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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung eines optischen Elements eines Kamerasystems, insbesondere für ein Kamerasystem eines Fahrzeugs.
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Fahrzeuge umfassend heutzutage zunehmend Assistenzsysteme, die den Fahrzeugführer beim Fahren des Fahrzeugs unterstützen. Derartige Assistenzsysteme umfassen weiterhin typischerweise ein am Fahrzeugaußenbereich angeordnetes Kamerasystem zur optischen Erfassung und Aufnahme der Fahrzeugumgebung. Die Einbausituation des Kamerasystems richtet sich hierbei insbesondere nach der bestimmungsgebenden Assistenzfunktion. Kamerasysteme für Rückfahrhilfen sind in der Regel im Bereich des Fahrzeughecks oder Fahrzeugrückscheibe angeordnet. Für sogenannte Surround View Systeme sind typischerweise zusätzliche Kamerasysteme im Seitenbereich des Fahrzeugs angeordnet, beispielsweise unterhalb der Seitenspiegel des Fahrzeugs. Das von den Kamerasystemen erfasste Bild ist dabei in der Regel auf einem Display in der Fahrzeugkabine für den Fahrzeugnutzer darstellbar.
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Kamerasysteme, die im Fahrzeugaußenbereich angeordnet sind, können beim Fahren verschmutzen, beispielsweise durch Verunreinigungen wie Regen, Schnee, Salz oder Staub, wodurch die Assistenzsysteme in ihrer unterstützenden Funktion eingeschränkt oder verhindert sind.
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Zum Schutz der optischen Einrichtungen vor Verschmutzung und äußeren Witterungseinflüssen sind die Kamerasysteme daher typischerweise mit einer Reinigungsvorrichtung ausgebildet und/oder die Kamerasysteme sind in einer Klappe eingebaut und können bei Bedarf manuell oder automatisch ausgeklappt oder ausgefahren werden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Vermeidung bzw. Beseitigung von Ablagerungen sind jedoch nur bedingt wirksam. Probleme verursachen insbesondere Ablagerungen, wie Salze oder Erdanhaftungen, die aufgrund von Grenzflächeneffekten, d.h. aufgrund von Flächenadhäsion, dauerhaft an optischen Elementen der Kamerasysteme haften bleiben und mit dem bekannten Reinigungslösungen nicht mehr entfernt werden können. In diesem Fall kann das anhaftende Material häufig nur mittels manueller Reinigung und mittels aggressiver Reinigungsflüssigkeiten entfernt werden.
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In Zukunft ist es wünschenswert, dass kamerabasierte Assistenzsysteme auch bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten einsetzbar sind, um beispielsweise Warnfunktionen im kompletten Funktionsbereich des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Bei höheren Geschwindigkeiten verschmutzen die Kamerasysteme bzw. deren optische Einrichtungen jedoch noch schneller, sodass im Betrieb eine häufige Reinigung der Kameralinsen erforderlich ist, wodurch die Verfügbarkeit der Assistenzfunktion eingeschränkt ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Lösung anzugeben, mit der eine einfache und effektive Reinigung eines Kamerasystems ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, Ablagerungen bzw. Verunreinigungen auf optischen Elementen von Kamerasystemen, insbesondere auf einer äußeren Linse oder einer optisch transparenten Abdeckung, mittels Ultraschallwellen zu vermeiden und/oder zu beseitigen, die in das optische Element eingekoppelt werden. Mittels der Beaufschlagung des optischen Elements mit Ultraschall kann, insbesondere durch eine Veränderung der vorangehend beschriebenen Grenzflächeneffekte, auf vorteilhafte Weise eine verbesserte Reinigung gegenüber den bislang bekannten Reinigungslösungen erreicht werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann insbesondere bereits während der Fahrt eine Anhaftung von Ablagerungen auf optischen Elementen verhindert werden. Zudem können bereits anhaftende Verschmutzungen zum Abgleiten gebracht werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass durch die Beaufschlagung des optischen Elements mit Ultraschall im Grenzflächenbereich eine Verflüssigung des anhaftenden Materials erreicht wird. Die eingebrachte Ultraschallenergie geht dabei vorzugsweise über die gesamte Oberfläche des optischen Elements hinweg und kann dabei auch über größere Entfernungen übertragen werden. Hierdurch kann, als weiterer Vorteil gegenüber den bekannten Lösungen, der Energieaufwand zur Reinigung des optischen Elements gesenkt werden.
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Unter Ablagerungen können im Rahmen der Erfindung sämtliche Verschmutzungen verstanden werden, die sich, insbesondere während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs, auf dem optischen Element des Kamerasystems ablagern können. Darunter fallen insbesondere feuchte Ablagerungen, wie Wasser, Schnee und Eis sowie Salze oder Erdanhaftungen.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Ultraschallschwinger an dem wenigstens einen optischen Element des Kamerasystems angeordnet. Der Ultraschallschwinger ist dabei insbesondere zur Erzeugung und Abtrahlung von Ultraschallwellen ausgebildet und dient zur Beaufschlagung des optischen Elements mit Ultraschallwellen. Der wenigstens eine Ultraschallschwinger ist hierzu vorzugsweise derart an dem optischen Element angeordnet, dass dieser direkt oder zumindest über einen geeigneten Schallleiter mechanisch an dem optischen Element angekoppelt ist, um eine direkte Übertragung der vom Ultraschallschwinger erzeugten Ultraschallwellen auf den Körper des optischen Elements oder zumindest auf dessen äußere Oberfläche zu ermöglichen.
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Der Ultraschallschwinger kann beispielsweise innerhalb des Kamerasystems auf einer Leiterplatte angeordnet sein, insbesondere auf einer Leiterplatte auf der sich Bilderfassungs- und/oder Bildauswertelektronik befindet. Der Ultraschallschwinger kann dabei weiterhin derart positioniert sein, dass sich der Ultraschallschwinger in Kontakt mit einer Linse des Abbildungssystems befindet, insbesondere der Rückseite der Linse. Dadurch wird der für die vorgeschlagene Reinigungslösung erforderliche Aufwand, was zusätzliche mechanische bzw. elektronische Komponenten und was den Leistungsaufwand betrifft, auf ein Minimum reduziert.
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Bei dem optischen Element des Kamerasystems kann es sich im Rahmen der Erfindung beispielsweise um eine Linse oder ein anderes optisches Strahlformungs- bzw. Strahllenkungselement eines Abbildungssystems des Kamerasystems handeln. Mit dem Abbildungssystem ist dabei insbesondere ein Objektiv des Kamerasystems gemeint.
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Weiterhin kann es sich bei dem optischen Element des Kamerasystems auch um ein optisch transparentes Abdeckglas handeln, d.h. um ein Element ohne direkte Strahlformungs- bzw. Strahllenkungsfunktion, welches beispielsweise in einer Lichteinfallöffnung des Kamerasystems angeordnet ist und ein nachgeschaltetes Abbildungssystem des Kamerasystems vor äußeren Umwelteinflüssen schützt.
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In jedem Fall handelt es sich bei dem optischen Element bevorzugt um ein äußeres Abschlusselement, d.h. um das Element welches ein Abbildungssystem des Kamerasystems zur äußeren Umgebung bzw. zum Erfassungsbereich hin abschließt und damit Witterungseinflüssen und Verschmutzungen direkt ausgesetzt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei dem Ultraschallschwinger, der an dem optischen Element angeordnet ist, um einen piezoelektrischen Ultraschallresonator.
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Der Ultraschallschwinger ist im Rahmen der Erfindung vorzugsweise an einem für die Erfassungsfunktion des Kamerasystems nicht relevanten Bereich des optischen Elements angeordnet. Insbesondere dann, wenn es sich bei dem optischen Element um eine Linse oder ein Abdeckglas eines Abbildungssystems des Kamerasystems handelt, ist der Ultraschallschwinger vorzugsweise am Rand des optischen Elements angeordnet sowie bevorzugt außerhalb des Erfassungsbereichs bzw. Blickwinkels des Kamerasystems. Unter dem für die Erfassungsfunktion nicht relevanten Bereich ist insbesondere ein Bereich des optischen Elements zu verstehen, welcher ausschließlich von Strahlung passiert wird, die nicht von dem Kamerasystem, beispielsweise mittels eines photosensitiven Bildaufnahmeelements, erfasst wird.
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Der Ultraschallschwinger wird vorzugsweise über eine periodische Spannung betrieben. Der Ultraschallschwinger kann dabei insbesondere über eine geeignete Signalleitung mit einem PWM(Pulsweitenmodulations-)Ausgang eines Mikrocontrollers verbunden sein. Dabei ist es insbesondere möglich den PWM Ausgang eines bereits vorhandenen bzw. eines für andere Funktionen verwendeten Mikrocontrollers des Kamerasystems zu nutzen. Der Ultraschallschwinger kann weiterhin auch über eine geeignete Signalleitung mit einem LVDS Kanal (Low Voltage Differential Backchannel) des Kamerasystems verbunden sein, welcher primär zur Übertragung der mittels des Kamerasystems erfassten Bilddaten dient.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin Mittel umfassen, die ausgebildet sind, um Verunreinigungen des optischen Elements zu erkennen und die weiterhin ausgebildet sind, den Ultraschallschwinger in Abhängigkeit dieser Erkennung von Verunreinigungen anzusteuern, d.h. insbesondere bei einer erkannten Verunreinigung des optischen Elements. Bei den Mitteln kann es sich dabei beispielsweise um eine Bildverarbeitung handeln, die Verunreinigungen direkt im Kamerabild erkennt. Weiterhin kann es sich um Mittel handeln, die zur Rückmessung der Dämpfung der Amplitude der mittels des Ultraschallschwingers erzeugten Ultraschallwellen dienen. Anhand der Dämpfung, d.h. anhand des Rückmesssignals, kann auf die Belegungsdichte des anhaftenden Materials auf dem optischen Element geschlossen werden. Weiterhin kann das Rückmesssignal als Regelgröße für die Erzeugung der Ultraschallwellen verwendet werden, d.h. es kann eine Regelung der Frequenz- und/oder Amplitudeneinstellung der Ultraschallwellen in Abhängigkeit der Rückmessung der Amplitudendämpfung erfolgen.
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Weitere Vorteile sowie optionale Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung hervor. Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Reinigung eines optischen Elements eines Kamerasystems 2.
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Bei dem optischen Element handelt es sich im dargestellten Fall um eine Linse 3 des Kamerasystems 2, insbesondere um die äußere Linse 3 eines Abbildungssystems 4 des Kamerasystems 2.
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Bei dem Kamerasystem 2 kann es sich beispielsweise um ein Kamerasystem 2 handeln, dass im Front-, Seiten- oder Heckbereich eines Fahrzeugs angeordnet ist und zur Erfassung von Bilddaten aus der Fahrzeugumgebung für eines oder mehrere Assistenzsysteme dient.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Ultraschallschwinger 5 an der Linse 3 angeordnet, in diesem Fall in einem Randbereich der Linse 3 und damit in einem für die Erfassungsfunktion des Kamerasystems 2 nicht relevanten Bereich. Der für die Erfassungsfunktion nicht relevante Bereich der Linse 3 kennzeichnet sich in diesem Fall insbesondere dadurch, dass dieser außerhalb des Erfassungsbereichs bzw. außerhalb des Blickwinkels 6 des Kamerasystems 2 liegt.
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Der Ultraschallschwinger 5 ist, zur direkten Übertragung von Ultraschallwellen 7 auf den Linsenkörper und zur Beaufschlagung der äußeren Oberfläche 8 der Linse 3 mit Ultraschallwellen 7, mechanisch an die Linse 3 angekoppelt. Bei der äußeren Oberfläche 8 der Linse 3 handelt es sich insbesondere um diejenige Fläche bzw. Seite der Linse 3, die bei Anordnung der Linse 3 im Abbildungssystem 4 der Fahrzeugumgebung zugewandt und somit während des Fahrbetriebs Witterungseinflüssen und Verschmutzungen direkt ausgesetzt ist.
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Bei dem Ultraschallschwinger 5 kann es sich um einen sogenannten Ultraschall-Resonator bzw. Schallwandler handeln. Die verbreitetesten Ultraschallschwinger 5 sind piezoelektrische und magnetostriktive Schwinger, die hochfrequente elektrische Ströme in mechanische Schwingungen umwandeln. Piezoelektrische Schwinger bestehen im Wesentlichen aus einer Anordnung von piezoelektrischen Keramiken und entsprechenden mechanischen Bauteilen, die einen Resonator bilden und die Schwingungen an das zu beschallende Objekt anpassen. Um eine ausreichend hohe Leistung zu erreichen, können auch mehrere Schwinger zu einer Gruppe zusammengeschaltet werden.
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Die Steuerung des Ultraschallschwingers 5, insbesondere die Steuerung bzw. die Regelung der mittels des wenigstens einen Ultraschallschwingers 5 erzeugten Ultraschallwellen 7, kann im Rahmen der Erfindung mittels einer hochfrequenten elektrischen Betriebsspannung erfolgen, die beispielsweise über einen Ultraschallgenerator, der mit dem wenigstens einen Ultraschallschwinger verbunden ist, bereitgestellt wird. Hierbei lässt sich über die Betriebsspannung insbesondere die Frequenz, Amplitude und Leistung der mittels des Ultraschallschwingers 5 erzeugten und auf die Linse 3 übertragenen Ultraschallwellen 7 einstellen.
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Im dargestellten Fall ist der Ultraschallschwinger 5 über eine Signalleitung 9 mit einem PWM Ausgang 10 eines Mikrocontrollers 11 verbunden. Bei dem Mikrocontroller 11 kann es sich dabei um einen Mikrocontroller 11 handeln, der zusätzlich für andere Zwecke bzw. Steuerfunktionen in dem Kamerasystem 2 eingesetzt wird. Über die Spannung des PWM Ausgangs 10 lassen sich somit auf kostengünstige und einfache Weise die mittels des Ultraschallschwingers 5 erzeugten Ultraschallwellen 7 einstellen bzw. steuern, insbesondere mittels einer gepulsten Signalspannung mit beispielweise 1 MHz.
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Erfindungsgemäß dient die Vorrichtung 1 zur Vermeidung und Beseitigung von Ablagerungen 12, insbesondere auf der Außenseite 8 der Linse 3 bzw. eines optisches Elements des Abbildungssystems 4 des Kamerasystems 2. Bei den Ablagerungen 12 kann es sich beispielsweise um Verschmutzungen wie Wasser, Schnee, Eis und feuchte Erdablagerungen handeln. Die Vermeidung bzw. die Beseitigung dieser Ablagerungen 12 erfolgt dabei mittels der Einkopplung der Ultraschallwellen 7 das optische Element, wodurch eine Veränderung der Grenzflächeneffekte, insbesondere der Flächenadhäsion, zwischen der äußeren Oberfläche 8 des optischen Elements und den jeweiligen Bestandteile der Ablagerungen 12 erreicht wird. Durch die Beaufschlagung des optischen Elements mit Ultraschall erfolgt dabei im Grenzflächenbereichen insbesondere eine Verflüssigung und damit ein Ablösen des anhaftenden Materials. Die eingebrachte Ultraschallenergie kann dabei über die gesamte Oberfläche 8 des optischen Elements hinweggehen und auch über größere Entfernungen übertragen werden.
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Die Modenstruktur der mittels des wenigstens einen Ultraschallschwingers 5 erzeugten Ultraschallwellen 7 kann insbesondere derart eingestellt sein, dass zumindest auf der Außenfläche 8 des optischen Elements, Oberflächenwellen mit hoher Amplitude erzeugt werden. Dabei kann die Amplitude der eingekoppelten Wellen insbesondere derart eingestellt werden, dass die typischerweise auftretenden Adhäsionskräfte anhaftender Materialien überwunden werden. Weiterhin kann die Amplitude so stark eingestellt, dass im anhaftenden Material ein Phasenübergang erzeugt wird, d.h. dass eine Änderung des Aggregatzustands oder der Modifikation von kristallin zu amorph erreicht wird, der in der Folge zum Abfließen bzw. Lösen des Materials bzw. der Ablagerungen 12 von der Oberfläche 8 führt.
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Weiterhin kann die Frequenz der mittels des wenigstens einen Ultraschallschwingers 5 erzeugten Ultraschallwellen 7 derart eingestellt sein, dass eine gute Ankopplung der Ultraschallwellen 7 an Ablagerungen 12 auf der Außenfläche 8 des optischen Elements erreicht wird. Unter der guten Ankopplung der Ultraschallwellen 7 ist dabei insbesondere eine derartige Einstellung des Ultraschallschwingers 5 zu verstehen, dass die Erregerfrequenz, d.h. die erzeugte Frequenz der Ultraschallwellen 7, an die Eigenfrequenz der Ablagerungen 12 adaptiert wird.
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Die Frequenz der mittels des wenigstens einen Ultraschallschwingers 5 erzeugten Ultraschallwellen 7 kann im Rahmen der Erfindung weiterhin derart eingestellt und variiert werden, dass eine resonante Ankopplung der Ultraschallwellen 7 an die Ablagerungen 12 auf der Außenfläche 8 des optischen Elements erreicht wird. Dabei kann bevorzugt eine akustische Oberflächenwelle erzeugt werden, die sich nur in zwei Dimensionen auf der Grenzfläche des optischen Elements ausbreitet. Dabei erfolgt insbesondere eine Adaption der Erregerfrequenz an die Eigenfrequenz der Anhaftungen derart, dass sich die Oberflächenwellen innerhalb und oberhalb der geometrischen Fläche des optischen Elements ausbreiten können, d.h. orthogonal zum Normalenvektor der Oberfläche 8.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann zudem mit Mitteln ausgebildet sein, die zur Rückmessung der Dämpfung der Amplitude der erzeugten Ultraschallwellen 7 dienen. Anhand der Dämpfung, d.h. anhand des Rückmesssignals, kann auf die Belegungsdichte der anhaftenden Ablagerungen 12 geschlossen werden. Weiterhin kann das Rückmesssignal als Regelgröße für die Erzeugung der Ultraschallwellen 7 verwendet werden, d.h. es kann eine Regelung der Frequenz- und/oder Amplitudeneinstellung der Ultraschallwellen 7 in Abhängigkeit der Rückmessung der Amplitudendämpfung erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 kann insbesondere auch mehreren Ultraschallgeneratoren ausgebildet, d.h. mit zwei oder mehr Ultraschallgeneratoren, die mit dem wenigstens einem Ultraschallschwinger 5 verbunden sind. Dabei können die mehreren Ultraschallgeneratoren mit demselben bzw. denselben Ultraschallschwingern 5 (Resonatoren) verbunden ein oder es kann jeweils ein Ultraschallschwinger 5 mit jeweils nur einem Ultraschallgenerator verbunden sein.
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Bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Ultraschallgeneratoren können diese derart betrieben werden, dass eine Überlagerung der von dem wenigstens einen Ultraschallschwinger 5 abgestrahlten Ultraschallwellen 7 und hierdurch eine lokale Überhöhung der Schwingungsamplitude erreicht wird, insbesondere auf der Außenfläche 8 des optischen Elements sowie insbesondere derart, dass bei Resonanzbedingung die Energie in die Anhaftung bzw. Ablagerungen 12 übertragen wird. Die Überhöhung der Schwingungsamplitude führt dabei zu einer verbesserten Abtragung des anhaftenden Materials. Die konstruktive Interferenz mehrerer Resonator führt hierbei zur Amplitudenüberhöhung. Hierzu ist es notwendig, die Frequenzen und die Phasenlage der einzelnen Resonatoren abzustimmen, so dass die konstruktive Interferenz an einer wohl definierten Teilfläche des optischen Elements entsteht.
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Weiterhin können, bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit mehreren Ultraschallgeneratoren, diese derart betrieben werden, dass die Phasen der jeweils von dem wenigstens einen Ultraschallschwinger 5 ausgestrahlten Ultraschallwellen 7 variiert werden. Hierdurch ist der Ort der lokalen Überhöhung der Schwingungsamplitude veränderbar. Insbesondere in Verbindung mit der beschriebenen Überhöhung der Schwingungsamplitude wird dadurch eine verbesserte Abtragung des anhaftenden Materials auf der gesamten betroffenen Oberfläche 8 erzielt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Kamerasystem
- 3
- Linse
- 4
- Abbildungssystem
- 5
- Ultraschallschwinger
- 6
- Blickwinkel
- 7
- Ultraschallwellen
- 8
- äußere Oberfläche
- 9
- Signalleitung
- 10
- PWM Ausgabe
- 11
- Mikrocontroller
- 12
- Ablagerungen
