DE102004007957A1 - Optoelectronic sensor device - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird eine optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Sender und einem Empfänger für optische Strahlung und mit einem Koppelelement zur Ein- und Aufkopplung der optischen Strahlung in eine Fahrzeugscheibe, wobei das Koppelelement durch einen Verbund aus einer mikrostrukturierten Folie mit mindestens einer weiteren Folie ausgebildet ist.Described is an optoelectronic sensor device for a motor vehicle, comprising a transmitter and a receiver for optical radiation and having a coupling element for coupling and coupling the optical radiation in a vehicle window, wherein the coupling element formed by a composite of a microstructured film with at least one further film is.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Sender und einem Empfänger für optische Strahlung und mit einem Koppelelement zur Ein- und Auskopplung der optischen Strahlung in eine Fahrzeugscheibe.The The present invention relates to an optoelectronic sensor device for a Motor vehicle, with a transmitter and a receiver for optical radiation and with a coupling element for coupling and decoupling the optical radiation in a vehicle window.

In der DE 197 20 874 C2 wird ein Aufbau beschrieben, um für einen Regensensor paralleles Licht unter 45° in eine Windschutzscheibe derart einzukoppeln, daß keine Brechung an der Grenzfläche entsteht und sich das Licht innerhalb des Glases weiter unter 45° ausbreitet, indem auf die Scheibe eine Struktur aufgebracht ist, die aus unter 45° zur Scheibe geneigten Grenzflächen besteht, auf die das Licht senkrecht auftrifft. Als eine Möglichkeit zur Ausbildung eines solchen Koppelelements ist die Verwendung eines profilierten Folienabschnittes vorgeschlagen.In the DE 197 20 874 C2 For a rain sensor, a structure is described to couple parallel light at 45 ° into a windshield so that no refraction at the interface is created and the light within the lens propagates further below 45 ° by applying a structure to the disk consists of inclined at 45 ° to the disc boundary surfaces on which the light impinges vertically. As a possibility for the formation of such a coupling element, the use of a profiled film section is proposed.

Es stellte sich die Aufgabe, eine optoelektronische Sensoreinrichtung mit einem weiter verbesserten Koppelelement schaffen.It the task was to set up an optoelectronic sensor device create with a further improved coupling element.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Koppelelement durch einen Verbund aus einer mikrostrukturierten Folie mit mindestens einer weiteren Folie ausgebildet ist.These Task is inventively characterized solved, that this Coupling element by a composite of a microstructured Foil is formed with at least one further film.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.advantageous Embodiments and developments of the sensor device according to the invention are in the dependent claims described.

So kann das Koppelelement vorteilhaft aus einer mikrostrukturierten Folie mit Strukturgrößen zwischen 20 μm und 300 μm bestehen, die als Prismenfolie erhältlich ist und bisher beispielsweise als helligkeitssteigernde Schicht in LCD-Bildschirmen zur Anwendung kommt. Die bei Verwendung bei einer optoelektronischen Sensoreinrichtung vorteilhaften Eigenschaften sind einerseits die geringe Bauhöhe und die Flexibilität der Folie, die eine dauerhaft delaminationsfreie Verklebung mit einer gekrümmten Fahrzeugscheibe eines Kraftfahrzeugs ermöglicht.So the coupling element can advantageously made of a microstructured Foil with structure sizes between 20 μm and 300 μm, available as a prism sheet is and so far, for example, as a brightness-enhancing layer is used in LCD screens. The when using at an optoelectronic sensor device advantageous properties On the one hand are the low height and the flexibility the film, which has a permanently delamination-free bond with a curved vehicle window of a motor vehicle.

Die mikrostrukturierte Folie kann zudem auf der Strukturseite mit einer weiteren, planen Folie, gegebenenfalls unter Einschluß von Luft oder anderen trockenen Gasen abgedeckt sein. Da es sich bei der Schutzfolie um zwei planparallele Grenzflächen handelt, bleibt der Winkel der Lichtausbreitung außerhalb der Folie von dieser Folie unbeeinflußt. Vorteile dieser Schutzfolie sind der Schutz der mikrostrukturierten Folie vor mechanischer Beschädigung einerseits und vor Verschmutzung oder auch Beschlag andererseits.The microstructured film can also on the structural side with a another, flat film, optionally including air or other dry gases. As it is the protective film around two plane-parallel interfaces the angle of the light propagation remains outside the film of this film unaffected. Advantages of this protective film are the protection of the microstructured film from mechanical damage on the one hand and against contamination or else fogging on the other.

Diese Schutzfolie kann des weiteren mit der mikrostrukturierten Folie an einem umlaufenden Rand durch Kleben, Schweißen oder Prägen hermetisch verschlossen sein. Dieser Rand kann zudem vorteilhaft zur Befestigung oder Ausrichtung des Folienverbundes an weiteren Funktionskomponenten des optoelektronischen Sensors eingesetzt werden.These Protective film may further be provided with the microstructured film hermetically sealed at a peripheral edge by gluing, welding or embossing be. This edge can also be advantageous for attachment or alignment the film composite on other functional components of the optoelectronic Sensors are used.

Die mikrostrukturierte Folie und/oder die Schutzfolie kann überdies eingefärbt sein, um dem Folienverbund optische Filtereigenschaften zuzuordnen, etwa zum Sperren von störenden Bereichen des Sonnenspektrums, während für die in dem optoelektronischen Sensor, der insbesondere ein Regensensor sein kann, verwendete Wellenlänge eine hohe Transmissionsfähigkeit besteht.The microstructured film and / or the protective film may moreover colored be assigned to the film composite optical filter properties, about blocking interfering Areas of the solar spectrum while for the in the optoelectronic sensor, in particular a rain sensor can be used wavelength a high transmission capability consists.

Der Folienverbund aus mikrostrukturierter Folie und Schutzfolie kann vorteilhaft auch durch weitere Folien oder Beschichtungen in Art eines Sandwichs erweitert werden, beispielsweise durch:

  • – eine Folie oder Beschichtung mit UV-sperrenden Eigenschaften,
  • – eine Folie oder Beschichtung mit Sperreigenschaften für sichtbares Licht und hoher Transmissionsfähigkeit für die in einem Regensensor verwendeten Wellenlänge, die vorzugsweise im Infraroten bei einer Wellenlänge von etwa 880 nm liegen kann,
  • – eine Beschichtung mit beschlagverhindernden, antistatisch wirkenden oder sonstigen Substanzen, und
  • – speziell auf der der Scheibe zugewandten Seite durch eine klebfähige Folie oder Beschichtung zur Verbindung des Foliensandwichs mit der Fahrzeugscheibe.
The film composite of microstructured film and protective film can advantageously also be extended by further films or coatings in the manner of a sandwich, for example by:
  • A film or coating with UV-blocking properties,
  • A film or coating having visible light barrier properties and high transmissivity for the wavelength used in a rain sensor, which may preferably be in the infrared at a wavelength of about 880 nm,
  • - a coating with antifogging, antistatic or other substances, and
  • - Especially on the side facing the disc by an adhesive film or coating for connecting the film sandwich with the vehicle window.

In den Folienverbund aus mikrostrukturierter Folie und Schutzfolie kann zusätzlich ein klarer, planparalleler oder auch lichtformend strukturierter Bereich eingebracht sein, um für Sensorfunktionen, die einen unbeeinträchtigten Zutritt von Umgebungsstrahlung erfordern, wie z. B. für einen Lichtsensor oder einen Sonnenstandsensor, die benötigten Eintrittsfenster zu schaffen. Hierzu kann der Zwischenraum zwischen mikrostrukturierter Folie und Schutzfolie durch ein im Brechungsindex angepaßtes Medium, etwa einen Kleber, aufgefüllt oder die mikrostrukturierte Folie und die Schutzfolie durch Prägen oder Schweißen miteinander stoffschlüssig verbunden werden, wobei die gegebenenfalls gewünschte, lichtformende Struktur, wie z. B. eine Linse, auf der dem Sensor zugewandten Seite der Schutzfolie ausgeformt wird.In the film composite of microstructured film and protective film can additionally a clear, plane-parallel or light-shaping structured Be introduced to area for Sensor functions that allow undisturbed access of ambient radiation require, such. For example a light sensor or a sun sensor, the required entrance window to accomplish. For this purpose, the gap between microstructured Film and protective film by a refractive index-matched medium, about an adhesive, filled up or the microstructured film and the protective film by embossing or welding together cohesively be connected, wherein the optionally desired, light-forming structure, such as As a lens, on the sensor side facing the protective film is formed.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the sensor device according to the invention are in the drawing Darge represents and will be explained in more detail below with reference to the drawing.

Die 1 bis 3 zeigen jeweils eine Schemazeichnung einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die 4 erläutert das Funktionsprinzip einer optoelektronischen Sensoreinrichtung.The 1 to 3 each show a schematic diagram of an advantageous embodiment of the sensor device according to the invention. The 4 explains the operating principle of an optoelectronic sensor device.

Die 4 zeigt schematisch den Strahlengang bei einer optoelektronischen Sensoreinrichtung, wobei die dargestellte Anordnung in so weit dem vorbekannten Stand der Technik entspricht. Um Regen oder Verschmutzungen auf der Fahrzeugscheibe (4) eines Kraftfahrzeugs zu sensieren, strahlt eine als Lichtsender (8) wirkende Sende-Diode eine optische Strahlung, vorzugsweise im nahen Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von ca. 880 nm, über eine erste Linsenstruktur (10) zur Parallelisierung des Lichtbündels und ein Koppelelement (1) unter einem Winkel von 45° in das Glas der Fahrzeugscheibe (4) ein. An der Außenfläche der Fahrzeugscheibe (4) wird der einfallende Lichtstrahl unter einem Winkel von 45° totalreflektiert und fällt über das Koppelelement (1) und über eine fokussierend wirkende zweite Linsenstruktur (11) auf eine als Lichtempfänger (9) wirkende Foto-Diode.The 4 schematically shows the beam path in an optoelectronic sensor device, the arrangement shown in so far as the prior art corresponds. For rain or dirt on the vehicle window ( 4 ) of a motor vehicle emits a light transmitter ( 8th ) acting optical diode radiation, preferably in the near infrared region at a wavelength of about 880 nm, via a first lens structure ( 10 ) for parallelization of the light beam and a coupling element ( 1 ) at an angle of 45 ° in the glass of the vehicle window ( 4 ) one. On the outer surface of the vehicle window ( 4 ) the incident light beam is totally reflected at an angle of 45 ° and falls over the coupling element ( 1 ) and via a focusing second lens structure ( 11 ) as a light receiver ( 9 ) acting photo diode.

Befinden sich Regentropfen oder Schmutzteilchen auf der Außenseite der Fahrzeugscheibe (4), so wird an diese Stelle eine Teil der auftreffenden Strahlung aus der Fahrzeugscheibe ausgekoppelt oder absorbiert, was eine Verminderung der von der Foto-Diode empfangenen Strahlungsintensität bewirkt. Diese Intensitätsänderung kann durch eine mit der Foto-Diode verbundene Elektronik, die in der Figur nicht dargestellt ist, leicht registriert werden.Are raindrops or dirt particles on the outside of the vehicle window ( 4 ), so part of the incident radiation from the vehicle window is coupled or absorbed at this point, which causes a reduction in the radiation received by the photo diode radiation intensity. This change in intensity can easily be registered by an electronics connected to the photo diode, which is not shown in the figure.

Der dargestellte Stand der Technik löst vor allem das Problem der brechungsfreien Lichteinkopplung in die Fahrzeugscheibe (4). Das hierzu verwendete Koppelelement (1) kann vorteilhafterweise durch eine Folie ausgebildet sein, welche eine Prismenstruktur aufweist, wobei die Flächen der Prismen genau senkrecht zum eingekoppelten bzw. ausgekoppelten Lichtstrahlenbündel angeordnet sind, wodurch ein brechungsfreier Übergang der Strahlung in den Koppelelement (1) sowie aus dem Koppelelement (1) heraus, erreicht wird. Das Koppelelement (1) ist mit der Fahrzeugscheibe (4) durch eine Klebeschicht (12) verbunden.The illustrated prior art solves above all the problem of refraction-free light coupling in the vehicle window ( 4 ). The coupling element used for this purpose ( 1 ) can be advantageously formed by a film having a prism structure, wherein the surfaces of the prisms are arranged exactly perpendicular to the coupled or decoupled light beam, whereby a non-refractory transition of the radiation in the coupling element ( 1 ) as well as from the coupling element ( 1 ) is reached. The coupling element ( 1 ) is with the vehicle window ( 4 ) through an adhesive layer ( 12 ) connected.

Die 1 zeigt als Teil einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung einen Folienverbund (7), der in Form eines "Foliensandwichs" aufgebaut ist, wobei die funktionsrelevante Struktur als mikrostrukturierte Folie (1) mit einer Strukturgröße zwischen 20 und 300 μm ausgebildet ist. Diese Folie (1) ist aufgrund ihrer Empfindlichkeit und zum Schutz vor Verschmutzung mit einer Schutzfolie (2) planparallel abgedeckt. Zwischen diesem Folienverbund und der Fahrzeugscheibe (4) sind weitere Folien (3, 5, 6) bzw. Schichten angeordnet, die Filter- und Klebefunktionen erfüllen.The 1 shows as part of a sensor device according to the invention a film composite ( 7 ), which is constructed in the form of a "film sandwich", wherein the function-relevant structure as a microstructured film ( 1 ) is formed with a feature size between 20 and 300 microns. This slide ( 1 ) is due to their sensitivity and protection against contamination with a protective film ( 2 ) covered plane-parallel. Between this film composite and the vehicle window ( 4 ) are more slides ( 3 . 5 . 6 ) or layers arranged, the filter and adhesive functions meet.

Dargestellt sind hier beispielhaft jeweils übereinander angeordnete Folien (5, 6), die durch Einfärbung oder durch geeignete Materialauswahl als Tageslichtsperrfilter (5) und als UV-Sperrfilter (6) wirken und die damit optische Wellenlängen, die außerhalb des für die Sensorfunktion relevanten Infrarotbereiches liegen, weitgehend von dem optischen Empfänger fernhalten, und damit die Ansprechempfindlichkeit der Sensoreinrichtung erheblich steigern.Shown here are by way of example each superimposed films ( 5 . 6 ) by coloring or by suitable choice of materials as daylight blocking filters ( 5 ) and as a UV blocking filter ( 6 ) and thus the optical wavelengths that are outside of the relevant for the sensor function infrared range, largely keep away from the optical receiver, and thus significantly increase the sensitivity of the sensor device.

Zur einfachen Herstellung einer Verbindung des Folienpakets mit der Fahrzeugscheibe (4), wird die Klebeverbindung durch eine zum Folienverbund (7) gehörende Klebefolie (3) hergestellt.For easy connection of the film package to the vehicle window ( 4 ), the adhesive bond is through a film composite ( 7 ) belonging adhesive film ( 3 ) produced.

Die 2 zeigt beispielhaft die Verbindung der mikrostrukturierten Folie (1) mit der Schutzfolie (2) durch berandende Klebe-, Schweiß- oder Prägebereiche.The 2 shows by way of example the compound of the microstructured film ( 1 ) with the protective film ( 2 ) by bordering gluing, welding or embossing areas.

Die Folienschichten können dabei im Falle paralleler Grenzflächen durch Laminieren, Verkleben oder Beschichten oder im allgemeinen Fall durch Kleben, Schweißen oder Prägen in den Randbereichen (2a) der Folien (1, 3, 5, 6) verbunden sein.In the case of parallel interfaces, the film layers may be laminated, adhesively bonded or coated or, in the general case, by gluing, welding or embossing in the edge regions (FIG. 2a ) of the films ( 1 . 3 . 5 . 6 ).

In der 3 ist eine Ausführung einer optoelektronischen Sensoreinrichtung skizziert, bei der neben einem die Beschaffenheit der Fahrzeugscheibenoberfläche erfassenden Infrarotsensor ein weiterer optischer Sensor, beispielsweise ein Umgebungslicht- oder Sonnenstandssensor integrierbar ist, der einen unbeeinträchtigten Zutritt von Umgebungsstrahlung erfordert.In the 3 an embodiment of an optoelectronic sensor device is outlined, in which in addition to a the nature of the vehicle window surface detecting infrared sensor, a further optical sensor, such as an ambient light or sun position sensor is integrated, which requires unimpaired access of ambient radiation.

Um dieses zu ermöglichen ist ein klarer, planparallel oder lichtformend strukturierter Bereich (2b) innerhalb der Sensoreinrichtung angeordnet. Dieser ist zwischen der mikrostrukturierten Folie (1) und der Schutzfolie (2) durch Kleben oder Auffüllen mit Stoffen, deren Brechungsindex an die Klebepartner angepaßt ist, bzw. durch Schweißen oder Prägen, wenn die verwendeten Materialien einen annähernd gleichen Brechungsindex aufweisen, geschaffen.To make this possible, a clear, plane-parallel or light-shaping structured region ( 2 B ) disposed within the sensor device. This is between the microstructured film ( 1 ) and the protective film ( 2 ) by gluing or filling with substances whose refractive index is adapted to the adhesive partners, or by welding or embossing when the materials used have an approximately equal refractive index, created.

Hierdurch wird auf einfache und kostengünstige Weise auch die Schaffung komplexerer Sensoreinrichtungen möglich.hereby is going to be simple and inexpensive Way also the creation of more complex sensor devices possible.

11
mikrostrukturierte Folie (Koppelelement)microstructured Foil (coupling element)
22
Schutzfolieprotector
2a2a
Prägebereichstamping area
2b2 B
(lichtformend) strukturierter Bereich(Light-forming) structured area
33
Klebefolieadhesive film
44
Fahrzeugscheibevehicle window
55
Folie (Tageslichtsperrfilter)foil (Daylight Filter)
66
Folie (UV-Sperrfilter)foil (UV-cut filter)
77
(Folien-)Verbund(Foil) composite
88th
(Licht-)Sender(Light) transmitter
99
(Licht-)Empfänger(Light) receiver
1010
erste Linsenstrukturfirst lens structure
1111
zweite Linsenstruktursecond lens structure
1212
Klebeschichtadhesive layer

Claims (13)

Optoelektronische Sensoreinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Sender und einem Empfänger für optische Strahlung und mit einem Koppelelement zur Ein- und Auskopplung der optischen Strahlung in eine Fahrzeugscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement durch einen Verbund (7) aus einer mikrostrukturierten Folie (1) mit mindestens einer weiteren Folie (2, 3, 5, 6) ausgebildet ist.Optoelectronic sensor device for a motor vehicle, comprising a transmitter and a receiver for optical radiation and having a coupling element for coupling and decoupling the optical radiation into a vehicle window, characterized in that the coupling element is connected by a composite ( 7 ) from a microstructured film ( 1 ) with at least one further film ( 2 . 3 . 5 . 6 ) is trained. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrostrukturierte Folie (1) eine Strukturgröße zwischen 20 μm und 300 μm aufweist.Optoelectronic sensor device according to claim 1, characterized in that the microstructured film ( 1 ) has a feature size between 20 microns and 300 microns. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturseite der mikrostrukturierten Folie (1) durch eine Schutzfolie (2) abgedeckt ist.Optoelectronic sensor device according to claim 1, characterized in that the structural side of the microstructured film ( 1 ) by a protective film ( 2 ) is covered. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzfolie (2) an einem umlaufenden Rand (2a) mit der mikrostrukturierten Folie (1) durch Kleben, Schweißen oder Prägen hermetisch verbunden ist.Optoelectronic sensor device according to claim 3, characterized in that the protective film ( 2 ) on a peripheral edge ( 2a ) with the microstructured film ( 1 ) is hermetically connected by gluing, welding or embossing. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Rand (2a) zur Befestigung oder Ausrichtung des Folienverbundes an weiteren Funktionskomponenten der Sensoreinrichtung vorgesehen ist.Optoelectronic sensor device according to claim 4, characterized in that the peripheral edge ( 2a ) is provided for attachment or alignment of the film composite to other functional components of the sensor device. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrostrukturierte Folie (1) und/oder die Schutzfolie (2) eingefärbt ist.Optoelectronic sensor device according to Claim 1 or Claim 3, characterized in that the microstructured film ( 1 ) and / or the protective film ( 2 ) is colored. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund (7) aus mikrostrukturierter Folie (1) und Schutzfolie (2) mit einer oder mehreren weiteren Folien (3, 5, 6) und/oder Beschichtungen versehen sind.Optoelectronic sensor device according to claim 3, characterized in that the composite ( 7 ) of microstructured foil ( 1 ) and protective film ( 2 ) with one or more further films ( 3 . 5 . 6 ) and / or coatings are provided. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Folie als Klebefolie (3) ausgebildet ist.Optoelectronic sensor device according to claim 7, characterized in that a further film as an adhesive film ( 3 ) is trained. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebefolie (3) die Verbindung des Koppelelements mit der Fahrzeugscheibe (4) herstellt.Optoelectronic sensor device according to claim 8, characterized in that the adhesive film ( 3 ) the connection of the coupling element with the vehicle window ( 4 ). Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Folie (5, 6) optische Filtereigenschaften aufweist.Optoelectronic sensor device according to claim 7, characterized in that a further film ( 5 . 6 ) has optical filter properties. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Folienverbund (7) aus mikrostrukturierter Folie (1) und Schutzfolie (2) ein klarer, planparalleler oder auch lichtformend strukturierter Bereich (2a) eingebracht ist.Optoelectronic sensor device according to claim 1, characterized in that in the film composite ( 7 ) of microstructured foil ( 1 ) and protective film ( 2 ) a clear, plane-parallel or also light-forming structured region ( 2a ) is introduced. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen mikrostrukturierter Folie (1) und Schutzfolie (2) durch ein im Brechungsindex angepaßtes Medium, beispielsweise durch einen Kleber aufgefüllt ist.Optoelectronic sensor device according to claim 11, characterized in that the gap between microstructured film ( 1 ) and protective film ( 2 ) is filled by a refractive index adapted medium, for example by an adhesive. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrostrukturierte Folie (1) und die Schutzfolie (2) durch Prägen oder Schweißen miteinander stoffschlüssig verbunden sind, wobei die gewünschte, lichtformende Struktur (2a), z. B. eine Linse, auf der dem Sensor zugewandten Seite der Schutzfolie (2) ausgeformt ist.Optoelectronic sensor device according to claim 11, characterized in that the microstructured film ( 1 ) and the protective film ( 2 ) are cohesively connected to one another by embossing or welding, wherein the desired, light-shaping structure ( 2a ), z. As a lens, on the sensor side facing the protective film ( 2 ) is formed.
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