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Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Messvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Verfahren, insbesondere für den Betrieb einer solchen optoelektronischen Messvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.
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Derartige optoelektronische Messvorrichtungen sind bekannt, z. B. in Form von Lichttastern oder als Entfernungsmesser, die einen Erfassungsbereich mit einem gepulsten oder kontinuierlichen Lichtstrahl erfassen. Um eine räumliche Auflösung zu erreichen, werden üblicherweise die Lichtstrahlen mittels beweglicher Spiegel umgelenkt. Eine derartige optoelektronische Messvorrichtung ist aus der
DE 101 467 52 A1 zu entnehmen. Die von dem Sender emittierten Lichtstrahlen werden über einen mikromechanischen Schwingspiegel periodisch in zwei Raumrichtungen abgelenkt, so dass diese von einem Gegenstand innerhalb des Überwachungsbereiches reflektiert sind. Eine Empfangseinheit erfasst die reflektierten Lichtstrahlen und nach dem Licht-Laufzeit-Verfahren kann die Distanz zwischen der optoelektronischen Messvorrichtung und dem Gegenstand ermittelt sein.
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Derartige Messvorrichtungen haben den Nachteil, dass die Empfangseinheit mit einem sehr großen Öffnungswinkel das Licht aus dem gesamten Überwachungsbereich auf einer Fotodiode abbildet. Nicht nur reflektiertes oder remittiertes Licht, sondern umgelenktes Streu- und Fremdlicht werden durch die Fotodiode erfasst und unbrauchbare Messsignale sind generiert. Der Einsatzbereich derartiger optoelektronischer Messvorrichtungen ist daher auf geringe Messentfernungen beschränkt.
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Eine weitere Ausführungsvariante einer optoelektronischen Messvorrichtung ist aus der
EP 2 708 913 A1 bekannt. Ein Lichtstrahl wird zur Erfassung von Gegenständen in einen Überwachungsbereich mittels eines in seiner Resonanzfrequenz schwingenden Spiegels abgelenkt. Die von einem Objekt reflektierten Lichtstrahlen werden von einer Empfangseinheit, die aus einer Vielzahl von Fotodioden, die über eine Spalten- und Zeilenanordnung empfindlich geschaltet werden können, erfasst. Dabei besteht die Möglichkeit, die Position des erwarteten Empfangslichtreflexes aus der Orientierung der Ablenkeinheit zu bestimmen. Dadurch soll es möglich sein, Fehlmessungen aufgrund von Streulicht und Fremdlicht zu reduzieren.
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Ein wesentlicher Nachteil derartiger optoelektronischen Messvorrichtungen ist, dass bei Temperaturschwankungen und Materialalterung die Eigenfrequenz des mikromechanischen Spiegels verändert ist. Der Phasenversatz zwischen dem Ansteuerungssignal, das den mikromechanischen Spiegel zum Schwingen anregt, und der tatsächlichen Position des Spiegels verändert sich nämlich bei solchen Einflüssen, so dass die Abstimmung zwischen der Bewegung des Spiegels und den Fotodioden der Empfangseinheit fehlerhaft ist. Folglich sind zahlreiche Dioden in der Spalten- und Zeilenanordnung empfindlich geschaltet, so dass derartige Messvorrichtungen einerseits empfindlich gegenüber Streu- und Fremdlicht sind und andererseits das Messergebnis aufgrund von der fehlerbehafteten Raumwinkelerfassung ungenau ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine optoelektronische Messvorrichtung der eingangs genannten Gattung und ein Verfahren für diese zur Bestimmung eines Raumprofils eines Gegenstandes zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Messgenauigkeit und ein langzeitstabiles Messverhalten unabhängig von Umgebungstemperaturen und Materialalterung aufweist und die unempfindlich gegenüber Streu- und Fremdlicht ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1 und 14 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Dadurch, dass ein Sensor im Strahlengang nach dem Spiegel vorgesehen ist, dass der Lichtstrahl mindestens einmal pro Schwingungs-Periode des Spiegels durch den Sensor erfasst ist, dass durch den Sensor die Position des Spiegels bestimmt und ausgewertet ist und dass mittels der Steuer- und Auswerteeinheit die Empfangseinheit in Abhängigkeit von der festgestellten Position des Spiegels geschaltet ist, kann ein Raumprofil eines Gegenstandes mittels der optoelektronischen Messvorrichtung unabhängig von der Umgebungstemperatur und langzeitstabil erfasst sein, da die Position des Spiegels permanent erfasst und ausgewertet ist und zur Ansteuerung der Empfangseinheit verwendet ist.
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Durch den Sensor ist die Amplitude, Frequenz- und Phasenlage des Spiegels bekannt und dauerhaft mittels der Steuer- und Auswerteeinheit konstant gehalten, so dass der Raumwinkel, in denen ein Lichtstrahl oder Impuls gesendet ist, stets exakt bekannt ist. In der Empfangseinheit können somit die jeweiligen Dioden in Empfangsbereitschaft versetzt seien, die das reflektierte oder remittierte Lichtstrahlen aus den jeweiligen Raumwinkel erfassen. Streu- und Fremdlicht oder ungewünschte Reflexionen werden somit nicht von der Empfangseinheit erfasst. Der reflektierte oder remittierte Lichtstrahl oder Lichtpuls wird mittels einer Empfangsoptik auf die Empfangseinheiten projiziert. Die Empfangsoptik kann dabei als Weitwinkelobjektiv mit großer Öffnung ausgebildet sein, so dass Gegenstände in großen Entfernungen, die über 10 m entfernt sind, erfasst werden können.
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Des Weiteren kann der Spiegel durch die Steuer- und Auswerteeinheit als ein quasi statischer Spiegel betrieben sein, dessen Spiegelauslenkung proportional zur angelegten Spannung ist. Ein quasi statischer Spiegel ist ein in Schwingung versetzter Spiegel, dessen Bewegung in Zeitintervallen als unbeschleunigt bzw. statisch beschrieben werden kann. Die Steuer- und Auswerteeinheit steuert den Spiegel mit einer Frequenz unterhalb der Eigenresonanzfrequenz des Spiegels an. Das Ansteuersignal verläuft über eine Filterschaltung mit höherer Ordnungszahl, womit die Eigenresonanz des Spiegels unterdrückt ist.
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Zur Vergrößerung des Überwachungsbereiches ist es weiterhin Vorteilhaft, dass zwischen den Spiegel und dem Gegenstand im Überwachungsbereich – beispielweise in der optischen Öffnung des Gehäuses – ein optisches Element anordnet ist, dass vorteilhafter Weise als Bi-konkave Linse ausgebildet ist. Das optische Element weist besonders bevorzugt einen Nutzbereich auf, innerhalb dem das optische Element für auftreffende Lichtstahlen in Richtung des Überwachungsbereichs durchlässig ist. Der Nutzbereich des optischen Elementes ist kleiner ausgebildet als der von dem Lichtstrahl erfasste Bereich des optischen Elementes, so dass zum Zeitpunkt der größten Spiegelauslenkung der Lichtstrahl außerhalb des Nutzbereiches des optischen Elementes auftrifft. Somit ist einerseits erreicht, dass der Lichtpunkt – beim Auftreffen des Lichtstrahls auf einen Gegenstand – mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt ist und anderseits kann auch mit kleinen Spiegelauslenkungen ein großer Überwachungsbereich realisiert werden.
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Die optoelektronische Messvorrichtung soll eine möglichst kleinbemessene, kompakte und robuste Bauweise aufweisen. Um die Zahl der optischen Komponenten möglichst gering zu halten, kann das optische Element der Sendeeinheit derart beschaffen sein, dass der Lichtstrahl zum Zeitpunkt der maximalen Spiegelauslenkung zu einem Sensor umgelenkt ist und ein Signal erzeugt ist, anhand dessen in der Steuer- und Auswerteeinheit die Amplitude, Frequenz- und der Phasengang des Spiegels erfasst sind.
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In der Zeichnung sind ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Messvorrichtung und eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind. Im Einzelnen zeigt:
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1 eine optoelektronische Messvorrichtung mit einer Lichtquelle deren ausgesendeten Lichtstrahlen durch einen Spiegel in einen Überwachungsbereich umgelenkt sind, eine winkelverstärkenden Optik, die die Lichtstrahlen an dem Wendepunkt der Auslenkung des Spiegels zu einem Sensor umlenkt wodurch die Position des Spiegels erfasst ist, eine Empfangseinheit durch die von Gegenständen reflektierte Lichtstrahlen erfasst sind und eine Steuer- und Auswerteeinheit und
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2 eine Weiterbildung der optoelektronischen Messvorrichtung gemäß 1 mit mehreren Reflektoren zur Erfassung der Spiegelposition.
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In der 1 ist eine optoelektronische Messvorrichtung 1 zur Erfassung eines Raumprofils eines Gegenstandes 2 in einen Überwachungsbereich 6 dargestellt. Die Messvorrichtung 1 besteht aus einer Sendeeinheit 3, einer Empfangseinheit 4 und einer Steuer- und Auswerteeinheit 5. Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 ist mit der Sendeeinheit 3 und der Empfangseinheit 4 elektrisch verbunden, generiert die Steuersignale für die Sendeeinheit 3 und Empfangseinheit 4, erfasst die Signale der Sendeeinheit 3 und Empfangseinheit 4 und bildet anhand dieser Signale Messwerte und Steuersignale.
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Die Sendeeinheit 3 besteht aus einer Lichtstrahl 10 emittierenden Lichtquelle 8, einem Spiegel 12, der beispielweise als MEMS-Spiegel ausgebildet ist, und einem optischen Element 13. Der von der Lichtquelle 8 emittierte Lichtstrahl 10 trifft im Strahlengang 20 auf den Spiegel 12 und wird in Richtung des optischen Elementes 13 umgelenkt. Der Spiegel 12 ist mittels eines Ansteuerungssignals zu einer Schwingung um eine Achse angeregt, wodurch der Lichtstrahl 10 in Richtung des Überwachungsbereiches 6 auf einer Ebene um eine optische Achse 9 periodisch umgelenkt ist. Die optische Achse 9 beschreibt den Strahlengang 20 bei keiner Auslenkung des Spiegels 12. Die Sendeeinheit 3 ist in einem Sendegehäuse mit einer optischen Durchgangsöffnung positioniert. Der Lichtstrahl 10 verlässt demnach im Strahlengang 20 nach dem Spiegel 12 die Sendeeinheit 3, bzw. das Sendegehäuse in Richtung des Überwachungsbereiches 6.
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Das Ansteuerungssignal ist von der Steuer und Auswerteeinheit 5 generiert. Die Frequenz des Ansteuersignals liegt um einen Faktor 2 bis 5 unterhalb der Eigenfrequenz des Spiegels 12. Eine Eigenresonanz des Spiegels 12 durch das Ansteuerungssignal ist mittels einer Filterschaltung 16 mit einer höheren Ordnung unterdrückt. Dadurch ist erreicht, dass der Spiegel 12 als ein quasi statischer Spiegel betrieben ist und dass der Spiegel 12 dem Ansteuerungssignal mit geringen Phasenversatz folgt und dass die Spiegelauslenkung proportional zu dem Ansteuerungssignal ist.
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Zwischen dem Spiegel 12 und dem Gegenstand 2 im Überwachungsbereich 6 ist ein optisches Element 13 in der optischen Durchgangsöffnung des Sendegehäuses der Sendeeinheit 3 in Form einer bi-konkaven Linse angeordnet. Das optische Element 13 lenkt den Lichtstrahl 10 um und vergrößert den Überwachungsbereich 6. Das optische Element 13 weist dabei auf der dem Spiegel 12 zugewandten Seite einen Nutzbereich 17 auf, der die Lichtstrahlen 10 in Richtung des Überwachungsbereichs 6 passieren lässt. Neben dem Nutzbereich 17 ist ein Randbereich 18 angeordnet, der ebenfalls zeitweise von dem Lichtstrahl 10 erfasst ist. In dem Zeitpunkt der maximalen Auslenkung des Spiegels 12 ist der Lichtstrahl 10 durch den Randbereich 18 derart umgelenkt, dass der Lichtstrahl 10 von einem Sensor 11 erfasst ist. Der Sensor 11 ist als Fotodiode ausgebildet und generiert ein Signal anhand dessen die Steuer- und Auswerteeinheit 5 in Verbindung mit dem Ansteuersignal des Spiegels 12 die Frequenz, Amplitude und die Phase des Spiegels 12 ermittelt. Ein Regler in der Steuer- uns Auswerteeinheit 5 kann das Ansteuerungssignal des Spiegels 12 bei abweichenden Schwingungswerte derart anpassen, dass das Schwingverhalten stets konstant ist.
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Die Empfangseinheit 4 ist optisch getrennt von der Sendeeinheit 3 und besteht aus einer Empfangsoptik 21, einem Empfänger 22 und einem Multiplexer 23. Die von dem Gegenstand 2 in dem Überwachungsbereich 6 remittierten oder reflektierten Lichtstrahlen 10 werden durch die Empfangsoptik 21 auf den Empfänger 22 projiziert. Die Empfangsoptik 21 ist als Weitwinkelobjektiv mit großer Öffnung zwischen dem Empfänger 22 und dem Gegenstand 2 angeordnet, so dass möglichst viel von dem Gegenstand 2 reflektierte oder remittierte Lichtstrahlen 10 auf dem Empfänger 22 abgebildet sind.
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Der Empfänger 22 besteht aus einer Vielzahl von reihenweise angeordneten APD-Fotodioden, so dass der einfallende Lichtstrahlen 10 in Abhängigkeit von dem Raumwinkel, in den der Lichtstrahl 10 durch den Spiegel 12 gelenkt ist, durch eine jeweilige APD-Diode des Empfängers 22 erfasst ist. Der Multiplexer 23 ist mit dem Empfänger 22 und der Steuer- und Auswerteeinheit 5 verbunden und aktiviert in Abhängigkeit von der Position des Spiegels 12 die entsprechende APD-Diode des Empfängers 22. Die anderen APD-Dioden sind inaktiv geschaltet. Der eintretende Lichtstrahl 10 ist von dem Empfänger 22 erfasst und ein Signal ist generiert anhand dessen die Steuer- und Auswerteeinheit 5 beispielsweise mittels der Lichtlaufzeitmessung und dem Raumwinkel das Raumprofil des Gegenstandes 2 ermittelt.
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Während einer Messung der optoelektronischen Messvorrichtung 1 ist der Spiegel 12 von der Steuer und Auswerteeinheit 5 kontinuierlich in eine Schwingung versetzt. Die Filterschaltung 16 unterdrückt die Eigenresonanz des Spiegels 12 dessen Auslenkung mit einem zeitlichen Versatz dem Ansteuerungssignals folgt. Gleichzeitig werden Lichtstahlen 10 von der Lichtquelle 8 gepulst ausgesendet. Die Lichtstrahlen 10 treffen auf den Spiegel 12 und werden durch diesen periodisch in einer Ebene, senkrecht zur Achse des Spiegels 12 und gleichschenklig um die optische Achse 9 in Richtung des Überwachungsbereiches 6 umgelenkt. Das optische Element 13 der Sendeeinheit 3 wird von dem vor- und rücklaufenden Lichtstrahlen 10 überstrichen. Jenseits des Nutzbereiches 17 des optischen Elementes 13 wird das Austreten des Lichtstrahles 10 aus der Sendeeinheit 3 verhindert. Am Wendepunkt des Spiegels 12 zwischen der vor- und rücklaufenden Bewegung des Lichtstrahles 10 bzw. im Zeitpunkt der maximalen Auslenkung des Spiegels 12 ist der Lichtstrahl 10 durch das optische Element 13 derart umgelenkt, dass dieser von dem Sensor 11 erfasst ist. Der Sensor 11 generiert ein Signal wodurch die Position des Spiegels 12 durch die Steuer- und Auswerteeinheit 5 bestimmt und der Phasenversatz zwischen dem Ansteuersignal und dem Antwortsignal, die Position des Spiegels 12 ermittelt ist. Der Raumwinkel in den der Lichtstrahl 10 gesendet ist, ist somit stets exakt bekannt.
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Der Lichtstrahl 10, der auf den Nutzbereich 17 des optischen Elementes 13 trifft, ist in Richtung des Überwachungsbereiches 6 gelenkt. Der Nutzbereich 17 des optischen Elementes 13 ist zentrisch auf der optischen Achse 9 angeordnet und dessen Brennpunkt liegt auf der optischen Achse 9.
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Der Gegenstand 2 remittiert oder reflektiert den Lichtstrahl 10 und die Empfangsoptik 21 projiziert den Lichtstrahl 10 auf den Empfänger 22. Entsprechend der Auslenkung des Spiegels 12 bzw. des Raumwinkels in den der Lichtstrahl 10 durch die Sendeeinheit 3 gelenkt ist, ist eine APD-Diode am Empfänger 22 aktiviert und zwar diejenige die den reflektierten Lichtstrahl 10 detektiert. Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 bestimmt anhand der Laufzeit des Lichtstrahles 10 den Abstand und errechnet mittels des Raumwinkels das Raumprofil des Gegenstandes 2.
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Der 2 ist eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Messvorrichtung 1 zu entnehmen. Die Position des Spiegels 12 ist jeweils im Zeitpunkt der größten Auslenkung durch einen Sensor 11 erfasst. Zwischen den optischen Element 13 und dem Spiegel 12 bzw. im Strahlengang 20 nach dem Spiegel 12, ist jeweils ein spiegelartiger Reflektor 19 oder ein Prisma derart angeordnet, dass der jeweilige Lichtstrahl 10 bei größter Auslenkung des Spiegels 12, der als Wendepunkt bezeichnet ist, derart umgelenkt ist, dass dieser von dem Sensor 11 erfasst ist.
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Somit ist nicht nur die Amplitude und Frequenz, sowie die Phasendifferenz zwischen dem Steuersignal und dem Antwortsignal durch die Steuer und Auswerteeinheit 5 erfasst, sondern gleichzeitig ist auch die jeweilige maximale Auslenkung des Spiegels 12 überwacht. Das optische Element 13 der Sendeeinheit 3 ist somit nicht in einen Nutzbereich 17 und einen Randbereich 18 zu unterteilen. Die Reflektoren 19 oder Prismen übernehmen die Funktion des Randbereiches 18 und verhindern das Austreten von Lichtstrahlen 10 in den Zeitintervallen der größten Auslenkung des Spiegels 12. Somit ist erreicht, dass die Lichtstrahlen 10 die Sendeeinheit 3 in den Zeitintervallen verlässt, in denen der Lichtstrahl 10 annähernd gleichmäßig über den Gegenstand 2 streicht. Die remittierten oder reflektierten Lichtstrahlen 10 sind von der Empfangsoptik 21 der Empfangseinheit 4 erfasst und auf dem Empfänger 22 abgebildet. Ist eine Diode des Empfängers 22 durch die Steuer- und Auswerteeinheit 5 für die Überwachung eines der Spiegelauslenkung entsprechenden Raumwinkels aktiviert, ist der Lichtstrahl 10 durch die Diode des Empfängers 22 erfasst und ein Signal ist für die Steuer – und Auswerteeinheit 5 generiert anhand dessen, in Verbindung mit weiteren Werten, das Raumprofil des Gegenstandes 2 ermittelt ist.
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Mindestens ein Prisma oder Reflektor 19 kann derart angeordnet werden, dass dieser den Lichtstrahl 10 kurz vor der maximalen Auslenkung des Spiegels 12 zu dem Sensor 11 umlenkt. Auch kann der Sensor 11 derart angeordnet werden, dass durch diesen der Lichtstrahl 10 vor dem Zeitpunkt der maximalen Auslenkung des Spiegels 12 erfasst ist. Somit ist eine Art Doppelimpuls erzeugt. Dieser Doppelimpuls kann zur eindeutigen Zuordnung der Spiegelposition durch die Steuer und Auswerteeinheit 5 genutzt werden.
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Zur Erfassung des Raumprofils des Gegenstandes 2 können sowohl der Lichtstrahl 10 der Vor- und/oder der rückläufigen Schwingbewegung des Spiegels 12 genutzt sein. Der Lichtstrahl 10 – im Zeitpunkt der maximalen Auslenkung des Spiegels 12 – kann auch ohne eine Umlenkung durch das optische Element 13 oder den Spiegel 19 mittels des Sensors 11 erfasst sein.
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Die Sendeeinheit 3 oder der Lichtstrahl 10 kann durch eine Verstell-Möglichkeit um eine weitere Achse verdreh- oder verschwenkbar sein, um den Überwachungsbereich um eine weitere Ebene zu vergrößern. Auch kann der Spiegel 12 durch die Steuer- und Auswerteeinheit 5 zu einer Schwingung um eine weitere Achse angeregt sein. Die Empfangseinheit 4 kann dabei entweder zusammen mit der Sendeeinheit 3 verschwenkt werden oder als mehrzeiliger matrixförmiger Empfänger 22 ausgebildet sein.
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Das optische Element 13 oder die Reflektoren 19 können plan, konkave oder konvex ausgebildet sein. Vorteilhaft kann eine konkave Form des optischen Elements 13 oder des Reflektors 19 sein, um bei mehreren Winkelpositionen des Spiegels 12 den Lichtstrahl 10 auf den im Brennpunkt liegenden Sensor 14 zu lenken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10146752 A1 [0002]
- EP 2708913 A1 [0004]
