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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lidarsensor zum Detektieren eines Objekts.
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Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) verfügen über eine Vielzahl von Sensoren, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahrzeugs sowie andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden.
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Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung ist dabei die Lidartechnik (light detection and ranging). Ein Lidarsensor basiert auf der Aussendung von Lichtsignalen und der Detektion des reflektierten Lichts. Mittels einer Laufzeitmessung kann ein Abstand zum Ort der Reflexion berechnet werden. Zudem ist die Ermittlung einer Relativgeschwindigkeit möglich. Hierbei können sowohl unmodulierte Pulse als auch frequenzmodulierte Signale (Chirps) verwendet werden. Durch eine Auswertung der empfangenen Reflexionen kann eine Detektion eines Ziels erfolgen. Hinsichtlich der technischen Realisierung des Lidarsensors wird zwischen scannenden und nichtscannenden Systemen unterschieden. Ein scannendes System basiert dabei zumeist auf Mikrospiegeln und einer Abtastung der Umgebung mit einem Lichtspot, wobei man von einem koaxialen System spricht, wenn der gesendete und empfangene Lichtpuls über denselben Mikrospiegel abgelenkt wird. Bei nichtscannenden Systemen sind mehrere Sende- und Empfangselemente statisch nebeneinanderliegend angeordnet (insb. sog. Focal Plane Array-Anordnung).
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In diesem Zusammenhang werden in der
WO 2018/127789 A1 Lidarsysteme und Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Objekten offenbart.
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Eine Herausforderung im Bereich der Lidarsensorik liegt in einem robusten und dennoch kostengünstig realisierbaren Aufbau. Insbesondere im Automotive-Umfeld ist es notwendig, auch über lange Einsatzzeiten eine zuverlässige Funktion sicherzustellen. Zudem ist eine effiziente Herstellbarkeit aufgrund großer Stückzahlen relevant.
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Gerade wenn in einem scannenden System bewegliche Teile verwendet werden, sind ein mechanisch belastbarer Aufbau und ein Schutz der Teile vor Umgebungseinflüssen notwendig.
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Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen robusten und kosteneffizient fertigbaren Lidarsensor bereitzustellen. Insbesondere soll ein Lidarsensor geschaffen werden, der sich für den Einsatz im Automotive-Bereich eignet und der die in diesem Bereich gestellten Anforderungen erfüllen kann.
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Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem Aspekt einen Lidarsensor zum Detektieren eines Objekts, mit:
- einer Sende-Empfänger-Einheit mit einem Sender zum Aussenden eines Lichtsignals, einem Empfänger zum Empfangen des Lichtsignals nach einer Reflexion an dem Objekt und einer Kombinationseinheit zum Überleiten des Lichtsignals vom Sender zu einer Scannereinheit und zum Überleiten des Lichtsignals von der Scannereinheit zum Empfänger;
- einer Scannereinheit zum Abtasten eines Sichtfelds des Lidarsensors durch Ablenken des Lichtsignals der Sende-Empfänger-Einheit;
- einem Spiegel, der zum Weiterleiten des Lichtsignals zwischen der Sende-Empfänger-Einheit und der Scannereinheit angeordnet ist; und
- einem Lidarsensorgehäuse zum Aufnehmen der Sende-Empfänger-Einheit, der Scannereinheit und des Spiegels, wobei
- die Sende-Empfänger-Einheit, die Scannereinheit und der Spiegel derart innerhalb des Lidarsensorgehäuses angeordnet sind, dass eine Lichtsignalebene, die einen Pfad des Lichtsignals zwischen der Sende-Empfänger-Einheit und dem Spiegel und einen Pfad des Lichtsignals zwischen dem Spiegel und der Scannereinheit enthält, gegenüber mindestens einer Außenfläche des Lidarsensorgehäuses in einem von 90° verschiedenen Winkel verläuft.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des Lidarsensors werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Es ist vorgesehen, die Sende-Empfänger-Einheit, die Scannereinheit und den Spiegel so anzuordnen, dass ein Winkel einer Lichtsignalebene gegenüber mindestens einer Außenfläche des Lidarsensorgehäuses von 90° verschieden ist. In anderen Worten wird ein Winkelversatz zwischen den einzelnen Bauteilen innerhalb des Lidarsensorgehäuses vorgeschlagen. Die Bauteile werden zueinander versetzt angebracht und liegen nicht parallel zu dem Lidarsensorgehäuse bzw. einer seiner Außenflächen. Durch die versetzte Anbringung der Bauteile sind diese kompakter innerhalb des Lidarsensorgehäuses angeordnet. Je nach benötigter Größe des Lidarsensorgehäuses kann dabei ein unterschiedlicher Ausrichtungswinkel vorgesehen sein. Ein kleineres Packaging wird möglich. Zudem kann eine effiziente Fertigung erreicht werden, da ein vereinfachter Aufbau ermöglicht wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Lidarsensorgehäuse im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Eine Quaderform ermöglicht eine effiziente Herstellbarkeit und Anwendbarkeit. Das Lidarsensorgehäuse kann insbesondere gut in einem Bauraumkonzept innerhalb eines Fahrzeugs verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung verläuft die Lichtsignalebene gegenüber allen Außenflächen des Lidarsensorgehäuses in einem von 90° verschiedenen Winkel. Eine kompakte Bauweise wird ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt ein Winkel der Lichtsignalebene gegenüber einer Grundfläche des Lidarsensorgehäuses zwischen 83° und 87° und vorzugsweise 85°. Durch die Verwendung eines Winkels im Bereich von 90° kann einer Strahlverbreiterung durch die Reflexion an dem Spiegel (der parallel zu einer Außenfläche angebracht ist) entgegengewirkt werden. Insbesondere kann ein größerer Winkelversatz eine Verbreiterung des Lichtsignals bedingen, der negative Auswirkungen auf die Genauigkeit des Lidarsensors hat. Durch die Verwendung eines Winkels zwischen 83° und 87° kann eine Bauraumreduzierung erreicht werden bei gleichzeitig ausreichend genauer Lidardatenerfassung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Winkel zwischen dem Pfad des Lichtsignals zwischen der Sende-Empfänger-Einheit und dem Spiegel und dem Pfad des Lichtsignals zwischen dem Spiegel und der Scannereinheit kleiner als 90°. Insbesondere kann ein spitzer Winkel im Lichtsignal vorgesehen sein. Hierdurch kann ein vergleichsweise kleines Packaging des Lidarsensorgehäuses erreicht werden. Es ergibt sich eine effiziente Möglichkeit zur Herstellung. Zudem wird innerhalb eines Fahrzeugs, in das der Lidarsensor eingebaut wird, nur ein geringerer Bauraum benötigt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Lidarsensor ein Gehäuse für die Sende-Empfänger-Einheit. Das Gehäuse umfasst ein erstes Gehäuseteil zum Aufnehmen des Senders, des Empfängers und der Kombinationseinheit, wobei das erste Gehäuseteil eine Anlagefläche zum thermischen Kontaktieren mit dem Lidarsensorgehäuse umfasst. Weiterhin umfasst das Gehäuse für die Sende-Empfänger-Einheit ein zweites Gehäuseteil zum bidirektionalen Weiterleiten des Lichtsignals zu der Scannereinheit mit einer Öffnung für das Lichtsignal. Dabei sind das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil miteinander verbunden und symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene ausgebildet, die einen Pfad des Lichtsignals nach Verlassen der Öffnung umfasst.
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Es ist vorgesehen, dass für die Sende-Empfänger-Einheit des Lidarsensors ein zweiteiliges Gehäuse mit (mindestens) zwei Gehäuseteilen verwendet wird, das symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene aufgebaut ist. Das gesamte Gehäuse ist symmetrisch bezüglich einer Ebene (ebenensymmetrisch). Die Symmetrieebene ist dabei eine Ebene, die den Pfad des Lichtsignals nach Verlassen der Öffnung umfasst. Das erzeugte bzw. das reflektierte Lichtsignal verlaufen in dieser Symmetrieebene. Beide Gehäuseteile sind vorzugsweise verbunden. Durch den symmetrischen Aufbau wird eine wesentlich vereinfachte thermische und elektrische Anbindung der Sende-Empfänger-Einheit innerhalb des Lidarsensors ermöglicht. Ein Einbau wird vereinfacht und kann wirtschaftlicher realisiert werden. Bei der thermischen Kontaktierung sind weniger komplexe Geometrien innerhalb des Lidarsensorgehäuses erforderlich, sodass insoweit ein weiteres Einsparpotential realisiert wird. Insbesondere wenn in einem Lidarsensor zwei (oder mehr) Sende-Empfänger-Einheiten verwendet werden, erlaubt der zweiteilige Gehäuseaufbau eine effiziente Herstellung. Es ergibt sich ein effizient fertigbares Gehäuse für die Sende-Empfänger-Einheit und damit ein effizient fertigbarer Lidarsensor.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das zweite Gehäuseteil zylinderförmig ausgebildet. Eine Zylinderzentralachse entspricht einem Pfad des Lichtsignals durch das zweite Gehäuseteil. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein zylinderförmig ausgebildetes zweites Gehäuseteil verwendet wird, in dem beispielsweise eine Linse, die im Abstand zu dem Sender bzw. dem Empfänger angeordnet sein muss, aufgenommen werden kann. Es ergibt sich eine Materialersparnis und eine effiziente Herstellbarkeit.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das erste Gehäuseteil im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und vorzugsweise parallel zu dem Pfad des Lichtsignals nach Verlassen der Öffnung ausgerichtet. Mindestens eine Außenfläche des Quaders ist in anderen Worten parallel zu dem Pfad des Lichtsignals nach Verlassen der Öffnung ausgerichtet. Für den Einbau bedeutet diese Parallelität eine effiziente Raumausnutzung sowie eine effiziente Herstellbarkeit. Eine einfache Montage kann erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Scannereinheit einen mikroelektromechanisch bewegbaren Mikrospiegel. Dieser Mikrospiegel ist mittels entsprechender Aktoren beweglich. Durch den Mikrospiegel kann das Lichtsignal in einer oder zwei Dimensionen abgelenkt werden, um ein Sichtfeld des Lidarsensors abzutasten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Lidarsensor eine weitere Sende-Empfänger-Einheit, eine weitere Scannereinheit und einen weiteren Spiegel, der zwischen der weiteren Sende-Empfänger-Einheit und der weiteren Scannereinheit angeordnet ist. Die weitere Sende-Empfänger-Einheit, der weitere Spiegel und die weitere Scannereinheit sind in dem Lidarsensorgehäuse angeordnet. Die Gehäuse der zwei Sende-Empfänger-Einheiten in dem Lidarsensorgehäuse sind vorzugsweise in gespiegelten Positionen angeordnet. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein Lidarsensor mit zwei getrennten Lichtsignalen verwendet wird. In diesem Fall können die symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene ausgebildeten Gehäuse der Sende-Empfänger-Einheiten ohne weitere Anpassungen in beiden Positionen innerhalb des Lidarsensors montiert werden. Hierdurch kann auf eine separate Ausführung bzw. unterschiedlich ausgeführte Sende-Empfänger-Einheiten in einem derartigen System verzichtet werden. Es ergeben sich Effizienzvorteile in der Montage, da auf beiden Seiten dasselbe Teil verwendet werden kann. Weiterhin ergeben sich Effizienzvorteile in der Herstellung, da lediglich ein Teil in immer gleicher Weise hergestellt werden muss. Zudem kann der Lidarsensor in einem kleineren Lidarsensorgehäuse realisiert werden, da die Sende-Empfänger-Einheiten aufgrund ihrer Symmetrie hinsichtlich des erforderlichen Bauraums optimiert werden können. In anderen Worten kann ein vergleichsweise kleiner Bauraum vorgesehen werden, da nicht auf eine unsymmetrische Sende-Empfänger-Einheit Rücksicht genommen werden muss. Das Lidarsensorgehäuse kann insoweit ebenfalls symmetrisch aufgebaut werden.
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Die Scannereinheit kann insbesondere als 2D-Scannereinheit ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die Scannereinheit als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet und umfasst einen zweidimensional ansteuerbaren Mikrospiegel zum Ablenken des Lichtsignals. Ein MEMS-System reagiert schnell und bewirkt eine zuverlässige und präzise Ablenkung des Lichtsignals. Ein Sichtbereich (Sichtfeld) eines Lidarsensors entspricht einem von dem Lidarsensor einsehbaren Bereich. Insbesondere ist ein Sichtbereich durch eine Angabe jeweils eines Winkels in Vertikal- und in Horizontalrichtung in Bezug auf den Lidarsensor bzw. in Bezug auf ein Fahrzeug, an dem der Lidarsensor angebracht ist, festgelegt. Eine Umgebung eines Fahrzeugs umfasst insbesondere einen von dem Fahrzeug aus sichtbaren Bereich im Umfeld des Fahrzeugs. Zwei Teile eines Gehäuses können separat ausgeführt und aneinander befestigt sein. Ebenfalls ist es möglich, dass die beiden Gehäuseteile kombiniert bzw. einstückig ausgeführt sind. Ein im Wesentlichen quaderförmig ausgebildetes Gehäuse ist ein Gehäuse, das eine Quaderform aufweist, wobei es möglich ist, dass Vorsprünge und Ausnehmungen die Quaderform modifizieren. Dennoch bleibt die Quaderform zu großen Teilen erhalten. Ein Quader hat sechs ebene Außenflächen, von denen vorzugsweise jeweils zwei parallel zueinander verlaufen. Die Lichtsignalebene steht vorzugsweise in einem von 90° verschiedenen Winkel zu allen Quader-Außenflächen. Die Lichtsignalebene wird von zwei Geraden bzw. zwei Geradenabschnitten definiert, die in der Ebene liegen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung eines Lidarsensors an einem Fahrzeug;
- 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Lidarsensors;
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer räumlichen Anordnung der Komponenten des Lidarsensors;
- 4 eine weitere Ansicht der Anordnung der Komponenten des Lidarsensors;
- 5 eine schematische Ansicht der Anordnung der Komponenten innerhalb des Lidarsensorgehäuses;
- 6 eine schematische Ansicht eines Gehäuses für eine Sende-Empfänger-Einheit eines Lidarsensors;
- 7 eine weitere schematische Ansicht der Anordnung der Komponenten innerhalb des Lidarsensorgehäuses;
- 8 eine schematische Ansicht des Aufbaus des Lidarsensorgehäuses;
- 9 eine schematische Ansicht des Gehäuseunterteils;
- 10 eine schematische perspektivische Darstellung des Trägerteils;
- 11 eine weitere schematische perspektivische Darstellung des Trägerteils;
- 12 eine weitere schematische perspektivische Darstellung des Trägerteils; und
- 13 eine schematische Darstellung eines Zugangs zu einer Rückseite des Spiegels.
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In der 1 ist schematisch ein Fahrzeug 10 mit einem Lidarsensor 12 zum Detektieren eines Objekts 14 in einer Umgebung des Fahrzeugs 10 dargestellt. Die Darstellung entspricht dabei einer seitlichen Schnittansicht. Der Lidarsensor 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel an dem Fahrzeug 10 angebracht. Beispielsweise kann der Lidarsensor 12 im Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs 10 montiert sein und dazu ausgebildet sein, Objekte vor dem Fahrzeug 10 innerhalb eines Sichtfelds 16 zu detektieren. In der Darstellung ist die Ausdehnung des Sichtfelds 16 in Vertikalrichtung angedeutet. Das Objekt 14 in der Umgebung des Fahrzeugs 10 kann beispielsweise ein Nummernschild, ein Autoreifen, ein Verkehrszeichen, eine Fahrbahnbegrenzung, ein statisches Infrastrukturobjekt oder auch ein anderes Fahrzeug sein.
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Der Lidarsensor 12 ist dabei insbesondere als Automotive-Lidar-System mit koaxialem Aufbau und einer Ablenkung basierend auf einem mikroelektromechanischen Spiegel ausgebildet. Die hierin beschriebenen Ansätze sind sowohl mit Puls-Lidar-Technologie als auch mit FMCW-Lidar-Technologie verwendbar. Ziel ist es insbesondere, einen Lidarsensor zu schaffen, der effizient fertigbar und in kleiner Bauform realisierbar ist. Die einzelnen Komponenten sollen dabei so angeordnet sein, dass die Anforderungen des Einsatzes im Automotive-Umfeld an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit erfüllbar sind.
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In der 2 ist das Funktionsprinzip des Lidarsensors schematisch dargestellt. Der Lidarsensor 12 umfasst einen Sender 18 zum Aussenden eines Lichtsignals (Laserstrahls) und einen Empfänger 20 zum Empfangen des Lichtsignals nach einer Reflexion an dem Objekt. Der Sender 18 ist insbesondere als Laserquelle ausgebildet. Einerseits ist es möglich, dass ein gepulstes Signal verwendet wird. Andererseits kann auch ein frequenzmoduliertes Signal (Chirp-Signal) verwendet werden. Der Empfänger 20 entspricht insbesondere einem Fotodetektor, der dazu ausgebildet ist, das Lichtsignal nach der Reflexion am Objekt zu empfangen und hierdurch eine Detektion des Objekts zu ermöglichen.
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Weiterhin umfasst der Lidarsensor 12 eine Kombinationseinheit 22, die dazu dient, das Lichtsignal vom Sender zu einer Scannereinheit und von der Scannereinheit zurück zum Empfänger 20 zu leiten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel in der 2 ist insoweit eine koaxiale Anordnung gezeigt, als der Lichtpfad nach der Kombinationseinheit 22 für das ausgesendete und das reflektierte Lichtsignal derselbe ist. Der Lidarsensor kann auch als Koaxial-Lidarsensor oder als Lidarsensor in Koaxialbauweise bezeichnet werden.
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Die Kombinationseinheit 22 kann als Zirkulator ausgebildet sein, der vorzugsweise in Silicon Photonics-Technologie realisiert sein kann. Ebenfalls ist es möglich, dass die Kombinationseinheit 22 einem Strahlteiler (Beam Splitter) entspricht. Die Verwendung eines Strahlteilers hat den Nachteil, dass ein Signalanteil verloren geht. Allerdings ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit und hinsichtlich des Fertigungsaufwands.
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Hierin wird die Kombination aus Sender 18, Empfänger 20 und Kombinationseinheit 22 als Sende-Empfänger-Einheit 24 bezeichnet und gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet.
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Der Lidarsensor 12 umfasst weiterhin eine Scannereinheit 26, um das Sichtfeld des Lidarsensors 12 abzutasten. Die Scannereinheit 26 kann insbesondere als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet sein. Ebenfalls ist es möglich, dass ein (oder mehrere) Galvanometer oder ein Voice Coil Motor verwendet wird. Ein Mikrospiegel wird angesteuert, um das Lichtsignal an unterschiedliche Positionen innerhalb des Sichtfelds auszusenden und entsprechende Detektionen der unterschiedlichen Positionen zu empfangen. Der Spiegel kann über elektrisch steuerbare Aktoren in zwei orthogonalen Achsen verkippt werden und weist beispielsweise einen Durchmesser von 3 bis 8 mm auf. Insbesondere wird dabei ein Sichtfeld des Lidarsensors 12 zeilen- oder spaltenweise abgetastet. Es gibt insoweit eine Horizontalachse und eine Vertikalachse, die jeweils von zugehörigen Aktoren ansteuerbar sind. Die Scannereinheit 26 entspricht insoweit einer 2D-Scannereinheit und kann auch als Ablenkeinheit bezeichnet werden.
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Zwischen Sende-Empfänger-Einheit 24 und Scannereinheit 26 ist vorzugsweise weiterhin eine Linse 28, insbesondere eine Kollimationslinse, angeordnet, um ein geeignetes, insbesondere gaußförmiges, Querschnittsprofil des Lichtsignals zu erzeugen. Zudem können die Größe und Form des Spots angepasst werden. Die Linse 28 kann dabei in unterschiedlichen Ausprägungen ausgebildet sein und gegebenenfalls auch als Teil der Sende-Empfänger-Einheit 24 innerhalb dieser angeordnet sein.
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Zudem ist es möglich, dass zwischen Sende-Empfänger-Einheit 24 und Scannereinheit 26 ein Spiegel 30 angeordnet ist, der es ermöglicht, eine kompaktere Bauform des Lidarsensors zu realisieren. Der Spiegel 30 wird auch als Faltspiegel bezeichnet.
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In der 3 ist schematisch eine perspektivische Ansicht der Anordnung der verschiedenen Komponenten des Lidarsensors und deren Ausrichtung zueinander dargestellt. Insbesondere können die Komponenten in einem Lidarsensorgehäuse in entsprechenden Aufnahmen aufgenommen und befestigt sein. Die Sende-Empfänger-Einheit 24 sendet und empfängt das Lichtsignal (gestrichelt dargestellt). Im Pfad des Lichtsignals 32 ist der Spiegel 30 angeordnet, der das Lichtsignal zu der Scannereinheit 26 weiterleitet. Der Mikrospiegel 31 dient wie zuvor beschrieben dazu, das Lichtsignal abzulenken, um das Sichtfeld des Lidarsensors 12 abzutasten.
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In der 4 ist schematisch eine andere Perspektive auf die Anordnung der Komponenten gezeigt. Im Vergleich zu 3 ist insbesondere eine Ansicht von oben gezeigt. Sende-Empfänger-Einheit 24, Spiegel 30 und Scannereinheit 26 wirken zum Abtasten des Sichtfelds des Lidarsensors 12 zusammen.
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In der 5 ist schematisch ein Lidarsensor gezeigt, in dem zwei Lichtsignale generiert werden. Die Darstellung ist dabei als Draufsicht auf das Lidarsensorgehäuse 34 zu verstehen, wobei ein Deckel nicht dargestellt ist, sodass die Komponenten sichtbar sind.
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Neben der Sende-Empfänger-Einheit 24, der Scannereinheit 26 und dem Spiegel 30 sind eine weitere Sende-Empfänger-Einheit 24', eine weitere Scannereinheit 26' sowie ein weiterer Spiegel 30' innerhalb des Lidarsensorgehäuses 34 ausgebildet. Durch die Generierung und Auswertung von zwei Lichtsignalen kann ein größeres Sichtfeld abgetastet werden. Alternativ oder zusätzlich kann durch eine Abtastung desselben Sichtfelds oder zumindest eines überschneidenden Anteils des Sichtfelds mit zwei Lichtsignalen eine verbesserte Zuverlässigkeit erreicht werden. Beispielsweise kann in einem zentralen Bereich, der von beiden Lichtsignalen abgetastet wird, eine Redundanz erreicht werden.
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Innerhalb des Lidarsensorgehäuses 34 ist die Sende-Empfänger-Einheit 24 bzw. die weitere Sende-Empfänger-Einheit 24' an einer entsprechenden ersten Aufnahme 36 bzw. einer korrespondierenden weiteren ersten Aufnahme 36' angeordnet. Die Scannereinheit 26 bzw. die weitere Scannereinheit 26' ist an einer zweiten Aufnahme 38 bzw. einer weiteren zweiten Aufnahme 38' angeordnet. Der Spiegel 30 bzw. der weitere Spiegel 30' ist an einer dritten Aufnahme 40 bzw. an einer weiteren Aufnahme 40' angeordnet. Die Komponenten sind dabei jeweils in den Aufnahmen festgelegt bzw. befestigt.
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In der 6 ist die Sende-Empfänger-Einheit 24 schematisch perspektivisch dargestellt. Das Gehäuse 42 der Sende-Empfänger-Einheit 24 umfasst dabei ein erstes Gehäuseteil 44 sowie ein zweites Gehäuseteil 46. In dem ersten Gehäuseteil 44 sind der Sender, der Empfänger sowie die Kombinationseinheit aufgenommen. Optional ist auch eine Laserquelle in dem ersten Gehäuseteil 44 aufgenommen. Weiterhin weist das erste Gehäuseteil 44 eine Anlagefläche 48 zum thermischen Kontaktieren mit dem Lidarsensorgehäuse oder mit einem Trägerelement des Lidarsensorgehäuses auf. Das erste Gehäuseteil 44 und das zweite Gehäuseteil 46 sind vorzugsweise miteinander verbunden und können auch als gemeinsames Teil bzw. in einem einzelnen Teil ausgeführt sein.
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Vorteilhafterweise sind das erste Gehäuseteil 44 und das zweite Gehäuseteil 46 symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene 50 ausgebildet, die einen Pfad des Lichtsignals 32 nach Verlassen der Öffnung 52 des zweiten Gehäuseteils 46 umfasst.
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Das zweite Gehäuseteil 46 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, wobei eine Zylinderzentralachse einem Pfad des Lichtsignals 32 durch das zweite Gehäuseteil 46 entspricht. Das erste Gehäuseteil 44 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und vorzugsweise parallel zu dem Pfad des Lichtsignals 32 ausgerichtet. Mindestens eine Außenfläche des Quaders verläuft parallel zum Pfad des Lichtsignals 32.
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Das erste Gehäuseteil 44 weist vorzugsweise einen Anschlag 54 auf, durch den es an ein entsprechendes Gegenstück bzw. eine Aufnahme am Lidarsensorgehäuse angelegt werden kann. Der Anschlag kann auch an dem Gegenstück angeordnet sein. Hieraus ergibt sich eine einfache Ausrichtung und eine präzise Fertigungsmöglichkeit. Das zweite Gehäuseteil 46 weist vorzugsweise eine zweite Anlagefläche 56 auf, die ebenfalls zum thermischen Kontaktieren des Gehäuses 42 mit dem Lidarsensorgehäuse dient.
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Das zweite Gehäuseteil 46 kann auch als Linsenrohr bezeichnet werden, da darin die Linse angeordnet sein kann.
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Weiterhin dargestellt ist eine Schnittstelle 58, die zum elektronischen Kontaktieren der Sende-Empfänger-Einheit bzw. des Senders und des Empfängers dient. Vorzugsweise wird eine verdrehungssichere Steckerbuchse verwendet, sodass ein entsprechender Stecker beidseitig, also in beiden möglichen Orientierungen, montierbar ist. Über die Schnittstelle 58 kann eine Verbindung zu einer entsprechenden Steuereinheit hergestellt werden, um die Sende-Empfänger-Einheit bzw. den Sender und den Empfänger anzusteuern bzw. auszulesen.
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Die Sende-Empfänger-Einheit 24 muss aufgrund einer hohen Wärmeentwicklung thermisch angebunden und entwärmt werden (erste und zweite Anlageflächen). Zudem muss eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Einheiten der Sende-Empfänger-Einheit 24 möglich sein (Schnittstelle). Durch den vorgeschlagenen symmetrischen Aufbau des Gehäuses 42 der Sende-Empfänger-Einheit 24 kann eine einfache thermische und elektrische Anbindung realisiert werden. Das zweite Gehäuseteil 46 befindet sich in der Symmetrieebene 50. Zudem liegt auch die Schnittstelle 58 in der Symmetrieebene. Es ist damit möglich, die gesamte Sende-Empfänger-Einheit 24 um ihre Zentralachse zu drehen, wodurch eine ausrichtungs- und kontaktierungsneutrale Platzierung und Kontaktierung ermöglicht wird. Die thermisch anzubindenden Flächen des Gehäuses 42 können damit einfacher hergestellt werden, da die Gegenflächen des Lidarsensorgehäuses nicht als komplexe Geometrie im Innenbereich des Lidarsensorgehäuses gefertigt werden müssen. Durch das Drehen der Sende-Empfänger-Einheit 24 wird die Funktionsweise nicht beeinträchtigt, da das Lichtsignal in der Symmetrieebene ausgesendet wird. Des Weiteren wird der grundlegende Aufbau des Lidarsensors durch ein Drehen der Sende-Empfänger-Einheit 24 nicht verändert. Insoweit ergeben sich besondere Vorteile, wenn ein Lidarsensor mit zwei Sende-Empfänger-Einheiten realisiert werden soll. Es versteht sich, dass es dabei möglich ist, den symmetrischen Aufbau auch auf weitere Komponenten zu übertragen, um einen einfacheren Aufbau des Lidarsensors zu erreichen.
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Weiterhin ist eine Steifigkeit des Gehäuses 42 so ausgelegt, dass die Linse im zweiten Gehäuseteil 46 nicht zusätzlich fixiert werden muss. Lediglich eine mechanische Kontaktfläche am zweiten Gehäuseteil 46 ist vorhanden, die zur Wärmeabfuhr und Befestigung verwendet wird. Durch diese verbesserte Anbindung der einzelnen Komponenten wird die Struktur des Lidarsensorgehäuses weiter vereinfacht. Die Fixierung und Kalibrierung des austretenden Lichtsignals kann gegenüber einer Referenzfläche nur mithilfe einer Ausrichthilfe in einem vorhergehenden Arbeitsschritt ausgeführt werden. Aufgrund dieser Vormontage wird die Prozesszeit verringert. Zudem wird die Linse am zweiten Gehäuseteil 46 vorzugsweise mithilfe einer Active-Alignment-Klebung fixiert. Dabei kann die Abstrahlrichtung korrigiert werden.
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In der 7 ist schematisch eine Draufsicht auf das Lidarsensorgehäuse 34 (ohne Deckel) dargestellt. Vorteilhafterweise sind die Sende-Empfänger-Einheit 24, die Scannereinheit 26 und der Spiegel 30 so angeordnet, dass eine Lichtsignalebene, die einen Pfad des Lichtsignals zwischen der Sende-Empfänger-Einheit 24 und dem Spiegel 30 und einen Pfad des Lichtsignals zwischen dem Spiegel 30 und der Scannereinheit 26 enthält, gegenüber den Außenflächen A des Lidarsensorgehäuses 34 in einem von 90° verschiedenen Winkel verläuft.
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Im gezeigten Beispiel ist das Lidarsensorgehäuse 34 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. In der Darstellung ist der Verlauf der Lichtsignalebene mittels zweier gestrichelter Linien visualisiert. Die Lichtsignalebene umfasst die beiden gestrichelten Linien. Die beiden gestrichelten Linien enthalten den Lichtsignalpfad zwischen Sende-Empfänger-Einheit 24 und Spiegel 30 und zwischen Spiegel 30 und Scannereinheit 26. Die derart definierte Lichtsignalebene ist im dargestellten Beispiel gegenüber allen sechs Quader-Außenflächen A des Lidarsensorgehäuses 34 geneigt und in einem Winkel angeordnet, der von 90° verschieden ist. Beispielhaft ist ein Winkel α eingezeichnet, der die Neigung gegenüber der Außenfläche A auf der linken Seite repräsentiert. Die Lichtsignalebene ist insbesondere auch gegenüber einer Grundfläche G des Lidarsensorgehäuses 34 (die eine Außenfläche bildet) geneigt. Ein Winkel der Lichtsignalebene gegenüber dieser Grundfläche G beträgt dabei insbesondere zwischen 83° und 87° und vorzugsweise 85°. Es versteht sich, dass die dargestellte Ausrichtung auch für die weitere Sende-Empfänger-Einheit 24', den weiteren Spiegel 30' und die weitere Scannereinheit 26' in entsprechend (ebenen)symmetrischer Weise gilt.
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Durch den dargestellten dezentralen Aufbau bzw. den Winkelversatz der einzelnen Bauteile zueinander kann eine Bauraumreduzierung ermöglicht werden. Der Spiegel 30 und die Scannereinheit 26 bzw. der Mikrospiegel 31 der Scannereinheit 26 sind jeweils im Winkelversatz zu einer zentralen Ebene der Sende-Empfänger-Einheit 24 angebracht. Durch eine derart versetzte Anbringung der Bauteile zueinander können diese kompakter innerhalb des Lidarsensorgehäuses 34 angeordnet werden. Die Komponenten werden sozusagen in Richtung der Ecken des Lidarsensorgehäuses 34 verschoben. Je nach benötigter Größe des Lidarsensorgehäuses 34 kann der Ausrichtungswinkel dabei angepasst werden und so ein weiter verkleinertes Packaging ermöglicht werden.
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In der 8 ist erneut das Lidarsensorgehäuse 34 mit den darin angebrachten verschiedenen Komponenten und Einheiten schematisch dargestellt.
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Vorteilhafterweise umfasst das Lidarsensorgehäuse 34 ein Gehäuseunterteil 60, in dem die Sende-Empfänger-Einheit 24 aufgenommen ist, sowie ein Trägerteil 62, in dem die Scannereinheit 26 angeordnet ist. Dabei ist das Trägerteil 62 dazu ausgebildet, mit daran befestigter Scannereinheit 26 an dem Gehäuseunterteil 60 mit daran befestigter Sende-Empfänger-Einheit 24 befestigt zu werden. In anderen Worten erfolgt eine zweistufige Montage. Zunächst wird die Scannereinheit 26 am Trägerteil 62 befestigt und die Sende-Empfänger-Einheit 24 am Gehäuseunterteil 60 befestigt. Dann wird das Trägerteil 62 in das Gehäuseunterteil 60 eingesetzt und befestigt.
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Die 9 zeigt eine Darstellung des Gehäuseunterteils 60 mit darin montierter Sende-Empfänger-Einheit 24 (und weiterer Sende-Empfänger-Einheit 24'). Dieses Gehäuseunterteil 60 wird nach Einbringen des Trägerteils 62 durch ein (nicht dargestelltes) Deckelteil verschlossen.
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In den 10, 11 und 12 sind verschiedene Ansichten einer beispielhaften Ausführungsform des Trägerteils 62 perspektivisch dargestellt. Insbesondere kann das Trägerteil 62 entsprechende Schraublöcher zum Anschrauben an das Gehäuseunterteil aufweisen.
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Das Trägerteil 62 weist eine Öffnung 64 sowie einen Rahmen 66, der die Öffnung 64 umschließt, auf. Wenn das Trägerteil 62 in das Gehäuseunterteil eingesetzt ist (vgl. 8), ist die Öffnung 64 in Richtung des Spiegels des Lidarsensors ausgerichtet. Der Rahmen 66 bzw. die Öffnung 64 dienen dazu, eine Auflagefläche und eine Montageposition für die Scannereinheit bereitzustellen. Zum Befestigen der Scannereinheit kann das Trägerteil 62 insbesondere entsprechende Schraublöcher 68 aufweisen (vgl. 11).
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Weiterhin weist das Trägerteil 62 vorzugsweise ein Ausrichtungselement 70 auf, das mit einem korrespondierenden Ausrichtungselement an der Scannereinheit zum Ausrichten der Scannereinheit gegenüber dem Trägerteil 62 zusammenwirkt. Das Ausrichtungselement 70 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Zentrierstift bzw. als zylindrischer Vorsprung am Trägerteil 62 ausgebildet. Dieser Zentrierstift wirkt mit einer entsprechenden Aufnahme an der Scannereinheit 26 zusammen.
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Dadurch, dass das Ausrichtungselement 70 mit dem entsprechenden korrespondierenden Ausrichtungselement an der Scannereinheit zusammenwirkt, kann eine sehr genaue Positionierung des Trägerteils 62 in Bezug auf die Scannereinheit erfolgen. Auf einen aufwändigen Klebe- und Ausrichtungsprozess zur genauen Positionierung der Scannereinheit kann verzichtet werden. Es ergeben sich Einsparpotentiale. Die Zentrierstifte bzw. das Ausrichtungselement ermöglichen dabei eine sehr genaue Positionierung und eine kleine Toleranz gegenüber einander. Zudem kann das Anbringen der Scannereinheit an dem Trägerteil auch bereits in einem Vormontageprozess erfolgen.
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Durch die zweiteilige Ausführung des Lidarsensorgehäuses ergeben sich Vorteile in der Fertigung. Ein Lidarsensorgehäuse mit einer wesentlich weniger komplexen Geometrie kann realisiert werden, da der Fertigungs- und Montagebauraum zugänglich ist. Das Trägerteil 62 erlaubt es, vor einem Zusammenbau mit dem Gehäuseunterteil vorab Baugruppen zu platzieren und zu montieren. Durch das anschließende separate Einführen des gesamten Trägerteils mit daran befestigter Scannereinheit wird eine Fertigung des Lidarsensors deutlich vereinfacht. Das Montagekonzept wird handhabungstechnisch und zeitlich optimiert (zweistufiger Montageprozess). Insoweit ergibt sich ein effizientes Herstellungsverfahren.
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Wie in den 8 bis 11 dargestellt ist es insbesondere vorteilhaft, wenn ein gemeinsames Trägerteil für zwei Scannereinheiten vorgesehen wird und insofern ein Lidarsensor mit zwei Lichtsignalen umgesetzt wird.
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In der 13 ist eine Detailansicht des Lidarsensors bzw. des Lidarsensorgehäuses 34 im Bereich der dritten Aufnahme 40 für den Spiegel 30 schematisch perspektivisch illustriert. Der Spiegel 30 wird vorzugsweise im Bereich der dritten Aufnahme 40 mit seiner Rückseite eingeklebt. Die Vorderseite des Spiegels 30 ist dabei die reflektierende Seite, durch die das Lichtsignal zwischen Sende-Empfänger-Einheit und Scannereinheit reflektiert wird.
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Die Montage des Spiegels 30 erfordert dabei eine hohe Präzision. Dadurch, dass es mehrere Komponenten innerhalb des Lidarsensors gibt, die zueinander positioniert werden müssen, ergibt sich eine große Positionstoleranz der Komponenten in der Fertigung bzw. Montage. Um die Toleranzen zu kompensieren, ist es insbesondere vorteilhaft, das Lichtsignal durch Justage des Spiegels 30 auf das Zentrum der Scannereinheit bzw. das Zentrum des Mikrospiegels der Scannereinheit auszurichten. Für diese Ausrichtung wird zumeist eine Active-Alignment-Klebetechnik verwendet. Eine solche Klebetechnik sieht eine Beleuchtung der Klebestelle mit ultraviolettem Licht vor. Einerseits ist dabei eine gleichmäßige Beleuchtung wichtig. Andererseits muss eine ausreichend starke Belichtung der gesamten Klebestelle gewährleistet sein.
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Um den Belichtungsvorgang einfach und effizient ausführen zu können, ist an der dritten Aufnahme vorzugsweise ein Zugang 72 vorgesehen, durch den die Rückseite des Spiegels 30 zumindest teilweise von außerhalb des Lidarsensorgehäuses mit ultraviolettem Licht erreichbar ist, um einen Klebstoff der Klebeverbindung auszuhärten. Die Rückseite des Spiegels 30 hat dabei insbesondere eine diffus reflektierende Oberfläche, durch die das UV-Licht auf die Klebestelle weitergeleitet wird.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zugang 72 als Bohrung ausgebildet. Die Bohrung verläuft senkrecht zur Rückseite des Spiegels 30. Der Austritt der Bohrung aus dem Lidarsensorgehäuse 34 ist im dargestellten Beispiel in einem Winkel von ungleich 90° zum Lidarsensorgehäuse 34 ausgerichtet. Der Durchmesser d der Bohrung beträgt im dargestellten Beispiel zwischen einem Drittel und einer Hälfte eines Durchmessers des Spiegels 30. Der Spiegel 30 ist vorzugsweise ebenfalls rund ausgebildet. Der Zugang 72 mündet insoweit in einer entsprechenden Ausnehmung, die kreisförmig an der dritten Aufnahme angeordnet ist.
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In einem entsprechenden Herstellungsverfahren eines Lidarsensors mit einem derartigen Zugang 72 wird zunächst ein Klebstoff in die dritte Aufnahme 40 eingebracht. Die Klebung hat üblicherweise eine Stärke im Bereich von 0,5 mm. Dann wird ein Spiegel in die dritte Aufnahme eingebracht. Der Spiegel wird durch einen Manipulator ausgerichtet. Während des Ausrichtens wird der Klebstoff durch den Zugang 72 mit UV-Licht belichtet und damit ausgehärtet.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeug
- 12
- Lidarsensor
- 14
- Objekt
- 16
- Sichtfeld
- 18
- Sender
- 20
- Empfänger
- 22
- Kombinationseinheit
- 24
- Sende-Empfänger-Einheit
- 26
- Scannereinheit
- 28
- Linse
- 30
- Spiegel
- 31
- Mikrospiegel
- 32
- Pfad des Lichtsignals
- 34
- Lidarsensorgehäuse
- 36
- erste Aufnahme
- 38
- zweite Aufnahme
- 40
- dritte Aufnahme
- 42
- Gehäuse für Sende-Empfänger-Einheit
- 44
- erstes Gehäuseteil
- 46
- zweites Gehäuseteil
- 48
- Anlagefläche
- 50
- Symmetrieebene
- 52
- Öffnung
- 54
- Anschlag
- 56
- zweite Anlagefläche
- 58
- Schnittstelle
- 60
- Gehäuseunterteil
- 62
- Trägerteil
- 64
- Öffnung im Trägerteil
- 66
- Rahmen
- 68
- Schraubloch
- 70
- Ausrichtungselement
- 72
- Zugang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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