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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem mit einer Detektoreinheit zum Erfassen von Licht aus einer Umgebung des Sensorsystems sowie einer Strahlungsquelle zum Aussenden einer Heizstrahlung in eine Umgebung der Detektoreinheit. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Beheizen eines optischen Sensorsystems.
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Optische Sensorsysteme, beispielsweise aktive optische Sensorsysteme, wie etwa Lidarsysteme oder Laserscanner, können insbesondere im Automobilbereich eingesetzt werden. Die Detektoreinheit eines solchen Sensorsystems befindet sich dabei in der Regel hinter einer Gehäuseabdeckung, um die Detektoreinheit vor Umwelteinflüssen zu schützen.
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Auf der Gehäuseabdeckung kondensierte Luftfeuchtigkeit sowie, bei niedrigen Temperaturen, eine Vereisung der Gehäuseabdeckung, kann zu fehlerhaften Messungen führen oder sogar dazu, dass eine Messung nicht mehr möglich ist. Dementsprechend werden die Zuverlässigkeit oder die Verfügbarkeit des Sensorsystems reduziert.
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Bei bekannten Sensorsystemen werden Heizwendeln in die Gehäusekomponente eingebracht, ähnlich wie bei beheizbaren Fahrzeugscheiben. Der entsprechende Fertigungsprozess ist jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv. Zudem führt diese Art der Beheizung im Sichtfeld des optischen Sensorsystems stets zu einer Beeinflussung von dessen Leistungsfähigkeit. Einerseits ist eine Signaldämpfung durch Abschattung beziehungsweise Beugung des Empfangssignals unvermeidbar. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass es je nach Implementierung der Heizung zu zusätzlichen Signalstörungen, wie beispielsweise Übersprechen der Empfangskanäle, kommen kann.
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Im Dokument
US 9,588,220 B2 wird ein Lidarsystem mit einer Vorrichtung zum Enteisen beschrieben. Das Lidarsystem arbeitet dabei mit einem Laser im Nahinfrarotbereich. Es wird zusätzlich eine Lichtquelle im sichtbaren Bereich bereitgestellt, die Licht im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 600 nm abstrahlt. Dadurch wird das Vereisen eines Fensters verhindert beziehungsweise das vereiste Fenster enteist.
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Da Detektoreinheiten optischer Sensorsysteme regelmäßig einen breiten Spektralbereich abdecken, indem sie empfindlich sind, kann eine solche Vorrichtung, die sichtbares Licht zum Enteisen verwendet, signifikante Störungen auf die Messungen verursachen. Werden beispielsweise Photodioden oder Lawinenphotodioden auf Silizium- oder Germaniumbasis verwendet, so sind diese regelmäßig auch im sichtbaren Bereich empfindlich. Dementsprechend kann das zum Enteisen verwendete Licht zu einem verstärkten Messrauschen oder sonstigen Fehlereinflüssen auf die Messung führen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zum Beheizen eines optischen Sensorsystems anzugeben, durch das eine Beeinflussung der mittels des optischen Sensorsystems durchgeführten Messungen vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird vorliegend gelöst durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, in einem optischen Sensorsystem eine Vielzahl von Messzyklen vorzusehen, während derer basierend auf erfasstem Licht entsprechende Detektorsignale erzeugt werden, und zeitlich von den Messzyklen getrennt wenigstens einen Heizzeitraum vorzusehen, während dessen eine Heizstrahlung in die Umgebung der Detektoreinheit ausgesendet wird.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein optisches Sensorsystem angegeben, das eine Detektoreinheit, eine Strahlungsquelle sowie eine Steuereinheit aufweist. Die Detektoreinheit ist dazu eingerichtet, Licht aus einer Umgebung des Sensorsystems zu erfassen und die Strahlungsquelle ist dazu eingerichtet, Heizstrahlung in eine Umgebung der Detektoreinheit und/oder des Sensorsystems auszusenden. Die Detektoreinheit ist dabei dazu eingerichtet, während einer Vielzahl von Messzyklen jeweils Licht aus der Umgebung des Sensorsystems zu erfassen und basierend auf dem erfassten Licht wenigstens ein Detektorsignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Strahlungsquelle derart anzusteuern, dass sie die Heizstrahlung während eines Heizzeitraums aussendet, der zwischen zwei der Messzyklen liegt.
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Hier und im Folgenden kann der Begriff „Licht“ derart verstanden werden, dass damit elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich, im infraroten Bereich und/oder im ultravioletten Bereich umfasst sind. Dementsprechend kann auch der Begriff „optisch“ derart verstanden werden, dass er sich auf Licht nach diesem Verständnis bezieht.
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Die Messzyklen entsprechen insbesondere einer Vielzahl von Messzeiträumen, die durch Pausenzeiträume oder Dunkelzeiträume voneinander getrennt sind. Die Messzyklen beziehungsweise Messzeiträume treten dabei periodisch mit einer vordefinierten Frequenz auf. Die Zeitdauer der Messzeiträume ist insbesondere konstant, ebenso wie die Zeitdauer der Pausenzeiträume. Das Verhältnis der genannten Zeiträume zueinander entspricht einem vorgegebenen Messtastgrad.
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Das wenigstens eine Detektorsignal kann insbesondere als Ausgabe des Sensorsystems verstanden werden. Das wenigstens eine Detektorsignal kann derart verstanden werden, dass während jedes Messzyklus ein entsprechendes Detektorsignal erzeugt wird. Es kann in diesem Zusammenhang auch von einem einzigen Detektorsignal die Rede sein, das während der Messzyklen erzeugt wird. Da das Detektorsignal ein zeitabhängiges Signal ist, sind beide Interpretationen beispielsweise gleichbedeutend.
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Die Messzyklen sind beispielsweise dadurch definiert, dass während der Messzyklen das Detektorsignal erzeugt wird beziehungsweise ausgewertet wird. Mit anderen Worten wird das Detektorsignal nur während der Messzyklen erzeugt und/oder nur während der Messzyklen erzeugte Detektorsignale werden auch ausgewertet.
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In verschiedenen Ausführungsformen wird das Licht nur während der Messzyklen erfasst. In den Pausenzeiträumen trifft das Licht dann also nicht auf eine entsprechende aktive Fläche der Detektoreinheit.
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In anderen Ausführungsformen kann das Licht auch während der Pausenzeiträume auf eine oder mehrere der aktiven Flächen der Detektoreinheit treffen. Während der Pausenzeiträume erfasstes Licht beziehungsweise entsprechende Detektorsignal werden dann jedoch nicht weiter verarbeitet.
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Neben dem Detektorsignal kann die Detektoreinheit, insbesondere je nach Ausgestaltung der Detektoreinheit, während der Messzyklen auch eines oder mehrere weitere Detektorsignale basierend auf dem erfassten Licht erzeugen. Beispielsweise kann die Detektoreinheit einen oder mehrere optische Detektoren, beispielsweise Photodioden oder Lawinenphotodioden, beinhalten und die Detektoreinheit ist dazu eingerichtet, während der Messzyklen basierend auf dem erfassten Licht mittels jedes optischen Detektors ein entsprechendes Detektorsignal zu erzeugen.
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Das Detektorsignal kann insbesondere Informationen betreffend eine Strahlungsleistung beziehungsweise einen zeitlichen Verlauf der Strahlungsleistung des erfassten Lichts repräsentieren.
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Die Strahlungsquelle sendet die Heizstrahlung insbesondere in eine Umgebung der Strahlungsquelle aus, wobei die Umgebung der Detektoreinheit wenigstens teilweise mit der Umgebung der Strahlungsquelle übereinstimmt.
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Das Sensorsystem kann beispielsweise ein Gehäuse aufweisen, innerhalb dem die Detektoreinheit und beispielsweise die Strahlungsquelle angeordnet sind. Eine Gehäusekomponente oder Gehäuseabdeckung des Gehäuses, beispielsweise eine Scheibe des Gehäuses, kann sich in der Umgebung der Strahlungsquelle sowie in der Umgebung der Detektoreinheit befinden.
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Die Heizstrahlung kann insbesondere in Richtung der Gehäusekomponente abgegeben werden.
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Durch die Heizstrahlung kann ein Vereisen oder Beschlagen der Gehäusekomponente verhindert werden oder eine bestehende Vereisung oder ein Feuchtigkeitsfilm auf der Gehäusekomponente kann beseitigt werden.
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Dadurch wird eine höhere Zuverlässigkeit der Messungen durch das Sensorsystem ermöglicht, also insbesondere eine höhere Zuverlässigkeit des Detektorsignals, und/oder eine erhöhte Verfügbarkeit des Sensorsystems erreicht werden.
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Indem die Strahlungsquelle die Heizstrahlung aussendet und die Vereisung beziehungsweise den Feuchtigkeitsfilm auf der Gehäusekomponente wenigstens zum Teil durch Wärmestrahlung oder im Wesentlichen durch Wärmestrahlung beseitigt wird, ist es nicht erforderlich, dass die sich Strahlungsquelle in einem Strahlengang zwischen der Umgebung des Sensorsystems und der Detektoreinheit befindet, also in einem Sichtfeld des Sensorsystems. Dadurch wird verhindert, dass es zu Störungen der Messungen aufgrund von Abschattungseffekten kommt.
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Dadurch, dass der Heizzeitraum zwischen zwei Messzyklen liegt, wird die Beheizung durch die Heizstrahlung zeitlich von den Messungen entkoppelt beziehungsweise getrennt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Heizstrahlung selbst die Messung störend beeinflusst, insbesondere wenn die Detektoreinheit beziehungsweise die optischen Detektoren für Strahlung mit einer Wellenlänge der Heizstrahlung empfindlich sind.
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Dadurch wird auch die Wahl der Heizstrahlung, insbesondere die Wahl der Wellenlänge der Heizstrahlung, unabhängig von der Wellenlänge des mittels der Detektoreinheit zu erfassenden Lichts. Wenn es sich bei dem optischen Sensorsystem um ein aktives optisches Sensorsystem handelt, entspricht diese der Wellenlänge des emittierten Lichts.
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Dadurch können besonders effiziente oder effektive Strahlungsquellen zur Beheizung eingesetzt werden, ohne dass Beschränkungen des Wellenlängenspektrums der Heizstrahlung durch das Messprinzip des Sensorsystems berücksichtigt werden müssen.
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Je nach konkretem Anwendungsfall beziehungsweise je nach konkreter Ausgestaltung des Sensorsystems kann die Strahlungsquelle dazu eingerichtet sein, die Heizstrahlung mit einer vorgegebenen Strahlungsleistung im Bereich von mehreren Watt oder mehreren zehn Watt oder auch bis zu wenigen hundert Watt auszusenden. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle die Heizstrahlung mit einer Strahlungsleistung von 10 W bis 20 W oder 10 W bis 100 W oder 10 W bis 150 W erzeugen.
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Je höher die Strahlungsleistung, desto effektiver kann die Beheizung die kondensierte Feuchtigkeit beziehungsweise die Vereisung verhindern oder beseitigen, insbesondere auch, wenn die entsprechende Gehäusekomponente verschmutzt ist, was zu einer geringeren Absorption der Heizstrahlung führen kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept ist die Strahlungsquelle außerhalb eines optischen Empfangspfades des Sensorsystems angeordnet, also außerhalb eines Strahlengangs des Lichts zwischen der Umgebung des Sensorsystems und der Detektoreinheit. Mit anderen Worten befindet sich die Strahlungsquelle, jedenfalls während der Messzyklen, außerhalb eines Sichtfelds des Sensorsystems, insbesondere der Detektoreinheit.
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Dadurch wird während der Messzyklen die Abschattung des Lichts durch die Strahlungsquelle verhindert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Strahlungsquelle derart anzusteuern, dass sie während keines der Messzyklen der Vielzahl von Messzyklen die Heizstrahlung aussendet.
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Dadurch wird verhindert, dass die Detektoreinheit während der Messzyklen Teile der Heizstrahlung erfasst und das Detektorsignal entsprechend durch die Heizstrahlung verfälscht oder gestört wird.
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Demzufolge resultiert ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis beziehungsweise eine höhere Genauigkeit und/oder Zuverlässigkeit der Messung durch das Sensorsystem.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Strahlungsquelle derart anzusteuern, dass diese die Heizstrahlung während einer Vielzahl von Heizzyklen, insbesondere nur während der Vielzahl von Heizzyklen, periodisch aussendet, wobei jeder der Heizzyklen zwischen zwei der Messzyklen liegt.
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Der Heizzeitraum entspricht dabei einem Heizzyklus der Vielzahl von Heizzyklen.
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Die Zeitdauer der einzelnen Heizzyklen ist dabei kleiner oder gleich dem Pausenzeitraum zwischen den Messzeiträumen der Messzyklen. Dementsprechend gilt für einen Heiztastgrad DH, also ein Verhältnis der Zeitdauer eines Heizzyklus zu einem entsprechenden Heizpausezeitraum zwischen den Heizzyklen, dass DH ≤ 1 - DM, wobei DM den Messtastgrad bezeichnet.
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Eine Frequenz der Heizzyklen ist insbesondere kleiner oder gleich einer Frequenz der Messzyklen.
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Ist die Frequenz der Heizzyklen gleich der Frequenz der Messzyklen, so bedeutet dies insbesondere, dass zwischen jedem Paar aufeinanderfolgender Messzyklen genau ein Heizzyklus liegt.
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Indem die Heizstrahlung periodisch gemäß den Heizzyklen ausgesendet wird und die Heizzyklen zeitlich versetzt zu den Messzyklen liegen, wird eine besonders effektive Beheizung ohne Störung der Messung ermöglicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Sensorsystem, insbesondere das Gehäuse des Sensorsystems, eine für das Licht wenigstens teilweise transparente Gehäusekomponente auf. Die Gehäusekomponente ist zwischen der Detektoreinheit und der Umgebung des Sensorsystems in einem Strahlengang des Lichts angeordnet.
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Mit anderen Worten befindet sich die Gehäusekomponente wenigstens zum Teil in dem Sichtfeld des Sensorsystems beziehungsweise der Detektoreinheit.
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Dass die Gehäusekomponente für das Licht wenigstens teilweise transparent ist, kann derart verstanden werden, dass wenigstens ein Teil, also ein räumlicher Bereich, der Gehäusekomponente transparent oder teiltransparent für das Licht ist. Das Licht kann also durch den entsprechenden Teil der Gehäusekomponente hindurchtreten, wobei insbesondere das Snelliussche Brechungsgesetz auf makroskopischer Ebene erfüllt ist.
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Die Gehäusekomponente beziehungsweise das Gehäuse schützt die sonstigen Komponenten des Sensorsystems, insbesondere die Detektoreinheit, vor Verunreinigungen und sonstigen äußeren Umwelteinflüssen.
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Die Gehäusekomponente kann beispielsweise als Scheibe oder Fenster ausgestaltet sein.
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Da die Gehäusekomponente beispielsweise einen Innenraum des Gehäuses von einer Außenumgebung trennt und zwischen Innenraum des Gehäuses und Außenumgebung je nach Anwendungsfall unterschiedliche Umweltbedingungen hinsichtlich Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit herrschen können, kann die Strahlungsquelle mittels der Heizstrahlung durch Beheizung der Gehäusekomponente ein Beschlagen beziehungsweise Vereisen der Gehäusekomponente wirksam verhindern oder beseitigen.
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Beispielsweise kann die Gehäusekomponente beziehungsweise die Scheibe oder das Fenster einen Polycarbonat-Kunststoff enthalten oder aus einem solchen Kunststoff bestehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Gehäusekomponente, insbesondere die Scheibe oder das Fenster, eine Absorptionsbeschichtung, um die Heizstrahlung zu absorbieren.
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Die Beschichtung ist insbesondere auf einer der Außenumgebung zugewandten Oberfläche und/oder einer dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Oberfläche der Gehäusekomponente angeordnet.
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Dadurch kann die Effektivität beziehungsweise Effizienz der Beheizung weiter gesteigert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Strahlungsquelle derart angeordnet, dass sie die Heizstrahlung in Richtung der Gehäusekomponente aussenden kann.
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Insbesondere ist die Strahlungsquelle derart angeordnet, dass sie die Heizstrahlung in Richtung einer dem Gehäuseinneren zugewandten Oberfläche der Gehäusekomponente aussenden kann.
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Beispielsweise ist die Strahlungsquelle im Inneren des Gehäuses angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Strahlungsquelle derart angeordnet, dass sie die Heizstrahlung in die Gehäusekomponente einkoppeln kann. Die Gehäusekomponente ist eingerichtet oder ausgestaltet, die eingekoppelte Heizstrahlung durch Reflexion, beispielsweise Totalreflexion oder näherungsweise Totalreflexion, der eingekoppelten Heizstrahlung im Inneren der Gehäusekomponente zu führen.
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Die Reflexion der Heizstrahlung erfolgt insbesondere an zwei gegenüberliegenden Grenzflächen der Gehäusekomponente, insbesondere der Scheibe beziehungsweise des Fensters, und der Umgebung der Gehäusekomponente, insbesondere Luft.
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Die Einkoppelung beziehungsweise Führung der Heizstrahlung durch die Gehäusekomponente kann dabei analog zur Einkoppelung und Führung von sichtbarem Licht in einen Lichtleiter, beispielsweise zur Displayhinterleuchtung, verstanden werden.
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Befinden sich Störungen, wie beispielsweise Wassertropfen oder Eiskristalle, an der Grenzfläche zwischen Gehäusekomponente und Umgebung, so führt dies lokal an der entsprechenden Position zur Auskoppelung der Heizstrahlung und dementsprechend zu einer gezielten Erhitzung des vorliegenden Wassers beziehungsweise der vorliegenden Eiskristalle.
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Dadurch kann eine besonders effiziente und effektive Steuerung der Heizstrahlung dorthin, wo sie benötigt wird, erfolgen.
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Die Einkoppelung kann beispielsweise über eine Kantenfläche der Gehäusekomponente erfolgen. Die Kantenfläche kann auch als Stoßseite, Stoßfläche, Stirnseite oder Stirnfläche der Gehäusekomponente bezeichnet werden. Bei der Kantenfläche handelt es sich insbesondere um eine Oberfläche der Gehäusekomponente, bei der es sich nicht um die dem Innenraum zugewandte Oberfläche handelt und ebenfalls nicht die der Außenumgebung zugewandten Oberfläche. Insbesondere handelt es sich bei der Kantenfläche um eine Oberfläche beziehungsweise Seite der Gehäusekomponente, welche die dem Innenraum zugewandte Oberfläche mit der der Außenumgebung zugewandten Oberfläche verbindet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Sensorsystem ein Detektionssystem auf, das dazu eingerichtet ist, einen Vereisungsgrad und/oder einen Benetzungsgrad einer Oberfläche der Gehäusekomponente zu bestimmen.
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Das Detektionssystem kann dabei beispielsweise eine Kamera beinhalten.
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Beispielsweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Heiztastgrad und/oder eine Intensität der Heizstrahlung und/oder eine spektrale Zusammensetzung der Heizstrahlung abhängig von dem Vereisungsgrad und/oder dem Benetzungsgrad festzulegen.
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Beispielsweise ist das Detektionssystem dazu eingerichtet, den Vereisungsgrad und/oder den Benetzungsgrad während eines Detektionszeitraums zu bestimmen.
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Der Detektionszeitraum kann beispielsweise wie der Heizzeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden der Messzyklen liegen.
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Beispielsweise können der Heizzeitraum und der Detektionszeitraum voneinander getrennt zwischen den zwei aufeinanderfolgenden der Messzyklen liegen. Mit anderen Worten überlappen der Heizzeitraum und der Detektionszeitraum nicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Sensorsystem einen drehbar gelagerten Spiegel auf, der eine spiegelnde Fläche aufweist.
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Der drehbar gelagerte Spiegel kann insbesondere in dem Strahlengang des Lichts zwischen der Umgebung des Sensorsystems und der Detektoreinheit angeordnet sein, um in das Sensorsystem eintretendes Licht, insbesondere auf den Spiegel fallendes Licht, in Richtung der Detektoreinheit beziehungsweise der optischen Detektoren zu lenken. Durch die Rotation des Spiegels wird abhängig von der Rotationsposition des Spiegels Licht aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen die Detektoreinheit gelenkt. Dementsprechend wird eine räumliche Auflösung des Sensorsystems entsprechend der Winkelposition des Spiegels erzielt. Insbesondere wird eine räumliche Ausrichtung hinsichtlich verschiedener horizontaler Einfallswinkel erzielt, wobei die horizontalen Einfallswinkel unterschiedlichen Winkeln in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des drehbar gelagerten Spiegels entsprechen.
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Die Drehposition kann auch durch die geometrische Anordnung von Detektoreinheit und Spiegel zueinander beziehungsweise Detektoreinheit, Spiegel und Rotationsachse zueinander beziehungsweise geometrische Ausgestaltung des Spiegels selbst die Messzyklen definieren. Je nach Drehposition des Spiegels kann beispielsweise Licht von der Umgebung des Sensorsystems auf eine entsprechende aktive optische Oberfläche eines optischen Detektors gelenkt werden. Beispielsweise ist dies während der Messzyklen der Fall und während der Pausenzeiträume nicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Spiegel auch eine nicht-spiegelnde Fläche auf. Die Strahlungsquelle ist an der nicht-spiegelnden Quelle befestigt.
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Beispielsweise kann die nicht-spiegelnde Fläche der spiegelnden Fläche gegenüberliegend angeordnet sein oder auf einer Seite, welche die Spiegelfläche mit einer der spiegelnden Fläche gegenüberliegenden Fläche verbindet.
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Beispielsweise kann der Spiegel zwei gegenüberliegende spiegelnde Flächen aufweisen und senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht dazu angeordnete nicht-spiegelnde Flächen.
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In solchen Ausführungsformen kann mit Vorteil erreicht werden, dass die Strahlungsquelle während der Messzyklen stets von der Detektoreinheit abgewandt ist. Dadurch kann eine elektronische Steuerung der Heizzyklen beziehungsweise der Messzyklen einfacher erfolgen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Strahlungsquelle eine oder mehrere lichtemittierende Dioden, LEDs, insbesondere Infrarot-LEDs.
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Durch die Verwendung von LEDs kann eine besonders platzsparende Ausgestaltung der Strahlungsquelle erzielt werden. Insbesondere kann die Strahlungsquelle dadurch bei außerhalb des Strahlengangs des Lichts angeordnet werden, um so Störungen der Messung durch die Detektoreinheit zu verhindern und der Bauraum dennoch gering gehalten werden.
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Die erforderliche Heizleistung kann gegebenenfalls durch die Kombination mehrerer LED-Chips erreicht werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Strahlungsquelle dazu eingerichtet, die Heizstrahlung als Infrarotstrahlung zu erzeugen und auszusenden.
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Die Infrarotstrahlung enthält dabei insbesondere Strahlung mit einer Wellenlänge, beispielsweise einer Zentralwellenlänge, von 1,4 µm oder mehr, beispielsweise 2,0 µm oder mehr, bevorzugt 3,0 µm oder mehr.
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Durch die Verwendung infraroter Strahlung, insbesondere im beschriebenen Wellenlängenbereich, wird eine visuelle Wahrnehmung der Heizstrahlung durch Menschen, insbesondere durch Verkehrsteilnehmer, wenn es sich bei dem Sensorsystem um ein Sensorsystem für oder an einem Kraftfahrzeug handelt, vermieden, sodass eine höhere Verkehrssicherheit erzielt wird.
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Zudem kann Infrarotstrahlung, insbesondere im beschriebenen Bereich, vor allem bei einer Wellenlänge von 3 µm oder mehr, von Wasser beziehungsweise Eis sehr gut absorbiert werden, sodass eine effektive Enteisung oder dergleichen erzielt werden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Detektoreinheit wenigstens eine Photodiode auf, um das Licht zu erfassen und das Detektorsignal, und gegebenenfalls die weiteren Detektorsignale, zu erzeugen.
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Insbesondere sind der eine oder die mehreren optischen Detektoren jeweils als Photodioden ausgestaltet.
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Die wenigstens eine Photodiode ist dabei insbesondere als siliziumbasierte Photodiode oder als germaniumbasierte Photodiode ausgestaltet.
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„Siliziumbasiert“ beziehungsweise „germaniumbasiert“ kann dabei derart verstanden werden, dass das aktive optische Material Silizium beziehungsweise Germanium enthält oder aus, gegebenenfalls dotiertem, Silizium beziehungsweise Germanium besteht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Photodiode als wenigstens eine Lawinenphotodiode (englisch: „Avalanche Photodiode“), APD, ausgestaltet.
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Durch die Verwendung von APDs wird eine besonders hohe Empfindlichkeit des Sensorsystems ermöglicht, insbesondere im Falle aktiver optischer Sensorsysteme, wie beispielsweise Lidarsysteme.
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Die Verwendung siliziumbasierter Photodioden oder APDs ist insbesondere vorteilhaft, da Silizium besonders rauscharme Photodioden beziehungsweise Lawinenphotodioden ermöglicht. Gleichzeitig ist Silizium aber in einem relativ breiten spektralen Bandbereich empfindlich für einfallende Strahlung, beispielsweise im Bereich von etwa 200 nm bis etwa 1.100 nm. Daher ist hier die zeitliche Trennung von Messzyklen und Heizzeitraum besonders vorteilhaft, um entsprechende Störungen der Messungen zu verhindern.
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Die Verwendung germaniumbasierter Photodioden oder APDs ermöglicht bei aktiven optischen Sensorsystemen besonders langwellige Emissionswellenlängen. Auch Germanium weist jedoch einen relativ breiten spektralen Bereich auf, in dem es optisch empfindlich ist, beispielsweise von etwa 400 nm bis etwa 1.700 nm. Dementsprechend ist auch hier das verbesserte Konzept besonders vorteilhaft, um Störungen der Messung zu verhindern.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optische Sensorsystem als aktives optisches Sensorsystem ausgestaltet, insbesondere als Lidarsystem.
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Ein aktives optisches Sensorsystem weist definitionsgemäß eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht beziehungsweise von Lichtimpulsen auf. Die Lichtquelle kann insbesondere als Laser ausgestaltet sein, beispielsweise als Infrarotlaser. Des Weiteren weist ein aktives optisches Sensorsystem definitionsgemäß wenigstens die Detektoreinheit beziehungsweise die optischen Detektoren auf, um reflektierte Anteile des ausgesendeten Lichts zu erfassen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optische Sensorsystem als optisches Sensorsystem für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Kraftfahrzeug mit einem optischen Sensorsystem nach dem verbesserten Konzept angegeben.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Sensorsystems angegeben, das auch als Verfahren zum Beheizen eines optischen Sensorsystems oder einer Umgebung einer Detektoreinheit eines optischen Sensorsystems bezeichnet werden kann. Das Sensorsystem weist dabei eine Detektoreinheit zum Erfassen von Licht aus einer Umgebung des Sensorsystems auf. Gemäß dem Verfahren wird Heizstrahlung, insbesondere mittels einer Strahlungsquelle des Sensorsystems, in eine Umgebung der Detektoreinheit ausgesendet. Mittels der Detektoreinheit wird während einer Vielzahl von Messzyklen jeweils Licht aus einer Umgebung des Sensorsystems erfasst. Mittels der Detektoreinheit wird basierend auf dem erfassten Licht ein Detektorsignal erzeugt. Die Heizstrahlung wird, insbesondere mittels der Strahlungsquelle, beispielsweise angesteuert durch eine Steuereinheit des Sensorsystems, während eines Heizzeitraums ausgesendet, wobei der Heizzeitraum zwischen zwei Messzyklen der Vielzahl von Messzyklen liegt.
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Das Beheizen des Sensorsystems kann insbesondere als Beheizen einer oder mehrerer Komponenten, beispielsweise Gehäusekomponenten eines Gehäuses des Sensorsystems, und/oder einer Umgebung der Detektoreinheit beziehungsweise des Sensorsystems verstanden werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept wird während keines der Messzyklen die Heizstrahlung ausgesendet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Heizstrahlung während, insbesondere nur während, einer Vielzahl von Heizzyklen periodisch ausgesendet, wobei jeder der Heizzyklen zwischen zwei der Messzyklen liegt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Heizstrahlung in Richtung einer wenigstens teilweise transparenten Gehäusekomponente des Sensorsystems ausgesendet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Heizstrahlung in eine wenigstens teilweise transparente Gehäusekomponente des Sensorsystems eingekoppelt und die eingekoppelte Heizstrahlung wird durch Totalreflexion der eingekoppelten Heizstrahlung in der Gehäusekomponente geführt.
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Weitere Ausführungsformen des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept folgen direkt aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen des optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept und umgekehrt.
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Insbesondere kann das optische Sensorsystem nach dem verbesserten Konzept dazu eingerichtet sein, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen oder das Sensorsystem führt ein solches Verfahren durch.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Computerprogramm mit Befehlen angegeben. Bei Ausführung des Computerprogramms beziehungsweise der Befehle durch ein optisches Sensorsystem nach dem verbesserten Konzept, insbesondere durch die Steuereinheit des Sensorsystems, veranlassen die Befehle das Sensorsystem dazu, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen.
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Die Steuereinheit kann insbesondere eine Recheneinheit beinhalten, um das Computerprogramm auszuführen.
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Die Recheneinheit der Steuereinheit kann beispielsweise auch dazu eingerichtet sein, das Detektorsignal und/oder die weiteren Detektorsignale auszuwerten oder zu verarbeiten.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein computerlesbares Speichermedium angegeben, auf dem ein Computerprogramm nach dem verbesserten Konzept gespeichert ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von dem verbesserten Konzept umfasst sein. Es sind somit auch solche Ausführungen des verbesserten Konzepts umfasst und offenbart, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und/oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind somit insbesondere auch Ausführungen und Merkmalskombinationen umfasst und offenbart, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen umfasst und offenbart, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von denen abweichen.
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In den Figuren zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einer beispielhaften Ausführungsform eines optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept;
- 3 eine schematische Darstellung einer Vielzahl von Messzyklen und einer Vielzahl von Heizzyklen gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept; und
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept.
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In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 11 mit einer beispielhaften Ausführungsform eines optischen Sensorsystems 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
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Das Sensorsystem 1 ist insbesondere als Lidarsystem ausgestaltet und dazu eingerichtet, Licht 4 in eine Umgebung des Kraftfahrzeugs 11 auszusenden und von einem Objekt 6 in der Umgebung des Kraftfahrzeugs 11 reflektierte Anteile 5 des Lichts 4 zu erfassen und basierend darauf eines oder mehrere Detektorsignale zu erzeugen.
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In 2 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines optischen Sensorsystems 1 nach dem verbesserten Konzept schematisch dargestellt. Das optische Sensorsystem 1 der 1 kann beispielsweise gemäß dem optischen Sensorsystem 1 der 2 ausgestaltet sein.
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Das Sensorsystem 1 weist eine Lichtquelle 2 auf, insbesondere einen Infrarotlaser. Des Weiteren weist das Sensorsystem 1 eine Detektoreinheit 3 mit einer oder mehreren Photodioden3a, 3b, 3c, beispielsweise Lawinenphotodioden, APDs, oder anderen optischen Detektoren auf, sowie eine Steuereinheit 13, die mit der Detektoreinheit 3 sowie mit der Lichtquelle 2 gekoppelt ist, um die Detektoreinheit 3 sowie mit der Lichtquelle 2 zu steuern und die Detektorsignale zu empfangen und gegebenenfalls zu verarbeiten.
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Das Sensorsystem 1 kann beispielsweise eine Ablenkvorrichtung 14 mit einem Spiegel 16 aufweisen, der um eine Rotationsachse 15 drehbar gelagert ist. Der Spiegel 16 weist eine spiegelnde Oberfläche 17 und eine der spiegelnden Oberfläche 17 gegenüberliegende Oberfläche 17' auf. Die Oberfläche 17' kann ebenfalls spiegelnd sein oder nicht-spiegelnd.
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Das Sensorsystem 1 weist außerdem ein Gehäuse 9 auf mit einer für das Licht 4 und die reflektierten Anteile 5 transparenten Gehäuseabdeckung 10, die insbesondere als Kunststoffscheibe ausgestaltet sein kann.
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Des Weiteren weist das Sensorsystem 1 eine Strahlungsquelle 7 auf, die Heizstrahlung 8 in Richtung der Gehäuseabdeckung 10 aussenden kann. Die Strahlungsquelle 7 ist beispielsweise innerhalb des Gehäuses 9 angeordnet.
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Die Strahlungsquelle 7 kann beispielsweise eine oder mehrere LEDs beinhalten, welche die Heizstrahlung 8 als Infrarotstrahlung erzeugen und aussenden können.
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Im Betrieb des Sensorsystems 1 rotiert der Spiegel 16 um die Rotationsachse 15. Je nach aktueller Spiegelposition können die reflektierten Anteile 5 des Lichts 4 durch die Gehäuseabdeckung 10 treten, auf die spiegelnde Oberfläche 17 des Spiegels 16 treffen und in Richtung der Detektoreinheit 3, insbesondere der Photodioden 3a, 3b, 3c, gelenkt werden.
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Je nach geometrischer Ausgestaltung des Sensorsystems 1, beispielsweise des Gehäuses 9, wird Licht von außerhalb des Gehäuses 9 nur für einen bestimmten Bereich von Winkelpositionen des Spiegels 16 derart abgelenkt, dass es auf die Photodioden 3a, 3b, 3c trifft. Die entsprechenden Zeiträume, zu denen dies der Fall ist, können als Messzeiträume oder Messzyklen M1, M2, M3, M4, M5 bezeichnet werden, wie in 3 schematisch dargestellt. In 3 ist auf der horizontalen Achse die Zeit t aufgetragen.
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Während der Messzeiträume M1 bis M5 erzeugt die Detektoreinheit 3 basierend auf dem erfassten Licht 5 entsprechende Detektorsignale, die beispielsweise die Entfernung des Objekts 6 von dem Sensorsystem 1 repräsentieren können. Insbesondere kann die Steuereinheit 13 basierend auf dem Detektorsignal die Entfernung gemäß dem Prinzip der Lichtlaufzeitmessung (englisch: „Time-of-Flight“, ToF) bestimmen.
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Der Winkelbereich, in dem die Winkelposition des Spiegels 16 dazu führt, dass das Licht 5 von außerhalb des Gehäuses 9 auf die Photodioden 3a, 3b, 3c gelenkt wird, kann beispielsweise in der Größenordnung zwischen 100° und 200°, beispielsweise ungefähr 150° , betragen.
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Dementsprechend ergeben sich zwischen den Messzyklen M1 bis M5 entsprechende Pausenzeiträume D1 bis D5. Die Länge der Pausenzeiträume D1 bis D5 hängt dabei von dem genannten Winkelbereich ab. Nimmt man etwa einen Winkelbereich von 150 Grad an, so liegt der Messtastgrad TM = |M1|/|D1| bei ungefähr 42 %.
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Gemäß dem verbesserten Konzept werden die Pausenzeiträume D1 bis D5 genutzt, um die Heizstrahlung 8 gezielt während entsprechender Heizzyklen H1 bis H5 zwischen den Messzyklen M1 bis M5, also insbesondere während der Pausenzeiträume D1 bis D5, zu erzeugen und auszusenden, insbesondere in Richtung der Gehäuseabdeckung 10.
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Dadurch wird die Heizstrahlung 8 nur dann erzeugt, wenn gerade kein Licht 5 auf die Detektoreinheit 3 fällt, also nur außerhalb der Messzyklen M1 bis M5. Dementsprechend kann verhindert werden, dass die Heizstrahlung 8 die Messung beeinflusst.
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Optional kann das Sensorsystem 1 auch eine Linseneinheit 12 aufweisen, die zwischen dem Spiegel 16 und der Detektoreinheit 3 angeordnet ist und beispielsweise zur Strahlformung dienen kann.
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In 4 ist schematisch eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Sensorsystems 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
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Das Sensorsystem 1 entspricht weitgehend dem Sensorsystem 1, wie bezüglich 2 erläutert. Daher sind in 4 nicht sämtliche Komponenten des Sensorsystems 1 dargestellt.
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In der Ausführungsform des Sensorsystems 1 nach 4 weist der Spiegel 16 eine nicht-spiegelnde Oberfläche 18 auf, die senkrecht zu der spiegelnden Oberfläche 17 und der Oberfläche 17' steht. Die Strahlungsquelle 7 an der nicht-spiegelnden Oberfläche 18 montiert.
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Rotiert der Spiegel 16 im Betrieb des Sensorsystems 1 um die Rotationsachse 15, so rotiert also die Strahlungsquelle 7 mit. Dadurch kann insbesondere erzielt werden, dass sich die Strahlungsquelle 7 während der Heizzyklen H1 bis H5 möglichst nahe an der Gehäuseabdeckung 10 befindet und während der Messzyklen M1 von dieser abgewandt ist und insbesondere von der Detektoreinheit 3 abgewandt ist.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird es, wie beschrieben, ermöglicht, ein optisches Sensorsystem oder eine Umgebung des optischen Sensorsystems gezielt zu beheizen, um kondensierte Feuchtigkeit oder Vereisungen zu verhindern oder zu beseitigen, ohne dass es durch die Heizung zu Störungen bei der Messung durch das Sensorsystem kommt.
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Als Strahlungsquellen können insbesondere Hochleistungs-LEDs mit getakteten Heizperioden im Gehäuseinneren des Sensorsystems eingesetzt werden. Die Heizperioden der Strahlungsquelle werden insbesondere derart gewählt, dass sie nicht mit den Messperioden oder Detektionsperioden des Sensorsystems, insbesondere des Lidarsystems, übereinstimmen oder überlappen. Beispielsweise kann zwischen aufeinanderfolgenden Scans oder Messzyklen geheizt werden. Durch die Aktivierung der Strahlungsquelle wird die Gehäuseabdeckung durch die Strahlungsleistung erwärmt, sodass etwaige Vereisungen und dergleichen abgelöst werden. Die Strahlungsquelle muss jedoch nicht zwangsläufig innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Auch eine Bestrahlung der Gehäuseabdeckung von außen ist möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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