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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Im Fahrzeugbereich, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, nimmt die Bedeutung von Messtechnik permanent zu. Ein Beispiel hierfür sind dem Fachmann an sich gut bekannte LIDAR-Systeme (Englisch: „light detection and ranging“) zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung. Derartige Systeme sind beispielsweise bei teilautonomen oder autonomen Fahrzeugen von besonderem Interesse.
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Bei einem LIDAR-System wird ein Lichtstrahl über einen Scanner, beispielsweise einem in einer oder mehreren Achsen beweglichen Spiegel, auf ein Messobjekt umgelenkt. Das Messobjekt wird so beispielsweise linienweise abgetastet. Licht, das von dem Messobjekt reflektiert wird, wird dann mit einem Empfänger detektiert. Aus der Laufzeit des Lichts oder auch dessen Phasenverschiebung wird dann beispielsweise der Abstand des Messobjekts bestimmt. Aus der zeitlichen Veränderung des Abstands kann beispielsweise die Geschwindigkeit ermittelt werden.
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Es ergibt sich, dass die zeitliche und räumliche Auflösung eines solchen Messsystems direkt von der Scangeschwindigkeit abhängig ist. Ist die Scangeschwindigkeit größer, kann ein größerer Messbereich in kürzerer Zeit abgetastet werden. Allerdings bringt dies den Empfänger ab einer bestimmten Scangeschwindigkeit an seine technischen Leistungsgrenzen, beispielsweise für die Signalweiterleitung und Auswertung. Das Messsystem muss daher auf eine noch zulässige Scangeschwindigkeit hin ausgelegt sein.
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Dabei ist zusätzlich nachteilig, dass die Scangeschwindigkeit von der Bewegungscharakteristik des Scanners abhängt. Insbesondere bei einem Richtungswechsel des Scanners, ergeben sich beispielsweise im Randbereich des Messbereichs geringe Scangeschwindigkeiten, die im Moment des Richtungswechsels kurzzeitig sogar zu Null werden. Andererseits weist der Scanner, wenn dieser sich beispielsweise in der Mitte seines Verfahrwegs befindet, eine besonders hohe Scangeschwindigkeit auf, was beispielsweise zu hohen Scangeschwindigkeiten in der Mitte des Messbereichs führt.
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Bei einem mit konstanter Geschwindigkeit bewegten Scanner kann in den Randbereichen die technische Leistungsgrenze des Empfängers somit nicht ausgenutzt werden, da ansonsten in der Mitte des Messbereichs die höchstens zulässige Scangeschwindigkeit überschritten würde.
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Dem kann zwar durch eine angepasste Bewegungssteuerung des Scanners entgegengewirkt werden, allerdings erhöht dies signifikant den Aufwand für die Steuerung und die Aktorik, vor allem, da solche Scanner sich häufig sehr schnell bewegen. Es ist daher anzustreben, den Scanner möglichst in einem statischen Betriebszustand zu betreiben.
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Aus der
EP 3 184 884 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Steuerung eines Scheinwerfers unter Anpassung der Intensität eines Lichtstrahls einer Laserdiode bekannt.
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Aus der
DE 10 2014 224 572 A1 geht beispielsweise eine Beleuchtungseinrichtung hervor, mit der über einen Freiformreflektor Licht einer Lichtquelle, das über einen Scanner umgelenkt wird, in eine gewünschte Lichtverteilung modulierbar ist.
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Aus der
DE 10 2012 205 438 A1 ist eine ähnliche Beleuchtungsvorrichtung bekannt, die unter Verwendung eines Scanners und einer Linse mit variabler Brechkraft eine gewünschte Lichtverteilung in einer Projektion erzeugen kann.
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Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine technische Lösung zu finden, mit der sich die Scangeschwindigkeit optimal auf einen gegebenen Messbereich anpassen lässt. Darüber hinaus soll die technische Lösung möglichst flexibel einsetzbar und mit geringem Aufwand umsetzbar sein.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Messanordnung, umfassend:
- - eine Lichtquelle;
- - einen Scanner; und
- - einen Empfänger, die in einem optischen Messpfad derart angeordnet sind, dass Licht der Lichtquelle über den optischen Messpfad auf den Scanner emittierbar und über den Scanner auf einen Messbereich lenkbar ist und dass von dem Messbereich reflektiertes Licht von dem Empfänger erfassbar ist;
weiterhin umfassend:
- - ein optisches Element, das in dem optischen Messpfad zwischen dem Scanner und dem Messbereich angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das optische Element ausgebildet ist, eine Scangeschwindigkeit des Lichts in zumindest einem Bereich des Messbereichs gegenüber einem damit korrespondierenden Scannerbereich auf dem optischen Element zu modulieren.
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Der Scanner kann beispielsweise ein scannender Spiegel oder Mikrospiegel sein. Dieser kann beispielsweise um zwei Achsen schwingend gelagert sein oder aber auch zwei separate Spiegel umfassen, die jeweils um eine Achse schwingend gelagert sind. Auch kann ein resonanter Scanner vorgesehen sein. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Laserlichtquelle umfassen, die sich besonders gut zur Realisierung von Messsystemen eignet.
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Das Licht wird durch den Scanner umgelenkt und beispielsweise zeilenweise über einen definierten Scannerbereich auf dem optischen Element gelenkt. Dabei wird das Licht an dem optischen Element abgelenkt und in Richtung des Messbereichs gestrahlt. Das optische Element ist dabei auf die Bewegungscharakteristik des Scanners abgestimmt. Das optische Element und der Scanner sind vorzugsweise derart relativ zueinander angeordnet, dass der gesamte Scannerbereich, mit anderen Worten der von dem Scanner ausleuchtbare Bereich, auf dem optischen Element liegt. Das Merkmal des korrespondierenden Scannerbereichs ist dahingehend aufzufassen, dass, wenn beispielsweise von einem Randbereich im Messbereich gesprochen wird, auf einen Randbereich im Scannerbereich Bezug genommen wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Messanordnung ist es vorteilhaft möglich, beispielsweise die Scangeschwindigkeit im Bereich einer Außenkante des Messbereichs gegenüber der Scangeschwindigkeit im Bereich einer Außenkante des Scannerbereichs auf dem optischen Element lokal zu erhöhen und so die zeitliche Auflösung der Messung zu erhöhen. Ebenso ist es möglich, beispielsweise die Scangeschwindigkeit in einem mittleren Bereich des Messbereichs gegenüber der Scangeschwindigkeit in einem mittleren Bereich des Scannerbereichs auf dem optischen Element zu reduzieren, so dass eine zulässige Scangeschwindigkeit dort lokal nicht überschritten wird.
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Der Scanner kann somit grundsätzlich über seinen Bewegungsbereich mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt werden, was auf dem optischen Element grundsätzlich eine hohe Scangeschwindigkeit zufolge hat. Dabei gleicht das optische Element hinsichtlich der hervorgerufenen Scangeschwindigkeit im Messbereich die eingangs genannten Nachteile aus.
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Dies ist vorteilhaft sogar allein über die Auslegung der physischen Eigenschaften des optischen Elements möglich, was den Aufwand deutlich reduziert und die Betriebssicherheit erhöht.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Messanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Element ein reflektierendes Element umfasst.
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Ein reflektierendes Element bietet sich besonders an, wenn die Lichtquelle unterschiedliche Wellenlägen zu emittieren vermag beziehungsweise kann das reflektierende Element besonders gut für unterschiedliche Lichtquellen verwendet werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Messanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass das reflektierende Element einen Umverteilungsspiegel umfasst.
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Mit dem Umverteilungsspiegel ist die Modulation der Scangeschwindigkeit in besonders einfacher Weise möglich, da dieser beispielsweise als Freiformfläche einfach herstellbar ist.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Messanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Umverteilungsspiegel eine Krümmung aufweist, die sich stets von einem inneren Scannerbereich in Richtung eines äußeren Scannerbereichs verändert.
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Die Begriffe innen und außen beziehen sich hier jeweils auf ein Zentrum des Scannerbereichs auf dem optischen Element, hier des reflektierenden Elements beziehungsweise des Umverteilungsspiegels. Mit einer derartigen stets veränderlichen Krümmung ist es in besonders einfacher Weise möglich, Scangeschwindigkeiten beispielsweise aus dem äußeren Scannerbereich auf einen größeren Winkelbereich im Messbereich zu verteilen, damit die Scangeschwindigkeit am Rand des Messbereichs zu erhöhen und gleichzeitig zum mittleren Bereich des Messbereichs hin zu verringern. Die Krümmung kann beispielsweise vom inneren Scannerbereich hin zum äußeren Scannerbereich progressiv ausgestaltet sein und auch ihre Richtung ändern. Möglich ist es auch, einen segmentierten Umverteilungsspiegel vorzusehen.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Messanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass äußere Scannerbereiche des Umverteilungsspiegels eine stärkere Krümmung aufweisen, als innere Scannerbereiche.
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Mit anderen Worten lässt sich eine deutlich größere Beeinflussung der Scangeschwindigkeit hin zum Randbereich des Messbereichs erreichen, wo konventionell die geringsten Scangeschwindigkeiten auftreten.
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Auf diese Weise lässt sich die beschriebene Erhöhung der Scangeschwindigkeit über den gesamten äußeren Messbereich erzielen.
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In alternativ bevorzugter Ausgestaltung der Messanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Element ein lichtbrechendes Element umfasst.
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Mit einem lichtbrechenden Element kann die Messanordnung besonders kompakt sein, da der optische Messpfad verkürzt werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Licht durch das lichtbrechende Element hindurchtritt.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Messanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass das lichtbrechende Element eine Brechungscharakteristik aufweist, die sich stets von einem inneren Scannerbereich in Richtung eines äußeren Scannerbereichs verändert.
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In diesem Fall beziehen sich die Begriffe innen und außen jeweils auf ein Zentrum des Scannerbereichs auf dem lichtbrechenden Element. Mit einer derartigen stets veränderlichen Brechungscharakteristik ist es in besonders einfacher Weise möglich, Scangeschwindigkeiten beispielsweise aus dem äußeren Scannerbereich auf einen größeren Winkelbereich im Messbereich zu verteilen und damit die Scangeschwindigkeit am Rand des Messbereichs zu erhöhen und gleichzeitig zum mittleren Bereich des Messbereichs hin zu verringern. Die Brechungscharakteristik kann beispielsweise vom inneren Scannerbereich hin zum äußeren Scannerbereich progressiv ausgestaltet sein und auch ihre Brechungsrichtung ändern.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Messanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass äußere Scannerbereiche des lichtbrechenden Elements eine stärkere Lichtbrechung hervorzurufen vermögen, als innere Scannerbereiche.
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Mit anderen Worten lässt sich eine deutlich größere Beeinflussung der Scangeschwindigkeit hin zum Randbereich des Messbereichs erreichen, wo konventionell die geringsten Scangeschwindigkeiten auftreten. Auf diese Weise lässt sich die beschriebene Erhöhung der Scangeschwindigkeit über den gesamten äußeren Messbereich erreichen.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Messanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messanordnung als LIDAR-System ausgebildet ist.
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Die Vorteile der Erfindung kommen bei solchen, aber auch bei anderen strahlbasierten optischen Messsystemen besonders zum Tragen. Die Leistungsfähigkeit solcher Systeme lässt sich so mit geringem Aufwand deutlich erhöhen.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahrzeug, umfassend wenigstens eine erfindungsgemäße Messanordnung gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Kraftfahrzeug.
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Besonders bevorzugt handelt es sich um ein teilautonomes oder autonomes Kraftfahrzeug, da derartige Messanordnungen dort, beispielsweise als LIDAR-System, eine besondere Bedeutung haben.
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Zusammenfassend lässt sich nochmals mit anderen Worten sagen, dass der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ein Messsystem betrifft. Das bei konventionellen Messsystemen dieser Art herrschende Problem, nämlich die Veränderung der Scangeschwindigkeit im Messbereich über den Bewegungsspielraum des Scanners, wird durch die lokale Beeinflussung der Scangeschwindigkeit im Scannerbereich eines optischen Elements gelöst.
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Das optische Element verteilt zum einen das Licht aus Randbereichen seines Scannerbereichs über einen größeren Winkelbereich auf den Messbereich und fokussiert zum anderen das Licht aus einem mittleren Bereich seines Scannerbereichs in einen kleineren Winkelbereich, in dem das Licht auf den Messbereich fällt.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders aufgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Messanordnung;
- 2 eine Prinzipdarstellung eines alternativen optischen Elements; und
- 3 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Messanordnung 10. Die Elemente der Messanordnung 10 sind im unteren Teil der 1 dargestellt, umfassend einen Scanner 12, der von einer Lichtquelle 14 mit Licht 16 versorgt wird. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Lichtquelle 14 eine Laserlichtquelle 18.
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Der Scanner 12 umfasst im vorliegenden Beispiel einen scannenden Spiegel, der um zwei Achsen schwingbar gelagert ist. Somit kann das Licht 16 mit dem Scanner 12 in zwei Dimensionen, beispielsweise in einer Ebene, verteilt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Weg des Lichts 16 mit Pfeilen als optischer Messpfad 20 dargestellt.
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Die Messanordnung 10 umfasst weiterhin einen Empfänger 22. Der Empfänger 22 ist zur Vereinfachung der nachfolgenden Erläuterung des Funktionsprinzips der Messanordnung 10 schematisch als Teil der Lichtquelle 14 gezeigt, kann aber selbstverständlich auch örtlich unabhängig von der Lichtquelle 14 angeordnet werden. In solchen Fällen wird der Fachmann selbstständig ihm bekannte Komponenten, wie beispielsweis teildurchlässige Spiegel, vorsehen, um den optischen Messpfad 20 vor der Lichtquelle 14 und dem Empfänger 22 aufzugabeln.
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Der Empfänger 22, die Lichtquelle 14 und der Scanner 12 sind in dem optische Messpfad 20 derart angeordnet, dass das Licht 16 der Lichtquelle 14 zunächst auf den Scanner 12 gelangt und über diesen in einen Messbereich 24 der Messanordnung 10 gelangt. Die Größe des Messereichs 24 ist durch den Bewegungsspielraum des Scanners 12 sowie den Abstand des Messbereichs 24 vom Scanner 24 beeinflusst. In dem Messbereich 24 kann sich beispielsweise ein hier nicht gezeigtes Objekt befinden, dessen beispielsweise Abstand gemessen werden soll. Das Licht 16 wird von dem Objekt reflektiert und gelangt durch den optischen Messpfad 20 wieder zurück bis zum Empfänger 22. Dort wird es von dem Empfänger 22 erfasst.
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Auf diese Weise ist mit der Messanordnung 10 vorliegend ein LIDAR-System 26 realisiert.
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In dem optischen Pfad 20 ist zwischen dem Scanner 12 und dem Messbereich 24 ein optisches Element 28 angeordnet. Das optische Element 28 wird in dem vorliegenden Beispiel durch ein reflektierendes Element 30 gebildet, das einen Umverteilungsspiegel 32 umfasst.
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Das Licht 16 gelangt auf seinem Weg über den optischen Messpfad 20 von der Lichtquelle 14 zum Messbereich 24 sowie auch auf dem Rückweg durch den optischen Messpfad 20 zum Empfänger 22 über einen Scannerbereich 34 des optischen Elements 28.
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Der Scannerbereich 34 ist jener Bereich auf dem optischen Element 28, in dem der Scanner 12 aufgrund seines Bewegungsspielraums und seiner relativen Anordnung zum optischen Element 28 das Licht 16 verteilen kann. Der Messbereich 24 ist folglich auch durch das optische Element 26 bestimmt.
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Der Scannerbereich 34 umfasst innere Scannerbereiche 36 und äußere Scannerbereiche 38, die exemplarisch markiert sind. Analog dazu umfasst der Messbereich 24 innere Messbereiche 40 und äußere Messbereiche 42.
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Das optische Element 28 ist ausgebildet, eine Scangeschwindigkeit SM des Lichts 16 in den äußeren Messbereichen 42 gegenüber einer Scangeschwindigkeit SS des Lichts 16 in mit den äußeren Messbereichen 42 korrespondierenden äußeren Scannerbereiche 38 zu modulieren.
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Wie dies exemplarisch erfolgt, ist im oberen Teil von 1 schematisch näher erläutert.
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Dort ist exemplarisch der Umverteilungsspiegel 28 mit dem Scannerbereich 34 abschnittsweise gezeigt. Angedeutet sind ferner ein innerer Scannerbereich 36 und ein äußerer Scannerbereich 38. Es ist erkennbar, dass der Umverteilungsspiegel 32 eine Krümmung 44 aufweist, die sich ausgehend vom inneren Scannerbereich 36 in Richtung des äußeren Scannerbereichs 38 stets verändert. Die Krümmung 44 ist im äußeren Scannerbereich 38 vorliegend stärker ausgeprägt, als im inneren Scannerbereich 36 und wechselt im vorliegenden Beispiel dazwischen auch die Krümmungsrichtung.
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Trifft nun von dem Scanner 12 in den äußeren Scannerbereich 38 verteiltes Licht 16 auf den Umverteilungsspiegel 28, überstreicht das Licht 16 dort einen bestimmten Bereich 46, wenn der Scanner 12 sich weiterbewegt. Dies gilt entsprechend, wenn das Licht 16 von dem Scanner 12 in den inneren Scannerbereich 36 verteilt wird, für einen Bereich 48.
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Da die Krümmung 44 im Bereich 46 vorliegend aber exemplarisch größer ist, als im Bereich 48, wird das Licht 16, bei derselben Bewegung des Scanners 12, aus dem Bereich 46 über einen größeren Bereich 50 im Messbereich 24 gelenkt, als es aus dem Bereich 48 über einen Bereich 52 im Messbereich 24 gelenkt wird. Folglich erhöht dies die Scangeschwindigkeit SM im Bereich 50 gegenüber der Scangeschwindigkeit SM im Bereich 52. Durch die Bewegungscharakteristik des Scanners 12 ist die Scangeschwindigkeit SS im Bereich 48 maximal und wird im Bereich 46 stark reduziert. Durch die beschriebene Wirkung der Krümmung 44, wird dies ausgeglichen.
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Exemplarisch ist eine Verteilung 54 der Größe der Bereiche gezeigt, die das Licht 16 bei konstanter Weiterbewegung des Scanners 12 vom inneren Messbereich 40 hin zum äußeren Messbereich 42 überstreicht. Die Größe nimmt dabei von innen nach außen zu.
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Die konkrete geometrische Ausgestaltung des reflektierenden Elements 28 nimmt der Fachmann unter Anwendung der hierin offenbarten technischen Lehre selbstständig vor, je nach gewünschter Beeinflussung der Scangeschwindigkeit SM im Messbereich 24.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltungsmöglichkeit des optischen Elements 28 aus 1.
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So ist es auch möglich, anstelle des reflektierenden Elements 28 ein lichtbrechendes Element 56 in analoger Weise vorzusehen, beispielsweise eine Linse 58. Die Linse 58 kann eine Brechungscharakteristik aufweisen, die durch die Linse 58 gestrahltes Licht 16 analog zu dem in 1 beschriebenen Prinzip auf die Bereiche 50 und 52 verteilt. Der Fachmann wird die Messanordnung 10 aus 1 entsprechend anpassen, damit das Licht 16 durch die Linse 58 hindurch zum Messbereich 24 gelangen kann.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 60, vorliegend ein Kraftfahrzeug 62, das mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung 10 ausgestattet ist.
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Die Messanordnung 10 ist als LIDAR-System 26 in das Kraftfahrzeug 62 integriert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messanordnung
- 12
- Scanner
- 14
- Lichtquelle
- 16
- Licht
- 18
- Laserlichtquelle
- 20
- optischer Messpfad
- 22
- Empfänger
- 24
- Messbereich
- 26
- LiDAR-System
- 28
- optisches Element
- 30
- reflektierendes Element
- 32
- Umverteilungsspiegel
- 34
- Scannerbereich
- 36
- innerer Scannerbereich
- 38
- äußerer Scannerbereich
- 40
- innerer Messbereich
- 42
- äußerer Messbereich
- 44
- Krümmung
- 46
- Bereich
- 48
- Bereich
- 50
- Bereich
- 52
- Bereich
- 54
- Verteilung
- 56
- lichtbrechendes Element
- 58
- Linse
- 60
- Fahrzeug
- 62
- Kraftfahrzeug
- SM
- Scangeschwindigkeit
- SS
- Scangeschwindigkeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3184884 A1 [0008]
- DE 102014224572 A1 [0009]
- DE 102012205438 A1 [0010]
