherungsschalter mit einer steuerschaltung. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung, insbesondere für den Sanitärbereich, mit einem Sender, der eine Strahlung aussendet; mit einem Empfänger, der von einem Objekt reflektierte Strahlung empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt.
Bei bekannten derartigen Annäherungsschaltern ist der Erfassungsbereich durch eine fest vorgegebene elektrische Schwelle definiert. In elektrische Signale gewandelte Strahlungsreflexe, welche diese Schwelle überschreiten, führen zu einer Auslösung des Systems. Wird nun ein derartiger Annäherungsschalter etwa im Sanitärbereich für eine Waschtischarmatur verwendet, so ist es notwendig, je nach Waschbeckenform und -färbe diese Schwelle bei der Installation individuell einzustellen. Veränderungen innerhalb der Steuerschaltungsanordnung, die auf der Alterung von elektronischen Komponenten beruhen können, oder die Verschmutzung der Optik bzw. des Waschtisches selbst führen jedoch im Verlaufe der Zeit zu einer Veränderung des Erfassungsbereiches. Dies kann zur Folge haben, dass das System entweder nicht mehr ein- oder nicht mehr ausschaltet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem Langzeitveränderungen im optischen bzw. elektrischen Bereich automatisch kompensiert werden (Selbstadaptiori) und ggf. auch eine Ersteinstellung am Montageort automatisch erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Steuerschaltung umfasst:
a) einen Langzeit-Mittelwertbildner, welcher durch Mittelwertbildung über eine Zeitspanne, die gegenüber der Dauer der durch sich nähernde oder entfernende Objekte ausgelösten Schaltvorgänge lang ist, einen Langzeit-Mittelwert des Empfangssignals (ES) bildet und ein diesem entsprechendes Langzeit-Signal (SW) abgibt;
b) einen Komparator, der ein Kurzzeitsignal (IS), das im wesentlichen den momentanen Wert des Empfangssignals (ES) repräsentiert, mit dem Langzeit-Signal (SW) vergleicht und ein Komparator-Signal (KS) abgibt, wenn das Kurzzeit-Signal (IS) vom Langzeit-Signal (SW) um einen bestimmten Betrag (A) abweicht, wobei das Komparatorsignal (KS) zur Bildung eines Ausgangssignals der Steuerschaltung verwendbar ist;
c) einen Sperrkreis, der die Neubildung eines Langzeit-Mittelwerts durch den Langzeit-Mittelwertbildner während der Zeit, in der ein Komparatorsignal (KS) vorliegt, unterbindet.
Der erfindungsgemässe Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung arbeitet adaptiv, d.h., er passt sich durch seine Funktionsweise jeder Umgebung, insbesondere jeder Hintergrundreflexion an und wertet Reflexionsänderungen in Hell-und/oder Dunkelrichtung nach vorgegebenen Kriterien aus. Die elektrischen Schaltwellen werden bei der Herstellung einmal eingestellt und nicht mehr verändert. Hierdurch wird eine hohe Reproduzierbarkeit der Einstellung und hohe Funktionssicherheit erzielt. Alle Langzeitveränderungen des Systems, beispielsweise Verschmutzung, Alterung, Temperatur, werden ebenso wie die Reflexion z.B. an einer Waschtischwand erfasst, welche aufgrund von Farbe und Geometrie in weiten Grenzen unterschiedlich sein kann.
Die Steuerschaltung des Annäherungsschalters kann zusätzlich umfassen:
d) einen Kurzzeit-Mittelwertbildner, welcher durch Mittelwertbildung über eine Zeitspanne, die gegenüber der Dauer der
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durch sich nähernde oder entfernende Objekte ausgelösten Schaltvorgänge kurz ist, aus dem Empfangssignal das Kurzzeit-Signal erzeugt.
Der Kurzzeit-Mittelwertbildner dient dabei im wesentlichen dazu, das Rauschen des Empfangssignals zu nivellieren.
Bei einer Ausführungsform gibt der Komparator ein Ausgangssignal ab, wenn das Kurzzeit-Signal das Langzeit-Signal um einen bestimmten Betrag übersteigt. Nur positive Abweichungen des Kurzzeit-Signals vom Langzeit-Signal führen zu einer Auslösung.
Alternativ es es möglich, dass der Komparator ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Kurzzeit-Signal das Langzeit-Si-gnal um einen bestimmten Betrag unterschreitet. Nur negative Abweichungen des Kurzzeit-Signals vom Langzeit-Signal führen zu einer Auslösung.
Schliesslich ist es möglich, dass der Komparator ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Kurzzeit-Signal oder das Langzeit-Signal um einen bestimmten Betrag über- oder unterschritten wird. Jede Abweichung des Kurzzeit-Signals vom Langzeit-Signal führt zu einer Auslösung.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzt der Betrag, um den das Kurzzeit-Signal vom Langzeit-Signal abweichen muss, einen ersten Wert, wenn der Komparator kein Ausgangssignal abgibt, und einen zweiten, kleineren Wert, wenn der Komparator ein Ausgangssignal abgibt. Durch diese Hysterese wird ein «Flattern» der Steuerschaltungsanordnung im Bereich der Schaltschwelle vermieden.
Ein Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass im Abstand vor der Sende-Emp-fangseinheit ein halbdurchlässiger Spiegel eingeordnet ist, der einen Teil der vom Sender ausgesandten Strahlung auf den Empfänger zurückreflektiert.
Diese besondere Ausgestaltung des Annäherungsschalters wird immer dann eingesetzt, wenn keine natürliche Hintergrundreflexion am Montageort des Annäherungsschalters vorhanden ist. In diesem Falle ermöglicht der vom halbdurchlässigen Spiegel reflektierte Strahlungsteil die Selbstadaption des Systems bei Alterungen der elektronischen Komponenten, Temperaturveränderungen, Verschmutzungen im optischen System usw.
Es genügt, wenn der halbdurchlässige Spiegel ein Ein- und Austrittsfenster der Sende-Empfangseinheit ist.
Wenn der Abstand zwischen halbdurchlässigem Spiegel und der Sende-Empfangseinheit veränderbar ist, kann auf mechanischem Wege der Erfassungsbereich des Annäherungsschalters durch Variation dieses Abstandes eingestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen
Figur 1: schematisch das Blockdiagramm eines Annäherungsschalters mit einer Steuerschaltung;
Figur 2: schematisch Signale und Impulse, die bei der Steuerschaltung nach Figur 1 auftreten;
Figur 3: schematisch Strahlengänge im optischen Teil des Annäherungsschalters.
Zunächst wird zur Beschreibung des Aufbaus der für den Annäherungsschalter bestimmten Steuerschaltung auf Figur 1 Bezug genommen.
Der Sender 1 sendet elektromagnetische Wellen, beispielsweise Infrarotlicht, aus, die nach Reflexion an einem Objekt auf den Empfänger 2 fallen. Als reflektierendes Objekt kommen bei der Anwendung in einer sanitären Waschtischarmatur sowohl die Wand des Waschtisches selbst als auch die Hände eines Benutzers in Frage.
Die Aussendung der elektromagnetischen Wellen durch den Sender 1 erfolgt als Folge von Impulsen, deren Wiederholfrequenz und Breite von einem Taktgeber 3 vorgegeben wird. Derselbe Taktgeber 3 beaufschlagt auch den Vorverstärker des Empfängers 3, so dass die Empfangssignale nach bekannter lock-in-Technik frequenz- und phasenempfindlich verarbeitet und Störsignale unterdrückt werden.
Die verstärkten Empfangssignale ES werden sowohl einem Langzeit-Mittelwertbildner 4 als auch einem Kurzzeit-Mittel-5 wertbildner 5 zugeführt.
Das Ausgangssignal SW des Langzeit-Mittelwertbildners 4 wird durch Integration über eine charakteristische Zeit gewonnen, die gross gegen die Zeitdauer der normalen Schaltvorgänge beim Auslösen der Schaltungsanordnung durch sich nähernde io oder sich entfernende Objekte ist.
Das Ausgangssignal IS des Kurzzeit-Mittelwertbildners 5, nachfolgend Kurzzeit-Signal genannt, wird durch Integration über eine charakteristische Zeit gewonnen, die ausreicht, das Rauschen im Empfangssignal zu unterdrücken, und die im all-15 gemeinen klein gegen die Zeitdauer der normalen zur Auslösung führenden Schaltvorgänge ist.
Die Signale IS und SW werden den beiden Eingängen eines Komparators 6 zugeführt. Am Ausgang des Komparators 6 erscheint ein Signal KS, wenn das Kurzzeit-Signal IS das Lang-20 zeit-Signal SW um einen Betrag A1 übersteigt und/oder (je nach Wunsch), wenn das Kurzzeit-Signal IS um mehr als einen Betrag A1 unter das Langzeit-Signal SW abfällt. Das Ausgangssignal KS des Komparators 6 wird an einen Logikkreis 7 gelegt, der bestimmt, welche Impulse mit welcher Zeitdauer und 25 wann nach dem Auftreten des Komparatorsignals erzeugt werden.
Das Ausgangssignal KS des Komparators 6 gelangt ausserdem an einen Sperrkreis 8, der über einen normalerweise geschlossenen Schalter 9 mit dem Langzeit-Mittelwertbildner 4 30 verbunden ist. Bei geschlossenem Schalter 9 hat der Sperrkreis 8 die Wirkung, dass eine Veränderung des Signals SW des Langzeit-Mittelwertbildners 4 unterbunden wird, solange ein Komparatorsignal KS am Sperrkreis 8 anliegt.
Die Funktionsweise der beschriebenen Steuerschaltungsan-35 Ordnung wird nunmehr anhand der Figur 2 näher beschrieben. Diese zeigt verschiedene in der Steuerschaltordnung auftretende Signale als Funktion der Zeit. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass der Annäherungsschalter zur berührungslosen Steuerung einer sanitären Waschtischarmatur eingesetzt ist. 40 Im Teil a der Figur 2 sind als durchzogene Linie das Kurzzeit-Signal IS, als strichpunktierte Linie das Langzeit-Signal SW und als gestrichelte Linien Schaltschwellen des Komparators 6 dargestellt. Die Schaltschwellen verlaufen dabei beidseits von und parallel zum Langzeit-Signal SW in einem Abstand A1 45 bzw. A2.
Zum Zeitpunkt t = 0 befindet sich ausser der Waschtischwand kein Objekt im Erfassungsbereich des Annäherungsschalters. Das Kurzzeit-Signal IS ist also zu diesem Zeitpunkt durch die ständig vorhandene Reflexion des Sendelichtes an der so Waschtischwand (ggf. auch durch einen geringen Anteil Fremdlicht) bestimmt. Im Verlaufe der Zeit können Veränderungen dieses Wertes eintreten, die auf einer Alterung elektronischer Komponenten, auf Verschmutzungen im optischen Weg, auf Temperaturveränderungen oder auch auf langsamen Verände-55 rungen des Reflexionsvermögens der Waschtischwand (Verunreinigung) usw. beruhen.
Das Signal IS ist also in dem auf den Zeitpunkt t = 0 folgenden Zeitabschnitt nicht konstant sondern verändert sich langsam und stetig. Die Geschwindigkeit dieser Veränderung ist 60 in der Zeichnung übertrieben dargestellt. Sie ist so, dass der Langzeit-Mittelwert SW dem Kurzzeit-Mittelwert IS folgen kann, dass also beide Werte miteinander übereinstimmen. Die durchgezogene kurze und die strichpunktierte Kurve fallen also in der Zeitspanne zwischen t = 0 und t = ti zusammen. 65 Zum Zeitpunkt t = ti tritt ein Objekt, z.B. die Hand eines Benutzers, in den Erfassungsbereich des Annäherungsschalters ein. Durch die Veränderung des Reflexions Vermögens des Objektes gegenüber demjenigen der Waschtischwand und/oder
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durch einen kleineren Abstand des Objektes zum Empfänger steigt der Wert des Kurzzeit-Signals IS rasch stark an. Das Langzeit-Signal SW kann dem Kurzzeit-Signal dabei nicht folgen. Sobald das Kurzzeit-Signal IS die gestrichelt dargestellte Schaltschwelle des Komparators 6 überschritten hat, die um den Betrag A1 über dem Langzeit-Signal SW liegt, gibt der Komparator 6 ein Signal KS ab. Dies ist im Teil b der Fig. 2 dargestellt.
Die Abgabe eines Signals KS durch den Komparator 6 hat dreifache Konsequenzen:
Zum einen wird der Logikkreis 7 ausgelöst, der im betrachteten Beispiel einer Waschtischarmatur den Wasserstrom sofort zum Fliessen bringt.
Zum anderen wird durch die Wirkung des Sperrkreises 8 (der Schalter 9 ist geschlossen) verhindert, dass ab sofort das Kurzzeit-Signal IS zur Bildung des Langzeit-Signals SW herangezogen wird, weil hierdurch das Langzeit-Signal verfälscht würde. Die strichpunktierte Kurve für das Langzeit-Signal verläuft daher in Figur 2a nach dem Zeitpunkt t = ti waagerecht.
Zum dritten schliesslich wird nach dem Auslösen des Komparators 6 die Grösse des Wertes A, um den der Schwellwert über dem Langzeit-Signal SW liegt, von A1 auf einen kleineren Wert A 2 verringert. Hierdurch wird ein «Flattern» der Steuerschaltungsanordnung am Auslösepunkt verhindert.
Zum Zeitpunkt t = t2 bewegt sich das Objekt wieder aus dem Erfassungsbereich des Annäherungsschalters heraus. Der Wert des Kurzzeit-Signals IS fällt rasch unter die Ansprechschwelle SW + A2 des Komparators 6 ab, so dass das Ausgangssignal KS des Komparators 6 abbricht. Nun wird der alte Schwellwert SW + A1 des Komparators 6 wieder hergestellt. Die laufende Neubildung des Langzeit-Signals SW wird wieder aufgenommen. Der Wasserstrom wird wieder abgestellt, wobei durch den Logikkreis 7 auch eine bestimmte Nachlaufzeit «angehängt» werden kann.
Wie in Figur 2a übertrieben dargestellt ist, kehrt das Kurzzeit-Signal IS zur Zeit t = t2 nicht wieder exakt auf den Wert zurück, den es zur Zeit t = ti besass, da sich ja auch zwischen den Zeiten ti und t2 die langsamen Änderungen fortgesetzt haben. Zum Zeitpunkt t = Î2 stimmen die Signale IS und SW daher nicht mehr exakt überein. Das Signal SW wird jedoch durch die laufende Neubildung wieder rasch an das Signal IS herangeführt.
Zum Zeitpunkt t = t3 gelangt ein Objekt in den Erfassungsbereich des Annäherungsschalters, dessen Reflexionsvermögen schlechter als dasjenige der Waschtischwand ist. Hierdurch fällt das Kurzzeit-Signal IS rasch auf einen Wert ab, der um mehr als A1 kleiner ist als der Langzeit-Wert SW ist. Es erscheint (Figur 2b) wiederum ein Komparatorsignal KS mit der Folge, dass eine Wasserströmung ausgelöst, die weitere Neubildung des Langzeit-Signals S W unterbunden und der Wert A von A1 auf den kleineren Wert A2 herabgesetzt wird. Zum Zeitpunkt t = t4 verlässt das Objekt den Erfassungsbereich des Annähe-rungsschalters wieder. Das System kehrt in seinen normalen «Ruhezustand» zurück.
Bei der obigen Beschreibung wurde (entsprechend Figur 2b) angenommen, dass der Komparator 6 sowohl beim Überschreiten als auch beim Unterschreiten des Langzeit-Signals SW durch das Kurzzeit-Signal IS um den Betrag A1 ein Signal abgibt. Man spricht in diesem Falle von «positiver und negativer Erkennung». Es ist selbstverständlich auch möglich, die Steuerschaltungsanordnung so zu betreiben, dass nur bei einer Überschreitung des Langzeitsignals SW (Figur 2c, «positive Erkennung») oder nur bei Unterschreiten des Langzeit-Signals SW (Figur 2c, «negative Erkennung») durch das Kurzzeit-Signal IS ein Komparatorsignal KS auftritt.
Wenn ausnahmsweise auch sehr rasche Veränderungen des Kurzzeit-Signals IS, die zu einer Auslösung des Komparators 6 führen, zur Bildung des Langzeit-Signals SW herangezogen werden soll, kann der Sperrkreis 8 durch Öffnen des Schalters 9 ausser Funktion gesetzt werden. Der Schalter 9 ist dabei im wesentlichen symbolisch als schaltungstechnische Einrichtung zu verstehen, mit welcher der Sperrkreis 8 ausser Funktion setzbar ist. Die Beiziehung rascher Veränderungen des Kurzzeit-Signals ÌS zur Bildung des Langzeit-Signals SW ist beispielsweise bei der Neuinstallation des Annäherungsschalters, beim Austausch eines Waschtisches gegen einen mit anderen Dimensionen und/oder mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen usw. erforderlich.
Die obige Beschreibung ging davon aus, dass sich im Erfassungsbereich des Annäherungsschalters ständig ein Objekt (im Beispiel die Waschtischwand) befindet, das dauernd einen Teil des Sendelichts zum Empfänger 2 zurückreflektiert. Dieser reflektierte Lichtanteil wurde zur Selbstkompensation (Adaption) von Langzeiterscheinungen verwendet.
Ist ein solches Objekt «von Haus aus» nicht vorhanden, so kann entsprechend Figur 3 vor den Sender 101 und den in der Praxis neben dem Sender 101 liegenden Empfänger 102 ein halbdurchlässiger Spiegel 110 gesetzt werden. Beim Spiegel 110 kann es sich auch einfach um das Ein- und Austrittsfenster des optischen Teiles des Annäherungsschalters handeln. Wie in Figur 3 gestrichelt dargestellt, wird ein Teil des vom Sender 101 ausgesandten Lichts vom halbdurchlässigen Spiegel 110 direkt auf den Empfänger 102 zurückreflektiert und kann in der oben erläuterten Weise zur Bildung des Langzeit-Signals SW herangezogen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt es jedoch keine «negative» sondern nur eine «positive» Erkennung, da beim Eintritt eines Objekts in den Erfassungsbereich des Annäherungsschalters die Menge des auf den Empfänger 102 reflektierten Lichtes nur erhöht, nicht dagegen verringert werden kann.
Da die Menge des vom halbdurchlässigen Spiegel 110 auf den Empfänger 102 zurückgeworfenen Lichts jedenfalls bei ohne Linsen arbeitenden optischen Systemen abhängig vom Abstand d zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 110 und der Sender-Empfangseinheit 101, 102 ist, kann durch Variation des Abstandes d der Wert des Langzeit-Signals SW und damit die Empfindlichkeit des Annäherungsschalters mechanisch verändert werden.
Die in Figur 2 dem Empfänger 2 nachgeschalteten, durch die Schaltelemente 4 bis 9 symbolisierten Funktionen können analog oder digital realisiert werden, wobei aus bekannten Gründen im allgemeinen dem digitalen Aufbau der Vorzug zu geben sein wird.
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3 Blätter Zeichnungen
Claims (10)
1. Annäherangsschalter mit einer Steuerschaltung, insbesondere für den Sanitärbereich, mit einem Sender, der eine Strahlung aussendet; mit einem Empfänger, der von einem Objekt reflektierte Strahlung empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung umfasst:
a) einen Langzeit-Mittelwertbildner (4), welcher durch Mittelwertbildung über eine Zeitspanne, die gegenüber der Dauer der durch sich nähernde oder entfernende Objekte ausgelösten Schaltvorgänge lang ist, einen Langzeit-Mittelwert des Empfangssignals (ES) bildet und ein diesem entsprechendes Langzeit-Signal (SW) abgibt;
b) einen Komparator (6), der ein Kurzzeitsignal (IS), welches im wesentlichen den momentanen Wert des Empfangssignals (ES) repräsentiert, mit dem Langzeit-Signal (SW) vergleicht und ein Komparator-Signal (KS) abgibt, wenn das Kurz-zeit-Signal (IS) vom Langzeit-Signal (SW) um einen bestimmten Betrag (A) abweicht, wobei das Komparatorsignal (KS) zur Bildung eines Ausgangssignals der Steuerschaltung verwendbar ist;
c) einen Sperrkreis (8), der die Neubildung eines Langzeit-Mittelwerts durch den Langzeit-Mittelwertbildner (4) während der Zeit, in der ein Komparatorsignal (KS) vorliegt, unterbindet.
2. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch d) einen Kurzzeit-Mittelwertbildner (5), welcher durch Mittelwertbildung über eine Zeitspanne, die gegenüber der Dauer der durch sich nähernde oder entfernende Objekte ausgelösten Schaltvorgänge kurz ist, aus dem Empfangssignal (ES) das Kurzzeit-Signal (IS) erzeugt.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (6) das Komparatorsignal (KS) abgibt, wenn das Kurzzeit-Si-gnal (IS) das Langzeit-Signal (SW) um einen bestimmten Betrag (A) übersteigt.
4. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (6) das Komparatorsignal (KS) abgibt, wenn das Kurzzeit-Signal (IS) das Langzeit-Signal (SW) um einen bestimmten Betrag (A) unterschreitet.
5. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (6) das Komparatorsignal (KS) abgibt, wenn das Kurzzeit-Signal (IS) das Langzeit-Signal (SW) um einen bestimmten Betrag (À) über- oder unterschreitet.
6. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrkreis (8) ausser Funktion setzbar ist.
7. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag (A), um den das Kurzzeit-Signal (IS) vom Langzeit-Signal (SW) abweicht, einen ersten Wert (A1) besitzt, wenn der Komparator (6) kein Komparatorsignal (KS) abgibt, und einen zweiten, kleineren Wert (A2) besitzt, wenn der Komparator (6) das Komparatorsignal (KS) abgibt.
8. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Sende-Empfangseinheit, in der Sender und Empfänger nebeneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abstand (d) vor der Sende-Empfangseinheit (101,102) ein halbdurchlässiger Spiegel (110) angeordnet ist, der einen Teil der vom Sender (101) ausgesandten Strahlung auf den Empfänger (102) zurückreflektiert.
9. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der halbdurchlässige Spiegel (110) ein Ein- und Austrittsfenster der Sende-Empfangseinheit (101, 102) ist.
10. Annäherungsschalter mit einer Steuerschaltung nach
Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen halbdurchlässigem Spiegel (110) und der Sende-Empfangseinheit (101, 102) veränderbar ist.
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