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Die Erfindung betrifft eine optische Winkelmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine optische Winkelmessanordnung mit einer ersten und einer zweiten solchen optischen Winkelmesseinrichtung gemäß dem Patentanspruch 8, eine optische Justiereinrichtung mit einer ersten und einer zweiten solchen optischen Winkelmesseinrichtung gemäß dem Patentanspruch 9, ein optisches Winkelerfassungssystem gemäß dem Patentanspruch 10 sowie vorteilhafte Verwendungen einer solchen Einrichtungen gemäß dem Patentanspruch 11. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung eines Winkels gemäß dem Patentanspruch 12.
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Aus der
US 2007/0137052 A1 ist ein betrachtungswinkel-sensitives optisches Element bekannt, das zum Bestimmen einer Winkellage oder einer Position vorgesehen ist. Aus der
US 3,405,908 geht eine Einrichtung hervor, mit der ein Benutzer eines Bildtelefons sich in der richtigen Position zu der Kamera des Bildtelefons ausrichten kann. Hierfür werden zwei Paralaxeinheiten vorgeschlagen, die jeweils Lentikularfolien aufweisen. Aus der
US 3,885,876 geht ein optisches chromatographisches Anzeigemittel für eine Navigationsführung hervor. Aus der
US 3,873,210 geht eine optische Einrichtung mit einer Lentikularfolie hervor, die einem Fahrzeugführer das Einparken oder Andocken erleichtert. Aus der
US 3,468,545 geht eine Einrichtung zum Anzeigen der Kopfbewegung eines Golfspielers hervor. Aus der
EP 0 663 603 A1 geht ein Bilderrahmen hervor, bei dem durch eine Lentikularfolie ein optischer Tiefeneindruck des Rahmens erzeugt werden soll. Aus der
US 3,572,942 geht ein Positionsanzeigeinstrument hervor, das aus zwei in einem Winkel aufgestellten Gitterstrukturen besteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Möglichkeiten zur Messung eines Winkels zwischen einer zu erfassenden Fläche und einer Bezugsebene aufzuzeigen, die auch dann mit vernünftigem Aufwand ausführbar sind, wenn das die zu erfassende Fläche aufweisende Objekt zumindest zeitweise nicht oder nur schwer zugänglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 8, 9, 10, 11 und 12 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine optische Winkelmesseinrichtung, nachfolgend kurz Winkelmesseinrichtung genannt, vorgeschlagen, die wenigstens eine Lentikularfolie aus einem transparenten Material aufweist, die eine Linsenseite und eine der Linsenseite abgewandte Rückseite aufweist, wobei auf der Linsenseite eine Mehrzahl von sich in einer Längsrichtung gerade erstreckenden optischen Linsen vorgesehen ist und auf der Rückseite ein optisch erfassbares geometrisches Muster angeordnet ist. Das optisch erfassbare geometrische Muster ist hierbei auf die Lentikularfolie abgestimmt. Vorgeschlagen wird hiermit ein zumindest zweischichtiger Aufbau aus dem optisch erfassbaren geometrischen Muster und der Lentikularfolie, wobei das geometrische Muster durch die zumindest teilweise transparente Lentikularfolie sichtbar ist, d. h. sozusagen unter der Lentikularfolie liegt. Durch Betrachtung der auf diese Weise aufgebauten Winkelmesseinrichtung aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen erscheint das geometrische Muster in Folge der Wirkung der Lentikularfolie mit einem in Abhängigkeit von der Betrachtungsrichtung, d. h. dem Betrachtungswinkel, variierenden Erscheinungsbild. Vorteilhaft ist das geometrische Muster in Bezug auf die Lentikularfolie derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit von der Betrachtungsrichtung eine eindeutige Zuordnung und damit Messung des Winkels zwischen der zu erfassenden Fläche und der Bezugsebene möglich ist.
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Die Winkelmesseinrichtung kann auf der zu erfassenden Fläche angebracht sein, aber auch an einem anderen Bauteil mit einer definierten Justierung bezüglich der zu erfassenden Fläche. Zumindest ist die Winkelmesseinrichtung in Bezug auf die zu erfassende Fläche zu justieren. Die zu erfassende Fläche kann auch die Rückseite der Lentikularfolie oder eine ggf. auf der Rückseite angeordnete Substratschicht sein.
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Eine Lentikularfolie ist eine so genannte Linsenrasterfolie, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Vielzahl sehr kleiner optischer Linsen oder Prismen vorhanden ist, die sich streifenförmig parallel zueinander in einer Längsrichtung erstrecken. Linsenrasterfolien besitzen durch die in Reihen angeordneten optischen Linsen die Eigenschaft, ein auf der Rückseite vorhandenes Bild je nach Blickwinkel anders erscheinen zu lassen. In Folge dessen ist die mit der Lentikularfolie versehene Winkelmesseinrichtung nur in einer Winkelkoordinatenrichtung sensitiv bezüglich Winkeländerungen. Dies hat den Vorteil, dass in anderen Winkelkoordinatenrichtungen die Betrachtungsrichtung variiert werden kann, ohne die Messung des Winkels zu verfälschen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine berührungslose optische Winkelmessung mit einfachen, preisgünstigen Mitteln auch an unzugänglichen oder schwer zugänglichen Objekten erfolgen kann. Zudem kann die Winkelmessung auch an bewegten Objekten auch bei schneller Bewegung erfolgen. Die erfindungsgemäße Winkelmesseinrichtung hat den Vorteil, dass sie völlig lageunabhängig einsetzbar ist, d. h. insbesondere unabhängig von Fliehkräften oder der Wirkrichtung der Schwerkraft. Hierdurch wird ein sehr großer Anwendungsbereich für die erfindungsgemäße Winkelmesseinrichtung eröffnet. Vorteilhaft kann beispielsweise eine Messung an drehenden Teilen, wie z. B. die Messung des Anstellwinkels eines rotierenden Helikopter-Rotorblatts, durchgeführt werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Lentikularfolien preisgünstig in verschiedensten Ausführungen, d. h. mit unterschiedlicher Linsendichte (gemessen in LPI, lenses per inch = Linsen pro Inch) verfügbar sind. Dies erlaubt den einfachen und preisgünstigen Aufbau von Winkelmesseinrichtungen, die für den jeweiligen Einsatzzweck angepasst sind. Auf Grund der günstigen Kosten kann die Winkelmesseinrichtung auch für eine Einmalverwendung ausgeführt sein, z. B. für die Verwendung bei zerstörenden Materialprüfungen oder in Gefahrenbereichen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Messung des Winkels auch aus großer Entfernung erfolgen kann, wobei die Messgenauigkeit entfernungsunabhängig ist. Vorteilhaft können Messauflösungen im Bereich von mindestens 0,1 Grad realisiert werden. Der nutzbare Messbereich liegt je nach verwendetem Linsentyp zwischen +50 Grad bis –50 Grad, wobei sich die Grad-Angaben auf den möglichen Bereich von –180 bis +180 Grad beziehen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Winkelmessung direkt erfolgen kann, z. B. durch sofortiges Ablesen von der Winkelmesseinrichtung oder durch rechnergestützte Auswertung, die ebenfalls sofort und sehr schnell erfolgen kann. Weiterhin bestehen Vorteile gegenüber anderen aufwendigen Messsystemen, wie z. B. Stereo-Kamerasystemen, die aufwendige Kalibrierungen für jede Messung erfordern. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung kann fertig kalibriert hergestellt werden und ist im Anwendungsfall nur nach justiert auf der zu erfassenden Oberfläche anzubringen. In der Folge ist keine weitere Kalibrierung der Winkelmesseinrichtung erforderlich.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass weniger Messkomponenten als bei bekannten Messsystemen erforderlich sind. So kann beispielsweise auf eine elektrische Stromversorgung oder eine spezielle Beleuchtung verzichtet werden. Für die Winkelmessung ist dann lediglich ein Beobachter, z. B. eine Bedienperson oder eine Kamera, erforderlich.
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Gegenüber bekannten aufwendigen Messsystemen hat die erfindungsgemäße Winkelmesseinrichtung einen geringeren Platzbedarf. Vorteilhaft kann die Winkelmesseinrichtung als einfacher Messstreifen ausgebildet werden. Ein entsprechender Messstreifen kann relativ klein und vor allem sehr dünn ausgebildet werden, so dass er ohne eine wesentliche Störung eines Objekts, auf der der Messstreifen angebracht wird, eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass zur Messung des Winkels kein aufwendiges Messequipment erforderlich ist. Im einfachsten Fall kann der zu messende Winkel direkt an der Winkelmesseinrichtung von einem Menschen abgelesen werden. Selbstverständlich ist auch eine automatisierte Auswertung und Messung möglich, z. B. durch optische Erfassungsmittel wie z. B. eine Kamera.
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Das geometrische Muster kann direkt auf der Rückseite der Lentikularfolie aufgebracht sein, z. B. aufgedruckt sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine separate Substratschicht vorgesehen, auf der das geometrische Muster aufgebracht ist. Vorteilhaft ist das geometrische Muster auf der der Lentikularfolie zugewandten Seite des Substrats aufgebracht. Bei Verwendung eines zumindest teilweise transparenten Substratmaterials kann das geometrische Muster auch in das Substrat eingefügt oder auf der der Lentikularfolie abgewandten Seite des Substrats aufgebracht sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die optische Winkelmesseinrichtung eine Befestigungsfläche auf, die zur Anbringung der optischen Winkelmesseinrichtung auf der zu erfassenden Fläche eingerichtet ist, wobei die Befestigungsfläche auf der Rückseite der Lentikularfolie oder einer auf der Rückseite angeordneten Substratschicht angeordnet ist. Die Befestigungsfläche kann z. B. mit einem Streifen doppelseitigem Klebeband versehen sein.
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Gemäß Anspruch 1 weist das geometrische Muster eine Anordnung einer Mehrzahl parallel verlaufender gerader Linien mit gleich bleibender Breite auf. Die Linsen der Lentikularfolie erstrecken sich in Längsrichtung in nahezu gleiche Richtung wie die Linien. Wesentlich ist hierbei, dass sich die Linsen der Lentikularfolie nicht exakt in der gleichen Richtung erstrecken wie die Linien, sondern dass zumindest eine geringfügigere Winkeldifferenz vorgesehen ist.
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Die Winkeldifferenz bewirkt eine Art „optische Verstimmung”, die zur Folge hat, dass die beispielsweise in horizontaler Richtung verlaufenden Linien bei einer Betrachtung der Lentikularfolie in Form eines oder mehrerer schräg verlaufender Balken erscheinen. Die erscheinenden schräg verlaufenden Balken weisen dabei einen erheblich größeren Winkel zur Horizontalen auf als die Winkeldifferenz zwischen den Linien des geometrischen Musters und den Linsen der Lentikularfolie. Zudem erscheinen die Linien nicht mehr als einzelne Linien, sondern sind als durchgehender Balken mit von der Winkeldifferenz abhängiger Balkenbreite sichtbar. Ein weiterer Effekt hierbei ist, dass bei angenommenem horizontalem Verlauf der Linien der entstehende Balken je nach Betrachtungsrichtung, d. h. je nach zu messendem Winkel, seine Horizontalposition verändert. Je nach gewählter Winkeldifferenz kann die Stärke der Abhängigkeit der horizontalen Variation des Balkens in Abhängigkeit von der Variation des zu messenden Winkels angepasst werden. Eine sehr geringe Winkeldifferenz führt zu einer großen Sensitivität, d. h. zu einer starken Veränderung der horizontalen Position des Balkens bei einer Winkelveränderung. Ein größerer Winkel bewirkt einen schmaleren Balken und eine vergleichsweise geringere Horizontalbewegung. Es wurde festgestellt, dass eine Winkeldifferenz mit einem Betrag im Bereich zwischen 0,0001 Grad und 5 Grad zwischen den Linien und der Längsrichtung der Linsen besonders vorteilhaft für eine gute Messgenauigkeit und Messauflösung ist.
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Der erscheinende Balken ändert seine Position in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel stufenlos. Die Positionsänderung geschieht in Längsrichtung der Linsen und ist unabhängig zu einer Änderung des Betrachtungswinkels um eine Achse senkrecht zum Linsenraster.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Winkelmesseinrichtung ein optisches Anzeigemittel zum direkten Ablesen des gemessenen Winkels von der Winkelmesseinrichtung aufweist, insbesondere ein aus dem Material der Winkelmesseinrichtung gebildetes optisches Anzeigemittel. Dies erlaubt eine einfache direkte Ablesung des gemessenen Winkels von der Winkelmesseinrichtung durch einen menschlichen Betrachter. Vorteilhaft kann das Anzeigemittel ohne elektrische Energieversorgung betrieben werden. Hierdurch ist die Winkelmesseinrichtung sehr universell einsetzbar. Das Anzeigemittel kann den gemessenen Winkel beispielsweise direkt mit alphanumerischen Zeichen, insbesondere aus Ziffern gebildeten Zahlen, wiedergeben. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Anzeigemittel eine Skala zum Ablesen des gemessenen Winkels auf. So kann beispielsweise im Bereich des zuvor erwähnten Balkens, der bei einer Betrachtung der mit Linien als geometrischem Muster ausgebildeten Winkelmesseinrichtung erscheinen, eine Skala mit Winkelangaben in der Einheit Grad oberhalb oder unterhalb des Balkens auf dem auf der Rückseite der Lentikularfolie oder dem Substrat aufgedruckt sein. Vorteilhaft ist die Skala außerhalb des von der Lentikularfolie überdeckten Bereichs des Substrats oder in einem nicht mit Linsen versehenen Bereich der Lentikularfolie angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das geometrische Muster eine Binärkodierung auf. In Betrachtungsrichtung der Winkelmesseinrichtung erscheinen unterschiedliche Binärsymbole auf der Winkelmesseinrichtung, die automatisiert optisch ausgewertet werden können. Durch die Binärkodierung ist eine einfache und störungsarme digitale Messung des Winkels möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das geometrische Muster eine alphanumerische oder anwendungsspezifische Kodierung auf, Die anwendungsspezifische Kodierung kann z. B. durch Verwendung einfach ablesbarer geometrischer Symbole, wie z. B. Balken oder Kreise, realisiert werden, Dies erlaubt eine einfache Ablesung des gemessenen Winkels durch einen menschlichen Betrachter. Möglich ist selbstverständlich auch eine automatische Erfassung und Auswertung mittels einer optischen Erfassungseinrichtung, z. B. einer Kamera.
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Grundsätzlich kann das geometrische Muster z. B. einfarbig als schwarz-weiß-Muster ausgebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das geometrische Muster eine Farbkodierung auf. Durch die Verwendung einer Farbkodierung sind weitere Unterscheidungsmöglichkeiten bezüglich der Winkelerfassung möglich. Zudem kann über Farben eine einfach erkennbare diskrete Bewertung des gemessenen Winkels auch durch einen menschlichen Betrachter erfolgen. So können beispielsweise die geometrischen Muster derart ausgebildet sein, dass bei bestimmten kritischen Winkeln Symbole in einer Warnfarbe, z. B. rot, erscheinen, während bei erwünschten Winkeln Symbole in einer anderen Farbe, z. B. grün, erscheinen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine optische Winkelmessanordnung mit einer ersten und einer zweiten Winkalmesseinrichtung der zuvor beschriebenen Art. Hierbei ist die erste optische Winkelmesseinrichtung spiegelsymmetrisch zur zweiten optischen Winkelmesseinrichtung mit einer in Querrichtung der Linsen der Lentikularfolie verlaufenden Symmetrieachse angeordnet. Mit einer solchen Winkelmessanordnung kann die Messauflösung und -genauigkeit gegenüber einer einfachen Winkelmesseinrichtung verdoppelt werden. Die erscheinenden Balken bewegen sich bei einer solchen Winkelmessanordnung gegenläufig zueinander. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die erste und die zweite Winkelmesseinrichtung auf einer gemeinsamen ebenen Fläche oder auf zueinander parallelen Flächen angeordnet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine optische Justiereinrichtung mit einer ersten und einer zweiten Winkelmesseinrichtung der zuvor beschriebenen Art. Hierbei ist die erste optische Winkelmesseinrichtung spiegelsymmetrisch zur zweiten optischen Winkelmesseinrichtung mit einer in Längsrichtung der Linsen der Lentikularfolie verlaufenden Symmetrieachse angeordnet. Durch die spiegelsymmetrische Anordnung erscheinen, beispielsweise unter Zugrundelegung der Verwendung paralleler Linien als geometrisches Muster, spiegelsymmetrische Balken, die je nach Betrachtungsrichtung in unterschiedlichen horizontalen Richtungen veränderbar sind. Durch entsprechende Ausrichtung eines Objekts in Bezug auf die Justiereinrichtung derart, dass die aus der Betrachtungsrichtung des Objekts die erkennbaren Balken zueinander in der gleichen Position angeordnet sind, ist eine Justierung des Objekts in einer gewünschten Winkel lage möglich. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die erste und die zweite Winkelmesseinrichtung auf einer gemeinsamen ebenen Fläche oder auf zueinander parallelen Flächen angeordnet.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein optisches Winkelerfassungssystem mit wenigstens einer optischen Winkelmesseinrichtung, optischen Winkelmessanordnung oder optischen Justiereinrichtung der zuvor beschriebenen Art, wobei selbstverständlich auch Kombinationen hiervon vorteilhaft sind. Das optische Winkelerfassungssystem weist zudem eine auf die Winkelmesseinrichtung ausgerichtete Kamera und eine elektronische Auswerteeinrichtung auf, die mit der Kamera verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, z. B. durch Software-Programmierung, von der Kamera gelieferte Bilder durch Bildverarbeitung auszuwerten und hieraus einen Winkel zwischen der zu erfassenden Fläche und der Bezugsebene zu ermitteln. Dies erlaubt eine automatisierte Messung von Winkeln und eine automatisierte weitere Auswertung, z. B. in der Art, dass automatisch bestimmte Funktionen bei Erreichen bestimmter Winkel ausgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine optische Messanordnung mit einer ersten und einer zweiten Winkelmesseinrichtung der zuvor beschriebenen Art. Die erste und die zweite Winkelmesseinrichtung sind auf zueinander parallelen Flächen oder derselben Fläche in einem Winkel bezüglich ihrer Längsachsen zueinander angeordnet. Die erste und die zweite Winkelmesseinrichtung können insbesondere in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sein. Dies erlaubt eine Winkelmessung in mehr als einer Winkelkoordinatenrichtung.
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Die Erfindung betrifft ferner vorteilhafte Verwendungen von Einrichtungen der zuvor beschriebenen Art, nämlich einer optischer Winkelmesseinrichtung, einer optischen Winkelmessanordnung, einer optischen Justiereinrichtung, einer optischen Messanordnung und/oder einem optischen Winkelerfassungssystem Vorteilhaft kann eine solche Einrichtung zur Anstellwinkelmessung von Teilen von Fluggeräten, insbesondere von Rotorblättern von Hubschraubern und/oder Trägflächen oder Leitwerken von Flugzeugen verwendet werden. Hierdurch können die Anstellwinkel in jeder Betriebssituation des Fluggeräts, auch im Flug, mit geringem Aufwand erfasst werden. Da die Winkelmesseinrichtung als relativ dünne Folie herstellbar ist, ist eine Anbringung auf Teilen von Fluggeräten ohne weiteres möglich, insbesondere ohne wesentliche Störung der Luftströmung.
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Eine weitere vorteilhafte Verwendung einer solchen Einrichtung besteht darin, eine berührungslose Winkelmessung von optisch erkennbaren, im Übrigen zumindest zeitweise unzugänglichen oder schwer zugänglichen Objekten durchzuführen. So können beispielsweise in einem Windkanal platzierte Objekte vermessen werden, was eine optische dynamische Winkelmessung im Windkanal mit geringem Aufwand ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Verwendung einer solchen Einrichtung besteht in einer Winkel- und/oder Distanzausrichtung von Objekten in einem Raum. Mittels der einer solchen Einrichtung kann eine einfache und gut reproduzierbare Platzierung von Objekten in dem Raum durchgeführt werden. So können beispielsweise an Wänden des Raums zwei oder mehrere Winkelmesseinrichtungen angeordnet werden. Die Platzierung eines Objekts in dem Raum erfolgt dann durch Verschieben bis zu einem Punkt, an dem alle Winkelmesseinrichtungen den gewünschten Wert anzeigen. Eine solche Winkel- und/oder Distanzausrichtung ist z. B. vorteilhaft für eine Ausrichtung von Kameras in einem Studio einsetzbar.
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Eine weitere vorteilhafte Verwendung einer solchen Einrichtung besteht in einer Gleitpfadanzeige für landende Fluggeräte an Flugplätzen und/oder Schiffsdecks. So kann z. B. der Winkel auf der Winkelmesseinrichtung entweder direkt angezeigt werden. Möglich sind auch Klartext-Anzeigen im Sinne von „zu hoch”, „zu tief” und „gut”. Die Anzeige kann auch durch verschiedene Farben durchgeführt werden. So kann z. B. durch die Farbe grün angezeigt werden, dass sich das Fluggerät auf dem vorgegebenen Gleitpfad befindet. Eine rote Anzeige zeigt an, dass sich das Fluggerät unterhalb des Gleitpfades befindet. Eine blaue Anzeige zeigt an, dass sich das Fluggerät oberhalb des Gleitpfades befindet.
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Weitere vorteilhafte Verwendungen einer solchen Einrichtung bestehen in der Winkelbestimmung im Vermessungswesen oder in der dynamischen Deformationsmessung von Bauteilen. Im Vermessungswesen eignet sich die Einrichtung insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine verringerte Genauigkeit ausreichend ist, z. B. Bauwerksüberwachung, Fluchtungsmessungen, optisches Ausrichten, Modellverfolgungssystem, Positionshalten 2D/3D
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Wie erkennbar ist, hat die erfindungsgemäße Verwendung einer Lentikularfolie zur Messung eines Winkels vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Daher betrifft die Erfindung ganz allgemein die Verwendung einer Lentikularfolie zur Messung eines Winkels zwischen einer zu erfassenden Fläche und einer Bezugsebene.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung eines Winkels zwischen einer zu erfassenden Fläche und einer Bezugsebene mit den Schritten:
- a) Anbringung einer optischen Winkelmesseinrichtung, optischen Winkelmessanordnung oder optischen Justiereinrichtung der zuvor beschriebenen Art auf der zu erfassenden Fläche,
- b) Anordnen eines Beobachters in der Bezugsebene mit einer auf die optische Winkelmesseinrichtung, die optische Winkelmessanordnung oder die optische Justiereinrichtung gerichteten Betrachtungsrichtung,
- c) Bestimmen des Winkels zwischen der zu erfassenden Fläche und der Bezugsebene durch Auswertung des vom Beobachter empfangenen optischen Bilds der optischen Winkelmesseinrichtung, der optischen Winkelmessanordnung oder der optischen Justiereinrichtung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Winkelmesseinrichtung in perspektivischer Ansicht und
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2 eine Substratschicht in Draufsicht und
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3 einen Ausschnitt einer Winkelmesseinrichtung und
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4 eine Winkelmesseinrichtung in Draufsicht und
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5 eine optische Winkelmessanordnung und
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6 und 7 eine Funktionsdarstellung einer Winkelmessanordnung und
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8 eine Kalibrierkurve einer Winkelmessanordnung und
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9 ein Winkelerfassungssystem und
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10 ein Hubschrauber-Rotorblatt und
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11 einen Hubschrauber mit einem Winkelerfassungssystem und
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12 eine Gleitpfadanzeige für landende Fluggeräte und
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13 Anzeigesymbole der Gleitpfadanzeige gemäß 12 und
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14 eine Justiereinrichtung und
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15 eine Anzeigedarstellung der Justiereinrichtung gemäß 14 und
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16 eine Anordnung mit zwei Justiereinrichtungen gemäß 14 und
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17 ein optisches Anzeigemittel zum direkten Ablesen des gemessenen Winkels von der Winkelmesseinrichtung.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt eine Winkelmesseinrichtung 1 mit einer Substratschicht 2, einem auf der Substratschicht 2 aufgebrachten geometrischen Muster 3 und einer auf dem geometrischen Muster 3 angeordneten Lentikularfolie 4. Die Winkelmesseinrichtung kann als relativ dünne Folie mit einer Dicke von weniger als 1 mm hergestellt werden. Entsprechend weist die Winkelmesseinrichtung 1 im Wesentlichen Erstreckungen in x- und y-Richtung gemäß dem in 1 dargestellten Koordinatensystem auf. In z-Richtung kann die Winkelmesseinrichtung mit der genannten sehr geringen Erstreckung von unter 1 mm hergestellt werden.
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Auf einer Linsenseite 6 weist die Lentikularfolie 4 in x-Richtung längs verlaufende Linsen 7 auf. Auf der Rückseite der Lentikularfolie 4 ist die Substratschicht 2 mit dem geometrischen Muster 3 angeordnete. Eine Unterseite 5 der Winkelmesseinrichtung 1 kann als Befestigungsfläche ausgebildet sein, die eine Befestigung der Winkelmesseinrichtung auf einer zu erfassenden Fläche ermöglicht. Beispielsweise kann die Winkelmesseinrichtung 1 auf einfache Weise mit doppelseitigem Klebeband auf der zu erfassenden Fläche befestigt werden.
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Die 2 zeigt eine Draufsicht auf das Substrat 2 ohne die Lentikularfolie 4. Erkennbar ist ein geometrisches Muster 3, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als Anordnung einer Mehrzahl parallel verlaufender gerader Linien mit im Wesentlichen gleich bleibender Breite und gleichem Abstand voneinander ausgebildet ist. Je nach Anwendungsfall kann der Abstand auch leicht abweichen, was zu Vorteilen für bestimmte Anwendungen führen kann. Vorteilhaft entspricht dabei die Linienbreite dem Abstand zwischen den Linien. Zusätzlich ist in der 2 eine Skala 8 dargestellt, die in der Nähe des geometrischen Musters 3 ebenfalls auf die Substratschicht 2 aufgebracht ist. Die Skala 8 kann als Anzeigemittel zur direkten Ablesung eines gemessenen Winkels dienen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Substratschicht 2 kann beispielsweise aus einem beliebigen bedruckbaren Material bestehen, z. B. aus Rapier. Das Muster 3 und die Skala 8 können beispielsweise mit einem handelsüblichen Drucker, z. B. einem Laserdrucker oder einem Tintenstrahldrucker, auf die Substratschicht 2 aufgedruckt sein.
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Die 3 zeigt eine vorteilhafte Anordnung der Linsen 7 der Lentikularfolie 4 in Bezug auf die Linien des Musters 3. Die Linsen 7 weisen in Längsrichtung eine geringfügige Winkeldifferenz α zu den Linien des Musters 3 auf. Die Winkeldifferenz kann nach Bedarf in bestimmten Grenzen sinnvoll festgelegt werden. Generell gilt, je kleiner der Winkel ist, desto höher ist die erzielbare Messauflösung. In den nachfolgend betrachteten Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, dass eine Lentikularfolie mit einem Linsenabstand von 75 LPI verwendet wird. Dementsprechend sind auch die Linien des Musters 3 mit einem Abstand von 75 LPI, d. h. 25,4 mm:75 = 0,3387 mm Abstand wie die Linsen 7 ausgebildet. Bezüglich des Winkels α wird von einem Wert von 1 Grad ausgegangen. Dieser kann je nach Anforderung variiert werden.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Anordnung der Lentikularfolie mit einem Winkelversatz zu den Linien des Musters 3 dazu führt, dass auf der Winkelmesseinrichtung überwiegend senkrecht verlaufende Balken erscheinen, wie dies in der 4 durch die Balken 9 dargestellt ist. Die 4 zeigt die Winkelmesseinrichtung 1 gemäß den 1 bis 3 in Draufsicht. Durch eine Variation des Betrachtungswinkels der Winkelmesseinrichtung ergibt sich der Effekt, dass die Balken 9 nach links bzw. rechts wandern. Die Veränderung der Position der Balken 9 ist dabei proportional zur Veränderung des Betrachtungswinkels. Durch die vorgesehene Skala 8 kann direkt anhand der Skala 8 und einem darunter angeordneten Balken 9 die Veränderung des Winkels abgelesen werden. Zudem ändert sich die Breite der Balken 9 mit dem Winkel α derart, dass die Balken 9 bei einer Verkleinerung des Winkels α breiter werden.
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Die 5 zeigt eine optische Winkelmessanordnung, bei der eine erste Winkelmesseinrichtung 51 und eine zweite Winkelmesseinrichtung 52 auf einer gemeinsamen ebenen Oberfläche angeordnet sind. Die erste Winkelmesseinrichtung 51 und die zweite Winkelmesseinrichtung 52 sind gemäß den 1 bis 3 aufgebaut. Hierbei ist die zweite Winkelmesseinrichtung 52 spiegelsymmetrisch zu der ersten Winkelmesseinrichtung 51 angeordnet, und zwar mit einer im Wesentlichen senkrecht zu den Linien des Musters 3 bzw. den Linsen 7 verlaufenden Symmetrieachse S. Durch eine solche Anordnung von zwei Winkelmesseinrichtungen 51, 52 kann die Messauflösung verdoppelt werden, da zwei zueinander gegenläufige Balken 9, 10 erscheinen, wie in den 6 und 7 erkennbar.
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Die 6 und 7 zeigen fotografisch erfasste Beispiele einer Winkelmessanordnung gemäß 5. Die 6 zeigt die Winkelmessanordnung bei einem Betrachtungswinkel von 8 Grad, die 7 zeigt dieselbe Winkelmessanordnung bei einem Betrachtungswinkel von 24 Grad. Wie erkennbar ist, verändern beide Balken 9, 10 symmetrisch zur Symmetrieachse S ihre Position. Von der 6 zur 7 sind die Balken 9, 10 mehr zur Symmetrieachse S hingewandert. Durch Auswertung des Abstands der Balken 9, 10 voneinander, z. B. indem eine Tangente an die inneren Begrenzungslinien gelegt wird, kann eine direkte Winkelmessung mittels der Winkelmessanordnung erfolgen. Mit einer derartigen Winkelmessanordnung kann eine Messgenauigkeit von +/–0,5 Grad erzielt werden. Durch eine Verbesserung der Druckgenauigkeit des Musters 3 kann die Messgenauigkeit auf mindestens +/–0,1 Grad gesteigert werden. Der nutzbare Messbereich liegt je nach Lentikularfolientyp in einem Bereich zwischen +/–50 Grad.
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Die 8 zeigt eine gemessene Kalibrierkurve einer Winkelmessanordnung gemäß 5. Dargestellt ist der Betrachtungswinkel über den Balkenabstand. Wie erkennbar ist, bestätigen die Messungen die lineare Abhängigkeit zwischen dem Betrachtungswinkel und dem Balkenabstand.
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Die 9 zeigt ein Winkelerfassungssystem mit einer Winkelmesseinrichtung 1, die auf einem Bauteil 11 befestigt ist. Das Bauteil 11 kann z. B. ein Rotorblatt eines Hubschraubers, ein Leitwerk eines Flugzeugs oder ein deformierbares Bauteil eines Fahrzeugs sein. In der Anordnung gemäß 9 wird über die Winkelmesseinrichtung 1 ein Winkel β gegenüber einer Bezugsfläche 12 erfasst, z. B. einer Fußboden-Ebene. Das Winkelerfassungssystem weist ferner eine Kamera 13 und eine elektronische Auswerteeinrichtung in Form eines Computers 14 mit einer Anzeigeeinheit 15 auf. Als Kamera seien alle optischen Erfassungseinrichtungen verstanden, die mittels einer elektronischen Auswerteeinrichtung auswertbare Bilder abgeben.
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Die Kamera 13 ist auf die Winkelmesseinrichtung 1 ausgerichtet. Hierdurch werden Bilder der Winkelmesseinrichtung 1 erfasst und von der Kamera an den Computer 14 abgegeben. Der Computer 14 weist eine Auswertesoftware auf, über die anhand von Vergleichen der empfangenen Bilder mit Referenzdaten die Veränderung des Balkens 9 der Winkelmesseinrichtung 1 ermittelt werden kann. Die Auswertesoftware berechnet hieraus direkt eine Winkeländerung und zeigt diese auf der Anzeigeeinrichtung 15 an.
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Anhand der 10 und 11 wird eine weitere vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Winkelmesseinrichtung im Bereich der Anstellwinkelmessung von Hubschrauber-Rotorblättern beschrieben. Vorteilhaft kann mit einer solchen Einrichtung eine Messung des Anstellwinkelverlaufs des Rotorblatts während der Rotordrehung erfolgen, d. h. bei fliegendem Hubschrauber. Die 10 zeigt ein Rotorblatt 16 mit einer Längsachse L. Entlang des Rotorblatts 16 sind drei Winkelmesseinrichtungen 17, 18, 19 mit einer Ausrichtung der Lentikularfolie senkrecht zur Längsachse L befestigt. Zusätzlich sind drei Winkelmesseinrichtungen 20, 21, 22 entlang des Rotorblatts 16 mit einer Ausrichtung parallel angeordnet. Die Winkelmesseinrichtungen 17, 18, 19, 20, 21, 22 können beispielsweise gemäß den 1 bis 5 ausgebildet sein. Mit den Winkelmesseinrichtungen 17, 18, 19 kann eine Schlagwinkelmessung durchgeführt werden. Mit den Winkelmesseinrichtungen 20, 21, 22 kann eine Anstellwinkelmessung durchgeführt werden.
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Die 11 zeigt einen Hubschrauber 23 mit einem Rotor 24, an dem zwei Rotorblätter 16 angeordnet sind. Beispielhaft sind in der 11 die Winkelmesseinrichtungen 18, 21 dargestellt. Für die eigentliche Erfassung des Schlagwinkels und des Anstellwinkels ist oberhalb des Hubschraubers 23 eine Kamera 13 angeordnet, die den gesamten von den Rotorblättern 16 überstrichenen Drehkreis erfasst. Die Kameraeinrichtung 13 ist vorteilhaft mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung verbunden, z. B. dem anhand der 9 beschriebenen Computer 14 und der Anzeigevorrichtung 15.
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Für Messungen des Anstellwinkelverlaufs von Hubschrauber-Rotorblättern wird derzeit beispielsweise ein Hubschraubermodell im Windkanal verwendet. Momentan wird die Messung durch eine Analyse von Stereo-Bildern durchgeführt, die von zwei bis vier Kamerasystemen erzeugt werden. Vor der Messung sind eine aufwendige Kalibrierung des kompletten Mess-Volumens mit Hilfe von Kalibrier-Markern und eine Vermessung mit Theodolit erforderlich. Der Anstellwinkel des Rotorblatts kann mit dieser Methode über die Lage von zwei Markern im Raum bestimmt werden, die an der Vorder- und Hinterkante des Rotorblatts angebracht sind. Die Messgenauigkeit dieser Methode liegt bei etwa +/–0,5 Grad.
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Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Winkelmesseinrichtung gemäß den 10 und 11 kann diese Messung erheblich vereinfacht werden. Es sind lediglich die Winkelmesseinrichtungen 17, 18, 19, 20, 21, 22 in Form von Messstreifen auf einem Rotorblatt oder beiden Rotorblättern anzubringen. Zur Erfassung der Winkelinformationen ist nur eine Kamera 13 erforderlich. Diese macht während des Betriebs des Hubschraubers 23 Aufnahmen des kompletten Rotors. Die Messstreifen sind bereits vorkalibriert, so dass eine besondere Kalibrierung nicht mehr erforderlich ist. Mit Kenntnis der geometrischen Abmessungen kann durch Auswertung der von der Kamera 13 gelieferten Bilder eine Messung des Anstellwinkels und des Schlagwinkels mit erhöhter Messgenauigkeit gegenüber dem bekannten Verfahren durchgeführt werden.
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Die 12 zeigt eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Winkelmesseinrichtung in einer Gleitpfadanzeige für landende Fluggeräte. Die 12 zeigt als Fluggerät beispielhaft ein Flugzeug 28, das auf einer Landebahn 26 landen soll. Der optimale Gleitpfad wird durch eine Linie 30 dargestellt, die in einem optimalen Aufsetzpunkt 27 für das Flugzeug 28 endet. Im Bereich der Landebahn 26 ist eine erste Winkelmesseinrichtung 25 und eine zweite Winkelmesseinrichtung 33 angeordnet, derart, dass die Winkelmesseinrichtungen 25, 33 vom Piloten des Flugzeugs 28 erkennbar sind. Die Winkelmesseinrichtung 25 ist nach Art eines Schilds senkrecht auf einem Pfosten neben der Landebahn, d. h. außerhalb der unmittelbaren Flugrichtung, angeordnet. Die Winkelmesseinrichtung 25 ist bezüglich ihrer Höhe derart angeordnet, dass sich ein Schnittpunkt mit dem optimalen Gleitpfad 30 ergibt. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine eben bezüglich der Landebahn 26 angeordnete zweite Winkelmesseinrichtung 33 im Bereich des Aufsetzpunkts 27 angeordnet sein, z. B. neben der Landebahn 26 oder in die Landebahn 26 eingelassen. Durch entsprechende Wahl des geometrischen Musters 3 der Winkelmesseinrichtung 25, 33 kann eine von einem Betrachter einfach auswertbare optische Gleitpfadanzeige realisiert werden, die gegenüber anderen technischen Lösungen den Vorteil hat, dass sie ausfallsicher ist und ohne Stromversorgung auskommt.
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Die 13 zeigt mögliche Anzeigebilder der Winkelmesseinrichtung 25. 13a zeigt durch das Symbol „Pfeil nach oben” an, dass sich das Flugzeug 28 unterhalb des optimalen Gleitpfads 30 befindet und der Pilot eine Korrektur durch Höhenrudergabe herbeiführen soll. Gemäß 13b wird durch ein Gleichheitszeichen angezeigt, dass sich das Flugzeug 28 auf dem optimalen Gleitpfad 30 befindet. Gemäß 13c wird durch das Symbol „Pfeil nach unten” angezeigt, dass sich das Flugzeug 28 oberhalb des optimalen Gleitpfads 30 befindet. Der Pilot erhält hierdurch den Hinweis, dass er das Flugzeug 28 durch Tiefenrudergabe auf den optimalen Gleitpfad 30 bringen soll.
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Die 14 zeigt eine Justiereinrichtung mit einer ersten Winkelmesseinrichtung 53 und einer zweiten Winkelmesseinrichtung 54. Die Winkelmesseinrichtungen 53, 54 entsprechen dem in den 1 bis 3 beschriebenen Aufbau. Die Winkelmesseinrichtungen 53, 54 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, wobei eine Symmetrieachse S parallel zu der Längserstreckung der Linsen 7 bzw. der Linien des Musters 3 mittig zwischen den Winkelmesseinrichtungen 53, 54 vorhanden ist. Mit der Justiereinrichtung gemäß 14 werden Anzeigebilder gemäß 15 erzeugt. Gemäß 15a) wird ein Anzeigebild dargestellt, dass eine Positionierung eines Objekts zu weit links von einer Soll-Winkellage indiziert. Die 15b) zeigt eine optimale Ausrichtung des Objekts, was daran erkennbar ist, dass die auf der Justiereinrichtung erkennbaren Balken die gleiche Position in Vertikalrichtung haben. Die 15c) zeigt ein Anzeigebild der Justiereinrichtung bei zu weit rechts von der SollWinkellage ausgerichtetem Objekt.
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Die 16 zeigt eine Anwendung zweier Justiereinrichtungen gemäß den 14 und 15 an einer Wand 29 eines Raums. Eine erste Justiereinrichtung 55 ist links von einem Objekt 32 an der Wand 29 angebracht, eine zweite Justiereinrichtung 56 ist rechts von dem Objekt 32 an der Wand 29 angebracht. Die in der 16 jeweils unterhalb der jeweiligen Justiereinrichtung 55, 56 dargestellten Anzeigebilder geben an, welches Erscheinungsbild die jeweilige Justiereinrichtung bei einer jeweiligen Position A, B oder C eines Betrachters abgibt. Bei einer Positionierung an der Position B, d. h. auf einer Linie 31, ist erkennbar, dass bei beiden Justiereinrichtungen 55, 56 angezeigt wird, dass eine gewünschte Winkellage und damit eine Sollposition in dem Raum erreicht ist. Auf diese Weise lassen sich in einem Raum mit wenig Aufwand Gegenstände immer wieder an der gleichen Position anordnen.
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Die 17 zeigt anhand von fünf beispielhaft gewählten Winkelmesswerten die Anzeigedarstellung eines optischen Anzeigemittels, das zum direkten Ablesen des gemessenen Winkels von der Winkelmesseinrichtung vorgesehen ist. Das in den fünf Anzeigedarstellungen wiedergegebene optische Anzeigemittel weist im linken Bereich eine direkte zahlenmäßige, d. h. numerische Anzeige von Winkelmesswerten auf. Im rechten Bereich ist eine Balkendarstellung vorgesehen. Mit der numerischen Anzeige kann vom zu messenden Winkel beispielsweise die Zehnerstelle einer zweistelligen Dezimalzahl angezeigt werden. Mit der Balkenanzeige ist eine Darstellung der Einerstelle der zweistelligen Dezimalzahl darstellbar. Sowohl die numerische Anzeige als auch die Balkendarstellung sind auf der Winkelmesseinrichtung 1 in Form des geometrischen Musters 3 realisiert, das unterhalb des mit den Linsen F versehenen Bereichs der Lentikularfolie 4 angeordnet ist. Die Lentikularfolie 4 ist derart ausgebildet, dass sich die Zehnerstelle nach jeweils 10 Grad Veränderung des Betrachtungswinkels ändert. Im Bereich der Balkendarstellung ist die Lentikularfolie derart ausgebildet, dass sich die vorgesehenen fünf Felder für die Balken jeweils nach 5 Grad Veränderung des Betrachtungswinkels ändern. Mit einer solchen Anzeigevorrichtung lassen sich Winkel mit einer Auflösung von 1 Grad messen. Interessanterweise ändert sich die Darstellung jeweils schon bei einer Änderung des Betrachtungswinkels von 1 Grad. In der 17a) ist die Anzeigedarstellung bei einem Betrachtungswinkel von 0 Grad wiedergegeben. In der 17b) ist die Anzeigedarstellung bei einem Betrachtungswinkel von 4 Grad wiedergegeben. In der 17c) ist die Anzeigedarstellung bei einem Betrachtungswinkel von 8 Grad wiedergegeben. Wie man erkennt, nimmt die Anzahl der Balken bei einer Vergrößerung der Einerstelle von 0 bis 5 zu, während die Anzahl der Balken bei einer Vergrößerung der Einerstelle von 6 bis 0 wieder abnimmt. In der 17d) ist beispielhaft die Anzeigedarstellung für einen Winkel von 19 Grad dargestellt, in der 17e) für einen Winkel von 32 Grad.
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Mit einem solchen Anzeigemittel können Winkel in 1 Grad-Schritten gemessen werden. Für die Erfassung negativer Winkel kann ein zusätzliches Anzeigefeld links von der Zehnerstelle vorgesehen sein, über die ein Minus-Zeichen angezeigt wird. Mit dem anhand der 17 beschriebenen Anzeigemittel kann prinzipiell auch eine höhere Auflösung als 1 Grad erzielt werden. In diesem Fall werden weitere Anzeigefelder benötigt, für die jeweilige geometrische Muster 3 auf der Rückseite der Lentikularfolie 4 vorzusehen sind.
