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Die Erfindung betrifft eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl, mit mindestens einer Strahlenquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strahls und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls in mindestens einen Lichtwellenleiter, mit einer Ablenkvorrichtung zum Ablenken des mindestens einen Strahls in den Abtastbereich, mit einer Empfangseinheit zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls auf einen Detektor.
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Stand der Technik
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Übliche LIDAR (Light detection and ranging) -Vorrichtungen bestehen aus einer Sende- und einer Empfangseinrichtung. Die Sendeeinrichtung weist eine Strahlenquelle auf, welche Strahlen kontinuierlich oder gepulst erzeugt. Die erzeugten Strahlen können anschließend über Ablenkvorrichtungen oder über eine ablenkbare Strahlenquelle definiert in einen Abtastbereich emittiert werden. Treffen diese Strahlen auf ein bewegliches oder stationäres Objekt, werden die Strahlen von dem Objekt in Richtung der Empfangseinrichtung reflektiert. Die Empfangseinrichtung kann die reflektierte elektromagnetische Strahlung detektieren und den reflektierten Strahlen eine Empfangszeit zuordnen. Dies kann beispielsweise im Rahmen einer „Time of Flight“-Analyse für eine Ermittlung einer Entfernung des Objektes zu der LIDAR-Vorrichtung verwendet werden. Abhängig von einem Anwendungsbereich kann neben einer kostengünstigen Herstellung und einer Robustheit der LIDAR-Vorrichtung der benötigte Bauraum einen entscheidenden Faktor darstellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine LIDAR-Vorrichtung zu schaffen, die einen minimalen Bauraumbedarf aufweist.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereiches mit mindestens einem Strahl bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen des mindestens einen Strahls und zum Einkoppeln des mindestens einen Strahls in mindestens einen Lichtwellenleiter auf. Eine Ablenkvorrichtung dient zum Ablenken des mindestens einen eingekoppelten Strahls in den Abtastbereich. Die LIDAR-Vorrichtung weist eine Empfangsoptik zum Empfangen mindestens eines an einem Objekt reflektierten Strahls und zum Ablenken des mindestens einen reflektierten Strahls auf einen Detektor auf. Erfindungsgemäß weist die Ablenkvorrichtung ein holografisches optisches Element und einen Spatial Light Modulator auf.
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Die mindestens eine Strahlenquelle kann kontinuierlich oder in einer definierten Pulsfolge mindestens einen elektromagnetischen Strahl erzeugen. Die mindestens eine Strahlenquelle ist hier derart zu dem Lichtwellenleiter angeordnet, dass die erzeugten Strahlen ganz oder teilweise in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden können. Dies bedeutet, dass zumindest ein Teil mindestens eines erzeugten Strahls sich durch einen Kern des Lichtwellenleiters fortsetzen und einem Verlauf des Lichtwellenleiters möglichst verlustfrei folgen kann. Hierdurch kann die mindestens eine Strahlenquelle im Hinblick auf einen minimalen Bauraumbedarf platziert werden, da die erzeugten Strahlen durch den Lichtwellenleiter beliebig geführt werden können. Der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl kann anschließend von der Ablenkvorrichtung abgelenkt werden. Dies geschieht durch eine Kombination eines holografischen optischen Elementes mit einem Spatial Light Modulator bzw. einem räumlichen Modulator für die erzeugten Strahlen. Alternativ kann statt des Spatial Light Modulators ein statischer Spiegel angeordnet sein. Dies kann beispielsweise bei Flash-LIDAR-Vorrichtungen vorteilhaft sein, da keine beweglichen Spiegel notwendig sind. Der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl folgt dem Verlauf des Lichtwellenleiters durch Totalreflektionen an Reflektionsseiten des Lichtwellenleiters. Die Reflektionsseiten stellen Grenzbereiche zwischen dem Kern des Lichtwellenleiters und einem den Kern umgebenden Material des Lichtwellenleiters dar. Die Reflektionsseiten können auch Grenzflächen zwischen zwei Bereichen bzw. Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes sein. Um das Licht aus einem Totalreflexionswinkel abzulenken und einen vorzugsweise nahezu senkrechten Einfall auf den an einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters positionierten Spatial Light Modulator zu realisieren, ist die dem Spatial Light Modulator gegenüberliegende Reflektionsseite des Lichtwellenleiters mit einem holografischen optischen Element versehen. Vorzugsweise kann das holografische optische Element ein Volumenhologramm mit einer optischen Umlenkfunktion sein. Anstatt einer Totalreflektion an einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters kann ein eingekoppelter Strahl auf das holografische optische Element treffen und von diesem unter einem größeren Winkel auf die dem holografischen optischen Element gegenüberliegende Reflektionsseite des Lichtwellenleiters und damit auf den Spatial Light Modulator reflektiert werden. Das holografische optische Element weist durch seine Eigenschaften eine kleine Winkelselektivität auf, sodass eine optische Funktion des holografischen optischen Elementes nur innerhalb eines kleinen Winkelbereiches, wie beispielsweise weniger als 1°, gegeben sein kann. Die erzeugten Strahlen sind vorzugsweise Laserstrahlen, die spektral schmalbandig sein können. Das holografische optische Element kann somit im Hinblick auf eine benötigte Winkelselektivität und die verwendeten Wellenlängen der Strahlenquelle besonders präzise auf die erzeugten Strahlen ausgelegt werden. Innerhalb des definierten Winkelbereiches kann das holografische optische Element reflektierend wirken. Außerhalb des Winkelbereiches kann das holografische optische Element ankommende Strahlen unbeeinflusst transmittieren. Nach einem Umlenken eines ankommenden Strahls durch das holografische optische Element auf den Spatial Light Modulator wird der mindestens eine Strahl von dem Spatial Light Modulator erneut in Richtung des holografischen optischen Elementes reflektiert. Durch einen resultierenden größeren Winkel im Strahlengang kann der mindestens eine Strahl durch das holografische optische Element transmittieren. Alternativ oder zusätzlich können der Transmission durch das holografische optische Element definierte Filterfunktionen und/oder optische Strahlenformungsfunktionen zugewiesen werden.
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Bei einer Verwendung von Spatial Light Modulatoren als Reflektoren muss üblicherweise der einfallende Strahl in einem relativ kleinen Winkel zur Flächennormale auf das SLM fallen. Der entsprechende Winkel kann beispielsweise 3° bis 10° sein. Es kann somit ein Bauraum mit mehreren cm oder bis mehreren 10cm Länge notwendig sein, der insbesondere aus einer verwendeten Strahlquelle, einer nachfolgenden Strahlaufweitung und einer Freiraumpropagation resultiert. Durch die Einkopplung mindestens eines Strahls über einen Lichtwellenleiter in Kombination mit einem holografischen optischen Element ist eine besonders flache Bauweise für eine Beleuchtungsoptik der LIDAR-Vorrichtung möglich. Des Weiteren führt dies zu einer Vermeidung von Abschattungen und konstruktionsseitigen Konflikten aus einem Belichtungsstrahlengang zum Belichten eines Abtastbereiches und einem Empfangsstrahlengang, der in dem Abtastbereich von einem Objekt reflektiert wurde.
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Als mögliche Ausführungsformen für den Spatial Light Modulator können beispielsweise ferroelektrische Flüssigkristalle auf einem Siliziumsubstrat bzw. LCoS, Mikrospiegelarrays als Anordnung von Piston Mirrors und dergleichen verwendet werden. Hierbei können hohe Schaltgeschwindigkeiten erreicht werden.
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Nach einem Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl aus dem Lichtwellenleiter durch die Ablenkvorrichtung auskoppelbar. Die Ablenkvorrichtung ist derart mit dem Lichtwellenleiter verbindbar, dass die in den Lichtwellenleiter eingekoppelten Strahlen durch die Ablenkvorrichtung aus dem Lichtwellenleiter austreten können. An dem holografischen optischen Element wird ein eingekoppelter Strahl unter einem größeren Winkel, relativ zu der jeweiligen Reflektionsseite des Lichtwellenleiters, auf die gegenüberliegende Seite des Lichtwellenleiters reflektiert. Auf der gegenüberliegenden Seite wird der Strahl erneut in Richtung des holografischen optischen Elementes zurück reflektiert. Durch die Abhängigkeit der optischen Funktion des holografischen optischen Elementes von einem Einfallswinkel des Strahls, kann der Strahl bei einem erneuten Auftreffen durch das holografische optische Element ungehindert transmittieren. Hierdurch kann ein in den Lichtwellenleiter eingekoppelter Strahl quer zu einer Ausdehnung des Lichtwellenleiters aus diesem ausgekoppelt und zum Belichten eines Abtastbereiches verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist der mindestens eine in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahl aus dem Lichtwellenleiter durch die Ablenkvorrichtung unter unterschiedlichen Abtastwinkeln auskoppelbar. Der Spatial Light Modulator der Ablenkvorrichtung weist eine Vielzahl an Pixeln auf, die einen eingekoppelten ankommenden Strahl unter definierten und veränderlichen Winkeln reflektieren können. Somit kann der Spatial Light Modulator die Aufgabe eines beweglichen Spiegels übernehmen. Hierdurch können die für einen üblichen schwenkbaren Ablenkspiegel benötigten Komponenten, wie beispielsweise Rotationseinheit, Antriebseinheiten, Parabolspiegel und dergleichen entfallen und der benötigte Bauraum für die LIDAR-Vorrichtung reduziert werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist die Ablenkvorrichtung zumindest bereichsweise mit einer Reflektionsseite des Lichtwellenleiters strahlenleitend verbindbar. Die Ablenkvorrichtung kann beispielsweise an einen Kern des Lichtwellenleiters formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig anbringbar sein. Alternativ kann die Ablenkvorrichtung an einem lichtleitenden Substrat formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig anbringbar sein. Hierdurch kann die Ablenkvorrichtung an einer beliebigen Stelle eines Lichtwellenleiters angebracht sein, sodass beispielsweise der Lichtwellenleiter austauschbar ausgeführt sein kann. Diese Verbindungsart ermöglicht auch ein nachträgliches Austauschen der jeweiligen Komponenten und kann eine Montage der LIDAR-Vorrichtung vereinfachen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist die Ablenkvorrichtung zumindest bereichsweise integral mit dem Lichtwellenleiter strahlenleitend verbindbar. Alternativ oder zusätzlich zum kraftschlüssigen oder formschlüssigen Verbinden der Ablenkvorrichtung mit dem Lichtwellenleiter, kann die Ablenkvorrichtung stoffschlüssig mit dem Lichtwellenleiter verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch nachträgliches Kleben der Komponenten realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich können zumindest einige der Komponenten, wie beispielsweise das holografische optische Element bereits bei einer Herstellung des Lichtwellenleiters in einen äußeren Mantel des Lichtwellenleiters integriert werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist mindestens ein optisches Element in einem Strahlengang des mindestens einen ausgekoppelten Strahls angeordnet. Nachdem ein eingekoppelter Strahl durch die Ablenkvorrichtung aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt wurde, kann dieser durch mindestens eine Optik bzw. mindestens ein optisches Element nachträglich geformt werden. Der mindestens eine ausgekoppelte Strahl kann beispielsweise derart abgelenkt werden, dass die LIDAR-Vorrichtung einen größeren Abstrahlwinkel aufweisen kann. Somit kann ein größerer Abtastbereich belichtet werden. Mehrere ausgekoppelte Strahlen können alternativ oder zusätzlich zu einem linienförmigen Strahl geformt werden, welcher zum Belichten des Abtastbereiches genutzt werden kann.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung ist das mindestens eine optische Element ein umgekehrtes Kepler-Teleskop. Es können zwei fokussierende Linsen unterschiedlicher Brennweiten derart zueinander angeordnet werden, dass eine erste Brennebene der ersten Linse und eine zweite Brennebene der zweiten Linse zusammenfallen. Hierdurch kann ein Kepler-Teleskop realisiert werden. Wenn eine Brennweite der zweiten Linse größer ist als die Brennweite der ersten Linse, ist die optische Anordnung ein umgekehrtes Kepler-Teleskop, welcher zu einer Strahlaufweitung verwendet werden kann. Insbesondere kann hierdurch ein Abtastwinkel und damit auch der Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung vergrößert werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung weist das optische Element zwei Linsen auf, die eine gemeinsame Brennebene haben. Eine Auslegung der LIDAR-Vorrichtung kann vereinfacht werden, wenn die Brennebene der ersten Linse und die Brennebene der zweiten Linse deckungsgleich sind. Der mindestens eine aus dem Lichtwellenleiter durch die Ablenkvorrichtung ausgekoppelte Strahl kann hierdurch gemäß einem Verhältnis der zweiten Brennweite und der ersten Brennweite in einem Austrittswinkel aufgeweitet bzw. abgelenkt werden
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der LIDAR-Vorrichtung koppelt die mindestens eine Strahlenquelle den mindestens einen Strahl über eine Erzeugungsoptik in den mindestens einen Lichtwellenleiter ein. Der mindestens eine erzeugte Strahl kann dadurch unabhängig von einer Strahlenquelle optimal in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Der mindestens eine erzeugte Strahl kann derart in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden, dass er unter einem optimalen Winkel durch Totalreflektionen an den Reflektionsseiten des Lichtwellenleiters von dem Lichtwellenleiter geführt wird. Die Reflektionsseiten des Lichtwellenleiters können auch Grenzflächen zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichen Brechungsindizes sein. Hierdurch können auch Fertigungstoleranzen und montagebedingte Abweichungen zwischen der Strahlenquelle und dem Lichtwellenleiter ausgeglichen werden. Die Erzeugungsoptik kann hier aus einem oder mehreren optischen Elementen, wie beispielsweise Linsen, bestehen. Die optischen Elemente können auch teilweise oder ganz in den Lichtwellenleiter integriert sein oder zumindest teilweise mit dem Lichtwellenleiter verbunden sein.
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Im Rahmen der Erfindung können auch mehrere Strahlenquellen verwendet werden, die parallel oder sequenziell in einen oder mehrere Lichtwellenleiter erzeugte Strahlen einkoppeln können. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Strahlenquelle über entsprechende Erzeugungsoptik mindestens einen erzeugten Strahl in mehrere Lichtwellenleiter einkoppeln.
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Im Folgenden wird anhand von einer stark vereinfachten schematischen Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 2 auf. Die Strahlenquelle 2 ist hier ein Infrarotlaser 2, welcher kohärente Laserstrahlen 3 erzeugt. Die Strahlenquelle 2 ist derart positioniert, dass die erzeugten Strahlen 3 über eine Erzeugungsoptik 4 in einen Lichtwellenleiter 6 eingekoppelt werden. Ein in den Lichtwellenleiter 6 eingekoppelter Strahl 5 wird an Reflektionsseiten 8, 10 des Lichtwellenleiters 6 vollständig reflektiert und folgt dadurch einem Verlauf des Lichtwellenleiters 6. Im Verlauf des Lichtwellenleiters 6 ist an einer Reflektionsseite 8 des Lichtwellenleiters 6 ein holografisches optisches Element 12 angeordnet. Das holografische optische Element 12 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Volumenhologramm 12, welches winkelselektive optische Funktionen aufweist. Unter einem Winkel von beispielsweise kleiner als 1° relativ zu der Reflektionsseite 8 weist das Volumenhologramm 12 eine optische Umlenkfunktion auf. Somit können die auf das Volumenhologramm 12 einfallenden Strahlen 5 eine Winkelabweichung von ±0.5° von einem Akzeptanzwinkel des Volumenhologramms 12 aufweisen. Der Winkel der einfallenden Strahlen 5 muss kleiner als ein Totalreflexionswinkel des Lichtwellenleiters 6 sein. Ein eingekoppelter Strahl 5 wird bei einem Auftreffen auf das Volumenhologramm 12 durch die optische Umlenkfunktion unter einem größeren Winkel relativ zu der Reflektionsseite 8 in Richtung der gegenüberliegenden Reflektionsseite 10 umgelenkt bzw. reflektiert.
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Auf der gegenüberliegenden Reflektionsseite 10 des Lichtwellenleiters 6 ist ein Spatial Light Modulator 14 angeordnet. Das Volumenhologramm 12 und der Spatial Light Modulator 14 bilden zusammen eine Ablenkvorrichtung 16 der LIDAR-Vorrichtung 1. Der Spatial Light Modulator 14 weist eine Vielzahl an Pixeln auf, die einen Strahl in definierte Richtungen reflektieren können. Die jeweiligen Pixel können je nach Abtastrate und Anforderung der LIDAR-Vorrichtung 1 einzeln oder gemeinsam angesteuert werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Spatial Light Modulator 14 ein LCoS (liquid cristall on silicium). Der Spatial Light Modulator 14 dient hier als ein kompakter Ablenkspiegel mit einer Vielzahl an Pixeln bzw. Mikrospiegeln. Der mindestens eine von dem Volumenhologramm 12 auf den LCoS 14 umgelenkte Strahl wird von dem LCoS 14 erneut in Richtung des Volumenhologramms 12 reflektiert. Der ankommende Strahl weist durch das Umlenken und das erneute Reflektieren an dem LCoS 14 einen größeren Winkel relativ zu der Reflektionsseite 8 des Lichtwellenleiters 6 auf. Der vom LCoS 14 reflektierte Strahl 7 kann wegen der Winkelselektivität der optischen Funktion des Volumenhologramms 12 durch das Volumenhologramm 12 ungehindert transmittieren. Hierdurch wird der mindestens eine Strahl 7 aus dem Lichtwellenleiter 6 ausgekoppelt. Die Ablenkvorrichtung 16 koppelt den Strahl 7 quer zu einem Verlauf des Lichtwellenleiters 6 aus. An das Volumenhologramm 12 grenzt ein optisches Element 18. Das optische Element 18 ist hier ein umgekehrtes Kepler-Teleskop 18, welches aus einer ersten Linse 20 und einer zweiten Linse 22 besteht. Die zweite Linse 22 weist eine größere Brennweite auf als die erste Linse 20. Somit dient das optische Element 18 einer Strahlaufweitung des ausgekoppelten Strahls 7. Nach einem Passieren des ausgekoppelten Strahls 7 durch das optische Element 18 wird der ausgekoppelte Strahl 7 zu mindestens einem emittierten Strahl 9. Durch das optische Element 18 weist der emittierte Strahl 9 einen größeren Abstrahlwinkel auf als der mindestens eine ausgekoppelte Strahl 7. Zur Verdeutlichung der Funktion des LCoS 14 und des optischen Elementes 18 sind mehrere unter verschiedenen Winkeln ausgekoppelten Strahlen 7 und anschließend emittierten Strahlen 9 gestrichelt dargestellt. Durch das LCoS 14 kann ein Abtastwinkel mit den emittierten Strahlen 9 belichtet werden. Zusätzlich kann der Lichtwellenleiter 6 mit der Ablenkvorrichtung 16 rotiert oder geschwenkt werden, um einen zweiten Abtastwinkel und damit einen räumlichen Abtastbereich belichten zu können.
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Sofern ein Objekt 24 in dem Abtastbereich positioniert ist, können die emittierten Strahlen 9 an dem Objekt 24 reflektiert oder zu der LIDAR-Vorrichtung 1 zurück gestreut werden. Hierdurch werden die emittierten Strahlen 9 zu reflektierten Strahlen 11. Die an dem Objekt 24 reflektierten bzw. gestreuten Strahlen 11 können anschließend von einer Empfangsoptik 26 empfangen werden. Die Empfangsoptik 26 ist in der Figur zur Veranschaulichung als eine Linse 26 dargestellt. Die Empfangsoptik 26 kann aus mehreren Linsen, Filtern und diffraktiven optischen Elementen bestehen. Der mindestens eine reflektierte Strahl 11 wird von der Empfangsoptik 26 empfangen und auf einen nachfolgend positionierten Detektor 28 gelenkt. Der Detektor 28 weist eine Vielzahl an Detektorpixeln auf, die den reflektierten Strahl 11 empfangen können und in ein analoges Detektorsignal wandeln. Das analoge Detektorsignal kann anschließend von einer Auswerteeinheit 30 digitalisiert und beispielsweise im Rahmen einer „Time-of-Flight“-Analyse ausgewertet werden.
