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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Abtasten eines Umfeldes eines Fortbewegungsmittels.
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Aus dem Stand der Technik sind u. a. rotierende Lidar-Sensoren bekannt, welche auf Basis eines durch die Lidar-Sensoren ausgesendeten Laserlichtes eingerichtet sind, ein Umfeld der Lidar-Sensoren abzutasten. Solche auch als Makroscanner bezeichnete Sensoren werden beispielsweise für eine Umfelderfassung in Fortbewegungsmitteln eingesetzt. Aktuelle Makroscanner verwenden üblicherweise eine feste Auflösung innerhalb eines Sichtfeldes (engl. Field of View, kurz FOV) der Sensoren. Das bedeutet, dass sendeseitig eine feste Ausleuchtung (d. h. eine im Wesentlichen einheitliche Leistungsdichte) und empfangsseitig eine feste Auflösung (d.h. ein einheitlicher Abbildungsmaßstab am Detektor) eingesetzt wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensoranordnung zum Abtasten eines Umfeldes eines Fortbewegungsmittels bereitzustellen, welche insbesondere unterschiedliche optische Eigenschaften innerhalb eines Sichtfeldes der Sensoranordnung einsetzt, um eine Erfassung eines Umfeldes durch die Sensoranordnung gezielt an unterschiedliche Anforderungen bzgl. der Umfelderfassung anpassen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Sensoranordnung zum Abtasten eines Umfeldes eines Fortbewegungsmittels vorgeschlagen. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z. B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug sein. Die Sensoranordnung kann beispielsweise ein Rotationsscanner und/oder ein Lidar-Scanner und/oder ein Punktscanner und/oder ein Linienscanner und/oder ein koaxialer Scanner sein und/oder sichtbares Licht und/oder infrarotes Licht und/oder gepulstes Licht zum Abtasten eines Umfeldes der Sensoranordnung verwenden. Die Sensoranordnung umfasst einen Emitter (z. B. eine Laserdiode, usw.), einen Detektor (z. B. eine Photodiode, ein Photodioden-Array, einen CCD-Sensor, usw.), eine Ablenkvorrichtung, ein Gehäuse, ein Fenster und eine Auswerteeinheit.
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Das Fenster, welches beispielsweise aus Glas, einem Kunststoff oder einem Verbundstoff bestehen kann, ist eingerichtet, in einer Öffnung des Gehäuses angeordnet zu werden. Bevorzugt kann das Fenster derart in die Öffnung des Gehäuses eingepasst sein, dass es in Verbindung mit dem Gehäuse in der Lage ist, oben genannte weitere Komponenten der Sensoranordnung luftdicht und/oder wasserdicht und/oder temperaturisoliert gegenüber einem Umfeld der Sensoranordnung abzukapseln. Das Fenster ist weiter eingerichtet, für durch die Sensoranordnung ausgesendete und/oder empfangene elektromagnetische Wellen zumindest teilweise durchlässig zu sein und in einem ersten Teilbereich des Fensters erste vordefinierte optische Eigenschaften aufzuweisen, welche sich von zweiten vordefinierten optischen Eigenschaften eines zweiten Teilbereichs des Fensters unterscheiden. Durch die Verwendung unterschiedlicher optische Eigenschaften für die jeweiligen Teilbereiche des Fensters, welche mit jeweiligen Teilbereichen eines Sichtfeldes der Sensoranordnung korrespondieren, kann für die jeweiligen Teilbereiche des Sichtfeldes eine jeweils optimierte Strahlformung eines Sendestrahls und/oder eines Empfangsstrahls der Sensoranordnung erzielt werden. Beispielsweise können die optischen Eigenschaften des zweiten Teilbereichs eine stärkere Bündelung des Sendestrahls, als die optischen Eigenschaften des ersten Teilbereichs bewirken, wodurch beim Durchlaufen des zweiten Teilbereichs durch den Sendestrahl eine höhere lokale Energiedichte des Sendestrahls und somit eine höhere Reichweite ermöglicht werden kann. Darüber hinaus sind auf Basis der Verwendung unterschiedlicher optischer Eigenschaften für die jeweiligen Teilbereiche zahlreiche weitere strahlformende Maßnahmen innerhalb des Sichtfeldes der Sensoranordnung realisierbar. Der erste und der zweite Teilbereich des Fensters können beispielsweise derart innerhalb einer Gesamtfläche des Fensters angeordnet sein, dass der zweite Teilbereich den ersten Teilbereich in einer Hauptabtastrichtung (z. B. horizontal und/oder vertikal) des Sendestrahls der Sensoranordnung unterbricht, so dass der Sendestrahl während eines Abtastvorgangs der Sensoranordnung zunächst einen ersten Teil des ersten Teilbereichs, anschließend den zweiten Teilbereich und letztlich einen zweiten Teil des ersten Teilbereichs durchläuft. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass das Fenster über eine Mehrzahl zweiter Teilbereiche verfügt, welche den ersten Teilbereich analog zu obiger Beschreibung mehrfach unterbrechen kann. Alternativ kann der erste Teilbereich den zweiten Teilbereich vollständig umranden, so dass der erste Teilbereich den zweiten Teilbereich einrahmt. Alternativ kann der zweite Teilbereich derart neben dem ersten Teilbereich angeordnet sein, dass der erste Teilbereich nicht durch den zweiten Teilbereich unterbrochen wird. In einem solchen Fall kann der Sendestrahl während eines Abtastvorgangs beispielsweise zunächst den ersten Teilbereich und Anschließend den zweiten Teilbereich durchlaufen. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass, sofern nicht anders erwähnt, in der vorliegenden Beschreibung unter einem Abtastvorgang (oder auch Scanvorgang) ein einmaliges Durchlaufen der Fensterfläche durch den Sendestrahl der Sensoranordnung verstanden werden soll, auch wenn (technologieabhängig) für eine vollstände FOV-Erfassung ggf. eine Mehrzahl solcher Durchläufe mit veränderten horizontalen und/oder vertikalen Abstrahlwinkeln des Sendestrahls erforderlich sein sollte. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass jeweilige Anordnungsvarianten des ersten Teilbereichs und des zweiten Teilbereichs des Fensters nicht auf oben genannte beschränkt sind und dass ggf. zweckmäßige Kombinationen aus diesen eingesetzt werden können.
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Das Gehäuse kann beispielsweise ebenfalls aus einem Kunststoff, aus Metall, aus einer Legierung, aus einem Verbundstoff oder aus weiteren Materialien hergestellt sein, wobei das Gehäuse bevorzugt derart ausgestaltet sein kann, dass es für durch die Sensoranordnung genutzte elektromagnetische Wellen und/oder aus dem Umfeld auf das Gehäuse auftreffendes Licht undurchlässig ist.
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Der Emitter ist eingerichtet, elektromagnetische Wellen durch das Fenster der Sensoranordnung in ein Umfeld der Sensoranordnung auszusenden, während der Detektor eingerichtet ist, durch das Umfeld reflektierte und/oder gestreute Anteile der durch den Emitter ausgesendeten elektromagnetischen Wellen zu empfangen. Ferner ist die Ablenkvorrichtung in Verbindung mit dem Emitter und/oder dem Detektor eingerichtet, das Umfeld der Sensoranordnung derart abzutasten, dass der Empfangsstrahl und/oder der Sendestrahl der Sensoranordnung während des Abtastens sowohl im ersten Teilbereich des Fensters, als auch im zweiten Teilbereich des Fensters auftritt. Unter der Ablenkvorrichtung soll hier grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, den Sendestrahl während eines Abtastvorgangs mit variierenden Abstrahlwinkeln in ein durch die Sensoranordnung abzutastendes Umfeld abzulenken. Die Ablenkvorrichtung kann beispielsweise ein beweglich angeordnetes Element wie ein Spiegel, ein Mikrospiegel, ein Mikrospiegel-Array, ein Prisma, eine mit dem Emitter verbundene Rotationsachse usw. sein.
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Die Auswerteeinheit, welche beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet sein kann, ist eingerichtet, ein durch den Detektor erzeugtes Signal aufgrund eines empfangenen Laserlichtes aus dem Umfeld der Sensoranordnung zu empfangen und in geeigneter Weise auszuwerten.
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Es sei darauf hingewiesen, dass durch eine geeignete Ausgestaltung des zweiten Teilbereichs des Fensters beispielsweise eine Auflösung der Sensoranordnung ausschließlich in horizontaler oder ausschließlich in vertikaler Richtung des Sichtfeldes der Sensoranordnung, oder in beide Richtungen gleichzeitig verändert werden kann.
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Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass eine Anordnungsreihenfolge bezüglich des ersten Teilbereichs und des zweiten Teilbereichs beliebig ausgestaltet sein kann, so dass der Sendestrahl der Sensoranordnung, abweichend von obiger Beschreibung, während eines Abtastvorgangs auch zunächst den zweiten Teilbereich und anschließend den ersten Teilbereich durchlaufen kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Fenster ein ebenes Fenster oder ein Fenster, welches eine horizontale und/oder vertikale Krümmung und/oder Neigung bezüglich des Emitters und/oder des Detektors und/oder der Ablenkvorrichtung aufweist. Eine Krümmung des Fensters kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass ein durch den Sendestrahl bis zum Erreichen des Fensters zurückgelegter Weg während eines Abtastvorgangs einheitlich ist, ohne die erfindungsgemäße Sensoranordnung auf diese konkrete Ausgestaltung einzuschränken. In einem Fall, in welchem der durch den Sendestrahl zurückgelegte Weg bis zum Erreichen des Fensters während eines Abtastvorgangs uneinheitlich ist, kann das Fenster beispielsweise derart ausgebildet sein, dass potentielle Einflüsse dieser unterschiedlichen Wege auf den Sendestrahl und/oder den Empfangsstrahl mittels einer graduellen Anpassung optischer Eigenschaften über die gesamte Fensterfläche (z. B. eine stetig zunehmende Dicke usw.) zumindest teilweise kompensiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfassen der erste Teilbereich und/oder der zweite Teilbereich jeweils ein und dasselbe Material oder unterschiedliche Materialien. Alternativ oder zusätzlich können der erste Teilbereich und/oder der zweite Teilbereich einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Eine einstückige Ausbildung kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein zur Herstellung des Fensters verwendetes Glas oder ein Kunststoff im Bereich des ersten Teilbereichs des Fensters mit einer einheitlichen Dicke ausgebildet wird, während der zweite Teilbereich des Fensters konkav oder konvex ausgebildet wird. Eine mehrstückige Ausbildung kann beispielsweise derart erfolgen, dass im Bereich des zweiten Teilbereichs separat gefertigte Linsen, Mikrolinsen, Mikrolinen-Arrays usw. an einer dem Emitter zugewandten und/oder einer dem Emitter abgewandten Seite des Fensters angeordnet werden. Solche separaten Linsen usw. können unmittelbar auf der Oberfläche des Fensters angeordnet oder teilweise oder vollständig in das Fenster eingelassen sein. Es sei darauf hingewiesen, dass jeweilige optische Elemente (zur Strahlformung und/oder zur Filterung usw.) zum Erzeugen der von den ersten optischen Eigenschaften abweichenden zweiten optischen Eigenschaften nicht in direktem Kontakt mit der dem Emitter zugewandten Seite oder der dem Emitter abgewandten Seite des Fensters stehen müssen. Stattdessen können diese optischen Elemente auf jeweiligen Seiten des Fensters auch beabstandet zur jeweiligen Fensteroberfläche angeordnet sein. Hierfür können beispielsweise entsprechende Halterungen und/oder Rahmenelemente usw. eingesetzt werden, welche die optischen Elemente in einer vordefinierten Position und mit einem vordefinierten Abstand zur jeweiligen Fensteroberfläche fixieren. Darüber hinaus kann auch eine Mehrzahl optischer Elemente in Reihe angeordnet sein, so dass der Sendestrahl und/oder der Empfangsstrahl jeweils die Mehrzahl optischer Elemente durchläuft. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise ausgeprägte Unterschiede des zweiten Teilbereichs bezüglich des ersten Teilbereichs erzeugen, indem beispielsweise das Prinzip eines Mikroskops eingesetzt wird, bei welchem ein Zwischenbild erzeugt wird, um beispielsweise eine starke Vergrößerung im Empfangspfad der Sensoranordnung zu erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bewirken die unterschiedlichen optischen Eigenschaften zwischen dem ersten Teilbereich und dem zweiten Teilbereich unterschiedliche Fokussierungen (und damit Auflösungen der Sensoranordnung) und/oder Brechungen (z. B. für eine Vergrößerung des Abbildes des Umfeldes im Bereich des Detektors) und/oder spektrale Filterung und/oder Dämpfungen und/oder Ablenkungen für den Sendestrahl und/oder den Empfangsstrahl der Sensoranordnung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Fenster einen dritten Teilbereich umfassend dritte optische Eigenschaften, welche sich von den ersten optischen Eigenschaften und/oder den zweiten optischen Eigenschaften des ersten Teilbereichs und/oder des zweiten Teilbereichs unterscheiden. Wie oben beschrieben, sind auch unter Verwendung des dritten Teilbereichs des Fensters zahlreiche Anordnungsmöglichkeiten in Verbindung mit dem ersten und zweiten Teilbereich des Fensters denkbar. Dies umfasst auch eine mehrfache Verwendung des dritten Teilbereichs innerhalb der Gesamtfläche des Fensters.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung passieren durch den Emitter ausgesendete elektromagnetische Wellen ausschließlich den ersten Teilbereich und den zweiten Teilbereich des Fensters, während durch den Detektor empfangene elektromagnetische Wellen ausschließlich den ersten Teilbereich und den dritten Teilbereich des Fensters passieren. Auf diese Weise können für den Sendestrahl und den Empfangsstrahl entsprechend unterschiedliche optische Eigenschaften erzielt werden, sofern ein Sendepfad und ein Empfangspfad der Sensoranordnung nicht koaxial, sondern nebeneinander (z. B. in vertikaler Richtung übereinander) angeordnet sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Übergang zwischen den jeweiligen unterschiedlichen optischen Eigenschaften der jeweiligen Teilbereiche des Fensters graduell oder abrupt ausgestaltet. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer Verwendung einer Mehrzahl von Übergängen zwischen einer Mehrzahl unterschiedlicher Teilbereichen des Fensters, jeder der Übergänge unabhängig von weiteren vorhandenen Übergängen graduell oder abrupt ausgestaltet sein kann. So kann beispielsweise ein Übergang vom ersten Teilbereich zum zweiten Teilbereich graduell ausgestaltet sein, während ein Übergang vom ersten Teilbereich zum dritten Teilbereich abrupt ausgestaltet sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Form und/oder eine Ausrichtung und/oder ein Material der jeweiligen Teilbereiche des Fensters in Abhängigkeit eines jeweiligen Ablenkwinkels des Sendestrahls der Sensoranordnung festgelegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, mit jeweiligen Teilbereichen korrespondierende, durch den Detektor erzeugte Signale, in Abhängigkeit jeweiliger optischer Eigenschaften jeweiliger Teilbereiche zu verarbeiten. Mit anderen Worten kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der jeweiligen Teilbereiche derart zu berücksichtigen (zum Beispiel auf Basis eines durch die Auswerteeinheit ausgeführten Computerprogramms), dass aus den unterschiedlichen optischen Eigenschaften resultierende unterschiedliche Signale des Detektors zu einem das Umfeld der Sensoranordnung repräsentierenden Gesamtbild zusammengefügt werden können.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
- 2 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Fensters einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung; und
- 3 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Fensters einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Die Sensoranordnung umfasst ein Gehäuse 40, welches hier aus Aluminium hergestellt ist. Das Gehäuse 40 ist in Form eines Teilzylinders ausgebildet, welcher mit einem aus Glas hergestellten weiteren Teilzylinder unbeweglich verklebt ist und in Verbindung mit dem weiteren Teilzylinder eine vollständige Zylinderform ausbildet. Der aus Glas hergestellte Teilzylinder repräsentiert ein Fenster 50 der Sensoranordnung. Das Fenster 50 besteht wiederum aus zwei ersten Teilbereichen 60 und einem zweiten Teilbereich 62, welche voneinander abweichende strahlformende Eigenschaften aufweisen. Der zweite Teilbereich 62 ist ein separates strahlformendes Element, welches zwischen die beiden ersten Teilbereiche 60 des Fensters 50 eingefügt ist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Sensoranordnung eine Ablenkvorrichtung 30, welche hier in Form einer Rotationsachse ausgebildet ist. An der Rotationsachse sind ein Emitter 20 zum Aussenden eines Laserlichtes und ein Detektor 25 zum Empfangen eines aus einem Umfeld der Sensoranordnung reflektierten und/oder gestreuten Anteils des Laserlichtes angeordnet. Die Anordnung erfolgt derart, dass sich der Emitter 20 und der Detektor 25 während eines Abtastvorgangs durch die Sensoranordnung in Verbindung mit der Rotationachse drehen. Auf diese Weise wird ein Sendestrahl 70 der Sensoranordnung in Abhängigkeit eines jeweiligen Rotationswinkels der Rotationsachse mit unterschiedlichen Abstrahlwinkeln in das Umfeld der Sensoranordnung abgestrahlt. Der Emitter 20 und der Detektor 25 sind in dieser Ausführungsform übereinander angerordnet, so dass sie in der Draufsicht als ein einzelnes Element erscheinen. Der Emitter 20 und der Detektor 25 sind mit einer Auswerteeinheit 10 der Sensoranordnung, welche hier ein Mikrocontroller ist, informationstechnisch verbunden. Die Auswerteeinheit 10 ist eingerichtet, den Emitter 20 derart anzusteuern, dass dieser ein gepulstes Laserlicht in das Umfeld der Sensoranordnung aussendet. Die Auswerteeinheit 10 ist darüber hinaus eingerichtet, ein durch den Detektor 25 erzeugtes Signal zu empfangen und dieses in Abhängigkeit jeweiliger unterschiedlicher optischer Eigenschaften des ersten Teilbereichs 60 und des zweiten Teilbereichs 62 zu verarbeiten.
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2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Fensters 50 einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Das Fenster 50 weist zwei erste Teilbereiche 60 auf, welche jeweils identische erste vordefinierte optische Eigenschaften aufweisen. Zudem weist das Fenster 50 einen zweiten Teilbereich 62 auf, welcher zweite vordefinierte optische Eigenschaften aufweist. Die zweiten vordefinierten Eigenschaften des zweiten Teilbereichs 62 des Fensters 50 sind hier derart ausgebildet, dass ein Sendestrahl der Sensoranordnung bei einem Durchlaufen des zweiten Teilbereichs 62 des Fensters 50 stärker gebündelt wird, als beim Durchlaufen des ersten Teilbereichs 60.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Fensters 50 einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Das Fenster 50 verfügt hier über zwei erste Teilbereiche 60, welche durch einen zweiten Teilbereich 62 und einen dritten Teilbereich 64 unterbrochen sind. Die optischen Eigenschaften des ersten Teilbereichs 60, des zweiten Teilbereichs 62 und des dritten Teilbereichs 64 unterscheiden sich jeweils voneinander. Da eine diese Ausführungsform des Fensters 50 nutzende Sensoranordnung (nicht gezeigt) nicht koaxial angeordnete Sende- und Empfangspfade aufweist, kann ein Sendestrahl der Sensoranordnung mittels des zweiten Teilbereichs 62 in vorteilhafter Weise beeinflusst werden, während ein Empfangsstrahl der Sensoranordnung mittels des dritten Teilbereichs 64 in vorteilhafter Weise beeinflusst werden kann.
