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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regensensor zur Detektion von Regentropfen auf einer Oberfläche einer Fahrzeugscheibe, mit (i) zumindest einem Sendeelement zum Emittieren von Lichtstrahlen und (ii) zumindest einem Empfangselement zum Empfangen zumindest eines Teils dieser Lichtstrahlen, wobei der Sensor zumindest einen Strahlengang zwischen Sende- und Empfangselement bereitstellt, bei dem der entsprechende Lichtstrahl an der Oberfläche reflektiert wird und wobei der Sensor zumindest eine optische Einrichtung in diesem Strahlengang oder in zumindest einem dieser Strahlengänge zwischen Sende- und Empfangselement aufweist, die eingerichtet ist, den bei einer ersten Reflexion in einem ersten Bereich der Oberfläche in einer Reflexionsebene reflektierten Lichtstrahl für mindestens eine weitere Reflexion des Lichtstrahls an zumindest einem anderen Bereich der Oberfläche in Richtung der Oberfläche zurückzuwerfen.
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Auch betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines derartigen Sensors zur Detektion von Regentropfen auf einer Oberfläche einer Fahrzeugscheibe.
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Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 100 41 729 B4 bekannt. Diese zeigt einen Regentropfen-Sensor zur Detektion von Regentropfen auf einer Oberfläche einer Windschutzscheibe, mit einem Sendeelement zum Emittieren von Lichtstrahlen und mit einem Empfangselement zum Empfangen zumindest eines Teils dieser Lichtstrahlen, wobei der Sensor zumindest einen Strahlengang zwischen Sende- und Empfangselement bereitstellt, bei dem der entsprechende Lichtstrahl an der Oberfläche reflektiert wird und wobei der Sensor zumindest ein Prisma-Element in diesem Strahlengang zwischen Sende- und Empfangselement aufweist, welches eingerichtet ist, den bei einer ersten Reflexion in einem ersten Bereich der Oberfläche in einer Reflexionsebene reflektierten Lichtstrahl für eine weitere Reflexion des Lichtstrahls an zumindest einem anderen Bereich der Oberfläche in Richtung der Oberfläche zurückzureflektieren. Durch diese Maßnahme ergeben sich zwei sensitive Oberflächenbereiche (Bereiche der Oberfläche, an denen Lichtstrahlen des Strahlengangs reflektiert werden) auf ein Sende- und ein Empfangselement.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, die es ermöglichen, die Sensitivität pro Sende- bzw. Empfangselement weiter zu erhöhen und diese erhöhte Sensitivität auch auszunutzen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Regensensor ist vorgesehen, dass die optische Einrichtung weiterhin eingerichtet ist, den in Richtung der Oberfläche zurückgeworfenen Lichtstrahl aus der Reflexionsebene der ersten Reflexion herauszulenken. Die Reflexionsebene der Reflexion wird dabei von den entsprechenden Vektoren der Lichtstrahlen aufgespannt. Durch diese Maßnahme liegen die sensitiven Oberflächenbereiche nicht zwangsweise in der von Sende- und Empfangselement gebildeten Ebene senkrecht zur Oberfläche, sodass die sensitiven Oberflächenbereiche über einen größeren Flächenbereich der Scheiben-Oberfläche verteilt werden.
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Grundidee ist es also, zur Erhöhung der Sensitivität des Sensors die sensitiven Oberflächenbereiche auf der Oberfläche der Scheibe (besser) zu verteilen. Dadurch wird es möglich, die Anzahl der sensitiven Oberflächenbereiche pro Sendeelement (weiter) zu erhöhen. Anders als der aus dem Stand der Technik bekannte Strahlengang liegen die sensitiven Oberflächenbereiche nicht zwangsweise in der von Sende- und Empfangselement gebildeten Ebene senkrecht zur Oberfläche, was eine klare Beschränkung der Möglichkeiten zur Erhöhung der Sensitivität pro Sende- bzw. Empfangselement darstellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die optische Einrichtung zumindest zwei Flächen zur Brechung und/oder Reflexion der Lichtstrahlen des Strahlengangs auf, in dem die optische Einrichtung verschaltet ist. Die Flächennormale zumindest einer der Flächen liegt dabei nicht in der Reflexionsebene der ersten Reflexion. Bevorzugt ist die optische Einrichtung als Spiegeloptik („Mirror Optics“) mit zwei Reflexionsflächen zur einrichtungsinternen Reflexion der Lichtstrahlen ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt zumindest ein anderer der Strahlengänge vollständig innerhalb einer von dem Sendeelement, dem Empfangselement und dem zumindest einen Bereich der Reflexion an der Oberfläche gebildeten Ebene.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind auf ein Empfangselement oder eines der Empfangselemente zwei Sendeelemente vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist pro Sendeelement zumindest ein Strahlengang mit optischer Einrichtung und ein anderer Strahlengang vorgesehen. Dieser andere Strahlengang weist dann insbesondere keine derartige optische Einrichtung auf, die den in Richtung der Oberfläche 14 zurückgeworfenen Lichtstrahl aus der Reflexionsebene der ersten Reflexion herauslenkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das zumindest eine Sendeelement, das zumindest eine Empfangselement und die zumindest eine optische Einrichtung auf der der Oberfläche gegenüberliegenden Seite der lichtdurchlässigen Scheibe angeordnet. Dies ist die übliche Anordnung dieser Elemente des Sensors bezüglich der Scheibe.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Sensor ein optisches Kopplungselement zum Ein- und/oder Auskoppeln der Lichtstrahlen unmittelbar auf der der Oberfläche gegenüberliegenden Seite der lichtdurchlässigen Scheibe auf. Dieses Kopplungselement ist ein Anti-Reflexionselement zur Verhinderung von innerer Reflexion auf dieser Seite der Scheibe.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Scheibe eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs. Unter dem Begriff „Fahrzeug“ ist im Zusammenhang mit der Erfindung ein Land-, Wasser- und/oder Luftfahrzeug zu verstehen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Sendeelement eine Lichtquelle, insbesondere eine LED (LED: light-emitting diode) aufweist und/oder dass das Empfangselement einen lichtempfindlichen Detektor aufweist. Weiterhin weist der Sensor (a) eine dem Sendeelement oder zumindest einem der Sendeelemente nachgeschaltete Sende-Optik und/oder (b) eine dem Empfangselement oder zumindest einem der Empfangselemente vorgeschaltete Empfangs-Optik auf. Diese Optik/Optiken sind auf den Strahlengang oder die Strahlengänge abgestimmt. Beispielsweise sind Komponenten der Optiken entlang der einzelnen Strahlengänge ausgerichtet.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Strahlengang oder zumindest einer der Strahlengänge an einer Grenzfläche der Sende-Optik und/oder an einer Grenzfläche der Empfangs-Optik reflektiert wird.
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Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das zumindest eine Sendeelement und das zumindest eine Empfangselement auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind. Auf der Leiterplatte ist mit Vorteil auch eine elektrische Schaltungsanordnung zur elektrischen Beschaltung dieser Elemente vorgesehen.
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Bei der Verwendung eines Regensensors zur Detektion von Regentropfen auf einer Oberfläche einer Fahrzeugscheibe ist vorgesehen, dass dieser Sensor als vorstehend genannter Sensor ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft also mit anderen Worten ein Verfahren zur Detektion von Regentropfen auf einer Oberfläche einer Fahrzeugscheibe mittels eines Sensors, der als vorstehend genannter Sensor ausgebildet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines auf einer Scheibe installierten Sensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,
- 2 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A der 1,
- 3 eine schematische Darstellung eines auf einer Scheibe installierten Sensors gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht und
- 4 eine Darstellung einer konkreten Realisierung der Ausführungsform der 3.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 10 zur Detektion von Regentropfen 12 (von denen einer in 2 gezeigt ist) auf einer (ebenfalls in 2 gezeigten) Oberfläche 14 einer Fahrzeugscheibe 16. Die Scheibe 16 ist im gezeigten Beispiel die Windschutzscheibe eines entsprechenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs.
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Der Sensor 10 wird also als Regensensor verwendet. Er umfasst mehrere (hier zwei) Sendeelemente 18 zum Emittieren von Lichtstrahlen sowie ein Empfangselement 20 zum Empfangen zumindest eines Teils dieser Lichtstrahlen. Der Sensor 10 stellt dazu mehrere Strahlengänge 22, 24 zwischen Sende- und Empfangselement 18, 20 bereit, bei denen die entsprechenden Lichtstrahlen an der Oberfläche 14 der lichtdurchlässigen Scheibe 16 reflektiert werden. In zwei dieser Strahlengänge 22 ist je eine optische Einrichtungen 26 zwischen den Sendeelementen 18 und dem Empfangselement 20 angeordnet. In anderen der Strahlengänge ist keine derartige optische Einrichtung 26 vorgesehen.
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Bei jedem der einen Strahlengänge 22 wird der entsprechende Lichtstrahl -ausgehend vom Sendeelement 18- in Richtung der Scheibe 16 gesandt und dort in einem Bereich 28 an der Oberfläche 14 der lichtdurchlässigen Scheibe 16 in Richtung der im Strahlengang 22 angeordneten optischen Einrichtung 26 reflektiert. Die optische Einrichtung 26 wirft dann ihrerseits den bereits reflektierten Lichtstrahl derart in Richtung der Oberfläche 14 zurück, dass er in einem anderen Bereich 30 der Oberfläche 14 ein zweites Mal an der Oberfläche 14 reflektiert (zweite Reflexion), bevor er das Empfangselement 20 erreicht. Bei diesem Strahlengang 22 wird der Lichtstrahl also an zumindest zwei unterschiedlichen Bereichen 28, 30 an der Oberfläche 14 reflektiert. Die optische Einrichtung 26 ist weiterhin eingerichtet, den in Richtung der Oberfläche 14 zurückgeworfenen Lichtstrahl aus der Reflexionsebene der ersten Reflexion herauszulenken. Die Reflexionsebene der Reflexion wird dabei von den entsprechenden Vektoren aufgespannt. Um nun den zurückgeworfenen Lichtstrahl aus der Reflexionsebene der ersten Reflexion herauszulenken, weist die optische Einrichtung 26 beispielsweise zwei Reflexionsflächen zur einrichtungsinternen Reflexion der Lichtstrahlen auf (nicht gezeigt).
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Bei jedem der anderen Strahlengänge 24 zwischen den zugehörigen Sende- und Empfangselementen 18, 20 wird der entsprechende Lichtstrahl nur in einem Bereich 32 der Oberfläche 14 der Scheibe 16 reflektiert.
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Die generelle Funktion von Sensoren zur Detektion von Regen- oder anderen Flüssigkeitstropfen
12 auf einer Oberfläche
14 einer lichtdurchlässigen Scheibe
16 ist bekannt und kann beispielsweise der eingangs erwähnten Druckschrift
DE 100 41 729 B4 oder darin zitierten Dokumenten entnommen werden. Auch weitere Details zur Ausgestaltung der einzelnen Elemente des Sensors
10, wie etwa der Sende- und Empfangselemente
18,
20, oder zur Auswertung der Signale können diesen Dokumenten entnommen werden.
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Beim hier beschriebenen Sensor
10 wird zur Erhöhung der Sensitivität des Sensors
10 die durchschnittliche Anzahl der sensitiven Oberflächenbereiche
28,
30,
32 erhöht. Dazu wird im Gegensatz zu dem in der Druckschrift
DE 100 41 729 B4 erwähnten Sensor durch Verwendung der optischen Einrichtung
26 dafür gesorgt, dass der entsprechende Strahlengang
22 mit dieser optischen Einrichtung
26 nicht komplett in einer Ebene verläuft. Dadurch liegen die sensitiven Oberflächenbereiche
28,
30 nicht zwangsweise in der von Sende- und Empfangselement
18,
20 gebildeten Ebene senkrecht zur Oberfläche
16, sodass die sensitiven Oberflächenbereiche
28,
30,
32 über einen größeren Flächenbereich der Scheiben-Oberfläche
16 verteilt sind.
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Die 2 zeigt den Sensor 10 in einer schematischen Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A der 1. In dieser Darstellung wird deutlich, dass die Sendeelemente 18, das Empfangselement 20 und die optischen Einrichtungen 26 auf der der Oberfläche 14 gegenüberliegenden Seite der Scheibe 16 angeordnet sind.
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Ferner ist in dieser Darstellung nun erkennbar, dass der Sensor 10 zum einen zumindest eine den Sendeelementen 18 nachgeschaltete Sende-Optik 34 und zum anderen eine dem Empfangselement 20 vorgeschaltete Empfangs-Optik 36 aufweist.
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Diese Optiken 34, 36 sind auf die Strahlengänge 22, 24 abgestimmt. Dabei wird das Licht des jeweils einen Strahlengangs 22 sowohl an einer Grenzfläche 38 der Sende-Optik 34 als auch an einer Grenzfläche 40 der Empfangs-Optik 36 optikintern reflektiert. Das Licht des jeweils anderen Strahlengangs 24 passiert die beiden Optiken 34, 36 hingegen ohne interne Reflexion.
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In dieser Ansicht wird weiterhin deutlich, dass der Sensor 10 weiterhin ein schichtartiges optisches Kopplungselement 42 zum Ein- und/oder Auskoppeln der Lichtstrahlen aufweist, das unmittelbar auf der der Oberfläche 14 gegenüberliegenden Seite der lichtdurchlässigen Scheibe 16 angeordnet ist. Dieses Kopplungselement 42 ist ein Anti-Reflexionselement, genauer gesagt eine Anti-Reflexionsschicht, zur Verhinderung von innerer Reflexion auf dieser Seite der Scheibe 16. Dieses Kopplungselement 42 kann auch verbindende Eigenschaften haben und Komponenten des Sensors 10, zum Beispiel die optische Einrichtung 26, mit der Scheibe 16 mechanisch verbinden.
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Der Regensensor 10 weist weiterhin eine Leiterplatte 44 auf, auf der die Sendeelemente 18 wie auch das Empfangselement 20 angeordnet sind. Diese Leiterplatte 34 trägt weiterhin auch eine (nicht gezeigte) Schaltungsanordnung des Sensors 10 zur Beschaltung dieser Elemente 18, 20.
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Bei der in der 2 dargestellten Situation registriert der Sensor 10 einen Regentropfen 12 in dem dem einen Strahlengang 22 zugeordneten sensitiven Bereich 30 der Oberfläche 14, da sich in diesem Bereich 30 die Reflektivität durch den Regentropfen 12 ändert.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des Regensensors 10. Da der Aufbau dieses Sensors 10 im Wesentlichen dem Aufbau des Sensors 10 der 1 entspricht, soll hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Während die zu einem Sendeelement 18 gehörigen sensitiven Bereiche 28, 30, 32 für jedes Sendeelement 18 in einem zusammenhängenden Gesamtbereich der Oberfläche 14 liegen (jeweils links und rechts der Schnittlinie A-A), der sich klar vom zusammenhängenden Gesamtbereich des jeweils anderen Sendeelements 18 abgrenzt, durchdringen die Gesamtbereiche einander beim Sensor 10 der 3. Mit anderen Worten kreuzen sich die Strahlengänge 22 mit den darin verschalteten optischen Einrichtungen 26. Dies ist überhaupt erst möglich, da diese Strahlengänge 22 mit der jeweiligen optischen Einrichtung 26 -anders als die anderen Strahlengänge 24- nicht in einer Ebene senkrecht auf der Oberfläche 16 zwischen Sende- und Empfangselement 18, 20 verlaufen.
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Bei den hier gezeigten Sensoren 10 ist weiterhin vorgesehen, dass die Sendeelemente 18 je eine Lichtquelle und dass das Empfangselement 20 einen lichtempfindlichen Detektor aufweist. Als Lichtquellen dienen bevorzugt LEDs.
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Die 4 zeigt schließlich einer konkrete Realisierung der in 3 nur schematisch dargestellten Ausführungsform des Sensors 10. Dabei ist erkennbar, dass die Sendewie Empfang-Optiken 34, 36 auf die unterschiedlichen Strahlengänge 22, 24 abgestimmt/ausgerichtet sind. Jede dieser Optiken 34, 36 weist Strukturen auf, die je einem der Strahlengänge 22, 24 konkret zugeordnet werden können. Bei zwei Sendeelementen 18 und einem Empfangselement 20 sowie zwei Strahlengängen 22, 24 pro Sendeelement 18 hat jede der beiden Sende-Optiken 34 zwei solche Strukturen und die Empfangs-Optik 36 vier solche Strukturen.
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Jede der optischen Einrichtungen 26 weist eine facettenartige Struktur auf, wobei das Licht der entsprechenden Strahlengänge 22 an zwei der von den Facetten gebildeten Flächen 46, 48 einrichtungsintern reflektiert werden. Die Flächennormalen dieser beiden Flächen 46, 48 liegen dabei nicht in der Reflexionsebene der ersten Reflexion (im Bereich 28). Die die hier gezeigte optische Einrichtung 26 ist also als Spiegeloptik („Mirror Optics“) mit zwei Reflexionsflächen 46, 48 zur einrichtungsinternen Reflexion der Lichtstrahlen ausgebildet. Neben den in 4 vollständig sichtbaren sensitiven (Oberflächen-)Bereichen 30, 32 der Scheibe 16 sind auch die beiden sensitiven (Oberflächen-)Bereiche 28 vollständig eingezeichnet, obwohl jeder dieser beiden Bereiche 28 bei dem gewählten Blickwinkel der 4 eigentlich von je einer der beiden Sendeoptiken 34 zu einem großen Teil verdeckt wird.
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Der über eine jeweilige optische Einrichtung 26 verlaufende eine Strahlengang 22 passiert also die folgenden Komponenten: Ausgehend vom Sendeelement 18 - die Sende-Optik 34 (dort optional die Grenzfläche 38) - den Oberflächenbereich 28 - die optische Einrichtung 26 (dort zunächst die Fläche 46, dann die Fläche 48) - den Oberflächenbereich 30 - die Empfangsoptik 36 - bis schließlich zum Empfangselement 20. Der jeweils andere Strahlengang 24 passiert hingegen die folgenden Komponenten: Ausgehend vom Sendeelement 18 - die Sende-Optik 34 - den Oberflächenbereich 32-die Empfangsoptik 36 - bis schließlich zum Empfangselement 20.
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In der Regel ist die lichtdurchlässige Scheibe 16 selbst nicht Teil des Sensors 10. Die lichtdurchlässige Scheibe 16 ist beispielsweise eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs. Es gibt jedoch durchaus auch Ausführungsformen, bei denen der Sensor 10 diese Scheibe 16 umfasst.
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Bezugszeichenliste
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| Sensor |
10 |
| Regentropfen |
12 |
| Oberfläche |
14 |
| Scheibe, lichtdurchlässig |
16 |
| Sendeelement |
18 |
| Empfangselement |
20 |
| Strahlengang |
22 |
| Strahlengang, anderer |
24 |
| optische Einrichtung |
26 |
| Bereich (sensitiver Oberflächen-) |
28 |
| Bereich (sensitiver Oberflächen-), anderer |
30 |
| Bereich (sensitiver Oberflächen-) |
32 |
| Sende-Optik |
34 |
| Empfangs-Optik |
36 |
| Grenzfläche |
38 |
| Grenzfläche |
40 |
| Kopplungselement |
42 |
| Leiterplatte |
44 |
| Fläche |
46 |
| Fläche |
48 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10041729 B4 [0003, 0025, 0026]
