DE102006030541B4 - Optische Anordnung - Google Patents

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Abstract

Optische Anordnung, bei der auf einem gemeinsamen Substrat (1) mindestens ein elektromagnetische Strahlung emittierendes (2) mit mehreren elektromagnetische Strahlung detektierenden Elementen (3) oder mindestens ein elektromagnetische Strahlung detektierendes (3) mit mehreren elektromagnetische Strahlung emittierenden Elementen (2) angeordnet oder daran ausgebildet und mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere elektromagnetische Strahlung emittierende(s) Element(e) (2) und elektromagnetische Strahlung detektierende(s) Element(e) (3) an der Oberfläche eines CMOS-Substrates (1) ausgebildet und mindestens ein elektromagnetische Strahlung detektierendes Element (3) als CMOS-Sensor ausgebildet ist sowie elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente (2) als organische Leuchtdioden ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft optische Anordnungen, die bevorzugt auch miniaturisiert für unterschiedlichste Applikationen zur Verfügung gestellt werden können. Sie können in vielen Bereichen des Lebens und auch kommerziell eingesetzt werden und zwar immer dann, wenn Informationen visuell dargestellt und/oder optische Informationen erkannt und berücksichtigt werden sollen.
  • So können beispielsweise „intelligente” Displays zu Verfügung gestellt werden, die besonders für interaktive Nutzungen geeignet sind.
  • Die Flut von den verschiedensten Informationssystemen und Umwelteinflüsse liefern eine entsprechend steigende Anzahl von angeforderten aber auch nicht angeforderten Informationen, die von Menschen verarbeitet oder berücksichtigt werden müssen bzw. sollen. Es fällt dabei immer schwerer deren Relevanz oder ihre jeweilige Wichtigkeit berücksichtigen zu können, insbesondere dann, wenn Entscheidungen in kurzer Zeit getroffen werden müssen. Für die Erfassung und auch Auswertung der Informationen ist aber auch ein enormer Zeitaufwand erforderlich.
  • Unabhängig davon haben sich in der Vergangenheit die elektronischen Systeme nicht wesentlich diesen Problemen angepasst, die technische Entwicklung ist quasi stehen geblieben und es wurden lediglich Anpassungen und Verbesserungen an bekannten Lösungen vorgenommen.
  • So sind Geräte oder Systeme bekannt, die optische und auch akustische Informationen wiedergeben oder auch aufnehmen bzw. speichern. In elektronischer Form können sie auch ausgewertet werden.
  • Für interaktive Anwendungen ist aber immer eine Aktivität von Nutzern erforderlich. Passiv wirkende Systeme sind eher selten im Einsatz und in ihrer Wirkung auch begrenzt. Häufig tritt durch den erforderlichen Aufwand für die Auswertung von Informationen auch ein zu großer Zeitverzug auf.
  • Geeignete optische Systeme sind entweder für die Erfassung, Anzeige, Übertragung oder Speicherung ausgebildet.
  • So sind verschiedene Technologien für Mikro-Displays zur visuellen Anzeige oder Darstellung von Informationen im Einsatz. Dabei werden Licht emittierende Dioden oder auch organische Leuchtdioden eingesetzt. Andere Lösungen, wie LCOS (Liquid Crystal on Silicon) oder MEMS-basierende Mikrodisplays sind lediglich modulierend und benötigen zusätzliche Lichtquellen. Au ßerdem ist das erreichbare Kontrastverhältnis klein.
  • Im Gegensatz dazu bieten organische Leuchtdioden (O-LED's) Vorteile. Sie können großflächiger hergestellt werden. Erfordern bei entsprechender Leuchtdichte kleinere elektrische Leistungen. Sie können aber auch sehr kleinformatig strukturiert hergestellt werden und so eine höhere Auflösung bieten. Auch unterschiedliche Wellenlängenbereiche von ihnen emittierter elektromagnetischer Strahlung können mit ihnen abgedeckt werden. So kann monochrome Strahlung aber auch ein größeres Spektrum, bis hin zum Weißlicht emittiert werden.
  • Ihre Herstellung basiert auf bekannten Technologien, bei denen rückseitig CMOS-Strukturen gemeinsam mit anderen aktiven elektronischen Elementen vorhanden sein können.
  • Es sind aber auch reine Bilderfassungssysteme im Einsatz, wie beispielsweise elektronische Bildaufnahmesysteme (Kameras), mit denen optische Informationen erfasst, ggf. zwischengespeichert, übertragen oder gleich auf einem gesonderten Display angezeigt werden können.
  • Außerdem ist aus DE 100 61 298 A1 ein Signalübertrager auf der Basis von organischem Material, ein Herstellungsverfahren für Signalübertrager und Verwendungen davon bekannt.
  • In der EP 1 463 117 A2 ist ein Display mit organischen Leuchtdioden mit Photosensor beschrieben.
  • Die WO 2004/006 350 A2 entnehmbare technische Lehre betrifft ein Informationsdisplay mit einer Eingabe einrichtung.
  • Ein Vorrichtung zur Beobachtung von Objekten in einer Entfernung ist aus WO 02/46 822 A2 bekannt.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung optische Anordnungen zur Verfügung zu stellen, mit denen unterschiedliche optische Informationen komplexer in einer Anordnung gemeinsam genutzt werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden. Mögliche Verwendungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 15 bis 17 benannt.
  • Die erfindungsgemäße optische Anordnung ist dabei so ausgebildet, dass sowohl elektromagnetische Strahlung emittierende, wie auch detektierende Elemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet bzw. daran ausgebildet sind. Bevorzugt sind dabei jeweils eine Mehrzahl dieser Elemente gemeinsam vorhanden. Für bestimmte Anwendungen kann es aber auch ausreichend sein jeweils ein emittierendes oder ein detektierendes mit mehreren der jeweils anderen Elemente vorzusehen.
  • So kann beispielsweise ein emittierendes Element mit einer Vielzahl detektierender Elemente an einer Anordnung für eine Beleuchtung eines visuell zu beobachtenden Vorfeldes eingesetzt sein.
  • Emittierende und detektierende Elemente können dabei diskret zu- und nebeneinander angeordnet sein, so dass sie jeweils getrennt voneinander oder gemeinsam eine Matrix- oder Array-Anordnung bilden.
  • Insbesondere für interaktive Anwendungen ist es vorteilhaft eine Vielzahl von kleinformatigen emittierenden und detektierenden Elementen vorzusehen. Diese können dann gleich- und/oder regelmäßig über die Fläche einer Anordnung verteilt angeordnet sein. Dies sollte zumindest innerhalb bestimmter Flächenbereiche der Fall sein.
  • Dabei können auch gleiche Flächenverhältnisse über die Gesamtfläche eingehalten worden sein, d. h. innerhalb der gesamten Fläche einer Anordnung oder auch innerhalb von Bereichen der Fläche sind jeweils gleiche Flächenanteile emittierenden und detektierenden Elementen zugeordnet. So kann beispielsweise von 60% elektromagnetische Strahlung emittiert und über 40% elektromagnetische Strahlung detektiert werden. Es können aber auch an die jeweilige Applikation angepasst, andere Verhältnisse gewählt werden.
  • Als elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente werden erfindungsgemäß organische Leuchtdioden an einer optischen Anordnung eingesetzt die in der CMOS-Technologie integrierbar sind.
  • Für eine Detektion einfallender elektromagnetischer Strahlung können CMOS-Photodioden vorhanden sein. Die Detektion kann aber auch mit anderen in CMOS-Technologie herstellbaren Elementen, wie z. B. CMOS-Photo-Transistoren oder CMOS-Photo-Feldeffekttransistoren erfolgen.
  • Dabei kann die Auswahl auch unter Berücksichtigung einer gewünschten Wellenlängenselektivität von elektromagnetischer Strahlung getroffen werden. Analog trifft dies aber auch auf Strahlung emittierende Elemente zu. So kann z. B. der gesamte oder auch nur ein Teilbereich des sichtbaren oder des nahen infraroten Lichts abgedeckt sein.
  • Mit entsprechender Auswahl von Elementen kann aber auch ein entsprechend größerer Wellenlängenbereich so berücksichtigt werden, also sowohl sichtbares Licht, wie auch Licht im nahen infraroten Bereich berücksichtigt werden. Hierbei können die Empfindlichkeiten für die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche der Strahlung für CMOS-Sensoren berücksichtigt und ausgenutzt werden.
  • Für bestimmte Applikationen kann eine erfindungsgemäße Anordnung aber auch ausschließlich für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des nicht sichtbaren Lichts, bevorzugt bei größeren Wellenlängen, ausgelegt werden. Für eine Überwachung kann so entsprechend beleuchtet und detektiert werden, so dass dies, ohne zusätzliche für diese Strahlung geeignete Hilfsmittel nicht erkannt werden kann.
  • Eine erfindungsgemäße optische Anordnung kann mit einer für elektromagnetische Strahlung transparenten Abdeckung, an der Seite der Anordnung von der Strahlung emittiert und über die einfallende Strahlung detektiert werden kann, versehen sein. Eine solche kann neben einer Schutzfunktion auch optisch wirksam sei. Hierfür können optische Strukturelemente an einer Abdeckung vorgesehen und in Bezug zu emittierenden und/oder detektierenden Elementen angeordnet sein.
  • Die optischen Strukturelemente können dabei eine Fokussierung der Strahlung oder auch eine Strahlaufweitung (Vergrößerung der Divergenz) erreichen.
  • So kann beispielsweise eine größere Fläche beleuchtet, Bildsignale einer größeren Fläche mit anderer Tiefenschärfe erfasst oder optische Informationen in vergrößerter Form angezeigt werden. Auch eine Optimierung der erforderlichen Größe einer erfindungsgemäßen Anordnung für eine ins Auge gefasste Applikation kann so vorgenommen werden, indem beispielsweise der Flächenanteil, der für detektierende Elemente an einem Substrat kleiner gehalten werden kann, wenn die einfallende Strahlung in Richtung auf detektierende Elemente fokussiert wird.
  • Die emittierenden und die detektierenden Elemente sind mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden. So können die eigentlich unterschiedlichen Funktionen der Elemente in Kombination miteinander genutzt werden, was sehr gut mit der jeweiligen Applikation in Einklang gebracht werden kann.
  • So besteht die Möglichkeit mittels detektierender Elemente die emittierenden Elemente zu beeinflussen. Treten beispielsweise beim Betrieb Veränderungen der Funktionalität von emittierenden Elementen auf, kann eine von Vorgaben abweichende Leuchtdichte, auch lokal differenziert über die Fläche einer erfindungsgemäßen Anordnung erfasst und dann gezielt eine diesem Sachverhalt angepasste Ansteuerung aller bzw. der jeweiligen emittierenden Elemente erfolgen. Dies bildet quasi eine online-Regelung und es kann auf gesonderte Kalibrierungen verzichtet werden. In ähnlicher Form können aber auch die jeweiligen Lichtverhältnisse im Umfeld berücksichtigt und eine Anpassung der Leuchtdichte emittierter elektromagnetischer Strahlung vorgenommen werden.
  • Für interaktive Anwendungen können aber mit detektierenden Elementen Informationen visuell erfasst und dann durch dementsprechende Steuerung aller oder auch einzelner ausgewählter elektromagnetische Strahlung emittierender Elemente reagiert werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit diese visuell erfassten Informationen in anderer Form zu berücksichtigen.
  • So können beispielsweise die verschiedensten Parameter optisch detektiert werden. Dies kann beispielsweise bei der Überwachung von Prozessen oder auch der Bearbeitung von Werkstücken der Fall sein, bei denen Situationen mit sich verändernden Bedingungen auftreten können. So kann beispielsweise eine Veränderung von emittierter elektromagnetischer Strahlung bei einem Prozess oder an einem Werkstück oder Bauteil detektiert und mit den erhaltenen und erfassten Informationen reagiert werden. Dies kann beispielsweise durch Anzeige oder Abbildung auf oder von einer erfindungsgemäßen Anordnung erfolgen. Die Informationen können aber auch parallel dazu ausgewertet und weiterverarbeitet werden.
  • Eine Anwendung der Erfindung kann auch bei verschiedensten multimedialen Applikationen, wie z. B. im Büro, elektronischen Spielen oder der Kommunikation eingesetzt werden. Ein Einsatz ist auch im sportlichen Bereich, beispielsweise bei interaktiven Zielvorrichtungen für Sportschützen oder Biathleten möglich. In der Industrie können eine Überwachung bzw. Wartung von Anlagen oder Maschinen durchgeführt werden. Es ist auch möglich Logistikinformationen zu er fassen und visuell darzustellen.
  • Mit der Erfindung können aber auch physiologische Parameter von Lebewesen detektiert werden. So kann beispielsweise eine Detektion an Augen von Lebewesen durchgeführt werden. Dadurch kann z. B. der Puls des Blutkreislaufs, der Blutdruck und/oder die jeweilige Aufmerksamkeit eines Lebewesens detektiert werden. Hierfür kann eine erfindungsgemäße Anordnung in einem Gehäuse aufgenommen sein, das auf mindestens ein Auge eines Lebewesens aufsetzbar ist. Das Gehäuse kann hierfür zumindest bereichsweise optisch transparent sein. Dadurch kann das jeweilige Lebewesen sowohl das Umfeld visuell weiter betrachten. Die Bildinformationen können durch Projektion im Gehäuse abgebildet und auch vom Lebewesen visuell erfasst werden. Durch die Möglichkeit der optischen Detektion kann interaktiv die Reaktion des Lebewesens erfasst und daraufhin reagiert werden. Dabei können Informationen in verschiedener Form berücksichtigt werden. So können bestimmte Steuersignale, beispielsweise zur Beeinflussung von elektromagnetische Strahlung emittierenden Elementen generiert werden. Es können aber auch Warnsignale generiert werden, wenn z. B. kritische Physiologische Parameter, wie eine reduzierte Aufmerksamkeit, erfasst worden ist.
  • Für diese aber auch für andere, insbesondere interaktive Anwendungen, kann es vorteilhaft sein elektromagnetische Strahlung emittierende und detektierende Elemente alternierend oder auch in anderer Form sequentiell zu betreiben. So kann mit einer vorgebbaren Frequenz eine Umschaltung zwischen Emission und Detektion vorgenommen werden. Die Frequenz kann dabei so gewählt werden, dass dies mit dem menschlichen Auge nicht erfasst werden kann.
  • Die elektromagnetische Strahlung emittierenden Elemente können in an sich bekannter Form an Substraten ausgebildet sein. Daneben können aber auch die Strahlung detektierenden Elemente mit geeigneter Strukturierung auf der Oberfläche des jeweiligen Substrates oder auch daran ausgebildet werden. Die kann in CMOS-Technologie erfolgen. So sind ein oder mehrere elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente auf einer an der Oberfläche eines CMOS-Substrates ausgebildeten Metallschicht/-elektrode, als organische Leuchtdiode(n) ausgebildet. Die emittierenden Elemente können dabei jeweils einzeln angesteuert werden, um eine lokal gezielte Emission elektromagnetischer Strahlung zu erreichen. Dabei können die jeweilige Intensität/Leuchtdichte und/oder auch die jeweiligen Wellenlängen, also die Farbe, der emittierten elektromagnetischen Strahlung beeinflusst werden.
  • Unterhalb von emittierenden oder auch detektierenden Elementen können weitere aktive und passive elektronische/elektrische Bauelemente, wie z. B. Transistoren oder Kondensatoren, für die Verstärkung, Speicherung und/oder Ansteuerung der einzelnen Elemente vorhanden sein.
  • Es besteht aber auch die Möglichkeit an einem Substrat integrierte Photodioden auszubilden. Hierzu kann in einer Ausführungsform für jeweils ein solches detektierendes Element innerhalb eines p-leitenden Umfeldes oder an einem solchen Substrat ein n-leitender Bereich ausgebildet werden. Ein solcher n-leitender Bereich kann dabei, wie eine Wanne im p-leitenden Werkstoff ausgebildet werden.
  • Ein Substrat kann aus Silicium gebildet sein, das ggf. auch entsprechend dotiert sein kann.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung und
  • 2 eine Draufsicht auf ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung.
  • Aus der schematischen Darstellung nach 1 ist ein möglicher Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung entnehmbar. Dabei ist an einem Substrat 1 aus Silicium ein Aufbau mit organischen Leuchtdioden 2, in an sich bekannter Ausführung, als elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente, vorhanden. Außerdem sind metallische Schichten in strukturierter Form ausgebildet worden, die elektrische Leiter und elektronische Komponenten bilden. So ist ein Transistor 3' einer organischen Leuchtdiode 2 zugeordnet.
  • Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind eine Photodiode 3, als elektromagnetische Strahlung detektierendes Element und ein Transistor 3' ausgebildet worden. Dabei wurden im Substrat 1 wannenförmige n-leitende Bereiche 10 ausgebildet, die mit Feldoxid 6 voneinander getrennt sind. Am Transistor 3' sind ein Gate 7 und Kanalimplantationen 11 in CMOS-Technologie ausgebildet. Die elektrisch leitende Verbindung ist mit der metallischen Leiterstruktur 8 dazu hergestellt.
  • Organische Leuchtdioden 2 und elektromagnetische Strahlung detektierende Elemente 3 können so angeordnet sein, dass elektromagnetische Strahlung zwischen organischen Leuchtdioden einfallen und mit elektromagnetische Strahlung detektierenden Elementen 3 erfasst werden kann. Für den Fall, dass für elektromagnetische Strahlung transparente organische Leuchtdioden 2 vorhanden sind, kann auf eine solche Abstände zwischen organischen Leuchtdioden 2 aufweisende Anordnung ggf. verzichtet werden. Die transparenten organischen Leuchtdioden 2 können dann oberhalb von detektierenden Elementen 3 angeordnet sein und diese abdecken. In diesem Fall wäre aber eine alternierende Ansteuerung mit Wechsel von Emission und Detektion elektromagnetischer Strahlung günstiger.
  • Bei dem hier gezeigten Beispiel sind in drei Ebenen metallische Strukturen 4, 8 und 9 für eine Ansteuerung der Elemente ausgebildet. Es können aber auch lediglich in zwei oder mehr als drei Ebenen solche Strukturen 4, 8 oder 9 ausgebildet worden sein.
  • Mit der in 2 gezeigten Draufsicht auf eine erfindungsgemäße optische Anordnung in einer als Display geeigneten Ausführung, soll eine mögliche Anordnung verdeutlicht werden.
  • Hierbei sind jeweils drei elektromagnetische Strahlung emittierende organische Leuchtdioden nebeneinander angeordnet, die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereichen des roten, grünen und blauen Lichtes emittieren. In Zwischenräumen sind dann entsprechende detektierende Elemente angeordnet. So kann eine regelmäßige Anordnung von elektromagnetische Strahlung emittierenden und detektierenden Elementen erhalten werden.

Claims (17)

  1. Optische Anordnung, bei der auf einem gemeinsamen Substrat (1) mindestens ein elektromagnetische Strahlung emittierendes (2) mit mehreren elektromagnetische Strahlung detektierenden Elementen (3) oder mindestens ein elektromagnetische Strahlung detektierendes (3) mit mehreren elektromagnetische Strahlung emittierenden Elementen (2) angeordnet oder daran ausgebildet und mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere elektromagnetische Strahlung emittierende(s) Element(e) (2) und elektromagnetische Strahlung detektierende(s) Element(e) (3) an der Oberfläche eines CMOS-Substrates (1) ausgebildet und mindestens ein elektromagnetische Strahlung detektierendes Element (3) als CMOS-Sensor ausgebildet ist sowie elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente (2) als organische Leuchtdioden ausgebildet sind.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente (2) und elektromagnetische Strahlung detektierende Elemente (3) gleichmäßig verteilt über die gesamte Fläche der Anordnung angeordnet sind.
  3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente (2) die elektro magnetische Strahlung detektierende Elemente (3) abdecken.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente (2) und elektromagnetische Strahlung detektierende Elemente (3) für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes ausgebildet sind.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente (2) und elektromagnetische Strahlung detektierende Elemente (3) für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen infraroten Lichtes ausgebildet sind.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einer für elektromagnetische Strahlung transparenten Abdeckung geschützt ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abdeckung den elektromagnetische Strahlung emittierenden und/oder detektierenden Elementen (2, 3) zugeordnete optische Strukturelemente ausgebildet sind.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Strukturelemente elektromagnetische Strahlung fokussieren oder aufweiten.
  9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente (2) mittels der von elektromagnetische Strahlung de tektierenden Elementen (3) erfassten Signalen steuerbar sind.
  10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung detektierende Elemente (3) in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen sensitiv sind.
  11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in einem Gehäuse aufgenommen ist, das auf mindestens ein Auge eines Lebewesens aufsetzbar ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zumindest bereichsweise für elektromagnetische Strahlung transparent ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass von emittierenden Elementen (2) emittierte elektromagnetische Strahlung auf einem transparenten Teil des Gehäuses abgebildet ist.
  14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung alternierend oder sequentiell emittierbar und detektierbar ist.
  15. Verwendung einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die gleichzeitige visuelle Anzeige von Informationen und/oder eine Beleuchtung sowie die Erfassung optischer Bildinformationen.
  16. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, für die Erfassung physiologischer Parameter von Lebewesen.
  17. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, für interaktive Anwendungen in Verbindung mit den von elektromagnetische Strahlung detektierenden Elementen (3) erfassten Informationen oder physiologischer Parameter.
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