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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsermittlung von Objekten. Die Vorrichtung und das Verfahren können zur Ermittlung von Abständen sowohl bewegter als auch unbewegter Objekte und insbesondere zur Ermittlung der Topographie bzw. Form eines räumlich ausgedehnten dreidimensionalen Objekts verwendet werden.
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Stand der Technik
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Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein in seiner Frequenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird. In der Praxis kommen sowohl laufzeitbasierte Messsysteme (TOF-LIDAR-Messsysteme, TOF = „time of flight“), bei denen direkt die Laufzeit des Laserlichts zum jeweiligen Objekt und zurück gemessen wird, als auch FMCW-LIDAR-Messsysteme mit Verwendung eines frequenzmodulierten FMCW-Lasers (FMCW= „frequency-modulated continuous wave“) zum Einsatz.
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6a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau eines FMCW-LIDAR-Messsystems, in welchem ein von einer Lichtquelle 610 ausgesandtes Signal 611 mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht dargestellten Strahlteiler (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel oder einen faseroptischen Splitter) erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 650 gekoppelt und an einem Detektor 660 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal als Referenzsignal 622 ohne Reflexion an dem mit „640“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 650 und zum Detektor 660 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 650 bzw. am Detektor 660 eintreffende Teilsignal verläuft hingegen als Messsignal 621 über einen optischen Zirkulator 620 und einen Scanner 630 zum Objekt 640, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum Referenzsignal 622 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 650 und zum Detektor 660.
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Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 660 gelieferte Detektorsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 610 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 6b dargestellte Differenzfrequenz 631 zwischen Messsignal 621 und Referenzsignal 622 charakteristisch für den Abstand des Objekts 640 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 610 ist. Gemäß 6b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 640 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 610 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 610 ausgesandten Signals 611 auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 610 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
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Im Hinblick auf die bei LIDAR-Messsystemen typischerweise eingesetzte Laserstrahlung ist es beim praktischen Einsatz etwa im Straßenverehr erforderlich, die Erfüllung von Sicherheitsstandards insbesondere im Hinblick auf Augensicherheit zu gewährleisten bzw. die jeweils geltenden Lasernormen/Grenzwerte einzuhalten. Die Einhaltung von Sicherheitsstandards ist insbesondere in Szenarien besonders kritisch, bei denen - etwa im Straßenverkehr - plötzlich eine Person im Nahbereich - z.B. bei einer Entfernung von weniger als (1-2) Metern von der jeweiligen Messstrahlung erfasst wird.
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In der Praxis besteht jedoch auch ein Bedarf, bei in größeren Abständen befindlichen (ggf. auch bewegten) Objekten, bei welchen es sich z.B. um Fahrzeuge im Straßenverkehr handeln kann, eine möglichst genaue und zuverlässige Abstandsmessung zu realisieren. Dabei ist zur Erzielung akzeptabler Pixelraten auch der Einsatz parallelisierter Messsysteme (z.B. mit simultaner Erzeugung mehrerer Messstrahlen) wünschenswert, wobei in dem besagten Nahbereich dann eine Überlagerung der betreffenden Messstrahlen stattfinden kann. Dabei sollen hier vom Begriff „Messstrahlen“ auch Laserbündel mit einem bestimmten bzw. endlichen Strahldurchmesser umfasst sein.
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Eine zur Erfüllung von Sicherheitsstandards vorgenommene Verringerung der Strahlungsleistung erweist sich in der Praxis insoweit als problematisch, als eine zuverlässige und mit hoher Auflösung erfolgende Erfassung von in Abständen von z.B. (100-200) Metern oder mehr befindlichen Objekten wiederum die Erzeugung einer ausreichenden Lichtleistung bei der Generierung der jeweiligen Messsignale erfordert, da anderenfalls (d.h. bei zu geringer Signalstärke) nur Messergebnisse mit unzureichendem Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzielt werden. Gemäß den im Diagramm von 5 gezeigten Simulationsergebnissen können etwa mit einer Strahlungsleistung von 4.8 mW Objekte in 100m bzw. 200m Entfernung nicht mehr mit hinreichendem Signal-zu-Rausch-Verhältnis detektiert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsermittlung von Objekten bereitzustellen, welche auch bei der Realisierung einer Abstandsermittlung von in größerem Abstand befindlichen Objekten die zuverlässige Einhaltung von Sicherheitsstandards gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abstandsermittlung von Objekten, weist auf
- - ein erstes Messsystem, welches eine Lichtquellen-Einheit und eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des Abstandes von Objekten auf Basis von aus Licht der Lichtquellen-Einheit hervorgegangenen, an dem jeweiligen Objekt reflektierten oder gestreuten Messsignalen aufweist;
- - ein zweites Messsystem zur Durchführung einer von dem ersten Messsystem unabhängigen Abstandsermittlung von Objekten; und
- - eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche dazu konfiguriert ist, den Betrieb des ersten Messsystems in Abhängigkeit von der von dem zweiten Messsystem durchgeführten Abstandsermittlung zu modifizieren.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, bei der Abstandsermittlung von Objekten zusätzlich zu einem ersten, auf dem Aussenden optischer Strahlung und deren Reflexion oder Streuung am Objekt basierenden Messsystem ein unabhängig vom ersten Messsystem arbeitendes zweites Messsystem zur Abstandsermittlung einzusetzen, um auf Basis dieses zweiten Messsystems erforderlichenfalls - nämlich bei Detektion von Objekten innerhalb eines bestimmten Entfernungsbereichs - den Betrieb des ersten Messsystems zu modifizieren, wobei dieses Modifizieren ein vorübergehendes Abschalten der Lichtquellen-Einheit oder auch ein vorübergehendes Reduzieren der jeweiligen Strahlungs- bzw. Lichtleistung beinhalten kann.
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Der erfindungsgemäße Einsatz eines zweiten Messsystems zur Abstandsermittlung beinhaltet insofern gewissermaßen eine Redundanz, als grundsätzlich auch das für die primäre Abstandsmessung eingesetzte erste Messsystem selbst bzw. die von diesem gelieferten Messergebnisse für die Detektion von gegebenenfalls in den Nahbereich gelangenden Objekten bzw. Personen herangezogen werden könnten. Die Erfindung nimmt jedoch insoweit mit der Bereitstellung eines unabhängig arbeitenden zweiten Messsystems bewusst einen erhöhten konstruktiven Aufwand in Kauf, um im Gegenzug eine Gefährdung von in den Nahbereich gelangenden Personen auch bei möglichen Fehlfunktionen des ersten Messsystems z.B. infolge von Softwarefehlern zuverlässig auszuschließen.
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Wenngleich das zweite Messsystem eine gewisse Redundanz zum ersten aufweist, ist das zweite Messsystem dennoch bevorzugt in bestimmten Aspekten komplementär ausgelegt. Insbesondere kann das zweite Messsystem einen größeren Winkelbereich abdecken mit der Folge, dass sich seitlich nähernde Personen vom zweiten Messsystem eher als vom ersten Messsystem detektiert werden. Im Gegenzug kann die Reichweite des zweiten Messsystems geringer sein, da vor allem der Nahbereich kritisch für die Augensicherheit ist. Komplementär kann das zweite Messsystem auch im Hinblick auf die verwendete Detektionstechnologie sein. Während das erste Messsystem z.B. ein mit optischer Strahlung arbeitendes LIDAR-System ist, kann das zweite Messsystem beispielsweise mit Ultraschall oder Radar-Strahlung arbeiten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Modifizieren ein zumindest vorübergehendes Reduzieren der Strahlungsleistung der Lichtquellen-Einheit des ersten Messsystems.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Modifizieren des Betriebs des ersten Messsystems, wenn ein von dem zweiten Messsystem ermittelter Objektabstand einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist dieser Schwellenwert kleiner als zwei Meter, insbesondere kleiner als ein Meter.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Modifizieren des Betriebs des ersten Messsystems innerhalb einer Zeitspanne nach dem Unterschreiten des Schwellenwertes, welche kleiner ist als 100ms.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das zweite Messsystem wenigstens einen Sensor auf, welcher aus der Gruppe ausgewählt ist, die Ultraschall-Sensoren, Radar-Sensoren, TOF-Sensoren, PMD-Sensoren, Reflexionssensoren, induktive Sensoren und kapazitive Sensoren enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das zweite Messsystem wenigstens einen bildgebenden Sensor auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein von dem zweiten Messsystem bei der Abstandsermittlung erfasster Gesamtwinkelbereich größer als ein von dem ersten Messsystem bei der Abstandsermittlung erfasster Gesamtwinkelbereich.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Lichtquellen-Einheit zum Aussenden von Licht mit zeitlich variierender Frequenz ausgelegt.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Abstandsermittlung der Auswerteeinrichtung ferner auf Basis von nicht an dem Objekt reflektierten oder gestreuten, aus Licht der Lichtquellen-Einheit hervorgegangenen Referenzsignalen.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Abstandsermittlung eines Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Durchführen, unter Verwendung eines ersten Messsystems, einer ersten Abstandsermittlung von Objekten auf Basis von aus Licht der Lichtquellen-Einheit hervorgegangenen, an dem jeweiligen Objekt reflektierten oder gestreuten Messsignalen;
- - Durchführen, unter Verwendung eines zweiten Messsystems, einer von dem ersten Messsystem unabhängigen Abstandsermittlung von Objekten; und
- - Modifizieren des Betriebs des ersten Messsystems in Abhängigkeit von der von dem zweiten Messsystem durchgeführten Abstandsermittlung.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen durchgeführt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsermittlung;
- 2a-b Diagramme zur Erläuterung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3 ein Diagramm zur Erläuterung einer möglichen Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4 ein Diagramm mit Simulationsergebnissen zur Erläuterung von mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren Ergebnissen;
- 5 ein Diagramm mit Simulationsergebnissen zur Erläuterung eines bei einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung in der Praxis auftretenden Problems; und
- 6a-6b schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandsermittlung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung in 1-2 sowie die Diagramme von 3-4 beschrieben.
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Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abstandsermittlung von Objekten zusätzlich zu einem ersten Messsystem 110, welches eine auf dem Aussenden optischer Signale über eine Lichtquellen-Einheit (typischerweise einen Laser) basierende Abstandsermittlung durchführt, ein unabhängig hiervon arbeitendes zweites Messsystem 120 auf. Bei dem die eigentliche primäre Abstandsmessung durchführenden ersten Messsystem 110 kann es sich in Ausführungsformen der Erfindung um ein FMCW-LIDAR-System (z.B. mit dem Anhand von 6a-6b beschriebenen Aufbau) oder auch um ein auf der Laufzeitmessung selbst basierendes (TOF)-LIDAR-System handeln. Dabei ist ein die jeweilige Lichtquellen-Einheit, eine Detektoreinheit sowie Strahlformungs- und Strahlablenkungs-Einheiten umfassender Teil des ersten Messsystems 110 in 1 mit „111“ bezeichnet, wohingegen mit „112“ eine Steuer- und Auswerteeinheit des ersten Messsystems 110 bezeichnet ist. Der von der Lichtquellen-Einheit genutzte Wellenlängenbereich kann lediglich beispielhaft im Bereich von 800nm - 11000nm liegen. Die Lichtquellen-Einheit kann insbesondere als in seiner Frequenz durchstimmbarer, kontinuierlich strahlender Laser oder als gepulster Laser mit einer Emissionsdauer im Bereich von 1ps bis 10s ausgelegt sein.
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Das zweite Messsystem 120 führt eine von dem ersten Messsystem 110 unabhängige Abstandsermittlung von Objekten durch und kann hierzu einen oder mehrere beliebige geeignete Sensoren wie z.B. Ultraschall-Sensoren aufweisen. Des Weiteren weist das zweite Messsystem 120 vorzugsweise wenigstens einen bildgebenden Sensor auf, welcher eine Unterscheidung zwischen Lebewesen und nicht lebenden Objekten ermöglicht. Dabei ist in 1 der die jeweilige Signalquelle sowie eine Detektoreinheit umfassende Teil des zweiten Messsystems 120 mit „121“ bezeichnet, wohingegen mit „122“ eine Steuer- und Auswerteeinheit des zweiten Messsystems 120 bezeichnet ist.
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Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter eine zentrale Steuer- und Auswerteeinheit 130 auf, welche dazu konfiguriert ist, den Betrieb des ersten Messsystems 110 in Abhängigkeit von einem von dem zweiten Messsystem 120 gelieferten Signal zu modifizieren. Diese Modifizierung kann ein zumindest vorübergehendes Abschalten der Lichtquellen-Einheit des ersten Messsystems 110, aber auch - wie in 3 angedeutet - ein vorübergehendes Reduzieren der maximalen Lichtleistung Pmax der betreffenden Lichtquellen-Einheit umfassen. Insbesondere kann hierbei die betreffende Leistung der Lichtquellen-Einheit (bzw. Laserleistung) soweit abgesenkt werden, dass die zulässigen Grenzwerte weiterhin eingehalten werden. Im Gegensatz zur kompletten Abschaltung bleibt bei der vorübergehenden Reduzierung der Laserleistung das erste Messsystem 110 mit reduzierter Reichweite einsatzfähig. So kann beispielsweise mit einer reduzierten Strahlungsleistung von 4.8 mW noch eine Reichweite von einigen zehn Metern erzielt werden.
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Sobald anhand des zweiten Messsystems 120 ermittelt wird, dass die zuvor im Nahbereich detektierte Person diesen Nahbereich wieder verlassen hat, kann gemäß 3 die maximale Lichtleistung Pmax der Lichtquellen-Einheit des ersten Messsystems 110 wieder erhöht (bzw. dieses erforderlichenfalls wieder eingeschaltet) werden.
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2 zeigt schematische Darstellungen zur Erläuterung einer möglichen Realisierung der vorstehend genannten Messsysteme in Frontansicht (2a) bzw. Seitenansicht (2b). Dabei weist ein erstes Messsystem 210 gemäß 2a-2b lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) zwei optische Austrittspupillen 211, 212 zur Vergrößerung des bei der Abstandsmessung abgedeckten Gesamtwinkelbereichs auf. Ein zweites Messsystem 220 umfasst im Ausführungsbeispiel von 2a-2b insgesamt sechs Messeinheiten 221-226, welche um die Austrittspupillen 211, 212 herum angeordnet sind, wodurch eine besonders effiziente Überwachung eines die jeweiligen Messkegel bzw. Austrittspupillen 211, 212 des ersten Messsystems 210 einschließenden Winkelbereichs geschaffen wird. Jede dieser Messeinheiten 221-226 kann einen oder mehrere Sensoren zur Abstandsmessung, wie z.B. Ultraschall-Sensoren, Radar-Sensoren, TOF-Sensoren, PMD-Sensoren, Reflexionssensoren, induktive Sensoren oder kapazitive Sensoren aufweisen. Des Weiteren kann das zweite Messsystem 220 auch wenigstens einen bildgebenden Sensor aufweisen, um etwa eine Unterscheidung zwischen einem Lebewesen und einem (nicht lebenden) Objekt zu ermöglichen.
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Dabei wird vorzugsweise, wie in 2b angedeutet, der von den Messeinheiten 221-226 erfasste Winkelbereich größer gewählt als der von dem ersten Messsystem bei der Abstandsermittlung erfasste Winkelbereich. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass in Reaktion auf die Erfassung z.B. einer Person im Nahbereich (z.B. mit einem Abstand von weniger als 1m) über das zweite Messsystem 220 die im weiteren beschriebene Modifikation des Betriebs des ersten Messsystems 210 bereits erfolgen kann, noch bevor die betreffende Person auch in den vom ersten Messsystem 210 erfassten (kleineren) Winkelbereich eintritt.
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4 zeigt ein Diagramm mit FMCW-Simulationsergebnissen zur Erläuterung von mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren Ergebnissen. Geht man davon aus, dass erforderlichenfalls eine Abschaltung der Lichtquelleneinheit des ersten Messsystems 110 bzw. 210 bzw. eine Reduzierung der Strahlungsleistung der Lichtquelleneinheit innerhalb einer Zeitspanne unterhalb von 100 ms erfolgt, so kann z.B. für jedes Strahlungsbündel eine Strahlungsleistung von mehr als 400 mW zulässig sein. Gemäß 4 können mit einer solchen Strahlungsleistung von 400 mW Objekte in 100m bzw. 200m Entfernung mit sehr gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis detektiert werden.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19843564 A1 [0008]
- DE 102017106484 A1 [0008]
