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Fotoelektrische Vorrichtung zuni Messen und Einstellen der Lage von
Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische
Vorrichtung zum Messen und Einstellen der Lage von Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen,
bei welcher das Objekt in einem geteilten Gesichtsfeld liegt oder in einem solchen
abgebildet wird, dessen Hälften als Folge der Bewegungen eines schwingenden Elementes
in zeitlicher Aufeinanderfolge ein für Lichtintensitäten empfindliches Vergleichsorgan
beaufschlagen.
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Bei den bekannten fotoelektrischen Einrichtungen zum Messen der Lage
von Objekten sind zwei Arten zu unterscheiden. Bei der einen wird das Bild des Objektes
durch die Abtastung in eine Impulsreihe zerlegt, wobei die zeitlichen Abstände der
Einzelimpulse ein Maß für die Lage des Objektes abgeben. Bei der zweiten Art wird
das Gesichtsfeld, in dem das Objekt oder sein Bild liegt, geteilt und die beiden
Hälften intensitätsmäßig miteinander verglichen. Es ist sowohl bekannt, diesen Vergleich
statisch, wie auch, ihn dynamisch durchzuführen. In jedem Falle aber wird die Aufteilung
des Gesichtsfeldes durch besondere Mittel vorgenommen und ein etwa vorhandenes schwingendes
Element dient lediglich nur noch dazu, die bereits festgelegten Hälften des Gesichtsfeldes
wechselweise wirksam werden zu lassen.
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Demgegenüber ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung
des Gesichtsfeldes allein durch die Bewegung des schwingenden Elementes bestimmt
ist und daß die Amplitude der Schwingungen so bemessen ist, daß - für zu dem Objekt
bzw. dessen Bild symmetrische Schwingungen - bei der größten Auslenkung die Abschattung
des lichtempfindlichen Organs einen Bruchteil der durch den Schwingvorgang maximal
möglichen Abschattung ausmacht.
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Die Erfindung bedient sich damit zwar auch der Methode, verschiedene
Teile des das Objekt enthaltenden Gesichtsfeldes intensitätsmäßig miteinander zu
vergleichen, indem sie die von diesen ausgehenden Lichtströme in zeitlicher Aufeinanderfolge
einer Vergleichseinrichtung zuführt.
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Im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen sind jedoch außer dem
schwingenden Element selbst keine Teile vorhanden, die die Aufteilung des Gesichtsfeldes
von vornherein festlegen würden. Die Aufteilung des Gesichtsfeldes wird einzig und
allein durch die Bewegung des schwingenden Elementes bestimmt. Dadurch, daß außerdem
die Schwingamplitude eine solche Größe hat, daß bei der größten Auslenkung die Abschattung
der Lichtröhre einen Bruch- ; teil der maximal möglichen ausmacht, ergibt sich eine
Empfindlichkeit, die unter sonst gleichen Bedingungen von den bekannten Einrichtungen
prinzipiell nicht erreichbar ist.
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Gegenüber den bekannten Einrichtungen mit Vergleich der Impulsfolgezeiten
leuchtet dieser Vorteil ohne weiteres ein, denn die Empfindlichkeit einer solchen
Einrichtung ist etwa umgekehrt proportional der verwendeten Schwingamplitude. Diese
kann bei Messung der Impulsfolgezeiten grundsätzlich nicht unter einen bestimmten
Wert gedrückt werden, wenn die Lage der Impulse noch einwandfrei bestimmbar sein
soll. Bei der vorliegenden Erfindung dagegen ist bei passender Bemessung von Teilstrich
und Gesichtsfeldblende eine nahezu beliebige Verringerung der Schwingamplitude zu
erreichen.
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Hieraus wird auch der Vorteil klar, den die Erfindung gegenüber den
bekannten Einrichtungen mit Intensitätsvergleich hat. Da bei diesen das Gesichtsfeld
durch Prismen, Doppelspalte u. d'gl. bereits unterteilt ist, wird das schwingende
Element bei immer weitergehender Verringerung seiner Schwingamplitude schließlich
nur noch eine Gesichtsfeldhälfte erfassen können, weil Ungenauigkeiten bei der gegenseitigen
Justierung von teilendem und schwingendem Element unvermeidlich sind. Demgegenüber
ist die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
erläutert.
In Fig. 1 a bedeutet R eine Braunsche Röhre, L einen
Lichtpunkt auf dem Schirm der Braunsehen Röhre, der mit bekannten Mitteln erzeugt
und symmetrisch um eine Nulllage senkrecht zu den Teilstrichen eines nachgeschalteten
Maßstabes zum Schwingen gebracht wird, A 1 und A 2, zwei ein anamorphotisehes
Abbildungssystem bildende Zylinderlinsen, M einen durchsichtigen Maßstab, T einen
undurchsichtigen Teilstrich des Maßstabes M, L' ein durch die beiden Zylinderlinsen
erzeugtes anamorphotisches Bild L, das die Gestalt eines langgezogenen Rechtecks
hat und das so orientiert ist, daß seine lange Rechteckseite parallel zu den Teilstrichen
verläuft und seine Schwingung in Richtung der Teilung des Maßstabes erfolgt, F eine
Feldlinse, Z eine Fotozelle bzw. einen Fotomultiplier, dem durch die Feldlinse F
das durch das System fließende Licht gebündelt zugeführt wird.
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Man kann auch eine Anordnung nach Fig. 1 b benutzen: Von dem durch
die Lampe S mit Hilfe des Kondensators K beleuchteten Teilstrich T des Maßstabes
M wird durch das Objektiv O ein reelles Bild T' erzeugt, über welches eine
Laufblende B, z. B.
eine zum Schwingen gebrachte Saite, periodisch hinwegschwingt.
Der durch die Anordnung fließende und durch die relative Lage zwischen Teilstrichbild
T' und Blende B gesteuerte Lichtstrom wird einer Fotozelle Z zugeführt.
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Die Wirkung der Erfindung wird nachfolgend an Hand von Beispielen
der Fig. 2 bis 6 für die Anordnung nach Fig. 1 a beschrieben.
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In diesen Figuren bedeutet 1. die von links oben nach rechts unten
schraffierten Rechteckfelder die Teilstriche T des Maßstabes M, 2. die nicht schraffierten
Rechteckfelder das Leuchtfeld L', und zwar das gestrichelt gezeichnete Rechteckfeld
die linke Extremlage des. Leuchtfeldes und das ausgezogene Rechteckfeld die rechte
Extremlage des Leuchtfeldes, - 3. das von links unten nach rechts oben schraffierte
Gebiet die Oberfläche des Maßstabes M.
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Fig. 2 stellt einen Ausschnitt des Maßstabes M dar, über dessen Teilstrich
T das rechteckige, dem Teilstrich ähnliche, den Maßstab beleuchtende Bild des Lichtpunktes
L als Leuchtfeld L' in Teilungsrichtung symmetrisch nach beiden Seiten zu einer
Nullage schwingt. In der Zeichnung sind beide Extremlagen des. Leuchtfeldes eingezeichnet.
Die Amplitude der Schwingung ist nach Fig.3 so bemessen, daß bei der Symmetriestellung,
in der die Symmetrielinie der Schwingung mit der zur Teilungsrichtung senkrechten
Symmetrielinie des Teilstriches zusammenfällt, sowohl- bei der rechten Extremlage
des Leuchtfeldes L' als auch bei der linken Extremlage des Leuchtfeldes L' die Abschattung
des Leuchtfeldes bzw. der Lichtröhre durch den Teilstrich T oder dessen Bild einen
endlichen Bruchteil der maximalen Abschattung ausmacht, die durch ausschließliches
Verschieben des Teilstriches relativ zur Lichtröhre in Teilungsrichtung erzielt
werden kann.
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In diesem Falle werden in den Extremlagen durch beliebig kleine Verschiebungen
des Teilstriches relativ zum Leuchtfeld in Teilungsrichtung Lichtstromänderungen
hervorgerufen. In Fig.3 ist dies der Fall, solange in der linken Extremlage die
linke Kante des Teilstriches T und in der rechten Extremlage die rechte Kante des
Teilstriches T zwischen beiden Längskanten des Leuchtfeldes zu liegen kommt.
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Die Lichtstromänderung hat dann einen typischen zeitlichen Verlauf,
-wie er in Fig. 8 a dargestellt ist. Wie leicht einzusehen ist, sind bei der Symmetriestellung
die aufeinanderfolgenden Amplituden der Lichtstromänderungen von genau gleicher
Größe.
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In Fig. 4 fällt die beschriebene Symmetrielinie des Teilstriches in
der Nullage der Schwingung nicht mehr mit der Symmetrielinie der Schwingung des
Lichtfleckes zusammen. Es tritt aber sowohl in der linken als auch in der rechten
Extremlage eine Abschattung ein, die nur einen Bruchteil der maximal möglichen Abschattung
des Leuchtfeldes durch den Teilstrich ausmacht. In diesem Fall sind die Amplituden
der aufeinanderfolgenden Lichtimpulsänderungen nicht mehr von gleicher Größe, wie
dies in Fig. 8 b dargestellt ist. Wird die relative Stellung noch unsymmetrischer,
aber so, daß sowohl links als auch rechts in den Extremlagen nur ein endlicher Bruchteil
der maximal möglichen Abschattung des Leuchtfeldbildes durch den Teilstrich eintritt,
so ergeben sich der Reihe nach Verläufe der Lichtstromänderungen, wie sie in den
Fig. 8 c und 8 d dargestellt sind.
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Wird der Teilstrich noch weiter relativ gegen die Nullage des schwingenden
Lichtfleckes verschoben, so tritt schließlich nach Fig. 5 der Fall ein, bei dem
bei der maximalen Elongation des Leuchtfeldes auf einer Seite die maximal mögliche
Abschattung des Leuchtfeldbildes durch den Teilstrich eintritt. In Fig. 5 wird z.
B. nur bei der linken Extremlage des Leuchtfeldbildes die maximale Abschattung erreicht,
nicht aber bei der rechten Extremlage.
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In diesem Fall ergibt sich eine Lichtstromänderung nach Fig. 8 e.
Bei weiterer Verschiebung ergeben sich Lichtstromänderungen nach den Fig. 8 f und
8 g. Bei noch größerer Verschiebung, wie in Fig. 6 dargestellt, erfolgt die Lichtstromänderung
nach Fig. 8h.
Wird die Verschiebung noch größer gemacht, so daß sich in beiden
Extremlagen Teilstrich und Lichtfleck nicht mehr überdecken, so erfolgt keine Lichtstromänderung
mehr.
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Erfolgen die sukzessiven Verschiebungen zwischen Leuchtfeld und Teilstrich
aus der Symmetrielage heraus nach der anderen Seite, so ergeben sich der Reihe nach
Lichtstromänderungen, wie sie in den Fig. 8 i bis 8 p dargestellt sind.
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Die Fig. 8 h über 8 a bis 8 p stellen also dar, welchen Verlauf die
Lichtstromänderungen haben, wenn der Teilstrich von einer Seite aus über die Symmetriestellung
nach der anderen Seite des Leuchtfleckes verschoben wird.
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Dabei sind die Figuren so angeordnet, daß die Größen der Lichtstromänderungen,
die den Extremlagen des Leuchtfeldes entsprechen, untereinander gezeichnet sind.
Die Linie D bezeichnet jeweils die linke Extremlage der Schwingung, die Linie G
die
rechte Extremlage. Man sieht, daß zwischen den Lichtstromänderungsverläufen
der Fig. 8 b bis 8 h eine Art Phasenverschiebung gegen die entsprechenden Verläufe
der Fig. 8 i bis 8 p eintritt, insofern als beispielsweise in Fig. 8 b auf der Linie
D die kleinere Lichtstromänderung eintritt, auf der Linie G dagegen in Fig. 8 i.
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Dieser Phasensprung wird bei der Messung als Kriterium dafür benutzt,
ob der Teilstrich links oder rechts von der Symmetrielage liegt. Der für die Messung
auswertbare Bereich liegt etwa zwischen den Fig. 8 d und 81 und stellt das nutzbare
Gesichtsfeld der Anordnung dar.
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Wie leicht ersichtlich ist, ergibt sich das größte nutzbare Gesichtsfeld
und gleichzeitig die größte relative Lichtstromveränderung innerhalb des Gesichtsfeldes,
wenn nach Fig. 7 die Breite des Teilstriches gleich der Breite des Lichtfleckes
ist und zugleich die Amplitude der Schwingung den halben Wert dieser Breite hat.
Das Gesichtsfeld ist dann gleich der Teilstrichbreite, d. h. bei einem Teilstrich
von 10 Mikron Breite - 5 Mikron. Die Einstellung auf Null und auch die Messung der
Verschiebung gegen die Nulllage kann z. B. auf dem Schirm eines Elektronenstrahloszillographen,
dessen Zeitablenkung geeignet gewählt ist, erfolgen. Zur Einstellung wird der Teilstrich
so lange verschoben, bis die Symmetriestellung entsprechend Fig. 8 a erreicht ist.
Zur Messung der Abweichung des Teilstriches von der Symmetrielage wird der Unterschied
zwischen größter und kleinster Amplitude, also im Falle der Fig. 8 b der Wert J
h, auf dem Schirm gemessen. Eine Eichkurve für den Zusammenhang zwischen den Werten
J h und der seitlichen Verschiebung gegen die Nullage wird in der Praxis am besten
empirisch festgelegt, z. B. durch Interferenzmessung der Verschiebung des Teilstriches
gegen die Symmetrielage. Es sei hervorgehoben, daß dieser dynamische Symmetrieabgleich
alle Vorteile des visuell-optischen Symmetrieabgleiches hat. Vor allem wird in jedem
Fall die Symmetrielinie des Teilstriches festgestellt, so daß also Schwankungen
der Teilstrichbreiten von Strich zu Strich nicht in die Messung eingehen. Weiterhin
geht in erster Ordnung auch die Schwingamplitude des Leuchtfeldes, sofern sie den
obenerwähnten Forderungen entspricht, nicht in die Messung ein.
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Werden, wie aus dem bisher Gesagten hervorgeht, die Parameter Leuchtfeldbreite,
Teilstrichbreite und Schwingamplitude anders gewählt, als in den Fig. 2 bis 7 dargestellt
ist, so gibt sich außerhalb des Gesichtsfeldes unter Umständen ein anderer Verlauf
der Lichtstromänderung, als in den einzelnen Kurven der Fig. 8 dargestellt ist.
Dies ist jedoch ohne Bedeutung für den Meßvorgang, da innerhalb des oben bezeichneten
nützlichen Gesichtsfeldes die Verhältnisse urigeändert bleiben.
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Läßt man über das Leuchtfeld eine schmale, rechteckige, senkrecht
zur Teilungsrichtung verlaufende Blende in Teilungsrichtung schwingen, wie dies
bei der schwingenden Saite nach Fig. 1 b der Fall ist, so entsteht im Leuchtfeld
eine in Teilungsrichtung schwingende, nicht vom Licht durchstrahlte Lücke E nach
Fig. 9 a, durch welche das Leuchtfeld in zwei voneinander getrennte Leuchtfelder
L' wechselnder Größe zerlegt wird. In diesem Fall muß die Amplitude der Schwingung
der Lücke E relativ zum Teilstrichbild T' so groß und das Teilstrichbild so breit
sein, daß bei der Symmetriestellung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der
Nullage die Symmetrielinie des Teilstrichbildes T' und die Symmetrielinie der Lücke
E zusammenfällt, im Falle der größten Auslenkung nach links und rechts die Lücke
E den Teilstrich teilweise bedeckt, wie dies in Fig.9b für die rechte Extremlage
der Schwingung dargestellt ist. Wie leicht einzusehen ist, ergeben sich in diesem
Falle ganz analoge Verhältnisse, wie sie für die Anordnung nach Fig. 1 a beschrieben
sind.
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Die praktische Verwirklichung des Schwingvorganges kann an Stelle
der eingangs beschriebenen Anordnung 1 a in bekannter Weise, z. B. auch dadurch
erfolgen, daß der Teilstrich mit Hilfe einer Optik über einen Schwingspiegel auf
eine Spaltblende abgebildet wird oder daß bereits der Maßstab selbst, z. B. mit
Hilfe eines Schwingspiegels in Verbindung mit einer Blende mit einem schwingenden
Lichtfleck beleuchtet wird.
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Im folgenden wird eine elektrische Vorrichtung beschrieben, die es
ermöglicht, an Stelle einer Braunschen Röhre ein Zeigerinstrument zum Anzeigen zu
verwenden.
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Die Fig. 10 stellt eine Röhrenmeßbrücke dar, die aus zwei Pentoden
V 1 und V 2 besteht, zwischen deren Kathodenwiderständen R 1 und R 2 ein Zeigerinstrument
Z geschaltet ist. Auf die Steuergitter G 1 beider Pentoden wird die von der Fotozelle
bzw. dem Multiplier gelieferte, gegebenenfalls vorher verstärkte Spannung, z. B.
der Spannungsverlauf der Fig. 8 b gegeben. Auf die Schirmgitter G 2 der Pentoden
wird je eine von zwei in der Phase um 1800 gegeneinander verschobenen Rechteckspannungen
gegeben. Da Pentoden nur bei positiver Schirmgitterspannung arbeiten, sonst dagegen
gesperrt sind, wird wegen der Gegenphasigkeit beider Spannungen erreicht, daß jeweils
eine Pentode gesperrt ist, während die andere arbeitet. Um eine Synchronisierung
dieses Schaltvorganges mit der Stellung des Schwingungserzeugers, z. B. einer schwingenden
Saite, züz erreichen, wird die erforderliche Rechteckspannung aus der Spannung des
Senders abgeleitet, die den Schwingungserzeuger betreibt.
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Fig. 11a stellt noch einmal den Spannungsverlauf der Fotozellenspannung
entsprechend Fig. 8 b dar, die Fig. 11 b den sinusförmigen Spannungsverlauf des
Senders, welcher das schwingende Element der Vorrichtung, z. B. eine Saite in Schwingung
hält, wobei nötigenfalls durch einen Phasenschieber dafür gesorgt ist, daß die Extremwerte
der Senderspannungskurve mit den entsprechenden Extremlagen der Saite zeitlich zusammenfallen.
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Den mit D bezeichneten Extremwerten dieser Kurve entspreche die linke
Extremstellung der Saite, den mit G bezeichneten Extremwerten der Kurve entspreche
die rechte Extremstellung der Saite.
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Fig. 11 c stellt die Rechteckkurve dar, die sich nach elektronischer
Umformung der Senderspannungskurve ergibt.
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Diese Umformung kann in an sich bekannter Weise durch Verstärkung
und anschließende Beschneidung der Sinuskurve oder auch mit Hilfe von elektronischen
Schaltkreisen durchgeführt werden. Wird diese Rechteckspannung nach Fig.
11 c auf das Schirmgitter der Pentode V 1 gegeben, die Fotozellenkurve Fig.
11 a auf das Steuergitter, so verstärkt die Röhre nur die schraffiert gezeichneten
Teile der Fotozellenkurve. Fig. 11d stellt eine Rechteckspannungskurve dar, die
gegen die Rechteckspannungskurve
der Fig. 11 c um 180° phasenverschoben
ist, was mit Hilfe elektronischer Mittel leicht zu erreichen ist. Wird die phasenverschobene
Rechteckspannung nach Fig. 11d auf das Schirmgitter der Pentode V 2 gegeben, während
das Steuergitter entsprechend der Fotozellenkurve gesteuert wird, so verstärkt die
Pentode V 2 nur die unschraffierten Teile der Fotozellenkurve. Das Zeigermeßgerät
stellt sich entsprechend der Differenz zwischen der schraffierten und unschraffierten
Fläche der Fotozellenkurve ein. Durch Anbringen zweier Ladekondensatoren an den
Steuergittern kann aber auch erreicht werden, daß sich das Meßgerät entsprechend
der Differenz der Spitzenspannungswerte einstellt. Das Meßgerät steht bei der Symmetriestellung
auf Null und schlägt nach links oder rechts aus, je nachdem, nach welcher Richtung
der Teilstrich aus der Symmetriestellung verschoben ist.
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Die beschriebenen Beispiele beziehen sich auf Vorrichtungen, bei denen
das Objekt, dessen Lage eingestellt oder gemessen werden soll, im Durchlicht beleuchtet
wird.
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Es ist selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch
dann angewendet werden kann, wenn die Objekte, z. B. die Teilstriche eines Metallmaßstabes,
im Aufficht beleuchtet werden.
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Wie leicht ersichtlich ist, können die dem Symmetrieabgleich entsprechenden
elektrischen Größen der lichtempfindlichen Elemente, insbesondere der Fotozellen,
in bekannter Weise zur Steuerung, insbesondere von Teilmaschinen verwendet werden.
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Die vorbeschriebene Vorrichtung zum Messen und Einstellen der Lage
von Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen, ist vorteilhaft zum Messen und
Einstellen von Sternen, Zielmarken od. dgl. in der Geodäsie verwendbar.