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Die vorliegenden Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung für eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Nach dem LIDAR-Prinzip arbeitende Abstandsmessvorrichtungen der vorgenannten Art sind können in einem Kraftfahrzeug beispielsweise für autonomes Fahren oder zur Unfallvermeidung eingesetzt werden. Dabei ist neben der Abdeckung eines weiten horizontalen Gesichtsfeldes (horizontal Field Of View - hFOV) die Güte der Objektauflösung von großer Bedeutung.
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Eine Vorrichtung und eine Abstandsmessvorrichtung der eingangs Art sind aus der
US 9 285 477 B1 bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung nutzt als Lichtquelle einen gepulsten Infrarotlaser, dessen Laserlicht kollimiert wird. Die kollimierte Laserstrahlung trifft auf einen als erste Ablenkmittel dienenden oszillierenden MEMS-Spiegel, der das Laserlicht in einen ersten Winkelbereich auf eine refraktive Sekundäroptik ablenkt. Die Sekundäroptik weist eine zylindrische Eintrittsfläche und eine plane Austrittsfläche auf. Von der Sekundäroptik wird das Laserlicht in einen zweiten Winkelbereich abgelenkt, der größer als der erste Winkelbereich ist, so dass das horizontale Gesichtsfeld vergrößert wird.
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Als nachteilig bei derartigen Vorrichtungen erweist sich, dass mit der Aufweitung des Gesichtsfeldes durch vergleichbare Sekundäroptiken in der Regel eine Verschlechterung der Objektauflösung verbunden ist. 5 bis 7 verdeutlichen die Verhältnisse bei einer derartigen Gestaltung.
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Die darin abgebildete Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle 1, beispielsweise eine Laserlichtquelle mit einer Primäroptik 2, die das aus der Laserlichtquelle austretende Licht 3 kollimiert. Von einem oszillierenden Spiegel 4 wird das Licht 3 in einen Winkelbereich abgelenkt, der beispielsweise 60° groß sein kann. Das abgelenkte Licht 3 trifft auf eine refraktive Sekundäroptik 5, die eine zylindrische Eintrittsfläche 6 und eine plane Austrittsfläche 7 aufweist. Aus der Sekundäroptik 5 tritt das Licht 3 als vergleichsweise stark divergentes Strahlbündel aus (siehe 5 und 6), so dass die Strahlbreite 8 einzelner Teilstrahlen 9 des Lichts im Fernfeld vergleichsweise groß ist (siehe dazu 7). Das führt zu einer entsprechend schlechten Objektauflösung der Abstandsmessvorrichtung. Dies wird im Stand der Technik teilweise durch hochauflösende Elemente auf der Empfängerseite kompensiert, etwa in Form eines hochauflösenden, entfernungsmesstauglichen 2D-Arrays mit vorgesetztem Optiksystem. Derartige Systeme sind aufwendig und entsprechend hochpreisig.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die trotz eines großen Winkelbereichs, in den das Licht abgelenkt wird, eine vergleichsweise kleine Strahlausdehnung im Fernfeld aufweist. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin das Problem zugrunde, eine Abstandsmessvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die trotz eines großen horizontalen Gesichtsfelds eine vergleichsweise gute Objektauflösung aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Abstandsmessvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Optikmittel umfasst, die das Licht so beeinflussen, dass es als konvergentes Licht auf die zweiten Ablenkmittel auftrifft. Bei entsprechender Ausprägung der Konvergenz kann das Auseinanderlaufen des aus den zweiten Ablenkmitteln austretenden Lichts weitgehend vermieden werden, so dass sich eine geringe Strahldivergenz und damit eine kleine Strahlausdehnung in einem Abstand von der Vorrichtung ergibt, der bei einer Verwendung in einer Abstandsmessvorrichtung typischerweise dem Abstand zu den zu detektierenden Objekten entspricht. Daraus resultiert eine gute Objektauflösung, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten hochauflösenden Elemente auf der Empfängerseite entfallen können.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Optikmittel als eine Primäroptik ausgebildet sind oder Teil einer Primäroptik sind, durch die das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende Licht vor dem Auftreffen auf die ersten Ablenkmittel zumindest teilweise hindurchtritt oder die das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende Licht zumindest teilweise auf die ersten Ablenkmittel reflektiert, wobei die Primäroptik insbesondere eine positive Brechkraft mit einer Brennweite aufweist. Beispielsweise kann dabei die Primäroptik als Sammellinse ausgebildet sein oder eine Sammellinse umfassen. Insbesondere kann die mindestens eine Lichtquelle eine Austrittsapertur aufweisen, die einen derartigen Abstand zu der Fokusebene der Primäroptik aufweist, dass das Licht als konvergentes Licht auf die zweiten Ablenkmittel auftrifft. Auf diese Weise lässt sich mit einfachen Mitteln die erfindungsgemäß gewünschte kleine Strahlausdehnung im Fernfeld erreichen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Ablenkmittel als bewegbarer, insbesondere um eine Drehachse oszillierender, Spiegel ausgebildet sind, wobei der Spiegel vorzugsweise ein MEMS-Spiegel ist. Insbesondere kann der Spiegel eine reflektierende Fläche mit einem Durchmesser zwischen 1 mm bis 5 mm aufweisen. Mit einem derartigen Spiegel kann ein Lichtstrahl sehr effektiv über einen Winkelbereich von bis zu etwa 60° bewegt werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die zweiten Ablenkmittel als eine Sekundäroptik ausgebildet sind oder eine Sekundäroptik umfassen, wobei die Sekundäroptik eine gekrümmte refraktive Fläche, insbesondere eine Zylinderlinse, oder eine gekrümmte reflektierende Fläche, insbesondere einen Zylinderspiegel aufweist. Dabei kann die Zylinderachse der Zylinderlinse oder des Zylinderspiegels im Wesentlichen parallel zu der Drehachse des Spiegels sein. Durch eine derartige Gestaltung kann der Winkelbereich, in den das Licht abgelenkt wird, vergrößert, beispielsweise verdoppelt, werden, so dass bei einer Verwendung in einer Abstandsmessvorrichtung ein großes horizontales Gesichtsfeld realisiert werden kann. Hierbei ist eine stetige Krümmung der refraktiven oder reflektiven Fläche vorteilhaft, weil eine stetig gekrümmte Form eine stufenlose Ablenkung gewährleistet.
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Es besteht durchaus auch die Möglichkeit, dass die gekrümmte refraktive Fläche beziehungsweise die gekrümmte reflektierende Fläche der Sekundäroptik Krümmungen hinsichtlich zweier zueinander senkrechter Richtungen aufweist. Auf diese Weise kann die gekrümmte refraktive Fläche beziehungsweise die gekrümmte reflektierende Fläche der Sekundäroptik nicht nur den Winkelbereich, in den das Licht abgelenkt wird, in horizontaler Richtung vergrößern sondern auch das Licht in vertikaler Richtung beeinflussen, insbesondere das Licht in vertikaler Richtung formen.
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Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Sekundäroptik eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche für das Licht aufweist, die beide gekrümmt sind, wobei die Eintrittsfläche eine sich von der Krümmung der Austrittsfläche unterscheidende Krümmung aufweist. Beispielsweise kann die Krümmung der Eintrittsfläche das Licht im in ein Kraftfahrzeug eingebauten Zustand in horizontaler Richtung ablenken beziehungsweise beeinflussen oder formen, wohingegen die Krümmung der Austrittsfläche das Licht im in ein Kraftfahrzeug eingebauten Zustand in vertikaler Richtung ablenken beziehungsweise beeinflussen oder formen kann. Insbesondere weisen die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche jeweils eine Zylinderlinse auf, deren Zylinderachsen senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass sowohl die Eintrittsfläche als auch die Austrittsfläche Krümmungen hinsichtlich zweier zueinander senkrechter Richtungen aufweisen, so dass das Licht im in ein Kraftfahrzeug eingebauten Zustand von beiden Flächen sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung abgelenkt beziehungsweise beeinflusst oder geformt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Sekundäroptik mehr als ein Bauteil umfasst. Dabei können zwei oder mehr der Bauteile eine gekrümmte refraktive Fläche, insbesondere eine Zylinderlinse, oder eine gekrümmte reflektierende Fläche, insbesondere einen Zylinderspiegel aufweisen. Auf diese Weise kann mehr als ein Bauteil zu der Ablenkung in den zweiten Winkelbereich beitragen, so dass insbesondere der zweite Winkelbereich vergrößert werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Summe der Entfernung von der Primäroptik zu den ersten Ablenkmitteln und der Entfernung von den ersten Ablenkmitteln zu den zweiten Ablenkmitteln größer als die Brennweite der Primäroptik ist, insbesondere um einen Faktor 5 bis 50 größer als die Brennweite der Primäroptik ist. Bei derartigen Abstandsverhältnissen lässt sich vergleichsweise effektiv eine geeignete Konvergenz des auf die zweiten Ablenkmittel auftreffenden Lichts gewährleisten.
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Gemäß Anspruch 9 ist vorgesehen, dass die Abstandsmessvorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.
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Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein zu einem möglichst parallelen beziehungsweise engen Bündel geformter Laserstrahl im interessierenden horizontalen Gesichtsfeld verschwenkt werden, so dass eine gute Objektauflösung erreicht wird.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Licht in einer ersten Richtung aus der Vorrichtung austritt;
- 2 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 1, bei der das Licht in einer zweiten Richtung aus der Vorrichtung austritt;
- 3 ein Detail gemäß dem Pfeil III in 2;
- 4 ein Diagramm, das den Strahlquerschnitt des von der Ausführungsform gemäß 1 ausgehenden Lichts im Fernfeld verdeutlicht;
- 5 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, bei der das Licht in einer ersten Richtung aus der Vorrichtung austritt;
- 6 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 4, bei der das Licht in einer zweiten Richtung aus der Vorrichtung austritt;
- 7 ein Diagramm, das den Strahlquerschnitt des von der Ausführungsform gemäß 4 ausgehenden Lichts im Fernfeld verdeutlicht.
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In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 bis 3 abgebildete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 umfasst eine Lichtquelle 11, von der Licht 12 ausgesendet wird. Die Lichtquelle 11 kann eine Laserlichtquelle, beispielsweise ein gepulster Infrarotlaser sein. Es kann sich insbesondere um einen Halbleiterlaser handeln. Es besteht jedoch durchaus auch die Möglichkeit, anstelle eines gepulsten Lasers einen CW-Laser zu verwenden. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, einen Laser zu verwenden, der eine Emissionswellenlänge außerhalb des infraroten Spektralbereichs, beispielsweise im sichtbaren Bereich aufweist. Weiterhin kann durchaus mehr als eine Laserlichtquelle vorgesehen sein.
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Es besteht auch die Möglichkeit, als Lichtquelle eine oder mehrere Leuchtdioden (LED) zu verwenden.
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Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Primäroptik 13, durch die das aus der Lichtquelle 11 austretende Licht 12 hindurchtritt. Die Primäroptik 13 ist im abgebildeten Ausführungsbeispiel als Sammellinse mit einer Brennweite f, insbesondere als Bikonvexlinse ausgebildet (siehe 3). Es besteht durchaus die Möglichkeit, andere Primäroptiken zu verwenden, die beispielweise mehr als eine Linse umfassen. Auch als Spiegel ausgebildete oder Spiegel umfassende Primäroptiken können verwendet werden.
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Die in 3 lediglich schematisch angedeutete Austrittsapertur der Lichtquelle 11 befindet sich nicht in der Fokusebene 14 der Primäroptik 13. Vielmehr weist sie zu der Primäroptik 13 einen Abstand d auf, der größer als die Brennweite f ist. Dadurch wird erreicht, dass das aus der Primäroptik 13 austretende Licht 12 nicht kollimiert sondern leicht konvergent ist (siehe 3).
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Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin einen als erste Ablenkmittel dienenden oszillierenden Spiegel 15, der insbesondere als MEMS-Spiegel mit einem Durchmesser der reflektierenden Fläche beispielsweise zwischen 1 mm und 5 mm ausgebildet ist. Der Spiegel 15 wird insbesondere über einen Winkelbereich von ± 15° bewegt, so dass das von dem Spiegel 15 reflektierte Licht 12 in einen Winkelbereich von etwa ± 30° beziehungsweise in einen Winkelbereich von etwa 60° abgelenkt wird. Dabei bleibt die aus 3 ersichtliche Konvergenz des Lichts 12 erhalten.
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Es besteht durchaus die Möglichkeit andere erste Ablenkmittel vorzusehen.
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Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine als zweite Ablenkmittel dienende Sekundäroptik 16. Die abgebildete Ausführungsform der Sekundäroptik 16 weist eine konkave zylindrische Eintrittsfläche 17 und eine plane Austrittsfläche 18 aufweist. Dabei erstreckt sich die Zylinderachse der durch die zylindrische Eintrittsfläche 17 gebildeten Zylinderlinse in die Zeichenebene der 1 und 2 hinein und ist damit im Wesentlichen parallel zu der nicht abgebildeten Drehachse, um die der Spiegel 15 oszilliert.
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1 zeigt, dass die Summe der Entfernung d1 von der Primäroptik 13 zu den als Spiegel 15 ausgebildeten ersten Ablenkmitteln und der Entfernung d2 von den ersten Ablenkmitteln zu den als Sekundäroptik 16 ausgebildeten zweiten Ablenkmitteln größer als die Brennweite f der Primäroptik 13 ist. Beispielsweise kann die Summe der Entfernungen d1 + d2 um einen Faktor 5 bis 50 größer als die Brennweite f der Primäroptik 13 sein.
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Die Sekundäroptik 16 vergrößert durch die Gestaltung der gekrümmten Eintrittsfläche 17 und der planen Austrittsfläche 18 den Winkelbereich, in den das Licht 12 abgelenkt wird. Insbesondere kann die Größe des Winkelbereichs etwa verdoppelt werden, so dass das Licht 12 in einen Winkelbereich von etwa ± 60° beziehungsweise in einen Winkelbereich von etwa 120° abgelenkt wird. 1 zeigt einen etwa mittig auf die Eintrittsfläche 17 auftreffendes Lichtbündel, das nicht abgelenkt wird. 2 zeigt ein im Randbereich der Eintrittsfläche 17 auftreffendes Lichtbündel, das bei dem Austritt aus der Sekundäroptik 16 gegenüber der Einfallsrichtung deutlich nach außen abgelenkt wird.
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Die Sekundäroptik 16 kann insbesondere so ausgestaltet werden, dass bei Richtungsänderungen des Eingangslichtbündels zumindest in aneinandergrenzenden Auftreffbereichen eine proportionale Richtungsänderung des Ausgangslichtbündels auftritt, beispielsweise derart, dass die Richtungsänderung auf der Ausgangsseite immer etwa doppelt so groß wie die Richtungsänderung auf der Eingangsseite ist.
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Es besteht durchaus die Möglichkeit, die Sekundäroptik anders zu gestalten. Beispielsweise können sowohl die Eintrittsfläche als auch die Austrittsfläche gekrümmt sein, wobei jedoch insbesondere die Krümmung der Eintrittsfläche größer als die Krümmung der Austrittsfläche sein kann.
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Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, dass die Sekundäroptik Spiegel, insbesondere Zylinderspiegel, umfasst oder als ausschließlich aus Spiegeln bestehende Optik ausgebildet ist.
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Aufgrund der Konvergenz des auf die Sekundäroptik 16 auftreffenden Lichts 12 wird das Licht 12 von der Sekundäroptik 16 nicht so stark aufgeweitet wie im Stand der Technik. Es tritt weitgehend kollimiert beziehungsweise als weitgehend paralleles Lichtbündel aus der Sekundäroptik aus, so dass die Strahlbreite 19 einzelner Teilstrahlen 20 des Lichts im Fernfeld vergleichsweise klein ist (siehe dazu 4).
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Dies lässt sich so verstehen, dass das von der Primäroptik 13 ausgehende Strahlenbündel eine endliche und relevante Ausdehnung besitzt, wenn es auf die Sekundäroptik 19 trifft. Wenn angenommen wird, dass die Sekundäroptik 19 den Ablenkwinkel eines jeden Einzelstrahls des Bündels um einen konstanten Faktor vergrößert, dann sollten zur Verringerung der Divergenz des austretenden Lichts die äußeren Strahlen des Bündels relativ zum Mittelstrahl des Bündels konvergieren. Der innere Randstrahl wird wegen des konstanten Faktors weniger stark als der Mittelstrahl abgelenkt, so dass er schon eine Vorablenkung in Richtung der späteren Gesamtablenkung aufweisen muss. Gleichermaßen wird der äußere Randstrahl wegen des konstanten Faktors stärker als der Mittelstrahl abgelenkt, so dass er schon auf den Mittenstrahl zulaufen muss, um eine spätere geringere Gesamtablenkung zu erfahren. Auf diese Weise führt die Konvergenz des auf die Sekundäroptik 19 auftreffenden Lichts 12 zu einer geringeren Divergenz des aus der Sekundäroptik 19 austretenden Lichts 12.
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Es ergibt sich eine sehr gute Objektauflösung einer mit der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 10 versehenen, nicht abgebildeten Abstandsmessvorrichtung. Die Vorrichtung 10 wird dabei so in die Abstandsmessvorrichtung integriert, dass im in ein Kraftfahrzeug eingebauten Zustand der Winkelbereich, in den die zweiten Ablenkmittel das von den ersten Ablenkmitteln ausgehende Licht ablenken, ein horizontaler Winkelbereich ist.
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Ein derartige Abstandsmessvorrichtung umfasst zusätzlich zu der optischen Vorrichtung 10 insbesondere Detektormittel, die das von einem Objekt außerhalb des Kraftfahrzeugs zurückreflektierte oder zurückgestreute Licht detektieren können.
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Bei der in 1 und 2 abgebildeten Ausführungsform sind eine zylindrische Eintrittsfläche 17 und eine plane Austrittsfläche 18 vorgesehen. Die Zylinderachse der zylindrischen Eintrittsfläche 17 ist so ausgerichtet, dass die Eintrittsfläche auf die horizontale Richtung des Lichts Einfluss nimmt.
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Es besteht die Möglichkeit, anstelle der plane Austrittsfläche 18 eine gekrümmte Austrittsfläche vorzusehen. Beispielsweise könnte die Austrittsfläche eine Krümmung hinsichtlich der sich in die Zeichenebene der 1 und 2 hineinerstreckenden Richtung aufweisen. Dadurch wäre die Krümmung der Austrittsfläche senkrecht zu der Krümmung der Eintrittsfläche 17, so dass die gekrümmte Austrittsfläche in vertikaler Richtung Einfluss auf das Licht nimmt, insbesondere das Licht in vertikaler Richtung formt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Eintrittsfläche 17 nicht nur eine Krümmung in der Zeichenebene der 1 und 2 aufweist, sondern zusätzlich auch eine Krümmung in der dazu senkrechten, sich in die Zeichenebene hineinerstreckenden Richtung aufweist. Dann wäre die Eintrittsfläche keine Zylinderlinse mehr, sondern eine beispielsweise hinsichtlich zweier Richtungen gekrümmte Fläche. Die Eintrittsfläche 17 kann bei einer derartigen Ausgestaltung sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung Einfluss auf das Licht nehmen, insbesondere das Licht auch in vertikaler Richtung formen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Primäroptik
- 3
- aus der Lichtquelle austretendes Licht
- 4
- Spiegel
- 5
- Sekundäroptik
- 6
- Eintrittsfläche der Sekundäroptik
- 7
- Austrittsfläche der Sekundäroptik
- 8
- Strahlbreite des Lichts im Fernfeld
- 9
- Teilstrahl des Lichts im Fernfeld
- 10
- Vorrichtung für eine Abstandsmessvorrichtung nach dem LIDAR-Prinzip
- 11
- Lichtquelle
- 12
- aus der Lichtquelle austretendes Licht
- 13
- Primäroptik
- 14
- Fokusebene der Primäroptik
- 15
- Spiegel
- 16
- Sekundäroptik
- 17
- Eintrittsfläche der Sekundäroptik
- 18
- Austrittsfläche der Sekundäroptik
- 19
- Strahlbreite des Lichts im Fernfeld
- 20
- Teilstrahl des Lichts im Fernfeld
- f
- Brennweite der Primäroptik
- d
- Abstand der Austrittsapertur der Lichtquelle zu der Primäroptik
- d1
- Entfernung von der Primäroptik zu dem Spiegel
- d2
- Entfernung von dem Spiegel zu der Sekundäroptik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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