DE1278118B - Verfahren und Anordnung zur Entfernungs-messung mit einem Impulslaser als Sender - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES $μ9®& PATENTAMT Int. Cl.:

GOIc

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 42 c-22

Nummer: 1278 118

Aktenzeichen: P 12 78 118.9-52 (E 30547)

Anmeldetag: 27. November 1965

Auslegetag: 19. September 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Entfernung von sich in einem vorgegebenen Meßwinkelbereich befindenden Objekten mittels eines Impulslasers als Sender und einer Abbildungseinrichtung als Empfänger sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bereits eine nach dem Entfernungsmeßverfahren mit einem normalen Impuls-Radarsystem arbeitende Vorrichtung mit einem Laser bekannt, bei der der Laser so ausgelegt ist, daß er einen sehr schmalen, scharf gebündelten Lichtstrahl gegen das Objekt, dessen Entfernung gemessen werden soll, aussendet. Das von dem Objekt reflektierte Licht wird empfangen, und zur Entfernungsbestimmung wird die Laufzeit des Lichtes zum Objekt hin und zurück gemessen.

Oftmals besteht jedoch die Forderung, eine Szene zu überblicken, die vom Beobachtungspunkt aus gesehen — dem Ort des beleuchtenden Lasers — einen Winkel beachtlicher Größe überdeckt und nicht nur eine Abbildung der beobachteten Szene zu erzeugen, sondern außerdem die unterschiedlichen Entfernungen der verschiedenen einzelnen Gegenstände auf der Szene bzw. in dem Meßwinkelbereich zu ermitteln. Wird der beleuchtende Laser so angeordnet, daß er bei impulsförmiger Erregung einen weitwinkligen Lichtstrahl aussendet und die Szene beleuchtet, so würde zwar eine Abbildung der Szene erzielt werden, jedoch wären in einem derartigen Fall die einzelnen Entfernungen der verschiedenen Gegenstände auf der Szene mit Hilfe der vorstehend beschriebenen bekannten Vorrichtung nicht bestimmbar, da der Laser nicht mehr einen schmalen Lichtstrahl auf einen einzelnen Gegenstand richtet, sondern die gesamte Szene flutartig beleuchtet.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, bei dem eine von einem Laser weitwinklig beleuchtete Szene abgebildet wird und in der Abbildung gleichzeitig die Entfernungen der verschiedenen erfaßten Objekte angezeigt werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend von einem Verfahren der eingangs angeführten Gattung, dadurch gelöst, daß der gesamte Meßwinkelbereich mittels einer Folge von Lichtimpulsen, deren zeitlicher Abstand größer ist als die doppelte Laufzeit des Lichtes über die größte zu messende Entfernung, weitwinklig beleuchtet wird, daß ein nach Aussendung eines Lichtimpulses erhaltenes Bild der Objekte gespeichert und ein nach Aussendung eines nachfolgenden Lichtimpulses erhaltenes Bild derselben Objekte nach Vornahme einer entfernungs-Verfahren und Anordnung zur Entfernungsmessung mit einem Impulslaser als Sender

Anmelder:

English Electric Valve Company Limited,

London

Vertreter:

Dr. W.Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs

und Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. G. Manitz,

Patentanwälte,

8000 München 22, Robert-Koch-Str. 1

Als Erfinder benannt:

Jervois Campbell Firmin, »Gun Hill«,

Little Baddow, Essex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 30. November 1964,

vom 2. September 1965 (48 663)

proportionalen Verschiebung der Objekte ebenfalls gespeichert wird und daß dann eine Messung des gegenseitigen Abstandes einander entsprechender Objekte beider Bilder erfolgt.

Die bevorzugte Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß als Abbildungseinrichtung eine Elektronenröhre mit einer ersten Fotokatode vorgesehen ist, daß eine Ladungsspeicherelektrode, Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Ladungsbildes des von der ersten Fotokatode empfangenen optischen Bildes auf der Ladungs-Speicherelektrode, bestehend aus einer Fläche zur Erzeugung eines optischen Zwischenbildes und einer zweiten, das Zwischenbild empfangenden und die Ladungsspeicherelektrode beaufschlagenden Fotokatode, und Ablenkmittel zur Verschiebung von Punkten in dem elektrischen Ladungsbild in eine vorgegebene Richtung relativ zu entsprechenden Punkten des Bildes auf der ersten Fotokatode vorgesehen sind und daß ein Sägezahngenerator zur Ansteuerung der Ablenkmittel angeordnet ist, um während einer Periode, die mit einer der impulsartigen Erregung des Lasers beginnt, eine Ablenkung hervorzurufen, deren Größe von der der

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Ablenkung, die während der Periode, welche mit der diese geeigneterweise innerhalb einer Elektronenfolgenden impulsartigen Erregung des Lasers beginnt, Fokussierelektrode zwischen der zweiten Fotokatode verschieden ist. und der elektrischen Ladungsspeicherelektrode an-

Auf der Ladungsspeicherelektrode werden so zwei geordnet sein.

elektrische Ladungsbilder erzeugt, in denen Ladun- 5 Die Elektronenablenkung wird gemäß einer Weigen, die Einzelobjekten des einen Bildes zugeordnet terbildung durch ein im wesentlichen lineares Sägesind, gegen Ladungen, die den gleichen Objekten in zahnsignal erzeugt, das von dem durch eine der imdem anderen Bild zugeordnet sind, um von den Ent- pulsartigen Erregungen des Lasers getriggerten Sägefernungen der einzelnen Objekte abhängige Beträge zahngenerator geliefert wird,
verschoben sind. io Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammen-

Der einfachste Weg zur Erzielung der erforder- hang mit der Zeichnung erläutert. Dabei ist
liehen Verschiebung der elektrischen Ladungsbilder F i g. 1 eine rein schematische Darstellung der be-

von Meßobjekten besteht darin, eine Ablenkung mit schriebenen Anordnung mit einem Laser, der einen einer vorgegebenen Größe über eine Periode, die mit Meßwinkelbereich, bzw. eine Szene beleuchtet;
der zweiten impulsartigen Erregung beginnt, zu be- 15 F i g. 2 ist eine schematische Darstellung einer wirken, wobei in der Zeit zwischen den beiden im- Ausführungsform einer Abbildungsröhre für die Bepulsartigen Erregungen keine Ablenkung stattfindet. trachtung der beleuchteten Szene, und
Es ist jedoch in gleicher Weise möglich, eine Ablen- F i g. 3 ist eine idealisierte Darstellung der Ab-

kung über eine mit der ersten impulsartigen Erregung bildung einer Szene gemäß F i g. 1 durch eine Röhre des Lasers beginnenden Periode zu bewirken, wobei ao gemäß F i g. 2.

während der mit der zweiten impulsartigen Erregung In F i g. 1 bezeichnet L einen Laser, der impulsbeginnenden Periode keine Ablenkung erfolgt. förmig erregt wird, um über ein geeignetes optisches

Gemäß einer Weiterbildung ist die Fläche zur Er- System (schematisch durch eine Linse dargestellt) zeugung des optischen Zwischenbildes zwischen der einen sich ausweitenden Lichtstrahl auszusenden, mit ersten Fotokatode und der Ladungsspeicherelektrode 25 dem die Szene beleuchtet wird. Der Strahl liegt zwiangeordnet. sehen den äußeren gestrichelten Linien, die die

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die EIek- Grenzen des Lichtstrahles darstellen. Die pulsförmige tronenablenkmittel von elektrostatischen Ablenkplat- Erregungsanordnung ist nur schematisch durch den ten gebildet, die die Elektronenstrahlen von der Block P angedeutet, da sie an sich bekannt ist (ausersten Fotokatode seitlich zu der das Zwischenbild 30 genommen die Anordnung für die doppelte Erreerzeugenden Fläche ablenken. gung, die nachstehend beschrieben wird) und für sich

Bei einer bevorzugten Konstruktion ist die erste keinen Teil der Erfindung bildet. Gemäß der Erfin-Fotokatode auf der Innenfläche einer ersten Faser- dung wird der Laser doppelt pulsförmig erregt, d. h., optik an einem Ende der Elektronenröhre angeord- er wird nacheinander zweimal pulsförmig erregt, net, und die das optische Zwischenbild erzeugende 35 wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Im-Fläche wird durch eine Phosphorschicht auf der pulsen mehr als das Doppelte der Hin- und Rückeinen Fläche einer zweiten Faseroptik gebildet, die laufzeit des Lichtes zum oder vom Objekt mit der etwa in der Mitte der Elektronenröhre angeordnet maximalen Entfernung, die die Einrichtung bewältiist, wobei die das optische Zwischenbild erzeugende gen muß, beträgt. Beträgt diese Entfernung etwa Fläche der ersten Fotokatode zugewandt ist. Die 40 3 km, so ist der geeignete zeitliche Abstand zwischen zweite Fotokatode ist auf der gegenüberliegenden den Impulsen 20 Mikrosekunden. Die durch den Fläche der zweiten Faseroptik angeordnet. Laser beleuchtete Szene wird auf einer Bildröhre, die

Die Ladungsbilder auf der elektrischen Ladungs- in Fig. 1 mit D bezeichnet ist und bei der die Abspeicherelektrode können in irgendeiner beliebigen lenkung in besonderer Weise durch einen Sägezahn-Art ausgenutzt werden, beispielsweise können sie 45 generator S in der nachstehend beschriebenen Weise durch einen Elektronenstrahl abgetastet werden, um erfolgt, abgebildet.

Bildsignale zur Erzeugung sichtbarer Bilder in einer Fig. 2 zeigt eine geeignete Form einer Bildröhre D.

gesonderten Bildröhre in an sich bekannter Weise Diese Röhre hat ein evakuiertes Gehäuse, das ebenabzuleiten, falls mit D bezeichnet ist und an dessen einem Ende

Gemäß einer Weiterbildung ist die Elektronen- 5° sich eine erste Faseroptikplatte D1 befindet, die eine röhre eine direktabbildende Röhre mit einem Bild- konkav gekrümmte innere Fläche hat. Das Gehäuse schirm und einer Elektronenquelle, die den Bild- enthält etwa in der Mitte eine zweite Faseroptikplatte schirm durch die Ladungsspeicherelektrode hindurch D 2, die zwei konkav gekrümmte Flächen aufweist, berieseln kann, wodurch optische Bilder, die den Am anderen Ende des Gehäuses befindet sich eine Ladungsbildern entsprechen, auf dem Bildschirm er- 55 dritte Faseroptikplatte D 3, die ebenfalls eine konkav zeugt werden. Die letztgenannte Bildschirmfläche gekrümmte Innenfläche aufweist,
kann geeigneterweise durch eine Phosphorschicht der Auf der gekrümmten Innenfläche der ersten Faser-

Innenfläche einer Faseroptik an dem der ersten Foto- optikplatte D1 befindet sich eine erste Fotokatode katode gegenüberliegenden Ende der Röhre gebil- D 4. Einfallendes Licht, das der durch den Laser hell det werden. 60 beleuchteten Szene entspricht, wird auf die erste

Die Elektronenablenkmittel können durch elektro- Fotokatode D 4 fokussiert, die dementsprechend statische oder elektromagnetische Mittel gebildet wer- Elektronen emittiert, welche ein elektronisches Bild den, werden jedoch vorzugsweise durch elektrosta- der Szene bilden. Diese Elektronen werden durch tische Ablenkplatten innerhalb einer Elektronen- Fokussierelektroden D 5 und D 6 auf eine alumini-Fokussierelektrode zwischen der ersten Fotokatode 65 sierte Phosphorschicht D 7 fokussiert, die auf der ge- und der das optische Zwischenbild erzeugenden krümmten Fläche der Faseroptikplatte D 2, welche Fläche gebildet. Ist eine Elektronenquelle für die der ersten Fotokatode D 4 gegenüberliegt, angeord-Berieselung des Bildschirms vorgesehen, so kann net ist. Auf der anderen gekrümmten Fläche der Fa-

seroptikplatte D 2 befindet sich eine zweite Fotokatode D 8, die von der Phosphorschicht D 7 Licht empfängt.

Elektronen von der zweiten Fotokatode D 8 werden durch weitere Fokussierelektroden D 9 und DlO durch ein Sammelgitter D11 auf eine Ladungsspeicherelektrode (Speichergitter) D12 an sich bekannter Konstruktion fokussiert. Es kann beispielsweise durch ein Metallnetz gebildet werden, das auf der Seite, die der Katode D 8 gegenüberliegt, eine geeignete Isolierschicht trägt. Derartige Speichernetze sind bei direkt abbildenden Katodenstrahlspeicherröhren bekannt. Wie leicht zu ersehen ist, erzeugen die Elektronen von der zweiten Fotokatode D 8, die auf das Netz D12 auftreffen, auf diesen durch Sekundäremissionswirkung ein positives elektrisches Ladungsbild, das der Szene entspricht. Ein Rieselelektronenstrahl, der durch eine Rieselstrahlquelle D13 erzeugt wird, berieselt eine Phosphorschicht D14 mit Elektronen, die diese über das Netz D12 erreichen, dessen Ladungs- ao bild den Rieselstrahl moduliert und so die Anzahl der Rieselstrahlelektronen, die die Phosphorschicht D14 erreichen, steuert. Die Rieselstrahlquelle sollte in an sich bekannter Weise so angeordnet werden, daß sie das Speichernetz so gut wie möglich gleichförmig und senkrecht zu dessen Fläche berieselt.

Wie bisher beschrieben, erzeugt eine auf die erste Fotokatode D 4 fokussierte Szene einen entsprechenden Elektronenstrahl, der ein entsprechendes optisches Bild auf der Phosphorschicht D 7 erzeugt. Diese erzeugt wieder einen einen entsprechenden Elektronenstrahl von der zweiten Fotokatode D 8, der ein Ladungsbild auf dem Speichernetz D12 erzeugt, sowie ein endgültiges optisches Bild auf der Phosphorschicht D14. Dieses optische Bild ist durch die dritte Faseroptikplatte D 3 sichtbar.

Der Elektronenstrahl unterliegt zwischen der Fotokatode D 4 und der ersten Phosphorschicht D 7 einer Ablenkung in eine vorgegebene Richtung und mit einer bekannten Geschwindigkeit innerhalb der Periode, die der zweiten pulsartigen Erregung des Lasers folgt. Bei der in F i g. 2 dargestellten Röhre erfolgt dies durch ein paar Ablenkplatten D15, die innerhalb der Fokussierelektrode D 6 angeordnet sind und denen eine sägezahnförmige Spannung von einem linearen Sägezahnwellengenerator S zugeführt wird, der durch den Impuls P gesteuert wird, so daß eine Sägezahnwelle beginnt, wenn der zweite der beiden aufeinanderfolgenden Impulse auftritt. Es wird daher, wenn Licht durch die erste pulsartige Beleuchtung der Szene durch den Laser auf der Phosphorschicht D 4 empfangen wird, ein entsprechendes Ladungsbild auf dem Netz D12 erzeugt, und es entsteht ein entsprechendes optisches Bild, wie in Fig. 3 mit voll ausgezogenen Linien gezeichnet, auf der Phosphorschicht D14. Bei Auftreten des zweiten Impulses erfolgt jedoch eine stetige Ablenkung durch die Elektroden D15. Wird daher das optische Bild, das bei Beleuchtung der Szene durch den zweiten Laserimpuls auf der Phosphorschicht D 7 erzeugt, so sind verschiedene Objekte in der Szene verschoben (relativ zu den Orten dieser Objekte in dem optischen Bild auf D 7, das durch die Beleuchtung der Szene mit dem ersten Laserimpuls zustande kommt), und zwar um verschiedene Beträge, die von den verschiedenen Entfernungen dieser Objekte abhängig sind, und es wird auf D12 ein zweites Ladungsbild erzeugt, zusammen mit einem entsprechenden zweiten optischen Bild auf der Phosphorschicht D14. F i g. 3 zeigt diese Objekte in dem zweiten optischen Bild in gestrichelter Darstellung. Die Verschiebung der beiden Abbildungen eines Objekts in Richtung der Ablenkung ist ein direktes Maß für die Entfernung dieses Objekts. Die Maße rl bis r5 sind so den gleichartig bezeichneten Entfernungen in F i g. 1 direkt repräsentativ.

Geeignete Potentiale für die Elektroden der Röhre gemäß F i g. 2 sind in Form eines Beispiels in der nachstehenden Tabelle angegeben.

Elektrode

D4, DS

D6, Dl, D8, D9

D15 (Gleichspannung) ..

DlO, DIl

D12

Rieselstrahlquellenkatode
D14

Potential

15 kV

15 kV

18 kV

18kV-0-150V

18kV-150V

3OkV

Die sägezahnförmige Ablenkspannung, die an die Platten D15 angelegt wird, ist natürlich der Gleichspannung in der vorstehenden Tabelle überlagert und das Potential, das an das Speichernetz D12 angelegt wird, relativ zu dem Potential der Rieselstrahlquellenkatode D13 ist gemäß herkömmlicher Praxis bei sogenannten direkt abbildenden Halbtonspeicherröhren eingestellt.

Statt die Ablenkung während einer Periode, die mit der zweiten impulsförmigen Erregung beginnt, durchzuführen, kann die Ablenkung auch während einer Periode erfolgen, die mit der ersten pulsförmigen Erregung beginnt und mit der zweiten pulsförmigen Erregung endet.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Entfernung von sich in einem vorgegebenen Meßwinkelbereich befindenden Objekten mittels eines Impulslasers als Sender und einer Abbildungseinrichtung als Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Meßwinkelbereich mittels einer Folge von Lichtimpulsen, deren zeitlicher Abstand größer ist als die doppelte Laufzeit des Lichtes über die größte zu messende Entfernung, weitwinklig beleuchtet wird, daß ein nach Aussendung eines Lichtimpulses erhaltenes Bild der Objekte gespeichert und ein nach Aussendung eines nachfolgenden Lichtimpulses erhaltenes Bild derselben Objekte nach Vornahme einer entfernungsproportionalen Verschiebung der Objekte ebenfalls gespeichert wird und daß dann eine Messung des gegenseitigen Abstandes einander entsprechender Objekte beider Bilder erfolgt.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abbildungseinrichtung eine Elektronenröhre (D) mit einer ersten Fotokatode (D 4) vorgesehen ist, daß eine Ladungsspeicherelektrode (D 12), Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Ladungsbildes des von der ersten Fotokatode (D 4) empfangenen optischen Bildes auf der Ladungsspeicherelektrode (D 12), bestehend aus einer Fläche (D 7) zur Erzeugung

eines optischen Zwischenbildes und einer zweiten, das Zwischenbild empfangenden und die Ladungsspeicherelektrode (D 12) beaufschlagenden Fotokatode (D 8), und Ablenkmittel (D 15) zur Verschiebung von Punkten in dem elektrischen Ladungsbild in eine vorgegebene Richtung relativ zu entsprechenden Punkten des Bildes auf der ersten Fotokatode (D 4) vorgesehen sind und daß ein Sägezahngenerator (S) zur Ansteuerung der Ablenkmittel (DlS) angeordnet ist, um während einer Periode, die mit einer der impulsartigen Erregungen des Lasers (L) beginnt, eine Ablenkung hervorzurufen, deren Größe von der der Ablenkung, die während der Periode, welche mit der folgenden impulsartigen Erregung des Lasers (L) beginnt, verschieden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verschiebung der elektrischen Ladungsbilder von Meßobjekten auf der Ladungsspeicherelektrode (D 12) durch Ablenkung mit einer vorgegebenen Größe über eine Periode, die mit der zweiten impulsartigen Erregung beginnt, erzielbar ist und daß in der Zeit zwischen den beiden impulsartigen Erregungen des Lasers (L) keine Ablenkung stattfindet.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verschiebung der elektrischen Ladungsbilder von Meßobjekten auf der Ladungsspeicherelektrode (D 12) durch Ablenkung über eine mit der ersten impulsartigen Erregung beginnenden Periode erzielbar ist und daß während der mit der zweiten impulsartigen Erregung beginnenden Periode keine Ablenkung erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (D T) zur Erzeugung des optischen Zwischenbildes zwischen der ersten Fotokatode (D 4) und der Ladungsspeicherelektrode (D 12) angeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkmittel (D 15) von elektrostatischen Ablenkplatten gebildet sind, die die Elektronenstrahlen von der ersten Fotokatode (D 4) seitlich zu der das Zwischenbild erzeugenden Fläche (D 7) ablenken.

7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fotokatode (D 4) auf der Innenfläche einer ersten Faseroptik (Dl) an einem Ende der Elektronenröhre (D) angeordnet ist, daß die das optische Zwischenbild erzeugende Fläche (D 7) durch eine Phosphorschicht auf der einen Fläche einer zweiten Faseroptik (D 2) gebildet wird, die etwa in der Mitte der Elektronenröhre (D) angeordnet ist, daß die das optische Zwischenbild erzeugende Fläche (D 7) der ersten Fotokatode (D 4) zugewandt ist und daß die zweite Fotokatode (D 8) auf der gegenüberliegenden Fläche der zweiten Faseroptik (D 2) angeordnet ist.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeicherelektrode (D 12) durch einen Elektronenstrahl abgetastet wird, um Bildsignale zur Erzeugung sichtbarer Bilder in einer gesonderten Bildröhre abzuleiten.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenröhre (D) eine direktabbildende Bildröhre mit einem Bildschirm (D 14) und einer Elektronenquelle (D 13) ist, die den Bildschirm (D 14) durch die Ladungsspeicherelektrode (D 12) hindurch berieselt.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildschirm (D 14) durch eine Phosphorschicht auf der Innenfläche einer dritten Faseroptik (D 3) an dem der ersten Fotokatode (D 4) gegenüberliegenden Ende der Elektronenröhre (D) gebildet ist.

11. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatischen Ablenkplatten (D 15) innerhalb einer zwischen der ersten Fotokatode (D 4) und der das optische Zwischenbild erzeugenden Fläche (D 7) vorgesehenen Fokussierelektrode (D 6) angeordnet sind.

12. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (D 13) innerhalb einer zwischen der zweiten Fotokatode (D 8) und der Ladungsspeicherelektrode (D 12) vorgesehenen Elektronen-Fokussierelektrode (D 10) angeordnet ist.

13. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenablenkung gemäß einem von dem Sägezahngenerator (S) bei Triggerung durch einen Laser-Erregerimpuls gelieferten, im wesentlichen linearen Sägezahnsignal erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Elektrotechnische Zeitschrift, Ausgabe B, Bd. 15 (1963), Heft 15, S. 424.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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