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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sendeeinheit für eine optische Objekterfassungseinrichtung, mit einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Sendelichtstrahls, mit einer steuerbaren Strahlablenkvorrichtung, insbesondere einem steuerbaren Mikrospiegel, als Scaneinheit für den Sendelichtstrahl und mit einem transparenten optischen Bauelement, welches die steuerbare Strahlablenkvorrichtung abdeckt und dazu insbesondere eine Kappenform aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine optische Objekterfassungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Sendeeinheit zum Aussenden eines Sendelichtstrahls, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen eines Empfangslichtstrahls, und mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung zum Detektieren eines fahrzeugexternen Objektes in einer Umgebung des Kraftfahrzeugs abhängig von dem Empfangslichtstrahl.
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Eine optische Objekterfassungseinrichtung sowie eine Sendeeinheit für eine derartige optische Objekterfassungseinrichtung ist aus der Druckschrift
DE 10 2012 025 281 A1 bekannt. Die dort beschriebene Sendeeinheit umfasst eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Sendelichtstrahls, einen MEMS-Spiegel als Scaneinheit für den Sendelichtstrahl und ein als Linse ausgebildetes transparentes optisches Bauelement, welches eine Kappenform aufweist und zumindest den steuerbaren Mikrospiegel abdeckt. Die beschriebene optische Objekterfassungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug umfasst die besagte Sendeeinheit, eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Empfangslichtstrahls und eine elektronische Auswerteeinrichtung zum Detektieren eines fahrzeugexternen Objektes in einer Umgebung des Kraftfahrzeugs abhängig von dem Empfangslichtstrahl.
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In der Regel ergeben sich bei der Sendeeinheit ohne Korrekturmaßnahmen ein oder mehrere Fehler in der resultierenden Scangeometrie des durch die steuerbare Strahlablenkvorrichtung gerasterten Sendelichtstrahls.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Sendeeinheit und eine optische Objekterfassungseinrichtung mit derartiger Sendeeinheit anzugeben, bei denen Fehler in der resultierenden Scangeometrie weitgehend korrigiert sind.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der Sendeeinheit für eine optische Objekterfassungseinrichtung mit einer Lichtquelle, einer steuerbaren Strahlablenkvorrichtung als Scaneinheit für einen Sendelichtstrahl und einem transparenten optischen Bauelement, welches zumindest die steuerbare Strahlablenkvorrichtung abdeckt und dazu insbesondere eine Kappenform aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das transparente optische Bauelement ein optisches Bauelement zum Korrigieren des mindestens einen Fehlers in der Scangeometrie ist. Das transparente optische Bauelement kann im einfachsten Fall eine Glas-Abdeckplatte oder bei kappenförmiger Ausgestaltung eine Glashaube sein, die nun zusätzlich als optisches Bauelement zum Korrigieren des Fehlers oder zumindest eines Fehlers in der Scangeometrie ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme kann dieser Fehler oder zumindest einer der Fehler in der Scangeometrie reduziert werden.
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Mit anderen Worten bildet das transparente optische Bauelement ein Ausgangsfenster oder ein Sendefenster der Sendeeinheit. Ein Ausgangsfenster einer optischen Sendeeinheit dient im Stand der Technik in erster Linie zum Schutz der Komponenten der optischen Sendeeinheit vor Umgebungseinflüssen. Um Fehler in der Scangeometrie zu korrigieren, ist aus dem Stand der Technik ferner eine Vielzahl an optischen Bauteilen bekannt, die einzeln oder in Kombination mit weiteren optischen Bauteilen im optischen Pfad eines Sendelichtstrahls angeordnet werden. Jedes dieser optischen Bauteile im optischen Pfad des Sendelichtstrahls weist allerdings zumindest eine optische Grenzfläche auf, an der fresnellsche Reflexionen auftreten und damit die optische Leistung des Sendelichtstrahls reduziert wird.
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Die Erfindung verfolgt den Ansatz, dass durch Integration von optischen Bauteilen in das Sendefenster nicht nur die Anzahl an optischen Bauteilen reduziert werden kann, sondern zusätzlich die Intensität des Ausgangssendestrahls verbessert werden kann. Somit wird die Effizienz des Gesamtsystems der Sendeeinheit verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das transparente optische Bauelement zur Korrektur des mindestens einen Fehlers in der Scangeometrie zumindest eine optische Struktur aufweist, die als refraktive (lichtbrechende) Struktur und/oder reflektive (lichtreflektierende) Struktur und/oder diffraktive (lichtbeugende) Struktur ausgebildet ist. Das transparente optische Bauelement hat also Eigenschaften einer Linse und/oder eines Spiegels und/oder eines diffraktiven Elements. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die zumindest eine optische Struktur auf der der steuerbaren Strahlablenkvorrichtung zugewandten Innenseite des transparenten optischen Bauelements angeordnet ist.
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Im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass das transparente optische Bauelement als prismatische Strukturen ausgebildete refraktive Strukturen aufweist. Diese sind bevorzugt auf der der steuerbaren Strahlablenkvorrichtung zugewandten Innenseite des transparenten optischen Bauelements verteilt angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zumindest eine Fehler in der Scangeometrie ein Versatzfehler und/oder ein Verkippfehler ist. Der Versatzfehler wird auch als Shift-Fehler oder Offset-Fehler bezeichnet, während der Verkippfehler auch als Tilt-Fehler bezeichnet wird. Der Versatzfehler ergibt sich durch einen unerwünschten Versatz mindestens zweier optischer Komponenten gegeneinander und der Verkippfehler durch ein Verkippen mindestens zweier optischer Komponenten gegeneinander. Der Verkippfehler ist bei derartigen Sendeeinheiten oftmals ein systematischer Fehler, der durch den Aufbau selbst bedingt ist. Der Verkippfehler führt im Zusammenhang mit einer Scaneinheit wie der steuerbaren Strahlablenkvorrichtung zu einem unter dem Namen „Smiley-Effekt“ bekannten unerwünschten Phänomen, bei dem eine Scanlinie bogenförmig verformt wird.
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Möchte man beide besagten Fehler mit nur einem Korrekturelement korrigieren, so muss dieses recht komplex strukturiert und genau positioniert werden. Daher ist es einfacher diese Korrektur zweistufig durchzuführen.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Sendeeinheit weiterhin ein optisches Korrektur-Bauteil zum Korrigieren von zumindest einem Fehler in der Scangeometrie auf. Dabei ergibt sich ein Strahlengang des Sendelichtstrahls, der von der Lichtquelle über die steuerbare Strahlablenkvorrichtung, das der steuerbaren Strahlablenkvorrichtung nachgeschaltete optische Korrektur-Bauteil und das dem optischen Korrektur-Bauteil nachgeschaltete transparente optische Bauelement verläuft. Durch diese relativ einfache zusätzliche Maßnahme kann der Fehler oder zumindest einer der Fehler in der Scangeometrie deutlich reduziert werden.
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Das optische Korrektur-Bauteil kann als Korrektur-Spiegel oder als transparentes Bauteil ausgebildet sein, wobei ein solches transparentes Bauteil in der Regel lichtbrechende Oberflächen aufweist. Der Korrekturspiegel ist im Allgemeinen als Freiformspiegel ausgebildet und in der Regel im Strahlengang unmittelbar hinter der steuerbaren Strahlablenkvorrichtung angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die als steuerbarer Mikrospiegel ausgebildete Strahlablenkvorrichtung als MEMS-Spiegel ausgestaltet ist. Derartige MEMS-Spiegel (MEMS: Micro-Electro-Mechanical System) werden auch als mikroelektromechanische Spiegel bezeichnet. Der MEMS-Spiegel weist in einigen Fällen ein transparentes optischen Bauelement auf, welches zumindest den steuerbaren Mikrospiegel abdeckt und dazu insbesondere eine Kappenform aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sendeeinheit weiterhin ein im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der steuerbaren Strahlablenkvorrichtung angeordnetes optisches Kollimator-Bauteil auf. Dieses sorgt für planparalleles Licht. Es kann beispielsweise als Kollimator-Linse ausgebildet sein.
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Bei der erfindungsgemäßen optische Objekterfassungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Sendeeinheit zum Aussenden eines Sendelichtstrahls, einer Empfangseinheit zum Empfangen eines Empfangslichtstrahls und einer elektronischen Auswerteeinrichtung zum Detektieren eines fahrzeugexternen Objektes in einer Umgebung des Kraftfahrzeugs abhängig von dem Empfangslichtstrahl ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit als vorstehend genannte Sendeeinheit ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft schließlich noch ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen optischen Objekterfassungsein richtung.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Sendeeinheit für eine optische Objekterfassungseinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine Sendeeinheit für eine optische Objekterfassungseinrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
- 3 eine Veranschaulichung der auftretenden Fehler in der Scangeometrie.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit 10 zum Aussenden eines Sendelichtstrahls 12. Eine derartige Sendeeinheit 10 wird für eine (hier nicht gezeigte) optische Objekterfassungseinrichtung genutzt. Die Sendeeinheit 10 weist eine Lichtquelle 14 auf, die ihrerseits die hier nicht explizit dargestellten Komponenten Laser-Einrichtung und der Laser-Einrichtung nachgeschaltete Kondensorlinsen-Anordnung aufweist. Ausgehend von der Lichtquelle 14 ergibt sich nun ein Strahlengang 16 des Sendelichtstrahls 12, der sich durch Interaktion mit den im Folgenden genannten optischen Bauelementen der Sendeeinheit 10 ergibt. Diese optischen Bauelemente sind: ein als Kollimatorlinse ausgestaltetes optisches Kollimator-Bauteil 18 zur Kollimation des Lichts der Lichtquelle 14, eine steuerbare Strahlablenkvorrichtung 20 als Scaneinheit für den Sendelichtstrahl 12, ein als Korrekturspiegel ausgestaltetes optisches Korrektur-Bauelement 22 und ein transparentes optisches Bauelement 24 von gewölbter Form. Das transparente optische Bauelement 24 ist eine Art Glashaube zum Abdecken der Lichtquelle 14 wie auch der anderen optischen Komponenten 18, 20, 22 der Sendeeinheit 10. Über dieses transparente optische Bauelement 24 tritt der Sendelichtstrahl anschließend aus der Sendeeinheit 10 aus.
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In der schematischen Darstellung der 1 sind nur die für die dargestellte Scanposition relevanten Teilbereiche des Korrekturspiegels 22 und des transparenten optischen Bauelements 24 gezeigt. Beide optischen Komponenten 22, 24 der Sendeeinheit 10 haben selbstverständlich eine Ausdehnung, die weit über die dargestellten Teilbereiche hinausgehen.
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Die Lichtquelle 14, die Kollimatorlinse 18 und die als steuerbarer Mikrospiegel 32 ausgebildete steuerbare Strahlablenkvorrichtung 20 liegen auf einer gemeinsamen optischen Achse in einem ersten Abschnitt 26 des Strahlengangs 16. Die Oberflächennormale n des steuerbaren Mikrospiegels 32 ist gegenüber der Achse des ersten Abschnitts 26, die gleichzeitig die Hauptachse der Sendeeinheit 10 ist, in der hier gezeigten unverschwenkten Position um den Winkel θ (im Beispiel nach oben) verkippt. Der steuerbare Mikrospiegel 32 ist um die Achse 28 in beide Richtungen verschwenkbar (Doppelpfeil 30). Hat der Sendelichtstrahl 12 statt eines punktförmigen einen linienförmigen Strahlquerschnitt, so ergibt sich selbst bei nur einer Scanrichtung eine (in 3 gezeigte) Scanfläche, die bei hinreichender Länge dieser Linienform ein hinreichendes Gesichtsfeld (FOV) ergibt. Der steuerbare Mikrospiegel 32 ist im Beispiel als ein sogenannter MEMS-Spiegel ausgebildet. Derartige MEMS-Spiegel (MEMS: Micro-Electro-Mechanical System) werden auch als mikroelektromechanische Spiegel bezeichnet. Der MEMS-Spiegel ist ein schwingfähiges System welches über ein reflektierendes Spiegelelement verfügt. Dieses Spiegelelement kann über elektrische Ansteuergrößen periodisch verschwenkt werden. Zur Verlängerung der Lebensdauer und zur Gütesteigerung wird das Spiegelelement des MEMS-Spiegels mittels eines (nicht gezeigten) Glasdomes eingehaust. Diese Einhausung wiederum verursacht zusätzliche optische Aberrationen, insbesondere in den Randbereichen des Scanfeldes.
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Ein zweiter Abschnitt 34 des Strahlengangs 16, der sich zwischen der steuerbaren Strahlablenkvorrichtung 20 und dem optischen Korrektur-Bauteil 22 ergibt, ist gegenüber dem ersten Abschnitt 26 entsprechend verkippt. In der hier dargestellten Position um den Winkel 2θ. Ein dritter Abschnitt 32 des Strahlengangs 16 der sich zwischen dem optischen Korrektur-Bauteil 22 und dem transparenten optischen Bauelement 24 ergibt, ist aufgrund der Form des Korrekturspiegels 22 in der gezeigten Situation in etwa parallel zum ersten Abschnitt 26. Wenn der Sendelichtstrahl 12 das transparente optische Bauteil 24 passiert hat, so hat er die Sendeeinheit 10 verlassen.
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In der Regel ergeben sich bei einer derartigen Sendeeinheit 10 ohne Korrekturmaßnahmen ein oder mehrere Fehler in der resultierenden Scangeometrie des durch die steuerbare Strahlablenkvorrichtung 20 gerasterten Sendelichtstrahls 12. Bevor nun die Fehler in der resultierenden Scangeometrie anhand der 3 diskutiert werden soll, sollen die Gründe für die auftretenden Fehler und die entsprechenden Korrekturmaßnahmen anhand 1 kurz diskutiert werden.
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Die Gründe für die Fehler in der Scangeometrie liegen einerseits in dem Verkippen der als steuerbarer Mikrospiegel 32 ausgebildeten steuerbaren Strahlablenkvorrichtung 20 gegenüber der Achse des ersten Abschnitts 26 und andererseits im Auftreten eines (hier nicht gezeigten) unerwünschten Versatzes von zumindest zwei der optischen Komponenten gegeneinander (beispielsweise der optischen Bauelemente im ersten Abschnitt 26 des Strahlengangs 16). Entsprechend kann man die Fehler als Verkippfehler und Versatzfehler bezeichnen. Der Verkippfehler wird auch als Tilt-Fehler bezeichnet während der Versatzfehler auch als Shift-Fehler oder Offset-Fehler bezeichnet wird. Der Verkippfehler führt im Zusammenhang mit einer Scaneinheit wie dem steuerbaren Mikrospiegel 20 zu einem unter dem Namen „Smiley-Effekt“ bekannten unerwünschten Phänomen, bei dem die Scanlinie bogenförmig verformt wird.
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Der Korrekturspiegel 22 ist ein als Freiformspiegel ausgebildeter Korrekturspiegel 22 zum Korrigieren von zumindest einem der zuvor genannten Fehler (in der Regel dem Verkipp-Fehler) in der Scangeometrie. Auch das transparente optische Bauelement 24 ist ein optisches Bauelement zum Korrigieren mindestens eines der Fehler in der Scangeometrie.
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Zur Korrektur des mindestens einen Fehlers in der Scangeometrie weist das transparente optische Bauelement optische Strukturen 38 auf, die als refraktive (lichtstrahlbrechende) Strukturen 40 ausgebildet sind, die auf der der steuerbaren Strahlablenkvorrichtung 20 zugewandten Innenseite 42 des transparenten optischen Bauelements 24 angeordnet sind. Die refraktiven Strukturen 40 sind im gezeigten Beispiel über die Innenseite 42 des transparenten optischen Bauelements 24 verteilt angeordnete prismatische Strukturen.
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Die Darstellung dieser Strukturen 38 auf der rechten Seite der 1 erfolgt in einer Schnittdarstellung durch das transparente optische Bauelements 24 mit einer Schnittebene senkrecht zu der Darstellungsebene der Darstellung der kompletten Sendeeinheit 10 in 1. Dabei ist auch die Wölbung des transparenten optischen Bauelements 24 angedeutet.
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Prinzipiell ist es denkbar, den mindestens einen Fehler in der Scangeometrie allein durch das transparente optische Bauelement 24 zu korrigieren. Um eine möglichst vollständige Korrektur zu erreichen, ist es jedoch zweckmäßig, die Korrektur zweistufig über die beiden optischen Korrektur-Komponenten 22, 24 durchzuführen.
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Neben dem transparenten optischen Bauelement 24 gibt es bei dem hier gezeigten Beispiel also ein weiteres optisches Bauelement zum Korrigieren der beiden Fehler in der Scangeometrie, nämlich das optische Korrektur-Bauteil 22. Durch diese Maßnahme können beide Fehler in der Scangeometrie sehr weit reduziert werden.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sendeeinheit 10 für eine optische Objekterfassungseinrichtung. Der Aufbau dieser weiteren Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Sendeeinheit 10, wie sie in 1 gezeigt ist, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Das optische Kollimator-Bauteil 18 der in 2 gezeigten Sendeeinheit 10 ist als Kollimatorspiegel ausgebildet während das Kollimator-Bauteil 18 der in 1 gezeigten Sendeeinheit 10 als Kollimatorlinse ausgebildet ist. Auf der anderen Seite ist das optische Korrektur-Bauteil 22 der in 2 gezeigten Sendeeinheit 10 als transparentes Korrektur-Bauteil 22 (Freiformoptik) ausgebildet während das Korrektur-Bauteil 22 der in 1 gezeigten Sendeeinheit 10 als Korrekturspiegel ausgebildet ist. Dementsprechend ergeben sich auch leichte Variationen im Verlauf des resultierenden Strahlengangs.
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Die 3 zeigt in einer schematischen Darstellung neben der das gewünschte Gesichtsfeld (FOV: Field of View) wiedergebenden unverzerrten Scanfläche 44 (durchgezogene Linien), die entsprechende Scanfläche 46 mit Verkipp- wie Versatz-Fehler (gestrichelt oben) sowie die Scanfläche 48 mit verbliebenem Versatz-Fehler nach Korrektur des Verkipp-Fehlers durch das optische Korrektur-Bauteil 22 (gestrichelt unten).
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Bei optimal ausgelegter Fehlerkorrektur durch beide optischen Komponenten 22, 24 ergibt sich eine Scanfläche, die an die gewünschte unverzerrte Scanfläche 44 angeglichen ist. Die Scanrichtung verläuft horizontal. Die vertikale Ausdehnung des Gesichtsfeldes ergibt sich im einfachsten Fall durch die Länge des vertikal ausgerichteten linienförmigen Strahlquerschnitts.
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Der prinzipielle Aufbau einer entsprechenden optischen Objekterfassungseinrichtung kann beispielsweise der eingangs erwähnten Druckschrift
DE 10 2012 025 281 A1 entnommen werden, wobei die Sendeeinrichtung
10 entsprechend der hier in den
1 bzw.
2 dargestellten Ausführungsbeispiele modifiziert sein müsste. Eine solche optische Objekterfassungseinrichtung ist insbesondere als ein Lidar-System (Lidar: light detection and ranging) ausgestaltet. Lidar ist eine dem Radar sehr verwandte Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung. Statt der beim Radar verwendeten Radiowellen werden beim Lidar Laserstrahlen verwendet.
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Bezugszeichenliste
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| Sendeeinheit |
10 |
| Sendelichtstrahl |
12 |
| Lichtquelle |
14 |
| Strahlengang |
16 |
| optisches Kollimator-Bauteil |
18 |
| steuerbare Strahlablenkvorrichtung |
20 |
| optisches Korrektur-Bauteil |
22 |
| transparentes optisches Bauelement |
24 |
| erster Abschnitt (Strahlengang) |
26 |
| Achse (verschwenken) |
28 |
| Doppelpfeil |
30 |
| steuerbarer Mikrospiegel |
32 |
| zweiter Abschnitt |
34 |
| dritter Abschnitt |
36 |
| optische Struktur |
38 |
| refraktive Struktur |
40 |
| Innenseite |
42 |
| unverzerrte Scanfläche |
44 |
| Scanfläche mit Verkipp- wie Versatz-Fehler |
46 |
| Scanfläche mit Versatz-Fehler |
48 |
| Oberflächennormale (Mikrospiegel) |
n |
| Kippwinkel |
θ |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012025281 A1 [0003, 0037]
