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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung von Umgebungsobjekten gemäß Anspruch 1.
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Bei den im Automotive-Bereich eingesetzten optischen LIDAR (Light Detection And Ranging)-Sensoren werden häufig Infrarot (IR)-Emitter eingesetzt, um stationäre und bewegliche Objekte im Sichtfeld eines Sensors zu beleuchten. Die zurück gestreute bzw. reflektierte IR-Strahlung wird mittels eines oder mehrerer optischer Empfangselemente im Sensor gemessen und digitalisiert. Aufgrund der empfangenen Signalstärke und Signallaufzeit so wie der geometrischen Positionen von Sende- und Empfangselementen im Sensor können verschiedene Parameter wie die Zahl, die Positionen, die Geschwindigkeiten, die Beschleunigungen so wie die Ausdehnungen detektierter Objekte ermittelt und in eine beispielsweise für ein Umgebungsüberwachungs- oder Fahrerassistenzsystem nutzbare Informationen umgesetzt werden. Beispielsweise kann die umgesetzte Information dazu dienen, bei Fahrzeugen eine aktive Geschwindigkeitskontrolle anzusteuern oder Warnmeldungen durch ein Fahrerassistenzsystem auszugeben.
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Für die Ausleuchtung und Festlegung des nutzbaren Sichtfeldes so wie die Erhöhung der Gesamtempfindlichkeit eines Sensors werden sowohl auf der Sende- als auch Empfangsseite optische Linsen eingesetzt. Diese Linsen sind derart modelliert, dass das gewünschte reguläre Sichtfeld in horizontaler und vertikaler Richtung ausgeleuchtet wird. Der horizontale und vertikale Winkelbereich können voneinander unabhängig festgelegt und die jeweiligen Einsatzerfordernisse adaptiert werden. Typische reguläre Winkelbereiche für ein Fahrerassistenzsystem sind beispielsweise horizontal ±10 Winkelgrad und vertikal ±2 Winkelgrad bei den maximalen Reichweiten dieser Sensoren, die im Bereich von einigen hundert Metern liegen.
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Die geometrische Ausdehnung des regulären Sichtfelds des Sensors ist bei Distanzen von einigen Metern insbesondere in vertikaler Richtung vor einem Fahrzeug klein und erlaubt meistens nicht die Erfassung von Objekten mit hoch liegenden reflektierenden Bereichen wie Lastkraftwagen (LKW), Transporter oder Sonderfahrzeugen, wenn die Einbauhöhe des Sensors gering ist. In gleicher Weise besteht die Schwierigkeit, dass bei einer hohen Einbaulage, beispielsweise hinter der Windschutzscheibe niedrige Objekte wie Sportwagen nicht mehr erfasst werden können. Unabhängig von der Einbaulage kann also bei derartigen Sensoren bei der Annäherung an ein hohes bzw. niedriges Objekt ein Zielverlust bei kleinen Entfernungen die Folge sein. Unter einem Zielverlust wird im Prinzip das „Herauswandern” eines detektierten Objekts aus dem Erfassungsbereich eines Sensors verstanden.
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Um diesen Zielverlust zu vermeiden, und Objekte auch im Nahbereich erfassen zu können, muss das Sichtfeld eines Sensors erweitert werden. Eine Sichtfelderweiterung, die auch als Upcone in niedriger Einbaulage des Sensors und Downcone bei hoher Einbaulage bezeichnet wird, beträgt typisch bis zu zusätzliche 15 Winkelgrad in vertikaler Richtung, um im Nahfeld des Sensors wirksam zu sein. Eine solche vertikale Sichtfelderweiterung kann durch Modellierung einer zusätzlichen Keilstruktur auf der Sende- und Empfangsseite des Sensors erfolgen. Die Keilstruktur bewirkt, dass ein Teil der vom Sensor abgestrahlten Strahlung in deutlich höhere Winkelbereiche abgelenkt wird, und ebenso Strahlung aus deutlich höheren Winkelbereichen empfangen werden kann. Beispielsweise beschreibt die
EP 1 862 819 A1 ein Sensorsystem zur winkelaufgelösten Erfassung von Umgebungsobjekten, bei dem Senderzonen ein raumwinkelabhängiges, inhomogenes Intensitätsprofil aufweisen. Das Intensitätsprofil einer ersten Senderzone ist zudem vom Intensitätsprofil einer zweiten Senderzone verschieden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein weiter verbessertes Sensorsystem zur Erfassung von Umgebungsobjekten vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Sensorsystem zur Erfassung von Umgebungsobjekten mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, in einem Sensorsystem zur Erfassung von Umgebungsobjekten ein optisches Mittel derart auszugestalten, dass es mindestens eine zusätzliche optische Struktur in Form einer Keilstruktur mit variierendem Intensitätsprofil aufweist, die zur Ablenkung von ausgesendeter Strahlung in einen Nebenerfassungsbereich und von einem Umgebungsobjekt aus dem Nebenerfassungsbereich reflektierter Strahlung ausgebildet ist, und dass es ferner den zeitlichen Verlauf einer Sequenz aufeinanderfolgender Messsignale, die von empfangener reflektierter Strahlung erzeugt werden, analysiert und davon abhängig Parameter von im Nebenerfassungsbereich befindlichen Umgebungsobjekten ermittelt. Durch die mindestens eine zusätzliche optische Struktur wird beispielsweise ein Upcone-Sende- und Empfangsbereich geschaffen, der die Erfassung von Umgebungsobjekten ermöglicht, die außerhalb des Haupterfassungsbereichs des Sensorsystems liegen. Durch die Ausbildung der mindestens einen zusätzlichen optischen Struktur in Form einer Keilstruktur mit variierendem Intensitätsprofil wird für reflektierende Umgebungsobjekte, die sich im Nebenerfassungsbereich befinden, eine charakteristische empfangene Strahlungsintensität erzeugt, die zu einem typischen zeitlichen Verlauf einer Sequenz aufeinanderfolgender Messsignale führen kann. Durch die Analyse des zeitlichen Verlaufs der Sequenz aufeinanderfolgender Messsignale wird die Erfassung von insbesondere hohen Umgebungsobjekten im Nahbereich des Sensorsystems ermöglicht, da vor allem diese Objekte in der Regel den vorgenannten typischen zeitlichen Verlauf von Messsignalen im Sensorsystem erzeugen. Beispielsweise erzeugt ein hoher LKW bei Annäherung einen typischen zeitlichen Verlauf, indem von den hoch liegenden reflektierenden Flächen am Heck des LKWs reflektierte Strahlung vom Haupt- und den Nebenerfassungsbereich des Sensorsystems wandert. Durch das Sensorsystem kann dieser zeitliche Verlauf erfasst und analysiert werden, wodurch mit dem Sensorsystem gerade solche Situationen erfasst werden können, die bei herkömmlichen Umgebungserfassungssensoren zu einem Zielverlust wie eingangs beschrieben führen. Unter einem variierenden Intensitätsprofil der Keilstruktur wird eine Variation von die Keilstruktur durchdringender Strahlung unter verschiedenen Winkeln verstanden. Beispielsweise wird dadurch bewirkt, dass eine vom oberen Rand des Nebenerfassungsbereichs empfangene Strahlung eine andere Intensität als eine vom unteren Rand des Nebenerfassungsbereichs empfangene Strahlung besitzt, die diese beiden Strahlungen unter verschiedenen Einfallswinkeln auf der Keilstruktur auftreffen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einer Ausführungsform ein Sensorsystem zur Erfassung von Umgebungsobjekten mit
- – Senderelementen zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung,
- – Empfangselementen zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung,
- – einem optischen Mittel, das vor den Sender- und Empfangselementen angeordnet und derart ausgestaltet ist, dass ein erster Anteil der von den Senderelementen ausgesendeten Strahlung in einen Haupterfassungsbereich in horizontaler Richtung, in dem sich im Wesentlichen auf einer Höhe mit dem Sensorsystem befindliche Umgebungsobjekte erfasst werden können, und ein zweiter Anteil der von den Senderelementen ausgesendeten Strahlung in vertikaler Richtung in einen Nebenerfassungsbereich abgelenkt wird, um außerhalb des Haupterfassungsbereichs befindliche Umgebungsobjekte zumindest teilweise zu bestrahlen, und dass Strahlung, die von im Nebenerfassungsbereich des Sensorsystems befindlichen Umgebungsobjekten reflektiert wird, derart abgelenkt wird, dass sie mit den Empfangselementen erfasst werden kann, wobei das optische Mittel mindestens eine zusätzliche optische Struktur in Form einer Keilstruktur mit variierendem Intensitätsprofil aufweist, die zur Ablenkung von ausgesendeter Strahlung in den Nebenerfassungsbereich und von einem Umgebungsobjekt aus dem Nebenerfassungsbereich reflektierter Strahlung ausgebildet ist, und
- – einem Sensordatenverarbeitungsmittel, das ausgebildet ist, den zeitlichen Verlauf einer Sequenz aufeinanderfolgender Messsignale, die von empfangener reflektierter Strahlung erzeugt werden, zu analysieren und davon abhängig Parameter von im Nebenerfassungsbereich befindlichen Umgebungsobjekten zu ermitteln.
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Die Sensordatenverarbeitungsmittel können beispielsweise durch einen Messsignalverarbeitungsalgorithmus implementiert werden, der von einem Prozessor ausgeführt wird und zur Verarbeitung von Messsignalen der Empfangselemente ausgebildet ist. Das Sensorsystem ist insbesondere zum Einsatz in Fahrerassistenz- und Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge geeignet.
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Die zusätzliche optische Struktur kann in Form einer Keilstruktur mit variierendem Intensitätsprofil auf einem Teil der Oberfläche des optischen Mittels ausgebildet sein, und die Keilstruktur kann einen variierenden vertikalen Keilwinkel besitzen, der das variierende Intensitätsprofil bewirkt. Der Keilwinkel kann beispielsweise derart variieren, dass eine abnehmende Intensität von aus größeren Winkelbereichen empfangener Strahlung bewirkt wird.
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Der vertikale Keilwinkel kann insbesondere gemäß einer ganzrationalen Funktion zweiter oder dritter Ordnung variieren, um eine Intensitätsvariation von in den Nebenerfassungsbereich ausgesendeter und aus dem Nebenerfassungsbereich empfangener Strahlung zu bewirken. Es hat sich gezeigt, dass durch eine lineare bzw. quadratische Intensitätsvariation ein charakteristischer Verlauf von Reflexionen in einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Messsignalen bewirkt wird, der sich gut für eine Analyse durch das Sensordatenverarbeitungsmittel eignet. Zudem lässt sich eine Keilstruktur mit einem derartigen Keilwinkel mit hoher Genauigkeit fertigen.
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Der vertikale Keilwinkel kann auch gemäß einer ganzrationalen Funktion vierter oder höherer Ordnung variieren, um eine Intensitätsvariation von in den Nebenerfassungsbereich ausgesendeter und aus dem Nebenerfassungsbereich empfangener Strahlung zu bewirken. Hierdurch kann ebenfalls ein charakteristischer Verlauf von Reflexionen in einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Messsignalen bewirkt werden, die gut durch die Sensordatenverarbeitungsmittel analysiert werden können.
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Mehrere zusätzliche optische Strukturen können an mehreren räumlich getrennten Positionen auf der optischen Oberfläche des optischen Mittels aufgebracht sein. Hierdurch kann die Wahrscheinlichkeit reduziert werden, dass die zusätzliche optische Struktur punktuell beispielsweise durch Schnee oder Schmutz abgedeckt wird und dadurch die Funktion des Sensorsystems beeinträchtigt wird.
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Das Sensordatenverarbeitungsmittel kann weiterhin ausgebildet sein, als Parameter die Höhen von im Nebenerfassungsbereich befindlichen Umgebungsobjekten über einer Referenzhöhe zu ermitteln. Bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug kann das Sensordatensystem beispielsweise dadurch die Höhen von vorausfahrenden LKWs über der Fahrbahnoberfläche ermitteln. Diese Parameter können dann zur Weiterverarbeitung durch ein Fahrerassistenz- oder Sicherheitssystem verwendet werden.
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Ferner kann das Sensordatenverarbeitungsmittel ausgebildet sein, im Nebenerfassungsbereich befindliche Umgebungsobjekte nach ihrer ermittelten Höhe zu diskriminieren. Hierdurch wird ermöglicht, beispielsweise LKWs von Schilderbrücken zu unterscheiden, die in großer Höhe über einer Fahrspur angebracht sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrerassistenz- oder Sicherheitssystem vorgesehen, das ein Sensorsystem nach der Erfindung und wie vorstehend erläutert aufweist, um Umgebungsobjekte zu erfassen.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem/den in der/den Zeichnung(en) dargestellten Ausführungsbeispiel(en).
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in der/den Zeichnung(en) werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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Die Zeichnung(en) zeigt/zeigen in
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems gemäß der Erfindung; und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems gemäß der Erfindung.
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Im Folgenden können gleiche und/oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die im Folgenden angegebenen absoluten Werte und Maßangaben sind nur beispielhafte Werte und stellen keine Einschränkung der Erfindung auf derartige Dimensionen dar.
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1 zeigt die Konfiguration eines ACC-Lidar-Sensorsystems 10 mit einem Senderelement 14 und einem Empfangselement 18. Das Senderelement 14 kann durch eine Laserdiode mit einer Linse gebildet werden. Das Empfangselement 18 kann durch eine Photodiode mit einer Linse gebildet werden. Das Sensorsystem 10 verfügt neben einem regulären Sichtfeld mit einem kleinen Öffnungswinkel in vertikaler Richtung als Haupterfassungsbereich 26 einen zusätzlichen vertikalen Sichtbereicht mit einem großen Öffnungswinkel, der sich vertikal an den regulären Sichtbereich anschließt, als Nebenerfassungsbereich 30. Dieser Nebenerfassungsbereich 30, der auch als „Upcone” bezeichnet wird, wird durch eine Keilstruktur 32 auf der Sende (Tx)-Linse und der Emfangs (Rx)-Linse erzeugt. Durch diese Keilstruktur wird vom Senderelement ausgesandte Strahlung auch in den Upcone 30 und aus dem Upcone reflektierte Strahlung auf das Empfangselement gelenkt. Bei Annäherung an ein Fahrzeug mit hoch liegenden Reflektoren (LKW) verschwindet das reflektierte Signal des Meßobjektes aus dem regulären Sichtbereich 26, bleibt aber bis zur Annäherung auf sehr geringe Distanzen im Erfassungsbereich des Upcones 30.
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2 zeigt ein Sensorsystem 10, wie es beispielsweise in einem ACC-System eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann. Das Sensorsystem 10 weist Senderelemente 14, beispielsweise Laserdioden, zum Aussenden von gepulster optischer Strahlung und Empfangselemente 18 wie beispielsweise Photodioden zum Empfangen von optischer Strahlung, insbesondere von reflektierten und von den Senderelementen 14 ausgestrahlten optischen Strahlungsimpulsen auf.
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Das Sensorsystem 10 ist dazu ausgebildet, einen Haupterfassungsbereich 26 und einen Nebenerfassungsbereich 30 aufzuweisen. Der Haupterfassungsbereich 26 ist vorgesehen, um niedrige Umgebungsobjekte wie Personenkraftwagen (PKW) zu erfassen. Die Höhe des Haupterfassungsbereichs 26 ist daher etwa auf die Höhe von PKW abgestimmt. Über dem Haupterfassungsbereich 26 ist ein Nebenerfassungsbereich 30 vorgesehen, der zum Erfassen von Umgebungsobjekten dient, die eine hohe Höhe über der Fahrbahn besitzen, beispielsweise LKW.
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Zur Ausbildung des Haupt- und Nebenerfassungsbereichs ist wie bei dem in 1 gezeigten Sensorsystem den Sender- und Empfangselementen 14 und 18 ein optisches Mittel 22 in Form einer Linse vorgeschaltet, die derart ausgestaltet ist, dass ein erster Anteil 24 der von den Senderelementen 14 ausgesendeten Strahlung in den Haupterfassungsbereich 26 in horizontaler Richtung und ein zweiter Anteil 28 der von den Senderelementen 14 ausgesendeten Strahlung in vertikaler Richtung in den Nebenerfassungsbereich 30 abgelenkt wird.
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Das optische Mittel 22 weist ferner eine zusätzliche optische Struktur in Form einer Keilstruktur 32 mit variierendem Intensitätsprofil auf. Die Keilstruktur 32 kann auf einem Teil der Oberfläche des optischen Mittels 22 ausgebildet sein und besitzt einen variierenden vertikalen Keilwinkel. Es können mehrere dieser zusätzlichen optischen Strukturen auf der Oberfläche der Linse 22 ausgebildet sein, um den Nebenerfassungsbereich 30 entweder redundant zu erfassen oder zu erweitern. Durch die Keilstruktur 32 wird eine stärkere Ablenkung von durch die Linse 22 hindurch tretender Strahlung bewirkt, da die Keilstruktur 32 eine Variation des Brechungsindex der Linse 22 bewirkt.
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Der vertikale Keilwinkel der Keilstruktur 32 kann verschieden ausgebildet sein. Er kann gemäß einer ganzrationalen Funktion zweiter, dritter, vierter oder höherer Ordnung variieren, um eine entsprechende Intensitätsvariation insbesondere von in den Nebenerfassungsbereich ausgesendeter und aus dem Nebenerfassungsbereich empfangener Strahlung zu bewirken. Diese Intensitätsvariation ermöglicht eine Unterscheidung von reflektierter Strahlung 20 insbesondere nach ihrem Eintrittswinkel in die Keilstruktur 32. Dadurch kann beispielsweise aus dem oberen Randbereich des Nebenerfassungsbereichs 30, also beispielsweise von der Oberkante eines LKW reflektierte Strahlung von Strahlung anhand der Intensität unterschieden werden, die aus dem unteren Randbereich des Nebenerfassungsbereichs 30, der an den oberen Rand des Haupterfassungsbereichs 26 grenzt, reflektiert wird.
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Die von den Empfangselementen 18 empfangene Strahlung wird als Messsignale an Sensordatenverarbeitungsmittel 34 zur weiteren Verarbeitung weitergegeben. Die Sensordatenverarbeitungsmittel 34 sind nicht zur Verarbeitung der Messsignale, sondern auch zum Ansteuern der Sendeelemente 14 ausgebildet. Die Sensordatenverarbeitungsmittel 34 können durch einen Prozessor, beispielsweise einen Mikrokontroller implementiert werden, der ein Programm zum Verarbeiten der Messsignale ausführt. Der dem Programm zugrunde liegende Algorithmus wird im Folgenden erläutert.
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Der Algorithmus ermittelt anhand der zugeführten Messsignale insbesondere einen typischen und in der Regel unverwechselbaren zeitlichen Verlauf einer Sequenz aufeinander folgender Messsignale, der sich bei Annäherung an ein Umgebungsobjekt mit hoher Höhe über der Fahrbahn wie einen LKW durch die reflektierte und über die Keilstruktur 32 der Linse 22 in die Empfangselemente 18 eingekoppelte reflektierte Strahlung 20 ergibt. Anhand des so ermittelten unverwechselbaren zeitlichen Verlaufs der Sequenz aufeinander folgender Messsignale berechnet dann der Algorithmus die Absoluthöhe von reflektierenden Flächen über der Fahrbahn als Referenzhöhe. Anhand der berechneten Absoluthöhen unterscheidet der Algorithmus dann für ein ACC-System relevante Umgebungsobjekte wie LKW von nicht relevanten Umgebungsobjekten wie Schilderbrücken, die in größerer Höhe über der Fahrbahn angebracht sind.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann die Erfassung von Umgebungsobjekten verbessert werden, was insbesondere vorteilhaft für einen Einsatz in Fahrerassistenz- und Sicherheitssysteme ist. Vor allem kann die Diskriminierung von relevanten von weniger oder nicht relevanten Umgebungsobjekten verbessert werden, was insbesondere für ein ACC-System von Vorteil ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensorsystem
- 12
- Umgebungsobjekte
- 14
- Senderelemente
- 16
- ausgesandte elektromagnetische Strahlung
- 18
- Empfangselemente
- 20
- elektromagnetischer Strahlung
- 22
- optisches Mittel
- 24
- erster Anteil der von den Senderelementen ausgesendeten Strahlung
- 26
- Haupterfassungsbereich
- 28
- zweiter Anteil der von den Senderelementen ausgesendeten Strahlung
- 30
- Nebenerfassungsbereich
- 32
- zusätzliche optische Struktur
- 34
- Sensordatenverarbeitungsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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