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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Sendevorrichtung zum Aussenden eines Detektionsstrahls in einem Scanbereich.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Detektionsvorrichtung zur Detektion von Objekten in einem Scanbereich.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Detektion von Objekten in einem Scanbereich.
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Stand der Technik
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Obwohl die vorliegende Erfindung auf beliebige Sendevorrichtungen und Detektionsvorrichtungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit Lichtdetektions- und Abstandssystemen - LiDAR - beschrieben.
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Bekannte LiDAR-Systeme nutzen fokussierte Laserstrahlen, die in eine bestimmte Richtung abgelenkt werden. Trifft der Laserstrahl auf ein Objekt, kann anhand der Reflexion des Laserstrahls an dem Objekt in diesem Winkel dessen Entfernung bestimmt werden. Um hochautomatisierte Fahrfunktionen bereitstellen zu können, werden hochreichweitige Sensoranordnungen mit eingeschränktem Winkel-Erfassungsbereich benötigt. Bekannte Sensoranordnungen weisen dabei einen horizontalen Öffnungswinkel von nahezu 360° auf, der vertikale Öffnungswinkel ist jedoch erheblich kleiner und ist auf +/- 20° üblicherweise beschränkt.
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Weiterhin ist bekannt geworden, den vertikalen Öffnungswinkel mittels sogenannter Fischaugen-Optiken zusammen mit einer Phasenkamera zu erhöhen, die jedoch äußerst empfindlich für Überbelichtungen sind und einen hohen Bauraum beanspruchen.
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Die
DE 10 2016 119 150 A1 offenbart ein Verfahren zur Messung und Registrierung dreidimensionaler (3D) durch Messen von 3D-Koordinaten mit einem 3D-Scanner in einer ersten Registrierungsposition, Messen zweidimensionaler (2D) Koordinaten mit dem 3D-Scanner durch Projizieren eines Lichtstrahls in einer Ebene auf das Objekt, während sich der 3D-Scanner von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition bewegt, Messen von 3D-Koordinaten mit dem 3D-Scanner an der zweiten Registrierungsposition und Ermitteln einer Entsprechung zwischen Zielen in der ersten und zweiten Registrierungsposition, während sich der 3D-Scanner zwischen der zweiten und dritten Registrierungsposition bewegt.
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Die
US 2009/01 53 928 A1 offenbart eine Vorrichtung für Videoprojektion /Digitalisierer/digitales Radar mit mehreren elektromagnetischen Strahlen zur Durchführung der Projektion oder Aufzeichnung in 2D oder 3D auf jeder Oberfläche oder in jedem Volumen.
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Die
DE 10 2005 019 233 A1 offenbart eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten, insbesondere von Personen innerhalb eines Überwachungsbereiches, mit einem Laserscanner, der eine Sendeeinrichtung aufweist, die einen kollimierten Strahl von Impulsen elektromagnetischer Strahlung erzeugt, und einem Strahlungsempfänger, der aus dem Überwachungsbereich reflektierte Impulse empfängt, wobei der Laserscanner den Strahl umlaufend mit einer Ablenkeinrichtung um eine Drehachse bewegt, mit weiterhin einer Auswerteeinheit, die aus Winkel und Laufzeit der Impulse relative Raumkoordinaten von Objekten in dem Überwachungsbereich bestimmt, wobei im Umlaufbereich des Strahles ein Umlenkspiegel in Form eines innenverspiegelten Mantelteilabschnitts eines Kegelstumpfes angeordnet ist.
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Die
DE 10 2014 207 051 A1 offenbart eine Laseranordnung mit einer Laservorrichtung, die eine Laserlichtquelle und ein um eine Rotationsachse drehantreibbares erstes Umlenkelement umfasst. Das erste Umlenkelement ist so angeordnet, dass die Rotationsachse mit der Strahlrichtung eines Einfall-Bündelabschnitts zusammenfällt, welcher auf das erste Umlenkelement trifft. Die Laservorrichtung hat außerdem ein beabstandet zur Rotationsachse so angeordnetes zweites Umlenkelement, dass es mit mindestens einem Umlenk-Bündelabschnitt beaufschlagbar ist. Das zweite Umlenkelement lenkt zur Erzeugung eines Ausgabe-Bündelabschnitts den mindestens einen Umlenk-Bündelabschnitt um. Das zweite Umlenkelement weist mindestens eine Scaneinrichtung auf. Die Umlenkelemente sind auf einem drehantreibbaren Rotor angeordnet. Ferner umfasst die Laseranordnung ein Traggestell zum Tragen der Laservorrichtung. Die Laservorrichtung ist gegenüber dem Traggestell beweglich.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Sendevorrichtung zum Aussenden eines Detektionsstrahls in einem Scanbereich bereit, umfassend eine Sendeeinrichtung zum Aussenden des Detektionsstrahls, und eine Rotationsanordnung mit zumindest einer ersten und einer zweiten rotierbaren Einrichtung, welche so zueinander rotierend ausgebildet sind, den mittels der Sendeeinrichtung ausgesendeten Detektionsstrahl in einem ersten Winkelbereich um zumindest 270 Grad und in einem zum ersten Winkelbereich senkrechten zweiten Winkelbereich um zumindest 40 Grad abzustrahlen zur Bildung des Scanbereichs in Form eines Kugeloberflächensegments.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Detektionsvorrichtung zur Detektion von Objekten in einem Scanbereich bereit, umfassend eine Sendevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-9, und eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen eines von einem Objekt im Scanbereich reflektierten Strahls.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Objekten in einem Scanbereich bereit, wobei ein Detektionsstrahl mittels einer Sendeeinrichtung in einen Scanbereich ausgesendet wird und ein von einem Objekt reflektierter Detektionsstrahl von einer Empfangseinrichtung empfangen wird, und wobei mittels einer Rotationsanordnung, umfassend zumindest eine erste und eine zweite rotierbare Einrichtung, zumindest den ausgesendeten Detektionsstrahl in einen ersten Winkelbereich mit zumindest 270 Grad und in einen zum ersten Winkelbereich senkrechten zweiten Winkelbereich mit zumindest 40 Grad abgestrahlt wird zur Bildung des Scanbereichs in Form eines Kugeloberflächensegments. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass ein großer Erfassungswinkel sowohl horizontal als auch vertikal bis hin zu einer Halbkugel erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Sende- und Detektionsvorrichtung kompakt baut. Ein weiterer Vorteil ist, dass äußerst wenige Bauelemente benötigt werden, was eine kostengünstige Sendevorrichtung bzw. Detektionsvorrichtung ermöglicht.
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Mit anderen Worten wird eine Sendevorrichtung mit zwei rotierbaren Einrichtungen zur Verfügung gestellt, die zumindest den Sendepfad in einer ersten Richtung um zumindest 270° ablenkt und den abgelenkten Strahl um zumindest 40° zusätzlich in einer weiteren zur ersten Richtung senkrechten Richtung ablenkt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden rotierbaren Einrichtungen koaxial zu einer gemeinsamen Drehachse angeordnet, insbesondere in der gleichen Ebene. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit eine besonders kompakte und gleichzeitig zuverlässige Strahlführung für Sende- und/oder/auch Empfangsstrahl ermöglicht wird.
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Die zweite rotierbare Einrichtung weist zumindest ein optisches Umlenkelement zur Umlenkung des Detektionsstrahls in den zweiten Winkelbereich auf. Damit wird auf einfache Weise, insbesondere auf passive Weise, das heißt mit passiven Elementen eine vertikale Ablenkung in Bezug auf den ersten Winkelbereich ermöglicht.
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Die zweite rotierbare Einrichtung weist eine Mehrzahl von optischen Umlenkelementen auf, die den Detektionsstrahl jeweils in einem unterschiedlichen Winkel ablenken, wobei die optischen Umlenkelemente in Umfangsrichtung so ausgebildet sind, dass diese zufällig angeordnet sind. Insbesondere können die optischen Umlenkelemente auch so ausgebildet sein, dass diese einen ansteigenden Ablenkwinkel bereitstellen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache Weise der Scanbereich mittels eines Detektionsstrahls gescannt werden kann. Sind insbesondere die Mehrzahl von optischen Umlenkelementen hinsichtlich ihres Ablenkwinkels ansteigend in Umfangsrichtung ausgebildet, ist eine besonders einfache Montage bzw. Einstellung der Sendevorrichtung möglich. Sind diese zufällig angeordnet, kann der komplette Scanbereich gleichmäßiger beziehungsweise schneller abgetastet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden rotierbaren Einrichtungen mittels einer gemeinsamen Antriebseinrichtung antreibbar. Damit kann ein kostengünstiger Antrieb für beide rotierbaren Einrichtungen bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die rotierbaren Einrichtungen mit unterschiedlicher Drehzahl betreibbar derart, dass die beiden Drehzahlen in einem rationalzahligen, insbesondere ganzzahligen Verhältnis zueinanderstehen. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass diese auf einfache Weise, betrieben werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die rotierbaren Einrichtungen mit unterschiedlicher Drehzahl betreibbar, derart, dass diese mit einer Grundfrequenz und einer Schwebungsfrequenz rotieren. Mit anderen Worten drehen sich dann die rotierbaren Einrichtungen mit ähnlichen Geschwindigkeiten, deren Mittenfrequenz insbesondere von der Anzahl der optischen Umlenkelemente, insbesondere Spiegel oder dergleichen, multipliziert mit einer gewünschten Bildrate entspricht und deren Differenzfrequenz/Schwebungsfrequenz insbesondere von der Anzahl der optischen Umlenkelemente abhängt. Die beiden Drehgeschwindigkeiten erzeugen eine Grundfrequenz und eine Schwebungsfrequenz, sodass die gewünschten Raumrichtungen im Scanbereich alle mit den Detektionsstrahl beaufschlagt werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Sendeeinrichtung auf der inneren der beiden rotierbaren Einrichtungen angeordnet. Vorteil hiervon ist, dass damit die bewegliche Masse, die rotiert, minimiert wird, was Belastungen auf Achsen der Sendevorrichtung reduziert und deren Lebensdauer erhöht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Sendeeinrichtung außerhalb der Rotationseinrichtung angeordnet und wirkt mit einem optischen Umlenkelement zusammen, welches auf der inneren der beiden rotierbaren Einrichtungen angeordnet ist. Auf diese Weise kann zum einen Bauraum für die rotierbaren Einheiten weiter reduziert werden, zum anderen wird die zu drehende Masse weiter reduziert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die gemeinsame Antriebseinrichtung ein Getriebe und/oder eine Schlupfeinrichtung, und diese sind ausgebildet, die unterschiedlichen Drehzahlen der beiden rotierbaren Einrichtungen bereitzustellen. Vorteil hiervon ist eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Bereitstellung von unterschiedlichen Drehzahlen der beiden rotierbaren Einrichtungen. Wird beispielsweise als Antriebseinrichtung ein Elektromotor verwendet und eine Schlupfeinrichtung zur Bereitstellung zweier unterschiedlicher Drehzahlen, kann diese beispielsweise kontaktlos über magnetische, elektromagnetische oder sonstige Kraftübertragung erfolgen. Auf diese Weise wird der Verschleiß gesenkt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt der erste Winkelbereich mehr als 300°, vorzugsweise mehr als 330°, insbesondere im Wesentlichen 360° und/oder der zweite Winkelbereich mehr als 60°, insbesondere mehr als 75°, vorzugsweise im Wesentlichen 90°. Damit werden große Öffnungswinkel im Erfassungsbereich sowohl horizontal als auch vertikal bis zu einer vollen Halbkugel erreicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Detektionsvorrichtung sind Sendevorrichtung und Empfangsvorrichtung so zueinander angeordnet, dass ausgesendeter und empfangener Detektionsstrahl im Wesentlichen den gleichen Strahlenweg aufweisen, insbesondere wobei Sende- und Empfangsvorrichtung auf der inneren der beiden rotierbaren Einrichtungen oder außerhalb der Rotationseinrichtung und mit einem optischen Umlenkelement auf der inneren der rotierbaren Einrichtungen angeordnet sind. Zum einen wird durch den gleichen Strahlenweg von Sende- und Empfangsdetektionsstrahl der Aufwand zum Aussenden und Empfangen des Detektionsstrahls minimiert. Sind dabei Sende- und Empfangsvorrichtung auf der inneren der rotierbaren Einrichtungen angeordnet, wird die bewegliche Masse reduziert. Sind diese außerhalb der Rotationseinrichtung angeordnet, wird die zu drehende Masse noch weiter reduziert, was die Lebensdauer noch weiter erhöht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt in schematischer Form eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt in schematischer Form eine zweite rotierbare Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt einen Teil einer Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Form eine Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Detektionsvorrichtung mit einer Rotationsanordnung 2, 3 gezeigt. Die Rotationsanordnung 2, 3 umfasst einen rotierenden ersten Teil 2 und einen rotierenden zweiten Teil 3, die um eine Achse 6 im Uhrzeigersinn 6' drehbar sind. Auf dem ersten rotierenden Teil 2 ist eine Sendeeinrichtung 4 und eine Empfangseinrichtung 5 angeordnet. Die beiden rotierenden Teile 2, 3 sind mit einem Getriebe 7 und einem mit dem Getriebe 7 verbundenen Elektromotor 8 zum Antrieb verbunden. Der zweite rotierende Teil 3 weist einen Facettenspiegel auf, der mehrere optische Umlenkelemente 3' in Form von Einzelspiegeln 3' aufweist, die in Umfangsrichtung linear ansteigend zwischen 0° und 45° geneigt angeordnet sind, sodass ein Sendestrahl 4a zwischen 0° und 90° abgelenkt wird. Die Empfangseinrichtung 5 ist dabei so angeordnet, dass Sendestrahl 4a der Sendeeinrichtung 4 und Empfangsstrahl 5a für die Empfangseinrichtung 5 den gleichen Strahlenweg aufweisen.
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Wie bereits ausgeführt umfasst der erste rotierende Teil 2 mindestens eine Sende- und Empfangseinrichtung 4, 5 welche insbesondere zur Laufzeitmessung dient. Der erste rotierende Teil 2 stellt dabei eine Strahlablenkung insbesondere um 360° von Sendestrahl 4a und Empfangsstrahl 5a bereit. Über das Getriebe 7 treibt der Motor 8 den zweiten rotierenden Teil 3 an, der sich mit einer anderen Geschwindigkeit dreht als der erste rotierende Teil 2. Auf dem zweiten rotierenden Teil ist ein Facettenspiegel aus einer Vielzahl von Einzelspiegeln 3' angeordnet. Die Einzelspiegel 3' sind gegeneinander mit unterschiedlichen Winkeln verkippt, so dass ein radial auftreffender Strahl von jedem Einzelspiegel 3' in eine andere Raumrichtung abgelenkt wird. Durch die Rotation des ersten rotierenden Teils 2 wird ein 360° Scan horizontal erreicht. Durch die Verkippung der Einzelspiegel 3' auf dem zweiten rotierenden Teil 3 wird eine Ablenkung zwischen 0°, dies entspricht einem flach liegenden Einzelspiegel 3' oder keinem Spiegel und 90° oder größer vertikal erreicht. Bei geeigneter Wahl der Geschwindigkeitsverhältnisse werden nach einem vollen Scan alle Raumpunkte im Raumwinkel einer Halbkugel erreicht.
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2 zeigt in schematischer Form eine zweite rotierbare Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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In 2 ist in der Draufsicht der Facettenspiegel auf dem zweiten rotierenden Teil 3 gezeigt. Jeder Einzelspiegel 3' des Facettenspiegels weist dabei einen anderen Kippwinkel gegenüber der Rotationselemente senkrecht zur Achse 6 auf.
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3 zeigt einen Teil einer Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 wird im Detail der Verlauf von Sendestrahl 4a und Empfangsstrahl 5a für unterschiedliche Kippwinkel, nahe 0° in 3 unten, nahe 20° in der Mitte von 3 und nahe 45° in 3 oben gezeigt. Der Blickwinkel ist hierbei senkrecht zur Achse 6 in der Ebene der rotierenden Teile 2, 3.
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Das Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten von erstem rotierbaren Teil 2 und zweitem rotierbaren Teil 3 kann insbesondere wie folgt gewählt werden:
- • Der erste rotierende Teil 2 dreht langsam mit einer gewünschten Bildrate eines vollen Scans aller Richtungen, zum Beispiel mit 10 Hz. Der zweite rotierende Teil 3 dreht schneller mit der Anzahl der optischen Umlenkelemente als Vielfachen, so dass insbesondere jede Scanrichtung für den Scanbereich einmal erreicht wird, zum Beispiel mit 100 Hz.
- • Umgekehrt kann auch der zweite rotierende Teil 3 langsam drehen mit der gewünschten Bildrate eines vollen Scans aller Richtungen, zum Beispiel mit 10 Hz, und der erste rotierende Teil 2 dreht schneller mit der Anzahl der optischen Umlenkelemente als Vielfachen, so dass jede Scanrichtung für den Scanbereich einmal erreicht wird, zum Beispiel mit 100 Hz.
- • Erster und zweiter rotierender Teil 2, 3 drehen mit ähnlichen Geschwindigkeiten, deren Mittenfrequenz insbesondere etwa der der Anzahl der optischen Umlenkelemente multipliziert mit der gewünschten Bildrate entspricht und deren Differenzfrequenz von der Anzahl der optischen Umlenkelemente abhängt. Die beiden Drehgeschwindigkeiten, 95 Hz und 105 Hz erzeugen eine Grundfrequenz und eine Schwebungsfrequenz, so dass alle Raumrichtungen im Scanbereich erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Sende- und Empfangseinheit 4, 5 im Wesentlichen koaxial angeordnet. Dabei werden zum Beispiel Sende- und Empfangsstrahl 4a, 5a über einen Strahlteiler geteilt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Sende- und Empfangseinheit 4, 5 nicht auf den rotierenden Teilen 2, 3 angeordnet. Die Strahlführung von Sende- und Empfangsstrahl 4a, 5a erfolgt insbesondere durch die Achse 6 von Motor 8 und Getriebe 7 auf einen 45° Ablenkspiegel, angeordnet auf dem ersten rotierbaren Teil 2.
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Typische Bildraten sind beispielsweise zwischen 10 Hz und 100 Hz. Frequenzvielfache für die beiden Drehgeschwindigkeiten sind beispielsweise zwischen 5 und 15, insbesondere 10. Bereitgestellte Drehgeschwindigkeiten der Antriebseinrichtungen, insbesondere eines Elektromotors 8 sind beispielsweise zwischen 1000 und 10.000 Umdrehungen/min.
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Zusammenfassend weist die Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • großer Scanbereich bis hin zu einer Halbkugel, großes horizontales und
- • vertikales Sichtfeld
- • kleine Bauform
- • minimale Anzahl an Bauelementen
- • kostengünstige Herstellung
- • Zuverlässigkeit/Robustheit
