DE3743194C2 - - Google Patents
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- DE3743194C2 DE3743194C2 DE19873743194 DE3743194A DE3743194C2 DE 3743194 C2 DE3743194 C2 DE 3743194C2 DE 19873743194 DE19873743194 DE 19873743194 DE 3743194 A DE3743194 A DE 3743194A DE 3743194 C2 DE3743194 C2 DE 3743194C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Ent
fernungsmessung zwischen einem Meßgerät und einem Objekt,
bei dem von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl vom Meßge
rät auf das Objekt geworfen, das vom Objekt reflektierte
Lichtbündel in einem optischen System des Meßgerätes fo
kussiert und vor der Fokalebene durch einen Strahlteiler
in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strahlungsin
tensitäten mittels zweier optoelektronischer Detektoren
in der gemeinsamen optischen Achse jedoch in unterschied
lichen Abständen vom Strahlteiler gemessen werden und der
Quotient der Detektorströme als Funktion der zu messenden
Entfernung ausgewertet wird.
Aus der US-PS 37 19 421 ist ein derartiges Verfahren be
kannt, bei dem jedem Teilstrahl eine Blende zugeordnet und
als Ergebnis die Differenz der Strahlungsflüsse der beiden
Detektoren gemessen wird. Sind beide Blenden gleich groß,
so liegt bei gleichem Strahlungsfluß das virtuelle Bild
der Lichtquelle genau zwischen beiden Blenden. Diese
Situation tritt jedoch nur für einen ganz bestimmten Abstand
der Lichtquelle vom Objekt auf. Mit diesem Verfahren ist es
nur möglich, zu überprüfen, ob die Lichtquelle in einem
vorgegebenen richtigen Abstand vom Objekt angeordnet ist
und wenn nicht, in welcher Richtung die tatsächliche Lage
sich von der gewünschten Lage unterscheidet. Die effektive
Größe der Abweichung von der gewünschten Lage läßt sich
nicht ermitteln, da die absolute Leuchtkraft der Licht
quelle unbekannt ist. Verdoppelt sich diese z. B., so
verdoppelt sich auch die Differenz der Strahlungsflüsse
der Teilstrahlen, obwohl die Entfernung des Gerätes vom
Objekt unverändert bleibt. Mit der bekannten Anordnung
ist es also nicht möglich, ein Meßgerät herzustellen,
das ein Ausgangssignal zur Verfügung stellt, aus dem
sich die tatsächliche Entfernung zum Objekt ermitteln
läßt.
Die DD-PS 65 320 zeigt vom Aufbau her ein ähnliches op
tisches System, dessen Signalauswertung dadurch verbes
sert ist, daß nicht die Differenz der Strahlungsflüsse
sondern der Quotient aus der Differenz und der Summe der
Strahlungsflüsse ausgewertet wird. Damit ist das Meßergeb
nis nicht mehr von der absoluten Leuchtstärke der Licht
quelle abhängig. Der Abstand der Lichtquelle von einer
Sammellinse läßt sich somit direkt zuordnen. Während das
Signal bezüglich des Abstandes des virtuellen Bildes der
Lichtquelle linear ist, trifft dies bezüglich des realen
Bildes der Lichtquelle nicht zu, da dieser Abstand aus
der Linsengleichung berechnet werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren der
eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein Ausgangs
signal erzeugt wird, welches linear von der zu messenden
Entfernung abhängig ist, um so einen echten Entfernungs
messer zu realisieren.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge
nannten Art dadurch gelöst, daß die Lichtquelle einen scharf
gebündelten Lichtstrahl erzeugt, daß das reflektierte
Lichtbündel in dem optischen System eindimensional fo
kussiert wird und daß die Messung der Strahlungsintensität
eines Teilstrahls in dessen Fokallinie erfolgt, die durch
die Brennweite des optischen Systems bezogen auf ein von
einem unendlich fernen Punkt reflektiertes Lichtbündel de
finiert ist.
Aus der DE-OS 27 03 463 ist schon ein Verfahren zur optischen
Entfernungsmessung bekannt, bei dem eine Lichtquelle vorge
sehen wird, die einen scharf gebündelten Lichtstrahl erzeugt,
allerdings fehlt hier ein optisches System zur Fokussierung
des reflektierten Lichtbündels.
Ein nach diesem neuen Verfahren arbeitendes Meßgerät hat
eine lineare Ausgangskennlinie bezüglich der Objektent
fernung. Dies ermöglicht ein direktes Eichen der Ausgangs
spannung und erübrigt eine Umrechung z. B. über eine Werte
tabelle. Die Linearisierung des Ausgangssignals beruht also
einmal auf der Anordnung einer der beiden Detektoren genau
im Abstand der Brennweite des abbildenden optischen Systems
(Linse oder Spiegel) und zum anderen auf der Messung der
eindimensionalen Leistungsdichte im Strahlungsweg. Würde man
den einen Detektor nicht genau im Abstand gleich der Brenn
weite des optischen Systems anordnen, so würde sich die ur
sprünglich gerade Kennlinie konkav oder konvex verformen, je
nachdem, ob sich der Detektor vor oder hinter der Fokallinie
befindet.
Während nach dem Stand der Technik die Fokussierung des
reflektierten Lichtbündels durch die Linse punktförmig
erfolgt, wird erfindungsgemäß das Lichtbündel nur ein
dimensional fokussiert und die Querschnitte des reflek
tierten Lichtbündels haben somit einen großen Durch
messer und einen längs des Strahlweges allmählich ab
nehmenden kleineren Durchmesser. Die beiden Detektoren
müssen also in einer Koordinatenrichtung größer als der
Strahldurchmesser und in einer dazu senkrechten Richtung
kleiner sein, was zu einer schmalen und langen Bauweise
des Detektors führt. Alternativ läßt sich die Leistungs
messung auch durch ein den Detektoren jeweils vorgeschalte
tes optisches System, z. B. einer Zylinderlinse erreichen.
Erfindungsgemäß wird der Quotient der beiden Teilströme
der Detektoren ausgewertet, der sich digital oder analog
berechnen läßt. Dabei wird der von dem in der Fokallinie
des optischen Systems anzuordnenden Detektor gemessene
Fotostrom vorzugsweise für den Zähler des Quotienten verwendet.
Wenn im Vorstehenden von der Fokallinie bzw. der Fokallänge
oder Brennweite des optischen Systems gesprochen wird, so
sind darunter die Werte zu verstehen, die sich auf eine
vom optischen System unendlich weit entfernte Strahlungs
quelle beziehen, obwohl mit dem Meßgerät endliche Abstän
de gemessen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß alternativ oder kumulativ
auch dadurch gelöst, daß die Lichtstärke der Lichtquelle
in Abhängigkeit von der Entfernung des Meßgerätes vom Ob
jekt laufend so geregelt wird, daß der Fotostrom eines der
beiden zur Entfernungsmessung verwendeten Detektoren
konstant bleibt, und daß der weiter vom Strahlteiler
abliegende Detektor auf der optischen Achse im Ab
stand gleich der Fokallänge vom optischen System
liegt. Vorzugsweise wird der Fotostrom des näher zum Strahl
teiler liegenden Detektors auf konstantem Wert gehalten, da
bei der Quotientenbildung der Fotoströme derjenige des
näher am Strahlteiler liegenden Detektors im Nenner steht.
Auch mit diesem Regelungsverfahren wird eine Linearisierung
des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Objektentfer
nung erreicht und zwar ist diese Entfernung direkt propro
tional dem Fotostrom des vom Strahlteiler weiter abliegenden
Detektors.
Aus der DE-OS 27 03 463 ist zwar eine ähnliche Regelung
der Lichtstärke bekannt, jedoch werden dafür zusätzlich ein
Strahlteiler, ein Detektor und eine Auswerteeinheit benö
tigt. Zudem muß die Auswerteeinheit umständliche Rechen
operationen durchführen, die dank der Erfindung gerade ver
mieden werden.
Beide Meßverfahren lassen sich vorzugsweise in ei
nem Meßgerät realisieren, wobei eine Umschaltung auf
das zweite Verfahren vorgenommen wird, wenn das erste Meß
verfahren in Ausnahmefällen nicht zufriedenstellend arbei
tet. Dies kann z. B. an den Grenzen des Meßbereiches, bei
ungünstigen Reflexionseigenschaften des Objektes und un
günstigen Lichtverhältnissen der Fall sein.
Beide Verfahren zur Linearisierung des Ausgangssignals
bezüglich der Entfernung setzen voraus, daß das reflek
tierte Lichtbündel die Eigenschaft eines isotropen Strah
lers hat, dessen abgestrahlte Leistungsdichte in jedem Raum
winkelelement gleich ist. Das trifft näherungsweise für
selbstleuchtende Lichtquellen, wie z. B. eine Glühbirne zu.
Bei realen Oberflächen, die jedoch nur eingestrahltes Licht
reflektieren, treten demgegenüber Abweichungen auf, verur
sacht durch Glanzwinkeleffekte. Dies hat zur Folge, daß die
Leistungsdichte statistischen Schwankungen bei Verlängerung
des Raumwinkels unterworfen ist, aus denen Störungen des
Meßergebnisses resultieren. Um solche Störungen zu vermei
den, ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorge
sehen, daß - wie aus der US-PS 43 91 515 an sich bekannt -
der auf das Objekt auftreffende Lichtstrahl polarisiert ist
und daß bei der Detektion der beiden Teilstrahlen der Po
larisierungszustand des Lichtstrahls durch Filter eliminiert
wird. Im einfachsten Fall wird gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung eine polarisiertes Licht aussendende Licht
quelle verwendet. Alternativ liegt es im Rahmen der Erfin
dung, im gemeinsamen Strahlungsweg der ausgesendeten und
reflektierten Lichtbündel einen aus einem Linear- und Zir
kularpolarisator bestehenden optischen Isolator anzuordnen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durch
führung des Verfahrens bei der ein scharf gebündelter Licht
strahl durch einen Kollimator erzeugt wird, dessen Stirn
fläche eine verspiegelte Ablenkungsfläche für das vom Ob
jekt reflektierte Lichtbündel aufweist, mit einem in der
Strahlachse des abgelenkten reflektierten Lichtbündels ange
ordneten Strahlteiler, einem ersten optischen Detektor in
der optischen Achse des durchgehenden Teilstrahls und einem
zweiten optischen Detektor in der optischen Achse des ab
gelenkten Teilstrahls, wobei die, jeweils längs der op
tischen Achsen gemessenen Abstände der Detektoren vom Strahl
teiler unterschiedlich groß sind, und wobei
die Stirnfläche des Kollimators zur eindimensio
nalen Fokussierung des reflektierten abgelenkten Lichtbün
dels einfach gekrümmt und als Spiegelfläche ausgebildet ist,
und einer der Detektoren in der Fokallinie einer der
Teilstrahlen angeordnet ist.
Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel dar
stellt, sei die Erfindung näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt schematisch den inneren optischen
Aufbau einer Vorrichtung 10 zur Messung seines Abstandes
von einem Objekt 12. Die Vorrichtung 10 enthält einen Kolli
mator 14, dessen Lichtquelle 16, z. B. eine gepulste Laser
diode, einen gebündelten Lichtstrahl 18 auf das Objekt 12
wirft. Dieser gebündelte Lichtstrahl 18 tritt durch eine
im Mittelbereich der Stirnfläche des Kollimators 14 ange
ordnete enge Öffnung aus, durchsetzt einen optischen
Isolator 20 innerhalb der Vorrichtung 10, der aus einem Li
near- und Zirkularpolarisator besteht. Der eng gebündelte
Lichtstrahl 18 wird von der Oberfläche des Objektes 12 in
Form eines Lichtbündels 22 reflektiert, das den optischen
Isolator 20 durchsetzt und auf die Stirnfläche des Kolli
mators 14 trifft. Diese Stirnfläche ist als einfach ge
krümmte Spiegelfläche 24 ausgebildet, die das Lichtbündel
22 etwa rechtwinklig ablenkt und im Punkt 26 linienförmig
fokussiert. Das von der Spiegelfläche 24 abgelenkte Licht
bündel 28 trifft auf einen teildurchlässigen Strahlteiler
30, der einen durchgehenden Teilstrahl 32 und einen reflek
tierten Teilstrahl 34 erzeugt. In den Strahlungswegen bei
der Teilstrahlen 32, 34 ist jeweils ein optischer Detektor
36; 38 angeordnet. Die optischen Detektoren 36, 38 bestehen
z. B. aus Fotodioden von - senkrecht zur Papierebene gemesse
ner - langgestreckter Form. Der Detektor 36 im durchgehen
den Teilstrahl 32 ist dicht hinter dem Strahlteiler 30 angeordnet,
während der Detektor 38 vom Strahlteiler 30 einen größe
ren Abstand hat. Es ist wichtig, daß die beiden Abstände
der Detektoren 36, 38 vom Strahlteiler 30 unterschiedlich
sind, da diese Abstandsdifferenz als Faktor bei der Entfer
nungsmessung eingeht.
Bezogen auf ein gestrichelt dargestelltes Lichtbündel 40
einer unendlich weit entfernten Lichtquelle hat die Spie
gelfläche 24 eine Brennweite, die sich zusammensetzt aus
dem Abstand des Punktes 42, in dem die optische Achse des
vom Objekt 12 reflektierten Lichtbündels 22 die Spiegel
fläche 24 schneidet, vom Punkt 44, in dem die optische
Achse des reflektierten abgelenkten Strahls 28 auf den Strahl
teiler 30 trifft und weiterhin dem Abstand dieses Punktes 44
vom Brennpunkt 46 des fokussierten Lichtbündels 40 der un
endlich weit entfernten Lichtquelle und zwar in der optischen
Achse des vom Strahlteiler 30 reflektierten Teilstrahls 34
gemessen. Da die Spiegelfläche 24 nur einfach gekrümmt ist,
ihre Querschnittsform sich also senkrecht zur Papierebene
nicht ändert, würde das von der unendlich weit entfernten
Lichtquelle kommende Lichtbündel nicht im Brennpunkt 46
sondern längs einer diesen Punkt 46 enthaltenden, senkrecht
zur Papierebene verlaufenden Fokallinie fokussiert werden.
Der Detektor 38 wird nun auf der optischen Achse des vom
Strahlteiler 30 reflektierten Teilstrahls 34 so angeordnet, daß
er diese Fokallinie 46 enthält. Die Fokallinie 26 des tat
sächlich vom Objekt 12 reflektierten, von der Spiegel
fläche 24 abgelenkten und fokussierten und vom Strahltei
ler 30 abgelenkten Teilstrahls 34 liegt hinter dem Detek
tor 38.
Die beiden Detektoren 36, 38 sind - senkrecht zur Papier
ebene gemessen - mindestens so lang wie der senkrecht zur
Papierebene gemessene Durchmesser des von der Spiegelflä
che 24 abgelenkten Lichtbündels 28.
Aus der Linsengleichung und dem Strahlensatz läßt sich ab
leiten, daß der Abstand der Spiegelfläche 24 vom Objekt 12
propotional ist zu dem Quotienten aus den Breiten der
Strahlengänge an den Meßorten der beiden Detektoren 36 und
38. Dieser Quotient multipliziert mit einem geräteeigenen
Faktor ergibt die gewünschte Entfernung. Da die Breiten der
Strahlengänge umgekehrt proportional zu den Fotoströmen der
Detektoren 36, 38 sind, läßt sich der zu messende Abstand zwi
schen Punkt 42 der Spiegelfläche 24 und dem Objekt 12 mathe
matisch folgendermaßen ausdrücken
Abstand = (I 38/I 36) C 1-C 2.
Die beiden Konstanten C 1 und C 2 sind gerätespezifisch und
sind ausschließlich abhängig von den in den optischen Achsen
gemessenen Abständen der beiden Detektoren 36, 38 vom Punkt 42
der Spiegelfläche 24. Bezeichnet man den Abstand 42-44-46 mit a
und den Abstand des Detektors 36 vom Punkt 42 mit b so
errechnen sich die beiden Konstanten zu
C 1 = a 2/(a - b) und C 2 = ab/(a - b).
Die Abhängigkeit des Abstandes von Punkt 42 der Spiegel
fläche 24 vom Objekt 12 ist nur dann linear abhängig vom
Quotienten der Fotoströme der Detektoren 38 und 36, wenn
der weiter vom Strahlteiler 30 abliegende Detektor 38
genau in der Fokallinie 46 der Spiegelfläche 24 liegt. Der
Quotient der beiden Fotoströme der Detektoren 38 und 36
kann digital oder analog berechnet werden. Noch einfacher
ist es, den Fotostrom des Detektors 36 durch ein Regelsystem
über den Strom der Lichtquelle 16 auf einen konstanten ent
fernungsunabhängigen Wert zu stabilisieren. In diesem Fall
ist die zu messende Entfernung eine lineare Funktion des
Fotostroms des Detektors 38 allein und kann daher direkt
über diesen Fotostrom nach Abzug einer Konstanten gemessen
und angezeigt werden.
Die Detektoren 36 und 38 sind nur schematisiert dargestellt.
Sie messen nicht die zweidimensionale, flächenhafte Leucht
dichte (W/cm2), sondern nur die Leuchtdichte in einer Koordinate
(W/cm). Das wird durch Integration der Leuchtdichte über eine
Koordinate erreicht, indem sich die Auswertung in dieser Ko
ordinate über den vollen, maximal auftretenden Strahldurch
messer erstreckt und in der anderen senkrecht dazustehenden
Koordinate nur über einen geringen Bereich im Zentrum des
Lichtbündels, der immer kleiner ist als der Strahldurch
messer in dieser Achse. Die integrierende Koordinate liegt
senkrecht zur Ebene der Figur.
Bei der Ableitung der vorstehenden Gleichungen wurden ei
nige vereinfachende Annahmen gemacht, nämlich die Vernach
lässigung der endlichen Breite der Detektoren und die Ver
nachlässigung von Breite und Divergenz des Lichtbündels
der Lichtquelle 16. Daraus resultiert in Wirklichkeit eine
geringfügige Abweichung von der perfekten Linearität, die
jedoch weniger als 2% innerhalb des zur Verfügung stehen
den Meßbereichs ausmacht. Dieser Wert kann jedoch unter
1 reduziert werden durch Defokussierung von Detektor 38
um etwa 1% der Fokallänge und gleichzeitiger Optimierung
des Abstandes des Detektors 36 vom Punkt 42.
Jeder der Detektoren 36, 38 wird vorzugsweise als Fotodiode
mit integrierter Zylinderlinse realisiert.
Claims (10)
1. Verfahren zur optischen Entfernungsmessung zwischen
einem Meßgerät und einem Objekt, bei dem von einer
Lichtquelle ein Lichtstrahl vom Meßgerät auf das
Objekt geworfen, das vom Objekt reflektierte Licht
bündel in einem optischen System des Meßgerätes fokus
siert und vor der Fokalebene durch einen Strahltei
ler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strah
lungsintensitäten mittels zweier optoelektronischer
Detektoren in der gemeinsamen optischen Achse jedoch
in unterschiedlichen Abständen vom Strahlteiler ge
messen werden und der Quotient der Detektorströme als
Funktion der zu messenden Entfernung ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen
scharf gebündelten Lichtstrahl erzeugt, daß das re
flektierte Lichtbündel in dem optischen System eindi
mensional fokussiert wird und daß die Messung der
Strahlungsintensität eines Teilstrahls in dessen Fokal
linie erfolgt, die durch die Brennweite des optischen
Systems bezogen auf ein von einem unendlich fernen
Punkt reflektiertes Lichtbündel definiert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungsintensitätsmessung in der Fokalli
nie desjenigen Teilstrahls vorgenommen wird, dessen
Detektor vom Strahlteiler den größeren Abstand hat.
3. Verfahren zur optischen Entfernungsmessung zwischen
einem Meßgerät und einem Objekt, bei dem von einer
Lichtquelle ein Lichtstrahl vom Meßgerät auf das Ob
jekt geworfen, das vom Objekt reflektierte Lichtbündel
in einem optischen System des Meßgerätes fokussiert
und vor der Fokalebene durch einen Strahlteiler in
zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strahlungsinten
sitäten mittels zweier optoelektronischer Detektoren
in der gemeinsamen optischen Achse jedoch in unter
schiedlichen Abständen vom Strahlteiler gemessen wer
den und der Quotient der Detektorströme als Funktion
der zu messenden Entfernung ausgewertet wird, insbe
sondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtstärke der Lichtquelle in Abhängigkeit von
der Entfernung des Meßgerätes vom Objekt laufend so
geregelt wird, daß der Fotostrom eines der beiden
zur Entfernungsmessung verwendeten Detektoren kon
stant bleibt und daß der weiter vom Strahlteiler ab
liegende Detektor auf der optischen Achse im Abstand
gleich der Fokallänge vom optischen System liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Fotostrom des dem Strahlteiler näher liegenden Detek
tors auf konstantem Wert gehalten wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung spie
gelnder Reflexe der auf das Objekt auftreffende Licht
strahl polarisiert ist und bei der Detektion der beiden
Teilstrahlen der Polarisierungszustand des Lichtstrahls
durch Filter eliminiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
eine polarisiertes Licht aussendende Lichtquelle verwen
det wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
im gemeinsamen Strahlungsweg der ausgesendeten und re
flektierten Lichtbündel ein aus einem Linear- und Zir
kularpolarisator bestehender optischer Isolator ange
ordnet wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein scharf
gebündelter Lichtstrahl durch einen Kollimator erzeugt
wird, dessen Stirnfläche eine verspiegelte Ablenkungs
fläche für das vom Objekt reflektierte Lichtbündel auf
weist, mit einem in der Strahlachse des abgelenkten re
flektierten Lichtbündels angeordneten Strahlteiler,
einem ersten optischen Detektor in der optischen
Achse des durchgehenden Teilstrahls und einem zweiten
optischen Detektor in der optischen Achse des abgelenk
ten Teilstrahls, wobei die, jeweils längs der opti
schen Achsen gemessenen Abstände der Detektoren vom
Strahlteiler unterschiedlich groß sind, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Stirnfläche des Kollimators (14)
zur eindimensionalen Fokussierung des reflektierten
abgelenkten Lichtbündels (28) einfach gekrümmt und als
Spiegelfläche (24) ausgebildet ist, und daß einer (38)
der Detektoren (36, 38) in der Fokallinie (46) einer
(34) der Teilstrahlen (32, 34) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch
8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (36, 38)
eine längliche Gestalt hat, deren Längserstreckung min
destens gleich dem dort auftretenden großen Durchmesser
des jeweiligen Teilstrahls (32, 34) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch
8, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Detektor (36,
38) eine Zylinderlinse integriert ist, deren Länge min
destens gleich dem dort auftretenden größten Durchmesser
des jeweiligen Teilstrahls (32, 34) ist.
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- 1987-12-19 DE DE19873743194 patent/DE3743194A1/de active Granted
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