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Die Erfindung betrifft ein optisches Element für eine Sendeeinrichtung einer optischen Erfassungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, eine Sendeeinrichtung einer optischen Erfassungsvorrichtung, eine optische Erfassungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements.
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Im vorliegenden Fall richtet sich das Interesse auf optische Elemente, insbesondere solche, welche auch in Sendeeinrichtungen von optischen Erfassungsvorrichtungen, insbesondere Laserscannern, Anwendung finden. Dabei sind vielzählige optische Elemente aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise Linsen, Spiegel beziehungsweise Reflektoren, Prismen, oder ähnliches. Derartige optische Elemente sind üblicherweise auch Teil von optischen Erfassungsvorrichtungen, wie Laserscannern. Im Hinblick auf solche optische Erfassungsvorrichtung ist es bekannt, einen Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs mittels der optischen Erfassungsvorrichtung zu überwachen. Durch die Erfassungsvorrichtung können Objekte in dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs detektiert werden und Informationen über die erfassten Objekte, beispielsweise eine relative Lage der Objekte zu dem Kraftfahrzeug, einem Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Das Fahrerassistenzsystem kann basierend auf diesen Informationen beispielsweise Maßnahmen zur Vermeidung einer Kollision des Kraftfahrzeugs mit dem Objekt einleiten, beispielsweise das Kraftfahrzeug vor der Kollision automatisch abbremsen.
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Bei Laserscannern gemäß dem Stand der Technik wird von einer Sendeeinrichtung des Laserscanners üblicherweise ein Lichtstrahl beziehungsweise Strahlenbündel in den Umgebungsbereich ausgesendet und der Umgebungsbereich durch verändern eines Abtastwinkels bis beziehungsweise einer Abtastrichtung abgetastet beziehungsweise abgescannt. Sobald der Lichtstrahl auf ein Objekt in dem Umgebungsbereich trifft, wird zumindest ein Teil des Lichtstrahls an dem Objekt zurück zu dem Laserscanner reflektiert. Eine Empfangseinrichtung des Laserscanners empfängt den reflektierten Teil des Lichtstrahls und bestimmt anhand einer Laufzeit des Lichtstrahls beziehungsweise einer Zeitdauer zwischen dem Aussenden des Lichtstrahls und dem Empfangen des reflektierten Teils des Lichtstrahls einen Abstand des Objekts bezüglich des Kraftfahrzeugs. Unter Kenntnis des Abtastwinkels beim Aussenden des Lichtstrahls kann außerdem eine Orientierung beziehungsweise eine Richtung des Objekts zu dem Kraftfahrzeug bestimmt werden. Aus der Orientierung sowie dem Abstand kann dann die relative Lage des Objekts zu dem Kraftfahrzeug bestimmt werden.
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Zum Verändern des Abtastwinkels wird der Lichtstrahl beziehungsweise das Strahlenbündel üblicherweise von einer Ablenkeinheit der Sendeeinrichtung abgelenkt. Die Ablenkeinheit ist dabei in der Regel als ein rotierbarer beziehungsweise schwenkbarer Spiegel ausgebildet, welcher den Lichtstrahl entlang der unterschiedlichen Abtastrichtungen reflektiert, wobei die Abtastrichtung über einen Schwenkwinkel beziehungsweise eine Orientierung des schwenkbaren Spiegels eingestellt wird. Ein Umgebungsbereich, innerhalb welchem der Lichtstrahl ablenkbar ist, bildet dabei ein Sichtfeld der Sendeeinrichtung. Um dabei in der Horizontalen ein möglichst großes Sichtfeld zu erreichen, insbesondere bei begrenzter Dimensionierung des schwenkbaren Spiegels, wird ein solcher Spiegel üblicherweise in einem vorbestimmten festen Winkel gegenüber der Haupteinstrahlrichtung des Laser-Strahlenbündels geneigt, was jedoch zu einer unerwünschten Verzerrung des Sichtfelds führt. Soll beispielsweise zur Abtastung eine Linie, welche vertikal, d.h. parallel zur Fahrzeughochachse, verlaufen soll, bereitgestellt werden so führt diese beschriebene Verzerrung jedoch dazu, dass solche Scanlinien gegenüber der Vertikalen und abhängig vom Abtastwinkel geneigt sind. Insbesondere ist diese Neigung umso größer, je größer der Abtastwinkel ist. Über mehrere Abtastzeitschritte betrachtet ergeben sich also nicht vielzählige in vertikaler Richtung parallel verlaufende Abtastlinien, sondern ein Abtastlinienbild mit fächerförmiger Struktur, weshalb dieser Verzerrungseffekt auch als Smiley-Effekt oder Bananen-Effekt bezeichnet wird. Optische Kompensationsmaßnahmen, wie beispielsweise speziell geformte Korrekturspiegel, hätten jedoch den großen Nachteil, dass diese aufgrund Ihrer zur Kompensation erforderlichen Krümmung unweigerlich zu einer starken Divergenz des Strahlenbündels führen würden, was einen sehr geringen Q-Faktor nach sich zieht. Dieser ist definiert als das Verhältnis aus Frequenz und Halbwertsbreite beziehungsweise FWHM (Full Width at Half Maximum) darstellt. Hieraus ergibt sich also eine Degradierung der Qualität des Strahlenbündels, was sich wiederum negativ auf die Messgenauigkeit auswirkt. Hinzu kommt auch die Problematik, dass gerade bei Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich der zur Verfügung stehende Bauraum für Sensoren stark begrenzt ist, so dass komplexe optische Systeme aus platzgründen nicht realisierbar sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein optisches Element für eine Sendeeinrichtung einer optischen Erfassungsvorrichtung, eine Sendeeinrichtung, eine optische Erfassungsvorrichtung, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements anzugeben, mittels welchen sich in Hinblick auf die oben beschriebenen Problematiken zumindest eine Verbesserung ermöglichen lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element, eine Sendeeinrichtung, eine optische Erfassungsvorrichtung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes optisches Element für eine Sendeeinrichtung einer optischen Erfassungsvorrichtung weist dabei eine erste Seite mit einer reflektierenden ersten Freiform-Oberfläche und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite mit einer brechenden zweiten Freiform-Oberfläche auf. Weiterhin ist das optische Element dazu ausgebildet, ein auf der zweiten Seite auf das optische Element auftreffendes Strahlenbündel zumindest zum Großteil durch die zweite Freiform-Oberfläche bis zur ersten Freiform-Oberfläche zu transmittieren, das durch die zweite Freiform-Oberfläche bis zur ersten Freiform-Oberfläche transmittierte Strahlenbündel an der ersten Freiform-Oberfläche zu reflektieren und das von der ersten Freiform-Oberfläche reflektierte Strahlenbündel über die zweite Freiform-Oberfläche abzustrahlen. Weiterhin ist die erste Freiform-Oberfläche dazu ausgelegt, eine Divergenz des auf die erste Freiform-Oberfläche auftreffenden Strahlenbündels zu vergrößern, und die zweite Freiform-Oberfläche ist dazu ausgelegt ist, bei Abstrahlung des von der ersten Freiform-Oberfläche reflektierten Strahlenbündels die bei der Reflexion vergrößerte Divergenz zu reduzieren.
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Das erfindungsgemäße optische Element weist also vorteilhafterweise sowohl eine reflektierende, das heiß spiegelnde, Freiform-Oberfläche als auch eine brechende Freiform-Oberfläche auf, die aufgrund ihrer Freiform nun vorteilhafterweise hinsichtlich der Erzielung unterschiedlicher Wirkungen optimiert werden können. Hierdurch wird es vorteilhafterweise ermöglicht, Verzerrungen, wie den oben beschriebenen Bananen-Effekt, zum Beispiel durch die reflektierende Freiform-Oberfläche zu kompensieren, ohne die Nachteile einer verminderten Strahlqualität in Kauf nehmen zu müssen, da die bei der Reflexion an der reflektierenden Freiform-Oberfläche zunehmende Strahldivergenz beziehungsweise Strahlenbündel-Divergenz durch die zweite Freiform-Oberfläche nun vorteilhafterweise kompensiert beziehungsweise zumindest reduziert werden kann. Hierdurch lässt sich also vorteilhafterweise gleichzeitig eine gezielte Verformung einer Lichtverteilung in gewünschter Weise ohne zunehmende Strahlenbündel-Divergenz und ohne verringerten Q-Faktor erzielen. Da diese Funktionen durch ein einzelnes optisches Element bereitgestellt werden, welches sowohl reflektierende als auch die refraktierende Eigenschaften hat, entfällt zudem auch der Aufwand einer korrekten Positionierung dieser beiden optisch wirksamen Oberflächen zueinander. Zudem kann hierdurch auch enorm Bauraum gespart werden, was insbesondere bei der Verwendung dieses optischen Elements in Systemen oder Einrichtungen mit begrenzten Bauraum besonders von Vorteil ist, wie dies beispielsweise bei Laserscanner in der Fall ist. Zudem sind durch die Bereitstellung eines einzelnen optischen Elements, welches sowohl reflektierende Eigenschaften als auf brechende Eigenschaften aufweist, die Lichtverluste deutlich geringer, als wenn diese Eigenschaften durch separate optische Elemente, wie zum Beispiel ein Spiegel und eine davon separate Linse, umgesetzt werden würden. Wenngleich sich auch das optische Element besonders für Sendeeinrichtungen von optischen Erfassungsvorrichtungen, wie Laserscanner eignet, so ist jedoch vorteilhafterweise den Einsatzgebieten dieses optischen Elements keine Grenzen gesetzt. Insbesondere kann dieses erfindungsgemäße optische Element und seine Ausführungsformen in jedem beliebigen optischen System Anwendung finden, in welchem eine gewünschte Entzerrung oder Veränderung einer gegebenen Lichtverteilung ohne Reduktion der Strahlqualität durch zunehmende Divergenz und reduziertem Q-Faktor erreicht werden soll.
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Unter einer Divergenz eines Strahlenbündels ist dabei eine Zunahme der Halbwertsbreite (FWHM) in Ausbreitungsrichtung des Lichts zu verstehen, welche üblicherweise mit einem Winkel angegeben wird, der den Öffnungswinkel des divergierenden beziehungsweise auseinanderlaufenden Strahlenbündels beschreibt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Element dazu ausgebildet, eine, insbesondere über mehrere Zeitschritte hinweg, auf die zweite Freiform-Oberfläche des optischen Elements in zumindest einer Einstrahlrichtung einstrahlbare erste Lichtverteilung, welche in ihrer Gesamtheit, insbesondere auch über die mehreren Zeitschritte hinweg, in einer ersten Ebene senkrecht zur zumindest einen Einstrahlungsrichtung auf das optische Element einstrahlbar ist, durch zwei nicht parallele erste Geraden begrenzt ist, auf eine ein Sichtfeld bereitstellende Lichtverteilung abzubilden, welche in einer zweiten Ebene senkrecht zu zumindest einer bestimmten Abstrahlrichtung durch zwei parallele zweite Geraden begrenzt ist.
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Mit anderen Worten ist das optische Element also dazu ausgelegt, eine auf das optische Element eingestrahlte Lichtverteilung, welche zum Beispiel eine Linienstruktur aufweist mit mehreren voneinander beabstandet Linien, bei welcher die Linien jedoch einen mehr oder weniger großen Winkel miteinander einschließen, auf eine Lichtverteilung mit einer Linienstruktur abzubilden, in welcher nun alle Linien parallel zueinander verlaufen. Über mehrere Zeitschritte hinweg ist dabei vorzugsweise so zu verstehen, dass bei der Anwendung dieses optischen Elements in einem Laserscanner üblicherweise solche einzelnen Linien, die durch ein in einer Richtung ausgedehntes Strahlenbündel bereitgestellt werden, nicht gleichzeitig sondern in einer zeitlichen Abfolge mehrerer aufeinanderfolgende Zeitschritte auf das optische Element eingestrahlt und von diesem abgestrahlt und in beschriebener Weise abgebildet werden.
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Die erste und zweite Ebene bezeichnen hierbei im Allgemeinen Schnittebenen, die nicht parallel zu den Einstrahlrichtungen beziehungsweise Abstrahlrichtung in verlaufen.
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Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise der sogenannte Bananen-Effekt kompensieren. Diese beschriebene Kompensation wird dabei vorzugsweise hauptsächlich durch eine entsprechende Auslegung der reflektierenden ersten Freiform-Oberfläche des optischen Elements bewirkt. Jedoch kann eine weitere Restkompensation vorteilhafterweise auch noch zusätzlich von der reflektierenden zweiten Freiform-Oberfläche übernommen werden. Dies ist wiederum gerade dann von ganz besonders großem Vorteil, wenn der Bauraum, in welchen das optische Element angeordnet werden soll, stark begrenzt ist. Dies ist beispielsweise wiederum der Fall, wenn das optische Element Anwendung in einem Laserscanner für ein Kraftfahrzeug Einsatz findet. Aufgrund der beschränkten Sensorgröße sind auch die Abmessungen für das optische Element gerade in horizontaler Richtung bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage im Kraftfahrzeug begrenzt. Würde beispielsweise zur Kompensation des Bananen-Effekts lediglich ein Freiformspiegel verwendet werden, so wäre für typische Laserscanner keine vollständige Kompensation des Bananen-Effekts aufgrund der begrenzten Ausdehnung eines solchen Freiformspiegels in horizontaler Richtung möglich. Versuche mit nur einem Freiformspiegel zur Kompensation des Bananen-Effekts haben ergeben, dass sich bei den üblicherweise in einem Laserscanner zur Verfügung stehenden Ausdehnungen für einen solchen Kompensationsspiegel immer noch eine Abweichung von mindestens 1° von der Vertikalen bei einem Abstrahlwinkel beziehungsweise Scanwinkel von 35°ergibt. Der Bananen-Effekt kann sich damit also mit lediglich einem Freiformspiegel nicht vollständig kompensieren lassen. Das erfindungsgemäße optische Element und seine Ausführungsformen ermöglichen dagegen vorteilhafterweise durch die beiden unterschiedlichen und kombinierten Wirkflächen eine deutlich bessere Kompensation des Bananen-Effekts bei zusätzlich kleinerer Ausbildung, da diese Kompensation nicht nur durch eine entsprechende Ausbildung der reflektierenden ersten Freiform-Oberfläche erfolgt, sondern zusätzlich auch noch durch eine entsprechende Ausbildung der zweite Empfang Freiform-Oberfläche, die brechend ist, unterstützt werden kann.
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Weiterhin kann vorteilhafterweise durch die brechende Freiform-Oberfläche nicht nur eine Reduktion der Strahl- beziehungsweise Strahlenbündel-Divergenz erreicht werden, sondern zusätzlich auch eine Homogenisierung in Bezug auf verschiedene Abtastwinkel beziehungsweise Abstrahlwinkel. Bei einer Kompensation des Bananen-Effekts durch zum Beispiel nur einen Freiformspiegel würde nicht nur eine größere Strahlenbündel-Divergenz eines jeweiligen Abtaststrahlenbündels auftreten, diese wäre zudem auch noch inhomogen und würde umso stärker ausfallen, je größer die Abstrahlwinkel sind. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer zusätzlichen brechenden zweiten Freiform-Oberfläche lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass die Strahlenbündel-Divergenz unabhängig vom Abstrahlwinkel auf ein Minimum reduziert werden kann. Dadurch lassen sich vor allem bei sehr großen Abstrahlwinkeln besonders große Vorteile erzielen, was insbesondere dann besonders relevant ist, wenn ein möglichst großes Sichtfeld in einer bestimmten Richtung, zum Beispiel in horizontaler Richtung mit Bezug auf eine bestimmungsgemäße Einbaulage im Kraftfahrzeug, bereitgestellt werden soll.
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Daher weist das optische Element bevorzugt einen zentralen Bereich der brechenden Freiform-Oberfläche auf und die brechende Freiformoberfläche ist weiterhin derart ausgestaltet, das die Divergenz des durch die zweite Freiform-Oberfläche in einem Lichtaustrittsbereich austretenden Strahlenbündels umso stärker reduziert ist, je größer der Abstand des Lichtaustrittsbereichs mit Bezug auf eine vorbestimmte erste Richtung zum zentralen Bereich ist. Hierdurch lässt sich oben beschriebene Homogenisierung der Divergenz auf besonders vorteilhafte und einfache Weise bereitstellen. Zudem kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die brechende Freiform-Oberfläche derart ausgestaltet ist, dass ein in einem Lichtaustrittsbereich austretendes Strahlenbündels unabhängig vom Abstand des Lichtaustrittsbereichs mit Bezug auf eine zur ersten Richtung senkrechte zweite Richtung zum zentralen Bereich gleichbleibend stark reduziert wird.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das optische Element derart ausgebildet ist, dass die oben beschriebenen Funktion der Reduktion der Divergenz und der Kompensation des Bananen-Effekts durch das optische Element mit Bezug auf eine auf das optische Element eingestrahlte Lichtverteilung umsetzbar ist, die durch ein oder mehrere Strahlenbündel bereitstellbar ist, welches nicht kollimiert ist, sondern auseinanderläuft, und insbesondere von einem gemeinsamen Abstrahlbereich stammt, der kleiner ist als die durch das Strahlenbündel beleuchtete Fläche des optischen Elements. Hierdurch ist das optische Element besonders gut an die Gegebenheiten in einem Laserscanner angepasst.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Element dazu ausgelegt, bei Abstrahlung des von der ersten Freiform-Oberfläche reflektierten Strahlenbündels die bei der Reflexion vergrößerte Divergenz des Strahlenbündels derart zu reduzieren, dass das abgestrahlte Strahlenbündel eine Divergenz kleiner als 0,2° aufweist. Vorzugsweise gilt dies für alle Abstrahlwinkel in einem Abstrahlwinkelbereich von bis zu 150°, beziehungsweise von -75°bis +75°. Insbesondere lässt sich durch das optische Element sogar eine Divergenz von nur 0,1° erreichen. Dabei haben Versuche, bei denen lediglich ein Freiformspiegel zur Korrektur des Bananen-Effekts verwendet wurde, ergeben, dass die Divergenz des Strahlenbündels bei einem Abtastwinkel von 0° bereits mindestens 0,2°beträgt, während bei einem Abtastwinkel von 35°eine Divergenz des Strahlenbündels von 1,2°zu verzeichnen ist. Hi eran ist deutlich zu erkennen, dass gerade im Hinblick auf die Strahlqualität durch das optische Element, welches eine reflektierende sowie brechende Freiform-Oberfläche kombiniert, deutliche Vorteile sowohl hinsichtlich der Reduktion der Divergenz als auch hinsichtlich deren Homogenisierung über einen großen Abstrahlwinkelbereich hinweg erzielt werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Element als eine Freiformlinse mit einer reflektierenden Beschichtung auf einer Seite der Freiformlinse zur Bereitstellung der ersten reflektierenden Freiform-Oberfläche des optischen Elements ausgebildet. Hierdurch wird eine besonders einfache Bereitstellung des optischen Elements ermöglicht. Insbesondere kann eine solche Freiformlinse auf besonders einfache Weise durch ein Spritzgussverfahren, welches nachfolgend noch näher beschrieben wird, bereitgestellt werden, was eine besonders kostengünstige Herstellung des optischen Elements ermöglicht. Durch die Beschichtung zur Erzeugung der reflektierenden Freiform-Oberfläche können zudem auch Probleme, die sich bei separaten optischen Elementen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben können, vermieden werden. Es sind damit vorteilhafterweise auch keine Abstimmungen zwischen unterschiedlichen Materialien und Materialeigenschaften notwendig, wie dies der Fall wäre, wenn separate optische Elemente aufeinander abgestimmt werden müssten.
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Vorzugsweise umfasst die reflektierende Beschichtung ein metallisches Material, da solche metallischen Materialien besonders gut geeignet sind, um die reflektierenden Eigenschaften bereitzustellen. Im Prinzip kommt hierzu jedes beliebige metallische Material in Frage. Beispiele hierfür sind Gold, Silber, Aluminium und/oder Kupfer. Auch kommen als Beschichtung beliebig ausgebildete Legierungen in Frage. Silber zeichnet sich dabei vor allen anderen durch seine besonders hohe Reflexivität aus.
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Die Freiformlinse umfasst vorzugsweise ein Glas und/oder einen Kunststoff. Im Prinzip kommt auch für die Freiformlinse jedes beliebige transparente Material in Frage. Typische Kunststoffe sind beispielsweise PMMA (Polymethylmethacrylat) oder PC (Polycarbonat). Glas zeichnet sich dabei gegenüber Kunststoffen durch seine besonders hohe Härte und Kratzfestigkeit aus, während Kunststoffe gegenüber Glas den großen Vorteil haben, dass diese deutlich leichter sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Sendeeinrichtung für eine optische Erfassungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Sendeeinrichtung ein erfindungsgemäßes optische Element oder eines seiner Ausführungsformen aufweist. Die für das erfindungsgemäße optische Element und seine Ausführungsformen beschriebenen Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile gelten dabei in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Sendeeinrichtung.
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Vorzugsweise weist die Sendeeinrichtung eine Lichtquelle zur Bereitstellung mindestens eines Strahlenbündels auf. Die Lichtquelle kann beispielsweise auch mehrere Einzellichtquellen umfassen. Beispielsweise umfasst die Lichtquelle mindestens eine Laserdiode, vorzugsweise auch mehrere Laserdioden, wie beispielsweise ein Laserdioden-Array. Zudem weist die Sendeeinrichtung vorzugsweise eine Ablenkeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, dass mindestens eine Strahlenbündel in aufeinanderfolgenden Zeitschritten in unterschiedliche vorbestimmte Einstrahlrichtungen abzulenken und auf die zweite Freiform-Oberfläche des optischen Elements einzustrahlen. Dabei korrespondiert eine jeweilige Einstrahlrichtung zu einer jeweiligen Abstrahlrichtung, in welcher das auf die zweite Freiform-Oberfläche des optischen Elements eingestrahlte Strahlenbündel nach Reflexion an der ersten Freiform-Oberfläche des optischen Elements von der zweiten Freiform-Oberfläche des optischen Elements abgestrahlt wird. Vorteilhaft wird so je nach aktueller Einstrahlungsrichtung der Einstrahlung des Strahlenbündels auf das optische Element dieses Strahlenbündel in eine bestimmte Abstrahlrichtung, beziehungsweise in einen jeweiligen Abstrahlbereich abgestrahlt. Durch Variation, insbesondere zeitliche Variation der Einstrahlungsrichtungen kann so vorteilhafterweise ein vorbestimmter Umgebungsbereich, insbesondere das Sichtfeld der Sendeeinrichtung, abgescannt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ablenkeinheit einen Spiegel mit einer Spiegelebene auf. Der Spiegel stellt dabei vorzugsweise einen MEMS (Mikroelektromechanisches System)-Spiegel dar. Weiterhin ist die Sendeeinrichtung vorzugsweise derart eingerichtet, dass das mindestens eine von der Lichtquelle bereitgestellte Lichtbündel in einer Haupteinstrahlrichtung auf die Spiegelebene einstrahlbar ist, wobei der Spiegel derart angeordnet ist, dass die Spiegelebene gegenüber der Haupteinstrahlrichtung um einen festen ersten Winkel um eine erste Achse senkrecht zur Haupteinstrahlrichtung geneigt ist und um verschiedene vorbestimmte zweite Winkel um eine zweite zur ersten Achse senkrecht stehende zweite Achse schwenkbar ist, insbesondere wobei die erste und die zweite Achse in der Spiegelebene verlaufen. Durch Schwenken des Spiegels um die zweite Achse beziehungsweise durch Einstellen des Spiegels in jeweiligen Zeitschritten auf unterschiedliche zweite Winkel kann vorteilhafterweise eine Ablenkung des eingestrahlten Strahlenbündels in die unterschiedlicher Einstrahlrichtungen auf das optische Element bereitgestellt werden.
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Durch die zusätzliche Neigung der Spiegels um den festen ersten Winkel kann vorteilhafterweise ein besonders großes Sichtfeld in zumindest einer Richtung, insbesondere in horizontaler Richtung bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt werden. Dieser feste Winkel bedingt aber zugleich den beschriebenen Bananen-Effekt, weshalb gerade die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Elements oder eines seiner Ausgestaltungen in dieser Anordnung besonders vorteilhaft ist. So lässt sich durch diese Anordnung gleichzeitig ein besonders großes Sichtfeld unverzerrt und mit sehr hoher Strahlqualität bereitstellen. Der feste erste Winkel ist dabei zum Beispiel als Winkel zwischen der Haupteinstrahlrichtung und der Spiegelebene definiert, und beträgt zwischen 0 und 90°, vorzugsweise zwischen 10 und 80°, zum Beispiel 57°. Je kleiner dieser Win kel ist, beziehungsweise je größer der Winkel zwischen der Flächennormalen der Spiegelebene und der Haupteinstrahlrichtung ist, desto größer ist auch der Bananen-Effekt. Vorzugsweise lässt sich durch diese Anordnung ein Sichtfeld bereitstellen, welches zumindest in einer Richtung einen Öffnungswinkel von mindestens 100°, insbesondere vo rzugsweise mindestens 150° aufweist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Sichtfeld in einer dazu senkrechten Richtung, wie beispielsweise in der vertikalen Richtung, einen Öffnungswinkel von mindestens 10°, insbesondere mindestens 20°, wie be ispielsweise 26° aufweist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einem jeweiligen zweiten Winkel ein Einstrahlrichtungsbereich zugeordnet, wobei sich die Einstrahlrichtungen eines ersten der Einstrahlrichtungsbereiche von den Einstrahlrichtungen eines vom ersten verschiedenen zweiten der Einstrahlrichtungsbereiche in einem dritten Winkel unterscheiden, der doppelt so groß ist wie die Differenz der dem ersten und zweiten Einstrahlrichtungsbereichen zugeordneten zweiten Winkeln.
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Hierdurch lassen sich vorteilhafterweise nicht nur Abtastpunkte sondern Abtastenlinien, welche zum Beispiel in Bezug auf die bestimmungsgemäße Einbaulage im Kraftfahrzeug vertikal orientiert sind, in einzelnen Zeitschritten bereitstellen. Das in einem jeweiligen Zeitschritt durch den Spiegel reflektierte und auf das optische Element eingestrahlte Strahlenbündel ist also gewissermaßen in einer Richtung ausgedehnt und umfasst damit nicht nur eine einzelne Einstrahlungsrichtung sondern mehrere die in einer Ebene liegen. Somit wird also in einem jeweiligen Zeitschritt gewissermaßen eine Einstrahlebene bereitgestellt, die in realen Systemen auch eine gewisse, jedoch sehr geringe Dicke aufweist. Diese in einem jeweiligen Zeitschritt bereitgestellten Einstrahlebenen unterscheiden sich damit in dem beschriebenen dritten Winkel. Wird also beispielsweise zwischen zwei Zeitschritten die Orientierung der Spiegelebene um einen Winkel von 2° geändert, so unterscheiden sich die jeweiligen resultierenden Einstrahlebenen um einen Winkel von 4°, also dem Doppelten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sendeeinrichtung derart eingerichtet, dass das optische Element für einen jeweiligen eingestellten zweiten Winkel des Spiegels mit einer Lichtverteilung, insbesondere in einer Schnittebene, zum Beispiel senkrecht zur einen Einstrahlrichtung oder Einstrahlebene, betrachtet, bestrahlt wird, die in einer jeweiligen ersten Richtung eine maximale Ausdehnung aufweist, die eine Länge definiert, die um ein Vielfaches größer ist als eine Breite der Lichtverteilung senkrecht zur Länge. Zur Bereitstellung einer derartigen Lichtverteilung können entsprechende strahlformende Elemente vorgesehen sein. Beispielsweise kann das durch die Lichtquelle bereitgestellte Strahlenbündel durch eine FAC(Fast-Axis Collimating)-Linse in einer Ausdehnungsrichtung auf eine minimale Breite reduziert werden, während das Lichtbündel einer Richtung senkrecht dazu in seiner Ausdehnung nicht oder deutlich geringer reduziert wird. Entsprechend werden dann Strahlenbündel in jeweiligen Zeitschritten über den schwenkbaren Spiegel auf das optische Element eingestrahlt, welche im Querschnitt eine Länge aufweisen, die deutlich größer, insbesondere um Größenordnungen größer, sind als deren Breiten.
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Bedingt durch den fixen ersten Winkel, um welchen der Spiegel gegenüber der Haupteinstrahlrichtung geneigt ist, ergibt es sich jedoch, dass die jeweiligen ersten Richtungen, die also die Längsausdehnung der jeweiligen Strahlenbündel im Querschnitt in einem jeweiligen Zeitschritt beschreiben, für einen jeweiligen eingestellten zweiten Winkel des Spiegels einen vierten Winkel miteinander einschließen, der von Null verschieden ist. Die in jeweiligen Zeitschritten auf das optische Element eingestrahlten Lichtstreifen sind also nicht parallel zueinander, sondern schließen jeweilige vierte Winkel miteinander ein. Die Neigung dieser Längsausgedehnten Lichtstreifen mit Bezug auf eine Referenzrichtung, zum Beispiel mit Bezug auf die Ausdehnung des Lichtstreifens, der sich bei einem zweiten Winkel des Spiegels von 0° e rgibt, ist dabei umso größer, je größer der aktuelle Ablenkwinkel, das heißt also der zweite Winkel des Spiegels, ist.
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Dies beschreibt wiederum den durch den fixen ersten Winkel des Spiegels verursachten Bananen-Effekt, der vorteilhafterweise durch das optische Element kompensiert wird. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, dass das optische Element dazu ausgebildet ist, die für einen jeweiligen eingestellten zweiten Winkel des Spiegels auf das optische Element eingestrahlte Lichtverteilung auf eine jeweilige abgestrahlte Lichtverteilung abzubilden, die in einer jeweiligen zweiten Richtung eine maximale Ausdehnung aufweist, die eine Länge definiert, die wiederum um ein Vielfaches größer ist als eine Breite der jeweiligen abgestrahlten Lichtverteilung senkrecht zur Länge, wobei die zweiten Richtungen jeweils zueinander parallel sind. Mit anderen Worten können so die auf das optische Element in einer zeitlichen Abfolge eingestrahlten und nicht zueinander parallelen Lichtstreifen beziehungsweise Lichtlinien auf zueinander parallele Lichtstreifen beziehungsweise Lichtlinien oder Scanlinien abgebildet werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine optische Erfassungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise einen Laserscanner, wobei die optische Erfassungsvorrichtung eine erfindungsgemäße Sendeeinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen aufweist. Zusätzlich kann die optische Erfassungsvorrichtung auch noch eine geeignete Empfangseinrichtung zum Detektieren der reflektierten Teile der ausgesendeten Scanstrahlen beziehungsweise Scanlinien aufweisen, die von Objekten reflektiert werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen optischen Erfassungsvorrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungsformen.
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Die für die erfindungsgemäße Sendeeinrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße optische Erfassungsvorrichtung. Die optische Erfassungsvorrichtung ist vorzugsweise als Laserscanner ausgebildet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements, insbesondere eines erfindungsgemäßen optischen Elements oder eines seiner Ausgestaltungsformen. Gemäß diesem Verfahren wird dabei ein geschmolzener Werkstoffs in ein Spritzgusswerkzeug, welches eine Kavität aufweist, eingefüllt. Weiterhin weist dabei die Kavität eine erste Seite mit einer ersten vorbestimmten Freiform-Oberfläche auf, die zur ersten Freiform-Oberfläche des optischen Elements korrespondiert, und eine zweite Seite mit einer zweiten vorbestimmten Freiform-Oberfläche, die zur zweiten Freiform-Oberfläche des optischen Elements korrespondiert. Zudem liegt die erste Seite der Kavität zumindest im mit dem Werkstoff befüllten Zustand des Spritzgusswerkzeugs der zweiten Seite der Kavität gegenüber. Weiterhin wird der Werkstoff anschließend in den festen Zustand überführt, wobei der Werkstoff zumindest im festen Zustand transparent ist. Danach wird der aus dem Spritzgusswerkzeug entnommene und eine Freiformlinse bildende Werkstoffs auf einer der durch die erste Seite der Kavität gebildeten vorbestimmten Freiform-Oberfläche des Werkstoffs mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet.
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Durch dieses Verfahren lässt sich das erfindungsgemäße optische Element und jede seiner Ausgestaltungsformen auf besonders einfache und kostengünstige Weise herstellen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
- 2 eine schematische Darstellung eines optischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Sendeeinrichtung einer optischen Erfassungsvorrichtung mit einem optischen Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4a eine schematische Darstellung einer ersten von einem Laserscanner gemäß dem Stand der Technik erzeugten Scan-Lichtverteilung;
- 4b eine schematische Darstellung einer zweiten von einem Laserscanner erzeugten Scan-Lichtverteilung ohne Kompensation der Strahldivergenz;
- 4c eine schematische Darstellung einer dritten von einem Laserscanner mit einem optischen Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugten Scan-Lichtverteilung; und
- 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Freiformlinse für ein optisches Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Auch sind die in den Figuren dargestellten Koordinatensysteme als das gleiche Koordinatensystem anzusehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im vorliegenden Fall ist das Kraftfahrzeug 1 als ein Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein Fahrerassistenzsystem 2, welches dazu ausgelegt ist, einen Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 beim Führen des Kraftfahrzeugs 1 zu unterstützen. Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst zumindest eine optische Erfassungsvorrichtung 3, welche dazu ausgelegt ist, einen Umgebungsbereich 4 des Kraftfahrzeugs 1 zu überwachen. Insbesondere können mittels der Erfassungsvorrichtung 3 ein Abstand sowie eine Orientierung eines Objektes O in dem Umgebungsbereich 4 des Kraftfahrzeugs 1 erfasst werden und beispielsweise einer Steuereinrichtung 5 des Fahrerassistenzsystems 2 bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung 5 kann das Kraftfahrzeug 1 zur Kollisionsvermeidung beispielsweise automatisch abbremsen, falls der Abstand des Objektes O einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Im vorliegenden Fall weist das Fahrerassistenzsystem 2 zwei Erfassungsvorrichtungen 3 auf, wobei eine erste Erfassungsvorrichtung 3 in einem Frontbereich 6 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet ist und dazu dient, den Umgebungsbereich 4 vor dem Kraftfahrzeug 1 zu überwachen, und eine zweite Erfassungsvorrichtung 3 in einem Heckbereich 7 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet ist und dazu dient, den Umgebungsbereich 4 hinter dem Kraftfahrzeug 1 zu überwachen. Es können auch weitere Erfassungsvorrichtungen 3, beispielsweise in Seitenbereichen des Kraftfahrzeugs 1, vorgesehen sein.
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Die optische Erfassungsvorrichtung 3 ist im vorliegenden Fall als ein Laserscanner ausgebildet und weist eine Sendeeinrichtung 8 sowie eine Empfangseinrichtung 9 auf. Die Sendeeinrichtung 8 sendet ein Lichtstrahlenbündel 10 in den Umgebungsbereich 4 aus und die Empfangseinrichtung 9 empfängt einen an dem Objekt O reflektierten Teil 11 des Lichtstrahlenbündels 10. Die Empfangseinrichtung 9 kann anhand einer Laufzeit zwischen dem Aussenden des Lichtstrahlenbündels 10 und dem Empfangen des reflektierten Teils 11 des Lichtstrahlenbündels 10 den Abstand des Objektes O erfassen. Das Lichtstrahlenbündel 10 wird dabei nacheinander beziehungsweise schrittweise entlang verschiedener Abtastwinkel α orientiert. Dadurch wird der Umgebungsbereich 4 mittels des Lichtstrahlenbündels 10 rasterartig abgetastet beziehungsweise gescannt. Gemäß 1 sind horizontale Komponenten des Abtastwinkels α in einer von einer Fahrzeuglängsrichtung und einer Fahrzeugquerrichtung aufgespannten Horizontalebene gezeigt. Die horizontale Komponente des Abtastwinkels α sowie eine hier nicht gezeigte vertikale Komponente des Abtastwinkels α in einer von der Fahrzeuglängsrichtung und einer Fahrzeughochrichtung aufgespannten Ebene sind der Sendeeinrichtung 8 bekannt, wodurch auch eine Orientierung beziehungsweise Richtung des Objektes O relativ zum Kraftfahrzeug 1 bekannt ist. Ein Winkelbereich 12 in dem Umgebungsbereich 4, welcher mittels des in unterschiedliche Abtastrichtungen orientierten Lichtstrahlenbündels 10 ausgeleuchtet wird, bildet ein Sichtfeld der Sendeeinrichtung 8, zumindest in der hier dargestellten Horizontalen. Hierbei lässt sich beispielsweise in der Horizontalen ein Sichtfeldmit einem Öffnungswinkel beziehungsweise Winkelbereich 12 von 150° bereitstellen. Der Öffnungswinkel des Sichtfelds in der Vertikalen, das heißt in der y-z-Ebene, kann beispielsweise zwischen 20° und 30°, zu m Bespiel 26°betragen.
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2 zeigt nun eine schematische Darstellung eines optischen Elements 13 für eine Sendeeinrichtung 8 einer optischen Erfassungsvorrichtung 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das optische Element 13 weist eine erste Seite 13a mit einer reflektierenden, spiegelnden und nicht transparenten Freiform-Oberfläche F1 und eine der ersten Seite 13a gegenüberliegende zweite Seite 13b mit einer transparenten und brechenden zweiten Freiform-Oberfläche F2 auf. Das optische Element 13 kann beispielsweise als eine Freiformlinse L bereitgestellt sein, die einseitig mit einer Beschichtung B zur Bereitstellung der spiegelnden Freiform-Oberfläche F1 beschichtet ist. Die Freiformlinse L kann dabei aus jedem beliebigen transparenten Material gebildet sein, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff. Die spiegelnde beziehungsweise reflektierende Beschichtung B umfasst vorzugsweise ein metallisches Material oder eine metallische Materialkombination beziehungsweise Legierung. Die beiden Freiform-Oberflächen F1, F2 können dabei konkav, konvex, gewölbt, facettiert, glatt, sphärisch, asphärisch oder beliebige Kombinationen hiervon ausgebildet sein. Das optische Element 13 ist in diesem Beispiel in 2 schematisch in einer Draufsicht, d.h. in der x-z-Ebene, dargestellt.
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Auf das optische Element 13 eingestrahlte Lichtstrahlenbündel 10, die auf die zweite Seite 13b des optischen Elements 13 eingestrahlt werden, werden zum Großteil durch die zweite Freiform-Oberfläche F2 transmittiert, von der reflektierenden Freiform-Oberfläche F1 reflektiert und wieder über die zweite Freiform-Oberfläche F2 abgestrahlt. Die unterschiedlichen Einstrahlrichtungen E1, E2, E3 korrespondieren dabei zu jeweiligen Abstrahlrichtungen A1, A2, A3, in welche die Lichtstrahlenbündel vom optischen Element 13 abgestrahlt werden. Bei der Verwendung des optischen Elements 13 in einer optischen Erfassungsvorrichtung 3, wie beispielsweise einen Laserscanner, werden vorzugsweise einzelne Lichtstrahlenbündel 10 in einer zeitlichen Abfolge nacheinander auf das optische Element 13 eingestrahlt. In dem in 2 dargestellten Beispiel wird exemplarisch ein erstes Lichtstrahlenbündel 10 in einer ersten Einstrahlungsrichtung E1 zu einem ersten Zeitpunkt t1 eingestrahlt, ein zweites Lichtstrahlenbündel 10 in einer zweiten Einstrahlungsrichtung E2 zu einem zweiten Zeitpunkt t2 und ein drittes Lichtstrahlenbündel 10 in einer dritten Einstrahlungsrichtung E3 zu einem dritten Zeitpunkt t3. Diese unterschiedlichen Einstrahlrichtungen E1, E2, E3 können beispielsweise durch einen schwenkbaren Spiegel 20, welcher nachfolgend näher beschrieben wird, bereitgestellt werden. Weiterhin sind aus Gründen der Übersichtlichkeit hierbei lediglich drei verschiedene Einstrahlrichtungen E1, E2, E3 dargestellt, es können jedoch in gleicher Weise auch vielzählige weitere Einstrahlrichtungen und korrespondierende Abstrahlrichtungen durch eine Sendeeinrichtung 8 bereitgestellt werden.
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Das optische Element 13 ist nun vorteilhafterweise dazu ausgebildet, eine auf die zweite Seite 13b des optischen Elements 13 eingestrahlte Lichtverteilung auf eine abgestrahlte Lichtverteilung abzubilden, welche in vorbestimmter Weise geformt beziehungsweise entzerrt wird. Weißt also beispielsweise eine eingestrahlte Lichtverteilung unerwünschte Verzerrungseffekte auf, so können diese unerwünschten Effekte vorteilhafterweise durch das optische Element 13 kompensiert werden. Um eine derartige Entzerrung bereitzustellen, die vorzugsweise zumindest zum Großteil durch die reflektierende Freiform-Oberfläche F1 bewerkstelligt wird, müssen unweigerlich gekrümmte Oberflächenbereiche oder unterschiedlich zueinander geneigte Oberflächenbereiche vorgesehen werden, die wiederum zu einer starken Divergenz der reflektierten Lichtbündel zur Folge haben. Diese durch Reflexion an der reflektierenden Freiform-Oberfläche F1 entstehenden Divergenzen können nun vorteilhafterweise durch die zweite F2 reduziert, sowie zusätzlich auch homogenisiert werden. Durch das optische Element 13 kann es damit auf besonders bauraumeffiziente Weise bewerkstelligt werden eine gewünschte Lichtverteilung mit besonders hoher Strahlqualität abzustrahlen, was wiederum der Messgenauigkeit zu Gute kommt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Sendeeinrichtung 8 für eine optische Erfassungsvorrichtung 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Sendeeinrichtung weist eine Lichtquelle 18 zum Bereitstellen eines Lichtstrahlenbündels 10 auf. Die Lichtquelle 18 kann dabei eine oder mehrere Laserdioden oder andersartige Lichtquellen aufweisen, und zum Beispiel als ein Laserdioden-Array ausgeführt sein. Weiterhin kann die Lichtquelle 18 gepulst betrieben werden, sodass in einem jeweiligen Zeitschritt t1, t2, t3 ein Lichtpuls in Form eines Strahlenbündels 10 bereitgestellt wird. Die Lichtquelle 18 ist vorzugsweise zur Aussendung monochromatischer Lichtbündel 10 ausgebildet. Die Wellenlänge dieser monochromatischen Lichtbündel kann in jedem beliebigen Wellenlängenbereich liegen, vorzugsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich und/oder im Infrarotbereich und/oder ultravioletten Bereich. Beispielsweise kann die Lichtquelle 18 zur Aussendung von Licht mit einer Wellenlänge von 905 nm ausgelegt sein.
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Weiterhin weist die Sendeeinrichtung 8 eine Ablenkeinrichtung 19 auf, welche einen Spiegel 20 umfasst. Der Spiegel 20 stellt vorzugsweise einen MEMS-Spiegel dar. Weiterhin weist der Spiegel 20 vorzugsweise eine ebene Spiegelfläche 21 auf. Mittels des Spiegels 20 kann das eingestrahlte Strahlenbündel 10 in verschiedene Richtungen E1, E2, E3 abgelenkt werden. Um ein möglichst großes Sichtfeld bereitstellen zu können, ist der Spiegel 20 beziehungsweise dessen ebene Spiegelfläche 21 um einen fixen Winkel β gegenüber der Haupteinstrahlrichtung 22 des eingestrahlten Lichtstrahlenbündels 10 geneigt. In diesem Beispiel ist der Spiegel 20 dabei um eine parallel zur x-Achse des eingezeichneten Koordinatensystems verlaufende Achse, gedreht.
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Zur Bereitstellung der unterschiedlichen Einstrahlrichtungen E1, E2, E3 zur Einstrahlung der Strahlenbündel 10 auf das optische Element 13 ist der Spiegel 20 weiterhin um eine zweite Schwenkachse S, die in diesem Beispiel senkrecht zur x-Achse verläuft und in der Spiegelebene liegt, um verschiedene vorbestimmte Winkel γ schwenkbar. Jeder zu einem jeweiligen Zeitschritt t1, t2, t3 eingestellte aktuelle Winkel γ stellt damit eine vorbestimmte Einstrahlungsrichtung E1, E2, E3 bereit, unter welcher das Lichtstrahlenbündel 10 auf das optische Element 13 abgelenkt wird.
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Weiterhin ist es bevorzugt, um mittels dieser Sendeeinrichtung 8 die Umgebung 4 abzutasten, nicht einzelne Scanpunkte sondern vielmehr Scanlinien auszusenden, die in Bezug auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der optischen Erfassungsvorrichtung 3 am Kraftfahrzeug 1 vorzugsweise alle in vertikaler Richtung verlaufen. Zur Bereitstellung solcher Scanlinien kann das Lichtstrahlenbündel 10 in eine Richtung aufgeweitet werden beziehungsweise in einer Richtung senkrecht dazu verschmälert. Hierzu kann beispielsweise im Strahlengang zwischen der Lichtquelle 18 und der Ablenkeinheit beziehungsweise Ablenkeinrichtung 19 eine FAC-Linse 23 angeordnet sein, welche die Strahlbreite des ausgesandten Lichtbündels 10 in einer Richtung, in diesem Fall die x-Richtung, verschmälert. Weiterhin kann im Strahlengang auch eine Kollimator-Linse 24 der FAC-Linse 23 nachgeschaltet sein, um das Lichtbündel 10 zu kollimieren, insbesondere wiederum vorzugsweise nur in x-Richtung, und das Strahlenbündel in der y-z-Ebene auf den Spiegel 20 zu fokussieren. Hieraus ergibt sich ein Strahlenbündel 10, welches sich nach Reflexion am Spiegel 20 über einen Einstrahlbereich 25 erstreckt. Diese in diesem Einstrahlbereich 25 in der ersten Richtung E1 verlaufenden Lichtstrahlen liegen dabei alle in einer Ebene. In diesem Beispiel ist das Lichtstrahlenbündel 10 in einer Nullstellung des Spiegels 20, d.h. für γ gleich 0°, dargestellt. In 3 ist also eine Seitenansicht des Lichtstrahlenbündels 10 in der ersten Einstrahlungsrichtung E1 dargestellt, welches in 2 in einer Draufsicht zu sehen ist. Für unterschiedliche Ablenkwinkel γ entstehen also in einer zeitlichen Abfolge sich ausweitende Einstrahlbereiche 21, die sich jeweils in einem Winkel δ unterscheiden, der in 2 exemplarisch für die erste Einstrahlrichtung E1 und die zweite Einstrahlrichtung E2 dargestellt ist.
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Durch dieses in 3 in der dargestellten y-Richtung aufgeweitete Strahlenbündel 10 lässt sich eine Scanlinie bereitstellen, welche in y-Richtung, also zum Beispiel in der Vertikalen, einen Öffnungswinkel von beispielsweise 26° aufweist, während der Öffnungswinkel senkrecht dazu, d.h. in der hier dargestellten x-Richtung eines solchen abgestrahlten Lichtstrahlenbündels 10 lediglich zum Beispiel 0,1°bemisst. Ein derart kleiner Öffnungswinkel in x-Richtung, insbesondere für alle Einstrahlrichtungen E1, E2, E3 und die entsprechenden Abstrahlrichtungen A1, A2, A3, lässt sich jedoch erst durch das optische Element 13 erreichen. Dies soll nun durch Fig. 4a bis Fig.4c näher erläutert werden.
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4a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Lichtverteilung 14a wie sie durch eine Sendeeinrichtung gemäß dem Stand der Technik ausgesandt werden würde ohne das optische Element 13. Die angegebenen Winkel α0, α1 und α2 bezeichnen hierbei die Ablenkwinkel, in welcher das von einer Sendeeinrichtung ausgesandte Lichtstrahlenbündel ausgesandt wird. Insbesondere würde eine derartige Lichtverteilung 14a über mehrere Zeitschritte t1, t2, t3 betrachtet in einer Schnittebene, zum Beispiel senkrecht zur Abstrahlrichtung bei einem Abstrahlwinkel α von 0°, der hier mit α0 bezeichnet ist, entstehen, mit einer Anordnung gemäß 3 ohne das optische Element 13, sondern zum Beispiel stattdessen mit lediglich einem ebenen Umlenkspiegel. Das Sichtfeld erstreckt sich entsprechend über einen Winkelbereich von -α2 bis +α2 bezogen auf die x-z- Ebene, beispielsweise der Horizontalen. α1 ist beispielsweise 30° und α2 beispielsweise 75°. Durch den fixen Winkel β, den der Spiegel 20 gegenüber der Haupteinstrahlrichtung 22 des eingestrahlten Lichtstrahlenbündels 10 aufweist, ergibt sich ohne das optische Element 13 eine abgestrahlte Lichtverteilung 14a, gemäß welcher die einzelnen Scanlinien eine jeweilige Länge l0, l1, l2 in einer jeweiligen Richtung aufweisen, die nicht parallel zueinander verlaufen, sondern mehr oder weniger gegenüber der Vertikalen geneigt sind. Je größer dabei der Ablenkwinkel α ist, desto stärker sind die Scanlinien in ihrer entsprechenden Längsausdehnung gegenüber der Vertikalen beziehungsweise der hier dargestellten y-Richtung geneigt. Exemplarisch sind hier lediglich die das Sichtfeld begrenzende Scanlinien 15a und 15b mit einem Bezugszeichen versehen. Entsprechend wird also das Sichtfeld zumindest in einer Richtung, hier der x-Richtung, durch zwei nicht parallel zueinander verlaufende Geraden begrenzt. Diese Verzerrung beziehungsweise Deformation des Sichtfelds führt zu einer effektiven Reduktion des tatsächlich nutzbaren Sichtfelds einer optischen Erfassungsvorrichtung, und ist daher unerwünscht. Durch das optische Element 13 lässt sich vorteilhafterweise eine Entzerrung dieses Sichtfeld bewerkstelligen.
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Diese in 4a dargestellte Lichtverteilung korrespondiert in seiner Formgebung dabei ebenso zu der gemäß der Sendeeinrichtung aus 3 vom Spiegel 20 auf das optische Element 13 in aufeinanderfolgenden Zeitschritten eingestrahlten Lichtverteilung, die nun durch das optische Element vorteilhafterweise entzerrt und somit dieser Bananen-Effekt kompensiert werden kann.
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4b zeigt eine schematische Darstellung eines Sichtfelds 14b, wie dieses sich ergeben würde, wenn anstelle des optischen Elements 13, wie in 3 dargestellt, sich lediglich ein Freiformspiegel befinden würde. Die das Sichtfeld begrenzende Scanlinien 16a, 16b verlaufen hierbei als zueinander parallele Geraden, und insbesondere auch parallel zu allen übrigen dazwischen befindlichen Scanlinien. Die Entzerrung des Sichtfeldes durch lediglich einen Freiformspiegel bewirkt jedoch nachteiligerweise eine deutliche Divergenz der jeweiligen Strahlenbündel, die sich vor allem in einer deutlichen Verbreiterung der jeweiligen Scanlinien in x-Richtung bemerkbar macht. Zudem ist eine derartige Verbreiterung umso stärker ausgeprägt, je größer die Scanwinkel bzw. Abstrahlwinkel α sind.
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Durch das erfindungsgemäße optische Element 13 und seinen Ausführungsformen lässt es sich nun vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass sowohl der in 4a dargestellte Bananen-Effekt vollständig kompensiert wird und zugleich auch eine Divergenz der einzelnen Strahlenbündel auf ein Minimum reduziert werden kann. Dies ist in 4c dargestellt. Insbesondere zeigt 4c dabei eine schematische Darstellung einer dritten Lichtverteilung, wie sie sich zum Beispiel durch eine Ausführungsform der Sendeeinrichtung 8 wie in 3 dargestellt ergibt. Die jeweiligen Scanlinien verlaufen nun mit Bezug auf ihre jeweiligen Längen l0', l1', l2' parallel zueinander, mit deutlich verringerte Breite senkrecht zu ihren Längen l0', l1', l2', insbesondere im Gegensatz zu Lichtverteilung 14b aus 4b. Das Sichtfeld wird wiederum in x-Richtung durch zwei parallele Scanlinien 17a, 17b begrenzt, die durch parallel zueinander verlaufende Geraden beschrieben werden können.
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Weiterhin können einzelne Oberflächenbereiche der zweiten Freiform-Oberfläche F2 sowie insbesondere auch der ersten Freiform-Oberfläche F1 jeweiligen Einstrahlrichtungen E1, E2, E3 sowie jeweiligen dazugehörigen Abstrahlrichtungen A1, A2, A3 zugeordnet sein, insbesondere so, dass sich die den jeweiligen Einstrahlrichtungen E1, E2, E3 zugeordneten Oberflächenbereiche der jeweiligen Freiform-Oberfläche F1, F2 für unterschiedliche Einstrahlrichtungen E1, E2, E3 nicht überlappen. Vorzugsweise überlappen sich auch die jeweiligen Abstrahlbereiche der zweiten Freiform-Oberfläche F2 für unterschiedliche Abstrahlrichtungen A1, A2, A3 nicht, und insbesondere auch nicht mit den Einstrahlbereichen. Dadurch ist es vorteilhafterweise auf besonders einfache Weise möglich, die jeweiligen Ein- und Ausstrahlbereiche der zweiten Freiform-Oberfläche sowie die jeweiligen Reflexionsbereiche der erste Freiform-Oberfläche vorteilhafterweise an die jeweilige für den jeweiligen Abstrahlwinkel zu erzielenden Effekt in Bezug auf die Kompensation des Bananen-Effekt sowie zur Kompensation der Divergenz zu optimieren. Die dafür erforderliche Ausprägungen und Ausbildungen der jeweiligen Freiform-Oberfläche F1 und F2 können damit auf einfache Weise auf Basis des Reflexionsgesetzes sowie des Brechungsgesetzes berechnet und damit bereitgestellt werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Spritzgussverfahrens zum Herstellen einer Freiformlinse L für ein optisches Element 13. Hierbei wird ein Spritzgusswerkzeug 26 bereitgestellt, welches eine Kavität 27 aufweist. Diese Kavität 27 weist wiederum eine erste Seite 27a mit einer ersten vorbestimmten Freiform-Oberfläche F1', die zur ersten Freiform-Oberfläche F1 des optischen Elements 13 korrespondiert, und eine zweite Seite 27b mit einer zweiten vorbestimmten Freiform-Oberfläche F2' auf, die zur zweiten Freiform-Oberfläche F2 des optischen Elements 13 korrespondiert. Zur Herstellung des optischen Elements 13 wird nun ein Werkstoff 28 in geschmolzener Form in die Kavität 27 des Spritzgusswerkzeugs 26 eingefüllt, was durch den Pfeil 29 veranschaulicht ist. Anschließend wird der Werkstoff 27 in den festen Zustand überführt. Ein derartiges Überführen kann beispielsweise durch Aushärten oder Abkühlen des Werkstoffs 27 bewerkstelligt werden. Der feste Werkstoff 27 bildet damit eine Freiformlinse L mit den gewünschten Freiform-Oberflächen F1, F2. Nach Entnahme der Freiformlinse L aus dem Spritzgusswerkzeug 26 wird die erste Seite 13a, die mit der ersten Freiform-Oberfläche F1' der Kavität 27 ausgebildet wurde, mit einer reflektierenden beziehungsweise spiegelnden Beschichtung B beschichtet, um die spiegelnde erste Freiformoberfläche F1 des optischen Elements 13 bereitzustellen.
