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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere LiDAR-System, umfassend mindestens einen optischen Sender und mindestens einen optischen Detektor, wobei der optische Sender dazu eingerichtet ist, einen Abtastlichtstrahl entlang eines ersten Strahlengangs in eine Umgebung auszusenden, und wobei der optische Detektor dazu eingerichtet ist, einen reflektierten Lichtstrahl entlang eines zweiten Strahlengangs aus einer Umgebung zu empfangen, wobei in mindestens einem des ersten Strahlengangs und des zweiten Strahlengangs zwei gegeneinander um 90° verkippte Spiegelflächen den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene umlenken.
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Stand der Technik
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Optische Systeme wie insbesondere LiDAR-Systeme (für englisch: light detection and ranging) dienen unter anderem als mit dem Radar verwandte Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung. Im Gegensatz zum Radar können jedoch deutlich kleinere und nähere Objekte mit höherer Genauigkeit vermessen werden, wodurch die Technik in den letzten Jahren insbesondere für die Umgebungsmessung von Fahrzeugen an Bedeutung gewonnen hat.
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Es hat sich jedoch als schwierig herausgestellt, ein großes Field of View (FoV, englisch für Sichtfeld) des optischen Systems zu erreichen ohne mehrere optische Sender und optische Detektoren zu verwenden. Scannende LIDAR-Systeme verwenden meist ein rotierendes Element, um eine Ortsauflösung, typischerweise in horizontaler Richtung, zu erzielen. Hierbei gibt es zwei Ansätze:
- Bei Ansatz 1 rotiert das gesamte System mit dem optischen Sender (umfassend üblicherweise einen oder mehrere Laser) und dem optischen Detektor. Dies hat den Nachteil, dass eine Leistungsversorgung und eine Datenübertragung auf das drehende Element realisiert werden muss.
- Ansatz 2 umgeht die Nachteile von Ansatz 1, indem lediglich eine Strahlablenkungsoptik rotiert, wobei der optische Sender und meist auch der optische Detektor ortsfest sind.
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Die drehende Optik ist normalerweise ein Spiegel, welcher sowohl den ausgesendeten als auch den empfangenen Strahl über einen gewissen Winkelbereich ablenkt. Auch hier gibt es zwei Ansätze. Zum einen gibt es Systeme, bei welchen sich der Strahl vor und nach der Strahlablenkung auf einer Ebene befindet. Der Nachteil dieser Variante ist, dass bei größeren Strahlablenkungswinkeln die effektive Sende- und Detektorfläche kleiner wird, da die effektive Spiegelfläche sinkt. Dadurch sind die Winkelspannen der erreichbaren horizontalen FoV begrenzt und die Auflösung und Genauigkeit des Systems wird für größere Ablenkungswinkel immer schlechter. Die maximale Sende- und Detektorfläche würde unter einem Winkel von 0° erreicht werden (direkte Rückreflektion des Abtastlichtstrahls). Hier würde der ausgesendete, beziehungsweise der empfangene, Strahl allerdings durch den optischen Sender, beziehungsweise den optischen Detektor, blockiert werden. Aus diesem Grunde können durch diese Variante lediglich Winkelbereiche von typischerweise 10° - 150° oder -10° - -150° ausgeleuchtet werden (wobei der Winkel den Drehwinkel der Spiegelfläche relativ zu einem senkrechten Auftreffen des Lichtstrahls angibt). Das Sichtfeld hat also einen toten Winkel. Da für die meisten Anwendungen das FoV zusammenhängend sein muss, wird in der Regel lediglich eine Seite, also zum Beispiel 10° - 150° verwendet.
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Alternativ gibt es Anordnungen, bei welchen der Strahl um typischerweise 90° abgelenkt wird. Bei dieser Variante können auf einfache Art und Weise FoV von 360° realisiert werden. Bei der Aussendung mehrerer Pixel unter unterschiedlichen Winkeln oder einer Laserlinie ergibt sich allerdings folgender Nachteil: Trifft der bereits als Laserlinie geformte Laserstrahl unter einem Winkel von ca. 45° auf die Ablenkungsoptik, lässt sich eine Linienausleuchtung nicht ohne eine Drehung der Linienorientierung über große Raumwinkel realisieren, da bei größerem Winkel eine vertikal ausgerichtete Linie in Richtung einer horizontalen Linie gekippt wird. Dies würde in der Folge bedeuten, dass die vertikale Ausdehnung des Sichtfeldes bei größeren Auslenkwinkeln kleiner werden würde. Dies ist allerdings bei den meisten Anwendungen nicht gewünscht und würde die Genauigkeit des Systems winkelabhängig verschlechtern.
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Die
WO 2011/150942 A1 betrifft Windturbinen und offenbart insbesondere ein verbessertes Doppler-Anemometer zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit mittels eines LiDAR-Systems. Bei einer speziellen Ausführungsform wird zur Vereinfachung der Konstruktion vorgeschlagen, das entsprechende LiDAR-System auf einem Stator zu befestigen und der Strahlengang zur Nachführung der Windrichtung über einen drehbar gelagerten Ablenkspiegel erfolgt. Weiterhin wird zur verbesserten Ausrichtung des Strahlengangs an die Windrichtung auch eine Umlenkung über einen um 45° geneigten zweiten Spiegel vorgeschlagen.
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EP 2 172 790 B1 offenbart ein LiDAR-System, das eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung umfasst. Insbesondere offenbart das Dokument Komponenten eines herkömmlichen optischen Systems zur Detektion von Molekülen, Partikeln und Aerosolen in der Troposphäre. Der Lichtstrahl mit einem Durchmesser wird mittels Prismen auf einen Lichtstrahlaufweiter umgelenkt, der den Lichtstrahl auf einen größeren Durchmesser aufweitet. Der Lichtstrahl wird durch eine Z-Stufe mit zwei justierbaren Spiegeln geleitet, wobei die Z-Stufe ein nicht drehbar gelagertes Periskop darstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind die Spiegelflächen derart drehbar gelagert und miteinander gekoppelt, dass bei deren gemeinsamer Drehung um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Drehachse ein Abtasten der Umgebung erfolgt, sodass keine Verkippung des Lichtstrahls während der Drehung auftritt, wobei eine Strahlformung des Abtastlichtstrahls zumindest teilweise über eine Krümmung der beiden Spiegelflächen und/oder zumindest teilweise über einen Strahlformer im ersten Strahlengang erfolgt.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird also der Abtastlichtstrahl (beispielsweise ein Laserstrahl) über zwei Spiegelflächen so abgelenkt, dass sich der ausgesendete beziehungsweise empfangene, reflektierte Lichtstrahl nach der Strahlablenkung auf einer von zwei parallelen Ebenen befindet. Dadurch wird ein Kippen des Abtastlichtstrahls während der Drehung der Spiegelflächen verhindert und gleichzeitig ein großes FoV ermöglicht.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine doppelte Strahlablenkung um jeweils 90° mit zwei Spiegelflächen, welche gemeinsam um eine Achse rotieren können. Die Spiegelflächen sind hierfür im einfachsten Fall jeweils relativ zu der Ausbreitungsebene des Abtastlichtstrahls um 45° gekippt.
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Der erzeugte Abtastlichtstrahl kann zunächst über einen Strahlformer geformt werden. Die beiden Spiegelflächen können alternativ oder zusätzlich auch eine Aufgabe bei der Strahlformung übernehmen. Das bedeutet, eine oder beide der Spiegelflächen können eine Krümmung aufweisen oder andere optische Elemente enthalten. Dadurch wird der Aufbau vereinfacht und weniger fehleranfällig.
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Der Lichtstrahl wird zweimal um jeweils 90° durch die Spiegelflächen abgelenkt. Die beiden Spiegelflächen rotieren gemeinsam um eine Achse. Der abgelenkte Lichtstrahl verlässt die Ablenkeinheit, die die beiden Spiegelflächen umfasst, auf einer parallelen Ebene, die so weit von der einfallenden Ebene entfernt ist, dass der Strahl nun ungehindert den optischen Sender passieren kann. Der optische Detektor funktioniert entsprechend. Hier wird ein empfangener reflektierter Lichtstrahl dann zweimal um 90° durch eine rotierende Ablenkeinheit abgelenkt (trifft auf einen Strahlformer und/oder wird durch die Spiegelflächen geformt) und wird mittels des optischen Detektors detektiert. Je nach Anwendung kann es Sinn machen, sowohl den optischen Sender als auch den optischen Detektor oder jeweils nur den optischen Sender oder den optischen Detektor auf diese Art und Weise abzulenken.
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Der Begriff „optisch“ ist im Rahmen dieser Anmeldung breit zu verstehen und betrifft nicht nur sichtbares Licht, sondern kann auch Infrarotlicht und/oder UV-Licht mit einbeziehen. Der optische Sender kann einen oder mehrere (vorzugsweise optische) Laser umfassen.
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In einer Ausführungsform sind der optische Sender und/oder der optische Detektor auf einem Stator platziert und drehen sich nicht mit den Spiegelflächen. Dies vereinfacht den Aufbau, da keine Stromversorgung und Datenverbindung für rotierende Komponenten bereitgestellt werden müssen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang überlagert, sodass beide Strahlengänge dieselben Spiegelflächen verwenden. Das System kann also auch koaxial ausgelegt sein. Das bedeutet, dass Teile des ersten und des zweiten Strahlengangs identisch sind. Der Abtastlichtstrahl kann dann also zunächst geformt (aufgeweitet) werden und dann kann durch dieselbe(n) Komponente(n) eine inverse Strahlformung des reflektierten Lichtstrahls zumindest teilweise über eine Krümmung der beiden Spiegelflächen und/oder zumindest teilweise über einen Strahlformer im ersten/zweiten Strahlengang erfolgen. Dadurch können sonst notwendige zusätzliche Komponenten in einem separaten zweiten Strahlengang eingespart werden.
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Alternativ lenkt im ersten Strahlengang und im zweiten Strahlengang jeweils ein eigenes Paar gegeneinander um 90° verkippte Spiegelflächen den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene um. Je nach Ausführungsform kann es gewünscht sein, den optischen Detektor räumlich vom optischen Sender versetzt anzuordnen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abtastlichtstrahl im Wesentlichen in ein Linienprofil geformt. Das Linienprofil hat dabei eine endliche Länge. „Im Wesentlichen ein Linienprofil“ ist hier so zu verstehen, dass das Linienprofil keine absolut gleichmäßige Linienform, sondern lediglich eine größere Ausdehnung entlang einer der beiden Querachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweist. Beispielsweise kann das Linienprofil einen näherungsweise elliptischen Querschnitt mit hoher Exzentrizität aufweisen.
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In einer Ausführungsform dreht sich das Linienprofil des Abtastlichtstrahls durch die Rotation der Spiegelflächen nicht um die Ausbreitungsrichtung. Dies kann durch die erfindungsgemäße relative Anordnung der Spiegelflächen erreicht werden, die ein sonst auftretendes Verkippen eines Abtastlichtstrahls mit nichtrunder Strahlform kompensiert. Dadurch kann über das gesamte FoV ein deutlich gleichmäßigeres Abtastergebnis erzielt werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug umfassend mindestens ein optisches System nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das optische System so in das Fahrzeug installiert ist, das der Abtastlichtstrahl im Wesentlichen horizontal die Umgebung des Fahrzeugs abtastet.
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In einer Ausführungsform stellt das optische System ein zusammenhängendes horizontales Sichtfeld von mindestens 200°, vorzugsweise von mindestens 250°, besonders bevorzugt von mindestens 300° bereit. Das ungewöhnlich große Sichtfeld wird durch die erfindungsgemäße „Umgehung“ des optischen Senders beziehungsweise des optischen Detektors durch das Verlegen des Abtastlichtstrahls in eine parallele Ebene erreicht. Eine Rundumabtastung ist damit grundsätzlich bereits mit zwei Abtastlichtstrahlen erreichbar, also beispielsweise mit zwei optischen Sendern und zwei optischen Empfängern.
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In einer Ausführungsform ist das optische System mit der Mitte seines zusammenhängenden Sichtfeldes in Richtung der Hauptfahrtrichtung des Fahrzeuges angeordnet. Bei einer fahrzeuggestützten Anwendung ist üblicherweise in Fahrtrichtung eine möglichst hohe Genauigkeit der Abtastung gewünscht, um Hindernisse zu erkennen.
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In einer Ausführungsform ist mindestens ein optisches System mit der Mitte seines zusammenhängenden Sichtfeldes entgegen der Hauptfahrtrichtung des Fahrzeuges angeordnet. Bei einer fahrzeuggestützten Anwendung ist gleichzeitig entgegen der Fahrtrichtung ebenfalls eine möglichst hohe Genauigkeit der Abtastung gewünscht, beispielsweise um folgende Fahrzeuge oder Hindernisse beim Rückwärtsfahren zu erkennen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein optisches System des Standes der Technik in einer Draufsicht,
- 2 ein optisches System des Standes der Technik mit einem Spiegel bei 0° Ablenkungswinkel,
- 3 ein optisches System des Standes der Technik mit einem Spiegel bei 90° Ablenkungswinkel,
- 4 ein erfindungsgemäßes optisches System in einer Draufsicht,
- 5 eine Veranschaulichung des ersten Strahlengangs in einem erfindungsgemäßen optischen System,
- 6 ein erfindungsgemäßes optisches System bei 0° Ablenkungswinkel, und
- 7 ein erfindungsgemäßes optisches System bei 90° Ablenkungswinkel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein optisches System 1 des Standes der Technik umfassend einen optischen Sender 2 und einen optischen Detektor 3, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Der optische Sender 2 ist dazu eingerichtet, einen Abtastlichtstrahl entlang eines ersten Strahlengangs 4 in eine Umgebung auszusenden. Im Strahlengang ist ein optisches Element 5 zur Strahlformung angeordnet. Danach trifft der Abtastlichtstrahl auf eine Spiegelfläche 6, die den Lichtstrahl ablenkt, um so die Umgebung abzutasten. Das optische System weist zwei getrennte FoV von beispielsweise jeweils 140° auf, die rechts und links eines toten Winkels um einen Ablenkungswinkel von 0° angeordnet sind. Daher wird oftmals nur eines der beiden FoV verwendet und die Funktionalität des optischen Systems ist deutlich eingeschränkt.
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2 und 3 verdeutlichen ein weiteres Problem des Standes der Technik. Hier sind im Vergleich zu 1 der Einfachheit halber nur der Strahlengang 4 und die Spiegelfläche 6 dargestellt, sowie zwei Schirme 9,10, die die Form des Abtastlichtstrahls verdeutlichen. Der Abtastlichtstrahl ist jeweils in ein Linienprofil geformt.
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2 zeigt einen Ablenkwinkel von 0° in der Abtastebene, wobei der Abtastlichtstrahl auf dem Schirm 9 ein senkrechtes Linienprofil erzeugt. Dadurch kann in einem gewissen Bereich eine Abtastung (beispielsweise bei einem Fahrzeug-LiDAR) in Höhenrichtung erfolgen.
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Wird die Spiegelfläche 6 nun wie in 3 dargestellt um 90° gedreht, so wird der Abtastlichtstrahl im ersten Strahlengang 4 verkippt und erreicht den Schirm 10 waagerecht. Je weiter der Ablenkwinkel von 0° abweicht, umso weniger kommt also das Linienprofil auch für eine Abtastung in Höhenrichtung zum Tragen.
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4 zeigt nun ein erfindungsgemäßes optisches System 11, insbesondere ein LiDAR-System, umfassend mindestens einen optischen Sender 12 und mindestens einen optischen Detektor 13. Der optische Sender 12 ist dazu eingerichtet, einen Abtastlichtstrahl entlang eines ersten Strahlengangs 14 in eine Umgebung auszusenden. Der optische Sender 12 kann beispielsweise einen Laser umfassen. Der optische Detektor 13 ist dazu eingerichtet, einen reflektierten Lichtstrahl entlang eines zweiten Strahlengangs (nicht explizit dargestellt) aus einer Umgebung zu empfangen. Der zweite Strahlengang kann dem ersten Strahlengang 14 in umgekehrter Richtung überlagert sein, wie hier der Fall ist, er kann aber auch separat angeordnet sein. In mindestens einem des ersten Strahlengangs 14 und des zweiten Strahlengangs sind zwei gegeneinander um 90° verkippte Spiegelflächen 15, 16 angeordnet, die den Lichtstrahl aus einer ersten Ebene in eine dazu parallele zweite Ebene umlenken (siehe auch 5).
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Erfindungsgemäß sind die Spiegelflächen 15, 16 derart drehbar gelagert und miteinander gekoppelt, dass bei deren gemeinsamer Drehung um eine zu den beiden Ebenen senkrechte Drehachse ein Abtasten der Umgebung erfolgt. Dabei erfolgt keine Verkippung des Lichtstrahls während der Drehung (siehe auch 6 und 7).
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Eine Strahlformung des Abtastlichtstrahls erfolgt zumindest teilweise über eine Krümmung der beiden Spiegelflächen und/oder zumindest teilweise über einen Strahlformer 17 im ersten Strahlengang 14. Im Anschluss daran wird der Strahl zweimal um jeweils 90° durch die Spiegelflächen 15, 16 abgelenkt. Die beiden Spiegelflächen 15, 16 rotieren gemeinsam um eine Achse. Der abgelenkte Strahl verlässt die Ablenkeinheit, die die beiden Spiegelflächen 15, 16 umfasst, auf einer parallelen Ebene, die so weit von der einfallenden Ebene entfernt ist, dass der Strahl nun ungehindert den optischen Sender passieren kann. Die Ablenkeinheit kann aber auch noch weitere optische Elemente umfassen. Der optische Detektor 13 funktioniert entsprechend. Hier wird ein empfangener Strahl dann zweimal um 90° durch eine rotierende Ablenkeinheit abgelenkt, trifft optional auf einen Strahlformer und wird mittels des optischen Detektors 13 detektiert. Je nach Anwendung kann es Sinn machen, sowohl den ersten Strahlengang 14 vom optischen Sender 12 als auch den zweiten Strahlengang zum optischen Detektor 13 oder jeweils nur den ersten Strahlengang 14 vom optischen Sender 12 oder nur den zweiten Strahlengang zum optischen Detektor 13 auf diese Art und Weise abzulenken.
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Die beiden Spiegelflächen 15, 16 können alternativ oder zusätzlich auch eine Aufgabe bei der Strahlformung übernehmen. Das bedeutet, eine oder beide der Spiegelflächen 15, 16 können eine Krümmung aufweisen oder andere optische Elemente enthalten. Der in 4 dargestellte Strahlformer 17 ist also optional.
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Das optische System 11 weist ein zusammenhängendes horizontales Sichtfeld 18 von etwa 200° auf. Es sind aber auch Sichtfelder von über 300° ohne Unterbrechungen realisierbar.
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Das ungewöhnlich große Sichtfeld wird durch die erfindungsgemäße „Umgehung“ des optischen Senders 12 beziehungsweise des optischen Detektors 13 durch das Verlegen des Abtastlichtstrahls in eine parallele Ebene durch eine zweifache Reflektion an den Spiegelflächen 15, 16 erreicht. Dies ist in 5 schematisch in einer vereinfachten Seitenansicht der Ausführungsform der 4 dargestellt. Erfindungsgemäß wird also der Abtastlichtstrahl (beispielsweise ein Laserstrahl) über die zwei Spiegelflächen 15, 16 so abgelenkt, dass sich der ausgesendete beziehungsweise empfangene, reflektierte Lichtstrahl nach der Strahlablenkung auf einer von zwei parallelen Ebenen befindet. In 5 wird der Abtastlichtstrahl gewissenmaßen in eine parallele, höhere Ebene verlegt, sodass der optische Sender 12 und der optische Detektor 13 nicht mehr den Abtastlichtstrahl blockieren.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine doppelte Strahlablenkung um jeweils 90° mit zwei Spiegelflächen 15, 16, welche gemeinsam um eine Achse rotieren können. Die Spiegelflächen sind hierfür im einfachsten Fall jeweils relativ zueinander und zu der Ausbreitungsebene des Abtastlichtstrahls um 45° gekippt wie in 5 dargestellt.
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Gleichzeitig wird ein Kippen des Abtastlichtstrahls während der Drehung der Spiegelflächen 15, 16 durch die Verwendung der zwei Spiegelflächen 15, 16 verhindert wie die 6 und 7 verdeutlichen.
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Ähnlich wie in 2 und 3 sind im Vergleich zu 4 der Einfachheit halber nur der erste Strahlengang 14 und die Spiegelflächen 15, 16 dargestellt sowie zwei Schirme 19, 20. Der Abtastlichtstrahl ist jeweils in ein Linienprofil geformt.
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6 zeigt einen Ablenkwinkel von 0° in der Abtastebene, wobei der Abtastlichtstrahl auf dem Schirm 19 ein senkrechtes Linienprofil erzeugt. Dadurch kann in einem gewissen Bereich eine Abtastung (beispielsweise bei einem Fahrzeug-LiDAR) in Höhenrichtung erfolgen.
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Werden die Spiegelflächen 15, 16 nun wie in 7 dargestellt gemeinsam um 90° gedreht, so wird der Abtastlichtstrahl im ersten Strahlengang 14 lediglich um die Drehachse der Spiegelflächen 15, 16 gedreht, ohne das ein Verkippen erfolgt. Der Abtastlichtstrahl erzeugt also nach wie vor auf dem Schirm 20 ein senkrechtes Linienprofil. Im Vergleich zum Stand der Technik kann also nicht nur ein größeres FoV, sondern auch eine gleichmäßigere Abtastung senkrecht zur Abtastebene im FoV erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015268331 A1 [0005]
- DE 102010047984 A1 [0005]
- WO 2011/150942 A1 [0007]
- EP 2172790 B1 [0008]
