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Die Erfindung betrifft ein eine Kompensationseinrichtung für ein biaxiales Lidarsystem. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Kompensationsrichtung für ein biaxiales Lidarsystem.
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Stand der Technik
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Koaxiale und biaxiale Lidarsensoren sind bekannt. Bei koaxialen Sensoren befinden sich Sende- und Empfangspfad auf einer Achse, wobei die Teilung der Strahlen zwischen Sender und Detektor in diesem Fall z.B. über einen Strahlteiler erfolgt. Nachteilig wirken sich bei diesen Systemen der Verlust am Strahlteiler und das Streulicht im System aus. Scannende bzw. rotierende biaxiale Lidarsensoren nutzen für den Sende- und Empfangspfad unterschiedliche Lichtpfade.
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Dies ist prinzipiell in 1 dargestellt, die eine stark vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen rotierenden, biaxialen Lidarsystems 100 zeigt. Man erkennt einen Laser 1, der seine Strahlung auf und durch eine Sendeoptik 2 schickt. Daraus resultiert ein ausgesendeter Laserstrahl S mit geringer Divergenz in der Horizontalen. Im Empfangspfad ist eine schematisch dargestellte Empfangsoptik 3 erkennbar, welche empfangene Strahlung auf ein Detektorelement 4 leitet. Die ganze Anordnung ist um eine Drehachse 5 drehbar und wird von einer Schutzeinrichtung 10 (z.B. ein Abdeckglas) geschützt.
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Im Gegensatz zu konventionellen Optiken wird bei holographisch optischen Elementen, welche als Volumenhologramme realisiert werden, die Strahlumlenkung nicht durch Brechung vorgegeben, sondern durch Beugung am Volumengitter. Die genannten holographisch optischen Elemente lassen sich sowohl in Transmission als auch in Reflexion fertigen und durch die freie Wahl von Einfalls- und Ausfalls- bzw. Beugungswinkel ermöglichen sie neue Bauformen. Das holographische Beugungsgitter wird dabei in eine dünne Folie belichtet.
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Durch die Volumenbeugung kann den holographisch optischen Elementen zusätzlich noch eine charakteristische Wellenlängen- und Winkelselektivität oder auch eine Filterfunktion zugeordnet werden. Abhängig von der Aufnahmebedingung (definiert durch Wellenlänge und Winkel) wird nur Licht aus definierten Richtungen und mit definierten Wellenlängen an der Struktur gebeugt. Dabei zeichnet sich das auf eine Folie aufgetragene holographische Material besonders durch seine Transparenz aus. Licht wird nur aus bestimmten Richtungen und Wellenlängen an der Struktur gebeugt, wobei das Hologramm für Licht aus allen anderen Richtungen transparent bleibt.
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Bei biaxialen Lidarsystemen existiert der sogenannte Parallaxeneffekt, der schematisch in 2 dargestellt ist. Licht, welches von der Sendeoptik 2 ausgesendet wird, wird in Abhängigkeit der Entfernung des Objekts auf unterschiedliche Bereiche des Detektorelements 4 abgebildet. In 2 ist dieses Phänomen für ein nahes Objekt 20 und für ein fernes Objekt 30 dargestellt. Das Licht wird hier beispielsweise unter dem Winkel 0° ausgesendet und wenn es sich um ein koaxiales System handeln würde, käme dieses auf der Empfangsseite auch wieder auf der Achse zurück. Durch den Basisabstand b des biaxialen Lidarsystems treffen die rückgesteuerten Strahlen der zwei beispielhaften Objekte 20, 30 das Detektorelement 4 in den Bereichen p1 und p2, wodurch das Detektorelement 4 entsprechend größer sein muss, damit diese Strahlen noch abgebildet werden können.
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Die Auswirkung des Parallaxeneffekts auf die Detektorgröße ist in 3 für ein beispielhaftes System mit einer Brennweite von 25 mm und einem Basisabstand b von 30 mm gezeigt. Erkennbar ist eine Position p auf dem Detektorelement 4 in Abhängigkeit von einem Abstand d des Objekts.
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US 20130208256 A1 offenbart ein Lidarsystem mit lichtbeugenden Elementen, wie etwa holographisch optischen Elementen. Verschiedene Eigenschaften dieser Elemente werden gezielt genutzt, auch in einer Kombination mit optischen Wellenleitern.
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WO 2016 116733 A1 offenbart ein Lidarsystem mit optischen Wellenleitern, welche an einen Detektor gekoppelt sind und mit holographisch optischen Elementen kombiniert werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes biaxiales Lidarsystem zu ermöglichen.
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Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Kompensationseinrichtung für ein biaxiales Lidarsystem, aufweisend:
- - wenigstens zwei holographische optische Elemente, die zwischen einer Empfangsoptik und einem Detektorelement des biaxialen Lidarsystems anordenbar sind und die ausgebildet sind, einen Parallaxeneffekt des biaxialen Lidarsystems zu kompensieren, wobei einfallendes Licht mittels der beiden holographischen optischen Elemente auf das Detektorelement führbar ist.
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Mittels der Kompensationseinrichtung kann ein Parallaxenfehler, der dadurch auftritt, dass Sende- und Empfangspfad nicht mittig auf der Rotationsachse sitzen, kompensiert werden. Vorteilhaft kann dadurch für das biaxiale Lidarsystem teure Detektorfläche minimiert bzw. wenigstens reduziert werden. Aufgrund der hohen Beugungseffizienz von Volumenhologrammen ist für die Auslegung der Kompensationseinrichtung eine hohe Designfreiheit nutzbar.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Kompensationseinrichtung für ein biaxiales Lidarsystem, aufweisend den Schritt:
- - Bereitstellen von wenigstens zwei holographischen optischen Elementen, wobei die holographischen optischen Elemente derart ausgebildet werden, dass sie einen Parallaxeneffekt des biaxialen Lidarsystems kompensieren, wobei einfallendes Licht mittels der beiden holographischen optischen Elemente auf ein Detektorelement des biaxialen Lidarsystems führbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Kompensationseinrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Kompensationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die holographischen optischen Elemente als Reflexionshologramme ausgebildet sind. Dadurch kann für die in Reflexion ausgebildeten Volumenhologramme eine hohe Beugungseffizienz mit definierten Beugungseigenschaften ausgenutzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kompensationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die holographischen optischen Elemente als planare Reflexionshologramme ausgebildet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kompensationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die holographischen optischen Elemente als gekrümmte Reflexionshologramme ausgebildet sind. Eine hohe Designfreiheit betreffend eine geometrische Anordnung der holographischen optischen Elemente ist dadurch vorteilhaft unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kompensationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein erstes holographisches optisches Element als ein Einkoppelhologramm ausgebildet ist, dass ein zweites holographisches optisches Element als ein Auskoppelhologramm ausgebildet ist, wobei zwischen beiden holographischen optischen Elementen ein optischer Wellenleiter ausgebildet ist. Dadurch ist eine hohe Designfreiheit bei der Strahlführung innerhalb des biaxialen Lidarsystems unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kompensationseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Beugungseffizienz der holographischen Elemente definiert eingestellt wird. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine Strahlführung innerhalb des optischen Wellenleiters mittels der Beugungseffizienz eingestellt werden. Im Ergebnis ist dadurch unterstützt, dass eine Belichtungszeit bzw. ein Sättigungseffekt für das Detektorelement reduziert werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kompensationseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die holographischen optischen Elemente eine definierte optische Funktion zum Ausgleichen von Abbildungsfehlern aufweisen. Auf diese Weise können optische Abbildungsfehler, wie z.B. eine Petzval-Schale (Bildfeldwölbung) ausgeglichen werden. Eine verbesserte Abbildungsqualität des scannenden biaxialen Lidarsystems ist dadurch vorteilhaft unterstützt.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Kompensationseinrichtung für das biaxiale Lidarsystem in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung einer Kompensationseinrichtung für ein biaxiales Lidarsystem ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen biaxialen Lidarsystems;
- 2 eine schematische Darstellung einer Parallxenproblematik eines biaxialen Lidarsystems;
- 3 einen schematischen Zusammenhang zwischen Parallaxeneffekt und Detektorgröße;
- 4-7 schematische Darstellungen einer vorgeschlagenen Kompensationseinrichtung mit zwei Reflexionshologrammen;
- 8 eine schematische Darstellung einer Kompensationseinrichtung mit einem optischen Wellenleiter;
- 9 eine schematische Darstellung einer Herstellung eines Einkoppelhologramms von 8;
- 10 eine schematische Darstellung einer alternative Herstellung des Einkoppelhologramms von 8;
- 11 eine schematische Darstellung einer Herstellung eines Auskoppelhologramms von 8;
- 12 eine Darstellung einer Auslegung eines Auskoppelhologramms zur Trennung von direkter Einstrahlung und gebeugter Strahlung;
- 13 eine prinzipielle Darstellung einer Beugungseffizienz bei verschiedenen Materialien und Wellenlängen;
- 14 ein Blockschaltbild eines biaxialen Lidarsystems mit der vorgeschlagenen Kompensationseinrichtung; und
- 15 eine prinzipielle Darstellung des Ablaufs einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Kompensationseinrichtung für ein biaxiales Lidarsystem.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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4 zeigt eine erste Ausführungsform einer vorgeschlagenen Kompensationseinrichtung 40 für ein biaxiales Lidarsystem. Man erkennt, ein erstes holographisches optisches Element 11 in Form eines Reflexionshologramms, auf das Strahlen von fernen und nahen Objekten 20, 30 (nicht dargestellt) auftreffen. Dieses erste holographische optische Element 11 lenkt die Strahlen auf ein zweites holographisches optisches Element 12 in Form eines zweiten Reflexionshologramms, welches die Strahlen auf das Detektorelement 4 des biaxialen Lidarsystems (nicht dargestellt) leitet. Das Detektorelement 4 muss dadurch vorteilhaft nur eine Größe aufweisen, wie sie für ein koaxiales Lidarsystem notwendig wäre. Es kann selbstverständlich auch etwas größer ausgebildet werden, sodass der Parallaxeneffekt zu bestimmten Anteilen auf die Größe des Detektorelements 4 und zu bestimmten Anteilen auf die holographischen optischen Elemente 11, 12 verteilt wird.
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Insbesondere wird dabei vorteilhaft die Möglichkeit genutzt, die Beugungseffizienz der holographischen optischen Elemente 11, 12 gezielt einzustellen. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, die Beugungseffizienz im Bereich p1 (Strahlung von fernem Objekt 30) sehr hoch zu wählen, während im Bereich p2 (Strahlung von nahem Objekt 20) eine geringere Beugungseffizienz gewählt werden kann. Bei nahen Objekten 20 kommt ein deutlich höherer Anteil der ausgesendeten Leistung zurück, so dass die geringere Beugungseffizienz das Detektorelement 4 vor Sättigung schützen kann.
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Da Lidarsysteme bei einer festen Wellenlänge (z.B. bei 905 nm) betrieben werden, ist die Verwendung von holographisch optischen Elementen in Form von holographischen optischen Elementen 11, 12 in diesem Fall besonders vorteilhaft, da sie ebenfalls für eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt werden und für diese optimal funktionieren, während andere Wellenlängen von der holographischen Funktion nicht beeinflusst werden. Auf diese Weise kann durch die Verwendung der holographischen optischen Elemente 11, 12 in Form von Reflexionshologrammen vorteilhaft auch eine intrinsische Filterwirkung realisiert werden.
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Die Reflexionshologramme werden vorzugsweise analog aufgenommen, können aber auch pixelweise durch einen holographischen Drucker geschrieben werden. Dies bietet die Möglichkeit, spezielle Hologramme mit pixelweise variierender optischer Funktion zu drucken. Für die Massenfertigung kann dann das Verfahren der Kontaktkopie genutzt werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorgeschlagenen Kompensationseinrichtung 40, wobei diesem Fall erkennbar ist, dass die holographischen optischen Elemente 11, 12 auf der gleichen Seite des Detektorelements 4 angeordnet sind. Prinzipiell sind hier beliebige geometrische Anordnungen denkbar. Auch schräg gestellte und gekrümmte holographische optische Elemente 11, 12 sind für die Realisierung der Kompensationseinrichtung 40 möglich, wie in den 6, 7 prinzipiell dargestellt.
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Vorzugsweise werden die holographischen optischen Elemente 11, 12 in Form der Reflexionshologramme zusammen mit der Empfangsoptik 3 ausgelegt. Hierbei ist es dann auch möglich, einen Teil der Abbildungsqualität durch die holographischen optischen Elemente 11, 12 zu realisieren und somit das Linsensystem der Empfangsoptik 3 kompakter und/oder kostengünstiger und/oder einfacher auszubilden. Unter größeren Winkel ist es schwierig, die geforderte Abbildungsqualität mit einem Linsensystem mit wenig Linsen zu erreichen. Allerdings sind gerade in diesem Winkelbereich zwei holographische optische Elemente 11, 12 in Form der Reflexionshologramme vorhanden, die optische Funktionen übernehmen können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorgeschlagenen Kompensationseinrichtung 40 sieht eine Strahlführung mittels eines optischen Wellenleiters 13 (engl. waveguide) vor. Dabei wird das Signal über ein erstes holographisches Element 11 in Form eines Einkoppelhologramms in den optischen Wellenleiter 13 eingekoppelt, der eine Umlenkung in den Winkel der Totalreflexion bewirkt und über ein optisches holographisches Element 12 in Form eines Auskoppelhologramms wieder aus der Struktur in einen definierten Winkel gebeugt wird. Dies ist prinzipiell in 8 dargestellt.
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Eine prinzipielle Darstellung einer Aufnahme des Einkoppelhologramms ist in
9 dargestellt. Dabei wird durch die Überlagerung zweier kohärenter Wellen (Objektwelle
OW, Referenzwelle
RW) ein Interferenzmuster erzeugt, welches in ein lichtsensitives Material (z.B. Fotopolymer) gespeichert wird. Bei der Rekonstruktion wird Licht an der Struktur gebeugt und bei gleichbleibender Wellenlänge
- λAufnahme
- Aufnahmewellenlänge
- λRekonstruktion
- Rekonstruktionswellenlänge
- λLidarsystem
- Systemwellenlänge
wieder in den Beugungswinkel der ursprünglichen Objektwelle OW gelenkt.
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Für die Aufnahme der holographischen optischen Elemente
11,
12 sind Laserdioden mit hoher Kohärenzlänge (nicht kostengünstige und nicht platzsparende) erforderlich, wobei für die Wiedergabe „normale“ (kostengünstige und platzsparende) Laserdioden ausreichend sind. Aufgrund der Tatsache, dass die Wellenlängen der Laserdioden mit hoher Kohärenzlänge und die Wellenlängen der normalen Laserdioden unterschiedlich sind, ist das holographische Material mit seinen Farbstoffen nur in gewissen Bereichen selektiv. Daher entspricht die spätere Systemwellenlänge λ
Lidarsystem oftmals nicht der Aufnahmewellenlänge λ
Aufnahme. Dieser Unterschied in der Wellenlänge bei der Aufnahme und der Rekonstruktion kann durch einen Winkelvorhalt ΔΘ bei der Aufnahme vorkompensiert werden, was prinzipiell in
10 dargestellt ist. Ein Maß der Vorkompensation wird dabei durch die Bragg'sche Gleichung beschrieben:
wobei d den Gitterabstand des holographischen Gitters beschreibt, der nach der Aufnahme und Speicherung des Volumenhologramms konstant bleibt.
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Die Aufnahme und Rekonstruktion des Auskoppelhologramms ist in 11 dargestellt. Auch hier kann der Wellenlängenunterschied zwischen Aufnahme-und Rekonstruktionswelle durch eine Vorkompensation ΔΘ bei der Hologrammaufnahme ausgeglichen werden. Der Winkel der Referenzwelle entspricht dabei dem Beugungswinkel θB des Einkoppelhologramms. Der Auskoppelwinkel θ1 kann theoretisch frei gewählt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist darauf zu achten, dass das Nutzlicht bzw. das direkte Signal nicht an der Hologrammstruktur gebeugt wird.
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Dies ist prinzipiell in 12 dargestellt, die eine Auslegung eines optischen holographischen Elements 12 in Form eines Auskoppelhologramms zur Trennung von direktem Signal und parallaxenkompensiertem Signal darstellt. Man erkennt ein von oben von einem fernen Objekt 30 ausgesendetes Nutzlicht/direktes Signal NL, das durch den optischen Wellenleiter 13 durchtritt und direkt auf das Detektorelement 4 einstrahlt. Ferner ist die innerhalb des optischen Wellenleiters 13 geführte Signalwelle SW erkennbar, welche am holographischen optischen Element 12 in Form des Auskoppelhologramms gebeugt wird und danach auf das Detektorelement 4 geführt wird.
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Durch die charakteristische Winkel- und Wellenlängenselektivität der Volumenhologramme ist es möglich, die optische Funktion durch die Wahl der Materialparameter auf einen gewissen Winkelbereich einzuengen.
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Alle beispielhaften Abbildungen der Kompensationseinrichtung 40 sind in Figuren für telezentrische Objektive dargestellt, allerdings können die holographischen optischen Elemente auch auf nicht telezentrische Abbildungssysteme angepasst werden (nicht in Figuren dargestellt).
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Die Simulation einer definierten Struktur ist in 13 dargestellt. Dabei wurden der Einfallswinkel und die Wellenlänge variiert und über die berechnete Intensität des gebeugten Strahls die Beugungscharakteristik für unterschiedliche Materialparameter (Dicke der holographischen Schicht und Brechungsindexmodulation) von zwei Materialien ausgewertet. Für das dargestellte Beispiel wird innerhalb des durch Wellenlänge und Winkel definierten Nutzlichtbereichs (Einfallswinkel -20°...-40°) kein Licht an der Struktur gebeugt. Graphisch dargestellt sind unterschiedliche Brechungsindizes η für die zwei unterschiedlichen Materialien.
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Durch die spezifische kaskadenartige Anordnung der holographischen optischen Wellenleiter 13 wird zusätzlich noch eine Filterfunktion erzeugt. Nur Licht innerhalb eines definierten Wellenlängenbandes wird an der Einkoppelstruktur gebeugt und kommt dann auch unter der richtigen Wellenlängen- und Winkelkombination zum Auskoppelhologramm.
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14 zeigt symbolisch ein biaxiales Lidarsystem 100 mit einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Kompensationseinrichtung 40.
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15 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer Kompensationseinrichtung 40 für ein biaxiales Lidarsystem 100.
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In einem Schritt 200 werden wenigstens zwei holographische optische Elemente 11, 12 bereitgestellt, wobei die holographischen optischen Elemente 11, 12 derart ausgebildet werden, dass sie einen Parallaxeneffekt des biaxialen Lidarsystems 100 kompensieren, wobei einfallendes Licht mittels der beiden holographischen optischen Elemente 11, 12 auf ein Detektorelement 4 des biaxialen Lidarsystems 100 führbar ist.
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Im Ergebnis kann auf diese Weise unter Verwendung der Kompensationseinrichtung ein verbessertes biaxiales scannendes Lidarsystem realisiert werden, das sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass das Detektorelement flächenmäßig minimiert und dadurch kostengünstig realisierbar ist.
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Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine Kompensationseinrichtung für ein biaxiales, scannendes Lidarsystem bereitgestellt. Ein mit der vorgeschlagenen Kompensationseinrichtung realisiertes biaxiales Lidarsystem kann vorzugsweise im KFZ-Bereich zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung von Objekten verwendet werden.
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Der Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der Erfindung möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20130208256 A1 [0008]
- WO 2016116733 A1 [0009]