DE102004047070A1 - Zeigevorrichtung mit adaptivem Beleuchtungspegel - Google Patents
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Abstract
Eine Zeigevorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben derselben sind offenbart. Die Zeigevorrichtung umfasst ein Beleuchtungssystem, ein Kamerasystem und eine Steuerung. Das Beleuchtungssystem beleuchtet eine Oberfläche, über die sich die Zeigevorrichtung bewegt. Das Beleuchtungssystem erzeugt einen Lichtpegel, der durch ein Beleuchtungssteuerungssignal bestimmt wird. Die Kamera zeichnet eine Mehrzahl von Bildern der beleuchteten Oberfläche auf. Die Steuerung zeichnet ein erstes und ein zweites Bild auf, die durch die Kamera zu unterschiedlichen Zeiten gemacht werden, und bestimmt eine Verschiebung, die die Richtung und die Distanz anzeigt, die sich die Positionierungsvorrichtung zwischen den zwei unterschiedlichen Zeiten bewegt. Die Steuerung erzeugt ferner das Beleuchtungssteuerungssignal. Das Beleuchtungssteuerungssignal hängt von zumindest einem der Bilder ab, die durch das Kamerasystem aufgezeichnet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche gekennzeichnet durch ein Reflektionsvermögen, und der Lichtpegel, der durch das Beleuchtungssystem erzeugt wird, bezieht sich umgekehrt auf dieses Reflektionsvermögen.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Computerzeigevorrichtungen und insbesondere auf eine verbesserte optische Maus.
- Eine allgemeine Form einer Zeigevorrichtung zur Verwendung mit Computern und ähnlichem wird als eine „Maus" bezeichnet. Der Computerbenutzer bewegt die Vorrichtung über eine Oberfläche, um einen Cursor auf dem Computerbildschirm zu bewegen. Die Größe der Bewegung und die Richtung der Bewegung der Maus werden durch die Vorrichtung erfasst und bestimmen die Distanz und die Richtung, in der sich der Cursor auf dem Bildschirm bewegt. Kostengünstige Mäuse, die auf einem Ball basieren, der über die Oberfläche rollt, wurden eine Zeitlang verwendet. Der Ball dreht zwei Zylinder, die Distanz und die Richtung der Bewegung erfassen. Leider nimmt der Ball Schmiere und anderen Schmutz von der Oberfläche auf und überträgt dieses Material auf die Zylinder. Die resultierende Beschichtung auf den Zylindern stört die Bewegung der Zylinder und somit muss die Vorrichtung periodisch gereinigt werden. Die Reinigungsoperation ist umständlich und zeitaufwendig.
- Mäuse, die auf einer optischen Erfassung basieren, vermeiden dieses Problem. Ursprünglich mussten solche Mäuse über eine bestimmte Oberfläche bzw. ein Pad bewegt werden, das Gitterlinien hatte, die durch die Vorrichtung erfasst wurden. Der Bedarf zum Verwenden dieser speziellen Unterlage machte die Vorrichtung weniger attraktiv als die oben erörterten mechanischen Mäuse. Kürzlich wurden optische Mäuse entwickelt, die solche Unterlagen nicht benötigen. Diese Mäuse umfassen eine Lichtquelle, die die Oberfläche unter der Maus in einem flachen Winkel beleuchtet, was die strukturellen Details der Oberfläche hervorhebt. Ein Bild sensor in der Maus zeichnet ein Bild der beleuchteten Oberfläche periodisch auf. Durch Vergleichen von zwei aufeinanderfolgenden Bildern wird die Verschiebung der Maus zwischen den Zeiten, zu denen Bilder gemacht wurden, bestimmt.
- Drahtlose optische Mäuse sind besonders attraktiv, da der Benutzer nicht durch ein Kabel eingeschränkt ist, das die Zeigevorrichtung mit dem Computer verbindet. Die Batterielebensdauer ist eine wichtige Berücksichtigung bei solchen Systemen, sowohl von dem Standpunkt der Betriebskosten als auch der Bequemlichkeit. Somit sind Systeme mit reduzierten Leistungsanforderungen von besonderem Wert.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zeigevorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Verschiebung der Zeigevorrichtung auf einer Oberfläche mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch eine Zeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
- Die vorliegende Erfindung umfasst eine Zeigevorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben derselben. Die Zeigevorrichtung umfasst ein Beleuchtungssystem, ein Kamerasystem und eine Steuerung. Das Beleuchtungssystem beleuchtet eine Oberfläche, über die sich die Zeigevorrichtung bewegt. Das Beleuchtungssystem erzeugt einen Lichtpegel, der durch ein Beleuchtungssteuerungssignal bestimmt wird. Die Kamera zeichnet eine Mehrzahl von Bildern der beleuchteten Oberfläche auf. Die Steuerung zeichnet ein erstes und ein zweites Bild auf, die durch die Kamera zu unterschiedlichen Zeiten gemacht werden, und bestimmt eine Verschiebung, die die Richtung und die Distanz anzeigt, die sich die Positionierungsvorrichtung zwischen den zwei unterschiedlichen Zeiten bewegt hat. Die Steuerung erzeugt ferner das Beleuchtungssteuerungssignal. Das Beleuchtungssteuerungssignal hängt von zumindest einem der Bilder ab, die durch das Kamerasystem aufgezeichnet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche durch ein Reflektionsvermögen gekennzeichnet, wobei der Lichtpegel, der durch das Beleuchtungssystem erzeugt wird, umgekehrt auf das Reflektionsvermögen bezogen ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst das Beleuchtungssystem eine LED und eine variable Stromschaltung, die den Strom einstellt, der durch die LED ansprechend auf das Beleuchtungssteuerungssignal fließt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die variable Stromschaltung einen Stromspiegel zum Steuern des Stroms in der LED. Bei einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel weist das Beleuchtungssystem eine erste Beleuchtungseinstellung zum Liefern eines ersten Genauigkeitspegels bei der bestimmten Verschiebung, und eine zweite Beleuchtungseinstellung zum Liefern eines zweiten Genauigkeitspegels auf, der höher ist als der erste Genauigkeitspegel. Die zweite Beleuchtungseinstellung erfordert mehr Leistung als die erste Beleuchtungseinstellung.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine vereinfachte Querschnittansicht einer optischen Maus; -
2 eine schematische Zeichnung einer optischen Maus gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und -
3 eine variable Stromquelle zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung. - Die Art und Weise, auf die die vorliegende Erfindung ihre Vorteile schafft, ist leichter verständlich Bezug nehmend auf
1 , die eine vereinfachte Querschnittansicht einer optischen Maus10 über einem Substrat40 ist. Die Maus10 kann derart betrachtet werden, dass sie zwei Hauptkomponen ten aufweist, einen Beleuchtungsabschnitt30 und einen Bilderzeugungsabschnitt20 . Der Beleuchtungsabschnitt30 umfasst üblicherweise eine LED-Lichtquelle31 und eine optische Anordnung32 , die die Oberfläche40 mit parallelgerichtetem Licht beleuchtet, das auf die Oberfläche in einem flachen Winkel relativ zu der Oberfläche auftritt. Licht aus dem beleuchteten Abschnitt der Oberfläche wird durch den Bilderzeugungsabschnitt auf einen Sensor21 abgebildet, mit der Hilfe einer Linsenanordnung22 . Ein Sensor21 ist ein zweidimensionales Array aus Bilderzeugungselementen, das ein Bild eines Abschnitts der Oberfläche40 erzeugt. - Wenn die Maus relativ zu der Oberfläche bewegt wird, wird das Bild auf dem Sensor
21 verschoben. Wenn Bilder zeitlich ausreichend nahe beieinander aufgenommen werden, enthält jedes nachfolgende Bild einen Abschnitt des vorangehenden Bildes. Somit, durch Vergleichen von zwei aufeinanderfolgenden Bildern, kann die Maus10 den Versatz zwischen den Bildern bestimmen. Zum Beispiel kann die Maus10 die Korrelation des ersten Bildes berechnen, das um verschiedene Beträge zu dem zweiten Bild verschoben ist. Die Verschiebung, die die höchste Korrelation liefert, wird als die Verschiebung der Maus während der Zeitperiode angenommen, die zwischen den Zeiten abgelaufen ist, zu denen die zwei Bilder gemacht wurden. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in1 gezeigt ist, sei angenommen, dass eine Steuerung23 die Verschiebungsberechnungen ausführt und ein Signal ausgibt, das die Bewegung anzeigt. Ausführungsbeispiele jedoch, bei denen das Bild an einem Computer ausgegeben wird, der an die optische Maus angeschlossen ist, können ebenfalls ausgearbeitet werden. - Die vorliegende Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass die Leistung, die durch die LED in der Lichtquelle verbraucht wird, die größte Leistungsaufnahme ist, und somit würde ein effizienteres Beleuchtungssystem eine erhöhte Batterielebensdauer liefern. Bekannte Vorrichtungen verwen den einen festen LED-Strom, unabhängig von dem Reflektionsvermögen der Oberfläche, über die sich die Zeigevorrichtung bewegt. Im Allgemeinen ist das Verfolgungsverhalten einer optischen Maus auf dunklen Oberflächen geringer als das Verhalten auf hellen Oberflächen, da das System eine längere Belichtungszeit benötigt, um die zu Grunde liegenden Bilder zu erfassen. Somit ist die Rahmenrate auf Oberflächen mit niedrigem Reflektionsvermögen geringer als die Rahmenrate auf Oberflächen mit höherem Reflektionsvermögen. Dementsprechend ist der LED-Strom bei bekannten Vorrichtungen ausreichend hoch eingestellt, um eine zufriedenstellende Rahmenrate sogar auf dunklen Oberflächen bereitzustellen. Dies belastet die verfügbare Batterielebensdauer in drahtlosen Systemen sogar noch mehr.
- Die vorliegende Erfindung überwindet diesen Nachteil durch Verwenden einer adaptiven LED-Stromquelle, die automatisch den optimalen Lichtintensitätspegel bestimmt, basierend auf den Echtzeit-Oberflächenbildinformationen, die durch das Bilderzeugungssystem erfasst werden. Das heißt, Oberflächen mit höherem Reflektionsvermögen werden mit einem geringeren Lichtpegel beleuchtet als Oberflächen mit niedrigerem Reflektionsvermögen. Folglich wird die Leistung, die an Oberflächen mit hohem Reflektionsvermögen verwendet wird, reduziert. Es wird nun Bezug auf
2 genommen, die eine schematische Zeichnung einer optischen Maus100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Die optische Maus100 verwendet eine LED104 zum Beleuchten der Oberfläche unter der optischen Maus100 . Die beleuchtete Oberfläche wird durch einen Bilderzeugungsdetektor130 abgebildet, der analog zu der oben erörterten optischen Anordnung32 ist. Das Bild aus dem Bilddetektor130 wird durch eine Steuerung120 verarbeitet, die aufeinanderfolgende Rahmen vergleicht, die durch den Bilddetektor130 genommen werden, um den Betrag und die Richtung der Bewegung der optischen Maus100 zwischen den Rahmen zu bestimmen. - Der Lichtpegel, der durch die LED
104 erzeugt wird, wird durch den Strom bestimmt, der durch die LED104 fließt. Dieser Strom wird durch eine LED-Antriebsschaltung110 eingestellt. Die Antriebsschaltung110 umfasst eine variable Stromquelle101 , deren Ausgabe durch ein Steuerungssignal bestimmt wird, das durch die Steuerung120 erzeugt wird. Der Strom aus der variablen Stromquelle101 wird an Transistoren102 und103 angelegt, die in einer Stromspiegelkonfiguration verbunden sind. Dementsprechend ist der Strom, der durch den Transistor103 fließt, und somit die LED104 , proportional zu dem Strom, der durch die variable Stromquelle101 erzeugt wird. - Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel stellt die Steuerung
120 den Strom durch die LED104 ein, durch Untersuchen des Kontrasts, der in den Bildern aus dem Bilddetektor130 erhalten wird. Bei dem einfachsten Ausführungsbeispiel misst die Steuerung120 die durchschnittliche Lichtintensität, die über alle Pixel in dem Bild empfangen wird, das durch den Bilddetektor130 erzeugt wird. Wenn die durchschnittliche Intensität geringer ist als ein erster vorbestimmter Schwellenwert, wird der Lichtpegel, der durch die LED104 erzeugt wird, erhöht, durch Erhöhen des Ausgangsstroms aus der variablen Stromquelle101 . Auf ähnliche Weise, wenn die durchschnittliche Intensität höher ist als eine zweite vorbestimmte Schwelle, wird die Lichtintensität, erzeugt durch die LED104 , reduziert. - Andere Algorithmen zum Einstellen des Strompegels durch die LED
104 können verwendet werden. Zum Beispiel kann die Steuerung120 die Intensitäten der hellsten und schwächsten Pixel in den Bildern aus dem Bilddetektor130 vergleichen und den Strom einstellen, um ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen den Werten der hellsten und schwächsten Pixel zu liefern. - Bei einem wiederum anderen Beispiel wird der Strompegel durch die LED eingestellt, durch Vergleichen der Ergebnisse der Bildvergleiche. Wie oben erwähnt wurde, ist die optische Maus
100 wirksam, durch Vergleichen von aufeinanderfolgenden Bildern, um die Richtung und den Betrag der Bewegung zu bestimmen, die zwischen den aufeinanderfolgenden Bildern aufgetreten ist. Dieser Vergleich wird üblicherweise ausgeführt, durch Berechnen der Korrelation eines ersten Bildes mit einem zweiten Bild, nachdem das zweite Bild im Hinblick auf das erste Bild verschoben wurde. Wenn der Betrag und die Richtung der Verschiebung mit der der optischen Maus auf der Oberfläche übereinstimmt, weist die Korrelation einen Maximalwert auf. Die Größe des maximalen Korrelationswerts ist ein Maß der Gewissheit der Verschiebungsmessung. Dieser Maximalwert hängt im Allgemeinen von dem Kontrast in den Bildern aus dem Detektor130 ab, der seinerseits von dem Licht abhängt, das aus der LED104 ausgegeben wird. Im Allgemeinen verbessert sich das Verhalten des Verfolgungsalgorithmus nicht wesentlich, nachdem der Korrelationswert einen Schwellenwert erreicht. Somit kann der Strom durch die LED104 eingestellt werden, um einen Korrelationswert zu liefern, der höher ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. - Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden eine variable Stromquelle, um den Strom in einem Zweig eines Stromspiegels einzustellen. Variable Stromquellen sind in der Technik bekannt und werden somit hier nicht detailliert erörtert. Zu Zwecken dieser Erörterung ist es ausreichend, anzumerken, dass eine solche Quelle aufgebaut werden kann, durch paralleles Verbinden einer Mehrzahl von Transistoren und selektives Einstellen der Transistoren, die in dem leitfähigen Zustand gehalten werden. Es wird nun Bezug auf
3 genommen, die eine variable Stromquelle200 darstellt, die auf diese Weise arbeitet. Die Stromquelle200 umfasst eine Mehrzahl von Transistoren, die zwischen einen Leistungsbus220 und eine Referenzstromleitung221 angeschlossen sind. Beispielhafte Transistoren sind bei201 –203 gezeigt. Die Transistoren201 –203 werden durch Steuersignale gesteuert, die an Transistoren211 bis bzw.213 angelegt werden. Diese Schalttransistoren werden ihrerseits durch einen Satz von Latches225 gesteuert, deren Zustand durch Steuersignale bestimmt wird, die durch die Steuerung in der optischen Maus erzeugt werden. - Wenn ein Stromtransistor in dem leitfähigen Zustand ist, ist der Strom, der durch diesen Transistor geliefert wird, proportional zu der Breite der Kanalregion des Transistors. Somit, wenn alle Transistoren die selbe Breite aufweisen, ist der Strom, der auf der Leitung
221 geliefert wird, K mal der Strom, der durch einen Transistor geliefert wird, wobei K die Anzahl von Stromtransistoren in dem leitfähigen Zustand ist. Die Anordnung, die in3 gezeigt ist, kann ferner verwendet werden, um eine binär-codierte Stromquelle einzurichten, durch Verwenden von Stromtransistoren, die Breiten aufweisen, die sich voneinander um Faktoren von Zwei unterscheiden. Eine solche Anordnung wird bevorzugt, da weniger Transistoren erforderlich sind, um eine gegebene Schrittgröße bereitzustellen. - Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung haben einen bestimmten Stromtreiberentwurf verwendet, zum Abändern des Stroms durch die LED in der optischen Maus. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese bestimmte Form einer Antriebsschaltung beschränkt. Eine Schaltung, die es der Steuerung ermöglicht, den Lichtpegel zu variieren, der durch das Beleuchtungsteilsystem der optischen Maus erzeugt wird, kann verwendet werden.
- Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele wurden im Hinblick auf das Regulieren des Lichts beschrieben, das aus dem Beleuchtungsteilsystem ausgegeben wird, um einen optimalen Verhaltenspegel bereitzustellen. Ausführungsbeispiele jedoch, bei denen die optische Maus zwei Modi aufweist, die unterschiedliche Leistungspegel erfordern, können ebenfalls aufgebaut werden. In diesem Fall ist der erste Modus ein „Ökonomischer Niedrigleistungs-Modus", der eine längere Batterielebensdauer liefert, während der zweite Modus ein „Hochleistungs"-Modus ist, der einen höheren Leistungspegel erfordert, aber ein erhöhtes Verhalten liefert. Der zweite Modus wäre z. B. besser geeignet für das Eingeben von graphischen Informationen, was häufig einen höheren Grad an Präzision und schnellere Verfolgungszeiten erfordert. Der spezifische Modus, der zu jeder gegebenen Zeit wirksam ist, wird vorzugsweise durch ein Steuerungssignal bestimmt, das durch einen Benutzer geliefert wird. Das Steuerungssignal kann durch den Treiber auf der Vorrichtung erzeugt werden, die die Zeigevorrichtung verwendet, oder durch einen Schalter auf der Zeigevorrichtung selbst. Zum Beispiel weist die Steuerung, die in
2 gezeigt ist, ein Eingangstor zum Empfangen solcher Benutzerbefehle auf. - Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden eine Beleuchtungsquelle basierend auf einer LED; es können jedoch andere Lichtquellen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Oberfläche durch eine Laserdiode, eine Infrarot-Lichtquelle oder eine weißglühende Lichtquelle beleuchtet werden.
- Verschiedene Modifikationen an der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet aus der vorangehenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich. Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung ausschließlich durch den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche eingeschränkt sein.
Claims (11)
- Zeigevorrichtung (
100 ), die folgende Merkmale aufweist: ein Beleuchtungssystem, das eine Oberfläche beleuchtet, über die sich die Zeigevorrichtung bewegt, wobei das Beleuchtungssystem einen Lichtpegel erzeugt, der durch ein Beleuchtungssteuerungssignal bestimmt wird; ein Kamerasystem, das eine Mehrzahl von Bildern der beleuchteten Oberfläche aufzeichnet; und eine Steuerung (120 ), die ein erstes und ein zweites Bild aufzeichnet, die durch die Kamera zu unterschiedlichen Zeiten gemacht werden, und eine Verschiebung bestimmt, die die Richtung und die Distanz anzeigt, die sich die Positionierungsvorrichtung zwischen den zwei unterschiedlichen Zeiten bewegt hat, wobei die Steuerung (120 ) ferner das Beleuchtungssteuerungssignal erzeugt, wobei das Beleuchtungssteuerungssignal von zumindest einem der Bilder abhängt, die durch das Kamerasystem aufgezeichnet wurden. - Zeigevorrichtung (
100 ) gemäß Anspruch 1, bei der die Oberfläche durch ein Reflektionsvermögen gekennzeichnet ist, und bei der der Lichtpegel, der durch das Beleuchtungssystem erzeugt wird, umgekehrt auf das Reflektionsvermögen bezogen ist. - Zeigevorrichtung (
100 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Beleuchtungssystem einen Laser und eine variable Stromschaltung aufweist, die den Strom einstellt, der durch den Laser fließt, ansprechend auf das Beleuchtungssteuerungssignal. - Zeigevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Beleuchtungssystem eine LED (
104 ) und eine variable Stromschaltung aufweist, die den Strom einstellt, der durch die LED (104 ) fließt, ansprechend auf das Beleuchtungssteuerungssignal. - Zeigevorrichtung (
100 ) gemäß Anspruch 4, bei der die variable Stromschaltung einen Stromspiegel zum Steuern des Stroms in der LED (104 ) aufweist. - Zeigevorrichtung (
100 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Beleuchtungssystem eine Beleuchtungseinstellung zum Bereitstellen eines ersten Genauigkeitspegels bei der bestimmten Verschiebung und eine zweite Beleuchtungseinstellung zum Liefern eines zweiten Genauigkeitspegels, der höher ist als der erste Genauigkeitspegel, aufweist, wobei die zweite Beleuchtungseinstellung mehr Leistung erfordert als die erste Beleuchtungseinstellung, wobei die Beleuchtungseinstellung durch ein Steuerungssignal bestimmt wird, das durch einen Benutzer der Zeigevorrichtung (100 ) geliefert wird. - Verfahren zum Bestimmen der Verschiebung einer Zeigevorrichtung (
100 ) auf einer Oberfläche, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Beleuchten der Oberfläche mit einem Lichtpegel, der durch ein Beleuchtungssteuerungssignal bestimmt wird; Aufzeichnen einer Mehrzahl von Bildern der beleuchteten Oberfläche; und Vergleichen des ersten und des zweiten Bildes, die zu unterschiedlichen Zeiten gemacht werden, um eine Verschiebung zu bestimmen, die die Richtung und die Distanz anzeigt, die sich die Positionierungsvorrichtung zwischen den zwei unterschiedlichen Zeiten bewegt hat, wobei das Beleuchtungssteuerungssignal von zumindest einem der aufgezeichneten Bilder abhängt. - Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Oberfläche gekennzeichnet ist durch ein Reflektionsvermögen, und bei dem der Lichtpegel umgekehrt auf das Reflektionsvermögen bezogen ist.
- Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem die Oberfläche durch eine LED (
104 ) beleuchtet wird, die einen Vorspannungsstrom aufweist, der durch eine variable Stromschaltung bestimmt wird, die den Strom einstellt, der durch die LED fließt, ansprechend auf das Beleuchtungssteuerungssignal. - Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die variable Stromschaltung einen Stromspiegel zum Steuern des Stroms in der LED (
104 ) aufweist. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der Lichtpegel ebenfalls durch ein Steuerungssignal bestimmt wird, das durch einen Benutzer der Zeigevorrichtung (
100 ) eingegeben wird.
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