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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.
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Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall kommen vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging).
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Bei bekannten LiDAR-Systemen und deren optischen Anordnungen besteht ein Nachteil dahingehend, dass bei koaxialen Strahlengängen der Senderoptik und der Empfängeroptik auf der Strahlausgangsseite bzw. der Strahleingangsseite herkömmlicherweise Strahlteiler verwendet werden, die bei Linienbeleuchtung zu einem vergrößerten Bauraum des LiDAR-Systems zu einer reduzierten Empfangsapertur und/oder zu einer Verminderung im Strahldurchmesser beim Strahlaustritt führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße optische Anordnung für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei Linienbeleuchtung ohne Bauraumvergrößerung ein Linienbeleuchtungsstrahl ohne Reduktion in der Empfangsapertur bei großem Strahldurchmesser am Strahlaustritt des LiDAR-Systems ausgesandt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine optische Anordnung für ein LiDAR-System geschaffen wird, welche ausgebildet ist (i) mit einer Empfängeroptik und einer Senderoptik, welche teilweise koaxiale Strahlengänge aufweisen, (ii) mit einer Linienlichtquelle mit einer Linienorientierung, wobei die Linienorientierung insbesondere in einem Sichtfeld des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems ausgebildet ist, und (iii) mit einer Umlenkeinheit als Strahlteilereinheit in einem Übergangsbereich von einem gemeinsamen koaxialen Bereich - insbesondere auf einer Strahlaustrittsseite der Senderoptik bzw. auf einer Strahleintrittsseite der Empfängeroptik - zu einem getrennten biaxialen Bereich der Strahlengänge der Empfängeroptik und der Senderoptik - insbesondere auf einer Detektorseite bzw. auf einer Quellenseite - zur biaxialen Abzweigung eines lichtquellenseitigen Bereichs des Strahlengangs der Senderoptik.
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Erfindungsgemäß weist die Umlenkeinheit einen Langspiegel auf, welcher mit einer größeren Erstreckung in einer Längserstreckungsrichtung und mit einer geringeren Erstreckung in einer Quererstreckungsrichtung und insbesondere zur Umlenkung von Primärlicht aus der Linienlichtquelle ausgebildet ist. Ferner ist die Längserstreckungsrichtung des Langspiegels senkrecht ausgerichtet zur Linienorientierung der zu Grunde liegenden Linienlichtquelle.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann die Umlenkeinheit jeweils synonym auch als Ablenkeinheit, als Strahlteilereinheit oder als Strahlteiler bezeichnet werden.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bildet sich die so genannte Laserlinie vorzugsweise erst in einiger Entfernung von der Lichtquelleneinheit und nach Durchlaufen des Bereichs mit der Umlenkeinheit in der gewünschten Qualität aus, nämlich mit der von der Lichtquelleneinheit vorgegebenen und von der Umlenkeinheit weiter umgesetzten Linienorientierung.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System werden die Längserstreckung und die Quererstreckung der Umlenkeinheit in geeigneter Weise ins Verhältnis gesetzt zueinander und/oder zu den Aperturen und den weiteren geometrischen Eigenschaften der Senderoptik und der Empfängeroptik.
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Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Verhältnis von Längserstreckung zu Querstreckung an der Umlenkeinheit mindestens den Wert 2:1, vorzugsweise mindestens den Wert 3:1 und weiter bevorzugt mindestens den Wert 4:1 aufweist.
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Bei einer anderen zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System, weisen ein Durchmesser der Apertur des Strahlengangs der Senderoptik oder die Längserstreckung an der Umlenkeinheit im Verhältnis zur Apertur des Strahlengangs der Empfängeroptik einen Wert auf im Bereich von etwa 1:14 bis etwa 1:7.
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Bei der Ausgestaltung der Umlenkeinheit und bei der Wahl der entsprechenden Geometrie des Langspiegels bieten sich verschiedene und an die jeweilige Anwendung und die Geometrien von Empfängeroptik und Senderoptik angepasste geometrische Ausgestaltungen an.
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So ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System vorgesehen, dass der Langspiegel der Umlenkeinheit in Draufsicht auf die Umlenkeinheit die Form eines Rechtecks, eine bikonvex elliptische Form, eine bikonkave Form oder eine Doppelmeniskusform aufweist.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System sind die Senderoptik und die Empfängeroptik mit zumindest teilweise oder abschnittsweise zueinander koaxialen Strahlengängen auf der Strahlaustrittsseite der Senderoptik und/oder Strahleintrittsseite der Empfängeroptik ausgebildet.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Umlenkeinheit zumindest teilweise oder abschnittsweise biaxiale Strahlengänge auf der Seite der Lichtquelleneinheit der Senderoptik und auf der Seite einer Detektoranordnung der Empfängeroptik bildet.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug. Das LiDAR-System ist mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung ausgebildet.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System und zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet sind.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
- 1 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung im Zusammenhang mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems zeigt.
- 2 bis 4 zeigen schematische Draufsichten auf Umlenkeinheiten, die bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein LiDAR-System verwendet werden können.
- 5 zeigt eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein erfindungsgemäß ausgestaltetes LiDAR-System mit einer Umlenkeinheit mit Langspiegel.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 Ausführungsbeispiele und der technische Hintergrund der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10.
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Das LiDAR-System 1 gemäß 1 weist eine Senderoptik 60 auf, welche von einer Lichtquelleneinheit 65, z.B. mit einem Laser als Linienlichtquelle 65-1 mit Linienorientierung 65-2, gespeist wird und Primärlicht 57 erzeugt und dieses - ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 - in ein Sichtfeld 50 zur Erfassung und/oder Untersuchung einer Szene 53 und eines dort befindlichen Objekts 52 aussendet.
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Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 gemäß 1 eine Empfängeroptik 30 auf, welche Licht und insbesondere vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes Licht als Sekundärlicht 58 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und über eine Detektoroptik 35 als Sekundäroptik an eine Detektoranordnung 20 mit Detektor- oder Sensorelementen 22 überträgt.
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Die Steuerung der Lichtquelleneinheit 65 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über Steuerleitungen 42 bzw. 41 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.
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Die gemeinsame sichtfeldseitige Ablenkoptik 62 kann als Teil einer Primäroptik 34 der Empfängeroptik 30 aufgefasst werden und weist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der optischen Anordnung 10 mit einer entsprechenden Umlenkeinheit 80 auf, die in 1 rein schematisch dargestellt ist.
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Optional und vorteilhaft ist das sichtfeldseitige Vorsehen einer Aperturoptik 70 zum geeigneten Ausgeben des Primärlichts 57 und zum bündelnden Empfangen des Sekundärlichts 58.
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Die Detektoranordnung 20 kann mit einem oder mehreren Sensorelementen 22 ausgebildet sein, welche auch entsprechend der Linienorientierung 65-2 der Linienlichtquelle 65-1 nach Art eines Liniendetektors angeordnet sein können.
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Die optische Anordnung 10 ist ausgebildet für ein LiDAR-System 1 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes 50, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, und ist ausgebildet mit einer Senderoptik 60 zum Aussenden eines Sendelichtsignals in das Sichtfeld 50, einer Detektoranordnung 20 und einer Empfängeroptik 30 zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20.
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Die Empfängeroptik 30 und die Senderoptik 60 sind sichtfeldseitig mit im Wesentlichen koaxialen optischen Achsen ausgebildet und weisen eine gemeinsame Ablenkoptik 62 auf.
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Die Empfängeroptik 30 weist detektorseitig eine Sekundäroptik 35 auf, welche ausgebildet ist und Mittel umfasst, über die Ablenkoptik 62 aus dem Sichtfeld 50 einfallendes Licht inhärent auf die Detektoranordnung 20 zu richten.
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Bei der optischen Anordnung 10 ist die Senderoptik 60 allgemein ausgebildet und weist Mittel auf zum Aussenden von Primärlicht 57 in das Sichtfeld 50.
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Ferner ist bei der optischen Anordnung 10 die Empfängeroptik 30 ausgebildet und weist Mittel auf zum optischen Abbilden des Sichtfeldes 50 auf die Detektoranordnung 20.
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2 bis 4 zeigen schematische Draufsichten auf Umlenkeinheiten 80, die bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10 für ein LiDAR-System 1 verwendet werden können.
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Bei den Ausführungsformen der 2 bis 4 weist die Umlenkeinheit 80 jeweils einen Langspiegel 86 auf. Jeder Langspiegel 86 besitzt eine Längserstreckung 88 in einer Längserstreckungsrichtung 88' und eine Quererstreckung 89 in einer Quererstreckungsrichtung 89'. Die Quererstreckung 89 ist geringer als die Längserstreckung 88. Eine jeweilige Längserstreckungsrichtung 88' ist senkrecht ausgebildet zur Linienorientierung 65-2 der zu Grunde liegenden Linienlichtquelle 65-1. Die Quererstreckungsrichtungen 89' senkrecht ausgebildet zur Längserstreckungsrichtung 88' und parallel zur Linienorientierung 65-2.
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Der Langspiegel 86 der Ausführungsform der Umlenkeinheit 80 gemäß 2 besitzt die Form eines Rechtecks. Die lange Kante des Rechtecks ist dabei parallel zur Längserstreckungsrichtung 88' ausgerichtet. Die kurze Kante des Rechtecks ist parallel zur Quererstreckungsrichtung 89' ausgerichtet.
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Der Langspiegel 86 der Ausführungsform der Umlenkeinheit 80 gemäß 3 besitzt die Form einer Ellipse mit der Orientierung der großen Halbachse parallel zur Längserstreckungsrichtung 88'. Die kleine Halbachse der Ellipse ist parallel zur Quererstreckungsrichtung 89' ausgerichtet.
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Der Langspiegel 86 der Ausführungsform der Umlenkeinheit 80 gemäß 4 weist in Draufsicht eine doppelt konkave Form oder die Form eines Doppelmeniskus auf. Das bedeutet, dass die Querstreckung 88 an den Enden des Langspiegels 86 größer ist als die Quererstreckungsrichtung 89" in einem zentralen Bereich des Langspiegels 86.
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5 zeigt eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Anordnung 10 für ein erfindungsgemäß ausgestaltetes LiDAR-System 1 mit einer Umlenkeinheit 80 mit Langspiegel 86. Vorzugsweise liegt dabei der Fokus des Strahls des Primärlichts 57 in der Ebene des Langspiegels 86, wie dies schematisch in 5 dargestellt ist.
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Der Langspiegel 86 kann gemäß einer der 2 bis 4 ausgestaltet sein.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 erfolgt die senkrechte und die axiale Auslenkung in Bezug auf den Strahlengang 61 der Senderoptik 60, wogegen der Strahlengang 31 der Empfängeroptik 30 nicht ausgelenkt wird, sondern linear verläuft.
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Die gesamte optische Anordnung 10 des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 kann mittels eines entsprechenden Mechanismus um eine Drehachse drehbar sein. Sie kann dabei einen bei der Drehung wirksamen Durchmesser aufweisen.
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Die Ortsauflösung kann bei einem LiDAR-System 1 durch die gleichzeitige oder sequentielle Beleuchtung eines größeren Bereiches, z.B. einer Linie, und einer empfangsseitigen Unterscheidung anhand einer abbildenden Optik und eines Detektorarrays oder einer Detektorzeile realisiert werden.
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Besonders platzsparend und mit geringen Kosten können dabei ausgangs- und eingangsseitige miteinander koaxiale Ausführungen aufgebaut werden, bei welchen der ausgangseitige Sendepfad 61 und der eingangsseitige Empfangspfad 31 teilweise zusammenfallen.
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Der Langspiegel 86 wird verwendet um den Sendestrahl als Primärlicht 57 in die Umgebung zu reflektieren. Ein aus der Umgebung zurückgeworfenes Signal wird im Sinne von Sekundärlicht 58 empfangen.
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Dazu wird zum Beispiel ein kollimierter Laserstrahl als Primärlicht 57 emittiert. In der Regel ist es günstig, einen großen Strahldurchmesser auszusenden, da dies aus Augensicherheitsgründen vorteilhaft ist und darüber hinaus bei einer gegebenen Strahlqualität geringere Strahldivergenzen ermöglicht. Des Weiteren ist es wünschenswert, möglichst viel Fläche für die Detektion des am Target oder Objekt 52 reflektierten Lichtes 58 zur Verfügung zu haben, um bei großen Messdistanzen eine ausreichend hohe Signalintensität zu erhalten.
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Diese Kombination dieser beiden Anforderungen stellt bei herkömmlichen Anordnungen für LiDAR-Systeme einen Widerspruch dar, da die Aussendung eines größeren Strahls die Empfangsapertur verringert.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr ein Vorgehen beschrieben, wie bei einem koaxialen LiDAR-System 1 über einen Langspiegel als Strahlteiler 80 ein Linienbeleuchtungsstrahl (flash line oder line flash) ausgesendet werden kann, ohne dabei die Empfangsapertur maßgeblich zu reduzieren und gleichzeitig einen großen Strahldurchmesser an der Austrittsfläche des Systems zu gewährleisten.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung sind dementsprechend:
- - das Ausbilden eines koaxialen LiDAR-Systems 1,
- - das Abbilden einer Linie, indem nämlich ein Strahl als Primärlicht 57 in einer ersten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung kollimiert und in einer zweiten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und insbesondere auch senkrecht zur ersten Richtung divergent geformt wird,
- - das Führen des Laserstrahls als Primärlicht 57 über einen Langspiegel 86 als Strahlteiler 80,
- - das Fokussieren der divergenten Achse auf den Langspiegel 86 oder in der Nähe des Langspiegels 86, insbesondere auf die oder auf eine schmale Seite des Langspiegels 86,
- - das Kollimieren der nicht divergenten Achse, entsprechend der langen Seite des Langspiegels 86,
- - das Ausbilden der langen Seite des Langspiegels 86 um mindestens einen Faktor 2 im Vergleich zur schmalen Seite des Langspiegels 86 und/oder
- - das Erreichen einer Drehung der Linie im Fernfeld im Vergleich zur Orientierung des Langspiegels 86.
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Als Vorteile stellen sich unter anderem ein:
- - Es kann ein koaxiales Lasersystem mit geringen Abmessungen verwendet werden, wobei ein Großteil der Geräteapertur für die Detektion von Signalen eingesetzt werden kann.
- - Der ausgesendete Strahl als Primärlicht 57 besitzt am Ort des Strahlaustrittes bereits einen großen Strahldurchmesser, was für die Augensicherheit wichtig ist.
- - Der kollimierte Strahl besitzt dabei ebenfalls einen großen Strahldurchmesser, wodurch das Aussenden eines Strahls mit geringer Divergenz möglich wird.
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Besonders vorteilhaft ist dabei eine Kollimation des Strahls des Primärlichts 57. Die Divergenz des Strahls des Primärlichts 57 hängt dabei vom Strahldurchmesser, also dem minimalen Strahldurchmesser, welcher auch als Strahltaillie oder Beam-Waist bezeichnet wird, und der Strahlqualität des Strahles 57 ab.
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Je größer der Strahldurchmesser ist, desto geringer ist die Divergenz.
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In der Regel werden sehr geringe Divergenzen angestrebt, wodurch ein großer Strahldurchmesser in dieser Raumrichtung von Vorteil ist. In der anderen Raumrichtung soll der Strahl eine relativ große Divergenz aufweisen, damit sich nach einem gewissen Abstand vom LiDAR-System eine linienförmiger Lichtverteilung oder eine Beleuchtung nach Art einer Linie ergibt.
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Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 befindet sich zwischen Umlenkspiegel als Strahlteiler 80 und der Austrittsfläche aus dem System 1 keine weitere Optik, welche den Strahl signifikant ändert.
