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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sichtfenster für ein Gehäuse einer LiDAR-Sensoreinrichtung, ein Gehäuse und eine LiDAR-Sensoreinrichtung als solche sowie eine Arbeitsvorrichtung.
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Zur Umfelderkennung werden bei Arbeitsvorrichtungen und insbesondere bei Fahrzeugen vermehrt LiDAR-Sensoren eingesetzt. Die Qualität der Umfelderkennung hängt maßgeblich von der Qualität der Sicht des Sensors auf das Sichtfeld ab. Bei der Montage eines Sensors im Außenbereich einer Arbeitsvorrichtung und insbesondere eines Fahrzeugs ist der Sensor mit seinem Sichtfenster Umwelteinflüssen ausgesetzt, insbesondere also auch Niederschlag, wie Regen, Tau, Reif, Schnee und Eis. Dadurch kann die freie Sicht des Sensors durch das Sichtfenster, über welches Primärlicht des Sensors in das Sichtfeld ausgestrahlt und Sekundärlicht, insbesondere aus dem Sichtfeld, empfangen wird, beeinträchtigt sein.
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Zur Vermeidung der Beaufschlagung des Sichtfensters mit Niederschlag werden herkömmlicherweise z.B. Heizdrähte am oder im Sichtfenster des LiDAR-Sensors angebracht. Derartige Heizdrähte führen jedoch zu Abschattungen beim Aussenden des Primärlichts und beim Empfangen des Sekundärlichts, wodurch die Detektionsqualität des Sensors reduziert wird. Des Weiteren wird das Licht an den Drähten gestreut, wodurch es zum Beispiel im Detektor zu einem Übersprechen zwischen eigentlich separierten Detektorkanälen oder Pixeln kommt. All diese Effekte reduzieren die Reichweite und die Auflösung beim Detektionsprozess.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Sichtfenster für einen LiDAR-Sensoreinrichtung weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit einfachen Mitteln die Ausleuchtungs- und Detektionsqualität in Bezug auf ein Sichtfeld zuverlässig auf hohem Niveau gewährleistet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Sichtfenster für ein Gehäuse einer LiDAR-Sensoreinrichtung geschaffen wird, welches ein oder mehrere zusammenhängende Schichten mit oder aus einem Material aufweist, wobei das Material (i) in einem für eine Sensorfunktion der LiDAR-Sensoreinrichtung relevanten Spektralbereich optisch transparent oder im Wesentlichen optisch transparent und (ii) zum elektrisch resistiven Heizen ausgebildet und eingerichtet ist. Durch diese Maßnahmen wird mit vergleichsweise einfachen Mitteln die Ausleuchtungs- und Detektionsqualität aufrechterhalten, indem ohne das Primärlicht oder Sekundärlicht beeinflussende Maßnahmen ein Heizen des Sichtfensters zur Vermeidung von Niederschlag - zum Beispiel von Regen, Tau, Reif, Schnee und Eis - gewährleistet ist oder wird. Insbesondere werden erfindungsgemäß Abschwächungen im Primärlicht und im Sekundärlicht sowie Interferenzen beim Durchgang des Lichts durch das Sichtfenster vermieden. Die Fähigkeit zu einem elektrisch resistiven Heizen erfordert entsprechende Eigenschaften des Heizmaterials hinsichtlich des elektrischen Widerstands und der Leitfähigkeit. Entsprechend der elektrischen Leitfähigkeit stellt sich auch eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit oder der EMC-Eigenschaften für den gesamten Sensor ein.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das zum Heizen geeignete Material, welches auch als Heizmaterial bezeichnet werden kann, kann im Zusammenhang mit dem Sichtfenster des LiDAR-Sensors geometrisch ganz unterschiedlich ausgebildet sein und werden.
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So ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sichtfensters möglich, dass das Material oder Heizmaterial ganz oder teilweise als in Bezug auf das Gehäuse nach außen weisende und/oder nach außen hin freigelegte oder freiliegende Schicht ausgebildet ist oder wird. Durch diese Maßnahme wird im Heizbetrieb des Sichtfensters ein besonders gutes Beaufschlagen der Außenseite oder Außenfläche des Sichtfensters mit Wärme bewirkt, umso ein Beschlagen oder Einfrieren des Sichtfensters von außen zu verhindern.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Sichtfensters das Material oder Heizmaterial ganz oder teilweise als in Bezug auf das Gehäuse nach innen weisende und/oder nach innen hin freigelegte oder freiliegende Schicht ausgebildet sein oder werden. Durch diese Maßnahme lässt sich im Heizbetrieb des Sichtfensters die Innenseite oder Innenfläche des Sichtfensters besonders gut mit Wärme beaufschlagen, um dadurch zum Beispiel ein Beschlagen oder Einfrieren innen im Gehäuse oder von innen zu verhindern.
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Des Weiteren ist es alternativ oder zusätzlich denkbar, das Material oder Heizmaterial ganz oder teilweise als mindestens eine Zwischenschicht eines mehrschichtigen Sichtfensters auszubilden. Dadurch ergibt sich im Heizbetrieb des Sichtfensters eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung der Außenseite und der Innenseite des Sichtfensters mit Wärme.
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Die Maßnahmen zum fokussierten Beheizen der Außenseite und der Innenseite können auch miteinander kombiniert werden.
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Dabei kann eine jeweilige Schicht als zusammenhängende Schicht ausgebildet sein oder werden, insbesondere als einfach zusammenhängender Schicht, d.h. im Wesentlichen ohne „Löcher“. Auch ein mehrfacher Zusammenhang ist jedoch denkbar.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sichtfensters für einen LiDAR-Sensor kann eine jeweilige Schicht des Materials oder Heizmaterial strukturiert ausgebildet sein oder werden, insbesondere mit oder aus mehreren räumlich und/oder elektrisch getrennten Materialbereichen, insbesondere jeweils in zusammenhängender oder einfach zusammenhängender Weise, zum Beispiel in Form von Streifen. Mit einer derartigen Struktur mit elektrischer Trennung ergibt sich eine besonders betriebssichere Anordnung, weil beim Ausfall eines Materialbereichs, zum Beispiel bei einem Kontaktverlust, die anderen Materialbereiche im Heizvorgang verbleiben, so dass es nicht zu einem Totalausfall kommt.
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Bei einer anderen alternativen und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sichtfensters kann das Material im Sichtfenster oder in einer Schicht des Sichtfensters dispergiert oder verteilt sein. In diesem Fall wird also im Zusammenhang mit dem Sichtfenster eine Grundmatrix materiell vorgelegt und dann das Heizmaterial in diese Grundmatrix eingebracht. Dadurch wird dann die elektrische Leitfähigkeit der Grundmatrix entsprechend eingestellt, wodurch die so modifizierte Grundmatrix insgesamt als resistiv heizendes Material fungiert. Dadurch ergibt sich im Heizbetrieb des Sichtfensters ebenfalls eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung der Außenseite und der Innenseite des Sichtfensters mit Wärme.
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Grundsätzlich können erfindungsgemäß sämtliche Materialien zum Einsatz kommen, die einerseits in dem maßgeblichen optischen Spektralbereich, in dem Primärlicht ausgesandt wird und in dem Sekundärlicht empfangen wird, optisch transparent oder im Wesentlichen optisch transparent sind und die andererseits auch für ein resistives elektrisches Heizen ausgebildet, geeignet und/oder eingerichtet sind.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Material oder Heizmaterial mit oder aus Indiumzinnoxid (ITO), fluoriertem Zinnoxid (FTO), einem Kohlenstoffmaterial und/oder Graphen ausgebildet ist. Diese Materialien lassen sich einfach verarbeiten, sind in den maßgeblichen optischen Spektralbereichen und insbesondere im nahen Infrarot optisch transparent und lassen sich hinsichtlich ihres elektrischen Widerstandes für die jeweils erforderliche Wärmemenge und Heizleistung anpassen und einstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Sichtfensters ist dieses mit einem Anschluss oder Kontakt zum elektrischen Kontaktieren des Materials, einer jeweiligen Schicht des Materials und/oder eines jeweiligen Materialbereichs mit einer Versorgungseinheit und/oder einer Energie- oder Stromquelle für einen gesteuerten Heizbetrieb ausgebildet.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gehäuse für eine LiDAR-Sensoreinrichtung bereitgestellt. Das vorgeschlagene Gehäuse weist mindestens ein Gehäuseelement auf, wobei das mindestens eine Gehäuseelement ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Sichtfenster aufweist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine LiDAR-Sensoreinrichtung, welche ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Gehäuse aufweist.
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Schließlich wird durch die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung, welche eine erfindungsgemäße LiDAR-Sensoreinrichtung.
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Die Arbeitsvorrichtung kann zum Beispiel als Fahrzeug ausgebildet sein.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen LiDAR-Sensoreinrichtung, bei welcher das Heizmaterial des Sichtfensters als nicht weiter strukturierte Schicht ausgebildet ist.
- 2 zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen LiDAR-Sensoreinrichtung, bei welcher das Heizmaterial des erfindungsgemäßen Sichtfensters als in räumlich separate und elektrisch getrennte Streifen strukturierte Schicht ausgebildet ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 und 2 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Zunächst wird ganz allgemein auf die 1 und 2 und die dort gezeigten Ausführungsformen für die LiDAR-Sensoreinrichtung 1 Bezug genommen.
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Maßgebliche Komponenten der LiDAR-Sensoreinrichtung 1 können im Inneren des Gehäuses 10 ausgebildet sein, insbesondere also eine Senderoptik zum Erzeugen und/oder Aussenden von Primärlicht in das zugeordnete Sichtfeld und eine Empfängeroptik zum Empfangen und/oder Detektieren von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld, also insbesondere mit den jeweiligen Lichtquellen und/oder den Detektorelementen. Das Gehäuse 10 selbst besteht hier aus Deckplatte 12 und einer Bodenplatte, einer Rückwand 13 und einem Gehäuseelement 11, in welchem das Sichtfenster 15 für den Durchtritt des Primärlichts und des Sekundärlichts ausgebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Sichtfenster 15 für das Gehäuse 10 der LiDAR-Sensoreinrichtung 1 weist eine oder mehrere zusammenhängende und insbesondere einfach zusammenhängende Schichten 20 mit oder aus einem Material 21 auf, dass vorangehend und nachfolgend auch als Heizmaterial 21 bezeichnet wird.
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Dabei ist das Material oder Heizmaterial 21 in einem für eine Sensorfunktion der LiDAR-Sensoreinrichtung 1 relevanten optischen Spektralbereich optisch transparent oder im Wesentlichen optisch transparent und erfindungsgemäß zum elektrisch resistiven Heizen ausgebildet und eingerichtet.
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Das bedeutet, dass das Heizmaterial 21 aufgrund seines elektrischen Widerstands beim Beaufschlagen mit einem elektrischen Strom Wärme entwickelt, welche geeignet ist, das Sichtfenster 15 von Niederschlag zu befreien oder die Entstehung eines Niederschlags zu verhindern.
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Zur Realisierung des Stromflusses weisen das Heizmaterial 21 bzw. die entsprechende Schicht 20 und das Sichtfenster 15 selbst entsprechende Anschlüsse 25 auf, die auch als elektrische Kontaktierung oder Kontakt aufgefasst werden können. Die Anschlüsse 25 sind über individuelle Anschlussleitungen 26, welche zusätzlich oder alternativ auch als Steuer-/Erfassungsleitungen aufgefasst werden können, mit einer Steuereinheit 30 verbindbar oder verbunden, insbesondere über Zwischenschaltung mittels einer gemeinsamen Anschlussleitung 27, welche als gemeinsame Steuer-/Erfassungsleitungen aufgefasst werden kann.
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Die Steuereinheit 30 steuert und/oder regelt die Zufuhr von elektrischem Strom oder Energie, welche über eine Versorgungsleitung 31 von einer Energiequelle oder Stromquelle 40 zugeführt werden.
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Die gemeinsame Anschlussleitung 27, die Steuereinheit 30, die Versorgungsleitung 31 und die Stromquelle 40 oder Energiequelle 40 fungieren als Versorgungseinheit 50 und können einzeln oder in beliebiger Kombination auch Komponenten des Sensors 1 sein und insbesondere vom Gehäuse 10 umschlossen sein oder werden.
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1 zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen LiDAR-Sensoreinrichtung 1, bei welcher das Heizmaterial 21 des Sichtfensters 15 des Gehäuses 10 als nicht weiter strukturierte Schicht 20 ausgebildet ist, insbesondere als Außenschicht auf der Außenseite des Sichtfensters 15 und somit dem Äußeren des Gehäuses 10 zugewandt.
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2 zeigt eine schematische und perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen LiDAR-Sensoreinrichtung 1, bei welcher das Heizmaterial 21 des erfindungsgemäßen Sichtfensters 15 als in räumlich separate und elektrisch getrennte Streifen oder Materialbereiche 21-1, ... , 21-5 strukturierte Schicht 20 ausgebildet ist. Die einzelnen Materialbereiche 21-1, ..., 21-5 sind über Trennmittel 22, z.B. Lücken oder Materialaussparungen in einer Schicht 20, voneinander räumlich und elektrisch getrennt oder separiert. Mit den entsprechend individuellen Anschlüssen 25 und individuellen Anschlussleitungen 26 sind die einzelnen Materialbereiche 21-1, ..., 21-5 unabhängig voneinander betreibbar, so dass beim Ausfall eines der Materialbereiche 21-1, ..., 21-5 der Heizbetrieb mit den nicht ausgefallenen oder intakten Materialbereichen 21-1, ..., 21-5 insgesamt fortgesetzt werden kann.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
- Die vorliegende Erfindung kann insbesondere gewinnbringend im Bereich hoch- und vollautomatisierter Fahrzeuge (Level 3 - 5) eingesetzt werden, welche wohl in den nächsten Jahren auf öffentlichen Straßen vermehrt zum Einsatz kommen.
- Viele bekannte Konzepte automatisierter Fahrzeuge erfordern eine Kombination verschiedener Wahrnehmungssensoren wie Kameras, Radar und LiDAR-Laserscanner.
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Letztere sind optische Sensoren, die zum Beispiel am und/oder im Kühlergrill oder auf dem Dach eines Fahrzeugs montiert sind oder werden. Im Winter können LiDAR-Sensoren durch Schnee- oder Eisschichten blockiert werden, wodurch eine Erfassung verschlechtert oder sogar verhindert wird.
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Es ist daher entscheidend und Ziel der Erfindung, eine technische Lösung bereitzustellen, um derartige LiDAR-Sensoren von Schnee und Eis zu befreien oder ein Ansetzen von Eis und Schnee zu verhindern.
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In dieser Hinsicht bekannte Lösungen sehen z.B. die Verwendung dünner Drähte, wie sie auch bei Windschutzscheiben bekannt sind, in einem Sichtfenster 15, Glas oder Deckglas vor, wobei die Drähte dem Erhitzen des Sichtfensters 15 oder Glases dienen und z.B. nach Art eines Heizdrahtgitters angeordnet sind.
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Da LiDAR-Sensoren 1 jedoch kohärente Lichtquellen, also insbesondere Laser verwenden, wird das emittierte Licht durch das bekannte Heizdrahtgitter gestört, dies führt zu einer Verzerrung des Lichts im Fernfeld.
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Die vorliegende Erfindung präsentiert u.a. ein Heizkonzept für das Sichtfenster 15 oder für das Deckglas des Sichtfensters 15 für LiDAR-Sensoren 1, die diese Probleme nicht aufweisen und somit in dem für die Ausleuchtung des Sichtfelds und/oder für die Detektion erforderlichen optischen Spektralbereich vollständig oder im Wesentlichen vollständig oder vergleichsweise transparent sind.
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Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sichtfensters 15 die Verwendung einer transparenten und elektrisch leitfähigen Materialschicht 20 mit oder aus einem Heizmaterial 21, insbesondere mit oder aus einer Oxidschicht auf dem LiDAR-Deckglas und/oder dem Sichtfenster 15, welche zum Erhitzen des Sichtfensters 15 oder Glases ausgebildet ist.
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Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Heizdrähten im Sichtfenster 15 oder Glas besteht darin, dass solche Schichten vollständig transparent und optisch homogen sind. Daher wird das emittierte Laserlicht als Primärlicht des Sensors nicht gestört.
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Darüber hinaus kann eine solche Schicht 20 auch eine elektromagnetische Abschirmung der Sensorvorrichtung 1 bereitstellen, wodurch der Sensor 1 stärker EMV-kompatibel wird.
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LiDAR-Sensoren 1 werden insbesondere bei automatisierten Fahrzeugen vorgesehen. Wie bei jedem anderen optischen Element in einem Fahrzeug (Windschutzscheibe, Kamera usw.) ist es wichtig, die Sensoren 1 im Winter von Schnee und Eis befreien zu können. Für die Windschutzscheibe und die Fenster in einem Fahrzeug werden ein Heißluftstrom oder Heizkabel verwendet, um über damit zugeführte Wärme Eis, Schnee oder dergleichen zu entfernen.
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Frontkameras werden normalerweise hinter der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs angebracht, um Reinigungs- und Heizmittel der Windschutzscheibe zu verwenden, so dass keine zusätzliche Maßnahme erforderlich ist.
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LiDAR-Sensoren 1 hingegen werden auf Grund ihrer im Vergleich zu Kameras gesteigerten Größe normalerweise auf dem Dach eines Fahrzeugs oder am oder im Kühlergrill platziert. Daher erfordern LiDAR-Sensoren 1 unabhängige Heiz- und Reinigungsmechanismen.
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Die Erfindung stellt insbesondere einen Heizmechanismus vor, welcher optisch transparent ist und zum Beispiel als Schicht 20 eines Heizmaterials 21 auf einem LiDAR-Deckglas des Sichtfensters 15 abgeschieden ist oder wird.
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Die Materialschicht 20 kann mit oder aus einem transparenten und elektrisch leitenden Film (TCF) wie Indiumzinnoxid (ITO), fluordotiertem Zinnoxid (FTO) oder Graphen, gebildet und insbesondere an eine Gleichspannungsquelle 40 angeschlossen sein oder werden.
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Der Schichtwiderstand solcher Materialien kann vorzugsweise in einer Größenordnung von etwa 10 Ω / cm2 eingestellt werden, was für einen Heizkreis gut geeignet ist.
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Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird die Problematik im Hinblick auf herkömmliche Heizdrähte vermieden. Die periodische Struktur der herkömmlichen Heizdrähte wirkt wie ein Gitter, das eine Interferenz des vom Sensor emittierten kohärenten Laserlichts verursacht. Dies führt zu Verzerrungen des Lichtfeldes im Fernfeld in Form von Interferenzmustern.
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Die Erfindung kann in Form einer kontinuierlichen oder durchgängigen TCF-Schicht realisiert werden, die an mehreren Punkten kontaktiert wird, wie dies in 1 dargestellt ist.
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Alternativ kann der TCF-Aufbau strukturiert werden, z.B. als in Form von Streifen ausgebildeten Materialbereichen 21-1, ..., 21-5, wie dies in 2 dargestellt ist.
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Die zuletzt genannte Lösung ermöglicht es auch, die Erwärmung jedes Streifens 21-1, ..., 21-5 einzeln zu steuern.
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Zusätzlich können durch ein Anpassen der Dicke oder Schichtdicke des Heizmaterials 21 oder Films Bereiche des Sichtfensters 15 oder Deckglases erzeugt werden, die einen niedrigeren oder einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen und daher im Betrieb stärker oder weniger stark erhitzt werden.
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Die 1 und 2 zeigen Realisierungen eines Heizmechanismus für ein LiDAR-Deckglas oder -Sichtfenster 15 mit einem transparenten und elektrisch leitenden Film 20.
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Der Film oder die Schicht 20 können entweder als ein durchgängig oder kontinuierlich gemäß 1 oder strukturiert oder gemusterter z.B. mit einzeln kontaktierten Streifen als Materialbereiche 21-1, ..., 21-5 gemäß 2 realisiert sein oder werden.
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Die kontinuierliche Schicht 20 aus 1 erfordert mehrere elektrische Kontakte 25 für die Stromversorgung 40, um eine homogene Stromverteilung und damit eine Erwärmung des Glases oder Sichtfenster 15 zu erreichen.
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Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung einer TCF-Schicht 20 anstelle von Heizdrähten besteht darin, dass die kontinuierliche Natur der Schicht 20 eine verbesserte elektromagnetische Abschirmung des Sensors 1 bietet, wodurch mögliche elektromagnetische Kompatibilitätsprobleme (EMV) des Sensors 1 verringert werden.
