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Lidar-Sensoren sind auf dem Markt erhältlich; sie werden in Kraftfahrzeugen meistens genutzt zur Messung des Abstands zwischen dem Fahrzeug und Objekten, die sich im Umfeld des Kraftfahrzeugs befinden. Die Abstandsmessung basiert auf der Messung der Laufzeit von Infrarot-Laserlichtimpulsen, die von einer Laserlichtquelle des Lidar-Sensors abgestrahlt und, nach dem sie an einem Objekt reflektiert worden sind, von einem Detektor des Lidarsensors erfasst werden. Das vom Lidar-Sensor ausgehende Lidarlicht ist üblicherweise ein kollimierter Laserstrahl, bei einem sogenannten Flash-Lidar kann das vom Lidar-Sensor ausgehende Lidarlicht auch fächerförmig verteilt sein.
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Das Lidarlicht ist bevorzugt monochromatisches Laserlicht, dessen Wellenlänge im infraroten Spektralbereich außerhalb des Spektrums des sichtbaren Lichts liegt. Die gegenüber Radarsensoren viel kleineren Wellenlängen des Laserlichts ermöglichen eine detailliertere und hoch aufgelöste Erfassung der Umgebung des Kraftfahrzeugs.
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Um den Lidar-Sensor vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist eine Abdeckung erforderlich, die zumindest bereichsweise transparent für die von dem Lidar-Sensor abgestrahlten Laserlicht-Impulse ist. Verschmutzungen auf der Abdeckung führen zu einem Verlust an Leistung des durch die Abdeckung hindurchtretenden Lidarlichts; es kann aber auch zu einer Strahlablenkung und/oder einer Strahlaufweitung kommen. Diese Effekte sind unerwünscht, weil sie die dazu führen können, dass ein in der gewünschten Strahlrichtung liegendes Objekt schlechter oder nicht in der richtigen Größe erfasst wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lidar-Sensor bereitzustellen, der kompakt und preisgünstig herstellbar ist und der unabhängig von äußeren Bedingungen, wie Regen, Schnee oder Verschmutzungen, betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Lidar-Sensor, umfassend eine Laserlichtquelle, einen Detektor, eine Grundplatte und eine Abdeckung, wobei die Abdeckung eine für das von der Laserlichtquelle emittierte Laserlicht transparente Lichtaustrittsfläche aufweist, dadurch gelöst, dass außerhalb der Abdeckung eine Sprüheinrichtung und eine Wischeinrichtung angeordnet sind, dass die Abdeckung drehbar ist und dass der Abdeckung ein Drehantrieb zugeordnet ist.
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Die Sprüheinrichtung und die Wischeinrichtung so angeordnet, dass sich ihre relative Lage bezogen auf die Grundplatte nicht ändert. In der Regel sind die Sprüheinrichtung und die Wischeinrichtung über ein Halteelement oder einen Tragarm mit der Grundplatte verbunden. Ebenso ist der Lidar-Sensor mit der Grundplatte verbunden, so dass die räumliche Zuordnung von Sprüheinrichtung, Wischeinrichtung und Lidar-Sensors sich nicht ändert.
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Wenn nun, wie erfindungsgemäß vorgesehen, die Abdeckung in Drehung versetzt wird und gleichzeitig eine Reinigungsflüssigkeit mit Hilfe der Sprüheinrichtung auf die Abdeckung gesprüht wird, dann wird die Abdeckung mit Hilfe der Wischeinrichtung und der zuvor aufgesprühten Reinigungsflüssigkeit gereinigt und die auf der Abdeckung befindlichen Schmutzpartikel entfernt, so dass in Drehrichtung hinter der Wischeinrichtung eine saubere, optisch einwandfreie Oberfläche der Abdeckung vorhanden ist. Durch die frisch gereinigte Oberfläche der Abdeckung ist sichergestellt, dass die Funktion und Qualität des Lidar-Sensors nicht durch Wassertropfen, Schnee oder Verschmutzungen, die sich auf der Außenseite der Abdeckung ablagern, beeinträchtigt wird.
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Der Drehantrieb und die Drehlagerung der Abdeckung sind relativ kostengünstig realisierbar.
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Der erfindungsgemäße Lidar-Sensor ist bevorzugt so ausgebildet, dass die Lichtaustrittsfläche, die einen Teil der Abdeckung darstellt, rotationssymmetrisch ist, und eine Symmetrieachse der Lichtaustrittsfläche mit einer Drehachse der Abdeckung zusammenfällt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Wischeinrichtung die gesamte Lichtaustrittsfläche der Abdeckung überstreicht, wenn die Abdeckung in Drehung versetzt wird. Die Wischeinrichtung ist relativ zu der Abdeckung so montiert, dass sie die Lichtaustrittsfläche berührt, analog zu der Berührung eines Scheibenwischers auf der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs. Dadurch wird die gesamte Lichtaustrittsfläche gereinigt, die Abdeckung mit einer Reinigungsflüssigkeit besprüht und anschließend oder gleichzeitig die Abdeckung in Drehung versetzt wird.
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Um eine ausreichend niedrige Drehzahl der Abdeckung zu erreichen, kann zwischen einer Ausgangswelle des Drehantriebs und der drehbaren Abdeckung ein Reduktionsgetriebe angeordnet sein. Das Reduktionsgetriebe kann als Riemenantrieb, Zahnradgetriebe, Schneckengetriebe oder in anderer aus dem Stand der Technik bekannten Weise ausgebildet sein. Selbsthemmende Getriebe, wie Schneckengetriebe, verhindern vorteilhaft eine Betätigung der drehbaren Abdeckung von außen, beispielsweise, wenn das Fahrzeug abgestellt ist.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Drehantrieb als Elektromotor ausgebildet ist. Vorteilhaft an einem Elektromotor sind im Zusammenhang mit der Erfindung seine kleine Baugröße, die gute Steuerbarkeit und die geringen Herstellungskosten.
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Eine besonders kompakte und kostengünstige Variante sieht vor, dass die Abdeckung auf der Ausgangswelle des Drehantriebs angeordnet ist. Wenn der Elektromotor ein angeflanschtes Reduktionsgetriebe aufweist, dann ist die Ausgangswelle des Reduktionsgetriebes die Ausgangswelle des Drehantriebs. Auf diese Weise ist eine gesonderte Lagerung der Abdeckung nicht erforderlich.
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Die Lichtaustrittsfläche der Abdeckung kann die Form eines Kreiszylinders, einer ebenen Kreisringfläche oder eines Kegelstumpfs aufweisen. Grundsätzlich sind alle rotationssymmetrischen Formen denkbar. Gleichzeitig ist bevorzugt, wenn die Lichtaustrittsfläche möglichst wenig gekrümmt ist. Durch die Krümmung der Lichtaustrittsfläche kann es zu Ablenkungen, Aufweitung und Versatz des von dem Lidar-Sensor emittierten Laserlichtimpulses kommen. Diese Effekte verringern die Qualität und Genauigkeit des Lidar-Sensors. Daher sind die oben genannten geometrischen Formen vorteilhaft. Eine als kreisringförmige Scheibe ausgebildete Lichtaustrittsfläche ist mit Blick auf die optischen Eigenschaften, Kosten und Bauraum besonders vorteilhaft.
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Die Reinigungswirkung der Wischeinrichtung wird optimiert, wenn eine Längsachse eines Wischers der Wischeinrichtung und die Drehachse der Abdeckung in einer Ebene liegen. Im Falle einer kreiszylindrischen Abdeckung sind die Längsachse des Wischers und die Drehachse parallel. Bei einer kreisringförmigen Lichtaustrittsfläche schließen die Drehachse der Abdeckung und die Längsachse des Wischers einen rechten Winkel ein.
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Um eine effektive Reinigung der Lichtaustrittsfläche zu bewirken, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Sprüheinrichtung eine oder mehrere Sprühdüsen umfasst, die von einer Pumpe mit einer Reinigungsflüssigkeit versorgt werden. Als Reinigungsflüssigkeit kann Wasser gegebenenfalls mit einem Zusatz eingesetzt werden. Es kann das gleiche Wasser, das auch bei der Scheibenwascheinrichtung eines Fahrzeugs eingesetzt wird, genommen werden. Dies bedeutet, dass ein gesonderter Vorratstank für die Reinigungsflüssigkeit nicht erforderlich ist. Vielmehr wird die Reinigungseinrichtung des erfindungsgemäßen Lidar-Sensors mit Flüssigkeit aus dem ohnehin vorhandenen Vorratstank einer Scheibenwaschanlage versorgt.
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Die Pumpe ist in der Regel nicht unmittelbar in den Lidar-Sensor integriert; vielmehr ist es ist möglich die Pumpe, die zum Reinigen der Scheiben eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, auch für den erfindungsgemäßen Lidar-Sensor einzusetzen.
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In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, ein 3/2-Wegeventil auf der Förderseite der Pumpe vorzusehen. In einer ersten Schaltstellung wird die Scheibenwaschanlage des Fahrzeugs mit Flüssigkeit versorgt. In der zweiten Schaltstellung werden die Sprühdüsen des erfindungsgemäßen Lidar-Sensors mit Reinigungsflüssigkeit versorgt.
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Um eine optimale Reinigungswirkung zu erreichen, trifft zunächst die Reinigungsflüssigkeit aus den Sprühdüsen auf der Lichtaustrittsfläche auf. Durch die Drehbewegung der Abdeckung bewegt sich die auf diese Weise befeuchtete Lichtaustrittsfläche unter dem Wischer der Wischeinrichtung hindurch und wird dadurch gereinigt. Anschließend bewegt sich der gereinigte Teil der Lichtaustrittsfläche über den Lidar-Sensor hinweg, so dass die von dem Lidar-Sensor emittierten Laserlichtstrahlen durch eine gereinigte Lichtaustrittsfläche hindurch in die Umgebung gelangen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors in zwei verschiedenen Ansichten; und
- 3 und 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors in zwei verschiedenen Ansichten.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors 5 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Lidar-Sensor 5 ist auf einer Grundplatte 3 befestigt. Der Lidar-Sensor 5 umfasst eine Laserlichtquelle 5.1 und einen Laserdetektor 5.2. Die von der Laserlichtquelle emittierten Laserimpulse sind durch eine strichpunktierte Linie 7 angedeutet. Die von einem nicht dargestellten Objekt reflektierten Laserimpulse, die von dem Detektor 5.2 empfangen werden, sind durch eine strichpunktierte Linie 9 angedeutet. Die Laserlichtquelle 5.1 wird von einem nicht dargestellten Steuergerät gesteuert, das auch die Signale des Laserdetektors 5.2 auswertet und daraus für den Fahrbetrieb hilfreiche Informationen bezüglich Orten und Geschwindigkeiten von Objekten im Umfeld des Kraftfahrzeuges ableitet. Die Funktionsweise eines Lidar-Sensors 5 ist dem Fachmann bekannt und wird daher nicht näher erläutert.
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Um den Lidar-Sensor 5 vor Feuchtigkeit, Regen und Verschmutzungen zu schützen, ist eine Abdeckung 11 vorgesehen, die zusammen mit der Grundplatte 3 einen Innenraum 13 umgibt. Der Innenraum nimmt den Lidar-Sensor 5 sowie einen Drehantrieb 13 auf. Die Abdeckung 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Zylinder mit einem kreisförmigen Deckel an einem stirnseitigen Ende des Zylinders ausgebildet. Der Zylinder 15 der Abdeckung 11 ist die Lichtaustrittsfläche für die vom Lidar-Sensor 5 emittierten Laserlichtimpulse 7 und die Eintrittsfläche für die reflektierten Laserlichtimpulse 9. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass die Abdeckung 11 mindestens im Bereich der Lichtaustrittsfläche 15 aus einem Material besteht, das transparent für die genannten Laserlichtimpulse des Lidar-Sensors 5 ist. Die optischen Eigenschaften des „Deckels“ der Abdeckung 11 haben für die Funktion des Lidarsensors 5 bei diesem Ausführungsbeispiel keine Bedeutung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lidar-Sensor 5 ist die Abdeckung 11 drehbar gelagert. Zu diesem Zweck ist im Zentrum der Abdeckung eine Stütze 17 angeordnet. Die Stütze 17 ist fest mit der Grundplatte 3 verbunden. An dem in 1 oberen Ende der Stütze ist die Abdeckung 11 drehbar an der Stütze 17 gelagert. Die Details der Drehlagerung sind in der 1 nicht dargestellt. Die Drehlagerung 19 kann als Gleitlager oder Wälzlager ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist es, ein Gleitlager mit einer Schnappverbindung zu kombinieren, um eine kostengünstige Drehlagerung 19 bereitzustellen, die zudem sehr montagefreundlich ist.
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Innerhalb der Abdeckung 11 ist ein Drehantrieb 13 schematisch dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Drehantrieb einen Elektromotor 23. An einer Welle des Elektromotors ist ein Antriebsritzel 25 angeordnet, das mit einem entsprechend gestalteten Zahnrad kämmt. Das Zahnrad 25 kann aus Kunststoff hergestellt sein und Teil der Abdeckung 11 sein. Es ist zum Beispiel möglich, die zu der Abdeckung 11 gehörenden Teile der Drehlagerung 19, das Zahnrad 25 und den „kreisringförmigen Deckel“ der Abdeckung 11 einstückig, beispielsweise durch Spritzgießen, herzustellen. Zum Schutz vor Kratzern kann ein kratzfester transparenter Schutzlack aufgebracht werden.
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Das Ritzel 25 und das Zahnrad 27 dienen dazu, die Drehzahl des Elektromotors 13 zu reduzieren, so dass die Abdeckung 11 mit einer niedrigeren Drehzahl rotiert als die Welle des Elektromotors 23. Um eine gute Trennung des Innenraums von der Umgebung zu erreichen, kann in der Grundplatte 3 eine Nut 29 ausgebildet sein, die mit der Abdeckung 11 in der Art einer Labyrinth-Dichtung zusammenwirkt. Auch andere Dichtsysteme, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, können eingesetzt werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz in das Innere der Abdeckung 11 zu verhindern. Belüftung heißt, dass es eine oder mehrere Öffnungen im Sensorsystem gibt, durch die Luft ausströmt. Die Strömung wird durch Druckunterschiede an den Öffnungen beim Fahren erzeugt. Um das Eindringen von Schmutz in das Sensorsystem zu verhindern, ist in vorteilhafter Ausgestaltung ein Filter oder eine luft- und/oder dampfdurchlässige Membran (z. B. goretex) vor den Öffnungen angebracht. Der Filter oder die Membran ermöglichen auch einen Druckausgleich.
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In der 2 ist eine Ansicht von oben auf das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lidar-Sensors 1 dargestellt. In dieser Ansicht von oben ist ein Wischer 21 der Wischeinrichtung 29 gut zu erkennen. Der Wischer 21 ist so positioniert, dass er mit leichtem Druck auf der Lichtaustrittsfläche 15 der Abdeckung 11 aufliegt.
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Wenn die Abdeckung 11 und mit ihr die Lichtaustrittsfläche 15 durch den Drehantrieb 13 in Drehung versetzt wird, dann wischt der Wischer 21 Feuchtigkeit und Verunreinigungen von der Lichtaustrittsfläche 15 und reinigt auf diese Weise die Lichtaustrittsfläche 15. Um die Reinigung zu verbessern und ein Verkratzen der Oberfläche der Außenfläche der Lichtaustrittsfläche 15 zu verhindern, ist in Drehrichtung vor der Wischeinrichtung 29 eine Sprüheinrichtung 31 angeordnet. Die Sprüheinrichtung 31 umfasst eine oder mehrere Sprühdüsen 33, mit deren Hilfe eine Reinigungsflüssigkeit (z.B. Wasser, das mit einem Reinigungsmittel versetzt ist) auf die Lichtaustrittsfläche 15 gesprüht werden kann. Die Drehrichtung der Abdeckung 11 ist in den Figuren durch einen gekrümmten Pfeil dargestellt.
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In der 2 ist eine bevorzugte Anordnung/Reihenfolge der Anordnung von Reinigungseinrichtung 31, Wischer 21 und dem Lidar-Sensor 5 dargestellt. Danach ist an erster Stelle die Reinigungseinrichtung 31 angeordnet. In Drehrichtung der Abdeckung 11 gesehen dahinter ist die Wischeinrichtung 29 mit dem Wischer 21. Wenn die Lichtaustrittsfläche 15 sich an der Sprühdüse 33 und dem Wischer 21 vorbeibewegt hat, ist sie sauber und der in Drehrichtung hinter dem Wischer 21 angeordnete Lidar-Sensor 5 emittiert die Laserlichtimpulse 7 durch eine saubere, nicht verschmutzte Lichtaustrittsfläche 15. Dadurch ist unabhängig von der Betriebsdauer und den Umgebungsbedingungen eine gleichbleibend gute Qualität oder Funktion des Lidar-Sensors gewährleistet.
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Weil nur die Abdeckung 11 in Drehung versetzt werden muss, ist die Anordnung relativ kostengünstig und baut sehr kompakt. Das ist vor allem bei modernen Fahrzeugen von erheblichem Vorteil. Die Details der Sprüheinrichtung 31, insbesondere die Form und Abmessungen der Sprühdüse 33, die Schlauchverbindungen und eine Förderpumpe werden im Zusammenhang mit der Erfindung nicht erläutert, weil die Funktionsweise einer solchen Sprüheinrichtung einem einschlägigen Fachmann bekannt ist und es kann beispielsweise eine Sprüheinrichtung, wie sie von Scheibenwascheinrichtungen bekannt ist, bei dem erfindungsgemäßen Lidar-Sensor eingesetzt werden. Entsprechendes gilt auch für die Wischeinrichtung 29. Der Wischer 21 ist eine Lippe, deren Form und Material ähnlich einem Scheibenwischer eines Fahrzeugs gestaltet werden kann.
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In den 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors 3 dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt das bezüglich der 1 und 2 Gesagte entsprechend.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Abdeckung 11 ebenfalls als Zylinder mit einem kreisförmigen Deckel versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Deckel als kreisförmige oder kreisringförmige Lichtaustrittsfläche 15 ausgebildet. Entsprechend ist der Lidar-Sensor 5 gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 um 90° gedreht angeordnet. In anderen Worten: Die Laserlichtquelle 5.1 schickt Laserlichtimpulse durch die kreisringförmige ebene Lichtaustrittsfläche 15. In entsprechender Weise empfängt der Laserdetektor 5.2 das von einem nicht dargestellten Objekt reflektierte Licht bzw. die reflektierten Laserlichtimpulse 9 durch die kreisringförmige Lichtaustrittsfläche 15.
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Der Drehantrieb 13 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der Mitte, d.h. in der Drehachse 37 der Abdeckung 11 angeordnet. Der Drehantrieb 13 kann einen Elektromotor 23 mit integriertem Untersetzungsgetriebe 39 umfassen. In diesem Fall ist eine Ausgangswelle 41 gleichzeitig die Drehlagerung für die Abdeckung 11. Durch die Funktionsintegration von Elektromotor 23, Untersetzungsgetriebe 39 und Drehlagerung 19 der Abdeckung 11 ergibt sich eine weitere Kosteneinsparung.
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In der 4 ist eine Ansicht von oben auf das zweite Ausführungsbeispiel dargestellt. In dieser Ansicht ist die Reinigungseinrichtung 31 mit mehreren Sprühdüsen 33 ebenso wie der Wischer 21 der Wischeinrichtung 29 gut zu erkennen. Auch hier ist es wieder so, dass in Drehrichtung der kreisförmigen Lichtaustrittsfläche 15 gesehen als erstes die Sprühdüsen 33, gefolgt von dem Wischer 21 angeordnet sind. Anschließend, d.h. in Drehrichtung der Lichtaustrittsfläche 15 hinter dem Wischer 21, ist der Lidar-Sensor 5 angeordnet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist sichergestellt, dass die Lichtaustrittsfläche, die sich vor der Laserlichtquelle 5.1 befindet, immer sauber und ohne Verschmutzungen ist, so dass die Funktionalität und Qualität des Lidar-Sensors 5 konstant hoch ist und bleibt.
