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Die Erfindung betrifft eine Kamera, insbesondere eine 3D-Kamera, mit einem Gehäuse und zwei Leiterplatten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kamera nimmt eine 3D-Kamera auch eine Tiefeninformation auf und erzeugt somit dreidimensionale Bilddaten mit Abstands- oder Entfernungswerten für die einzelnen Pixel des 3D-Bildes, das auch als Entfernungsbild oder Tiefenkarte bezeichnet wird. Die zusätzliche Entfernungsdimension lässt sich in einer Vielzahl von Anwendungen nutzen, um mehr Informationen über Objekte in der von der Kamera erfassten Szenerie zu gewinnen und so verschiedene Aufgaben im Bereich der Industriesensorik zu lösen.
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In der Automatisierungstechnik können anhand dreidimensionaler Bildinformationen Objekte erfasst und klassifiziert werden, um weitere automatische Bearbeitungsschritte davon abhängig zu machen, welche Objekte vorzugsweise einschließlich ihrer Position und Orientierung erkannt wurden. Damit kann beispielsweise die Steuerung von Robotern oder verschiedenartigen Aktoren an einem Förderband unterstützt werden.
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In mobilen Anwendungen, seien es Fahrzeuge mit Fahrer wie PKW, LKW, Arbeitsmaschinen oder Gabelstapler oder führerlose Fahrzeuge wie AGVs (Automated Guided Vehicle) oder Flurförderzeuge, soll die Umgebung und insbesondere ein geplanter Fahrweg möglichst vollständig und dreidimensional erfasst werden. Damit soll die autonome Navigation ermöglicht oder ein Fahrer unterstützt werden, um unter anderem Hindernisse zu erkennen, Kollisionen zu vermeiden oder das Be- und Entladen von Transportgütern einschließlich Kartons, Paletten, Containern oder Anhängern zu erleichtern.
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Zur Ermittlung der Tiefeninformationen sind verschiedene Verfahren bekannt, wie Lichtlaufzeitmessungen oder Stereoskopie. Bei einer Lichtlaufzeitmessung (3D-TOF-Kamera, time of flight) wird eine Szene mit amplitudenmoduliertem Licht ausgesandt. Die Kamera misst für jeden Bildpunkt die Laufzeit des reflektierten Lichtes. In einem Pulsverfahren werden dafür Lichtpulse ausgesandt und die Dauer zwischen Sende-und Empfangszeitpunkt gemessen. In einem Phasenverfahren erfolgt eine periodische Amplitudenmodulation und Messung des Phasenversatzes zwischen Sende- und Empfangslicht.
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Stereoskopieverfahren sind dem räumlichen Sehen mit zwei Augen angelehnt und suchen in zwei aus unterschiedlicher Perspektive aufgenommenen Bildern einander zugeordnete Bildelemente, aus deren Disparität in Kenntnis der optischen Parameter der Stereokamera die Entfernung durch Triangulation geschätzt wird. Stereosysteme können passiv, also allein mit dem Umgebungslicht arbeiten, oder eine eigene Beleuchtung aufweisen, die vorzugsweise ein Beleuchtungsmuster erzeugt, um die Entfernungsschätzung auch in strukturlosen Szenerien zu ermöglichen. In einem weiteren 3D-Bildgebungsverfahren, das beispielsweise aus der
US 7 433 024 bekannt ist, wird ein Beleuchtungsmuster von nur einer Kamera aufgenommen und die Entfernung durch Musterauswertung geschätzt („structured light camera“).
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Durch die Komprimierung im Zuge der fortgesetzten Miniaturisierung werden Elektronikbauteile immer leistungsfähiger auf kleinem Raum. Dadurch steigt aber auch die Energiedichte auf der Leiterplatte, und zur Entwärmung ist die Anbindung an eine Temperatursenke erforderlich, damit die Geräte nicht überhitzen.
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Eine bekannte Lösung für besonders leistungsstarke Bauteile ist das Anströmen mit einem Lüfter, um die Wärme abzuführen. Solche erzeugen aber Lärm, haben eine nur begrenzte Lebensdauer und sind bezüglich Temperatur und Schock empfindlich.
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Ohne bewegliche Teile kommen Lösungen aus, die dem Gehäuse zugewandte Bauteile mittels Wärmeleitmatten oder Wärmeleitpasten an das Gehäuse anbinden. Für innenliegende Bauteile werden dann Wärmerohre (heat pipes) eingesetzt. Dadurch steigen aber die Herstellkosten erheblich an. Das liegt an mehreren Faktoren, wie dem eigens erforderlichen Design für die speziellen Gegebenheiten in dem Gerät, den relativ hohen Eigenkosten für ein Wärmeleitrohr und daran, dass das Wärmeleitrohr innen an der zu kühlenden Komponente und außen am Gehäuse angebunden werden muss. Unter dieser doppelten Anbindung leidet auch die Effizient der Wärmeableitung.
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Eine Alternative zu Wärmerohren sind Wärmeleitbleche. Sie haben aber auch das Problem der doppelten Anbindung an die innen liegenden Bauteile und das Gehäuse. Die Wärmeübertragung an diesen Anbindungsstellen ist nicht besonders effektiv.
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Es ist auch denkbar, innen liegende, stark wärmeentwickelnde Bauteile zu vermeiden. Dazu werden Leiterplatten im 90°-Winkel zueinander angeordnet, so dass jede Leiterplatte außen und nahe an einer Gehäusewand liegt. Das schränkt natürlich die Gestaltungsfreiheit ein. Außerdem wird die gegenseitige Kontaktierung der Leiterplatten über gewinkelte Stecker oder Flexverbindungen aufwändiger. Schließlich ist auch die thermische Kontaktierung nicht optimal. Wärmeleitmatten können nur in der Fügerichtung verpresst werden. Möchte man Wärmeleitplatten auch in 90° zu der Fügerichtung verpressen, so ist im Gehäuse ein zusätzlicher Deckel erforderlich, der dann nach der Montage der Leiterplatten aufgebracht wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für eine verbesserte Wärmeabfuhr in einer Kamera zu sorgen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kamera nach Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Leiterplatten mit Bildsensor und Auswertungselektronik parallel zueinander anzuordnen. In einer ersten Leiterplatte wird ein Durchbruch, also eine Öffnung angebracht. Durch diese Öffnung ragt ein Teil des Gehäuses als Vorsprung nach Innen, um dort die zweite Leiterplatte zu kontaktieren und so deren Wärme nach außen abzuführen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Leiterplatten kompakt und kostengünstig parallel zueinander angeordnet werden können. Gewinkelte Stecker, Flexverbindungen und dergleichen für gewinkelt angeordnete Leiterplatten sind daher nicht erforderlich. Es werden auch keine zusätzlichen Teile wie Wärmerohre oder Wärmeleitbleche benötigt. Die gesamte Wärme der parallel angeordneten Leiterplatten kann robust und ohne bewegliche Teile über das Gehäuse abgegeben werden
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Die erste Leiterplatte ist vorzugsweise parallel zu einer Gehäusewand des Gehäuses angeordnet. Die erste Leiterplatte wird deshalb auch als äußere Leiterplatte bezeichnet, entsprechend die zweite Leiterplatte als innere Leiterplatte. Im Prinzip ist das Konzept auf zusätzliche parallele Leiterplatten erweiterbar, wobei dann die jeweils äußeren Leiterplatten gestaffelte Durchbrüche für die Kontaktierung einer inneren Leiterplatte durch einen Gehäusevorsprung aufweisen. Zusätzliche Leiterplatten können für die Beleuchtung, Anschlusselektronik der Kamera und weitere Komponenten genutzt werden. Es ist auch denkbar, eine einzelne Leiterplatte oder mehrere zueinander parallel angeordnete Leiterplatten im 90°-Winkel zu der ersten und zweiten Leiterplatte an einer eigenen Gehäusewand vorzusehen und dort direkt oder über einen Durchbruch in der Leiterplatte und einen Gehäusevorsprung nach außen anzubinden.
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Die erste Leiterplatte weist bevorzugt mindestens einen digitalen Baustein zur Datenverarbeitung der Auswertungseinheit auf. Die erste Leiterplatte wird damit eine Auswertungsleiterplatte. Als digitaler Baustein kommt im Prinzip jeder Logikbaustein in Betracht, wie ein Mikroprozessor oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array). Die Auswertungseinheit ist auf einem oder mehreren derartigen Bausteinen implementiert.
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Die zweite Leiterplatte weist bevorzugt den Bildsensor auf. Damit wird die zweite Leiterplatte zu einer Bildsensorleiterplatte. Der Bildsensor ist beispielsweise ein CMOS-oder CCD-Chip, kann aber auch ein Spezialchip für die 3D-Bilderfassung sein, etwa ein PMD-Chip (Photomischdetektor) oder allgemeiner ein TOF-Chip (Time-of-Flight, Lichtlaufzeitverfahren).
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Der Gehäusevorsprung kontaktiert die zweite Leiterplatte bevorzugt in einem Bereich des Bildsensors. Damit wird Wärme von der stärksten inneren Wärmequelle nach außen abgeführt. Für die Positionierung des Bildsensors besteht wenig Gestaltungsspielraum, sie ist vielmehr weitgehend durch optische Funktion festgelegt. Dementsprechend ist besonders vorteilhaft, wenn die Wärme des Bildsensors von dessen Position effektiv nach außen abgeleitet werden kann.
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Die erste Leiterplatte weist bevorzugt eine zentrale Öffnung auf, und der Gehäusevorsprung ist bevorzugt als Kühlstempel ausgebildet. Diese Öffnung dient dazu, ein entsprechend zentral angeordnetes, wärmeerzeugendes Bauteil der zweiten Leiterplatte zu kühlen, insbesondere den Bildsensor.
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Zwischen Gehäusevorsprung und zweiter Leiterplatte ist bevorzugt eine Wärmeleitmatte angeordnet. Durch eine Wärmeleitmatte (Gap Pad) wird eine besonders gute Wärmeübertragung von der zweiten Leiterplatte auf den Gehäusevorsprung und damit nach außen erreicht. Die Wärmeleitmatte kann wegen der parallelen Anordnung der Leiterplatten optimal verpresst werden und damit besonders effektiv funktionieren.
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Zwischen dem Gehäuse und der ersten Leiterplatte ist bevorzugt mindestens eine Wärmeleitmatte angeordnet. Die erste Leiterplatte liegt außen und kann damit vergleichsweise einfach an eine äußere Gehäusewand angebunden werden. Erneut wird dies durch eine optimal verpressbare Wärmeleitmatte unterstützt.
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Das Gehäuse weist bevorzugt eine Vielzahl gebogener Kühlrippen auf. Solche Kühlrippen sind insbesondere an derjenigen Gehäusewand angebracht, die parallel zu den Leiterplatten liegt. So wird die über den Gehäusevorsprung nach außen abgeleitete Wärme an die Umgebung abgegeben. Alternativ zu den Kühlrippen ist an dieser Stelle eine Halterung angebracht, welche die Funktion der Wärmeabfuhr ebenfalls erfüllt.
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Die 3D-Kamera ist bevorzugt als Lichtlaufzeitkamera (3D-TOF-Kamera) ausgebildet und weist dazu eine Lichtlaufzeiteinheit auf, um die Lichtlaufzeit eines Lichtsignals zu bestimmen, das von der Beleuchtungseinheit ausgesandt, an Objekten in der Szenerie remittiert und in dem Bildsensor erfasst wird. Die Lichtlaufzeiteinheit kann auch zumindest teilweise in den Bildsensor integriert werden. Alternative 3D-Verfahren wie Stereoskopie oder aktive Triangulation (structured light camera) sind möglich.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine Blockdarstellung einer Kamera;
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2 eine dreidimensionale Gesamtansicht einer Kamera;
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3 eine Ansicht des Inneren der Kamera mit Blick auf Objektiv und eine innere Leiterplatte eines Bildsensors;
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4 eine Ansicht hinter die Leiterplatte des Bildsensors mit Blick auf eine äußere Leiterplatte der Auswertungselektronik und einen nach innen ragenden Gehäusevorsprung;
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5 eine Ansicht auf die beiden Leiterplatten, den Gehäusevorsprung und das Objektiv der Kamera von oben;
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6 eine Ansicht nur des Gehäuses der Kamera mit dem Gehäusevorsprung von oben;
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7 eine Ansicht nur der beiden Leiterplatten ohne Gehäuse; und
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8 eine Ansicht der äußeren Leiterplatte von hinten.
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1 zeigt in einer Blockdarstellung eine 3D-Kamera 10 zur Aufnahme von dreidimensionalen Bildern oder Tiefenkarten eines Überwachungsbereiches beziehungsweise einer Szenerie 12. Diese dreidimensionalen Bilder werden beispielsweise für eine der einleitend genannten Anwendungen weiter ausgewertet. Das im Folgenden am Beispiel der 3D-Kamera 10 beschriebene Kühlkonzept ist auf andere Kameras und Sensoren übertragbar.
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In der 3D-Kamera 10 nimmt ein Bildsensor 14 Bilder der Szenerie 12 auf. Der Bildsensor 14 ist ein zeilen- beziehungsweise meist matrixförmiger Aufnahmechip, der ein Pixelbild aufnimmt, beispielsweise ein CCD- oder ein CMOS-Sensor. Dem Bildsensor 14 ist ein Objektiv 16 mit einer abbildenden Optik zugeordnet, welches nur schematisch über einen rohrförmigen Tubus dargestellt ist und in der Praxis als jede bekannte Abbildungsoptik realisiert sein kann.
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Die 3D-Kamera 10 weist außerdem eine Beleuchtungseinheit 18 zur Ausleuchtung der Szenerie 12 mit einer oder mehreren Lichtquellen 20 auf, die vorzugsweise Hochleistungs-LEDs oder Laserdioden sind. Für ein Lichtlaufzeitverfahren kann das Sendelicht der Beleuchtungseinheit 18 in seiner Amplitude moduliert werden, beispielsweise um für ein Pulsverfahren einzelne kurze Lichtpulse oder für ein Phasenverfahren eine periodische Modulation zu erzeugen. Alternativ ist denkbar, durch gezielte Ansteuerung einzelner Lichtquellen oder ein Mustererzeugungselement, wie ein DOE oder ein Mikrolinsenfeld, ein strukturiertes Beleuchtungsmuster zu erzeugen.
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Mit dem Bildsensor 14 und der Beleuchtungseinheit 18 ist eine kombinierte Steuer- und Auswertungseinheit 22 verbunden. Darüber werden Belichtungszeiten und Modulation der Beleuchtungseinheit 18 vorgegeben und die Bilddaten des Bildsensors 14 ausgewertet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der 3D-Kamera 10 als 3D-TOF-Kamera fungiert die Auswertungseinheit 22 als Lichtlaufzeiteinheit, die in einem Puls- oder Phasenverfahren für jedes Pixel eine Lichtlaufzeit zwischen Aussenden von Sendelicht und Empfang von remittiertem Licht aus der Szenerie 12 und auf diese Weise dreidimensionale Bilder berechnet. Die Lichtlaufzeiteinheit kann alternativ auch zumindest teilweise direkt in den Bildsensor 14 integriert sein, beispielsweise in einem PMD-Chip (Photonmischdetektion). Die 3D-Kamera 10 kann auch als Stereokamera ausgebildet sein. In diesem Fall ist ein weiterer Bildsensor samt Objektiv vorgesehen, und die Auswertungseinheit 22 berechnet dreidimensionale Bilddaten mit einem Stereoskopiealgorithmus. Nochmals alternativ werden nicht wie bei der Stereoskopie zwei Bilder, sondern nur ein Bild und ein von der Beleuchtungseinheit 18 projiziertes Beleuchtungsmuster miteinander korreliert (Projektionsverfahren, structured light camera).
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Über eine Datenschnittstelle 24 kann die Auswertungseinheit 22 und damit die 3D-Kamera 10 dreidimensionale Bilder oder andere Messergebnisse ausgeben, beispielsweise Rohbilddaten des Bildsensors 14, aber auch Auswertungsergebnisse wie Objektdaten oder die Identifizierung bestimmter Objekte. Speziell in einer sicherheitstechnischen Anwendung kann das Erkennen eines unzulässigen Eingriffs in Schutzfelder, die virtuell in der Szenerie 12 definiert wurden, zur Ausgabe eines sicherheitsgerichteten Abschaltsignals führen. Dazu ist die Datenschnittstelle 24 dann vorzugsweise als Sicherheitsausgang (OSSD, Output Signal Switching Device) ausgeführt und die 3D-Kamera 10 insgesamt im Sinne einschlägiger Sicherheitsnormen ausfallsicher aufgebaut.
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Um die diversen Elektronikkomponenten unterzubringen, sind in der 3D-Kamera 10 eine erste Leiterplatte 26 für die Auswertungseinheit 22, eine zweite Leiterplatte 28 für den Bildsensor 14, eine dritte Leiterplatte 30 für die Beleuchtungseinheit 18 und eine vierte Leiterplatte 32 für die Datenschnittstelle 24 und sonstige Anschlüsse einschließlich einer Versorgung angeordnet. Die Anzahl der Leiterplatten, deren Anordnung und die Zuordnung zu den Elektronikkomponenten sind beispielhaft zu verstehen. Hinsichtlich der Wärmeabfuhr genauer zu betrachten ist die zweite Leiterplatte 28, weil sie bezüglich eines Gehäuses 34 wegen der ersten Leiterplatte 26 innen liegt. Die übrigen Leiterplatten 26, 30, 32 können ihre Wärme unproblematisch und direkt an das Gehäuse 34 abgeben.
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Das erfindungsgemäße Kühlkonzept befasst sich also mit einer Konfiguration, in der die erste Leiterplatte 26 und die zweite Leiterplatte 28 wie in 1 parallel zueinander angeordnet sind. Die äußere oder erste Leiterplatte 26 kann ihre Wärme über die parallele Gehäusewand 36 abgeben. Um die thermische Anbindung zu verbessern, sind zwischen der ersten Leiterplatte 26 und der Gehäusewand 36 Wärmeleitmatten 38 vorgesehen. Zur Entwärmung der inneren oder zweiten Leiterplatte 28 ist in der ersten Leiterplatte 26 eine zentrale Öffnung 40 vorgesehen. Durch diese Öffnung 40 ragt ein Teil des Gehäuses 34 als Kühlstempel oder Gehäusevorsprung 42 nach Innen und kontaktiert so die zweite Leiterplatte 28. Dies geschieht vorzugsweise im Bereich des Bildsensors 14 als größter Wärmequelle. Erneut wird die thermische Anbindung durch eine Wärmeleitmatte 44 verbessert. Auf diese Weise kann die Wärme sowohl der ersten Leiterplatte 26 als auch der zweiten Leiterplatte 28 über die Gehäusewand 36 nach außen abgegeben werden. Es ist natürlich abweichend von den Darstellungen denkbar, mehrere Öffnungen 40 und mehrere Gehäusevorsprünge 42 vorzusehen, um die zweite Leiterplatte 26 an mehreren Stellen zu kontaktieren.
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Das soeben anhand der schematischen Darstellung in 1 erläuterte Kühlkonzept wird in den 2 bis 8 in einer konkreten Ausführungsform der 3D-Kamera 10 weiter illustriert. Dabei werden jeweils gleiche Merkmale durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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2 ist eine dreidimensionale Gesamtansicht der 3D-Kamera 10 von außen. An der Frontfläche sind die Beleuchtungseinheit 18 mit ihren Lichtquellen 20 und die Öffnung für das Objektiv 16 zu erkennen. Das Gehäuse 34 weist gebogene Kühlrippen 46 auf, um die Oberfläche zur Wärmeabgabe an die Umgebung besonders effizient zu vergrößern. Die Kühlrippen 46 finden sich insbesondere an der Rückseite, wo die Wärme der beiden Leiterplatten 26, 28 abzuführen ist, und beispielhaft auch auf der Oberseite.
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In 3 ist gegenüber 2 die Frontfläche geöffnet und die dritte Leiterplatte 30 der Beleuchtungseinheit 18 entfernt. Dadurch wird die zweite Leiterplatte 28 des Bildsensors 14 mit dem Objektiv 16 sowie im unteren Bereich noch die vierte Leiterplatte 32 für die Anschlüsse erkennbar.
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In 4 sind zusätzlich die zweite Leiterplatte 28 samt Objektiv 16 sowie die vierte Leiterplatte 32 entfernt. Auf der dadurch sichtbaren ersten Leiterplatte 26 sind die Elektronikbausteine für die Auswertungseinheit 22 zur besseren Übersicht weggelassen. Durch die zentrale Öffnung 40 in der ersten Leiterplatte 26 ragt der Gehäusevorsprung 42 nach vorn, an dessen Stirnfläche die Wärmeleitplatte 44 zur Kontaktierung der zweiten Leiterplatte 28 auf der Rückseite des Bildsensors 14 angeordnet ist.
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5 zeigt eine ganz ähnliche Teilkonfiguration der 3D-Kamera 10 wie 3, jedoch aus einer Perspektive von unten durch eine Öffnung, die durch Weglassen der vierten Leiterplatte 32 entsteht. So ist erkennbar, wie der Gehäusevorsprung 42 die Rückseite der zweiten Leiterplatte 28 im Bereich des Bildsensors 14 kontaktiert.
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6 entspricht in der Perspektive der 5, zeigt aber nur das Gehäuse 34 mit dem Gehäusevorsprung 42 und der dort stirnseitig angebrachten Wärmeleitmatte 44 ohne Leiterplatten 26, 28.
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7 zeigt nur die erste Leiterplatte 26 mit dem Bildsensor 14 und die in dieser Perspektive von vorne nahezu verdeckte zweite Leiterplatte 28. 8 ist eine entsprechende Rückansicht auf die zweite Leiterplatte 28 mit der zentralen Öffnung 40 für den Gehäusevorsprung 42.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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