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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System.
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Um Objekte im dreidimensionalen Raum zu erfassen und zu erkennen, werden heutzutage Laserscanner eingesetzt. Solche Laserscanner werden auch als LiDAR-System bezeichnet. Dabei werden heutzutage hauptsächlich sog. Macroscanner eingesetzt, welche jedoch aufgrund eines hohen Verschleißes ihrer Achslager eine hohe Ausfallrate aufweisen. Diese Problematik ergibt sich sowohl bei motorisierten Drehspiegelscannern als auch bei Systemen mit Rotoren, welche eine Messtechnik mit Laserdetektor und Optik enthalten. Bei aktuellen LiDAR-Systemen ist es notwendig, dass rotierende Bauelemente rotationssymmetrisch aufgebaut sind, um mechanische Instabilitäten zu vermeiden, welche sich aus einer Unwucht von drehenden Komponenten ergeben können. Des Weiteren lassen sich diese Systeme nicht modular aufbauen und bedingen eine gewisse Bauform und Konstruktionsart.
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Bei einigen LiDAR-Systemen ist ein Sendepfad und ein Empfangspfad des LiDAR-Systems biaxial aufgebaut, wobei durch den getrennten Empfangs- und Sendepfad ein hohes Bauvolumen des Laserscanning-Systems bedingt ist.
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Des Weiteren sind in aktuellen LiDAR-Systemen eine Detektoreinheit, eine Lasereinheit und ein optisches Sende- und Empfangselement in einem Modul vereinigt, was dazu führt, dass ein Gesamtvolumen eines solchen LiDAR-Systems eine untere Grenze aufweist und die Möglichkeiten zur Auswahl eines Verbauortes durch das Gesamtvolumen eingeschränkt sind.
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Ein großer Kostenfaktor bei all diesen LiDAR-Systemen ist der eingesetzte Bandpassfilter, welcher dafür sorgt, dass das störende Umgebungslicht unterdrückt wird. Die Kosten skalieren hierbei direkt mit der Fläche des Filters.
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Die
WO2012112683A2 offenbart ein LiDAR-System, in welchem Lichtleiter eingesetzt werden. Dabei kommt ein Zirkulator zum Einsatz, um entweder einen auszusendenden Scanstrahl in einen Lichtleiter einzukoppeln oder eine empfangene Reflektion des Scanstrahls an einen Detektor zu vermitteln. Ein solcher Zirkulator macht die Bereitstellung eines LiDAR-Systems jedoch sehr kostenintensiv und aufwendig und ist daher gerade für einen Einsatz im automobilen Umfeld wenig geeignet.
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Die
DE102012025464A1 offenbart ferner einen optischen Sensor, welcher für einen Einsatz im automobilen Umfeld geeignet ist. Dieser optische Sensor ist jedoch nicht für ein Scannen des Umfeldes geeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße LiDAR-System umfasst eine Strahlquelle, einen Detektor, ein Lichtleiterbündel und einen Sensorkopf. Die Strahlquelle ist dazu eingerichtet, einen Scanstrahl zu erzeugen. Der Detektor ist dazu eingerichtet, eine Reflexion des Scanstrahls zu detektieren, welche zu dem LiDAR-System zurückgeworfen wird, wenn der Scanstrahl in eine Umgebung des LiDAR-Systems reflektiert wurde. Das Lichtleiterbündel umfasst zumindest einen ersten Lichtleiter und einen zweiten Lichtleiter, wobei der erste Lichtleiter an einem ersten Ende des ersten Lichtleiters mit der Strahlquelle gekoppelt ist und der zweite Lichtleiter an einem ersten Ende des zweiten Lichtleiters mit dem Detektor gekoppelt ist. In dem Sensorkopf sind ein zweites Ende des ersten Lichtleiters und ein zweites Ende des zweiten Lichtleiters zusammengeführt, wobei der Sensorkopf ferner eine Ablenkvorrichtung aufweist, um den über den ersten Lichtleiter zu dem Sensorkopf geführten Scanstrahl während eines Scanvorgangs in eine wechselnde Richtung zu lenken.
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Somit sind der Sensorkopf und der Detektor über einen anderen Lichtleiter miteinander gekoppelt als der Sensorkopf und die Stahlquelle. Das bedeutet, dass zu jeder Zeit ein optischer Pfad zwischen dem Sensorkopf und dem Detektor sowie zwischen dem Sensorkopf und der Stahlquelle besteht. Die Strahlquelle ist eine Lichtquelle, durch welche Licht im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich bereitgestellt wird. Das von der Strahlquelle bereitgestellte Licht wird in den ersten Lichtleiter eingekoppelt. Insbesondere ist die Strahlquelle ein Laser. Der Detektor ist eine Vorrichtung, durch welche von dem LiDAR-System empfangenes Licht detektiert wird.
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Der Detektor umfasst bevorzugt eine oder mehrere Fotodioden. Der Detektor ist somit ein Sensor oder ein Sensor-Array. Das Lichtleiterbündel ist ein Strang aus mehreren einzelnen Lichtleitern, wobei das Lichtleiterbündel zumindest zwei einzelne Lichtleiter umfasst. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die einzelnen Lichtleitern über eine gesamte Länge des Lichtleiterbündels zu einem Strang zusammengefasst sind. Ein Lichtleiter ist insbesondere eine optische Faser. So ist ein Lichtleiter beispielsweise eine Glasfaser oder eine Kunststofffaser. Ein Lichtleiter ist ein optisches Bauelement, durch welches Licht entlang einer Struktur des Lichtleiters gelenkt wird. Der Lichtleiter ist insbesondere ein flexibles Element oder ein starr geformtes Element, welches beispielsweise aus einem Glas oder Acrylglas gefertigt ist.
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Der Sensorkopf ist eine bauliche Einheit, welche eine Schnittstelle des LiDAR-Systems zu der Umgebung des LiDAR-Systems bildet. In dem Sensorkopf wird das zweite Ende des ersten Lichtleiters und das zweite Ende des zweiten Lichtleiters zusammengeführt. So weist das Lichtleiterbündel insbesondere eine Y-Form auf, wobei der von der Strahlquelle kommende erste Lichtleiter mit dem von dem Detektor kommenden zweiten Lichtleiter zusammengeführt werden. Der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter sind dabei getrennte Lichtleiter, welche jedoch gebündelt werden, um in den Sensorkopf kompakt nebeneinander angeordnet zu sein.
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Die Ablenkvorrichtung ist eine optische Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, den aus dem ersten Lichtleiter austretenden Scanstrahl in unterschiedliche Richtungen zu lenken, um ein Scannen der Umgebung des LiDAR-Systems mittels des Scanstrahls zu ermöglichen. Dabei kann der Scanstrahl entweder bereits als ein gebündelter Strahl in den ersten Lichtleiter eingekoppelt werden, oder erst bei einem Austreten aus dem ersten Lichtleiter zu einem Strahl fokussiert werden. Die Ablenkvorrichtung ist dabei insbesondere auch dazu eingerichtet, einen aus der Umgebung des LiDAR-Systems reflektierten Scanstrahl in den zweiten Lichtleiter einzukoppeln.
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Dadurch, dass der Sensorkopf durch das Lichtleiterbündel von dem Detektor und der Strahlquelle getrennt ist, wird eine Modularität des LiDAR-Systems erhöht. So wird es insbesondere ermöglicht, dass der Detektor und die Strahlquelle an unterschiedlichen Positionen verbaut werden und lediglich der Sensorkopf an einer Position zu platzieren ist, welche für einen Scannen der Umgebung des LiDAR-Systems vorteilhaft ist. Der Sensorkopf kann dabei als eine äußerst kompakte Baueinheit gestaltet sein, was eine flexible Positionierung des Sensorkopfs ermöglicht. Die Strahlquelle und der Detektor können somit im Gegensatz zu einem Komplettsensor, welcher aus Laserdetektor, Ablenkeinheit und Optik besteht, zu einem einzelnen unabhängig von dem Sensorkopf positionierbaren Modul zusammengefasst werden. Strahlquelle, Detektor und Sensorkopf können räumlich voneinander getrennt sein. Die Größe eines notwendigen Bandpassfilters kann auf die Größe des zweiten Lichtleiters beschränkt sein und somit sehr klein gestaltet werden. So weist der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter beispielsweise einen vorteilhaften Durchmesser von jeweils weniger als 1 mm auf. Es wird somit eine Kostenreduktion beim Bau von LiDAR-Systemen ermöglicht.
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In dem Sensorkopf werden somit ein Sender und ein Empfangspfad des LiDAR-Systems zusammengeführt. Gegenüber anderen koaxialen Empfangs- und Sendepfadkonzepten wird kein Strahlteiler zur Trennung des ausgesendeten Lichts, also des Scanstrahls, vom in der Umgebung des LiDAR-Systems reflektieren zu empfangenden Lichtes benötigt. Mit dem erfindungsgemäßen LiDAR-System wird gewährleistet, dass zum einen mehr Licht am Detektor zur Verfügung steht und zum anderen die volle Leistung des Scanstrahls zur Verfügung steht. Verluste, die durch einen Strahlteiler entstehen, werden vermieden.
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Durch die Trennung vom Sensorkopf, Strahlquelle und Detektor können die Strahlquelle, der Detektor und der Sensorkopf getrennt voneinander angeordnet werden. So können die einzelnen Elemente des LiDAR-Systems insbesondere in einem Fahrzeug platziert werden. So benötigt der Sensorkopf lediglich ein sehr kleines Einbauvolumen und kann somit beispielsweise hinter einer Stoßstange oder in einem Außenspiegel platziert werden. Es wird daher eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Einbauorts der Strahlquelle und des Detektors erreicht. Auch kann der Einbauort der einzelnen Komponenten vorteilhaft gewählt werden, so ist es beispielsweise möglich, die Strahlquelle oder den Detektor derart zu platzieren, dass eine Kühlung dieser Bauelemente gewährleistet wird. Dadurch, dass ein Empfangspfad des LiDAR-Systems auf den zweiten Lichtleiter konzentriert ist, kann der Detektor kostengünstig als ein kompakter Singlepixeldetektor ausgeführt sein. Es werden somit geringe Herstellkosten des Detektors aufgrund der kleinen Pixelfläche ermöglicht. Zudem kann bei einem solchen Singlepixeldetektor auch aufwändige Elektronik zur Auslesung des Detektors verzichtet werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt sind der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter an deren zweiten Ende koaxial zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter an Seiten des Sensorkopfes zumindest für einen abschließenden Abschnitt des Lichtleiterbündels zueinander parallele Achsen aufweisen. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass eine gemeinsame Optik für einen Sendepfad und einen Empfangspfad des LiDAR-Systems genutzt wird. Der Sensorkopf kann somit besonders kompakt ausgeführt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das LiDAR-System mehrere zweite Lichtleiter umfasst, die an ihrem ersten Ende mit dem Detektor gekoppelt sind und die an ihrem zweite Ende an dem Sensorkopf mit dem zweiten Ende des ersten Lichtleiters zusammengeführt werden. Es wird somit eine größere Fläche an dem zweiten Ende des zweiten Lichtleiters bereitgestellt, um empfangenes Licht in den zweiten Lichtleiter einzukoppeln. Es wird daher eine Fokussierung empfangenen Lichtes auf die zweiten Lichtleiter vereinfacht und eine Empfangsoptik kann kompakt ausgeführt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die zweiten Enden der zweiten Lichtleiter derart angeordnet sind, dass diese um das zweite Ende des ersten Lichtleiters herum angeordnet sind. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der erste Lichtleiter an dem Sensorkopf ein zentraler Lichtleiter des Lichtleiterbündels ist. Die zweiten Lichtleiter sind insbesondere ringförmig um den ersten Lichtleiter herum angeordnet. Dabei ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn das LiDAR-System mehrere erste Lichtleiter umfasst, welche an ihrem ersten Ende mit der Strahlquelle gekoppelt sind und deren zweites Ende an dem Sensorkopf mit den zweiten Enden der zweiten Lichtleiter zusammengeführt werden. Dabei sind bevorzugt alle der ersten Lichtleiter in einem Zentrum des Lichtleiterbündels angeordnet und werden von den zweiten Lichtleitern eingesäumt. Auf diese Weise wird ein symmetrischer Aufbau geschaffen, wodurch eine Optik der Ablenkvorrichtung besonders kompakt und einfach ausgeführt werden kann.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn an dem zweiten Ende des ersten Lichtleiters eine Strahlformungslinse angeordnet ist. Eine solche Strahlformungslinse ist bevorzugt direkt auf das zweite Ende des ersten Lichtleiters aufgebracht. Eine Strahlformungslinse ist eine optische Linse. Es kann somit eine Fokussierung von Licht erfolgen, welches von der Strahlquelle in den ersten Lichtleiter eingekoppelt wurde. Der Scanstrahl kann somit vor seiner Abgabe in die Umgebung des LiDAR-Systems fokussiert werden und das LiDAR-System kann auf eine bevorzugte Scanreichweite optimiert werden.
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Auch ist es vorteilhaft, an dem zweiten Ende des zweiten Lichtleiters ein Bandpassfilter angeordnet ist, und oder der zweite Lichtleiter einen Faserkern mit integrierten Bragg-Gitter aufweist. Umfasst das LiDAR-System mehrere zweite Lichtleiter, so ist es vorteilhaft, wenn an dem zweiten Ende aller zweiten Lichtleiter ein Bandpassfilter angeordnet ist. Der Bandpassfilter ist dabei bevorzugt auf das oder die zweiten Enden direkt aufgebracht. Dadurch, dass lediglich solches Licht zu dem Detektor gelangt, welches durch den oder die zweiten Lichtleiter geleitet wird, kann eine Dimension des Bandpassfilters somit besonders klein gestaltet werden. Wird der Bandpassfilter direkt auf den oder die zweiten Lichtleiter aufgebracht, so kann der Bandpassfilter sehr schmal ausgeführt sein, was durch einen begrenzten Einfallswinkel zur Einkoppelung von Licht in den zweiten Lichtleiter begründet ist. Bevorzugt weist der Bandpassfilter eine Dicke von weniger als 4 nm auf. Ein solcher Bandpassfilter bringt Vorteile beim Einsatz von SPAD-Detektoren, welche auch als Single-Photon-Avalange-Dioden bezeichnet werden. Für SPAD-Detektoren sind Bandpassfilter mit einem schmalen Transmissionsband von Vorteil, da ein Hintergrundlicht erheblich unterdrückt wird. Weist der zweite Lichtleiter einen Faserkern mit integriertem Bragg-Gitter auf, so kann auf einen zusätzlichen und separaten Filter verzichtet werden, da der zweite Lichtleiter selbst Bandpasseigenschaften aufweist. Der Bandpassfilter muss jedoch nicht zwangsweise dünner als 4 nm sein, da dielektrische Filter typischerweise aus mehreren Schichten bestehen und somit abhängig von der Anzahl der Schichten auch eine Dicke von einem oder mehr Mikrometern aufweisen können.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Ablenkvorrichtung einen beweglich angeordneten Mikrospiegel und/oder eine beweglich angeordnete erste Linsenanordnung umfasst. Durch solche optischen Elemente ist eine besonders einfache Realisierung der Ablenkvorrichtung möglich.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Ablenkvorrichtung eine erste Linsenanordnung und eine zweite Linsenanordnung umfasst, welche in Bezug zueinander beweglich angeordnet sind. Dabei ist es vorteilhaft wenn eine optische Achse einer Linse der ersten Linsenanordnung und einer Linse der zweiten Linsenanordnung parallel zueinander ausgerichtet sind und die Linsenanordnungen entlang der optischen Achse oder in eine senkrecht auf der optischen Achse stehenden Richtung gegeneinander beweglich sind. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass es vorteilhaft ist, wenn die erste Linsenanordnung und die zweite Linsenanordnung nicht gegeneinander verkippt werden. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Ablenkvorrichtung mit geringer tiefe geschaffen werden. Dies führt zu einem kompakten Sensorkopf. Bei der ersten Linsenanordnung und/oder der zweiten Linsenanordnung kann es sich ferner auch um ein Mikrolinsenarray handeln, welches den Vorteil birgt, dass die Auslenkung gegenüber normalen Linsen sich auf der Mikrometerskala abspielt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn zwischen der ersten Linsenanordnung und der zweiten Linsenanordnung eine dritte Linsenanordnung angeordnet ist. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die ersten Linsenanordnung und die zweite Linsenanordnung jeweils zumindest eine konkave Linse umfassen und die dritte Linsenanordnung zumindest eine konvexe Linse umfasst. Alternativ umfasst die dritte Linsenanordnung bevorzugt zumindest eine konkave Linse. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Licht des Scanstrahls auf Randbereiche von Linsen der ersten Linsenanordnung oder der zweiten Linsenanordnung trifft, da dieses durch die dritte Linsenanordnung entsprechend fokussiert werden kann. Es werden somit Verluste in dem Sendepfad und/oder Empfangspfad des LiDAR-Systems gering gehalten.
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Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter photonische Kristallfasern sind, wobei die Hohlräume zwischen den Lichtleitern mit einem Gas befüllt sind, welches lediglich Licht mit einer Wellenlänge der Strahlquelle transmittiert. Das Gas fungiert dabei als ein Bandpassfilter und blockt störende Wellenlängen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Ablenkvorrichtung eine nicht-mechanische Strahllenkvorrichtung ist. Eine solche nicht-mechanische Strahllenkvorrichtung ist basiert insbesondere auf einer Strahllenkung durch Flüssigkristalle, durch Prismen, insbesondere doppelt brechende Prismen, oder durch Hologramme. Dadurch, dass auf eine Mechanik in dem Sensorkopf verzichtet wird, wird ein besonders robuster Sensorkopf geschaffen, welcher insbesondere im Automobilbereich eine vorteilhafte Platzierung des Sensorkopfs an einem Fahrzeug zulässt.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine Darstellung eines Fahrzeugs, an welchen zwei erfindungsgemäße LiDAR-Systeme angeordnet sind,
- 2 eine Darstellung eines ersten Lichtleiterbündels, wobei eine Stirnseite des Lichtleiterbündels auf Seiten eines Sensorkopfes dargestellt ist,
- 3 eine Darstellung eines zweiten Lichtleiterbündels, wobei eine Stirnseite des Lichtleiterbündels auf Seiten des Sensorkopfes dargestellt ist,
- 4 eine Darstellung eines ersten vorteilhaften Sensorkopfes mit einer ersten Ablenkvorrichtung,
- 5 eine Darstellung eines zweiten vorteilhaften Sensorkopfes mit einer zweiten Ablenkvorrichtung,
- 6 eine vergrößerte Darstellung der zweiten Ablenkvorrichtung,
- 7 eine Darstellung einer dritten Ablenkvorrichtung,
- 8 eine Darstellung einer vierten Ablenkvorrichtung,
- 9 eine Darstellung einer fünften Ablenkvorrichtung, und
- 10 eine Darstellung eines Fahrzeugs, an welchem mehrere miteinander kombinierte LiDAR-Systeme angeordnet sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeuges 100, in welchem ein beispielhaftes erfindungsgemäßes LiDAR-System 1 angeordnet ist. Das LiDAR-System 1 umfasst eine Strahlquelle 2, einen Detektor 3, ein Lichtleiterbündel 4 und einen Sensorkopf 7.
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Die Strahlquelle 2 ist dazu eingerichtet, einen Scanstrahl 20 zu erzeugen. Die Strahlquelle 2 ist ein Lasersystem. So umfasst die Strahlquelle 2 insbesondere eine Laserdiode zum erzeugen des Scanstrahls 20
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Der Detektor 3 ist dazu eingerichtet, eine Reflektion des Scanstrahls 20 zu detektieren, welche zu dem LiDAR-System 1 zurückgeworfen wird, wenn der Scanstrahl 20 in einer Umgebung des LiDAR-Systems 1 reflektiert wurde. Der Detektor 3 umfasst dazu ein fotoaktives Bauelement, insbesondere eine Fotodiode. Alternativ ist der Detektor 3 ein Detektorarray, welcher mehrere fotoaktive Bauelemente umfasst.
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Das Lichtleiterbündel 4 ist ein Glasfaserbündel 4, welches eine Y-Form aufweist. Das bedeutet, dass die Lichtleiter 5, 6 an einem Ende des Glasfaserbündels 4 gebündelt sind und an einem anderen Ende des Glasfaserbündels 4 voneinander getrennt sind. Das Glasfaserbündel 4 umfasst zumindest einen ersten Lichtleiter 5 und einen zweiten Lichtleiter 6. Das Lichtleiterbündel 4 umfasst somit zumindest zwei einzelne Lichtleiter 5, 6. Diese einzelnen Lichtleiter sind gebündelt, wobei die Bündelung lediglich auf einer dem Sensorkopf 7 zugehörigen Seite des ersten Lichtleiters 5 und des zweiten Lichtleiters 6 vorliegt. Der erste Lichtleiter 5 und der zweite Lichtleiter 6 sind somit im Bereich des Fußes des Y-förmigen Lichtleiterbündels 4 gebündelt.
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Der erste Lichtleiter 5 ist an einem ersten Ende des ersten Lichtleiters 5 mit der Strahlquelle 2 gekoppelt. Der zweite Lichtleiter 6 ist an einem ersten Ende des zweiten Lichtleiters 6 mit dem Detektor 3 gekoppelt. Ein zweites Ende des ersten Lichtleiters 5 und ein zweites Ende des zweiten Lichtleiters 6 sind auf Seiten des Sensorkopfes 7 gebündelt. Der erste Lichtleiter 5 und der zweite Lichtleiter 6 sind Glasfasern. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass die Lichtleiter ebenfalls als Kunststoffelemente gefertigt sein können. Auch andere lichtleitende Materialien können zur Ausführung der Lichtleiter 5, 6 vorteilhaft sein.
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In dem Sensorkopf 7 werden das zweite Ende des ersten Lichtleiters 5 und das zweite Ende des Lichtleiters 6 zusammengeführt. Dies ist beispielhaft in den 2 und 3 dargestellt. Dabei umfassen die in 2 und 3 dargestellten Lichtleiterbündel 4 mehrere zweite Lichtleiter 6, die an ihrem ersten Ende mit dem Detektor 3 gekoppelt sind und die an ihrem zweiten Ende an dem Sensorkopf 7 mit dem zweiten Ende des ersten Lichtleiters 5 zusammengeführt sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Strahlquelle 2 mit einem Lichtleiter, nämlich dem ersten Lichtleiter 5 mit dem Sensorkopf 7 gekoppelt ist. Der Detektor 3 ist über eine Vielzahl von Lichtleitern, hier den zweiten Lichtleitern 6, mit dem Sensorkopf 7 gekoppelt. So kann jeder der Lichtleiter, welcher den Detektor 3 mit dem Sensorkopf 7 verbindet, als der zweite Lichtleiter 6 angesehen werden. In 2 und 3 ist eine Draufsicht auf ein Ende des Lichtleiterbündels 4 dargestellt. Im Zentrum des Lichtleiterbündels 4 ist der erste Lichtleiter 5 angeordnet. Die zweiten Lichtleiter 6 sind um das gezeigte zweite Ende des ersten Lichtleiters 5 herum angeordnet. Dabei sind in 2 und 3 unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten der Lichtleiter 5, 6 dargestellt.
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So ist in 2 eine Anordnung des ersten Lichtleiters 5 und der zweiten Lichtleiter 6 gewählt, in der jeweilige Querschnittsmittelpunkte der einzelnen Lichtleiter 5, 6 auf einer quadratischen Rasterung angeordnet sind. Bei der in 3 gezeigten vorteilhaften Anordnung der Lichtleiter 5, 6 sind die zweiten Lichtleiter 6 mit ihren Querschnittsmittelpunkten auf einer Kreisbahn um den ersten Lichtleiter 5 herum angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Anordnung der einzelnen Lichtleiter 5, 6. In 2 und 3 ist das jeweils zweite Ende des ersten Lichtleiters 5 und der zweiten Lichtleiter 6 dargestellt. Dabei ist eine Stirnseite des Lichtleiterbündels 4 abgebildet. Die Achsen aller Lichtleiter 5, 6 stehen in diesen Bereich des Lichtleiterbündels 4 senkrecht auf der dargestellten Ebene. Somit sind die Achsen des ersten Lichtleiters 5 und der zweiten Lichtleiter 6 koaxial zueinander angeordnet.
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Auch ist es vorteilhaft, eine Double-Clad Fiber zu verwenden. Der innere Kern der Double-Clad Fiber ist für einen Single-Mode Strahl aus einer Lichtquelle geeignet, in den das Licht eingekoppelt wird. So dient der Kern der Double-Clad Fiber bevorzugt als erster Lichtleiter 5. Der äußere Mantel der Double-Clad Fiber (gegebenenfalls inkl. Bandpassfilter oder Bragg-Gitter) kann das reflektierte Licht einsammeln und auf den Detektor leiten. So dient der äußere Mantel der Double-Clad Fiber bevorzugt als zweiter Lichtleiter 6. Diese Anordnung ist ähnlich zu 2 und 3.
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Andere Faserauslegungen weichen von 2 und 3 ab. Bei solchen anderen Faserauslegungen gibt es nur einen Wellenleiter und dieser ist geeignet für langsame Auslenkungen der mechanischen Einheit. Des Weiteren können Fasersplitter mit oder ohne integriertem Strahlteiler (eventuell polarisationserhaltend) und/oder einem beliebigen Aufspaltungsverhältnis zwischen den einzelnen Fasern, also zwischen den ersten Lichtleiter 5 und dem zweiten Lichtleiter 6 eingesetzt werden.
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Ferner ist ein optischer Faserzirkulator von Vorteil. Bei einem ersten Port wird das Licht von der Lichtquelle eingekoppelt und über einen zweiten Port ausgekoppelt. So wird über den zweiten Port 2 das Licht von der Umgebung, welches über die Ablenkeinheit wieder eingekoppelt wird, über den zweiten Port und/oder einen dritten Port 3 an den Detektor geschickt.
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Das Lichtleiterbündel 4 ist eine Glasfaser, die aus mehreren Faserkernen besteht. Dies kann auch eine photonische Kristallfaser sein. Hierbei wird der zentrale Glasfaserkern, also der erste Lichtleiter 5, dazu benutzt, das emittierte Licht eines Lasers oder LED zu transportieren, welche als Strahlquelle 2 dient. Die äußeren beliebig angeordneten Faserkerne, also die zweiten Lichtleiter 6, sammeln das im Umfeld des LiDAR-Systems 1 reflektierte Licht ein. Hinsichtlich der zweiten Lichtleiter ist eine rechteckige oder kreisförmige Anordnung und zudem eine Anordnung in mehreren Schichten möglich. Um den austretenden Laserstrahl, also den Scanstrahl 20, zu formen, kann auf den mittleren Glasfaserkern und somit auf den ersten Lichtleiter ein optisches Element (Linse) aufgebracht werden. Zur Unterdrückung des Hintergrundlichts kann auf die äußeren Glasfaserkerne eine Beschichtung zur Wellenlängenselektionen) aufgebracht werden, welche im Folgenden als Bandpassfilter oder Bandpass bezeichnet wird. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn anstatt des Bandpassfilters Faserkerne mit integrierten Bragg-Gittern verwendet werden.
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Beim Einsatz photonischer Kristallfasern als Lichtleiter 5, 6 können die Hohlräume zwischen den einzelnen Lichtleitern 5, 6 oder zwischen den Lichtleitern und der Strahlquelle, dem Detektor und/oder der Ablenkvorrichtung mit einem Gas gefüllt werden, welches das breitbandige Hintergrundlicht absorbiert und nur die Wellenlänge der Strahlquelle 2 transmittiert.
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Die zentrale Faser von der Strahlquelle 2 und die äußeren Faserbündel, also die zweiten Lichtleiter 6, welche zum Detektor 3 führen, können durch die Y-Auslegung der gesamten Glasfaser räumlich voneinander getrennt werden.
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Die 4 und 5 zeigen zwei mögliche Ausführungsformen des Sensorkopfes 7. In 4 ist das auf Seiten des Sensorkopfes 7 gelegene Ende des Lichtleiterbündels 4 dargestellt. Das Lichtleiterbündel 4 entspricht dabei dem in 2 oder 3 dargestellten Lichtleiterbündel 4. Das Lichtleiterbündel 4 ist dabei in einer Schnittebene entlang einer Längsachse des Lichtleiterbündels 4 dargestellt. Im Zentrum des Lichtleiterbündels 4 ist der erste Lichtleiter 5 angeordnet. Koaxial zu dem ersten Lichtleiter 5 ist in dem Querschnitt oberhalb und unterhalb des ersten Lichtleiters 5 jeweils ein zweiter Lichtleiter 6 angeordnet. Die Lichtleiter 5,6 des Lichtleiterbündels 4 sind ferner mit einer Schutzschicht 8 ummantelt. Auf dem dargestellten zweiten Ende des ersten Lichtleiters 5 ist eine Strahlformungslinse 12 angeordnet. Diese ist direkt auf dem ersten Lichtleiter 5 angebracht. Durch die Strahlformungsliste 12 wird es ermöglicht, dass der in dem ersten Lichtleiter 5 eingekoppelte Scanstrahl 20 fokussiert wird. Um die Strahlformungslinse 12 herum ist auf den Enden der zweiten Lichtleiters 6 ein Bandpassfilter 9 angeordnet. Der Bandpassfilter 9 ist auf die Enden der zweiten Lichtleiter 6 angebracht. Dazu ist eine Frontfläche der zweiten Lichtleiter 6 mit dem Bandpassfilter beschichtet, um unerwünschtes Störlicht (z. B. von der Sonne) zu blocken.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsform des Sensorkopfes 7 zeigt ferner die Ablenkvorrichtung 10, welche bei der in 4 dargestellten Ausführungsform einen beweglich angeordneter Mikrospiegel umfasst. So ist ersichtlich, dass ein an dem ersten Ende des ersten Lichtleiters 5 eingekoppelter Scanstrahl 20 durch die Strahlformungslinse 12 fokussiert wird und auf den Mikrospiegel 11 abgestrahlt wird. Da der Mikrospiegel 11 beweglich angeordnet ist, wird der Scanstrahl 20 bei einer Bewegung des Mikrospiegels 11 in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt. Dies ermöglicht es, dass durch das LiDAR-System 1 die Umgebung des LiDAR-Systems 1 gescannt wird. Der Mikrospiegel 11 führt dabei bevorzugt eine oszillierende Bewegung aus oder ist als ein rotierender Spiegel ausgeführt.
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In 4 ist somit eine Kombination einer Multifaser mit einem Ablenkspiegel, z.B. einem Mikrospiegel oder einem Polygonspiegel dargestellt. Im Fall des Mikrospiegels trifft Licht aus der zentralen Faser, also aus dem ersten Lichtleiter 5, auf den Mikrospiegel 11, der das Licht unter einem gewissen Winkel in das Sichtfeld des LiDAR-Systems 1 ablenkt. Das rückreflektierte Licht wird durch den Mikrospiegel 11, welcher sich in der Zwischenzeit weiterbewegt hat, zurück in Richtung Lichtleiterbündel 4 gelenkt und trifft dort in Abhängigkeit der Position des Bildpunktes im Sichtfeld auf einen der äußeren zweiten Lichtleiter 6. Dort wird das Licht im Faserkern zum Detektor 3 geleitet und trifft dort auf die empfindliche Sensorfläche.
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Die in 5 dargestellte Ausführungsform des Sensorkopfes 7 entspricht im Wesentlichen der in 4 dargestellten Ausführungsform des Sensorkopfes 7, wobei die Ablenkvorrichtung 10 in der in 5 gezeigten Ausführungsform anstelle des Mikrospiegels 11 eine erste Linsenanordnung 13 und eine zweite Linsenanordnung 14 umfasst, welche in Bezug zueinander beweglich angeordnet sind. Dabei ist eine der ersten Linsenanordnung 13 und der zweiten Linsenanordnung 14 gegenüber dem Lichtleiterbündel 4 in einer festen Position angeordnet und die jeweils andere der ersten und zweiten Linsenanordnung 13 und 14 ist beweglich gegenüber dem Lichtleiterbündel 4 angeordnet. Die erste Linsenanordnung 13 und die zweite Linsenanordnung 14 sind dabei MikrolinsenArrays.
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Im Fall der Mikrolinsenarrays wird der Scanstrahl 20 durch das sich bewegende erste oder zweite Mikrolinsenarray 13, 14 in das Sichtfeld abgelenkt. Nach der Reflektion im Umfeld des LiDAR-Systems 1 fällt das Licht aufgrund einer oszillierenden Bewegung des jeweiligen Mikrolinsenarrays 13, 14 auf einen der äußeren zweiten Lichtleiter 6, wo das Licht zum Detektor 3 geleitet wird.
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Die in 5 dargestellte Ablenkvorrichtung 10 ist in 6 in einer vergrößerten Ansicht dargestellt, wobei einzelne Strahlengänge des Scanstrahls 20 beim Durchlaufen der Ablenkvorrichtung 10 abgebildet sind. Es ist ersichtlich, dass eine Ablenkung des Scanstrahls 20 davon abhängig ist, wie die zweite Linsenanordnung 14 gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 positioniert ist. So kann zur Steuerung des Scanstrahls 20, um einen Scanvorgang des LiDAR-Systems 1 zu ermöglichen, die zweite Linsenanordnung 14 lateral gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 versetzt oder verschoben werden. Die Distanz zwischen den Linsenanordnung en 13, 14 bleibt dabei gleich. Das bedeutet, dass die zweite Linsenanordnung 14 gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 parallel verschoben wird. Wie ebenfalls aus 6 ersichtlich, kann es dabei jedoch zu einer Defokussierung des Scanstrahls 20 kommen, was insbesondere dann auftritt, wenn ein Anteil des Scanstrahls 20 auf solche Bereiche der zweiten Linsenanordnung 13 trifft, in dem einzelne Mikrolinsen 13', 13" des MikrolinsenArrays aufeinander treffen. Dieser Effekt lässt sich jedoch bei Bedarf minimieren. So wird eine Defokussierung des Scanstrahls 20 durch die Ablenkvorrichtung 10 minimiert, wenn zwischen der ersten Linsenanordnung 13 und der zweiten Linsenanordnung 14 zusätzlich eine dritte Linsenanordnung 15 angeordnet ist. Dies ist beispielhaft in 7 dargestellt.
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7 zeigt, dass die erste Linsenanordnung 13 und die zweite Linsenanordnung 14 jeweils ein Linsen-Array aus konvexen Mikrolinsen sind. Die dritte Linsenanordnung 15 ist ein Linsen-Array aus konkav geformten Mikrolinsen. Die dritte Linsenanordnung 15 wird zusammen mit der zweiten Linsenanordnung 14 gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 bewegt. Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, dass die zweiten Linsenanordnung 14 und die dritte Linsenanordnung 15 in gleichem Maße gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 bewegt werden. Vielmehr ist es vorteilhaft, wenn die zweite Linsenanordnung 14 und die dritte Linsenanordnung 15 derart bewegt werden, dass der Scanstrahl 20 von der dritten Linsenanordnung 15 auf die einzelnen Mikrolinsen der zweiten Linsenanordnung 14 fokussiert wird.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Ablenkvorrichtung 10 eine nicht-mechanische Strahllenkvorrichtung ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Mikrospiegel 11 oder die Linsenanordnungen 13, 14 und 15 keine mechanischen Komponenten umfassen, welche tatsächlich bewegt werden. So sind die Linsen der ersten, zweiten und/oder dritten Linsenanordnung 13, 14, 15 beispielsweise durch eine entsprechende Bestromung eines Flüssigkristalls ausgebildet. Wird der Flüssigkristall in einer veränderten Art und Weise bestromt, so bilden sich die erste bis dritte Linsenanordnung 10, 13, 14 an einer veränderten Position in dem Flüssigkristall aus. Dabei wurde das Flüssigkristall an sich jedoch in keiner Weise mechanisch bewegt. Als alternative Techniken zur Ausführung einer nicht-mechanischen Strahllenkung in der Ablenkvorrichtung 10 ist eine Strahllenkung durch Hologramme, doppelbrechende Prismen, variabel polarisierbare Elemente und Flüssigkristalle im allgemeinen vorteilhaft. Solche Vorrichtungen zur nicht-mechanischen Strahllenkung sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden der Kürze halber nicht näher ausgeführt. Der Einsatz nicht-mechanischer Strahllenkvorrichtungen in einem erfindungsgemäßen Sensorkopf 7 ist in jeder Weise vorteilhaft, da dies eine Robustheit des Sensorkopfes 7 gegenüber mechanischen Einflüssen erhöht und somit eine flexiblere Anordnung des Sensorkopfes 7 ermöglicht.
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In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist die erste Linsenanordnung 13, die zweite Linsenanordnung 14 und die dritte Linsenanordnung 15 als ein Mikrolinsen-Array ausgeführt. Es sei darauf verwiesen, dass die erste Linsenanordnung 13, die zweite Linsenanordnung 15 und/oder die dritte Linsenanordnung 15 jedoch auch als jeweils alleinstehende Linse ausgeführt sein kann. So zeigt 8 eine Linsenanordnung in der Ablenkvorrichtung 10, wobei die erste Linsenanordnung 13 eine einzelne konvexe Linse umfasst und die zweite Linsenanordnung 14 eine einzelne konvexe Linse umfasst. Wird die zweite Linsenanordnung 14 gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 bewegt, so verändert sich eine Richtung des Scanstrahls 20. Dabei ist es ebenfalls bei einer Ausführung der Linsenanordnungen 13, 14 als alleinstehende Linsen vorteilhaft, wenn zwischen der ersten Linsenanordnung 13 und der zweiten Linsenanordnung 14 eine Fokussierung mittels einer dritten Linsenanordnung 15 erfolgt, wobei auch die dritte Linsenanordnung 15 als einzelne Linse ausgeführt sein kann. Dies ist beispielhaft in 9 gezeigt. Dabei umfasst die dritten Linsenanordnung 15 ebenfalls eine einzelne konvexe Linse. Wie auch bei der in 7 abgebildeten Ausführungsform der Ablenkvorrichtung 10 sind dabei die zweite Linsenanordnung 14 und die dritte Linsenanordnung 15 beweglich gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 ausgeführt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass bei den in den 6, 7, 8 und 9 dargestellten Ablenkvorrichtungen 10 jeweils die durch einen Rahmen 21 markierten Linsenanordnungen 13, 14, 15 beweglich angeordnet sind.
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An dem in 1 dargestellten Fahrzeug 100 sind zwei baugleiche LiDAR-Systeme 1,1' angeordnet. 10 zeigt eine alternative Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer LiDAR-Systeme 1 an einem Fahrzeug 100. Dabei sind mehrere Sensorköpfe 40, 41, 42, 43 an dem Fahrzeug angeordnet, welche dem zuvor beschriebenen Sensorkopf 7 entsprechen angeordnet. Die Detektoren 3 der einzelnen LiDAR-Systeme sind in einer Detektorbaugruppe 44 gruppiert. Die Strahlquellen 2 der einzelnen LiDAR-Systeme sind in einer Strahlquellenbaugruppe 35 gruppiert. Dabei ist die Strahlquellenbaugruppe 45 insbesondere so gestaltet, dass der Scanstrahl 20 von einem einzelnen Laser in unterschiedliche erste Lichtleiter 5 eingekoppelt wird, welche unterschiedlichen LiDAR-Systemen zugehörig sind. Die Sensorköpfe 40, 41, 42, 43 der einzelnen LiDAR-Systeme sind an beliebigen Positionen des Fahrzeuges 100 angeordnet. Es kann somit das gesamte Umfeld des Fahrzeuges 100 durch die LiDAR-Systeme gescannt werden, wobei die dafür notwendigen Detektoren 3 und Strahlquellen 2 sicher im Inneren des Fahrzeuges 100 angeordnet sind.
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Der Sensorkopf 7, welcher die Ablenkeinheit beinhaltet, kann getrennt von der Strahlquelle 2 sowie Detektor 3 im Fahrzeug 100 eingebaute werden. Dadurch kann der Sensorkopf 7 an Orten installiert werden, wo nur eingeschränkt Platz vorhanden ist, zum Beispiel, in der Fahrzeugtür. Die Strahlquelle 2 und der Detektor 3 inkl. Elektronik können an leicht zugänglichen Orten montiert werden, wo ausreichend Platz für die Module verfügbar ist. Beim Einsatz mehrerer Sensoren können die Strahlquellen 2 und Detektoren 3 zu einer einzigen Einheit miteinander verbunden werden.
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Der Einsatzbereich eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems umfasst insbesondere 2D- und 3D-Laserscanner zur Umwelterfassung in Fahrerassistenzsystemen, insbesondere im Umfeld des hochautomatisierten Fahrens. Darüber hinaus ist ein Einsatz in anderen Bereichen, beispielsweise im Bereich der Service-Robotik, der Gestikerkennung, beispielsweise für Mobilfunkgeräte oder im Kfz-Innenraum, und der Arbeitsraumüberwachung vorteilhaft.
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Nebst offenstehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 10 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012112683 A2 [0006]
- DE 102012025464 A1 [0007]
