EP3841392A1 - Lidar device having an accelerated time-of-flight analysis - Google Patents

Lidar device having an accelerated time-of-flight analysis

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Publication number
EP3841392A1
EP3841392A1 EP19737530.6A EP19737530A EP3841392A1 EP 3841392 A1 EP3841392 A1 EP 3841392A1 EP 19737530 A EP19737530 A EP 19737530A EP 3841392 A1 EP3841392 A1 EP 3841392A1
Authority
EP
European Patent Office
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detector
lidar device
deflector
beams
sections
Prior art date
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Pending
Application number
EP19737530.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Norman HAAG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3841392A1 publication Critical patent/EP3841392A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak

Definitions

  • the invention relates to a LIDAR device for scanning a
  • Scanning area comprising a transmission unit for generating rays and for deflecting the rays along the scanning area and comprising a receiving unit with at least one detector for receiving reflected rays. Furthermore, the invention relates to a control unit and a receiving unit.
  • LIDAR light detection and ranging
  • Detectors are used to detect the reflected rays. These are usually used to determine the transit time of the incoming beams for each
  • photodiodes or CCD sensors can be used as detectors.
  • CCD sensors can only be used as detectors to a limited extent, since the readout speed is low in comparison to detector arrays, which results in a limited depth resolution. Disclosure of the invention
  • the object on which the invention is based can be seen in particular in proposing a LIDAR device which has a
  • a lidar device for scanning a scan area is provided.
  • the LIDAR device has one
  • the LIDAR device has a receiving unit with at least one detector for receiving reflected rays, individual sections of the detector for detecting the reflected rays being able to be activated one after the other at defined time intervals, or the reflected rays being deflected individually by a deflector with a changing deflection angle Sections of the detector are deflectable.
  • a control unit for operating a LIDAR device is provided, the control unit being set up to control a deflector of the LIDAR device or a detector of the LIDAR device.
  • the control unit can be designed as an evaluation unit. The control unit can preferably use the signal received by the detector for further processing
  • the further processing can take place in highly parallel fashion and have processors operating in parallel, such as GPUs or FPGAs.
  • a receiving unit in particular for a LIDAR device, is provided.
  • the receiving unit has a detector, with individual sections of the detector successively can be activated at a uniform speed for detecting reflected rays, or the individual sections of the detector can be irradiated with reflected steels by a deflector with a uniformly changing degree of deflection.
  • the LIDAR device and the receiver unit used can be used to direct the beams to different locations on the chip or the detector at different times. This can cause a
  • the beams are preferably deflected across the detector with a constantly changing degree of deflection. In this way, reflected rays can be imaged from a minimum distance, for example in an edge section of the detector, and the rays reflected back from a maximum distance on an opposite one
  • Edge section to be steered.
  • the entire surface of the detector can thus serve as an indicator of the different possible transit times of the reflected rays. Based on the location or the section that detects the reflected rays, a propagation time of the corresponding rays can be derived.
  • the deflector can, for example, at a constant speed, the degree of deflection of the incoming rays along the surface of the
  • the deflector can, for example, adjust the degree of deflection such that the reflected ones
  • Beams are directed to an edge portion or a corner of the detector. As time goes on, the level of distraction changes continuously continue until the time it takes for reflected rays to return to the detector from a maximum distance of the LIDAR device. The deflector can then realign the degree of deflection to the edge of the detector surface. The deflector can do this
  • Deflection of the beams arriving at the detector can be configured in two dimensions along the entire surface of the detector.
  • the transit time can be assigned in a technically simple manner so that the detector no longer has to be completely read out by an evaluation unit. Rather, an identification of the section of the detector which perceived the beam is sufficient to determine the transit time of the corresponding beam and thus the distance.
  • the beams can be deflected onto the detector by the action of the deflector or by activating and deactivating individual areas of the detector by appropriate areas. By activating and deactivating different sections of the detector, the deflecting function of the deflector can be imitated by actuating individual pixels or surface sections of the detector.
  • the at least one detector is designed as a CCD sensor or as a detector array.
  • the measurement of the incoming beams can be made highly parallel and thus the efficiency can be increased.
  • the detector no longer has to be read quickly and often in order to generate a corresponding depth resolution.
  • Depth resolution comes solely from the beam movement over the sensor.
  • the CCD sensor can be activated section by section or row by row.
  • the activated Sections can detect incoming light or incoming rays.
  • a transit time can be assigned to the determined beams.
  • the complete signal or the reflected rays can be imaged on the entire CCD sensor.
  • the detector pixels can be switched to sensitive in rows, for example. The advantage of this design is that a deflector can be omitted.
  • Detector shaped like a point, surface or line.
  • the sections can thus be activated flexibly by a control unit or evaluation unit.
  • the principle can be used for the detection of an entire laser line, a so-called vertical flash.
  • the entire laser line is deflected and the transit time is thus detected on a two-dimensional sensor, and the location is detected in the other direction.
  • the principle is highly parallel and the signal obtained is preferably suitable for further processing in parallel processors such as GPUs or FPGAs.
  • the deflector is an acousto-optical modulator.
  • the receiving unit can be next to the
  • Detector have a deflector.
  • the deflector can be implemented in different ways. For example, acousto-optical deflectors, micromirrors or other deflectors can be used. These can preferably be coupled to the control unit and can be controlled by it.
  • the deflector directs the incident light onto one or more selected pixels or a selected line of the detector.
  • the deflector changes the degree of the at a constant speed
  • the LIDAR device has a
  • Control unit which is connected to the detector and / or the deflector.
  • the control unit can actively control the deflector and / or the detector.
  • the control unit can implement a continuous variation of the irradiated or activated areas of the detector.
  • each section of the detector can be activated or irradiated at least once within a time span corresponding to a range of the LIDAR device.
  • the achievable depth resolution of the detector concept generally depends on and from the number of detector pixels in the scanning direction along the detector surface
  • At least two beams reflected at different times can be detected by different activated sections of the detector or can be directed by the deflector to different sections of the detector or one after the other to the detector.
  • the repetition frequency can be reduced at the expense of the resolution by detecting a plurality of signals within one detector cycle.
  • the principle is freely scalable and can be adapted to the technical specifications.
  • several beams can be parallel or offset on each
  • the beams generated can be successively emitted in the scanning area in a pulse-like manner. These radiation pulses can be measured within a measurement cycle and can thus be imaged in succession on the detector.
  • a corresponding receiving unit is not only limited to LIDAR devices or applications and can generally be used in all applications which carry out time-of-flight measurements of beams.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a LIDAR device according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a receiving unit according to a first exemplary embodiment
  • Fig. 3 is a schematic representation of a receiving unit according to a second embodiment
  • Fig. 3 is a schematic representation of a receiving unit according to a third embodiment.
  • the LIDAR device 1 shows a schematic representation of a LIDAR device 1 according to an embodiment.
  • the LIDAR device 1 has a transmitting unit 2 and a receiving unit 4.
  • the transmission unit 2 is used to generate and emit beams 6 along a scanning area A.
  • the beams 6 generated can be designed as laser beams.
  • the transmission unit 4 has a laser, which is not shown for the sake of simplicity.
  • the transmission unit 2 can generate and emit the beams 6 with a defined pulse frequency. This can be coordinated and initiated by a control unit 8.
  • the receiving unit 4 has a detector 10 and a deflector 12.
  • the arriving at the receiving unit 4 or in the scanning area A reflected rays 14 are directed by the receiving unit 4 onto a deflector 12.
  • the deflector 12 is designed here as an acousto-optical modulator and is controlled by the control unit 8.
  • the incoming beams 14 are directed by the deflector 12 to continuously changing sections of the detector 10, as a result of which a transit time analysis can be carried out based on the location on the detector 10 which detects the beams 14.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a receiving unit 4 according to a first exemplary embodiment.
  • incoming beams 14 through the deflector 12 are changed at a constant speed.
  • the detector 10 is shown as a line detector in order to clarify the principle of operation.
  • the detector 10 is not limited to this embodiment.
  • the sections 16 of the detector 10 are designed as detector pixels.
  • a first detector pixel thus corresponds to a point in time t1, which corresponds to the shortest transit time of the beams 14 and thus the shortest measurable distance.
  • all detector pixels 16 are coded with a transit time N , so that depending on which detector pixel 16 detects the incoming beams 14, a transit time can be determined.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a receiving unit 4 according to a second exemplary embodiment. In contrast to the first
  • the receiving unit 4 has incoming beams 14 designed as a vertical laser line, which are deflected by the deflector 12 onto a detector 10.
  • the detector 10 can be designed here as a CCD sensor.
  • the beams 14 are directed as a vertical line onto sections 18 of the detector 10.
  • the sections 18 are configured here as lines of the detector 10, so that time information or respectively a transit time N is assigned to a line 18.
  • the respective columns X I -X N can be used for additional functions. For example, the transit time and different locations can thus be detected in parallel.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a receiving unit 4 according to a third exemplary embodiment.
  • different sections 17, 18, 19 of the detector 10 are activated or deactivated again successively or in parallel with one another by the control unit 4.
  • the sensor array or detector 10 is subdivided to detect a plurality of beams 14, 20, 22.
  • the time resolution for each individual pulse 14, 20, 22 is reduced by a factor of three, but the necessary deflection frequency is also reduced, for example from 770 kHz Lowered 256 kHz.
  • Three signals 14, 20, 22 can thus be detected simultaneously in one detector image.

Abstract

The invention relates to a LIDAR device for scanning a scanning region, comprising a transmitting unit for generating beams and for deflecting the beams along the scanning region and comprising a receiving unit having at least one detector for receiving reflected beams, wherein individual portions of the detector can be activated in succession at defined time intervals in order to detect the reflected beams or the reflected beams can be deflected by a deflector at a changing angle of deflection onto individual portions of the detector. The invention further relates to a control unit and to a receiving unit.

Description

Beschreibung  description
Titel title
LIDAR-Vorrichtunq mit einer beschleunigten Laufzeitanalyse  LIDAR device with an accelerated runtime analysis
Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines The invention relates to a LIDAR device for scanning a
Abtastbereichs, aufweisend eine Sendeeinheit zum Erzeugen von Strahlen und zum Ablenken der Strahlen entlang des Abtastbereichs und aufweisend eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von reflektierten Strahlen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuereinheit sowie eine Empfangseinheit. Scanning area, comprising a transmission unit for generating rays and for deflecting the rays along the scanning area and comprising a receiving unit with at least one detector for receiving reflected rays. Furthermore, the invention relates to a control unit and a receiving unit.
Stand der Technik State of the art
LIDAR (light detection and ranging)-Vorrichtungen weisen Sendeeinheiten zum Aussenden von Strahlen auf und Empfangseinheiten zum Detektieren der zuvor in einem Abtastbereich reflektierten Strahlen. Zum Detektieren der reflektierten Strahlen werden Detektoren eingesetzt. Diese werden üblicherweise dazu eingesetzt, eine Laufzeit der ankommenden Strahlen für die jeweiligen LIDAR (light detection and ranging) devices have transmitting units for emitting beams and receiving units for detecting the beams previously reflected in a scanning area. Detectors are used to detect the reflected rays. These are usually used to determine the transit time of the incoming beams for each
Bildpunkte des Detektors zu ermitteln. Als Detektoren können beispielsweise Fotodioden oder CCD-Sensoren verwendet werden. Determine pixels of the detector. For example, photodiodes or CCD sensors can be used as detectors.
Um eine hohe Tiefenauflösung bzw. Reichweitenauflösung des Detektors zu erreichen, ist es hierbei notwendig, den Detektor entsprechend schnell und oft auszulesen. Dabei können die jeweiligen Bildpunkte bzw. Dioden idealerweise parallel ausgelesen werden. In order to achieve a high depth resolution or range resolution of the detector, it is necessary to read the detector quickly and often accordingly. The respective pixels or diodes can ideally be read out in parallel.
Als Detektoren können CCD-Sensoren bisher nur bedingt eingesetzt werden, da die Auslesegeschwindigkeit im Vergleich zu Detektorarrays gering ist, woraus eine beschränkte Tiefenauflösung resultiert. Offenbarung der Erfindung So far, CCD sensors can only be used as detectors to a limited extent, since the readout speed is low in comparison to detector arrays, which results in a limited depth resolution. Disclosure of the invention
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, insbesondere eine LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine The object on which the invention is based can be seen in particular in proposing a LIDAR device which has a
Laufzeitanalyse unter uneingeschränktem Einsatz von herkömmlichen CCD- Sensoren ermöglicht. Runtime analysis made possible with the unrestricted use of conventional CCD sensors.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen. This object is achieved by means of the respective subject of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent subclaims.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine According to one aspect of the invention, a lidar device for scanning a scan area is provided. The LIDAR device has one
Sendeeinheit zum Erzeugen von Strahlen und zum Ablenken der Strahlen entlang des Abtastbereichs auf. Des Weiteren weist die LIDAR-Vorrichtung eine Empfangseinheit mit mindestens einem Detektor zum Empfangen von reflektierten Strahlen, wobei einzelne Abschnitte des Detektors zum Detektieren der reflektierten Strahlen in definierten zeitlichen Abständen nacheinander aktivierbar sind oder die reflektierten Strahlen durch einen Deflektor mit einem sich verändernden Ablenkwinkel auf einzelne Abschnitte des Detektor ablenkbar sind. Transmitting unit for generating rays and for deflecting the rays along the scanning area. Furthermore, the LIDAR device has a receiving unit with at least one detector for receiving reflected rays, individual sections of the detector for detecting the reflected rays being able to be activated one after the other at defined time intervals, or the reflected rays being deflected individually by a deflector with a changing deflection angle Sections of the detector are deflectable.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuereinheit zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung bereitgestellt, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist einen Deflektor der LIDAR-Vorrichtung oder einen Detektor der LIDAR-Vorrichtung anzusteuern. Zusätzlich kann die Steuereinheit als eine Auswerteeinheit ausgestaltet sein. Die Steuereinheit kann vorzugsweise das vom Detektor erhaltene Signal dazu nutzen, um eine Weiterverarbeitung According to a further aspect of the invention, a control unit for operating a LIDAR device is provided, the control unit being set up to control a deflector of the LIDAR device or a detector of the LIDAR device. In addition, the control unit can be designed as an evaluation unit. The control unit can preferably use the signal received by the detector for further processing
vorzunehmen. Insbesondere kann die Weiterverarbeitung hochparallel erfolgen und parallel arbeitende Prozessoren, wie beispielsweise GPUs oder FPGAs, aufweisen. make. In particular, the further processing can take place in highly parallel fashion and have processors operating in parallel, such as GPUs or FPGAs.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Empfangseinheit, insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung, bereitgestellt. Die Empfangseinheit weist einen Detektor auf, wobei einzelne Abschnitte des Detektors sukzessive mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit zum Detektieren von reflektierten Strahlen aktivierbar sind oder, wobei die einzelnen Abschnitte des Detektors durch einen Deflektor mit einem sich gleichmäßig verändernden Ablenkungsgrad mit reflektierten Stahlen bestrahlbar sind. According to a further aspect of the invention, a receiving unit, in particular for a LIDAR device, is provided. The receiving unit has a detector, with individual sections of the detector successively can be activated at a uniform speed for detecting reflected rays, or the individual sections of the detector can be irradiated with reflected steels by a deflector with a uniformly changing degree of deflection.
Durch die LIDAR-Vorrichtung und die eingesetzte Empfangseinheit können mit Hilfe des Deflektors die Strahlen zu verschiedenen Zeiten auf verschiedene Orte auf dem Chip bzw. dem Detektor gelenkt werden. Dadurch kann eine With the aid of the deflector, the LIDAR device and the receiver unit used can be used to direct the beams to different locations on the chip or the detector at different times. This can cause a
Laufzeitanalyse im Chip selbst entfallen, sodass schnell agierende Detektor nicht notwendig sind. Insbesondere können durch die LIDAR-Vorrichtung die Runtime analysis in the chip itself is omitted, so that fast-acting detectors are not necessary. In particular, the LIDAR device
Anforderungen an die Auslesegeschwindigkeit verringert werden. Readout speed requirements are reduced.
Dadurch kann die Laufzeit in einen Ort innerhalb des Detektors kodiert werden, sodass Laufzeitanalyse auf eine Bildanalyse transformiert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich statt über den Detektor bzw. Sensor mit den This allows the transit time to be encoded in a location within the detector, so that the transit time analysis is transformed to an image analysis. Alternatively or additionally, it is possible to use the instead of the detector or sensor
empfangenen Strahlen zu scannen, einzelne Zeilen des Detektors nacheinander aktiv zu schalten. to scan received beams, to activate individual rows of the detector one after the other.
Die Strahlen werden vorzugsweise mit einem sich konstant verändernden Ablenkungsgrad über den Detektor hinweg abgelenkt. Hierdurch können reflektierte Strahlen aus einer minimalen Entfernung beispielsweise in einem Randabschnitt des Detektors abgebildet werden und die aus einer maximalen Entfernung zurückreflektierten Strahlen auf einem gegenüberliegenden The beams are preferably deflected across the detector with a constantly changing degree of deflection. In this way, reflected rays can be imaged from a minimum distance, for example in an edge section of the detector, and the rays reflected back from a maximum distance on an opposite one
Randabschnitt gelenkt werden. Die gesamte Fläche des Detektors kann somit als Indikator für die unterschiedlichen möglichen Laufzeiten der reflektierten Strahlen dienen. Basierend auf dem Ort bzw. dem Abschnitt, welcher die reflektierten Strahlen detektiert, kann eine Laufzeit der entsprechenden Strahlen abgeleitet werden. Edge section to be steered. The entire surface of the detector can thus serve as an indicator of the different possible transit times of the reflected rays. Based on the location or the section that detects the reflected rays, a propagation time of the corresponding rays can be derived.
Der Deflektor kann beispielsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit den Grad der Ablenkung der ankommenden Strahlen entlang der Fläche des The deflector can, for example, at a constant speed, the degree of deflection of the incoming rays along the surface of the
Detektors verändern. Der Deflektor kann beispielsweise bei einem Emittieren der Strahlen den Grad der Ablenkung derart einstellen, dass die reflektierten Change detector. When the beams are emitted, the deflector can, for example, adjust the degree of deflection such that the reflected ones
Strahlen auf einen Randabschnitt oder eine Ecke des Detektors gelenkt werden. Mit zunehmender Zeit verändert sich der Grad der Ablenkung kontinuierlich weiter, bis die Zeit erreicht ist, welche reflektierte Strahlen benötigen, um aus einer maximalen Entfernung der LIDAR-Vorrichtung zurück zum Detektor zu gelangen. Anschließend kann der Deflektor den Ablenkungsgrad erneut an den Rand der Detektorfläche ausrichten. Der Deflektor kann hierbei den Beams are directed to an edge portion or a corner of the detector. As time goes on, the level of distraction changes continuously continue until the time it takes for reflected rays to return to the detector from a maximum distance of the LIDAR device. The deflector can then realign the degree of deflection to the edge of the detector surface. The deflector can do this
Ablenkungsgrad beliebig einstellen, wodurch die ankommenden Strahlen abhängig von ihrer Laufzeit an definierte Positionen bzw. Abschnitte des Detektors gelenkt werden. Hierbei Ablenkung der am Detektor ankommenden Strahlen kann entlang der gesamten Fläche des Detektors in zwei Dimensionen ausgestaltet sein. Set the degree of deflection as desired, which means that the incoming beams are directed to defined positions or sections of the detector depending on their duration. Deflection of the beams arriving at the detector can be configured in two dimensions along the entire surface of the detector.
Basierend auf der Position der am Detektor detektierten Strahlen kann die Laufzeit technisch einfach zugeordnet werden, sodass der Detektor nicht mehr vollständig von einer Auswerteeinheit ausgelesen werden muss. Vielmehr reicht eine Identifizierung des Abschnitts des Detektors aus, welcher den Strahl wahrgenommen hat, um die Laufzeit des entsprechenden Strahls und damit die Entfernung zu ermitteln. Based on the position of the beams detected at the detector, the transit time can be assigned in a technically simple manner so that the detector no longer has to be completely read out by an evaluation unit. Rather, an identification of the section of the detector which perceived the beam is sufficient to determine the transit time of the corresponding beam and thus the distance.
Die Ablenkung der Strahlen auf den Detektor kann durch das Einwirken des Deflektors oder durch entsprechendes bereichsweises aktivieren und deaktivieren von einzelnen Bereichen des Detektors erfolgen. Durch das Aktivieren und Deaktivieren von unterschiedlichen Abschnitten des Detektors kann die Ablenkfunktion des Deflektors durch Ansteuern einzelner Bildpunkte oder Flächenabschnitte des Detektors nachgeahmt werden. The beams can be deflected onto the detector by the action of the deflector or by activating and deactivating individual areas of the detector by appropriate areas. By activating and deactivating different sections of the detector, the deflecting function of the deflector can be imitated by actuating individual pixels or surface sections of the detector.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Detektor als ein CCD-Sensor oder als ein Detektorarray ausgestaltet. Durch die Verwendung eines Detektorarrays anstatt eines Einzeldetektors kann die Messung der ankommenden Strahlen hochparallel gestaltet und somit die Effizienz erhöht werden. Insbesondere muss der Detektor nicht mehr schnell und oft auslesbar sein, um eine entsprechende Tiefenauflösung zu generieren. Die According to one exemplary embodiment, the at least one detector is designed as a CCD sensor or as a detector array. By using a detector array instead of a single detector, the measurement of the incoming beams can be made highly parallel and thus the efficiency can be increased. In particular, the detector no longer has to be read quickly and often in order to generate a corresponding depth resolution. The
Tiefenauflösung kommt allein von der Strahlbewegung über den Sensor. Depth resolution comes solely from the beam movement over the sensor.
Durch den Einsatz eines CCD-Sensors bzw. CCD-Chips kann eine preiswerte und hochauflösende Alternative zu Detektorarrays realisiert werden. Der CCD- Sensor kann abschnittsweise oder reihenweise aktiviert werden. Die aktivierten Abschnitte können ankommendes Licht oder ankommende Strahlen detektieren. Durch Wechseln der aktivierten Abschnitte nach definierten konstanten oder veränderlichen Zeitabschnitten kann abhängig davon, welche Abschnitte die ankommenden Strahlen detektieren, eine Laufzeit den ermittelten Strahlen zugeordnet werden. Hierbei kann das vollständige Signal bzw. die reflektierten Strahlen auf dem gesamten CCD-Sensor abgebildet werden. Dabei können die Detektorpixel beispielsweise reihenweise auf empfindlich geschaltet werden. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass ein Deflektor entfallen kann. By using a CCD sensor or CCD chip, an inexpensive and high-resolution alternative to detector arrays can be realized. The CCD sensor can be activated section by section or row by row. The activated Sections can detect incoming light or incoming rays. By changing the activated sections according to defined constant or changeable time sections, depending on which sections detect the incoming beams, a transit time can be assigned to the determined beams. The complete signal or the reflected rays can be imaged on the entire CCD sensor. The detector pixels can be switched to sensitive in rows, for example. The advantage of this design is that a deflector can be omitted.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die einzelnen Abschnitte des According to a further embodiment, the individual sections of the
Detektors punktförmig, flächig oder linienförmig geformt. Die Abschnitte können somit flexibel durch eine Steuereinheit oder Auswerteeinheit aktiviert werden. Detector shaped like a point, surface or line. The sections can thus be activated flexibly by a control unit or evaluation unit.
Beispielsweise kann das Prinzip für die Detektion einer ganzen Laserlinie, eines sogenannten vertical Flash, nutzen. Dabei wird die gesamte Laserlinie abgelenkt und somit auf einem zweidimensionalen Sensor in einer Richtung die Laufzeit, und in der anderen Richtung der Ort detektiert. Dadurch gestaltet sich das Prinzip hochparallel und das erhaltene Signal eignet sich vorzugsweise zur Weiterverarbeitung in parallelen Prozessoren wir GPUs oder FPGAs. For example, the principle can be used for the detection of an entire laser line, a so-called vertical flash. The entire laser line is deflected and the transit time is thus detected on a two-dimensional sensor, and the location is detected in the other direction. As a result, the principle is highly parallel and the signal obtained is preferably suitable for further processing in parallel processors such as GPUs or FPGAs.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Deflektor ein Akustooptischer Modulator. Je nach Ausgestaltung kann die Empfangseinheit neben dem According to a further exemplary embodiment, the deflector is an acousto-optical modulator. Depending on the design, the receiving unit can be next to the
Detektor einen Deflektor aufweisen. Der Deflektor kann dabei auf verschiedene Art realisiert werden. Beispielsweise können akustooptische Deflektoren, Mikrospiegel oder andere Deflektoren eingesetzt werden. Diese können vorzugsweise mit der Steuereinheit gekoppelt und von dieser ansteuerbar sein. Durch den Deflektor wird das einfallende Licht auf einen oder mehrere ausgewählte Pixel bzw. eine ausgewählte Zeile des Detektors gelenkt. Der Deflektor verändert dabei mit konstanter Geschwindigkeit den Grad der Detector have a deflector. The deflector can be implemented in different ways. For example, acousto-optical deflectors, micromirrors or other deflectors can be used. These can preferably be coupled to the control unit and can be controlled by it. The deflector directs the incident light onto one or more selected pixels or a selected line of the detector. The deflector changes the degree of the at a constant speed
Ablenkung. Dadurch wird die Laufzeit des ankommenden Strahls im Ort des Pixels bzw. der Zeile kodiert und kann anschließend durch Bildverarbeitung verarbeitet werden. Basierend auf der örtlichen Verteilung der detektierten Strahlen auf der Detektorfläche kann eine Laufzeit dem detektierten Strahlen zugeordnet werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die LIDAR-Vorrichtung eine Deflection. As a result, the transit time of the incoming beam is coded in the location of the pixel or the line and can then be processed by image processing. Based on the local distribution of the detected beams on the detector surface, a transit time can be assigned to the detected beams. According to a further embodiment, the LIDAR device has a
Steuereinheit auf, die mit dem Detektor und/oder dem Deflektor verbunden ist. Hierdurch kann eine aktive Ansteuerung des Deflektors und/oder des Detektors durch die Steuereinheit erfolgen. Insbesondere kann eine kontinuierliche Variation der bestrahlten oder aktivierten Bereiche des Detektors durch die Steuereinheit umgesetzt werden. Control unit, which is connected to the detector and / or the deflector. As a result, the control unit can actively control the deflector and / or the detector. In particular, the control unit can implement a continuous variation of the irradiated or activated areas of the detector.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist innerhalb einer Laufzeitspanne entsprechend einem Reichweitenbereich der LIDAR-Vorrichtung jeder Abschnitt des Detektors mindestens einmal aktivierbar oder bestrahlbar. Die erreichbare Tiefenauflösung des Detektorkonzepts (bzw. wie viele verschiedene Laufzeiten detektiert werden können), hängt allgemein von der Anzahl der Detektorpixel in der scannenden Richtung entlang der Detektorfläche ab und von der According to a further embodiment, each section of the detector can be activated or irradiated at least once within a time span corresponding to a range of the LIDAR device. The achievable depth resolution of the detector concept (or how many different transit times can be detected) generally depends on and from the number of detector pixels in the scanning direction along the detector surface
Scanfrequenz. Für beispielsweise LIDAR-Reichweiten im Bereich von etwa 10- 200m ist eine Lichtlaufzeit von 0.07-1 3ps zu erwarten. Damit kann innerhalb dieser Zeitspanne der komplette Detektor abgerastert werden. Das bedeutet, dass die Deflektorfrequenz gemäß diesem Beispiel im Bereich von etwa 770kHz liegt. Dadurch sind bei LI DAR Anwendung vorzugsweise nicht-mechanische Deflektoren einsetzbar. Derartige Deflektoren können beispielsweise Scanning frequency. For example, for LIDAR ranges in the range of around 10 to 200 m, a light travel time of 0.07 to 3 ps is to be expected. This means that the entire detector can be scanned within this period. This means that the deflector frequency according to this example is in the range of approximately 770 kHz. As a result, non-mechanical deflectors can preferably be used in LI DAR applications. Such deflectors can for example
akustooptische Modulator sein. be an acousto-optical modulator.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei zeitlich versetzt reflektierte Strahlen von unterschiedlichen aktivierten Abschnitten des Detektors detektierbar oder von dem Deflektor auf unterschiedliche Abschnitte des Detektors oder nacheinander auf den Detektor lenkbar. Hierdurch kann die Wiederholfrequenz zu Lasten der Auflösung reduziert werden indem innerhalb eines Detektorumlaufs mehrere Signale detektiert werden. Das Prinzip ist dabei frei skalierbar und kann auf die technischen Spezifikationen angepasst werden. Hierbei können parallel oder versetzt mehrere Strahlen auf jeweils According to a further embodiment, at least two beams reflected at different times can be detected by different activated sections of the detector or can be directed by the deflector to different sections of the detector or one after the other to the detector. As a result, the repetition frequency can be reduced at the expense of the resolution by detecting a plurality of signals within one detector cycle. The principle is freely scalable and can be adapted to the technical specifications. Here, several beams can be parallel or offset on each
unterschiedliche Bereiche des Detektors gelenkt werden. different areas of the detector can be directed.
Alternativ oder zusätzlich können die erzeugten Strahlen in den Abtastbereich nacheinander pulsartig ausgestrahlt werden. Diese Strahlenpulse können innerhalb eines Messzyklus gemessen und somit zeitlich nacheinander auf dem Detektor scannend abgebildet werden. Eine entsprechende Empfangseinheit ist nicht nur auf LIDAR-Vorrichtungen bzw. -Anwendungen beschränkt und kann generell bei allen Anwendungen eingesetzt werden, welche Laufzeitmessungen von Strahlen durchführen. Alternatively or additionally, the beams generated can be successively emitted in the scanning area in a pulse-like manner. These radiation pulses can be measured within a measurement cycle and can thus be imaged in succession on the detector. A corresponding receiving unit is not only limited to LIDAR devices or applications and can generally be used in all applications which carry out time-of-flight measurements of beams.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen The following are based on highly simplified schematic
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen Illustrations of preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail. Show here
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, 1 is a schematic representation of a LIDAR device according to an embodiment,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 shows a schematic illustration of a receiving unit according to a first exemplary embodiment,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und Fig. 3 is a schematic representation of a receiving unit according to a second embodiment and
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Fig. 3 is a schematic representation of a receiving unit according to a third embodiment.
Die Figur 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 4 auf. 1 shows a schematic representation of a LIDAR device 1 according to an embodiment. The LIDAR device 1 has a transmitting unit 2 and a receiving unit 4.
Die Sendeeinheit 2 dient zum Erzeugen und Emittieren von Strahlen 6 entlang eines Abtastbereiches A. Beispielsweise können die erzeugten Strahlen 6 als Laserstrahlen ausgestaltet sein. Hierfür weist die Sendeeinheit 4 einen der Einfachheit halber nicht dargestellten Laser auf. Die Sendeeinheit 2 kann die Strahlen 6 mit einer definierten Pulsfrequenz erzeugen und emittieren. Dies kann durch eine Steuereinheit 8 koordiniert und initiiert werden. The transmission unit 2 is used to generate and emit beams 6 along a scanning area A. For example, the beams 6 generated can be designed as laser beams. For this purpose, the transmission unit 4 has a laser, which is not shown for the sake of simplicity. The transmission unit 2 can generate and emit the beams 6 with a defined pulse frequency. This can be coordinated and initiated by a control unit 8.
Die Empfangseinheit 4 weist einen Detektor 10 und einen Deflektor 12 auf. Die auf an der Empfangseinheit 4 ankommenden bzw. im Abtastbereich A reflektierten Strahlen 14 werden von der Empfangseinheit 4 auf einen Deflektor 12 gelenkt. The receiving unit 4 has a detector 10 and a deflector 12. The arriving at the receiving unit 4 or in the scanning area A reflected rays 14 are directed by the receiving unit 4 onto a deflector 12.
Der Deflektor 12 ist hier als ein Akustooptischer Modulator ausgeführt und wird von der Steuereinheit 8 angesteuert. Durch den Deflektor 12 werden die ankommenden Strahlen 14 auf kontinuierlich wechselnde Abschnitte des Detektors 10 gelenkt, wodurch eine Laufzeitanalyse basierend auf dem Ort auf dem Detektor 10, welcher die Strahlen 14 detektiert, durchführbar ist. The deflector 12 is designed here as an acousto-optical modulator and is controlled by the control unit 8. The incoming beams 14 are directed by the deflector 12 to continuously changing sections of the detector 10, as a result of which a transit time analysis can be carried out based on the location on the detector 10 which detects the beams 14.
In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Ablenkungsgrad der FIG. 2 shows a schematic illustration of a receiving unit 4 according to a first exemplary embodiment. The degree of distraction
ankommenden Strahlen 14 durch den Deflektor 12 wird mit einer konstanten Geschwindigkeit verändert. incoming beams 14 through the deflector 12 are changed at a constant speed.
Der Detektor 10 ist der Übersicht halber als ein Zeilendetektor dargestellt, um das Funktionsprinzip zu verdeutlichen. Der Detektor 10 ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. For the sake of clarity, the detector 10 is shown as a line detector in order to clarify the principle of operation. However, the detector 10 is not limited to this embodiment.
Durch den sich zeitlich verändernden Ablenkungsgrad der ankommenden Strahlen 14 können ausgehend von dem Zeitpunkt to der Strahlenerzeugung jedem Detektorabschnitt 16 eine Zeit zugeordnet werden, welche der Due to the time-varying degree of deflection of the incoming beams 14, a time can be assigned to each detector section 16 starting from the point in time to when the beams were generated
ankommende Strahl 14 benötigt. Gemäß dem Beispiel sind die Abschnitte 16 des Detektors 10 als Detektorpixel ausgestaltet. Ein erster Detektorpixel entspricht somit einem Zeitpunkt t1 , welches der kürzesten Laufzeit der Strahlen 14 und damit der kürzesten messbaren Entfernung entspricht. Entsprechend sind alle Detektorpixel 16 mit einer Laufzeit N kodiert, sodass abhängig davon, welcher Detektorpixel 16 die ankommenden Strahlen 14 detektiert eine Laufzeit ermittelt werden kann. incoming beam 14 needed. According to the example, the sections 16 of the detector 10 are designed as detector pixels. A first detector pixel thus corresponds to a point in time t1, which corresponds to the shortest transit time of the beams 14 and thus the shortest measurable distance. Accordingly, all detector pixels 16 are coded with a transit time N , so that depending on which detector pixel 16 detects the incoming beams 14, a transit time can be determined.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann das einfallende Licht bzw. Strahlen 14 durch den Deflektor 12 abhängig von der Laufzeit des Lichts 14 abgelenkt werden. Dadurch trifft das Licht je nach Laufzeit auf einen anderen Pixel 16 des Detektors 10. Anschließend lässt sich die Laufzeit aus der Intensitätsverteilung ableiten. Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit 4 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten According to this exemplary embodiment, the incident light or rays 14 can be deflected by the deflector 12 depending on the transit time of the light 14. As a result, the light strikes another pixel 16 of the detector 10 depending on the transit time. The transit time can then be derived from the intensity distribution. FIG. 3 shows a schematic illustration of a receiving unit 4 according to a second exemplary embodiment. In contrast to the first
Ausführungsbeispiel, weist die Empfangseinheit 4 als vertikale Laserlinie ausgestaltete ankommende Strahlen 14 auf, welche von dem Deflektor 12 auf einen Detektor 10 gelenkt werden. In the exemplary embodiment, the receiving unit 4 has incoming beams 14 designed as a vertical laser line, which are deflected by the deflector 12 onto a detector 10.
Der Detektor 10 kann hier als ein CCD-Sensor ausgeführt sein. Die Strahlen 14 werden als vertikale Linie auf Abschnitte 18 des Detektors 10 gelenkt. Die Abschnitte 18 sind hier als Zeilen des Detektors 10 ausgestaltet, sodass einer Zeile 18 eine Zeitinformation bzw. jeweils ein Laufzeit N zugeordnet ist. Die jeweiligen Spalten XI-XN können für zusätzliche Funktionen eingesetzt werden. Beispielsweise können somit parallel die Laufzeit und verschiedene Orte detektiert werden. The detector 10 can be designed here as a CCD sensor. The beams 14 are directed as a vertical line onto sections 18 of the detector 10. The sections 18 are configured here as lines of the detector 10, so that time information or respectively a transit time N is assigned to a line 18. The respective columns X I -X N can be used for additional functions. For example, the transit time and different locations can thus be detected in parallel.
Die Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit 4 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen werden unterschiedliche Abschnitte 17, 18, 19 des Detektors 10 durch die Steuereinheit 4 sukzessive oder parallel zueinander aktiviert bzw. erneut deaktiviert. FIG. 4 shows a schematic illustration of a receiving unit 4 according to a third exemplary embodiment. In contrast to the exemplary embodiments already described, different sections 17, 18, 19 of the detector 10 are activated or deactivated again successively or in parallel with one another by the control unit 4.
Dies kann als eine Erweiterung des zweiten Ausführungsbeispiels umgesetzt werden. Der Unterschied liegt darin, dass der Deflektor 12 im Zeitraum ti-tß den ersten Puls auf den Detektor 10 abbildet und danach das Scannen fortsetzt, anstatt zum Anfang des Detektors 10 zurückzukehren. Dadurch kann im darauffolgenden Bereich ein zweiter und entsprechend ein dritter Puls auf den Detektor 10 abgebildet werden. This can be implemented as an extension of the second embodiment. The difference is that the deflector 12 images the first pulse onto the detector 10 in the period ti-t β and then continues the scanning instead of returning to the beginning of the detector 10. As a result, a second and, accordingly, a third pulse can be imaged on the detector 10 in the subsequent area.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Unterteilung des Sensorarrays bzw. des Detektors 10 zur Detektion mehrerer Strahlen 14, 20, 22. Dabei wird die Zeitauflösung für jeden Einzelpuls 14, 20, 22 um den Faktor drei reduziert, aber auch die notwendige Deflektionsfrequenz beispielsweise von 770kHz auf 256 kHz gesenkt. In einem Detektorbild können somit drei Signale 14, 20, 22 gleichzeitig detektiert werden. Für jedes Signal 14, 20, 22 stehen mehrere Abschnitte 17, 18, 19 zur Verfügung, welche mit entsprechenden Laufzeiten ti-tß kodiert sind. According to the exemplary embodiment, the sensor array or detector 10 is subdivided to detect a plurality of beams 14, 20, 22. The time resolution for each individual pulse 14, 20, 22 is reduced by a factor of three, but the necessary deflection frequency is also reduced, for example from 770 kHz Lowered 256 kHz. Three signals 14, 20, 22 can thus be detected simultaneously in one detector image. For each signal 14, 20, 22 there are several sections 17, 18, 19 available which are coded with corresponding transit times ti-t ß .

Claims

Ansprüche Expectations
1. LIDAR-Vorrichtung (1 ) zum Abtasten eines Abtastbereichs (A), aufweisend eine Sendeeinheit (2) zum Erzeugen von Strahlen (6) und zum Ablenken der Strahlen (6) entlang des Abtastbereichs (A) und aufweisend eine 1. LIDAR device (1) for scanning a scanning area (A), comprising a transmission unit (2) for generating beams (6) and for deflecting the beams (6) along the scanning area (A) and having one
Empfangseinheit (4) mit mindestens einem Detektor (10) zum Empfangen von reflektierten Strahlen (14), dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Abschnitte (16, 18) des Detektors (10) zum Detektieren der reflektierten Strahlen (14) in definierten zeitlichen Abständen nacheinander aktivierbar sind oder die reflektierten Strahlen (14) durch einen Deflektor (12) mit einem sich verändernden Ablenkwinkel auf einzelne Abschnitte (16, 18) des  Receiving unit (4) with at least one detector (10) for receiving reflected beams (14), characterized in that individual sections (16, 18) of the detector (10) for detecting the reflected beams (14) can be activated one after the other at defined time intervals or the reflected rays (14) through a deflector (12) with a changing deflection angle onto individual sections (16, 18) of the
Detektors (10) ablenkbar sind.  Detector (10) are deflectable.
2. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der mindestens eine 2. LIDAR device according to claim 1, wherein the at least one
Detektor (10) als ein CCD-Sensor oder als ein Detektorarray ausgestaltet ist.  Detector (10) is designed as a CCD sensor or as a detector array.
3. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die einzelnen 3. LIDAR device according to claim 1 or 2, wherein the individual
Abschnitte (16, 18) des Detektors (10) punktförmig, flächig oder linienförmig geformt sind.  Sections (16, 18) of the detector (10) are punctiform, flat or linear.
4. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der 4. LIDAR device according to one of claims 1 to 3, wherein the
Deflektor (12) ein Akustooptischer Modulator ist.  Deflector (12) is an acousto-optical modulator.
5. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die LIDAR- Vorrichtung (1 ) eine Steuereinheit (8) aufweist, die mit dem Detektor (10) und/oder dem Deflektor (12) verbunden ist. 5. LIDAR device according to one of claims 1 to 4, wherein the LIDAR device (1) has a control unit (8) which is connected to the detector (10) and / or the deflector (12).
6. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei innerhalb einer Laufzeitspanne ( N) entsprechend einem Reichweitenbereich der LIDAR- Vorrichtung (1 ) jeder Abschnitt (16, 18) des Detektors (10) mindestens einmal aktivierbar oder bestrahlbar ist. 6. LIDAR device according to one of claims 1 to 5, wherein each section (16, 18) of the detector (10) can be activated or irradiated at least once within a runtime span ( N ) corresponding to a range of coverage of the LIDAR device (1).
7. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens zwei zeitlich versetzt reflektierte Strahlen (14, 20, 22) von unterschiedlichen aktivierten Abschnitten (17, 18, 19) des Detektors (10) detektierbar sind oder von dem Deflektor (12) auf unterschiedliche Abschnitte (17, 18, 19) des Detektors (10) oder nacheinander auf den Detektor (10) lenkbar sind. 7. LIDAR device according to one of claims 1 to 6, wherein at least two temporally staggered reflected beams (14, 20, 22) from different activated sections (17, 18, 19) of the detector (10) are detectable or from the deflector ( 12) can be directed onto different sections (17, 18, 19) of the detector (10) or one after the other onto the detector (10).
8. Steuereinheit (8) zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist einen Deflektor (12) der LIDAR-Vorrichtung (1 ) oder einen Detektor (10) der LIDAR-Vorrichtung (1 ) anzusteuern. 8. Control unit (8) for operating a LIDAR device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (8) is set up to a deflector (12) of the LIDAR device (1) or a detector (10) of the LIDAR -Drive (1).
9. Empfangseinheit (4), insbesondere für eine LIDAR-Vorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend einen Detektor (10), wobei einzelne Abschnitte (16, 18) des Detektors (10) sukzessive mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit zum Detektieren von reflektierten 9. receiving unit (4), in particular for a LIDAR device (1) according to one of claims 1 to 7, comprising a detector (10), wherein individual sections (16, 18) of the detector (10) successively at a uniform speed Detect reflected
Strahlen (14) aktivierbar sind oder, wobei die einzelnen Abschnitte (16, 18) des Detektors (10) durch einen Deflektor (12) mit einem sich verändernden Ablenkungsgrad mit reflektierten Stahlen (14) bestrahlbar sind.  Beams (14) can be activated, or the individual sections (16, 18) of the detector (10) can be irradiated with reflected steels (14) by a deflector (12) with a changing degree of deflection.
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