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Die Erfindung betrifft eine Sendeeinheit, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, aufweisend mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen sowie eine LIDAR-Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Automatisiert betreibbare Fahrzeuge und Fahrfunktionen erlangen zunehmend an Bedeutung im öffentlichen Straßenverkehr. Zum technischen Umsetzen derartiger Fahrzeuge und Fahrfunktionen sind Sensoren, wie beispielsweise Kamerasensoren, Radarsensoren und LIDAR-Sensoren, notwendig.
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LIDAR-Sensoren erzeugen hierbei elektromagnetische Strahlen, beispielsweise Laserstrahlen, und nutzen diese Strahlen zum Abtasten eines Abtastbereichs. Basierend auf einer Time-of-Flight Analyse können Distanzen zwischen dem LIDAR-Sensor und Objekten im Abtastbereich ermittelt werden.
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Vorzugsweise müssen LIDAR-Sensoren zum Umsetzen von automatisierten Fahrfunktionen einen möglichst großen Abtastbereich abtasten können. Es sind beispielsweise horizontale Abtastwinkel von 360°, vertikale Abtastwinkel von 20° und Abtastreichweiten von bis zu 200m erwünscht. Bei bisherigen Lösungen dieser Anforderungen werden mehrere unterschiedliche LIDAR-Sensoren eingesetzt. Insbesondere werden spezielle LIDAR-Sensoren zum Abtasten eines Nahfelds des Abtastbereichs und zum Abtasten eines Fernfelds des Abtastbereichs verwendet.
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Mit zunehmender Anzahl von LIDAR-Sensoren steigen jedoch die Kosten für die technische Umsetzung der automatisierten Fahrfunktionen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine Sendeeinheit und eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine gleichzeitige Abtastung eines Fernfelds und eines Nahfelds ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Sendeeinheit, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, bereitgestellt. Die Sendeeinheit weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen auf. Erfindungsgemäß ist eine doppelbrechende Optik vorgesehen, welche zum Aufspalten der erzeugten Strahlen in zwei Strahlenanteile einsetzbar ist.
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Es kann somit ein erster Strahlenanteil mit einer ersten Polarisationsrichtung und ein zweiter Strahlenanteil mit einer zweiten Polarisationsrichtung erzeugt werden. Die Polarisationsrichtungen der beiden Strahlenanteile sind vorzugsweise um einen Winkel von 90° zueinander gedreht.
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Der erste Strahlenanteil ist zum Belichten eines Fernfelds eines Abtastbereichs zu Fernfeldstrahlen kollimierbar bzw. fokussierbar. Der zweite Strahlenanteil ist zum Belichten eines Nahfelds des Abtastbereichs verwendbar. Der zweite Strahlenanteil kann hierbei direkt bzw. ohne weitere Strahlenformung oder nach einem Fokussieren zum Abtasten des Nahfelds eingesetzt werden.
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Die Strahlenquelle kann hierbei ein oder mehrere Emitter aufweisen. Beispielsweise können die Emitter als sogenannte VCSEL bzw. Oberflächenemitter oder als Kantenemitter ausgestaltet sein.
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Die doppelbrechende Optik kann beispielhaft aus einem anorganischen Kristall oder einem organischen Polymer bestehen. Durch die doppelbrechende Optik können die unpolarisierten oder diagonal polarisierten erzeugten Strahlen in zwei Strahlenanteile mit einer horizontalen und einer vertikalen Polarisierung transformiert werden. Die jeweiligen Strahlenanteile werden abhängig von den optischen Eigenschaften der doppelbrechenden Optik an unterschiedlichen Brennpunkten gebündelt. Dieser Unterschied in der Brennweite kann dazu eingesetzt werden, beispielsweise den ersten Strahlenanteil derart zu fokussieren, dass die Strahlen des ersten Strahlenanteils kollimiert in den Abtastbereich emittiert werden. Die kollimieren bzw. fokussierten Fernfeldstrahlen können somit zum Abtasten großer Distanzen, wie beispielsweise 100 m bis 250 m, eingesetzt werden. Hierdurch können die Fernfeldstrahlen als einzelne Strahlenbündel ausgestaltet sein, welche gleichzeitig bzw. parallel zu den Nahfeldstrahlen in den Abtastbereich emittiert werden.
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Durch die Sendeeinheit kann eine LIDAR-Vorrichtung für mehrere Anwendungsfälle gleichzeitig verwendet werden. Beispielsweise kann eine derartige LIDAR-Vorrichtung sowohl für automatisierte Fahrfunktionen auf einer Autobahn als auch während eines Staus eingesetzt werden. Es können somit Anwendungen mit benötigten Messungen von langen Distanzen und Anwendungen mit benötigten Messungen von kurzen Distanzen durch eine einzige Sendeeinheit ermöglicht werden.
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Durch die erfindungsgemäße Sendeeinheit können Kosten eingespart und ein hoher Dynamikbereich für eine LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt werden. Des Weiteren weist die Sendeeinheit eine hohe Modularität auf, da ein Austausch des Linsenarrays die Eigenschaften der Fernfeldstrahlen und den entsprechenden Abtastbereich direkt beeinflusst.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die doppelbrechende Optik als eine doppelbrechende Linse ausgestaltet, wobei die erzeugten Strahlen durch die doppelbrechende Linse in die zwei unterschiedlich polarisierten Strahlenanteile aufteilbar und die ersten Strahlenanteile durch ein Linsenarray zu Fernfeldstrahlen fokussierbar sind. Hierdurch kann die Aufteilung der erzeugten Strahlen technisch besonders einfach umgesetzt werden. Vorzugsweise kann die doppelbrechende Linse eine Hauptbrechachse aufweisen, welche senkrecht auf einer optischen Achse der Sendeeinheit ausgerichtet ist. Basierend auf den doppelbrechenden Eigenschaften der doppelbrechenden Linse werden die erzeugten Strahlen in horizontal polarisierte und vertikal polarisierte Strahlenanteile aufgeteilt, welche unterschiedliche Brennpunkte bzw. Brennweiten aufweisen. Die Strahlenanteile mit einer größeren Brennweite bzw. einem von der Linse weiter entfernten Brennpunkt können anschließend durch das Linsenarray kollimiert werden. Das Linsenarray ist in der Abmessung und der Position derart an die Brennweite des ersten Strahlenanteils angepasst, dass nur der erste Strahlenanteil kollimiert wird und somit eine hohe Abtastreichweite aufweist. Die Strahlen des zweiten Strahlenanteils bleiben nach dem Passieren des Linsenarrays divergent.
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Das Linsenarray weist eine Vielzahl von Linsen auf. Die Linsen können als Mikrolinsen oder als Makrolinsen geformt sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind die zweiten Strahlenanteile unmittelbar oder zuvor durch das Linsenarray geformt als Nahfeldstrahlen zum Belichten des Nahfelds in den Abtastbereich emittierbar. Hierbei können die Strahlen des zweiten Strahlenanteils parallel zu den Strahlen des ersten Strahlenanteils durch das Linsenarray geformt werden. Hierdurch kann ein Linsenarray als Emissionsfenster für die Sendeeinheit bereitgestellt werden, wodurch weitere Gläser oder Abdeckungen entfallen können. Alternativ können die Strahlen des zweiten Strahlenanteils an dem Linsenarray vorbeigelenkt werden.
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Das Formen der Nahfeldstrahlen kann beispielsweise ein Fokussieren, Aufweiten, Filtern, Brechen, Beugen und dergleichen aufweisen. Die Nahfeldstrahlen bleiben jedoch divergent gegenüber den Fernfeldstrahlen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die doppelbrechende Optik als ein doppelbrechendes Linsenarray ausgestaltet, wobei die erzeugten Strahlen durch eine Sendeoptik auf das doppelbrechende Linsenarray fokussierbar und durch das doppelbrechende Linsenarray in Nahfeldstrahlen und Fernfeldstrahlen aufteilbar sind. Hierbei können die erzeugten Strahlen optimal auf das doppelbrechende Linsenarray fokussiert und anschließend in den Abtastbereich emittiert werden. Die Sendeoptik kann eine oder mehrere Linsen aufweisen. Insbesondere ist die Sendeoptik derart an die optischen Eigenschaften des doppelbrechenden Linsenarrays angepasst, dass ein Strahlenanteil kollimiert oder nahezu kollimiert in den Abtastbereich bzw. das Fernfeld emittiert wird. Der zweite Strahlenanteil kann trotz der Formung durch das doppelbrechende Linsenarray divergent bzw. divergenter als die Strahlen des ersten Strahlenanteils bleiben.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist ein Polarisationswinkel der erzeugten Strahlen durch die mindestens eine Strahlenquelle und/oder durch einen der Strahlenquelle nachgelagert angeordneten Polarisator in einem Winkelbereich von mehr als 0° und weniger als 90° einstellbar. Abhängig von der Polarisation der erzeugten Strahlen durch die mindestens eine Strahlenquelle kann der Einsatz eines zusätzlichen Polarisators vorteilhaft sein. Beispielsweise kann durch den Polarisator ein Polarisationswinkel von 45° gegenüber einer Horizontalen eingestellt werden. Die doppelbrechende Optik kann die zu 45° polarisierten Strahlen in horizontal und vertikal polarisierte Strahlenanteile wandeln. Durch den eingestellten Polarisationswinkel von 45° weisen beide Strahlenanteile gleich hohe Intensität auf. Durch ein Einstellen des Polarisationswinkels kann ein Intensitätsverhältnis des ersten Strahlenanteils zum zweiten Strahlenanteil gezielt eingestellt werden. Dies kann beispielsweise durch ein Drehen des Polarisators ermöglicht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Sendeeinheit einen aktiven Polarisator auf, wobei der Polarisationswinkel durch den aktiven Polarisator zum abwechselnden Emittieren von Nahfeldstrahlen und Fernfeldstrahlen zwischen 0° und 90° einstellbar ist. Der aktive Polarisator kann beispielsweise elektrisch drehbar oder als ein elektronischer Polarisator ausgestaltet sein. Durch das Wechseln des Polarisationswinkels zwischen 0° und 90° gegenüber der Horizontalen kann gezielt eine maximale Intensität bzw. Strahlungsleistung dem ersten Strahlenanteil oder dem zweiten Strahlenanteil zugeführt werden. Durch diese Maßnahme kann eine abwechselnde Belichtung des Abtastbereichs mit Nahfeldstrahlen und mit Fernfeldstrahlen ermöglicht werden. Insbesondere kann der Abtastbereich bei einer gepulsten Abtastung des Abtastbereichs abwechselnd nur mit Fernfeldstrahlen oder nur mit Nahfeldstrahlen belichtet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Abstände zwischen den Fernfeldstrahlen durch Betriebsschwingungen und/oder durch Drehbewegungen der Sendeeinheit kompensierbar. Die resultierenden Abstände zwischen den kollimierten Fernfeldstrahlen resultieren in Lücken bei der Abtastung des Abtastbereichs. Aus den Lücken kann somit keine Information über das Umfeld ermittelt werden. Um diese fehlenden Informationen zu erhalten kann eine Bewegung der Sendeeinheit initiiert werden, welche dazu führt, dass die Lücken im Abtastbereich ebenfalls belichtet werden.
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Beispielsweise können die resultierenden Lücken bei einer automobilen Anwendung durch Vibrationen des Fahrzeugs während eines Betriebs ausgeglichen oder zumindest verringert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine beabsichtigte Bewegung der Sendeeinheit dazu eingesetzt werden, Lücken im Abtastbereich auszuschließen und somit einen vollständigen Scan des Abtastbereichs durchzuführen. Die jeweiligen Schwenkschritte oder Rotationsschritte können kleiner oder gleich den Abständen zwischen den jeweiligen Fernfeldstrahlen in horizontaler oder vertikaler Richtung sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine Strahlenquelle als ein flächig ausgedehntes Array mit einer Vielzahl von Emittern ausgestaltet. Die LIDAR-Vorrichtung kann vorzugsweise ein Array aus Emittern in der Sendeeinheit und ein Detektorarray in der Empfangseinheit aufweisen. Die Emitter können beispielsweise als sogenannte VCSEL bzw. Oberflächenemitter ausgestaltet sein. Ein Teil der Emitter wird zum Erzeugen von divergenten Strahlen zum Abtasten des Nahfelds des Abtastbereichs eingesetzt. Die Nahfeldstrahlen können hierbei keine oder nur geringfügige Abstände in vertikaler und horizontaler Richtung zueinander aufweisen. Ein anderer Teil der Emitter kann die erzeugten Strahlen auf Linsen des Linsenarrays projizieren, wodurch die jeweiligen Strahlen fokussiert bzw. kollimiert und somit zu Fernfeldstrahlen geformt werden.
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Durch die divergenten Strahlen bzw. Nahfeldstrahlen, welche lückenlos oder nahezu lückenlos emittiert werden, kann das Nahfeld des Abtastbereichs besonders gründlich abgetastet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Emitter gemeinsam oder unabhängig voneinander zum Emittieren von Strahlen ansteuerbar. Bei gleichzeitig bzw. gemeinsam ansteuerbaren Emittern kann eine technisch besonders einfache Treiberelektronik verwendet werden. Durch separat ansteuerbare Emitter kann eine dynamische Anpassung der Belichtung realisiert werden, welche besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Augensicherheit ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten von Abtastbereichen bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine erfindungsgemäße Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf. Die Sendeeinheit der LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von Strahlen auf. Die Empfangseinheit weist mindestens einen Detektor zum Detektieren von Strahlen auf.
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Die Empfangseinheit kann eine Empfangsoptik zum Empfangen der aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen aufweisen, welche die empfangenen Strahlen anschließend auf den mindestens einen Detektor fokussiert. Der Detektor kann hierbei in einer Brennebene der Empfangsoptik positioniert sein.
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Der mindestens eine Detektor der Empfangseinheit kann beispielsweise als ein CCD-Sensor, CMOS-Sensor, APD-Array, SPAD-Array und dergleichen ausgestaltet sein.
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Der mindestens eine Detektor bzw. die Empfangseinheit können nach einer abgeschlossenen Herstellung der LIDAR-Vorrichtung kalibriert werden. Hierzu kann eine weiße Wand durch die Sendeeinheit belichtet und die entsprechenden vom Detektor empfangenen Intensitätsmuster ausgewertet werden.
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Insbesondere können Detektorpixel mit einer hohen ermittelten Intensität zum Empfangen von Strahlen von Fernfeldstrahlen und die übrigen Detektorpixel zum Empfangen von Strahlen, welche von Nahfeldstrahlen resultieren, zugeteilt werden. Es kann somit eine technisch besonders einfache Kalibrierung der Empfangseinheit durchgeführt werden.
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Ein weiterer Vorteil der LIDAR-Vorrichtung ist die Möglichkeit eines modularen Aufbaus. Es können Eigenschaften der LIDAR-Vorrichtung, wie beispielsweise Auflösung, Abtastwinkel in vertikaler und horizontaler Richtung, Verteilung der Fernfeldstrahlen und dergleichen technisch durch Austausch der doppelbrechenden Optik und von optionalen Linsen bzw. Optiken geändert werden. Die LIDAR-Vorrichtung ist somit kosteneffizient an sich ändernde Kundenwünsche anpassbar.
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Die LIDAR-Vorrichtung kann als ein Flash-LIDAR bzw. ein Festkörper-LIDAR ohne bewegliche Komponenten ausgestaltet sein. Alternativ kann die LIDAR-Vorrichtung oder Teile der LIDAR-Vorrichtung entlang zumindest einer Rotationsachse drehbar oder schenkbar ausgestaltet sein. Darüber hinaus kann die LIDAR-Vorrichtung optional ein Mikro-Scanner oder ein Makro-Scanner sein.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform
- 2 eine schematische Darstellung eines Abtastmusters auf einem Detektor,
- 3 eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit gemäß einer Ausführungsform und
- 4 eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 4 auf.
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Die Sendeeinheit 2 weist eine Strahlenquelle 6 auf, welche zum Erzeugen von Strahlen 7 dient. Die Strahlenquelle 6 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als ein Infrarotlaser ausgestaltet und kann somit erzeugte Strahlen 7 im infraroten Wellenlängenbereich emittieren.
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Des Weiteren weist die Sendeeinheit 2 einen optionalen Polarisator 8 zum Polarisieren der erzeugten Strahlen 7 auf. Der Polarisator 8 kann die erzeugten Strahlen 7 beispielsweise in einem Polarisationswinkel von 45° gegenüber einer optischen Achse O polarisieren. Anschließend können die erzeugten Strahlen 7 auf eine doppelbrechende Linse 10 gelenkt werden.
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Die erzeugten Strahlen 7 können durch die doppelbrechende Linse 10 in zwei unterschiedlich polarisierte Strahlenanteile 12, 14 aufgeteilt werden. Ein erster Strahlenanteil 12 wird in einem ersten Brennpunkt f1 und ein zweiter Strahlenanteil 14 in einem zweiten Brennpunkt f2 entlang der optischen Achse O fokussiert. Der erste Brennpunkt f1 ist hier weiter von der doppelbrechenden Linse 10 beabstandet als der zweite Brennpunkt f2. Die Strahlen des ersten Strahlenanteils 12 weisen eine erste Polarisationsrichtung, wie beispielsweise horizontale Polarisationsrichtung, und Strahlen des zweiten Strahlenanteils 14 eine zweite Polarisationsrichtung, wie beispielsweise vertikale Polarisationsrichtung, auf.
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Der doppelbrechenden Linse 10 ist ein Linsenarray 16 nachgeschaltet. Das Linsenarray 16 ist hierbei derart dimensioniert, dass lediglich Strahlen des ersten Strahlenanteils 12 das Linsenarray 16 passieren können. Das Linsenarray 16 kann die Strahlen des ersten Strahlenanteils 12 zu kollimierten Strahlen und damit zu Fernfeldstrahlen 18 mit hoher Intensität und Reichweite bündeln.
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Die Strahlen des zweiten Strahlenanteils 14 können ungebündelt das Linsenarray 16 passieren oder weiterhin in divergenter Form das Linsenarray 16 transmittieren. Durch die divergente Form sind diese Strahlen als Nahfeldstrahlen 20 ausgestaltet und können somit zum Abtasten von kurzen Distanzen eingesetzten werden.
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Die Fernfeldstrahlen 18 sind dazu eingerichtet, ein Fernfeld AF des Abtastbereichs A abzutasten. Die Nahfeldstrahlen 20 können beispielsweise zum Abtasten einer Distanz von bis zu 50 Metern und die Fernfeldstrahlen 18 zum Abtasten eines Distanzbereichs zwischen 50 und 150 Metern eingesetzt werden.
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Die Empfangseinheit 4 weist einen Detektor 22 auf, welcher beispielhaft als ein CCD Detektor ausgestaltet ist. Die Empfangseinheit 4 kann darüber hinaus nicht dargestellte Empfangsoptiken, Spiegel und Filter aufweisen. Der Detektor 22 dient zum Empfangen von aus dem Abtastbereich A reflektierten und/oder rückgestreuten Strahlen 11.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abtastmusters 24 auf dem Detektor 22. Das Abtastmuster 24 wird durch die Nahfeldstrahlen 20 und die Fernfeldstrahlen 18 gebildet. Die Nahfeldstrahlen 20 sind hierbei diffus und durchsetzen alle Bereiche um die Fernfeldstrahlen 18. Insbesondere bilden die Nahfeldstrahlen 20 hier Ringabschnitte um die jeweiligen gebündelten Fernfeldstrahlen 18.
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Die Fernfeldstrahlen 18 sind durch horizontale Abstände x und durch vertikale Abstände z voneinander beabstandet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Fernfeldstrahlen 18 in gleichen Abständen x, z voneinander beabstandet. Das Abtastmuster 24 kann insbesondere durch die Ausgestaltung des Linsenarrays 16 eingestellt oder variiert werden.
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In der 3 ist eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit 2 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zum in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, weist die Sendeeinheit 2 keine doppelbrechende Linse 10, sondern ein doppelbrechendes Linsenarray 26 auf.
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Die erzeugten Strahlen 7 werden nach dem optionalen Polarisieren durch den Polarisator 8 durch eine Sendeoptik 28 auf das doppelbrechende Linsenarray 26 fokussiert. Das doppelbrechende Linsenarray 26 kann die fokussierten bzw. vorgeformten Strahlen 27 anschließend in den ersten Strahlenanteil 12 und den zweiten Strahlenanteil 14 mit unterschiedlichen Polarisationswinkeln aufteilen. Die entsprechende auf die jeweiligen Strahlenanteile 12, 14 unterschiedlich wirkenden Brechungsindizes ermöglichen eine unterschiedlich starke Bündelung der Strahlenanteile 12, 14. Das doppelbrechende Linsenarray 26 ist hier derart konfiguriert, dass die Strahlen des ersten Strahlenanteils 12 zu kollimierten Fernfeldstrahlen 18 geformt werden. Die Strahlen des zweiten Strahlenanteils 14 bleiben divergent und können somit als Nahfeldstrahlen 20 verwendet werden.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Sendeeinheit 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Gegensatz zur in 1 gezeigten Sendeeinheit 2 ist die Sendeeinheit 8 als ein Array mit einer Vielzahl von Emittern 30 ausgestaltet. Die Emitter 30 sind beispielhaft als Oberflächenemitter ausgestaltet.
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Die durch die doppelbrechende Linse 10 ausgespaltenen Strahlenanteile 12, 14 werden im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichermaßen von einem größer dimensionierten Linsenarray 17 geformt. Die Nahfeldstrahlen 20 bleiben hierbei divergenter als die Fernfeldstrahlen 18.
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Des Weiteren ist der Polarisator als ein aktiver Polarisator 9 ausgestaltet, sodass ein Intensitätsverhältnis der beiden Strahlenanteile 12, 14 und damit der Fernfeldstrahlen 18 und Nahfeldstrahlen 20 dynamisch verändert bzw. eingestellt werden kann.
