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Die Erfindung betrifft eine Empfängereinheit für eine Laserabtastvorrichtung, wobei die Empfängereinheit eine äußere Konvexlinse und einen Bildsensor aufweist, der der äußeren Konvexlinse zugeordnet ist, so dass der Bildsensor ausgelegt ist, Licht zu erfassen, das durch die äußere Konvexlinse hindurchgetreten ist. Die Erfindung betrifft auch eine Laserabtastvorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Erfassen von Licht mittels einer Empfängereinheit.
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Verschiedene Laserabtastvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie Lidars oder Projektoren. Insbesondere für fahrzeugbezogene Anwendungen ist das erforderliche Abtastsichtfeld, insbesondere in der horizontalen Richtung, gewöhnlich sehr groß, beispielsweise 150 °. Die Abmessungen eines B ildsensors sollten sehr klein sein, da der Preis von solchen Bildsensoren von der Sensorfläche abhängt. Somit wäre einerseits für normale, kleine Bildsensoren eine Linse mit einer kurzen Brennweite zum Bereitstellen eines großen Sichtfeldes erforderlich. Um genügend Licht zu sammeln, um ein effektives empfangenes Signal zu erhalten, sollte andererseits die effektive Apertur einer solchen Empfängerlinse so groß wie möglich sein. Somit wäre eine Linse mit einer äußerst kleinen Blendenzahl erforderlich, die als Brennweite dividiert durch die Apertur definiert ist. Für herkömmliche Bildsensor-Objektivlinsen ist jedoch die Blendenzahl gewöhnlich größer als 1 und eine einzelne Linse mit einer niedrigen Blendenzahl ist schwierig herzustellen und ebenso teuer. Eine Möglichkeit zum Verwirklichen eines großen Sichtfeldes wäre die Verwendung einer Fischaugenlinse. Nominal sind jedoch solche Fischaugenlinsen sehr teuer und leiden insbesondere unter dem Nachteil, dass ihre effektive Apertur im Vergleich zu ihrem Durchmesser sehr klein ist. Zum Bereitstellen einer hohen Erfassungsqualität und gleichzeitig eines großen Sichtfeldes stehen daher bis jetzt nur teure Lösungen zur Verfügung, wie die Verwendung von großen und teuren Bildsensoren.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Empfängereinheit, eine Laserabtastvorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die eine hohe Erfassungsqualität und gleichzeitig eine kostengünstige Ausgestaltung ermöglichen, die insbesondere die Verwendung von preiswerteren Bildsensoren ermöglichen und dennoch ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis bereitstellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, ferner die Möglichkeit zu schaffen, ein großes Sichtfeld mit einer großen Apertur gleichzeitig in einer kostengünstigen Weise zu verwirklichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Empfängereinheit, eine Laserabtastvorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Die Empfängereinheit für einen Laserabtaster gemäß der Erfindung umfasst eine erste äußere Konvexlinse und den ersten Bildsensor, der der ersten äußeren Konvexlinse zugewiesen ist, so dass der erste Bildsensor ausgelegt ist, Licht zu erfassen, das durch die erste äußere Konvexlinse hindurchgetreten ist. Überdies umfasst die Empfängereinheit eine erste Shutter-Vorrichtung, die zwischen der ersten äußeren Konvexlinse und dem ersten Bildsensor angeordnet ist. Ferner ist die erste Shutter-Vorrichtung dazu ausgelegt, eine einzelne erste Öffnung in einer ersten Position zu mindestens einem ersten Zeitpunkt bereitzustellen und die einzelne erste Öffnung in einer zweiten Position, die von der ersten Position verschieden ist, zu mindestens einem zweiten Zeitpunkt bereitzustellen. Ferner sind die erste äußere Konvexlinse, die erste Shutter-Vorrichtung und der erste Bildsensor derart angeordnet, dass, wenn die erste Öffnung sich in der ersten Position befindet, nur Licht, das von einem bestimmten ersten Raumbereich relativ zur Empfängereinheit ausgeht und durch die erste äußere Konvexlinse hindurchtritt, durch den ersten Bildsensor erfasst werden kann, und wenn die erste Öffnung sich in der zweiten Position befindet, nur Licht, das von einem bestimmten zweiten Raumbereich relativ zur Empfängereinheit ausgeht und durch die erste äußere Konvexlinse hindurchtritt, durch den ersten Bildsensor erfasst werden kann.
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Dadurch basiert die Erfindung auf der folgenden Idee: Ein Laserabtaster zum Abtasten seiner Umgebung emittiert gewöhnlich Lichtstrahlen nacheinander in verschiedenen Richtungen. Wenn ein Laserabtaster einen solchen Lichtstrahl in einer bestimmten Richtung emittiert und ein Objekt in dieser Richtung positioniert ist, wird zumindest ein Teil des Lichtstrahls gegen diese bestimmte Richtung zurückreflektiert und kann von der Empfängereinheit erfasst werden. Wenn die Empfängereinheit einen Teil eines Laserlichtstrahls empfängt, ist daher die Richtung, von der dieser Lichtstrahl ausgeht, bereits bekannt, da es die Richtung ist, in der der Laserlichtstrahl emittiert wurde. Somit besteht im Prinzip keine Notwendigkeit für enien räumlich auflösenden Bildsensor, was es möglich macht, die Korrelation zwischen dem Einfallswinkel und Pixeln zu durchbrechen, was bedeutet, dass das ganze Licht, das auf die Empfängereinheit auftrifft, egal aus welcher Richtung es ausgeht, im Prinzip in einem Pixel eines Bildsensors gesammelt werden könnte, was einen sehr preiswerten Bildsensor ermöglichen würde. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass auch mehr störendes Umgebungslicht ebenso gesammelt werden würde und daher zu einem sehr niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis führen würde. Dies kann nun vorteilhafterweise mittels der ersten Shutter-Vorrichtung vermieden werden, die zwischen der ersten äußeren Konvexlinse und dem ersten Bildsensor angeordnet ist. Die erste Shutter-Vorrichtung macht es möglich, dass nur Licht, das von einem bestimmten Raumbereich der Umgebung der Empfängereinheit und relativ zur Empfängereinheit ausgeht, und insbesondere nur Licht, das eine Ausbreitungsrichtung innerhalb eines bestimmten Richtungsbereichs aufweist, durch den ersten Bildsensor erfasst werden kann. Dies macht es möglich, die Emission von Lichtstrahlen mit der Position der ersten Öffnung der ersten Shutter-Vorrichtung zu korrelieren, so dass zu einer bestimmten Zeit der erste Bildsensor nur ausgelegt ist, Licht aus den Richtungen zu empfangen, an denen man interessiert ist, nämlich der Richtung, in der der Lichtstrahl durch die Laserabtastvorrichtung in diesem Zeitschritt emittiert wurde. Wenn beispielsweise ein Laserlichtstrahl in einer ersten Richtung in einem ersten Zeitschritt emittiert wird, wird dann die Shutter-Vorrichtung somit für diesen ersten Zeitschritt derart eingestellt, dass sich die erste Öffnung in einer Position befindet, so dass Licht, das von einem Raumbereich ausgeht, der dieser ersten Richtung zugeordnet ist, durch die erste äußere Konvexlinse, durch die Öffnung der Shutter-Vorrichtung hindurchtreten kann und durch den Bildsensor empfangen werden kann. Wenn in einem zweiten Zeitschritt ein Laserlichtstrahl in einer zweiten Richtung, die von der ersten verschieden ist, in Bezug auf die Empfängereinheit emittiert wird, wird die erste Shutter-Vorrichtung für diesen zweiten Zeitschritt derart eingestellt, dass die erste Öffnung in einer anderen Position vorgesehen ist, so dass nun Licht, das von einem zweiten Raumbereich ausgeht, der der zweiten Richtung zugeordnet ist, in der der Laserlichtstrahl emittiert wurde, durch die erste äußere Konvexlinse, durch die Öffnung der Shutter-Vorrichtung hindurchtreten kann und durch den Bildsensor empfangen werden kann. Daher kann die Menge an störendem Streulicht wie Sonnenlicht, das durch den Bildsensor empfangen wird, auf ein Minimum reduziert werden, da Umgebungslicht, das von anderen Richtungen und nicht von dem Raumbereich, der der aktuellen Position der Öffnung zugeordnet ist, ausgeht, daher vorteilhafterweise durch die erste Shutter-Vorrichtung blockiert werden kann. Mittels der Empfängereinheit gemäß der Erfindung kann folglich das Signal-Rausch-Verhältnis signifikant verbessert werden und gleichzeitig kann ein sehr preiswerter Bildsensor verwendet werden.
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Mittels der ersten Shutter-Vorrichtung kann Licht, das aus verschiedenen Richtungen kommt, daher selektiv empfangen werden und vorteilhafterweise können diese Empfangsrichtungen auf die interessierenden Richtungen mittels der in der Position variablen Öffnung der ersten Shutter-Vorrichtung eingestellt werden. Überdies kann die erste Shutter-Vorrichtung dazu ausgelegt sein, viel mehr verschiedene Positionen für die erste Öffnung bereitzustellen als nur die erste und die zweite Position. Jede Position der ersten Öffnung entspricht dann dem jeweiligen Raumbereich, aus dem Licht durch den Bildsensor empfangen werden kann, und entspricht insbesondere auch einem bestimmten Einfallswinkelbereich.
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Die verschiedenen Raumbereiche, wie der erste und der zweite Raumbereich, von denen in diesem bestimmten Zeitschritt Licht durch den Bildsensor empfangen und detektiert werden kann, erstrecken sich vorzugsweise von der ersten äußeren Konvexlinse in einer bestimmten vordefinierten Richtung mit einer definierten, nicht notwendigerweise konstanten, aber vielleicht auch zunehmenden Breite senkrecht zu ihrer Verlaufsrichtung und unterscheiden sich um einen bestimmten Winkel voneinander. Im Hinblick auf eine vordefinierte Ebene, die die optische Achse der ersten äußeren Konvexlinse enthält, können sich beispielsweise die verschiedenen Raumbereiche radial oder sternförmig von der ersten äußeren Konvexlinse erstrecken. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der ersten Öffnung und den verschiedenen Positionen, in denen die erste Öffnung vorgesehen sein kann, können überdies verschiedene bestimmte Raumbereiche zumindest in einem Abstand von der äußeren Konvexlinse überlappen, der kleiner ist als ein vordefinierter Wert, oder können voneinander beabstandet sein, zumindest in dem Abstand von der Empfängereinheit, der größer ist als der vordefinierte Wert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der erste Bildsensor nur ein einzelnes Pixel und ist daher ein Ein-Pixel-Bildsensor. Dies bedeutet, dass der Bildsensor einen Bildbereich aufweist und der Bildsensor nur dazu ausgelegt ist zu detektieren, ob Licht auf diesen Bildbereich einfällt oder nicht, aber nicht wo in diesem Bildbereich das Licht empfangen wird. Ein solcher Ein-Pixel-Bildsensor ist vorteilhafterweise viel preiswerter als beispielsweise ein räumlich auflösender 2D-Bildsensor.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängereinheit zusätzlich mindestens eine zweite äußere Konvexlinse, mindestens einen zweiten Bildsensor, der der mindestens einen zweiten äußeren Konvexlinse zugewiesen ist, und mindestens eine zweite Shutter-Vorrichtung in einem Bereich zwischen der mindestens einen zweiten äußeren Konvexlinse und dem mindestens einen zweiten Bildsensor, wobei die erste äußere Konvexlinse einem ersten Sichtfeld zugeordnet ist und die mindestens eine zweite äußere Konvexlinse mindestens einem zweiten Sichtfeld zugeordnet ist, wobei das erste und das mindestens eine zweite Sichtfeld ein Gesamtsichtfeld der Empfängereinheit bilden, wobei das Gesamtsichtfeld größer ist als jeweils das das erste und das mindestens eine zweite Sichtfeld. Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform können ein sehr großes Gesamtsichtfeld und eine große Apertur der Empfängereinheit gleichzeitig verwirklicht werden. Somit kann vorteilhafterweise ein großes Gesamtsichtfeld als Zusammensetzung der einzelnen Sichtfelder bereitgestellt werden, die den jeweiligen äußeren Konvexlinsen zugeordnet sind.
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Gewöhnlich würde dies bedeuten, dass auch die Kosten für die Bildsensoren sehr hoch wären, da für jede Konvexlinse ein jeweiliger teurer Bildsensor erforderlich wäre. Da es jedoch die Erfindung möglich macht, sehr kostengünstige und einfache Bildsensoren zu verwenden, wie Ein-Pixel-Bildsensor, ohne das Signal-Rausch-Verhältnis zu beeinflussen oder zu verringern, ist es auch möglich, dieses große Gesamtsichtfeld als Zusammensetzung von einzelnen Sichtfeldern von mehreren äußeren Konvexlinsen in einer sehr kostengünstigen Weise bereitzustellen. Da nun insbesondere ein erforderliches Gesamtsichtfeld in kleine Sichtfelder aufgeteilt werden kann, die jeweils einer äußeren Konvexlinse zugeordnet sind, besteht keine Notwendigkeit mehr, diese separaten äußeren Konvexlinsen mit einer äußerst niedrigen Blendenzahl bereitzustellen, um Bildsensorchips mit einer annehmbaren Größe verwenden zu können. Somit können auch die äußeren Konvexlinsen in einer sehr kostengünstigen Weise hergestellt werden und weder teure Fischaugenlinsen noch teure Bildsensoren sind erforderlich.
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Überdies muss das Sichtfeld, das der äußeren Konvexlinse zugeordnet ist, nicht notwendigerweise als Sichtfeld der äußeren Konvexlinse selbst verstanden werden, sondern vielmehr als effektives Sichtfeld der Kombination der äußeren Konvexlinse und des jeweiligen Bildsensors. Vorzugsweise ist jedoch der Bildsensor derart ausgelegt, dass das ganze Sichtfeld der äußeren Konvexlinse mindestens in einer Richtung, insbesondere einer horizontalen Richtung im Hinblick auf die beabsichtigte Anordnungsposition der Empfängereinheit an einem Fahrzeug, durch den jeweiligen Bildsensor zumindest in einer zeitlichen Sequenz erfasst werden kann.
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Im Allgemeinen kann die Empfängereinheit jede beliebige Anzahl von äußeren Konvexlinsen und jeweiligen Shutter-Vorrichtungen und Bildsensoren aufweisen. Somit kann die Empfängereinheit mehrere einzelne Empfängersegmente aufweisen, wobei jedes Segment eine äußere Konvexlinse, eine Shutter-Vorrichtung und einen Bildsensor aufweist. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Empfängereinheit nur zwei oder drei äußere Konvexlinsen und jeweilige Shutter-Vorrichtungen und Bildsensoren, folglich nur zwei oder drei Empfängersegmente, aufweist, da dies die kostengünstigste Weise ist, um ein Gesamtsichtfeld von vorzugsweise 120°bis 180°, ins besondere von 150°in mindestens einer definierten Ebene bereitzustellen, die vorzugsweise die optische Achse jeder äußeren Konvexlinse aufweist, und die vorzugsweise die horizontale Ebene im Hinblick auf die beabsichtigte Anordnungsposition der Empfängereinheit an einem Fahrzeug bildet. Um ein Gesamtsichtfeld von beispielsweise 150°bereitzustellen, können drei äußere Konvexlinsen bereitgestellt werden, die jeweils ein Sichtfeld von 50°aufweisen, oder zwei äußere Konvexlinsen können verwendet werden, die jeweils ein Sichtfeld von 75°aufweisen, zumindest im Hinblick auf die vorste hend genannte definierte Ebene. Die Sichtfelder der äußeren Konvexlinsen müssen jedoch nicht gleich groß sein, sie können auch voneinander verschieden sein. Um ein Gesamtsichtfeld in einer sehr effektiven Weise aufzuteilen, ist es bevorzugt, dass jede Konvexlinse einem Sichtfeld von mindestens 20°und im Hinblick auf mindestens eine definierte Ebene zugeordnet ist. Daher werden viel Flexibilität und viele Möglichkeiten zum Bilden eines großen Gesamtsichtfeldes bereitgestellt und daher ist die Empfängereinheit auf einfache Weise konfigurierbar und an viele verschiedene Situationen oder Anwendungen anpassungsfähig.
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Das Arbeitsprinzip der Kombination der mindestens einen zweiten äußeren Konvexlinse, der zweiten Shutter-Vorrichtung und des zweiten Bildsensors ist dasselbe, wie bereits im Hinblick auf die erste äußere Konvexlinse, die erste Shutter-Vorrichtung und den ersten Bildsensor erläutert. Insbesondere ist die mindestens eine zweite Shutter-Vorrichtung somit auch dazu ausgelegt, eine einzelne zweite Öffnung in der dritten Position und zum mindestens einen ersten oder einem dritten Zeitpunkt bereitzustellen und die zweite Öffnung in einer vierten Position, die von der dritten Position verschieden ist, zu dem mindestens einen zweiten oder einem vierten Zeitpunkt bereitzustellen. Und überdies sind die zweite äußere Konvexlinse, die zweite Shutter-Vorrichtung und der zweite Bildsensor derart angeordnet, dass, wenn die zweite Öffnung sich in der dritten Position befindet, nur Licht, das von einem bestimmten dritten Raumbereich relativ zur Empfängereinheit ausgeht und durch die zweite äußere Konvexlinse hindurchtritt, durch den zweiten Bildsensor erfasst werden kann, und wenn sich die zweite Öffnung in der vierten Position befindet, nur Licht, das von einem vierten Raumbereich relativ zur Empfängereinheit ausgeht und durch die zweite äußere Konvexlinse hindurchtritt, durch den zweiten Bildsensor erfasst werden kann.
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Somit stellt auch das zweite Empfängersegment vorteilhafterweise die Möglichkeit der Verwendung eines sehr preiswerten Bildsensors wie eines Ein-Pixel-Bildsensors bereit und stellt gleichzeitig ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis bereit. Auch die zweite Shutter-Vorrichtung kann überdies dazu ausgelegt sein, die zweite Öffnung in viel mehr Positionen als nur in der dritten und der vierten Position bereitzustellen, jede Position ist wieder dem entsprechenden Raumbereich zugeordnet, aus dem Licht empfangen werden kann. Diese bestimmten Raumbereiche wie der dritte und der vierte Raumbereich können auch ausgelegt sein, wie bereits im Hinblick auf den ersten und den zweiten und andere Raumbereiche erläutert, die der Kombination der ersten äußeren Konvexlinse, der ersten Shutter-Vorrichtung und des ersten Bildsensors zugeordnet sind.
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In Abhängigkeit von der Konfiguration der Laserabtastvorrichtung mit der Empfängereinheit kann ferner die Empfängereinheit derart ausgelegt sein, dass die einzelnen Empfängersegmente nur Licht in einer zeitlichen Sequenz, aber nicht gleichzeitig empfangen können, oder andererseits kann die Empfängereinheit auch derart ausgelegt sein, dass die einzelnen Empfängersegmente dazu ausgelegt sein können, Licht gleichzeitig zu empfangen. Wenn beispielsweise die Laserabtastvorrichtung dazu ausgelegt ist, Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen gleichzeitig zu emittieren, wie in eine erste und eine zweite Emissionsrichtung, kann die Empfängereinheit derart ausgelegt sein, dass die erste Öffnung der ersten Shutter-Vorrichtung in einer bestimmten Position vorgesehen wird, die der ersten Emissionsrichtung zugeordnet ist, und gleichzeitig die zweite Öffnung der zweiten Shutter-Vorrichtung in einer bestimmten Position vorgesehen wird, die der zweiten Emissionsrichtung zugeordnet ist. Und wenn andererseits die Laserabtastvorrichtung dazu ausgelegt ist, Lichtstrahlen in verschiedenen Richtungen nur jeweils einmal in einer zeitlichen Sequenz zu emittieren, ist auch die Empfängereinheit dazu ausgelegt, die erste und die zweite Öffnung in entsprechenden Positionen in dieser zeitlichen Sequenz bereitzustellen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Empfängereinheit eine erste innere Konvexlinse, die zwischen der ersten Shutter-Vorrichtung und dem ersten Bildsensor angeordnet ist, wobei die innere Konvexlinse derart ausgestaltet ist, dass der Lichtstrahl, der durch die äußere Konvexlinse und die erste Öffnung der ersten Shutter-Vorrichtung hindurchgetreten ist, durch die innere Konvexlinse in Richtung des ersten Bildsensors konvergiert wird. Diese Ausführungsform hat den großen Vorteil, dass die Größe des Bildsensors verringert werden kann und ein noch preiswerterer Bildsensor bereitgestellt werden kann. Eine solche innere Konvexlinse kann auch vorteilhafterweise von den äußeren Empfängersegmenten ebenso umfasst sein, z. B. ist eine zweite innere Konvexlinse vorzugsweise zwischen der zweiten Shutter-Vorrichtung und dem zweiten Bildsensor angeordnet. Somit kann die Brennebene einer jeweiligen äußeren Konvexlinse viel größer sein als die Größe des jeweiligen Bildsensors selbst. Somit kann die ganze Empfängereinheit als sehr kompakte Anordnung bereitgestellt sein.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste äußere Konvexlinse eine erste Brennebene auf, wobei die erste Shutter-Vorrichtung in einer bestimmten Region mit der ersten Brennebene angeordnet ist und insbesondere zumindest größtenteils in der ersten Brennebene angeordnet ist. Mit anderen Worten, die erste Shutter-Vorrichtung stellt eine Shutter-Ebene bereit, in der die erste Öffnung in verschiedenen Positionen bereitgestellt werden kann, wobei diese Shutter-Ebene einen Abstand zur Brennebene aufweist, der kleiner ist als ein vordefinierter Wert. Überdies ist die Shutter-Ebene vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse der ersten äußeren Konvexlinse angeordnet.
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Das Anordnen der ersten Shutter-Vorrichtung in der Region der Brennebene der ersten äußeren Konvexlinse hat den großen Vorteil, dass die erste Öffnung des ersten Shutters sehr klein sein kann, da ein paralleles Strahlenbündel von Licht, das auf die erste äußere Konvexlinse auftrifft, auf die Brennebene der ersten Konvexlinse fokussiert wird und idealerweise einen einzelnen Brennpunkt bildet, so dass, wenn die erste Öffnung des ersten Shutters in diesem Brennpunkt vorgesehen ist, selbst wenn die Öffnung sehr klein wäre, noch das ganze Licht des Strahlenbündels durch diese Öffnung hindurchtreten könnte. Durch Positionieren des ersten Shutters in oder nahe der ersten Brennebene ist es somit möglich, die erste Öffnung mit einem sehr kleinen Durchmesser vorzusehen und ferner einen Shutter zu verwenden, de ausgelegt ist, die erste Öffnung in einer sehr großen Anzahl von verschiedenen und separaten Positionen bereitzustellen. Daher ist eine sehr hohe räumlich aufgelöste Segmentierung der einzelnen Raumbereiche ohne signifikante Lichtverluste möglich. Wenn die erste Shutter-Vorrichtung in der ersten Brennebene angeordnet wird, kann folglich das Signal-Rausch-Verhältnis maximal verbessert werden.
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Dies gilt vorzugsweise auch für die Anordnung der anderen Shutter-Vorrichtungen von anderen Empfängersegmenten im Hinblick auf ihre jeweiligen äußeren Konvexlinsen.
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Überdies kann die erste Shutter-Vorrichtung als Mikro-Shutter-Anordnung, optische Shutter-Anordnung oder Rolling-Shutter-Anordnung ausgestaltet sein. Folglich werden mehrere vorteilhafte Optionen für die Ausgestaltung der ersten und insbesondere auch der anderen Shutter-Vorrichtungen bereitgestellt. Wenn die Shutter-Vorrichtung als Anordnung ausgestaltet ist, kann eine solche Anordnung eine eindimensionale Anordnung oder eine zweidimensionale Anordnung sein. Wenn eine solche Anordnung als Einzelreihenanordnung ausgestaltet ist, sind verschiedene Positionen, in denen die Öffnung bereitgestellt werden kann, entlang einer geraden Linie angeordnet, die die einzelne Reihe bildet. Mittels einer solchen einfachen Ausgestaltung ist eine vorteilhafte Trennung der verschiedenen Raumbereiche möglich. Insbesondere in fahrzeugbezogenen Anwendungen ist gewöhnlich ein großes Sichtfeld in der horizontalen Richtung erforderlich, wohingegen das Sichtfeld in der vertikalen Richtung klein sein kann. Durch Bereitstellen einer eindimensionalen Anordnung kann eine detaillierte Segmentierung des Sichtfeldes in der horizontalen Richtung in einer sehr kostengünstigen Weise bereitgestellt werden. Die Anordnung kann jedoch auch als zweidimensionale Anordnung mit mehreren Reihen mit jeweils einer Vielzahl von verschiedenen Positionen bereitgestellt werden, in denen die erste Öffnung vorgesehen sein kann. Dadurch können die verschiedenen Raumbereiche in der horizontalen sowie in der vertikalen Richtung segmentiert werden. Dadurch können vorteilhafterweise auch zweidimensionale Informationen über die Position eines Objekts bereitgestellt werden.
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Falls die Shutter-Vorrichtung als Rolling Shutter gestaltet ist, ist der Rolling Shutter vorzugsweise dazu ausgelegt, die erste Öffnung von der ersten Position in die zweite Position in einer ersten Richtung zu bewegen, wobei insbesondere der Rolling Shutter beweglich angeordnet ist, so dass der Rolling Shutter in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beweglich ist. Der Rolling Shutter kann somit auch dazu ausgelegt sein, zweidimensionale Informationen bereitzustellen. In dieser Weise kann der Shutter in einer Richtung verschoben werden, die zur Richtung quer ist, in der die Öffnung bewegt wird, um sie von Position zu Position zu ändern, wie von der ersten Position in die zweite Position.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die erste äußere Konvexlinse eine erste optische Achse auf und die mindestens eine zweite äußere Konvexlinse weist eine zweite optische Achse auf, wobei die erste optische Achse und die zweite optische Achse sich schneiden und in einer vordefinierten Ebene liegen. Vorzugsweise fällt diese vordefinierte Ebene mit einer horizontalen Ebene in Bezug auf die beabsichtigte Anordnungsposition der Empfängereinheit an einem Fahrzeug zusammen. Selbst wenn die Empfängereinheit mehr als zwei äußere Konvexlinsen umfasst, schneiden sich somit vorzugsweise alle optischen Achsen dieser jeweiligen äußeren Konvexlinsen und liegen in derselben vordefinierten Ebene. Folglich kann ein sehr großes Gesamtsichtfeld bereitgestellt werden, das sich über einen großen Winkelbereich im Hinblick auf diese vordefinierte Ebene erstreckt. Somit kann insbesondere für fahrzeugbezogene Anwendungen ein sehr großes Gesamtsichtfeld in der horizontalen Ebene bereitgestellt werden. Für andere Anwendungen, die beispielsweise auch ein großes Sichtfeld in der vertikalen Richtung erfordern, können natürlich auch Konvexlinsen bereitgestellt werden, die derart angeordnet sind, dass ihre optischen Achsen nicht innerhalb einer einzelnen vordefinierten Ebene liegen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Laserabtastvorrichtung mit einer Empfängereinheit gemäß der Erfindung oder einer ihrer Ausführungsformen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Laserabtastvorrichtung, die vorzugsweise als Impulslaserabtaster ausgestaltet ist, umfasst die Laserabtastvorrichtung eine Sendeeinheit, die dazu ausgelegt ist, Laserlichtstrahlen nacheinander mindestens in einer ersten Richtung, die einer ersten Position der ersten Öffnung der ersten Shutter-Vorrichtung zugeordnet ist, und in einer zweiten Richtung, die der zweiten Position der ersten Öffnung der ersten Shutter-Vorrichtung zugeordnet ist, zu emittieren. Ferner umfasst die Laserabtastvorrichtung eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, die Emission der Laserlichtstrahlen und die Position der ersten Öffnung der ersten Shutter-Vorrichtung zu synchronisieren, so dass, wenn die Sendeeinheit einen Laserlichtstrahl in der ersten Richtung emittiert, die erste Öffnung sich in der ersten Position befindet, und wenn die Sendeeinheit einen Laserlichtstrahl in der zweiten Richtung emittiert, die erste Öffnung sich in der zweiten Position befindet.
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Dadurch kann die Öffnung jeder Shutter-Vorrichtung durch ein elektronisches Signal gesteuert werden, das mit den gesendeten Laserimpulsen von der Sendeeinheit synchronisiert wird. Dies gilt auch ebenso, wenn die Empfängereinheit mehr als ein Empfängersegment umfasst. Überdies ist die Laserabtastvorrichtung vorzugsweise dazu ausgelegt, Impulslaserlichtstrahlen in einer großen Anzahl von verschiedenen Richtungen zu emittieren, und jede Richtung oder jeder Emissionswinkel ist einer bestimmten Position der ersten, der zweiten oder weiteren Öffnungen der jeweiligen Shutter-Vorrichtungen zugeordnet und ist daher auch einem bestimmten Raumbereich zugeordnet. Die Emissionsrichtungen können beispielsweise jeweiligen Raumbereichen zugeordnet sein, so dass in einer vertikalen Projektion auf eine vordefinierte Ebene, insbesondere die horizontale Ebene, jede Emissionsrichtung zumindest hauptsächlich oder vollständig innerhalb des zugehörigen Raumbereichs liegt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer Empfängereinheit gemäß der Erfindung oder einer ihrer Ausführungsformen und insbesondere mit einer Laserabtastvorrichtung gemäß der Erfindung oder einer ihrer Ausführungsformen.
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Die im Hinblick auf die Empfängereinheit gemäß der Erfindung und ihren Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten analog auch für die Laserabtastvorrichtung und das Fahrzeug gemäß der Erfindung und ihren Ausführungsformen.
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Überdies betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Erfassen von Licht mittels einer Empfängereinheit für eine Laserabtastvorrichtung, wobei die Empfängereinheit eine erste äußere Konvexlinse und einen ersten Bildsensor umfasst, der der ersten äußeren Konvexlinse zugewiesen ist, so dass der erste Bildsensor ausgelegt ist, Licht zu erfassen, das durch die erste äußere Konvexlinse hindurchgetreten ist. Überdies umfasst die Empfängereinheit eine erste Shutter-Vorrichtung, die zwischen der ersten äußeren Konvexlinse und dem ersten Bildsensor angeordnet ist. Ferner stellt die erste Shutter-Vorrichtung eine einzelne erste Öffnung in einer ersten Position zu mindestens einem ersten Zeitpunkt bereit und stellt die einzelne erste Öffnung in einer zweiten Position, die von der ersten Position verschieden ist, zu mindestens einem zweiten Zeitpunkt bereit. Wenn sich die erste Öffnung in der ersten Position befindet, wird ferner nur Licht, das von einem bestimmten ersten Raumbereich relativ zur Empfängereinheit ausgeht und durch die erste äußere Konvexlinse hindurchtritt, durch den ersten Bildsensor erfasst, und wenn sich die erste Öffnung in der zweiten Position befindet, wird nur Licht, das von einem bestimmten zweiten Raumbereich relativ zur Empfängereinheit ausgeht und durch die erste äußere Konvexlinse hindurchtritt, durch den ersten Bildsensor erfasst.
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Im Hinblick auf die Empfängereinheit gemäß der Erfindung und ihren Ausführungsformen beschriebene Vorteile gelten ebenso auch für das Verfahren gemäß der Erfindung. Überdies bilden die im Hinblick auf die Ausführungsformen der Empfängereinheit beschriebenen Merkmale weiter entsprechende vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ersichtlich. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein Fahrzeug mit einer Laserabtastvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Empfängereinheit mit drei Empfängersegmenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Empfängersegments der Empfängereinheit mit einer Mikro-Shutter-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Empfängersegments der Empfängereinheit mit einem Rolling Shutter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der Draufsicht auf ein Fahrzeug 1, insbesondere den vorderen Teil eines Fahrzeugs 1, mit einem Laserabtaster 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Laserabtaster 2 umfasst eine Sendeeinheit 3 und eine Empfängereinheit 4. Die Sendeeinheit 3 ist dazu ausgelegt, Laserstrahlen 5 in einer gepulsten Weise zu emittieren, so dass jeder der dargestellten Laserstrahlen 5 durch die Sendeeinheit 3 in einem bestimmten Zeitschritt in einer bestimmten Richtung in Bezug auf die horizontale Ebene emittiert wird, die hier der x-y-Ebene des gezeigten Koordinatensystems entspricht, und die durch eine zur vertikalen Achse des Fahrzeugs 1 senkrechte Ebene definiert ist. Wenn ein Objekt 6 in der Richtung angeordnet ist, in der ein Laserstrahl 5 emittiert wird, dann wird zumindest ein Teil des Laserstrahls 5 zurückreflektiert und durch die Empfängereinheit 4 empfangen.
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Die Empfängereinheit 4 ist in 2 genauer zu sehen, die eine schematische Darstellung der Empfängereinheit 4 zeigt, die in diesem Beispiel drei Empfängersegmente 4a, 4b und 4c umfasst. Jedes der Empfängersegmente 4a, 4b, 4c umfasst eine äußere Konvexlinse 7, eine jeweilige Shutter-Vorrichtung 8 und einen jeweiligen Bildsensor 9.
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Zuallererst kann durch Vorsehen von mehreren äußeren Konvexlinsen 7, die jeweils einem jeweiligen Sichtfeld FOV1, FOV2, FOV3 zugeordnet sind, ein äußerst großes Gesamtsichtfeld 10 sowie eine große Gesamtapertur der Empfängereinheit 4 ohne die Notwendigkeit, Linsen mit einer äußerst niedrigen Blendenzahl zu verwenden, bereitgestellt werden. Das Gesamtsichtfeld 10 als Zusammensetzung der einzelnen Sichtfelder FOV1, FOV2, FOV3 ist auch in 1 dargestellt. Jedes der einzelnen Sichtfelder FOV1, FOV2, FOV3 kann einen bestimmten Blickwinkel α1, α2, α3 in der horizontalen Ebene abdecken, der derselbe sein kann, aber nicht muss. Dadurch kann z. B. ein Gesamtsichtfeld 10 von 150°durch die Zusamm ensetzung der drei Sichtfelder FOV1, FOV2, FOV3 bereitgestellt werden, die jeweils einen Blickwinkel α1, α2, α3 von 50° in der horizontalen Ebene abdecken.
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Überdies ermöglicht diese vorteilhafte Ausgestaltung der Empfängereinheit 4 ferner eine Konfiguration mit äußerst niedrigen Kosten der Bildsensoren 9, die nicht zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis führt. Insbesondere kann jeder der Bildsensoren beispielsweise als Ein-Pixel-Bildsensor mit nur einem einzigen Pixel ausgestaltet sein. Überdies ist jede der jeweiligen Shutter-Vorrichtungen 8 zwischen einer jeweiligen äußeren Konvexlinse 7 und dem entsprechenden Bildsensor 9 angeordnet.
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Diese Shutter-Vorrichtungen 8 sind derart ausgestaltet, dass in einem bestimmten Zeitschritt Licht nur durch die Shutter-Vorrichtung 8 in einer bestimmten vordefinierten Position mittels einer entsprechenden Öffnung 11 (vergleiche 3 und 4) hindurchtreten kann, die durch die Shutter-Vorrichtung 8 in dieser bestimmten Position bereitgestellt wird. Die Position dieser Öffnung 11 variiert von Zeitschritt zu Zeitschritt und wird insbesondere mit den gesendeten Laserimpulsen von der Sendeeinheit 3 synchronisiert. Somit kann für einen bestimmten Zeitschritt nur Licht, das von einem bestimmten Raumbereich 12a, 12b, 12c (vergleiche 1) mit bestimmten Einfallswinkeln ausgeht und das durch die jeweilige äußere Konvexlinse 7 hindurchtritt, auch durch die Öffnung 11 der Shutter-Vorrichtung 8 hindurchtreten und daher durch den Bildsensor 9 erfasst werden. Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis enorm, da gerades Licht von Regionen, die nicht interessieren, blockiert werden kann.
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Insbesondere trifft Licht, das von einem solchen bestimmten Bereich in einer bestimmten Ausbreitungsrichtung ausgeht, auf die äußere Konvexlinse 7 mit einem Einfallwinkel β1, β2 innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs auf, wobei der Einfallswinkel β1, β2 als Winkel zwischen einem Strahl und einer zur optischen Achse A der äußeren Konvexlinse 7 senkrechten Ebene definiert ist. Dies ist in 2 durch zwei Strahlenbündel 14 und 15 dargestellt. Das erste Strahlenbündel 14 weist einen Einfallwinkel β1 auf und wird auf einen Brennpunkt in der ersten Position 14a in einer Brennebene 16 (vergleiche 3 und 4) der äußeren Konvexlinse 7 projiziert. Das zweite Strahlenbündel 15 umfasst auch parallele Strahlen, weist einen Einfallswinkel β2 auf und wird durch Durchtreten durch die äußere Konvexlinse 7 auf die zweite Brennpunktposition 15a in der Brennebene 16 der äußeren Konvexlinse 7 fokussiert. Wenn in dieser Situation die Öffnung 11 der Shutter-Vorrichtung 8, die vorzugsweise in oder zumindest nahe der Brennebene 16 der jeweiligen äußeren Konvexlinse 7 angeordnet ist, sich in der Position des Brennpunkts 14a des ersten Strahlenbündels 14 befindet, dann kann nur Licht des ersten Strahlenbündels 14 durch die Shutter-Vorrichtung 8 hindurchtreten und durch den Bildsensor 9 erfasst werden. Wenn andererseits zu diesem Zeitpunkt die Öffnung 11 der Shutter-Vorrichtung 8 sich stattdessen in der Brennpunktposition 15a des zweiten Strahlenbündels 15 befindet, dann kann nur Licht des zweiten Strahlenbündels 15 durch die Shutter-Vorrichtung 8 hindurchtreten und durch den Bildsensor 9 erfasst werden. Folglich kann es fertiggebracht werden, dass nur Licht, das aus einer bestimmten Richtung kommt, auf den jeweiligen Bildsensor 9 projiziert wird. Diese bestimmten Richtungen, die die jeweiligen Raumbereiche 12a, 12b, 12c definieren, können nun vorteilhafterweise den jeweiligen Emissionsrichtungen 5 zugeordnet werden, was in 1 dargestellt ist. Hier sind beispielhaft nur die verschiedenen Raumbereiche 12a, 12b, 12c für das dritte Empfängersegment 4c dargestellt. Wenn die Sendeeinheit 3 einen Laserstrahl 5 in einer ersten Richtung emittiert, die in 1 im linken Teil des dritten Sichtfeldes FOV3 gezeigt ist, wird die Shutter-Vorrichtung 8 des dritten Empfängersegments 4c derart gesteuert, dass nur Licht vom ersten Raumbereich 12a empfangen werden kann. Wenn danach ein Laserstrahl 5 in einer zweiten Richtung emittiert wird, die in 1 in der Mitte des dritten Sichtfeldes FOV3 gezeigt ist, wird die Shutter-Vorrichtung 8 des dritten Empfängerabschnitts 4c derart eingestellt, dass nur Licht vom zweiten Raumbereich 12b empfangen werden kann, und wenn danach der Laserlichtstrahl 5 in einer dritten Richtung emittiert wird, die im rechten Teil des dritten Sichtfeldes FOV3 gezeigt ist, wird die Shutter-Vorrichtung 8 des dritten Empfängersegments 4c derart eingestellt, dass nur Licht vom entsprechenden dritten Raumbereich 12c empfangen werden kann. Dies kann durch Synchronisieren der Steuerung der jeweiligen Shutter-Vorrichtungen 8 mit der Emission der Laserstrahlen erreicht werden.
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Mit Rückbezug auf 2 kann jedes der Empfängersegmente 4a, 4b, 4c wahlweise auch eine zusätzliche innere Konvexlinse 17 umfassen, die das Licht, das durch die Öffnung 11 der jeweiligen Shutter-Vorrichtungen 8 hindurchgetreten ist, in Richtung der jeweiligen Bildsensoren 9 konvergiert. Mittels dieser inneren Konvexlinsen 17 kann vorteilhafterweise die Größe der Bildsensoren 9 verringert werden. Somit kann die Größe der jeweiligen Bildsensoren 9 viel kleiner sein als die Brennebene der jeweiligen äußeren Konvexlinsen 7.
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Überdies kann der Bildsensor 9 auch so ausgestaltet sein, dass er nur in einem bestimmten Spektralbereich mit den Wellenlängen des Laserlichts, das durch die Sendeeinheit 3 emittiert wird, empfindlich ist. Die Sendeeinheit 3 kann im Allgemeinen dazu ausgelegt sein, Laserlicht mit einer Wellenlänge in jedem beliebigen Spektralbereich, vorzugsweise als Infrarotspektralbereich, wie 905 nm, zu emittieren. Durch Einschränken der Empfindlichkeit der Bildsensoren 9 auf einen solchen bestimmten Spektralbereich kann das Signal-Rausch-Verhältnis weiter verbessert werden.
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Ferner können die jeweiligen Shutter-Vorrichtungen 8 in jeder beliebigen Weise ausgestaltet sein, beispielsweise als Mikro-Shutter-Anordnung, wie in 3 dargestellt, oder als Rolling Shutter, wie in 4 dargestellt.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Empfängersegments 4a der Empfängereinheit 4, wobei die Shutter-Vorrichtung 8 als Mikro-Shutter-Anordnung 8a gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltet ist. Die Shutter-Anordnung 8a kann eine Vielzahl von Öffnungen, die in verschiedenen Positionen angeordnet sind, und jeweilige Shutter-Elemente 18 zum Öffnen und Schließen der jeweiligen Öffnungen umfassen. Während des Betriebs der Laserabtastvorrichtung 2 wird nur eines der Shutter-Elemente 18 auf einmal geöffnet, um die einzelne Öffnung 11 in der entsprechenden Position bereitzustellen, so dass nur Licht von einem bestimmten Raumbereich, der dieser bestimmten Position zugeordnet ist, durch die Shutter-Anordnung 8a hindurchtreten kann.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Empfängersegments 4a der Empfängereinheit 4, wobei die Shutter-Vorrichtung 8 als Rolling Shutter 8b gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgestaltet ist. Der Rolling Shutter 8b umfasst eine einzelne Öffnung 11, die in verschiedene Positionen durch Bewegen des Shutter-Bereichs 19 in oder gegen eine bestimmte Richtung 20 bewegt werden kann. Während des Betriebs des Laserabtasters 2 bewegt sich der Rolling Shutter 8b die ganze Zeit, so dass das offene Gatter, das die Öffnung 11 bereitstellt, sich ebenso bewegt. Der Rolling Shutter 8b kann auch so ausgestaltet sein, dass sie in einer Querrichtung verschoben wird, die zur Bewegungsrichtung 20 senkrecht ist, um 2D-lnformationen zu erhalten.
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Zusammenfassend kann mittels der Erfindung eine Empfängereinheit bereitgestellt werden, dies es möglich macht, ein großes Sichtfeld und eine große Apertur gleichzeitig zu verwirklichen, und die die Verwendung von einfachen und kleinen Bildsensoren und das Verbessern des Signal-Rausch-Verhältnisses ermöglicht, wodurch eine hohe Erfassungsgenauigkeit und -qualität in einer sehr kostengünstigen Weise bereitgestellt werden.
