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CN111344593A - 用于带有被遮盖元件覆盖的扫描镜的lidar扫描器的发射装置 - Google Patents

用于带有被遮盖元件覆盖的扫描镜的lidar扫描器的发射装置 Download PDF

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CN111344593A
CN111344593A CN201880054239.3A CN201880054239A CN111344593A CN 111344593 A CN111344593 A CN 111344593A CN 201880054239 A CN201880054239 A CN 201880054239A CN 111344593 A CN111344593 A CN 111344593A
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CN
China
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laser beam
hemispherical shell
transmitting device
face
coupling
Prior art date
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Application number
CN201880054239.3A
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乌韦·沙勒
克里斯蒂安·拉伯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik Optical Systems GmbH
Original Assignee
Jenoptik Optical Systems GmbH
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种发射装置，发射装置包含射出装置(1)和可围绕其中心点(MP)偏转的扫描镜(2)，扫描镜布置在带有透明的遮盖元件(4)的壳体(3)内。遮盖元件(4)至少在耦出区域(4.2)内通过带有曲率中心点(K)的单中心的半球壳(HK)的片段形成并且布置成覆盖扫描镜(2)，使得曲率中心点(K)和扫描镜(2)的中心点(MP)重合。

Description

用于带有被遮盖元件覆盖的扫描镜的LIDAR扫描器的发射 装置
技术领域
本发明涉及用于LIDAR(激光雷达)扫描器的发射装置，LIDAR扫描器以被准直的激光辐射扫描至少一个扫描角范围。
背景技术
在其中单独的扫描点近似于成像到无限远的距离测量中，单独的角范围通过扫描二维的扫描场具有三维的延展，或通过扫描一维的扫描线具有二维的延展。
虽然扫描场或扫描线的延展受到扫描镜的最大偏转角的限制，但是其深度基本上一方面由朗伯比尔定律确定(根据朗伯比尔定律辐射的强度随行进路径以指数方式降低)，并且通过所要求的激光等级确定，激光等级限制了辐射源的功率。
大的扫描角范围在如下地点例如是有意义的，即其中，应无缝地监测大的空间范围。与此相关的应用领域可以例如是航空、航运、军事技术或公路车辆的自动驾驶。
通过使用可以扫过大的扫描角的旋转镜作为扫描镜，还需要另外的分立构件，例如将镜轴支承在其内的支架。随旋转产生的摩擦导致磨损并且因此导致因磨损引起的打滑。目前，由分立构件制成的组件通常制造更为复杂，并且因此比单块制造的组件更昂贵。由分立构件制成的组件也不太容易小型化，并且通常较重。
完全无磨损地工作的MEMS镜(MEMS＝微机电系统)通过固体铰链与框架连接成单块，其中，围绕MEMS镜的中心点相互错开180°布置的两个固体铰链形成从机械角度来看的转动轴。存在市售的MEMS镜，MEMS镜可以围绕仅一个转动轴、围绕两个相互垂直的转动轴或围绕三个或更多的、形成单独的悬挂部的铰链偏转。由于固体铰链连接，MEMS镜相对于框架的偏转角在此分别被限制到未偏转的零位置周围的大约+/-10°。无摩擦的运行、其可实现的高的运行频率以及相对低的价格使得MEMS镜对于动态、紧凑和坚固的设备很有吸引力。
但是，当使用MEMS镜作为用于发射装置的扫描镜时，有限的小偏转角是不利的。通过MEMS镜被反射的激光束的最大扫描角范围是最大偏转角的四倍，并且因此最大大约为40°。显而易见的是，使用多个MEMS镜以从单独的MEMS镜的扫描角范围实现组合的更大的扫描角范围，或造成相互间隔开的多个扫描角范围。但是，一方面由此影响设备的紧凑性，而另一方面将必须采取技术措施以使MEMS镜在其运动顺序中同步。作为替代，将多个激光束以不同的入射角对准MEMS镜以使得这些激光束扫描多个相邻的单独扫描角范围，扫描角范围组合为大的扫描角范围，其缺点是布置在MEMS镜前方的遮盖元件，遮盖元件根据现有技术仅以平板的形式已知，平板对于单独的激光束具有不同的影响。
无论扫描镜是否是MEMS镜，都有理由将扫描镜包罩在壳体内并且被盖元件覆盖，并且因此使其受到保护。就已知而言，遮盖元件总是与未偏转的镜平行或倾斜地布置的透明的平板。
到达遮盖元件上的激光束(其也可能涉及指向到扫描镜上的多个激光束)以及每个在扫描镜上反射之后的激光束因此取决于到平板上的入射角或多或少地经受菲涅耳损耗，这取决于位置或多或少地降低了激光束的强度。另外，在遮盖元件上可能出现不希望的反射。
从DE 10 2012 025 281 A1中已知带有传输单元的光学对象检测单元，传输单元包含：用于辐发射激光束的传输器，可绕其中心点围绕一个或两个枢转方向枢转的微镜，和在传输光束路径中布置在微镜后方并覆盖微镜的传输透镜。被实施为弯月形透镜的传输透镜在此也可以用作传输单元的壳体的遮盖部。在此，缺点在于，由于激光束不能通过传输透镜被引导向微镜，因此不能仅包罩微镜本身。
从DE 10 2011 006 159 A1中已知一种投影设备，投影设备带有可枢转到至少两个切换位置中的MEMS镜，MEMS镜被梯度折射率透镜覆盖。梯度折射率透镜是平凸透镜，其平坦面面对MEMS镜布置。通过梯度折射率透镜射入的估计平行的激光束簇聚焦到MEMS镜上，并且在反射之后在重新通过梯度折射率透镜时如需要被重新准直。缺点在于：一方面，由于受到梯度折射率透镜的平坦面的限制，MEMS镜仅具有很小的枢转范围；另一方面，由于梯度折射率透镜的平坦面上的折射，可能来自不同的入射角的激光束不能在相同的点上在MEMS镜上到达。
发明内容
因此，本发明的任务是找到一种用于LIDAR扫描器的带有被遮盖元件保护的扫描镜的发射装置，其中，在遮盖元件上出现最低的菲涅耳损耗并且不出现不希望的反射。
本发明的任务通过权利要求1的特征来解决。在从属权利要求中给出了有利的实施方案。
附图说明
如下根据实施例和附图更详细地解释本发明。在附图中：
图1示出带有射出装置的发射装置的第一实施例，射出装置发出经预准直的激光束，
图2示出带有射出装置的发射装置的第二实施例，射出装置发出两个相互成角度的经预准直的激光束，
图3示出在根据图1或图2的发射装置中的激光束的光束历程的简化的光学示意图，
图4a示出带有射出装置的发射装置的第三实施例，射出装置发出两个相互平行的经预准直的激光束，
图4b示出根据图4a的发射装置的放大的部分图示，
图5示出带有射出装置的发射装置的第四实施例的放大的部分图示，射出装置发出三个沿一行相互平行的经预准直的激光束，
图6示出带有射出装置的发射装置的第五实施例的放大的部分图示，射出装置发出三个沿一行相互平行的经预准直的激光束，
图7示出带有射出装置的发射装置的第六实施例的放大的部分图示，射出装置发出三个沿一行相互平行的经预准直的激光束，
图8示出带有射出装置的发射装置的第七实施例的放大的部分图示，射出装置发出三个沿一行相互平行的经预准直的激光束，和
图9示出根据图4a至图8的发射装置内的激光束的光束历程的简化的光学示意图。
具体实施方式
根据本发明的发射装置原则上包括如在图1、图2或图4a中所示的射出装置1，射出装置发出至少一个带有光束轴A1,…,An的激光束S1,…,Sn，和包括围绕其中心点MP可偏转以偏转角β的扫描镜2。扫描镜2布置在带有透明的遮盖元件4的壳体3内。至少一个激光束S1,…,Sn的光束轴A1,…,An指向遮盖元件4，使得当至少一个激光束S1,…,Sn在耦入区域4.1内穿过遮盖元件4之后光束轴A1,…,An到达扫描镜2的中心点MP上。至少一个激光束S1,…,Sn在扫描镜2上反射之后在耦出区域4.2内重新穿过遮盖元件4。
根据本发明关键的是遮盖元件4至少在耦出区域4.2内通过单中心的半球壳HK(下文中仅称为半球壳HK)的片段形成，并且遮盖元件4被布置为覆盖扫描镜2，使得假想的单中心的半球壳HK的曲率中心点K与扫描镜2的中心点MP重合。“单中心”即半球壳HK的两个表面的曲率中心点重合。
遮盖元件4仅具有保护扫描镜2的功能，以避免不希望的光学影响。通过将遮盖元件至少在射出区域内构思为单中心的半球壳HK的区段，遮盖元件对于每个从扫描镜2的中心点MP反射到射出区域内的激光束S1,…,Sn具有相同的作用。指向扫描镜2的中心点MP的每个激光束S1,…,Sn的主光束沿垂向方向反射到半球壳HK的两个表面上，并且因此不中断地穿过遮盖元件4地延伸。因为半球壳HK必然具有一定的厚度，所以激光束S1,…,Sn(准确而言，应表述为激光束簇)的所有另外的光束必然在边界面上折射，其中半球壳HK作为散射透镜起作用。通过使得激光束S1,…,Sn从射出装置1已被预准直地指向遮盖元件4，半球壳HK的不可避免的光学作用被补偿。在此，预准直意味着激光束S1,…,Sn具有低的会聚。通过半球壳HK的散射作用将激光束S1,…,Sn完全准直。
遮盖元件4可以是完整的半球壳HK，见图1，遮盖元件可以是如下的半球壳HK，即其中，在耦入区域4.1内整合或构造有偏向元件5，见图4a，直至使得半球壳HK被缩减至包括耦出区域4.2的片段，并且在耦入区域内是与未偏转的扫描镜平行或倾斜地布置的平板。原则上，遮盖元件4也可以在耦入区域4.1和耦出区域4.2内通过带有不同半径的两个半球壳的片段形成，其中，两个半球壳的曲率中心点与扫描镜的中心点MP重合。对于本发明的下文中的描述，为简化起见，应认为对于耦入区域4.1和耦出区域4.2通过一个半球壳的片段形成的情况，遮盖元件本身是完整的半球壳。半球壳HK具有负折光力。半球壳通过几何基圆限定，基圆通过半球壳HK的底面的周线描述，并且具有面中心点。面中心点同时是半球壳HK的曲率中心点K，并且是此半球壳HK的所有的片段的曲率中心点K。即，如果半球壳HK被缩减为片段，则此片段也可以配属有与和假想地配属的完整的半球壳HK相同的曲率中心点K。
耦入区域4.1的不同的实施方案的不同的作用在后文中根据实施例解释。
遮盖元件4必然被布置为覆盖扫描镜2，使得几何基圆G的面中心点处在扫描镜2上位于扫描镜的中心点MP内。在此包含导致恶化的光束质量的取决于制造和安装的公差、长时间的漂移和公差偏差。
根据本发明也关键的是，至少一个激光束S1,…,Sn在耦入区域3.1内穿过遮盖元件4之前被会聚地预准直，并且当在耦出区域3.2内重穿过遮盖元件4之后被完全准直。
在知晓激光源(例如激光二极管)的射出特征的情况下，本领域技术人员能将与激光源一起形成用于激光束的射出装置1的准直器与遮盖元件4的光学参数协调地进行计算，使得从发射装置发出的激光束S1,…,Sn被完全准直。射出装置1根据其发出的激光束S1,…,Sn的数量而定地具有激光源1.1和准直器1.2。在此，激光源1.1分别靠近所属的准直器1.2的物侧焦点F1.2布置，但不精确地布置在物侧焦点内，使得激光束S1,…,Sn在从射出装置1离开时尚未被完全准直。
图1示出发射装置的第一实施例。射出装置1在此射出恰好一个激光束S1。在图2中图示的第二实施例中，射出装置1射出两个激光束S1、S2。射出装置1也可以发出超过两个激光束(S1,…,Sn)，激光束的光束轴(A1,…,An)分别垂直于在耦入区域(4.1)中的表面地指向，并且相互成角度。
遮盖元件4的实施方案在此对于两个实施例是相同的，并且是完整的半球壳HK，使得遮盖元件4的耦入区域4.1和耦出区域4.2分别包括此单中心的半球壳HK的片段。因此，遮盖元件4可相对简单地制造。但是除了耦入区域4.1和耦出区域4.2之外，遮盖元件可以原则上具有任意的几何形状。
如果遮盖元件4被构造为半球壳HK或至少在耦入区域4.1和耦出区域4.2内是半球壳HK的片段，则与至少一个激光束S1,…,Sn相对于未偏转的扫描镜4的垂向L到达扫描镜4的入射角α1,…,αn完全无关地，激光束的光束轴A1,…,An当在扫描镜4上反射之后与扫描镜2在偏转期间的位置无关地总是垂直于遮盖元件4。由此，穿过的激光束S1,…,Sn的透射的份额不仅尽可能最大，而且在扫描镜4偏转时也不经受波动。
有利地，带有坚固的壁厚的半球壳4.2例如通过压铸制造。半球壳由于其壁厚也具有明显的光束形成的作用。
在图3中示出了对于发射装置的第一和第二实施例根据激光束S3的激光束S1,…,Sn的光束历程的简化的展开的光学示意图。展开在此意味着通过在扫描镜2上的反射所导致的光束偏转保持不被考虑。来自射出装置1的被预准直的激光束S3通过两次穿过具有负折光力FHK、F’HK的半球壳HK被完全准直。通过将准直器1.2设计为使得激光束源1.1通过准直器1.2在成像平面BE内被成像实现对于激光束S3的完全的准直，成像平面BE穿过半球壳HK的物侧焦点FHK地延伸。
在图4a中示出了发射装置的第三实施例的原理草图，其中，在图4b中示出了偏向元件4的放大的片段。在图5至图8中对于另外的实施例示出了分别不同地实施的偏向元件4。这些实施例相对于两个前述实施例的区别在于，射出装置1发出带有相互平行地定向的光束轴A1,…,An的至少两个激光束S1,…,Sn，并且遮盖元件4在耦入区域4.1内包括偏向元件5或被构造为偏向元件，通过偏向元件将至少两个激光束S1,…,Sn偏转到中心点MP上。
根据图4a和图4b的第三实施例和图5的第四实施例，偏向元件5具有平坦的进入面5.13，进入面被布置在半球壳HK的假想的切向平面T内或平行于切向平面T布置，并且具有与射出装置1发出的激光束S1,…,Sn相同数量的平坦的、相互倾斜的离开面5.21,…,5.2n，使得至少两个平行的激光束S1,…,Sn(除激光束S1,…,Sn的一个之外)在相对于进入面5.13垂直定向时分别通过在离开面5.21,…,5.2n上折射而被偏转到中心点MP上。
有利地，射出装置1发出奇数个激光束S1,…,Sn，如在第四实施例中在图5中所示，并且离开面5.21,…,5.2n布置成行，其中，离开面5.21,…,5.2n的中间的离开面平行于一个进入面5.13布置，并且离开面5.21,…,5.2n的另外的离开面相对于离开面5.21,…,5.2n的中间的离开面对称地布置，使得离开面5.21,…,5.2n的另外的离开面的各两个对称地对置，并且分别与离开面5.21,…,5.2n的中间的离开面成相同的角度。
在图6中示出的第五实施例相对于第三和第四实施例的区别在于，一个平坦的进入面5.13与半球壳HK的假想的切向平面T垂直地布置并且具有相对于进入面5.1以45°倾斜的背面5.3，使得至少两个激光束S1,…,Sn在其光束轴A1,…,An垂直于进入面5.13指向时由背面5.3反射，并且分别通过在离开面5.21,…,5.2n上的折射被偏转到中心点MP上。
一个进入面5.13也可以与假想的切向平面T成0°至90°之间的另外的角度，使得射出装置1在其相对于扫描镜2的相对位置方面可以根据给定的构建自由度来布置。
在图7中所示的第六实施例相对于第三至第五实施例的区别在于，偏向元件5具有与射出装置1所发出的激光束S1,…,Sn相同数量的进入面5.11,…,5.1n。
在图8中所示的第七实施例相对于第六实施例的区别在于，偏向元件5具有仅一个离开面5.23。
偏向元件5的两个前述实施方案是特别地有利的，这是因为对于激光束S1,…,Sn的折射可以被分到两个面上。
偏向元件5的所有前述的实施方案对于单独的激光束S1,…,Sn分别形成楔形，这通过将分别配属的进入面5.11,…,5.1n和分别配属的离开面5.21,…,5.2n相互倾斜地布置来实现。对于其中一个激光束S3，偏向元件可以是平板，使得进入面5.13平行于离开面5.23。
在图9中示出了根据第三至第七实施例的激光束S3的激光束S1,…,Sn的光束历程的简化的展开的光学示意图。展开在此意味着通过在扫描镜2上的反射和通过在偏向元件5内的折射和反射所导致的光束偏转不被考虑。来自射出装置1的被预准直的激光束S1,…,Sn取决于其光束轴A1,…,An在穿过偏向元件5时的倾斜被不同地折射，并且因此被不同地转向。当然，在图9中示出了激光束S3的光束历程，对于激光束S3偏向元件5仅作为平板起作用。偏向元件5不起成像作用，使得以通过半球壳HK的简单成像来进行经预准直的激光束的完全准直。
激光束S3的完全准直然后通过如下方式实现，即将准直器1.2设计为使得激光束源1.1通过准直器1.2和偏向元件5在成像平面BE内被成像，成像平面BE穿过半球壳HK的物侧焦点FHK的位置地延伸。
偏向元件5可以被用作遮盖元件4内的分立地制成的构件，或优选地以单块方式构造在遮盖元件4内。
第一和第二实施例属于根据本发明的发射装置的第一类型，其中，与第二类型的区别在于相同的遮盖元件4可与激光束的数量和激光束相互形成的角度无关地被使用。第三、第四和第五实施例属于根据本发明的发射装置的第二类型。与第一类型的区别在于，在此对于射出装置1可以使用市购的激光二极管阵列，其中，所有激光二极管元件沿相同的方向射出。
附图标记列表
1 射出装置
1.1 激光束源
1.2 准直器
2 扫描镜
3 壳体
4 遮盖元件
4.1 (遮盖元件4的)耦入区域
4.2 (遮盖元件4的)耦出区域
5 偏向元件
5.11,…,5.1n (偏向元件5的)进入面
5.21,…,5.2n (偏向元件5的)离开面
5.3 (偏向元件5)的背面
S1,…,Sn 激光束
A1,…,An (激光束S1,…,Sn的)光束轴
MP (扫描镜2)的中心点
T 假想的切向平面
L 垂向
HK 单中心的半球壳
K (单中心的半球壳HK)的曲率中心点
α1,…,αn 入射角
β (扫描镜2)的偏转角
F1.2 准直器的物侧焦点
F’1.2 准直器的像侧焦点
BE 成像平面
FHK 半球壳的物侧焦点
F’HK 半球壳的像侧焦点

Claims (10)

1.发射装置，所述发射装置包含：射出装置(1)，所述射出装置发出带有光束轴(A1,…,An)的至少一个激光束(S1,…,Sn)；和能围绕其中心点(MP)偏转的扫描镜(2)，所述扫描镜(2)布置在带有透明的遮盖元件(4)的壳体(3)内，其中，所述至少一个激光束(S1,…,Sn)的光束轴(A1,…,An)指向所述遮盖元件(4)，从而当所述至少一个激光束(S1,…,Sn)在耦入区域(4.1)内穿过所述遮盖元件(4)之后所述至少一个激光束到达所述中心点(MP)，并且所述至少一个激光束(S1,…,Sn)当在所述扫描镜(2)上反射之后在耦出区域(4.2)内又穿过所述遮盖元件(4.2)，其特征在于，
所述遮盖元件(4)至少在所述耦出区域(4.2)内通过带有曲率中心点(K)的单中心的半球壳(HK)的片段形成并且布置成覆盖所述扫描镜(2)，使得所述曲率中心点(K)与所述扫描镜(2)的中心点(MP)重合，并且
所述至少一个激光束(S1,…,Sn)当在所述耦入区域(4.1)内穿过所述遮盖元件(4)之前以会聚的方式被预准直，并且当在所述耦出区域(4.2)内又穿过所述遮盖元件(4)之后被完全准直。
2.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述遮盖元件(4)在所述耦入区域(4.1)内通过所述单中心的半球壳(HK)的第二片段形成或通过另外的单中心的半球壳的片段形成，其中，所述单中心的半球壳(HK)的曲率中心点(K)与所述另外的单中心的半球壳的曲率中心点重合。
3.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述遮盖元件(4)是完整的单中心的半球壳(HK)。
4.根据权利要求2或3所述的发射装置，其特征在于，所述射出装置(1)发出至少两个激光束(S1,…,Sn)，所述至少两个激光束带有彼此间分别相互成角度地定向的光束轴(A1,…,An)，所述光束轴在所述耦入区域(4.1)内分别垂直于所述遮盖元件(4)的表面指向。
5.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，在所述遮盖元件(4)中，在所述耦入区域(4.1)内布置有或构造有偏向元件(5)，通过所述偏向元件使得所述至少一个激光束(S1,…,Sn)偏转到所述中心点(MP)上。
6.根据权利要求5所述的发射装置，其特征在于，所述射出装置(1)发出带有彼此间平行定向的光束轴(A1,…,An)的至少两个激光束(S1,…,Sn)，并且所述偏向元件(5)具有：平坦的进入面(5.13)，所述进入面布置在所述单中心的半球壳(HK)的假想的切向平面(T)内或平行于假想的切向平面(T)布置；以及与所述射出装置(1)发出的激光束(S1,…,Sn)相同数量的相互倾斜的平坦的离开面(5.21,…,5.2n)，从而使得所述至少两个激光束(S1,…,Sn)在与所述进入面(5.13)垂直定向时分别通过在所述离开面(5.21,…,5.2n)上的折射偏转到所述中心点(MP)上。
7.根据权利要求5所述的发射装置，其特征在于，所述射出装置(1)发出带有彼此间平行定向的光束轴(A1,…,An)的至少两个激光束(S1,…,Sn)，并且所述偏向元件(5)具有：平坦的离开面(5.23)，所述离开面布置在所述单中心的半球壳(HK)的假想的切向平面(T)内或平行于假想的切向平面(T)布置，以及与所述射出装置(1)发出的激光束(S1,…,Sn)相同数量的相互倾斜的平坦的进入面(5.11,…,5.1n)，从而使得所述至少两个激光束(S1,…,Sn)在与所述离开面(5.23)垂直定向时分别通过在所述进入面(5.11,…,5.1n)上和所述离开面(5.23)上的折射偏转到所述中心点(MP)上。
8.根据权利要求6所述的发射装置，其特征在于，所述射出装置(1)发出奇数个激光束(S1,…,Sn)并且所述离开面(5.21,…,5.2n)布置成行，其中，所述离开面(5.21,…,5.2n)的中间的离开面平行于所述进入面(5.1)布置，并且所述离开面(5.21,…,5.2n)的另外的离开面相对于所述离开面(5.21,…,5.2n)的中间的离开面对称地布置，从而使得所述离开面(5.21,…,5.2n)的另外的离开面的各两个对称地对置，并且分别与所述离开面(5.21,…,5.2n)的中间的离开面成相同的角度。
9.根据权利要求5所述的发射装置，其特征在于，所述射出装置(1)发出带有彼此间平行定向的光束轴(A1,…,An)的至少两个激光束(S1,…,Sn)，并且所述偏向元件(5)具有：平坦的进入面(5.13)，所述进入面垂直于所述单中心的半球壳(HK)的假想的切向平面(T)布置；背面(5.3)；以及与所述射出装置(1)发出的激光束(S1,…,Sn)相同数量的相互倾斜的平坦的离开面(5.21,…,5.2n)，从而使得所述至少两个激光束(S1,…,Sn)在与所述进入面(5.13)垂直定向时由所述背面(5.3)反射，并且分别通过在所述离开面(5.21,…,5.2n)上的折射偏转到所述中心点(MP)上。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的发射装置，其特征在于，所述偏向元件(5)以单块方式构造在所述遮盖元件(4)内。
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