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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Hauttemperatur im Gesicht eines Insassen eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Bei heutigen Kraftfahrzeugen, einschließlich Hybridfahrzeugen und elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, geht der Trend hin zu automatisierten Klimaanlagen, bei denen auf eine gewünschte Innenraumtemperatur geregelt wird. Zur Regelung derartiger Klimaanlagen müssen sowohl Temperaturen im Innern des Kraftfahrzeugs als auch die Außentemperatur bestimmt werden. Um eine besonders effiziente Regelung zu erhalten, kann die Körpertemperatur oder die Hauttemperatur des Fahrers oder des Beifahrers bestimmt und ebenfalls in den Regelkreis einbezogen werden. Es sind auch Systeme vorgeschlagen worden, deren Regelung einzig auf der Gesichtshauttemperatur vorzugsweise des Fahrers basiert. So kann mit der Messung der Gesichtshauttemperatur im kalten Komfortbereich eine thermische Komfortbestimmung eines Fahrzeuginsassen durchgeführt werden, wobei Infrarotmesstechnik zum Einsatz gelangt.
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So offenbart die Druckschrift
DE 41 27 690 C2 ein Steuergerät für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit einer Gesichtshauttemperatur-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Hauttemperatur eines menschlichen Gesichts und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Klimaanlage auf Basis eines Temperaturempfindungswertes, in dem die Gesichtshauttemperatur und deren Änderungsgeschwindigkeit als Parameter eingehen. Die Einrichtung zur Erfassung der Gesichtshauttemperatur umfasst ein Infrarotstrahlungsthermometer, das sich an einer Stelle befindet, an der die Gesichtshauttemperatur eines Insassen des Kraftfahrzeugs erfasst werden kann.
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Die Druckschrift
DE 100 41 598 A1 beschreibt eine Fahrzeug-Klimaanlage mit einem kontaktfreien Temperatursensor zum Ermitteln der Oberflächentemperatur eines Ermittlungsbereichs einer Oberfläche in dem Fahrzeug.
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Dabei umfasst der Oberflächentemperatursensor ein viereckiges infrarotaktives Element, welches von einem in Sichtrichtung mit einem Öffnungsabschnitt versehenen Gehäuse umgeben ist, so dass einfallende Infrarotstrahlen innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs detektiert werden können. Der Oberflächentemperatursensor ist dabei im Inneren des Fahrzeugs so angeordnet, dass der Brustbereich und der Gesichtsbereich des Fahrers erfasst werden können. Eine genaue Bestimmung der Gesichtstemperatur ist mit dieser Anordnung nicht möglich.
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In der Druckschrift
DE 10 2013 001 679 A1 wird ein Verfahren zur Bildaufnahme und Bildauswertung für eine Steuerung und/oder Regelung einer Klimaanlage in einem Fahrzeug mit mindestens einem Sensor zur Aufnahme eines Bildes zur Bestimmung der Temperaturverteilung innerhalb des Bildes, einer Bewegungseinrichtung zur Bestimmung der Position zur Aufnahme des Bildes und einer Recheneinrichtung zur Auswertung der Informationen des mindestens einen Sensors und zur Steuerung der Bewegungseinrichtung sowie zur Steuerung und/oder Regelung der Klimaanlage beschrieben. Dabei wird die Temperaturverteilung in einem vorbestimmten Bereich durch eine Zusammensetzung der Aufnahmen der Bilder bestimmt und ausgewertet, wobei der mindestens eine Sensor zum Scannen des Bereichs um zwei Drehachsen schwenkbar angeordnet ist. Als Sensor kommt entweder ein einzelner Infrarotsensor oder eine Infrarotkamera mit einer Pixel Auflösung von 4×4 Pixel bis 20×20 Pixel in Betracht. Durch den permanenten Scanvorgang kann die Auflösung effektiv erhöht werden und mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus ein Gesamtbild im Infraroten erstellt werden.
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Bei einem Teil der bekannten Systeme erlauben die Sensoren keine genaue Bestimmung der Gesichtshauttemperatur aufgrund der niedrigen Auflösung der Messsensorik mit wenigen Pixeln oder einem Einfachsensor. Bei einer Erhöhung der Auflösung durch einen permanenten Scan-Vorgang kann zwar aus Einzelaufnahmen ein Gesamtbild im Infraroten erstellt werden, allerdings erfolgt der Scanvorgang in zwei Richtungen bzw. um zwei Achsen um ein vollständiges Gesichtstemperaturbild zu erreichen, wodurch ein entsprechender Aufwand bei der technischen Umsetzung notwendig ist. Bei der Verwendung einer Infrarotsensorik mit höherer Auflösung, beispielsweise 640×480 Pixel, wird schnell ein nicht akzeptabler Kostenbereich erreicht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Gesichtstemperatur eines Insassen eines Kraftfahrzeuges mit einer einfachen Messsensorik sicher bestimmen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung der Gesichtstemperatur eines Insassen eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Hauttemperatur im Gesicht eines Insassen eines Kraftfahrzeugs mittels einer im Infraroten messenden Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit so im Kraftfahrzeug angeordnet ist, dass das Gesicht des Insassen erfasst wird, und die Sensoreinheit eine vorgegebene Anzahl von linear nebeneinander angeordneten Sensorelementen zur Messung einer Temperatur aufweist,
- – führt die Sensoreinheit einen Scanvorgang über das Gesicht in einem durch die Sensoreinheit definierten Abscanbereich mit einer vorgegebenen Schrittweite in einer vorgegebenen Richtung aus, wodurch die durch den Scanvorgang ermittelten Messwerte pro Scan ein Raster von Messpixeln mit Temperaturmesswerten ergeben, und
- – die Hauttemperatur des Gesichts durch die maximal gemessene Temperatur eines Messpixels innerhalb des Rasters gebildet wird.
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Durch die Verwendung einer linearen Sensoreinheit und einem Scan in nur einer Richtung ist eine erhebliche technische Vereinfachung der Bestimmung der Gesichtshauttemperatur ohne ein Verlust an Informationsgehalt möglich.
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Bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Hauttemperatur im Gesicht eines Insassen eines Kraftfahrzeugs mittels einer im Infraroten messenden Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit so im Kraftfahrzeug angeordnet ist, dass das Gesicht des Insassen erfasst wird und die Sensoreinheit eine vorgegebene Anzahl von linear nebeneinander angeordneten Sensorelementen zur Messung einer Temperatur aufweist,
- – führt die Sensoreinheit einen Scanvorgang über das Gesicht in einem durch die Sensoreinheit definierten Abscanbereich mit einer vorgegebenen Schrittweite in einer vorgegebenen Richtung aus, wodurch die durch den Scanvorgang ermittelten Temperaturmesswerte pro Scan ein Raster von Messpixeln ergeben,
- – wird der Scanvorgang mit einer vorgegebenen Rate wiederholt durchgeführt,
- – werden die Raster der Messpixel mit den ermittelten Temperaturmesswerten gespeichert, und
- – wird die Hauttemperatur des Gesichts durch die maximal gemessene Temperatur eines Messpixels aus einer vorgegebenen Anzahl von Rastern gebildet.
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Auf diese Weise kann die Hauttemperatur aus einer Serie von Scans heraus bestimmt werden, wodurch sichergestellt ist, dass zumindest ein Messpixel eine unbedeckte Hautoberfläche ermittelt hat und die vorhandene Bewegung des Kopfes und/oder Änderung der Kopfstellung keine Rolle spielt.
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Vorzugsweise werden Temperaturwerte außerhalb eines vorgegebenen Intervalls, insbesondere außerhalb des Intervalls 0°C bis 42°C oder außerhalb des Intervalls 17°C bis 44°C, bei der Bestimmung der Hauttemperatur nicht berücksichtigt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass unsinnige Messwerte nicht berücksichtigt werden.
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Weiter bevorzugt erfolgt der Scanvorgang in vertikaler Richtung. Da sich der Kopf eines Insassen eines Kraftfahrzeugs üblicherweise vor der Kopfstütze befindet, kann mit einem vertikalen Scan Personen unterschiedlicher Größe und damit unterschiedlicher Sitzeinstellungen erfasst werden. Bei einem horizontalen Scan müsste zuerst die Sensoreinheit auf die aktuelle Sitzstellung ausgerichtet werden.
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Vorzugsweise wird der Scanbereich so gewählt wird, dass der Gesichtsbereich kleiner und großer Insassen des Kraftfahrzeugs vom Scan erfasst werden. Wird der Scanbereich in vertikaler Richtung ausreichend groß gewählt, so wird das Gesicht eines Insassen immer erfasst.
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Weiter bevorzugt werden die Sensorelemente der Sensoreinheit als Funktion des horizontalen und vertikalen Abstands des Gesichts des Insassen sowie die Scanschrittweite so gewählt, dass die Temperatur von zumindest einer unbedeckten Gesichtshautpartie von zumindest einem Sensorelement bestimmt wird. Mit anderen Worten, die notwendige Auflösung der Messpixel wird über die Sensorelemente und die Schrittweite sichergestellt.
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Die zur Durchführung des im Vorangegangenen beschriebenen Verfahrens eingerichtete und ausgelegte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Hauttemperatur im Gesicht eines Insassen eines Kraftfahrzeugs umfasst
- – eine im Infraroten messende Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit eine vorgegebene Anzahl von linear nebeneinander angeordneten Sensorelementen aufweist,
- – eine Scaneinrichtung zum Scannen der Sensoreinheit über das Gesicht des Insassen, wobei die Scaneinrichtung die Sensoreinheit in einer vorgegebenen Richtung über einen das Gesicht erfassenden Scanbereich mit vorgegebener Schrittweite scannt, und
- – eine Auswerteeinheit zum Auswerten der Daten der Sensoreinheit.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen Speicher zur Abspeicherung der ermittelten Messwerte auf, wodurch eine Auswertung der gemessenen Temperarturwerte über eine Serie von Scans erfolgen kann.
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Vorzugsweise führt die Scaneinrichtung eine Drehung der Sensoreinheit um eine horizontale Ache durch. Auf diese Weise ist eine einfache Mechanik möglich, die beispielsweise durch einen Schrittmotor gebildet werden kann.
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Weiter bevorzugt beträgt die Anzahl der Sensorelemente mindestens vier und maximal zwanzig. Dies ist zur Bereitstellung der notwendigen Auflösung ausreichend und auf diese Weise wird die Sensoreinheit einfach und kostengünstig gehalten.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Darstellung des Sensorprinzips,
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2 den Erfassungsbereich bei einem vertikal scannenden Sensor,
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3 die Anordnung des Infrarotsensors im Fahrzeugraum,
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4 erste Überlegungen zur Auflösung des Scanbereich,
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5 weitere Überlegungen zur Auflösung des Scanbereichs, und
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6 den Scanbereich für ein Gesicht.
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1 stellt die beiden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dar. Im oberen Teil dieser Figur ist der vertikale Scanbereich 4 einer horizontal angeordneten Sensoreinheit 1 dargestellt, die in vertikaler Richtung den üblicherweise vor einer Kopfstütze 3 befindlichen Kopf eines Fahrzeuginsassen (nicht dargestellt) abscannt. Die Sensoreinheit 1 umfasst im Beispiel der 1 sechs Sensorelemente 2, die einen linearen Array bilden. Mit einer derartigen Sensoreinheit 1 ergibt sich daher der vertikale Scanbereich 4 vor der Kopfstütze 3 mit einer Scanbreite d. Die Scans können mit einer vorgegebenen Wiederholungsrate wiederholt werden, beispielsweise kann ein Scan in einer Sekunde durchgeführt werden und entweder fortlaufend wiederholt oder nach einer Wartezeit von beispielsweise 2 Sekunden wiederholt werden. Die Messergebnisse der einzelnen Scans können abgespeichert und eine vorgegebene Anzahl von Scans zusammen ausgewertet werden, um die Gesichtshauttemperatur zu bestimmen. Die Gesichtshauttemperatur kann dann als die maximal gemessenen Temperatur innerhalb der vorgegebenen Anzahl von Scans definiert werden.
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Im unteren Teil der 1 ist eine weitere Möglichkeit die Sensoreinheit 1 bestehend aus sechs Sensorelementen 2 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Sensoreinheit 1 vertikal angeordnet, so dass sich vor der Kopfstütze 3 ein horizontaler Scanbereich 4 der Scanbreite d ergibt.
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2 zeigt den Kopf 5 bzw. das Gesicht einer Insassin eines Kraftfahrzeugs, welches eine Gesichtsbreite s aufweist. Im Idealfall scannt die Sensoreinheit 1 in vertikaler Richtung mittig über das Gesicht 5, was zu einem vertikalen Scanbereich 4 der Sensoreinheit 1 mit den Sensorelementen 2 führt. In vielen Fällen sind Gesichtsteile bedeckt¸ mit anderen Worten, es kommt häufig vor, dass Hautbereiche des Gesichts abgedeckt sind, beispielsweise durch Haare, wie die Stirn des Gesichts der 2, Bart, Mütze oder Brille. Üblicherweise ist jedoch zumindest der Wangenbereich eines Insassen eines Kraftfahrzeugs unbedeckt, so dass dieser Wangenbereich vom Scanbereich 4 erfasst werden muss, wie dies in den Beispielen der 1 und 2 der Fall ist.
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In 3 ist die Anordnung einer Sensoreinheit 1 zum vertikalen Scannen des Kopfes 5 eines Insassen eines Kraftfahrzeugs 6 dargestellt. Zur Erfassung des Kopfes 5 ist die Sensoreinheit 1 in dem Fahrzeug 6 im Umfeld des Innenrückspiegels (nicht dargestellt) um eine horizontal angeordnete Achse 8 drehbar angeordnet, was durch die angezeigte Drehrichtung 7 verdeutlicht wird.
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Ferner muss bei der Auflösung der Sensorelemente 2 der Sensoreinheit 1 und der Größe des Scanbereichs des vertikalen Scans die Höhe b des Kopfes 5 über dem Boden des Fahrzeugs 6 und der horizontale Abstand a des Kopfes 5 von der Sensoreinheit 1 berücksichtigt werden. Dabei wird der vertikale Scanbereich der Sensoreinheit 1 so gewählt, dass der Gesichtsbereich kleiner und großer Personen im Fahrzeug 6 erfasst wird. Der dargestellte Scanwinkel α, der zumindest den Gesichtsbereich des Kopfes 5 überdecken muss, beträgt 20° oder mehr als Funktion des zu überdeckenden Scanbereichs.
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4 zeigt in schematischer Darstellung ein über den Kopf 5 eines Insassen eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) gelegtes Raster 9 bestehend aus 8×8 Rasterelementen 10, wobei das Raster den Kopf 5 vollständig überdecken muss. Die Größe eines Rasterelements 10 muss dabei so groß sein, dass die Fläche unterhalb einer möglichen Brille und oberhalb eines möglichen Oberlippenbartes, d.h. der Wangenbereich, mit einem gemittelten Temperaturwert aufgelöst werden kann. Mit anderen Worten, ein Rasterelement 10 hat eine Größe von kleiner oder gleich 30mm × 30mm, vorzugsweise sind die Rasterelemente 10 kleiner, um die notwendige Auflösung zu erreichen.
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Anhand der 5 wird erläutert, wie die Auflösung der Messpixel bzw. Rasterelemente 10 gewählt werden muss. Dabei wird das vom Raster 9 überdeckte Gesicht in 5 in einen Bart- oder Haarbereich 11, einen Brillenbereich 12 und einen Wangenebereich 13 unterteilt. Um die Hauttemperatur sicher bestimmen zu können, ist folglich eine Messung aus dem Wangenbereich notwendig. Allerdings löst das Rasterelement 10 im linken Teil der 5 genau den Bereich zwischen dem Brillenbereich 12 und dem Bart- bzw. Haarbereich 11 auf. Diese durch die Rasterelemente 10 bedingte Auflösung wird in der Realität jedoch nicht ausreichen, da einzelne Rasterelemente 10, d.h. Messpixel, im Allgemeinen nicht immer komplett in der Messfläche liegen. Wie bereits ausgeführt, deckt das Rasterelement 10 genau die Lücke zwischen dem Brillenbereich 12 und dem Bast- oder Haarbereich 11 ab. Eine geringe Bewegung des Kopfes genügt, um das Rasterelement 10 aus dem Wangenbereich 13 heraus zu bewegen, so dass kein reiner Wangenbereich 13 mehr detektierbar ist, sondern eine Mischmessung aus Wangenbereich 13 und Brillenbereich 12 oder Wangenbereich 13 und Bartbereich 11 erfolgt.
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Da das Raster 9 durch die Messanordnung der scanbaren Sensoreinheit 1 sozusagen fest vorgegeben ist und die Position des Kopfes 5 veränderbar ist, kann es bei der im linken Teil der 5 dargestellten Auflösung daher vorkommen, dass keine Fläche eines Rasterelements 10 eine korrekte mittlere Temperatur ergeben würde, da keine Fläche die Temperatur eines reinen Hautwerts messen würde.
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Mit anderen Worten, die Auflösung müsste bei einer unbeweglichen Kamera noch einmal verdoppelt werden, um gesichert nur die Hauttemperatur einer unbedeckten Hautfläche zu messen. Dies würde dann zu dem Raster der 5, rechter Teil führen. Um diese notwendige Auflösung mit der Sensoreinheit 1 bestehend aus dem linearen Array aus einer vorgegebenen Anzahl von Sensorelementen 2, im vorliegenden Beispiel sechs Sensorelemente 2, erreichen zu können, wird eine entsprechend vertikale Bewegung der Sensoreinheit 1 in kleinen Schritten durchgeführt, um sicherzustellen, dass eine reine Hauttemperatur, beispielsweise des Wangenbereichs 13, bestimmt wird.
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6 zeigt den Aufenthaltsbereich 14 des Kopfes 5 einer Insassin eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt), innerhalb dem sich der Kopf 5 bewegen darf, um bei einem vertikalem Scan der Sensoreinheit 1 mit den Sensorelementen 2 bei einer ausreichend kleinen Schrittweite ein Messpixel zu finden, das eine reine Hauttemperatur wiedergibt. Die Hauttemperatur kann dann so bestimmt werden, dass in dem Scanbereich 4 die maximale Temperatur eines in 5 dargestellten Messpixels bzw. Rasterelements 10 als die gemessenen Hauttemperatur ermittelt wird. Dabei sind im Scanbereich 4 nur gemessene Temperaturen innerhalb des Intervalls von 0°C bis 42°C als sinnvoll zu betrachten. Es kann auch das Intervall von 17°C bis 42°C der thermischen Schmerzgrenzen als sinnvolle Randbedingung genommen werden. Bei einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Scans kann der maximale Temperaturwert eines Messpixels 10 einer vorgegebenen Anzahl von Scans als Hauttemperaturwert definiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensoreinheit
- 2
- Sensorelement
- 3
- Kopfstütze
- 4
- Scanbereich
- 5
- Kopf / Gesicht
- 6
- Fahrzeug
- 7
- Drehrichtung
- 8
- Drehachse
- 9
- Raster
- 10
- Rasterelement / Messpixel
- 11
- Gesichtsbereich mit möglicher Behaarung,
- 12
- Gesichtsbereich mit möglicher Brille
- 13
- unbedeckter Gesichtsbereich-Wangenbereich
- 14
- Aufenthaltsbereich
- a
- horizontaler Abstand
- b
- vertikaler Abstand
- s
- Gesichtsbreite
- d
- Breite der Sensoreinheit
- Į
- Scanwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4127690 C2 [0003]
- DE 10041598 A1 [0004]
- DE 102013001679 A1 [0006]
