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Die Erfindung betrifft eine Sendeeinrichtung für eine optische Erfassungsvorrichtung, wobei die Sendeeinrichtung einen Sender zur Bereitstellung mindestens eines Strahlenbündels und eine Ablenkeinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, das bereitgestellte mindestens eine Strahlenbündel in aufeinanderfolgenden Zeitschritten in unterschiedliche vorbestimmte erste Hauptabstrahlrichtungen abzulenken. Dabei ist die Sendeeinrichtung derart eingerichtet, dass das mindestens eine von dem Sender bereitgestellte Strahlenbündel in einer Haupteinstrahlrichtung auf die Ablenkeinrichtung eingestrahlt wird. Dabei ist weiterhin die Ablenkeinrichtung derart in Bezug auf die Haupteinstrahlrichtung angeordnet, dass die Haupteinstrahlrichtung und die vorbestimmten ersten Hauptabstrahlrichtungen in einer gemeinsamen vorbestimmten Ebene liegen. Weiterhin weisen zwei einen maximalen Ablenkwinkelbereich begrenzenden Hauptabstrahlrichtungen einen ersten Winkel zueinander auf. Weiterhin gehören zur Erfindung auch eine optische Erfassungsvorrichtung mit einer solchen Sendeeinrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Abtaststrahls für eine optische Erfassungsvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind optische Erfassungsvorrichtungen bekannt, wie zum Beispiel Laserscanner. Im Hinblick auf solche optische Erfassungsvorrichtungen ist es zudem bekannt, einen Umgebungsbereich, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, mittels dieser 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, und beispielsweise das Kraftfahrzeug vor der Kollision automatisch abbremsen.
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Bei Laserscanner gemäß dem Stand der Technik wird von einer Sendeeinrichtung des Laserscanners üblicherweise ein Lichtstrahl bzw. Strahlenbündel in den Umgebungsbereich ausgesendet und der Umgebungsbereich durch Verändern eines Abtastwinkels bzw. einer Abtastrichtung abgetastet bzw. 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 der Laufzeit des Lichtstrahls bzw. 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 bzw. 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 bzw. das Strahlenbündel üblicherweise von einer Ablenkeinrichtung der Sendeeinrichtung abgelenkt. Die Ablenkeinrichtung kann dabei als ein rotierbarer bzw. schwenkbarer Spiegel ausgebildet sein, welche das Strahlenbündel entlang der unterschiedlichen Abtastrichtungen reflektiert, wobei die Abtastrichtung über einen Schwenkwinkel bzw. eine Orientierung des schwenkbaren Spiegels eingestellt wird. Ein Umgebungsbereich, innerhalb welchem der Lichtstrahl ablenkbar ist, bildet dabei ein Sichtfeld der Sendeeinrichtung.
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Um dabei vor allem in der Horizontalen ein möglichst großes Sichtfeld zu erreichen, wurde bislang ein solcher schwenkbarer Spiegel üblicherweise in einem vorbestimmten festen Winkel gegenüber der Haupteinstrahlrichtung des Laserstrahlenbündels geneigt. Dies führt jedoch zu einer unerwünschten Verzerrung des Sichtfelds. Soll beispielsweise zur Abtastung eine Linie, welche vertikal, das heißt 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 Bananeneffekt bezeichnet wird.
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Durch optische Kompensationsmaßnahmen, wie beispielsweise speziell geformte Korrekturspiegel oder Freiformspiegel, kann der Bananeneffekt zwar in seiner Ausprägung reduziert werden, jedoch sind derartige Kompensationsmaßnahmen mit einem größeren Aufwand verbunden.
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Wenn die Ablenkeinrichtung jedoch in Bezug auf die Haupteinstrahlrichtung derart angeordnet ist, dass die Haupteinstrahlrichtung und die vorbestimmten Hauptabstrahlrichtungen in einer gemeinsamen vorbestimmten Ebene liegen, tritt dieser Smiley-Effekt nicht auf.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2008 0 55 159 A1 eine adaptive Winkel- und Leistungsanpassung bei einem 3D-Mikrospiegel. Hierbei ist ein Sender bereitgestellt, welcher ein Strahlenbündel auf einen mikroelektromechanischen Spiegel einstrahlt, dessen Rotationsachse senkrecht zur Einstrahlrichtung steht. Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist allerdings, dass hierdurch das Sichtfeld sehr stark eingeschränkt wird. Mit anderen Worten ist der maximale Öffnungswinkel zwischen zwei äußersten das Sichtfeld begrenzende Abtaststrahlen relativ klein. Dies hat den Grund, dass wenn der Umlenkspiegeln nicht um einen festen Winkel gegenüber der Einstrahlrichtung des eingestrahlten Lichtbündels geneigt ist und damit die abgestrahlten Abtaststrahlen mit dem vom Sender eingestrahlten Strahlenbündel in einer Ebene liegen, solche Bereiche, in welchem der Sender angeordnet ist, nicht zum Sichtfeld beitragen können. Dies schränkt die möglichen Abstrahlwinkel ein, da bereits solche nicht infrage kommen, die den eingestrahlten Lichtstrahl wieder auf den Sender zurück reflektieren würden. Der Sender bzw. die Sendeeinrichtung mit den Lichtquellen und der erforderlichen Elektronik, der Platine, usw. ist zudem auch relativ groß, so dass sich hier große Einschränkungen in Bezug auf das Sichtfeld ergeben. Prinzipiell wäre es möglich, um derartige Einschränkungen zu verringern, den Ablenkspiegel in einer relativ großen Entfernung zum Sender anzuordnen. Dies kommt für die meisten Anwendungen jedoch nicht in Frage, da dies wiederum einen enormen Bauraum erfordern würde, der in der Regel in den meisten Geräten, insbesondere im Kraftfahrzeug nicht zur Verfügung steht. Zudem würde dies auch enorme Lichtverluste und zunehmende Messungenauigkeiten nach sich ziehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sendeeinrichtung, eine optische Erfassungsvorrichtung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Abtaststrahls bereitzustellen, welche ein möglichst großes Sichtfeld der Sendeeinrichtung auf möglichst bauraumeffiziente Weise ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sendeeinrichtung, durch eine optische Erfassungsvorrichtung, durch ein Kraftfahrzeug und durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Sendeeinrichtung für eine optische Erfassungsvorrichtung weist einen Sender zur Bereitstellung mindestens eines Strahlenbündels und eine Ablenkeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, das bereitgestellte mindestens eine Strahlenbündel in aufeinanderfolgenden Zeitschritten in unterschiedliche vorbestimmte erste Hauptabstrahlrichtungen abzulenken. Dabei ist die Sendeeinrichtung derart eingerichtet, dass das mindestens eine vom Sender bereitgestellte Strahlenbündel in einer Haupteinstrahlrichtung auf die Ablenkeinrichtung eingestrahlt wird. Weiterhin ist die Ablenkeinrichtung derart in Bezug auf die Haupteinstrahlrichtung angeordnet, dass die Haupteinstrahlrichtung und die vorbestimmten ersten Hauptabstrahlrichtungen in einer gemeinsamen vorbestimmten Ebene liegen. Weiterhin weisen dabei zwei einen maximalen Ablenkwinkelbereich begrenzenden Hauptabstrahlrichtungen einen ersten Winkel zueinander auf. Des Weiteren ist in einem optischen Pfad zwischen dem Sender und der Ablenkeinrichtung ein Umlenkelement angeordnet, welches dazu ausgelegt ist, das vom Sender bereitgestellte mindestens eine Strahlenbündel umzulenken, wobei in Richtung der ersten Hauptabstrahlrichtungen weiterhin mindestens ein refraktives erstes optisches Element angeordnet ist, welches dazu ausgelegt ist, den ersten Winkel auf einen zweiten Winkel abzubilden, der größer ist als der erste Winkel.
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Die Erfindung hat gleich mehrere große Vorteile. Zum einen wird es durch das zusätzliche Umlenkelement zwischen dem Sender und der Ablenkeinrichtung erreicht, dass deutlich mehr Flexibilität bezüglich der Anordnung der einzelnen Komponenten zueinander bereitgestellt wird. Je nach vorhandenem Bauraum oder auch nach geometrischer Ausbildung des vorhandenen Bauraums kann die Sendeeinrichtung durch geeignete Positionierung dieses Umlenkelements ebenso in ihren Abmessungen und ihrer Geometrie an einen solchen vorhandenen Bauraum besonders effizient angepasst werden. Ein besonders großer Vorteil dieses zusätzlichen Umlenkelements besteht aber vor allem darin, dass sich hierdurch keine so großen Einschränkungen in Bezug auf die möglichen Ablenkwinkel, die durch die Ablenkeinrichtung bereitgestellt werden, ergeben. Durch das Umlenkelement kann der durch den Sender bereitgestellte Strahl bzw. das Strahlenbündel in geeigneter Weise umgelenkt und auf die Ablenkungseinrichtung eingestrahlt werden. Da auch hier die durch die Ablenkeinrichtung bereitstellbaren Hauptabstrahlrichtungen in einer Ebene mit der Haupteinstrahlrichtung, in welcher das Strahlenbündel auf die Ablenkeinrichtung eingestrahlt wird, liegen, so können hier die Hauptabstrahlrichtungen ebenfalls nur in einem Bereich liegen, in dem sich das Umlenkelement nicht befindet, da sonst das vom Umlenkelement auf die Ablenkeinrichtung umgelenkte Strahlenbündel wieder zurück auf das Umlenkelement reflektiert werden würde. Allerdings kann ein solches Umlenkelement, wie zum Beispiel ein einfacher Spiegel, deutlich kleiner und kompakter ausgebildet werden als beispielsweise ein Sender. Die Einschränkungen in Bezug auf die möglichen Hauptabstrahlrichtungen die sich durch ein solches Umlenkelement ergeben, fallen damit deutlich geringer aus als solche, die sich ohne das Vorhandensein eines solchen Umlenkelements durch den deutlich größeren Sender ergeben würden. Durch das Vorsehen des Umlenkelement wird es also letztendlich ermöglicht, dass der erste Winkel, der also den maximal möglichen Winkel zwischen den beiden äußersten durch das Ablenkelement bereitstellbaren Hauptabstrahlrichtungen darstellt, deutlich größer ausgestaltet sein kann als ohne dieses Umlenkelement. Zudem wird es vorteilhafterweise durch das weitere erste refraktive optische Element, welches der Ablenkeinrichtung nachgeschaltet ist, ermöglicht, diesen ersten Winkel nochmals aufzuweiten, indem durch dieses refraktive optische Element der erste Winkel auf einen zweiten größeren Winkeln abgebildet wird. Mit anderen Worten wird die zeitlich sequenzielle Verteilung der in den jeweiligen Hauptabstrahlrichtungen bereitgestellten Strahlenbündel bei Durchlaufen dieses refraktiven optischen Elements durch Brechung nochmals aufgeweitet, wodurch letztendlich ein besonders großes Sichtfeld der Sendeeinrichtung bereitgestellt werden kann.
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Eine solche Aufweitung bezieht sich dabei insbesondere zumindest auf eine Ebene bzw. eine Richtung, wie zum Beispiel auf die Horizontale bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage in einem Kraftfahrzeug. Optional kann eine solche Aufweitung durch das refraktive optische Element auch in einer zweiten Richtung bereitgestellt werden, zum Beispiel in der korrespondierenden Vertikalen.
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So wird es auf vorteilhafterweise ermöglicht, dass, wie dies gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen ist, der zweite Winkel mindestens 100° beträgt und maximal 150°beträgt, insbesondere mindestens 120°beträgt und maximal 130°beträgt. Hierdurch lässt sich also vorteilhaft erweise durch die Erfindung und ihre Ausgestaltungen ein besonders großes Sichtfeld, mindestens in einer Richtung, vorzugsweise der Horizontalen, bereitstellen, was zugleich auf besonders bauraumeffiziente Weise ermöglicht wird und ohne irgendwelche Nachteile durch eine Verzerrung des Sichtfelds in Kauf nehmen zu müssen. Prinzipiell wären auch deutlich größere Öffnungswinkel denkbar, wie zum Beispiel bis nahezu 180°, was durch eine geeignete Ausbildung des refraktiven ersten optischen Elements bewerkstelligt werden kann. Dieses kann beispielsweise als geeignete Streulinse oder Prisma oder Ähnliches ausgebildet sein. Allerdings erfordert ein Sichtfeld bzw. ein Öffnungswinkel nahe 180° eine Ausbildung des ersten optischen Elements mit einer sehr großen räumlichen Ausdehnung, zum Beispiel mit einer sehr stark gekrümmten optisch wirksamen Oberfläche, was wiederum Bauraum erfordert und zu hervorstehenden Teilen am Laserscanner führt, was oft unerwünscht ist. Zudem haben optische Elemente, die ein derart großes Sichtfeld bereitstellen müssen, üblicherweise den Nachteil, dass sie gerade im Randbereich schwächen aufweisen, was wiederum zu einer Minderung der Erfassungsqualität des Laserscanners gerade im Randbereich des Sichtfeldes führt. Bei einem Sichtfeld von dagegen zwischen 100°und 150° vorzugsweise sogar zwischen 120° bis maximal 130°, ist dagegen nur eine relativ geri ngfügige Aufweitung des ersten Winkels auf einen solchen zweiten Winkel erforderlich, was durch ein nahezu ebenes und relativ flaches refraktives erstes optisches Element bewerkstelligt werden kann. Hierdurch lassen sich Lichtverluste reduzieren, die Strahlqualität erhöhen und deutlich platzsparendere Ausbildungsmöglichkeiten für die Sendeeinrichtung bereitstellen. Außerdem hat ein relativ flaches erstes optisches Element noch den folgenden Vorteil: Die Sendeeinrichtung ist vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet, welches eine Austrittsöffnung aufweist, in welcher zum Schutz der Sendeeinrichtung ein transparentes Fenster, beispielsweise aus Glas, angeordnet sein kann. Dieses Fenster kann gegebenenfalls zusätzlich optische Eigenschaften besitzen, die sich auf die bereitgestellten Strahlenbündel, die dieses Fenster durchdringen, auswirken. Um allerdings einen möglichst effizienten Lichtaustritt aus diesem Fenster zu ermöglichen, dürfen die Auftreffwinkel der Strahlenbündel auf diese Fensteroberfläche nicht zu klein bzw. zu flach sein, da hier die Verluste durch Reflexion zu groß wären. Durch Hauptabstrahlrichtungen, die einen maximalen Winkel zueinander von 150°, vorzugsweise sogar maximal 130°aufweisen, sind die Lichtverluste an einem solchen Durchtrittsfenster äußerst gering und ermöglichen zudem ein flaches Durchtrittsfenster. Somit wird durch eine Bemessung des zweiten Winkels in dieser Größenordnung ein äußerst effizienter Betrieb der Sendeeinrichtung ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Erfindung weist die Ablenkeinrichtung einen Spiegel, insbesondere einen mikroelektromechanischen Spiegel, auch MEMS-Spiegel genannt, mit einer Spiegelebene auf, wobei die Ablenkeinrichtung derart in Bezug auf die Haupteinstrahlrichtung angeordnet ist, dass das bereitgestellte mindestens eine Strahlenbündel in der Haupteinstrahlrichtung auf die Spiegelebene einstrahlbar ist, und wobei der Spiegel um eine senkrecht zur Haupteinstrahlrichtung verlaufende Achse rotierbar ist, sodass das mindestens eine Strahlenbündel in die verschiedenen Hauptabstrahlrichtungen reflektierbar ist. Durch Schwenken des Spiegels um die senkrecht zur Haupteinstrahlrichtung verlaufende Achse bzw. durch Einstellen des Spiegels in jeweiligen Zeitschritten auf unterschiedliche Drehwinkel kann vorteilhafterweise eine Ablenkung des eingestrahlten Strahlenbündels in diesen jeweiligen Zeitschritten die unterschiedlichen vorbestimmten Hauptabstrahlrichtungen erfolgen. Dadurch dass der Spiegel so angeordnet ist, dass seine Rotationsachse senkrecht zur Haupteinstrahlrichtung steht, wird der eingangs beschriebene Smiley-Effekt vorteilhafterweise vermieden und es ergeben sich hierdurch keine Verzerrungen des bereitgestellten Sichtfelds.
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Durch den Sender wird vorzugsweise ein gepulstes Lichtstrahlenbündel bereitgestellt. Mit anderen Worten werden wiederholt in jeweiligen vorbestimmten und vorzugsweise äquidistanten Zeitschritten durch den Sender Lichtpulse, die jeweilige Strahlenbündel bereitstellen, erzeugt. Durch Rotation des Spiegels kann so ein jeweiliger Lichtpuls in eine andere der vorbestimmten Hauptabstrahlrichtungen reflektiert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spiegel derart angeordnet und ausgebildet, dass dieser nur um die senkrecht zur Haupteinstrahlrichtung verlaufende Achse rotierbar ist. Zum einen ist im bevorzugten Anwendungsbereich, der hier die Anwendung der Sendeeinrichtung in einem Kraftfahrzeug vorsieht, eine besonders umfassende Erfassung des Sichtfelds gerade in horizontaler Richtung bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage in einem Kraftfahrzeug vorteilhaft, während die Erfassung des Sichtfelds in vertikaler Richtung eine eher untergeordnete Rolle spielt. Entsprechend ist es für derartige Anwendungen auch ausreichend, eine Abtastung lediglich in der Horizontalen vorzunehmen. Dies ermöglicht wiederum eine besonders einfache Ausgestaltung des Spiegels, der somit nur in einer Richtung bzw. nur meine einzige Rotationsachse rotierbar sein muss. Zudem kann hierdurch wiederum vermieden werden, dass der Spiegel bei Rotation um eine weitere Achse, die dann entsprechend wiederum gegenüber der Haupteinstrahlrichtung geneigt sein muss, eine Abbildung erzeugt, die ein verzerrtes Sichtfeld zur Folge hat. Sollte dennoch eine Auflösung in der Vertikalen gewünscht sein, so stellt die Erfindung und ihre Ausführungen weitere Möglichkeiten bereit, dies ohne einen um zwei Achsen rotierbaren Spiegel zu bewerkstelligen. Beispielsweise kann die Sendeeinrichtung so ausgestaltet sein, dass die letztendlich durch die Ablenkeinrichtung, d.h. den MEMS-Spiegel, in die jeweiligen Hauptabstrahlrichtungen abgestrahlten Strahlenbündel in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlebene, d.h. der Ebene, in welcher alle Hauptabstrahlrichtungen sowie auch die Haupteinstrahlrichtung verlaufen, aufgefächert sind. In Bezug auf eine bestimmungsgemäße Einbaulage an einem Kraftfahrzeug bedeutet dies, dass die in die jeweiligen Hauptabstrahlrichtungen abgestrahlten Strahlenbündel bzw. Lichtpulse in der Vertikalen aufgeweitet sind bzw. einen Divergenzwinkel aufweisen. In einem solchen Fall beziehen sich die Hauptabstrahlrichtungen sowie auch die Haupteinstrahlrichtung auf die Ausbreitungsrichtung des Schwerpunkts des durch das Strahlenbündel bereitgestellten Lichtverteilung bzw. Beleuchtungsstärkeverteilung. Es werden also letztendlich durch die Sendeeinrichtung linienförmige Abtaststrahlen in einem Querschnitt durch die jeweilige Hauptabstrahlrichtung betrachtet bereitgestellt. Damit wird durch ein in eine bestimmte Richtung bereitgestelltes Strahlenbündel ein ausgedehnter vertikaler Bereich beleuchtet. Die Auflösung in der Vertikalen kann zum Beispiel durch einen geeignet ausgebildeten Detektor mit mehreren Pixeln für die Orts- beziehungsweise Winkelauflösung in der Vertikalen bereitgestellt werden. Letztendlich kann so eine optische Erfassungsvorrichtung mit einer Sendeeinrichtung bereitgestellt werden, die sowohl eine Ortsauflösung in der Horizontalen auch als auch in der Vertikalen ermöglicht, ohne dass der Ablenkspiegel um zwei Achsen rotierbar sein muss.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Umlenkelement derart ausgebildet, dass das bereitgestellte mindestens eine Strahlenbündel, welches in einer zweiten Haupteinstrahlrichtung auf das Umlenkelement eingestrahlt wird, derart durch das Umlenkelement in eine zweite Hauptabstrahlrichtung, insbesondere die mit der ersten Haupteinstrahlrichtung identisch ist, umgelenkt wird, welche einen dritten Winkel zur zweiten Haupteinstrahlrichtung aufweist, welcher größer ist als 5°und kleiner ist als 175°. In Bezug auf die Anordnung des Umlenkelements im optischen Pfad zwischen dem Sender und der Ablenkeinrichtung sind somit vielzählige verschiedene Möglichkeiten bereitgestellt, die eine Anpassung an die jeweilige Bauraumsituation erlauben.
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Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der dritte Winkel größer ist als 10°und kleiner ist als 90°, insbesondere kleiner ist als 70°. Dies ermöglicht eine besonders bauraumeffiziente und kompakte Anordnung der Sendeeinrichtung. Ein weiterer Vorteil bei solchen kleineren Winkeln, insbesondere kleiner als 90°besteht darin, dass entsprechend auch der Winkel zwischen der zweiten Haupteinstrahlrichtung und dem Umlenkelement, welches zum Beispiel ebenfalls Spiegel ausgebildet sein kann, relativ klein sein kann was gerade im Hinblick auf die Ausbildung des Umlenkelement als Spiegel eine besonders effiziente Reflexion ermöglicht, die die Lichtverluste minimiert. So kann zudem auch eine besonders hohe Strahlqualität bereitgestellt werden und entsprechend bei der Erfassung eine entsprechend bessere Auflösung beziehungsweise ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der dritte Winkel auch größer oder gleich 90°sein und kleiner als 175°, insbesondere kleiner als 135°. Hierdurch ist die Anordnung von Sender, Umlenkelement und Ablenkeinrichtung relativ lang gestreckt, was ebenfalls für bestimmte Einbauverhältnisse vorteilhaft sein kann, zum Beispiel wenn lediglich ein schmaler aber langgestreckter Bauraum zur Verfügung steht.
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Wie bereits erwähnt ist es vorteilhaft, wenn das Umlenkelement als ebener Spiegel ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung des Umlenkelements. Dieser ebene Spiegel ist insbesondere fest montiert, d.h. nicht um irgendeine Achse rotierbar. Es sind jedoch auch andersartige Ausbildungen des Umlenkelements denkbar, wie dies später näher beschrieben wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein zweites optisches Element zur Strahlformung, insbesondere eine Linse, im optischen Pfad zwischen dem Sender und dem Umlenkelement und/oder zwischen dem Umlenkelement und der Ablenkeinrichtung angeordnet ist. Durch ein solches weiteres optisches Element zur Strahlformung kann beispielsweise die oben beschriebene Formgebung der jeweiligen Lichtpulse beziehungsweise Strahlenbündel bereitgestellt werden, die dann beispielsweise in einer Richtung kollimiert und in der anderen Richtung senkrecht dazu aufgeweitet sind, um Abtastlinien bereitzustellen. Hierdurch lässt sich also letztendlich durch die in die jeweiligen Hauptabstrahlrichtungen abgestrahlten Strahlenbündel im Querschnitt eine Lichtverteilung bereitstellen, die in einer ersten Richtung senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung, insbesondere in der Vertikalen, eine Länge aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als eine Breite der Lichtverteilung in einer zweiten Richtung senkrecht zu den jeweiligen Hauptabstrahlrichtungen und senkrecht zur ersten Richtung. Um dies zu bewerkstelligen, kann das mindestens eine zweite optische Element beispielsweise als eine FAC (Fast Axis Collimation)-Linse ausgebildet sein, die dazu ausgelegt ist, ein Durchlaufen des Strahlenbündels in einer Ausdehnungsrichtung auf eine minimale Breite zu reduzieren, während dieses Lichtbündel in einer Richtung senkrecht dazu in seiner Ausdehnung nicht oder deutlich geringer reduziert wird. Entsprechend werden dann die letztendlich von der Ablenkeinrichtung reflektierten Strahlenbündel in jeweiligen Zeitschritten abgestrahlt, welche im Querschnitt eine Länge aufweisen, die deutlich größer, insbesondere um Größenordnungen größer, sind als deren Breiten.
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Auch können mehrere optische Elemente zur Strahlformung im Strahlengang beziehungsweise im optischen Pfad, entweder zwischen dem Sender und dem Umlenkelement und/oder zwischen dem Umlenkelement und der Ablenkeinrichtung, angeordnet sein, um die jeweiligen zeitlich sequenziell bereitgestellten Strahlenbündel zu formen. Beispielsweise können hierzu auch zwei Linsen vorgesehen sein, eine die eine entsprechende Strahlformung des Lichtbündels in einer ersten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels vornimmt und eine zweite Linse, die entsprechend in einer zweiten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung die Strahlformung vornimmt. Beispielsweise können als das mindestens eine zweite optische Element sowohl eine FAC-Linse als auch eine Kollimator-Linse vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Umlenkelement als Freiformspiegel ausgebildet, der dazu ausgelegt ist, das bereitgestellte und auf den Freiformspiegel eingestrahlte mindestens eine Strahlenbündel zumindest in Bezug auf eine zu einer Hauptausbreitungsrichtung des Strahlenbündels senkrechten Richtung in vorbestimmter Weise zu formen, insbesondere zu kollimieren oder eine Divergenz des Strahlenbündels zu verändern. Die zuvor mit Bezug auf das mindestens eine zweite optische Element beschriebenen Eigenschaften können somit zumindest zum Teil auch durch das Umlenkelement übernommen werden, indem dieses als ein entsprechender Freiformspiegel ausgebildet ist. Somit können vorteilhafterweise zusätzliche optische Elemente eingespart werden, was sich wiederum positiv auf die Kosten sowie auf den benötigten Bauraum auswirkt. Insbesondere kann dieser Freiformspiegel so ausgebildet sein, sodass der durch diesen Freiformspiegel reflektierte Strahl bzw. das reflektierte Strahlenbündel zumindest in einer Richtung senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung entsprechend geformt wird. Eine solche Formung kann dabei insbesondere auch eine Kompensation der durch das erste refraktive optische Element hervorgerufenen zunehmenden Strahldivergenz darstellen. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise eine besonders hohe Strahlqualität bereitstellen.
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Wie eingangs beschrieben kann das mindestens eine refraktive optische Element beispielsweise als Streulinse ausgebildet sein. Diese Streulinse kann wiederum als sphärische oder auch als asphärisch Linse ausgebildet sein. Insbesondere kann diese Linse derart ausgebildet sein, dass lediglich eine Aufweitung des Sichtfeldes in nur einer Richtung erfolgt oder aber auch in zwei Richtungen. Alternativ kann dieses optische Element auch als Prisma oder als facettierte Linse oder Ähnliches ausgebildet sein.
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Auch für das Umlenkelement bestehen weitere und von einem Spiegel verschiedene Möglichkeiten bereit. Dieses kann neben der bevorzugten Ausbildung als ebener Spiegel oder Freiformspiegel beispielsweise ebenfalls als Prisma , als Polygonspiegel oder ähnliches ausgebildet sein.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine optische Erfassungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung oder eines ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Sendeeinrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit entsprechend für die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung. Die Erfassungsvorrichtung ist dabei vorzugsweise als Laserscanner wie zum Beispiel als LiDAR(light detection and ranging)-Sensor, ausgebildet. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Erfassungsvorrichtung ein Gehäuse aufweist, in welchem die Sendeeinrichtung angeordnet erst, wobei das Gehäuse eine Austrittsöffnung aufweist, und wobei die Erfassungsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass das mindestens eine Strahlenbündel nach Ablenkung durch die Ablenkeinrichtung und nach Durchtritt durch das refraktive erste optische Element durch die Austrittsöffnung aus dem Gehäuse austritt, wobei in der Austrittsöffnung ein drittes transparentes optisches Element angeordnet ist. Damit kann vorteilhafterweise das Austrittsfenster im Gehäuse gleichzeitig als weiteres optisches Element genutzt werden. Dieses kann zu verschiedenen Zwecken auch aktiv genutzt werden, zum Beispiel zur zusätzlichen Strahlformung, Fokussierung, Streuung, oder ähnlichem.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Abtaststrahls für eine optische Erfassungsvorrichtung, wobei mittels eines Senders mindestens ein Strahlenbündel bereitgestellt wird, welches in einer Haupteinstrahlrichtung auf eine Ablenkeinrichtung eingestrahlt wird und mittels der Ablenkeinrichtung in aufeinanderfolgenden Zeitschritten in unterschiedliche vorbestimmte erste Hauptabstrahlrichtungen abgelenkt wird, die mit der Haupteinstrahlrichtung in einer gemeinsamen vorbestimmten Ebene liegen, wobei zwei einen maximalen Ablenkwinkelbereich begrenzenden Hauptabstrahlrichtungen einen ersten Winkel zueinander aufweisen. Dabei wird das vom Sender bereitgestellte mindestens eine Strahlenbündel von einem in einem optischen Pfad zwischen dem Sender und der Ablenkeinrichtung angeordneten Umlenkelement umgelenkt, wobei in Richtung der ersten Hauptabstrahlrichtungen mindestens ein refraktives erstes optisches Element angeordnet ist, welches den ersten Winkel auf einen zweiten Winkel abbildet, der größer ist als der erste Winkel, und welches das mindestens eine Strahlenbündel nach der Ablenkung in eine der Hauptabstrahlrichtungen als Abtaststrahl passiert.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Sendeeinrichtung und ihre Ausgestaltungen gelten in gleicher Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung und ihren ausgestanden Gestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch weitere Verfahrensschritte.
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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 und perspektivische Darstellung einer Sendeeinrichtung für eine optische Erfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Sendeeinrichtung für eine optische Erfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung einer Sendeeinrichtung 1 für eine optische Erfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere ist hier eine Sendeeinrichtung 1 für einen Laserscanner dargestellt. Die Sendeeinrichtung 1 weist dabei einen Sender 2 auf, welcher eine Laserlichtquelle 3 zur Bereitstellung eines Strahlenbündels 4 umfasst. Insbesondere kann die Laserlichtquelle 3 oder im Allgemeinen der Sender 2 dazu ausgebildet sein, dieses Strahlenbündel 4 in gepulster Form bereitzustellen. Entsprechend werden durch den Sender 2 zu vorbestimmten Zeitschritt regelmäßig jeweilige Strahlungspulse, die jeweilige Strahlenbündel 4 bereitstellen, ausgesandt. Weiterhin weist die Sendeeinrichtung 1 eine Ablenkeinrichtung auf, welche in diesem Beispiel als MEMS-Spiegel 5 ausgebildet ist. Dieser Spiegel 5 weist eine Spiegelebene 6 auf, auf welche das bereitgestellte Strahlenbündel 4in einer ersten Haupteinstrahlrichtung H1 einstrahlbar ist. Zudem ist der Spiegel 5 um eine Achse A rotierbar bzw. schwenkbar. Die Rotationsachse A steht dabei weiterhin senkrecht auf der Haupteinstrahlrichtung H 1. Dies hat zur Folge, dass die zeitlich sequenziell in vorbestimmte mehrere Hauptabstrahlrichtungen R1, R2, R3, R4 reflektierten Strahlenbündel 4 in einer Ebene mit der Haupteinstrahlrichtung H1 verlaufen, in diesem Beispiel der x-y-Ebene des dargestellten Koordinatensystems. Hierdurch lässt sich eine unerwünschte Verzerrung, der sogenannte Smiley-Effekt, vorteilhafterweise vermeiden. Um dabei gleichzeitig das Sichtfeld 7 der Sendeeinrichtung 1 dennoch möglichst groß gestalten zu können, ist zudem ein refraktives erstes optisches Element 8 im Strahlengang dem MEMS-Spiegel 5 nachgeordnet. Mittels dieses refraktiven optischen Elements 8, welches beispielsweise wie hier dargestellt als eine Linse ausgebildet sein kann, wird ein erster Winkel α, der den Winkel zwischen den beiden den maximalen Ablenkwinkelbereich begrenzenden Hauptabstrahlrichtungen R1, R4 darstellt, auf einen zweiten Winkel β abgebildet, der größer ist als der erste Winkel α. Zusätzlich weist die Sendeeinrichtung 1 auch ein Umlenkelement auf, welches in diesem Beispiel als weiterer Spiegel 9 ausgebildet ist. Diese weitere Spiegel 9 ist dabei fest und im Strahlengang zwischen dem Sender 2 und dem Ablenkelement 5 angeordnet. Dieser weitere Spiegel 9 hat einerseits den großen Vorteil, dass hierdurch verschiedene Anordnungsmöglichkeiten des Senders 2 bezüglich der Ablenkeinrichtung 5 möglich sind. Dadurch kann diese Anordnung vorteilhafterweise an einen zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden. Der andere große Vorteil dieses weiteren Spiegels 9 besteht zudem darin, dass hierdurch die möglichen Abstrahlrichtungen R1, R2, R3, R4 und insbesondere der durch diese bereitgestellte erste Winkel α nicht so stark eingeschränkt ist, als wäre dieser weitere Umlenkspiegel 9 nicht vorhanden. Dieses dadurch bedingt, dass die Strahlenbündel entlang der Hauptabstrahlrichtungen R1, R2, R3, R4 an diesem Spiegel 9 vorbeigeführt werden müssen. Da aber dieser Spiegel 9 deutlich kleiner bemessen werden kann als der Sender 2 würden diese Abstrahlrichtungen R1, R2, R3, R4 deutlich größeren Einschränkungen unterliegen, wenn dieser Umlenkspiegel 9 nicht vorhanden wäre. So kann letztendlich insgesamt ein besonders großer Öffnungswinkel β des Sichtfelds 7 bereitgestellt werden ohne eine unerwünschte Verzerrung des Sichtfelds 7 in Kauf nehmen zu müssen.
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Eine Aufweitung dieses Sichtfeld 7 auf den Öffnungswinkel β durch das refraktive optische Element 8 kann aber nicht nur in einer Dimension sondern auch in zwei Dimensionen erfolgen. Gerade aber für Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich ist eine Aufweitung in nur einer Dimension ausreichend. Diese Aufweitung bezieht sich in diesem Beispiel ebenfalls auf die dargestellte x-y-Ebene. Diese X Y-Ebene korrespondiert zu einer Horizontalen bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbauposition dieser Sendeeinrichtung 1 in einem Kraftfahrzeug.
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Weiterhin werden die einzelnen Strahlenbündel 4 vorzugsweise derart bereitgestellt, dass diese im Querschnitt nicht punktförmig oder kreisförmig sind, sondern linienförmig. Die letztendlich durch die Sendeeinrichtung 1 als Abtaststrahlen ausgesandten Strahlenbündel sind also in der hier dargestellten z-Richtung aufgeweitet beziehungsweise divergieren in z-Richtung. Um dies zu bewerkstelligen können weitere optische Elemente zur Strahlformung im Strahlengang angeordnet sein. In diesem Beispiel sind hier in 1 exemplarisch eine erste Linse 10, welche das Strahlenbündel 4 in z-Richtung formt, sowie eine zweite Linse 11, welcher das Strahlenbündel 4 in y-Richtung formt, zwischen dem Sender 2 und dem Umlenkspiegel 9 angeordnet. Alternativ könnten diese Linsen oder im Allgemeinen weitere optische Elemente auch im Strahlengang zwischen dem Umlenkspiegel 9 und dem MEMS-Spiegel 5 angeordnet sein. Durch derartige weitere optische Elemente, wie die hier dargestellten Linsen 10, 11 kann dabei zum Beispiel auch eine durch die Oberflächenkrümmung des refraktiven optischen Elements 8 bewirkte Änderung der Strahldivergenz entgegengewirkt bzw. kompensiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei auch, wenn zum Beispiel der Umlenkspiegel 9 als Freiformspiegel ausgebildet ist, der eine strahlformende Eigenschaft aufweist. Beispielsweise kann dieser Umlenkspiegel 9 derart als Freiformspiegel ausgebildet sein, dass der durch diesen Umlenkspiegel 9 reflektierte Strahl bzw. das reflektierte Strahlenbündel 4 mindestens in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, d.h. zum Beispiel in z-Richtung oder y-Richtung, geformt wird. Die beschriebenen Funktionen der optischen Elemente 10, 11 können somit zumindest zum Teil vom Umlenkspiegel 9 übernommen werden, sodass zumindest auf eines dieser beiden optische Elemente 10, 11 verzichtet werden kann.
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Weiterhin ist der Umlenkspiegel 9 derart im Strahlengang angeordnet, dass der Winkel γ dann zwischen einer zweiten Haupteinstrahlungsrichtung H2, in welcher das Strahlenbündel 4 auf den Umlenkspiegel 9 eingestrahlt wird, und der Richtung, in welche das auf den Umlenkspiegel 9 eingestrahlte Strahlenbündel 4 reflektiert wird, die in diesem Beispiel mit der ersten Haupteinstrahlrichtung 1 auf den MEMS-Spiegel 5 übereinstimmt, zwischen 5°und 175° liegt. In diesem in 1 dar gestellten Beispiel ist dieser dritte Winkel γ größer als 90°. Dies ermöglicht eine relativ lang gestreckte Anordnung von Sender 2, Umlenkspiegel 9 und MEMS-Spiegel 5. Ein weiteres Anordnungsbeispiel ist in 2 dargestellt.
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2 zeigt dabei eine schematische und perspektivische Darstellung einer Sendeeinrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere umfasst dabei die Sendeeinrichtung 1 die gleichen Komponenten, wie bereits zu 1 beschrieben. Diese hier in 2 dargestellte Ausführungsform der Sendeeinrichtung 1 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten lediglich dadurch, dass der Umlenkspiegel 9 nunmehr derart in Bezug auf die zweite Haupteinstrahlrichtung H2 angeordnet ist, dass sich daraus ein dritter Winkel γ kleiner als 90° ergibt. Wie zu sehen ist, ermöglicht dies eine besonders kompakte Anordnung von Sender 2, Umlenkspiegel 9 und MEMS-Spiegel 5.
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Insgesamt lässt sich so durch die Erfindung einer Sendeeinrichtung sowie eine korrespondierende optische Erfassungseinrichtung, wie beispielsweise ein Laserscanner, bereitstellen, welche eine optimale Ausleuchtung eines Sichtfelds in einem sehr großen Sichtfeldbereich auf äußerst kompakte und bauraumsparende Weise ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008055159 A1 [0008]
