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Die vorliegende Erfindung betrifft eine LiDAR-Vorrichtung mit mindestens einer Emittereinheit zur Emission von mindestens einem Lichtsignal in mindestens einen Sendepfad, wobei das mindestens eine Lichtsignal an mindestens einer Austrittsapertur mindestens einen Sichtbereich der LiDAR-Vorrichtung überdeckt
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Stand der Technik
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Die bekannten LiDAR-Vorrichtungen des Standes der Technik sind üblicherweise als rotierende Macroscanner-Systeme, Microscanner-Systeme oder Flash-Systeme ausgeführt. Dabei werden zurzeit rotierende Macroscanner-Systeme als besonders vorteilhaft angesehen, da sie unter anderem die inhärente Möglichkeit aufweisen, große horizontale Sichtbereiche zu erfassen.
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Rotierende Macroscanner-Systeme sind dabei häufig so ausgebildet, dass der vertikale Sichtbereich zur gleichen Zeit als (lückenbehaftete oder lückenlose) Spalte erfasst wird. Die gemessene 3D-Punktewolke setzt sich aus mehreren Spalten konstanter horizontaler Winkelauflösung zusammen.
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Im Gegensatz zu dem Macroscanner-System kommt der Ansatz mit Flash-Systemen ohne bewegte Bauteile aus. Er ist im Vergleich zu anderen Solid-State-Ansätzen des Standes der Technik auch technisch ausgereifter. In einem Flash-System wird der gesamte Sichtbereich, also sowohl der horizontale Sichtbereich als auch der vertikale Sichtbereich, gleichzeitig mittels des Lichtsignals beleuchtet. Daraus jedoch resultieren unmittelbare, systembedingte Nachteile. So haben Flash-Systeme eine strenge Begrenzung der maximalen Reichweite aufgrund der erforderlichen Augensicherheit sowie der von der Emittereinheit instantan an das Lichtsignal bereitzustellenden Sendeleistung, da eine zeitlich und räumlich konzentrierte Beleuchtung des Sichtbereichs erfolgt. Der (horizontale und vertikale) Sichtbereich eines Flash-Systems ist nicht veränderbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine LiDAR-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, bei der mindestens eine integrierte photonische Schaltungseinheit in dem Sendepfad zwischen der Emittereinheit und der Austrittsapertur angeordnet und eingerichtet ist, um ein vorbestimmtes Lichtsignal selektiv in einen vorbestimmten Sichtbereich zu schalten.
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Vorteile der Erfindung
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Dies hat den Vorteil, dass die LiDAR-Vorrichtung während ihrer Anwendung selektiv zwischen zwei Betriebsmodi geschaltet werden kann. Dabei kann die LiDAR-Vorrichtung als Macroscanner-System oder alternativ als Flash-System ausgebildet sein. Beide Systeme können adaptiv betrieben werden.
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Der erste genannte Betriebsmodus stellt dabei einen Modus bereit, in dem ein großer horizontaler Sichtbereich einer Einzelabtastung bei mittlerer Reichweite bereitgestellt wird. Im Falle einer LiDAR-Vorrichtung, die als Macroscanner-System ausgeführt ist, ergibt sich eine Vergrößerung des horizontalen Sichtbereichs der Spaltenabtastung, was vorteilhaft im Hinblick auf die Augensicherheit ist. Im Falle einer LiDAR-Vorrichtung, die als ein Flash-System ausgeführt ist, ergibt sich eine Vergrößerung des horizontalen Sichtbereichs der gesamten LiDAR-Vorrichtung, was vorteilhaft im Hinblick auf den Erfassungsbereich ist. Der erste Betriebsmodus ist im Rahmen automatisierter Fahrfunktionen bei einem Flash-System nutzbar, zum Beispiel bei langsamer Fahrt in urbaner Umgebung bei fehlendem oder langsamem Gegenverkehr oder in Einparksituationen. Der erste Betriebsmodus erlaubt bei einem Macroscanner-System jedoch auch einen „Low-Performance“-Modus mit einer geringeren Leistungsdichte des Sendepfads in der Austrittsapertur mit Vorteilen für die Augensicherheit.
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Der zweite genannte Betriebsmodus stellt dabei einen Modus bereit, in dem ein kleiner horizontaler Sichtbereich einer Einzelabtastung bei großer maximaler Reichweite bereitgestellt wird. Im Falle einer LiDAR-Vorrichtung, die als Macroscanner-System ausgeführt ist, ergibt sich eine Vergrößerung der maximalen Reichweite und Auflösung der Spaltenabtastung. Im Falle einer LiDAR-Vorrichtung, die als ein Flash-System ausgeführt ist, ergibt sich eine Vergrößerung der maximalen Reichweite und der Winkelauflösung der gesamten LiDAR-Vorrichtung. Der zweite Betriebsmodus lässt sich im Rahmen automatisierter Fahrfunktionen für eine schnelle Autobahnfahrt einsetzen, bei der nur die Ego- und die Nachbarspuren beobachtet werden müssen, wobei allerdings eine hohe Reichweite erforderlich ist. Der zweite Betriebsmodus erlaubt auch einen „High-Performance“-Modus mit erhöhter Reichweite und Winkelauflösung, der beispielsweise bei schneller Fahrt eingesetzt werden kann, wenn es im Nahfeld des Sendepfads nicht zur direkten Betrachtung der Austrittsapertur durch einen Menschen kommen kann.
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Es ergibt sich ein selektiver Sendepfad und damit eine selektive Beleuchtung der zu erfassenden Umwelt der LiDAR-Vorrichtung.
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Auch ist es möglich, dass die integrierte photonische Schaltungseinheit eine Vielzahl von integrierten Lichtleitern aufweist, wobei das in die integrierte photonische Schaltungseinheit eingekoppelte Lichtsignal in jeden der Vielzahl von integrierten Lichtleitern verteilt wird.
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Die erfindungsgemäße LiDAR-Vorrichtung kann als ein horizontales oder vertikales biaxiales oder koaxiales Macroscanner-System mit einem oder mehreren Emittern, beispielsweise N x Laserbarren, in der Emittereinheit ausgebildet sein. Alternativ kann sie jedoch ebenso als ein Flash-System mit einer oder mehreren Sendeeinheiten, beispielsweise N x Tx-Module, in der Emittereinheit ausgebildet sein. Die Sendepfade der LiDAR-Vorrichtung sind dabei jeweils so ausgeprägt, dass die von der einen oder den mehreren Emittereinheiten erzeugte optische Leistung in Form des Lichtsignals in die integrierte photonische Schaltungseinheit eingekoppelt wird und darin durch Verästelung integrierter Lichtleiter verteilt wird.
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In einer besonderen Ausführungsform ist vorteilhaft vorgesehen, dass je ein vorbestimmter integrierter Lichtleiter einem vorbestimmten Sichtbereich zugeordnet und mit einem integrierten optischen Schalter versehen ist.
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Die Verästelung des Lichtsignals in die integrierten Lichtleiter verteilt das Lichtsignal über den erwünschten Sichtbereich. Damit werden die zwei unterschiedlichen Betriebsmodi der LiDAR-Vorrichtung bereitgestellt. Es ergeben sich Vorteile für die Ausführung der LiDAR-Vorrichtung als Macroscanner-System oder als Flash-System. Die Systemperformance der LiDAR-Vorrichtung lässt sich bei Notwendigkeit aufgrund der aktuellen Fahrsituation ins Fernfeld fokussieren und bei entspannter Fahrsituation, beispielsweise langsamer Fahrt oder Stau, wieder defokussieren. Es ist die Verwendung desselben Sendepfads für beide Betriebsmodi möglich. Somit müssen keine Bauteile vorgehalten werden, die ohnehin nur zeitweise verwendet werden. Weiterhin kann die Augensicherheit für das Nahfeld verbessert werden durch eine niedrige optische Leistungsdichte im Sendepfad. Dabei kann durch die geschickte Wahl die Leistungsdichte des Sendepfads bei langsamer Fahrt weit unter den zulässigen Grenzwert gesenkt werden, während bei schneller Autobahnfahrt eine Leistungserhöhung denkbar wäre. Im Fernfeld ergibt sich eine verbesserte Reichweite durch einstellbare hohe Leistungsdichte bei schneller Fahrt. Dabei sind jedoch die Anforderungen an den Sendepfad (zum Beispiel Anzahl und Spitzenleistung der Emittereinheiten, Spitzenströme, EMV-Spitzen) durch räumliche Konzentration der für die mittlere Reichweite ausgelegten optischen Sendeleistung für die Erreichung einer hohen Reichweite bei Leistung der Emittereinheit gering. Es ist eine Performance-Reduktion „nach unten“ möglich, zum Beispiel bei Überhitzung der LiDAR-Vorrichtung kann die Leistungsdichte aller Emittereinheiten des Sendepfads reduziert werden; die räumliche Konzentration wirkt auf Kosten eines verkleinerten Sichtbereichs kompensierend (low power mode).
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der integrierte optische Schalter selektiv elektronisch so ansteuerbar ist, dass der mit diesem assoziierte integrierte Lichtleiter zwischen einem aktiven Zustand und einem inaktiven Zustand schaltbar ist.
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Die Verästelung der optischen Leistung in der integrierten photonischen Schaltungseinheit ist elektronisch steuerbar variabel gestaltet, sodass einzelne integrierte Lichtleiter per elektrischem Signal aktiv oder inaktiv geschaltet werden können. Dieser Ansatz ist solid-state und wird also ohne mechanisch bewegte Bauteile realisiert. Durch Ein- beziehungsweise Ausschalten der integrierten optischen Schalter wird das in den assoziierten integrierten Lichtleiter verteilte Lichtsignal entweder durch diesen geleitet (aktiver Zustand) oder verbleibt in dessen „Einmündung“ (inaktiver Zustand). Somit besteht die Möglichkeit durch elektrische Ansteuerung die vorliegende optische Leistung der Emittereinheit auf wenige oder auf viele integrierte Lichtleiter zu verteilen und damit die optische Leistungsdichte räumlich zu fokussieren oder zu defokussieren. Dies lässt sich, auch bei nachgelagerter Sendeoptik, zur Herstellung eines breiten horizontalen Sichtbereichs bei mittlerer Reichweite oder alternativ zur Herstellung eines schmalen horizontalen Sichtbereichs bei großer Reichweite einer Spalte beziehungsweise eines Flashs verwenden. Durch unterschiedliche Querschnitte der integrierten Lichtleiter lässt sich zudem mehr oder weniger Lichtleistung transmittieren, sodass beispielsweise in der Mitte eine Hauptsendekeule der LiDAR-Vorrichtung und seitlich zwei Nebensendekeulen erzeugt werden können.
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Weiter ist sehr vorteilhaft, dass der mindestens eine Sichtbereich eine Vielzahl von Sichtbereichen umfasst, die sich in einem Erfassungsbereich voneinander unterscheiden.
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Damit ergibt sich die Möglichkeit einer adaptiven Einstellung. Zum einen kann die Messdatenmenge in Bezug auf hohe oder niedrige Winkelauflösung angepasst werden. Zum anderen kann die Framerate optimiert werden: die 3D-Punktewolke kann niedrig aufgelöst schneller zusammengesetzt werden. Weiterhin kann eine adaptive Einstellung der Reichweite und Winkelauflösung erreicht werden. Hierdurch werden verschiedene Betriebsmodi unter anderem für UAD (urban pilot), HWP (highway pilot) und AVP (valet parking) erzielt. Eine anwendungsabhängige Umwelterfassung wird für die jeweilige Fahrsituation bereitgestellt. Diese kann beispielsweise von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängen. Eine adaptive Erkennung der für die aktuelle Fahrsituation relevanten Objekte bei gleichzeitiger Vernachlässigung weniger wichtiger Bereiche wird durchgeführt. Beispielsweise kann eine Objekt- oder Freiflächenerkennung bei langsamer Fahrt oder in einem Einparkszenario auf fahrzeugnahe Bereiche bei niedriger Winkelauflösung (große, langsame Objekte) konzentriert werden, während sie bei höheren Geschwindigkeiten bei hoher Winkelauflösung (kleine, schnelle Objekte) in den Fernbereich verlagert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sichtbereich als ein horizontaler Sichtbereich und/oder ein vertikaler Sichtbereich ausgebildet ist.
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Die erläuterte integrierte photonische Schaltungseinheit kann zunächst für einen adaptiv einstellbaren horizontalen Sichtbereich ausgelegt sein. Das Prinzip der integrierten photonischen Schaltungseinheit lässt sich jedoch auch durch Drehung der Schaltungseinheit um 90° für einen adaptiv einstellbaren vertikalen Sichtbereich verwenden. Durch eine Vervielfachung der integrierten photonischen Schaltungseinheit ist zudem eine weitere Ausführung für eine kombinierte Einstellung von horizontalem Sichtbereich und vertikalem Sichtbereich gegeben. Vorteilhaft ist dabei das mittels der Vervielfachung der integrierten photonischen Schaltungseinheit gebildete Schaltungsarray eingerichtet, um eine lückenlose Erfassung des vertikalen Sichtbereichs bereitzustellen, indem eine auch vertikale integrierte Struktur mit dreidimensionalem optischem Layout (analog zu Multi-Layer-PCBs) verwendet wird.
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Schließlich ist auch vorteilhaft, dass der integrierte optische Schalter als ein Single-Input-Single-Output-(SISO)-Schalter oder ein Multiple-Input-Multiple-Output-(MIMO)-Schalter ausgebildet ist, wobei der integrierte Lichtleiter vorzugsweise aus Lithiumniobat, Galliumarsenid, Indiumphosphit oder Silizium gebildet ist.
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In der Regel werden integrierte optische Schalter in Silizium hergestellt, wodurch sie inhärenter Bestandteil einer integrierten optischen Schaltung sein können und nicht als diskretes separates Bauteil ausgeführt werden müssen. Je nach Schaltprinzip bestehen die integrierten Lichtleiter in einem integrierten optischen Schalter aus Lithiumniobat (LiNbO3), Galliumarsenid (GaAS), Indiumphosphit (InP) oder in häufigeren Varianten aus Silizium. Die ersten drei genannten Materialien lassen aufgrund ihrer großen elektrooptischen Koeffizienten Schaltprinzipien zu, bei denen durch elektrische Spannung eine Veränderung ihrer Brechungsindices erreicht wird. Die zugrundeliegenden physikalischen Effekte für die zuerst genannten Materialien sind typischerweise die Pockels-, Kerr- oder Franz-Keldysh-Effekte. Diese Effekte sind in Silizium jedoch sehr klein, sodass für eine auch materiell integrierte optische Schaltungseinheit um Beispiel der Plasmadispersionseffekt verwendet wird. Hierbei wird die Ladungsträgerdichte in Silizium und damit entweder seine optische Dämpfung oder sein Brechungsindex mit Hilfe eines externen, elektrischen Feldes variiert.
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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 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße LiDAR-Vorrichtung mit einem ersten Sichtbereich in einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Sichtbereich in einem zweiten Betriebsmodus;
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße integrierte photonische Schaltungseinheit mit einer Vielzahl von integrierten Lichtleitern in einem ersten Betriebsmodus;
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße integrierte photonische Schaltungseinheit mit einer Vielzahl von integrierten Lichtleitern in einem zweiten Betriebsmodus;
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße LiDAR-Vorrichtung mit einer Vielzahl von integrierten photonischen Schaltungseinheiten.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße LiDAR-Vorrichtung 1 gezeigt. Die schematisch dargestellte LiDAR-Vorrichtung 1 kann dabei als ein Macroscanner-System oder ein Flash-System ausgeführt sein. Die LiDAR-vorrichtung 1 kann in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden. Der erste Betriebsmodus weist dabei einen ersten Sichtbereich 2 auf; der zweite Betriebsmodus weist einen zweiten Sichtbereich 3 auf.
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Der erste Sichtbereich 2 ist erkennbar als großer horizontaler Sichtbereich einer Einzelabtastung bei mittlerer Reichweite bereitgestellt. Im Falle einer LiDAR-Vorrichtung 1, die als Macroscanner-System ausgeführt ist, ergibt sich eine Vergrößerung des horizontalen Sichtbereichs der Spaltenabtastung, was vorteilhaft im Hinblick auf die Augensicherheit ist. Im Falle einer LiDAR-Vorrichtung 1, die als ein Flash-System ausgeführt ist, ergibt sich eine Vergrößerung des horizontalen Sichtbereichs der gesamten LiDAR-Vorrichtung 1, was vorteilhaft im Hinblick auf den Erfassungsbereich ist. Der erste Betriebsmodus ist im Rahmen automatisierter Fahrfunktionen bei einem Flash-System nutzbar, zum Beispiel bei langsamer Fahrt in urbaner Umgebung bei fehlendem oder langsamem Gegenverkehr oder in Einparksituationen. Der erste Betriebsmodus erlaubt bei einem Macroscanner-System jedoch auch einen „Low-Performance“-Modus mit einer geringeren Leistungsdichte des Sendepfads der LiDAR-Vorrichtung 1 in der Austrittsapertur mit Vorteilen für die Augensicherheit.
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Der zweite Sichtbereich 3 ist erkennbar als ein kleiner horizontaler Sichtbereich einer Einzelabtastung bei großer maximaler Reichweite bereitgestellt. Im Falle einer LiDAR-Vorrichtung 1, die als Macroscanner-System ausgeführt ist, ergibt sich eine Vergrößerung der maximalen Reichweite und Auflösung der Spaltenabtastung. Im Falle einer LiDAR-Vorrichtung 1, die als ein Flash-System ausgeführt ist, ergibt sich eine Vergrößerung der maximalen Reichweite und der Winkelauflösung der gesamten LiDAR-Vorrichtung 1. Der zweite Betriebsmodus lässt sich im Rahmen automatisierter Fahrfunktionen für eine schnelle Autobahnfahrt einsetzen, bei der nur die Ego- und die Nachbarspuren beobachtet werden müssen, wobei allerdings eine hohe Reichweite erforderlich ist. Der zweite Betriebsmodus erlaubt auch einen „High-Performance“-Modus mit erhöhter Reichweite und Winkelauflösung, der beispielsweise bei schneller Fahrt eingesetzt werden kann, wenn es im Nahfeld des Sendepfads nicht zur direkten Betrachtung der Austrittsapertur durch einen Menschen kommen kann.
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Es ergibt sich ein selektiver Sendepfad und damit eine selektive Beleuchtung der zu erfassenden Umwelt der LiDAR-Vorrichtung 1. Diese Vorteile werden nun unter Ausnutzung der im Folgenden in den 2 bis 4 beschriebenen und gezeigten technischen Merkmale verwirklicht.
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2 stellt eine integrierte photonische Schaltungseinheit 4 der LiDAR-Vorrichtung 1 dar. Eine Lichtsignal 5 wird in die integrierte photonische Schaltungseinheit 4 eingekoppelt. Das Lichtsignal 5 wird sodann in der integrierten photonischen Schaltungseinheit 4 in eine Vielzahl von aufgeteilten Lichtsignalen 6 verästelt, die in jeweils einem integrierten Lichtleiter 7 propagieren. Diese Verästelung der aufgeteilten Lichtsignale 6 ist dabei elektronisch steuerbar variabel gestaltet. Zu diesem Zweck ist in jedem der integrierte Lichtleiter 7 ein integrierter optischer Schalter 8 angeordnet. Mittels dieses integrierten optischen Schalters 8 kann jeder einzelne integrierte Lichtleiter 7 in einen aktiven Zustand oder einen inaktiven Zustand geschaltet werden. In dem inaktiven Zustand wird die Transmission des eingekoppelten aufgeteilten Lichtsignals 6 durch den integrierten Lichtleiter 7 verhindert; das aufgeteilte Lichtsignal 6 verbleibt in der „Einmündung“ des integrierten Lichtleiters 7. In dem aktiven Zustand wird das in den jeweiligen integrierten Lichtleiter 7 eingekoppelte aufgeteilte Lichtsignal 6 durch den integrierten Lichtleiter 7 transmittiert. Das aufgeteilte Lichtsignal 6 tritt am Ende des integrierten Lichtleiters 7 aus der integrierten photonischen Schaltungseinheit 4 aus und bildet einen mit diesem entsprechenden aufgeteilten Lichtsignal 6 assoziierten aufgeteilten Sichtbereich 9. Somit besteht die Möglichkeit, durch elektrische Ansteuerung der integrierten optischen Schalter 8 die vorliegende optische Leistung der LiDAR-Vorrichtung 1 auf wenige oder auf viele integrierte Lichtleiter 7 zu fokussieren oder zu defokussieren. Dies lässt sich, auch bei nachgelagerter Sendeoptik, zur Herstellung des breiten horizontalen ersten Sichtbereichs 2 bei mittlerer Reichweite oder alternativ zur Herstellung des schmalen horizontalen zweiten Sichtbereichs 3 bei großer Reichweite einer Spalte oder eines Flashs der LiDAR-Vorrichtung 1 verwenden.
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Dabei lässt sich durch unterschiedliche Querschnitte der integrierten Lichtleiter 7 zudem mehr oder weniger Lichtleistung transmittieren. So kann beispielsweise in der Mitte des Sendepfads eine Hauptsendekeule und seitlich davon zwei Nebensendekeulen erzeugt werden. Dies ist in 3 veranschaulicht. Die drei mittig dargestellten aufgeteilten Sichtbereiche 9 bilden die Hauptsendekeule; die zwei jeweils seitlich darüber und darunter angeordneten aufgeteilten Sichtbereiche 9 bilden die zwei Nebensendekeulen.
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Dieses auf einen horizontalen Sichtbereich angewendete Prinzip lässt sich durch Drehung der integrierten photonischen Schaltungseinheit 4 auch auf einen adaptiv einstellbaren vertikalen Sichtbereich anwenden. Durch Vervielfachung der integrierten photonischen Schaltungseinheit 4, wie in 4 dargestellt, ist zudem eine kombinierte Einstellung eines horizontalen Sichtbereichs und eines vertikalen Sichtbereichs gegeben. Vorteilhaft ist die vertikale Achse des in 4 dargestellten Arrays aus integrierten photonischen Schaltungseinheiten 4 und damit die Erfassung des vertikalen Sichtbereichs lückenlos, indem eine auch vertikal integrierte Struktur mit dreidimensionalem optischen Layout (analog zu Multi-Layer-PCBs) verwendet wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
