DE102017102704A1 - Anzeigesystem für eine Frontscheibe und Verfahren zum Konfigurieren des Anzeigesystems - Google Patents

Anzeigesystem für eine Frontscheibe und Verfahren zum Konfigurieren des Anzeigesystems Download PDF

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Abstract

Head-Up-Displays für Fahrzeuge sind durch die hohen Anforderungen bei der Entwicklung und Herstellung meist sehr kostenintensiv. Die Erfindung betrifft ein Anzeigesystem (1) für eine Frontscheibe eines Fortbewegungsmittels. Das Anzeigesystem (1) weist ein Projektionsgerät (2), eine Projektionsfläche (3) und eine Steuerungseinrichtung (4) auf. Zudem ist das Anzeigegerät (1) mit einem Aufnahmegerät (5) ausgebildet, welches auf die Projektionsfläche (3) ausgerichtet und mit der Steuerungseinrichtung (4) mittels einer ersten Datenbahn (7) verbunden ist. Dabei ist die Projektionsfläche (3) konfigurierbar und mittels einer zweiten Datenbahn (8) ebenfalls mit der Steuerungseinrichtung (4) verbunden.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Konfigurieren des Anzeigesystems.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Anzeigesystem für eine Frontscheibe eines Fahrzeugs, eines Flugzeugs oder eines anderen Fortbewegungsmittels mit einer Frontscheibe, bei welchem der Nutzer die Kopfhaltung beziehungsweise die Blickrichtung beibehalten kann. Das Anzeigesystem weist eine Flüssigkristallanzeige auf. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Konfigurieren des Anzeigesystems.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, einem Fahrzeugführer, wie einem Autofahrer oder einem Piloten, mittels eines Head-Up-Displays Informationen in sein Sichtfeld zu projizieren. Unter einem Head-Up-Display, auch als HUD abgekürzt, ist ein Anzeigesystem zu verstehen, bei welchem der Benutzer zum Betrachten der angezeigten Informationen die Haltung des Kopfes beziehungsweise die Blickrichtung in der ursprünglichen Ausrichtung im Wesentlichen beibehalten kann.
  • Derartige Head-Up-Displays weisen im Allgemeinen eine bilderzeugende Einheit, welche die darzustellenden Informationen in Form eines Bilds bereitstellt, ein Optikmodul, welches den Strahlenverlauf innerhalb des Head-Up-Displays bis zu einer Austrittsöffnung ermöglicht und auch als Spiegeloptik bezeichnet wird, sowie eine Projektionsfläche, zur Darstellung des zu erzeugenden Bildes, auf. Das Optikmodul leitet das Bild auf die Projektionsfläche, welche als eine spiegelnde, lichtdurchlässige Frontscheibe ausgebildet ist und auch als Combiner bezeichnet wird. Der Fahrzeugführer sieht die gespiegelten Informationen der bilderzeugenden Einheit und gleichzeitig die wirkliche Umgebung hinter der Frontscheibe. Damit bleibt die Aufmerksamkeit des Fahrzeugführers, beispielsweise beim Führen eines Kraftfahrzeugs, auf das Geschehen vor dem Fahrzeug gerichtet, während er die in das Sichtfeld projizierten Informationen erfassen kann. Mit HUD-Systemen wird die Sicherheit bei der Fahrzeugführung erhöht.
  • Bei Head-Up-Displays wird häufig zwischen virtuelle Bildern und realen Bildern unterschieden.
  • In der EP 0 286 962 A2 wird ein Laserprojektor beschrieben, mit dessen Hilfe ein auf einem Projektionsbildschirm erzeugtes Bild derart auf einen frequenzabhängigen Spiegel an einer Frontscheibe projiziert wird, dass der Fahrer ein virtuelles Bild scheinbar im Sichtbereich vor der Frontscheibe erhält. Zudem wird die Möglichkeit offenbart, ein mit einem Laserprojektor erzeugtes Bild mittels eines holographischen optischen Elements, welches an der Frontscheibe oder in der Nähe der Frontscheibe angeordnet ist, im Bereich der Frontscheibe darzustellen. Die durch die Krümmung der Frontscheibe entstehenden Fehler sind durch eine entsprechend berechnete Optik zu kompensieren, was durch nachgeschliffene Linsen oder Spiegel erfolgt. Auch Biegespiegel können dabei verwendet werden.
  • Bei HUD-Systemen ist es wünschenswert, zum einen dass der Nutzer ein gutes Sichtfeld behält und zum anderen, dass die zusätzliche Anzeige eine hohe Bildqualität mit ausreichender Bildhelligkeit, einen hohen Kontrast und eine hohe Auflösung sowie lediglich eine minimale Verzerrung und minimale Bildfehler aufweist. In der Vergangenheit wurden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, die Bildqualität zu erhöhen. Zu den die Bildqualität herabsetzenden Einflüssen zählen beispielsweise die sogenannten Speckles oder Bildverzerrungen.
  • Speckles entstehen durch Unebenheiten einer beleuchteten Oberfläche, wobei jede Unebenheit ein Streuzentrum darstellt, von welchem Kugelwellen ausgehen, welche wiederum mit Kugelwellen anderer Streuzentren im Fernfeld interferieren. Das Muster ist im Wesentlichen zufällig, da die verwendeten Oberflächen in HUD-Systemen zumeist keine systematischen Strukturen aufweisen. Speckle sind zu unterdrücken, um innerhalb eines HUD-Systems ein klares Bild zur Verfügung zu stellen.
  • Aus der DE 10 2013 008 372 A1 geht ein Verfahren hervor, bei welchem ein gleiches Bild mehrfach, in zeitlicher Abfolge nacheinander auf einer Projektionsfläche wiedergegeben wird. Dabei unterscheiden sich die einzelnen Bilder durch die Variation der Position des darzustellenden Objektes im Lichtmodulator, kurz als SLM für englisch „Spatial Light Modulator“ bezeichnet, durch ihre Lage auf der Projektionsfläche voneinander. Infolge der Positionsabweichungen der einzelnen Bilder werden die Interferenzbedingungen im Mittel zerstört und somit Speckle reduziert oder verhindert.
  • Nach der WO 2016 072 372 A1 werden auftretende Speckle durch entsprechend angepasste Linsen oder Linsen-Anordnungen minimiert.
  • Die Entwicklungen nach dem Stand der Technik haben gemeinsam, dass die Elemente des jeweiligen Anzeigesystems für Frontscheiben, insbesondere spiegelnde Flächen und beugende optische Elemente, für jede Modellreihe eines Fortbewegungsmittels gesondert angepasst und berechnet werden müssen. Diese Anpassung ist sehr langwierig und damit kostenintensiv. Besonders wegen der kleinen Anzahl von Fortbewegungsmitteln jeder einzelnen Modellreihe wird auch die Herstellung einer kleinen Stückzahl von HUD-Systemen sehr kostenintensiv. Auch bei einem Austausch der Frontscheibe könnte die Darstellung stark beeinträchtigt sein, sodass eine erneute Anpassung des Systems erfolgen muss.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Anzeigesystem für eine Frontscheibe bereitzustellen, welches kostengünstig herzustellen ist und dennoch den hohen Anforderungen an die Bildqualität genügt.
  • Die Aufgabe wird durch ein Anzeigesystem für eine Frontscheibe mit den Merkmalen gemäß des selbstständigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.
  • Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem in einfacher Weise die Qualität der erzeugten Bilder innerhalb eines HUD-Systems erhöht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß des selbstständigen Patentanspruchs 7 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 8 bis 11 angegeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Anzeigesystem für eine Frontscheibe, ähnlich anderen HUD-Systemen, gelöst. Das Anzeigesystem weist ein Projektionsgerät, eine Projektionsfläche und eine Steuerungseinrichtung auf.
  • Die Steuerungseinrichtung kann dabei neben den Funktionen der vorliegenden Erfindung auch weitere steuernde Funktionen, beispielsweise hinsichtlich eines Inhalts eines projizierten Bildes, erfüllen.
  • Nach der Konzeption der Erfindung ist das Anzeigesystem mit einem Aufnahmegerät ausgebildet, welches auf die Projektionsfläche ausgerichtet ist. Das Aufnahmegerät kann beispielsweise eine Kamera sein, welche in ihrer Auflösung an die entsprechenden Anforderungen angepasst ist. Vom Aufnahmegerät aufgenommene Informationen werden mittels einer ersten Datenbahn an die Steuerungseinrichtung übertragen. In der Steuerungseinrichtung sind beispielsweise auch Parameter hinterlegt, welche die Elemente des HUD-Systems betreffen.
  • Die Projektionsfläche ist derart konfigurierbar, dass unterschiedliche Beugungsmuster vorgegeben werden können. In Abstimmung der Ergebnisse der Aufnahme können durch das Aufnahmegerät Veränderungen am Beugungsmuster vorgenommen werden, welche anschließend an die Projektionsfläche übertragen werden und dort zur Grundlage für die Bildwiedergabe an einen Betrachter herangezogen werden können. Zum Übertragen neuer Beugungsmuster ist die Projektionsfläche mittels einer zweiten Datenbahn ebenfalls mit der Steuerungseinrichtung verbunden.
  • Die Datenbahn sind bevorzugt in der Form eines Kabels ausgebildet, wobei auch andere Formen der Datenübertragung, beispielsweise mittels Bluetooth, Infrarot oder Funk denkbar sind.
  • Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Projektionsfläche als eine lichtdurchlässige, insbesondere im Bereich der Frontscheibe angeordnete, Flüssigkristallanzeige ausgebildet. Mit einer Flüssigkristallanzeige, beispielsweise kurz als LCD für englisch „liquid crystal display“ bezeichnet, können beliebige Inhalte dargestellt werden, indem die Ausrichtung der Flüssigkristalle verändert wird.
  • Bei ausgebildeten HUD-Systemen handelt es sich oftmals um durchsichtige Projektionsflächen, welche in den Sichtbereich des Nutzers geklappt oder verfahren werden, ohne die Sicht des Nutzers in Blickrichtung nach vorn zu behindern. Ein Aufnahmegerät kann dann derart angeordnet sein, die beispielsweise aus der Sicht des Nutzers durchsichtige Bildfläche beziehungsweise die darauf dargestellten Objekte abzutasten und weiterzuleiten. Mit dem beschriebenen HUD-System können virtuelle Bilder bereitgestellt werden.
  • Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind Anzeigesysteme für eine Frontscheibe meist bei Kraftfahrzeugen derart ausgebildet, dass die Projektionsfläche eine flexible, an der Frontscheibe angeordnete Flüssigkristallanzeige ist. Dabei ist es vorteilhaft, dass das unabhängig hergestellte Element durch die Verbesserung mittels des Aufnahmegerätes nach dem unten beschriebenen Verfahren leicht zu entwerfen und infolge größerer Stückzahlen auch kostengünstig zu produzieren ist.
  • Für eine weitere virtuelle Darstellung von Bildern kann es vorgesehen sein, dass die Projektionsfläche des Anzeigesystems für eine Frontscheibe spiegelnd ausgebildet ist. Sobald ein Bild auf das Projektionsfeld beziehungsweise die Projektionsfläche projiziert wird, erhält der Betrachter den Eindruck, das dargestellte Objekt ist im Raum in Blickrichtung hinter der Frontscheibe angeordnet.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Projektionsfläche des Anzeigesystems für eine Frontscheibe als Diffusor auszubilden, sodass auch holografische Darstellungen in verbesserter Qualität wiedergegeben werden.
  • Die mit dem Aufnahmegerät ermittelten Daten, welche rechnerisch mit einem Ideal verglichen und zur Verbesserung eingesetzt werden, können in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Photopolymers gespeichert und für den Bedarfsfall hinterlegt werden. Die gespeicherten Daten können beispielsweise bei einem Wechsel von Komponenten des HUD-Systems für eine Kalibrierung herangezogen werden.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Konfigurieren eines Anzeigesystems für eine Frontscheibe gelöst. Dabei wird zunächst mittels eines Projektionsgerätes ein Bild auf einer Projektionsfläche erzeugt, wobei die Projektionsfläche über ein zu erwartendes Beugungsmuster verfügt. In der Folge wird das Bild mittels eines Aufnahmegerätes aufgenommen und an eine Steuerungseinrichtung übertragen. Innerhalb der Steuerungseinrichtung wird das Bild mit einer erwünschten Qualität der Darstellung verglichen. Anschließend wird ein verbessertes Beugungsmuster zur Verbesserung der Darstellung mittels einer Projektionsfläche erzeugt und zum Konfigurieren der Projektionsfläche an die Projektionsfläche übertragen. Damit entfallen aufwändige Berechnungen der einzelnen Systemteile, da auf Basis eines geschätzten Beugungsmusters zunächst ein Bild erzeugt wird, welches als Berechnungsgrundlage für eine Anpassung der Projektionsfläche dient, sodass unabhängig vom Typ des Fortbewegungsmittels oder der Modellreihe immer die gleichen Bauteile Verwendung finden können, allerdings in der Qualität jedes für sich angepasst werden.
  • Das Verfahren zum Konfigurieren eines Anzeigesystems für eine Frontscheibe kann insbesondere im Hinblick auf die Rechenleistung der Steuerungseinrichtung auch das zu erwartende Beugungsmuster als Bild verwenden. Das Beugungsmuster ist vorteilhaft als ein Graustufenbild hinterlegt und kann schnell mit der Aufnahme verglichen werden. Dabei wird für die Darstellung des zu erwartenden Beugungsmusters die Phase jedes Lichtstrahls abhängig vom Grauwert jedes Pixels der Flüssigkristallanzeige angepasst, sodass ein Beugungsmuster vom Aufnahmegerät aufgenommen werden kann. Der innerhalb der Steuerungseinrichtung vorgenommene Vergleich führt zu einer Verbesserung, welche an die Projektionsfläche weitergeben wird. An der Projektionsfläche, welche als ein Element eines HUD-Systems, beispielsweise als DOE, für englisch „diffractive optical element“, oder als HOE, für englisch „holographic optical element“, ausgebildet ist, kann darauffolgend ein verbessertes Bild wiedergegeben werden. Das DOE dient dabei der Formung eines Lichtstrahls, häufig eines Laserstrahls. Das physikalische Prinzip beruht auf der Beugung an einem Gitter. Das HOE wird zur Darstellung eines holografischen Bildes benötigt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren zum Konfigurieren eines Anzeigesystems für eine Frontscheibe zum Erhöhen der Bildqualität einfach oder mehrfach wiederholt. Dabei kann sich beispielsweise iterativ oder generisch oder durch andere mathematische Algorithmen an ein Bild besonders hoher Qualität herangearbeitet werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird innerhalb des Verfahrens zum Konfigurieren eines Anzeigesystems für eine Frontscheibe das verbesserte Beugungsmuster gespeichert, sodass im Bedarfsfall darauf zurückgegriffen werden kann. Insbesondere die Herstellung eines DOE kann damit vermieden werden, was sich kostensenkend auswirkt.
  • Das verbesserte Beugungsmuster wird bevorzugt mittels eines Photopolymers gespeichert. Folglich können die allgemein bekannten Vorteile von Photopolymeren eingesetzt werden.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren. Es zeigen jeweils eine Anordnung eines Anzeigesystems
    • 1 mit einer als Diffusor wirkenden durchlässigen Flüssigkristallanzeige,
    • 2 mit einer reflektierenden Flüssigkristallanzeige und
    • 3 mit einer als Diffusor wirkenden reflektierenden Flüssigkristallanzeige.
  • 1 zeigt eine Anordnung eines Anzeigesystems 1 für eine Frontscheibe, welches ein Projektionsgerät 2, eine Projektionsfläche 3, insbesondere einen Projektionsschirm 11, und eine Steuerungseinrichtung 4 aufweist. Auf die Projektionsfläche 3 ist ein Aufnahmegerät 5 gerichtet, welches zum Aufnehmen von auf die Projektionsfläche 3 projizierten Bildern 9 ausgebildet ist. Die aufgenommenen Bilder werden vom Aufnahmegerät 5 über eine erste Datenbahn 7 an die Steuerungseinrichtung 4 weitergeleitet.
  • Die Steuerungseinrichtung 4 berechnet ein verbessertes Beugungsmuster 6, welches wiederum von der Steuerungseinrichtung 4 mittels einer zweiten Datenbahn 8 zur weiteren Verwendung an die Projektionsfläche 3 übertragen wird. Mit der Verwendung des verbesserten Beugungsmusters 6 können durch die Projektionsfläche 3 hervorgerufene Verluste in der Bildqualität kompensiert werden.
  • In 2 ist eine Anordnung des Anzeigesystems 1 für eine Frontscheibe gezeigt, bei welcher die Projektionsfläche 3 auf einer Frontscheibe 10 angeordnet ist. Von einem Projektionsgerät 2 wird durch einen durchsichtigen Projektionsschirm 11 eines HOE ein Bild 9 auf die Projektionsfläche 3 übertragen, welche den reflektierenden Teil eines HOE darstellt. Dabei ist das Aufnahmegerät 5 auf die Projektionsfläche 3 ausgerichtet und nimmt das Bild 9 auf, welches aus der Sicht eines Betrachters hinter der Frontscheibe 10 virtuell erscheint. Die Aufnahme wird vom Aufnahmegerät 5 mittels der ersten Datenbahn 7 an die Steuerungseinrichtung 4 übertragen und innerhalb der Steuerungseinrichtung 4 ausgewertet.
  • Anschließend wird das berechnete verbesserte Beugungsmuster 6 mittels der zweiten Datenbahn 8 zur weiteren Verwendung an die Projektionsfläche 3 übermittelt.
  • Das Anzeigesystem 1 für eine Frontscheibe kann zudem auch zum Darstellen eines holografischen Bildes, gemäß 3, verwendet werden. Dazu bildet ein Projektionsgerät 2 ein Bild 9 auf einer Projektionsfläche 3 ab, welche an einer Frontscheibe 10 angeordnet ist. Dabei ist das Aufnahmegerät 5 zum Aufnehmen des Bildes 9 auf die Projektionsfläche 3, insbesondere einen Projektionsschirm 11, ausgerichtet. Das aufgenommene Bild 9 wird mittels der ersten Datenbahn 7 an die Steuerungseinrichtung 4 übertragen und gemäß der gewünschten Qualität überprüft. Nach einer Verbesserung wird das verbesserte Beugungsmuster 6 mittels der zweiten Datenbahn 8 an die als Diffusor ausgebildete Projektionsfläche 3 übermittelt und für weitere Darstellungen qualitätssteigernd herangezogen.
  • Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Anzeigesystemen um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Projektionsflächen in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Ebenso kann das Aufnahmegerät in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies bei der Qualitätssteigerung förderlich ist. Weiter schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Anzeigesystem
    2
    Projektionsgerät
    3
    Projektionsfläche
    4
    Steuerungseinrichtung
    5
    Aufnahmegerät
    6
    verbessertes Beugungsmuster
    7
    erste Datenbahn
    8
    zweite Datenbahn
    9
    Bild
    10
    Frontscheibe
    11
    Projektionsschirm
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0286962 A2 [0005]
    • DE 102013008372 A1 [0008]
    • WO 2016072372 A1 [0009]

Claims (11)

  1. Anzeigesystem (1) für eine Frontscheibe, aufweisend ein Projektionsgerät (2), eine Projektionsfläche (3) und eine Steuerungseinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufnahmegerät (5) ausgebildet ist, welches auf die Projektionsfläche (3) ausgerichtet und mit der Steuerungseinrichtung (4) mittels einer ersten Datenbahn (7) verbunden ist, wobei die Projektionsfläche (3) konfigurierbar ist und mittels einer zweiten Datenbahn (8) ebenfalls mit der Steuerungseinrichtung (4) verbunden ist.
  2. Anzeigesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsfläche (3) als eine lichtdurchlässige, insbesondere im Bereich der Frontscheibe (10) angeordnete, Flüssigkristallanzeige ausgebildet ist.
  3. Anzeigesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsfläche (3) als eine flexible, an der Frontscheibe (10) angeordnete Flüssigkristallanzeige ausgebildet ist.
  4. Anzeigesystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsfläche (3) spiegelnd ausgebildet ist.
  5. Anzeigesystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsfläche (3) als ein Diffusor ausgebildet ist.
  6. Anzeigesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Photopolymer vorgesehen ist, mit welchem ein verbessertes Beugungsmuster (6) speicherbar ist.
  7. Verfahren zum Konfigurieren eines Anzeigesystems (1) für eine Frontscheibe, aufweisend folgende Verfahrensschritte: - Erzeugen eines Bildes (9) mittels eines Projektionsgerätes (2) auf einer Projektionsfläche (3), wobei die Projektionsfläche (3) über ein zu erwartendes Beugungsmuster verfügt, - Aufnehmen des Bildes (9) mittels eines Aufnahmegerätes (5) und Übertragen an eine Steuerungseinrichtung (4), - Vergleichen des Bildes (9) mit einer erwünschten Qualität der Darstellung mittels der Steuerungseinrichtung (4), - Erzeugen eines verbesserten Beugungsmusters (6) zur Verbesserung der Darstellung mittels der Projektionsfläche (3) und - Konfigurieren der Projektionsfläche (3) anhand des verbesserten Beugungsmusters (6).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild (9) dem zu erwartenden Beugungsmuster entspricht.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte einfach oder mehrfach wiederholt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das verbesserte Beugungsmuster (6) gespeichert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verbesserte Beugungsmuster (6) mittels eines Photopolymers gespeichert wird.
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