DE1473993A1

DE1473993A1 - Lichtpeilvorrichtung

Info

Publication number: DE1473993A1
Application number: DE19651473993
Authority: DE
Inventors: Mclauchlan John Mead
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1964-08-31
Filing date: 1965-08-28
Publication date: 1969-01-30
Also published as: BE668987A; US3354320A; GB1083416A; DE1473993B2

Description

8000 MÖNCHEN 15, 2»; "Aurust I965 NUSSBAUMSTRASSE 10 TELEFON, 555476 1473913

W. 12287/65 12/Nö

National Aeronautics and Space Administration

Washington, D.C, (V.St.A.)

Lichtpei!vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Lichtabfühl- oder Lichtpeilvorrichtungen und insbesondere auf elektrooptische Einrichtungen zum Bestimmen der Stellung einer Lichtquelle,

Wegen der Entfernungen, die beim Raumflug, insbesondere beim interplanetarischen Raumflug zurückgelegt werden, ist es notwendig, die Antennen an dem Raumfahrzeug in Richtung auf die Erde auszurichten, um Signale vom und zum Raumfahrzeug zu senden und zu empfangen, die beim Ankommen an Ihren entsprechenden Empfangseinrichtungen

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schwach sind. Da es wünschenswert für die empfangenen Signale ist, einen möglichst hohen Pegel zu haben, müssen die Raumfahrzeugantennen in eine Stellung ausgerichtet werden, duch welche ein Maximalsignal gesendet und empfangen werden kann. Es wurde gefunden, daß es durch Benutzung der Erde als Lichtquelle und Ausrichten der Antennen derart, daß sie genau auf diese Lichtquelle weisen, möglich ist, die Anforderungen der Sender in dem Raumfahrzeug herabzusetzen. Normalerweise ist eine Lichtabfühleinrichtung so angeordnet, daß sie in die gleiche Richtung wie die Antenne weist. Die Lichtabfühleinrichtung bestimmt die Stellung der Lichtquelle in Bezug auf die Antenne und dann wird ein Korrektursignal erzeugt, so daß die Antenne dahin eingestellt wird, wo ein Maximalsignal gesendet und empfangen werden kann.

Es wurde jedoch festgestellt, daß es bei längeren Raumflügen, solchen, die ein Jahr oder länger dauern, bei denen Fehler an den sich bewegenden Teilen derartiger Lichtabfühleinrichtungen wegen des langen fortlaufenden Gebrauchs auftreten können, wünschenswert ist, daß die sich* bewegenden Teile der Lichtabfühleinrichtung und zugehöriger Ausrüstung auf einem Minimum gehalten werden. Die bisher für die Einstellung der Raumfahrzeugantennen benutzten Lichtpeileinrichtungen haben viele sich bewegenden Teile erfordert und waren weiterhin unhandlich bzw, schwerfällig, viel Platz beanspruchend und äußerst kompliziert,

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Um die bei den bisher bekannten Lichtpeilvorrichtungen vorhandenen Nachteile zu überwinden, schafft die Lichtpeilvorrichtung gemäß der Erfindung eine Information über die Ausrichtung der Raumfahrzeugantenne mit Bezurr auf die Lichtquelle und sie benutzt dabei nur ein einziges bewegliches Teil und erlaubt so eine maximale Zuverlässigkeit während langer Raumflüge,

Insbesondere fokussiert gemäß einer Ausführung form der Erfindung eine optische Einrichtung ein Bild der Lichtquelle auf die Oberfläche einer lichtempfindlichen Lichtabfühleinrichtung. Zwischen der optischen Einrichtung und der Lichtabfühleinrichtung ist ein Stellungsnormal (position reference) mit einer rechteckigen öffnung darin angeordnet. Eine trapezartig^ geformte Abdeckung bzw, ein Verschluß

wird in einer Ebene zwischen der Abfühleinrichtung und der optischen Einrichtung oszillieren gelassen und läßt wechselweise das Lichtbild durch die öffnung des Stellungsnormals auf die Lichtabfühleinrichtung hindurchgehen und nicht hindurchgehen. Die Lichtabfühleinrichtung bzw*: der Lichtdetektor umfaßt normalerweise eine Fotoelektronenvervielfacherröhre. Wie hier erläutert, liefern die Ausgangssignale des Detektors eine Information über die Stellung der Lichtquelle in bezug auf die beiden Achsen einer Antenne und weiter liefern sie eine Information, ob die Lichtquelle

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vorhanden ist oder nicht. Eine Korrektur der Antenne kann dann vorgenommen werden, so daß sie auf die Lichtquelle weist.

Die Vorteile der Erfindung und zwar sowohl bezüglich der Ausführung als auch der Arbeitsweise gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in welche die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert ist, Pig, 1 ist eine auseinandergezogene Teilansicht der Teile

der Lichtpeilvorrichtung gemäß der Erfindung; FIg, 2 ist eine perspektivische Ansicht der Lichtpeilvorrichtung gemäß der Erf&idung;

Pig, 3 1st eine Ansicht von einem Teil der Lichtpeilvorrichtung, die benutzt wird, um verschiedene Stellungen der Lichtquelle zu zeigen;

Pig, Ma), Mb) und Mc) zeigen Kurven der Ausgangsspannungen, die von der Lichtpeilvorrichtung und verschiedenen Stellungen der Lichtquelle gemäß Pig, 3 erhalten werden.

Pig,5 ist eine Ansicht einer abgewandelten AusfÜhrungsform der Abdeckung bzw, des Verschlusses, welcher in der Lichtpeilvorrichtung gemäß den Fig, I bis 3 benutzt 1st,

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In Pig, 1 sind die Hauptteile der Lichtpeilvorrichtung gemäß der Erfindung zu Zwecken der Erklärung ihrer Wirkungsweise gezeigt. Die Lichtpeilvorrichtung weist im wesentlichen eine optische Einrichtung 12 auf, welche benutzt wird, um ein Bild der Lichtquelle auf einen fotoempfindlichen Lichtabfühler bzw. Lichtdetektor 14 zu fokussleren· Zwischen der optischen Einrichtung 12 und dem Lichtdetektor 14 1st ein Stellungsnormal bzw, eine Bezugsblende 16 (position reference) angeordnet. Ferner ist eine Abdeckung 18, die eine trapezartige Form hat, zwischen der optischen Einrichtung 12 und der Bezugsblende 16 angeordnet. Die Abdeckung 18 schwingt hin und her über der Bezugsblende 16, so daß die Lichtquelle, deren Strahlen auf eine Stelle in der Ebene der Bezugsblende 16 fokussiert werden, abwechselnd abgehalten werden und frei hindurchgehen können.

Die Lichtpeilvorrichtung gemäß Fig. 1 ist normalerweise In Beziehung zu einer Antenne an einem Raumfahrzeug derart angeordnet, daß, wenn die Lichtquelle ins Zentrum der Bezugsblende 16 fokussiert wird, die Antenne in eine Stellung ausgerichtet 1st, in welcher ein Maximalsignal sowohl gesendet als auch empfangen wird« Sollte die Lichtquelle sich mit Bezug auf die Antenne verschieben, so daß die Lichtquelle nicht länger ins Zentrum der Bezugsblende fokussiert wird, so ist die Antenne nicht mehr in der Op-

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tlmalsteilung, Der Betrag; der Verschiebung der Lichtquelle vom Zentrum der Bezuf.sblende ist proportional zu den Betrag, um welchen die Antenne sich aus ihrer Optimalstellung verschoben hat. Die Erfindung sieht ein System zum Erfassen bzw. Abfühlen und Bestimmen des Betrages der verschiebung der Lichtquelle von dem Zentrum der Bezuersblende mit Bezug auf zwei Achsen in der Ebene der Be£u?sblende vor. Ein Signal, welches die Stellung der Lichtquelle und der Antenne anzeigt, kann dann benutzt werden, um ein Korrektursignal (welches nicht Teil der Erfindung ist) für die Antenne eines Raumfahrzeuges zu erzeugen· Die Antenne kann dann in eine Stellung bewegt werden, in der maximale Ausgangssicrnale wiederum gesendet und empfangen werden können. Gleichzeitig wird natürlich die Lichtquelle wieder ins Zentrum der Bezue-sblende gebracht, Darüberhinaus würde das Fehlen eines Signals vom Lichtdetektor eine Anzeire dafür sein, daß keine Lichtquelle vorhanden 1st.

In Pig, 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäß der oben erläuterten Zeichnung gezeigt. Die optische Einrichtung weist eine Linse 24 auf, welche in einem Linsenhalter 26 befestigt 1st. Der Linsenhalter 26 ist an einem Ende eines Gehäuses 28 befestigt. Ausserdem 1st in dem Gehäuse 28 ein lichtempfindlicher Lichtdetektor enthalten, welcher eine Potoelektronenvervielfacberröhre.32 umfaßt, die eine Bezugsblende hat, welche von einem licbt-

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undurchlässigen Teil 34 gebildet 1st, der an dem lichtempfindlichen Ende der Fotoelektronenvervielfältigerröhre 32 angeordnet ist. Eine rechteckigeöffnung 36 in der Bezugsblende erlaubt es Lichtstrahlen, welche auf die Linse 24 fallen, durch die Bezugsblende auf die lichtempfindliche Fläche der Fotoelektronenvervielfacherröhre durchtreten.

Die Abdeckung umfaßt ein lichtundurchlässiges, trape zart ig geformtes Teil 42. Die größte Breite der Abdeckung 42 ist wenig größer als die Breite der öffnung 36_t Die Abdeckung 42 wird veranlaßt, zu schwingen, und zwar mittels einer einfachen magnetischen Antriebseinrichtung (welche keinen Teil der Erfindung bildet). An einem Ende des Teiles 42 1st eine Schwingzunge befestigt, welche in ein Paar von Blättern 52, 54 aufgeteilt ist. Die Blätter 52, 54 sind an der In einem Gehäuse 56 enthaltenen magnet rl se hen Antriebseinrichtung befestigt. Normalerweise kann die Antriebseinrichtung einfach aus einem Paar von Spulen bestehen, die in einem Dauermagnetfeld aufgehängt sind.

Die Abdeckung 42 schwingt auf der Vorderseite der öffnung 36 zwischen den in Fig. 2 gestrichelt gezeichneten Extremstellungen· Diese Extremstellungen sind solche, daß, wenn die Abdeckung 42 sich in diesen Stellungen befindet, Licht von der Linse 24 jeden Teil der öffnung 36 treffen kann und nicht durch die Abdeckung 42 zurückgehalten wird,

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In PIr. 3 sind zu Zwecken der Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 2 drei verschiedene Stellungen der Quelle von Licht, das in die öffnung 36 fokussiert ist, und in Fig, ¹J (a-c) die resultierenden Ausgangsslgnale wiedergegeben, die durch diese drei Stellunpen erzeugt bzw, dargestellt werden. In Stellung A ißt die Lichtquelle genau ins Zentrum der öffnung 36 fokuaiert. Wenn die Lichtquelle in diese Stellung fokussiert wird und die Abdeckung 42 sich direkt über der öffnung 36 befindet, so wird von der Fbtoelektronenvervielfacherröhre 32 kein Licht empfangen« Fig, 4 (a) stellt die Ausgangsspannung der Potoelektronenvervielfacherröhr.e 32 dar, wenn die Lichtquelle sich in Stellung A befindet. Zur Zeit t_Q befindet sich die Abdeckung 42 gertau in ihrem Bewegungssentrum. In dieser Stellung 1st die Lichtquelle durch die Abdeckung 42 abgedeckt und es gibt kein Ausgangesignal an der Fotoelektronenvervielfacherröhre 32, Wenn die Abdeckung 42 sich nach links bewegt, verdeckt eur Zeit tj die Abdeckung 42 nicht länger die Lichtquelle und eine Ausgangsspannung wird erzeugt. Diese Ausgangsspannung setzt sich bis zur Zeit t₂ fort, wenn die Abdeckung 42 Ihre Bewegung zur linken Seite der öffnung 36 beendet hat und die Lichtquelle bei ihrer Bewegung nach rechte wiederum verdeckt. Zur Zeit to, wenn die Abdeckung 42 eich nach

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der rechten Seite der Lichtquelle bewegt hat, wird wieder eine Ausgangsspannung erzeugt. Die Abdeckung 42 setzt ihre Bewegung nach der rechten Seite der öffnung 36 fort und kehrt dann zur Zeit t^ wiederum in eine Stellung zurück, in der sie die Lichtquelle abdeckt.

Wenn die Lichtquelle in eine Stellung B in der öffnung 36 fokussiert wird, d,h, sich mit Bezus; au** die öffnung 36 längs der x-Achse bewegt, deckt die Abdeckung 42 die Lichtquelle ab, aber zu einer späteren Zeit während der Bewegung der Abdeckung M2 von links nach rechts in der Zeichnung, als wenn die Lichtquelle im Zentrum der öffnung 36 wäre. Pig. 4 (b) stellt die Ausgangsspannung: dar, wenn die Lichtquelle in die Stellung B in Pig, 3 verschoben ist. Zur Zeit t_Q, wenn die Abdeckung 42 die öffnung 36 abdeckt, wird keine Ausgangsspannung erzeugt, Wenn Jedoch die Abdeckung 42 sich nach links bewegt, wird zur Zeit te eine Ausgangs spannung erzeugt ,· wenn die Lichtquelle nicht länger durch die Abdeckung 42 abdeckt ist, was su einem späteren Zeitpunkt als für eine zentral in der öffnung 36 befindliche Lichtquelle geschieht. Wenn weiterhin die Abdeckung 42 sich wieder nach rechts bewegt, wird die Lichtquelle zur Zeit t₆ abgedeckt und es wird nicht länger eine Ausgangs spannung erzeugt, Wenn die Abdeckung fortfährt eich naoh rechts zu bewegen, wird

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wiederum ein Impuls erzeugt, wenn die Abdeckung 42 zur Zeit t~ die Lichtquelle freigibt. Während die Abdeckung 42 sich nach rechts bewegt und dann wieder nach links, ist natürlich die Breite des Ausgangsimpulses bis zur Zeit to, zu welcher Zeit der Ausgangsimpuls wegen des Abdeckens der Lichtquelle durch die Abdeckunr 42 rieht länger erzeugt wird, größer als der anfängliche Ausgangsimpuls.

Kit der Lichtquelle in Stellung C, d,h_t, wenn sich die Lichtquelle längs der y-Achse mit Bezug auf die öffnung 36 verschoben hat, wird der schmale Teil der Abdeckung 42 die Lichtquelle abdecken. Da der schmale Teil der Abdeckung 42 die Lichtquelle abdeckt, ist die Ausgane-'simpulsbreite größer als wenn die Lichtquelle im Zentrum der öffnung 36 wäre. In Pig. 4 (c) sind die Ausgangsspannungen dargestellt für eine Lichtquelle, die sich in Stellung C in der öffnung 36 befindet. Die Lichtquelle hat sich in eine Stellung bewegt, in welcher der Teil der Abdeckung 42, der die öffnung 36 bedeckt, schmaler ist. Zur Zeit t₀, wenn die Abdeckung 42 mit Bezug auf die öffnung 36 zentral angeordnet ißt, wird kein Ausgangssignal erzeugt. Wenn die Abdeckung 42 in ihrer normalen Bewegung schwingt, werden wegen der kürzeren Zeltdauer während welcher die Abdeckung 42 die Lichtquelle abdeckt, größere Ausgangsimpulsbreiten erzeugt als für eine zentral angeordnete Lichtquelle, wöh-

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rend gleichzeitig kürzere Perloden des Fehlens eines Spannungsansgangs erzeugt werden, In denen die Abdeckung 42 die Lichtquelle abdeckt. Sollte die Lichtquelle sich längs der y-Achse in der entgegengesetzten Richtung als die bei der Stelle C dargestellten bewegen, so würden solche Ausgangs spannungsimpulse schmaler bzw. kurzer sein, als wenn die Lichtquelle sich zentral in der öffnung 36 befände.

Unter Berücksichtigung des Vorstehenden wird leicht ersichtlich, daß durch Ausbildung der Abdeckung 42 in Trapezform die Zeit, in welcher die Abdeckung 42 während ihrer Bewegung zuerst die Lichtquelle abdeckt, eine Anzeige für die Stellung der Lichtquelle längs einer Achse rechtwinklig zur Neigung der Kante der Abdeckung 42 1st. Weiterhin ist die Zeitdauer, während welcher kein Ausgangslmpuls erzeugt wird, eine Anzeige für die Stellung der Lichtquelle län^s einer Achse, die parallel zur Höhe des Trapeses verläuft· So kann durch Vergleichen sowohl der Zeit, wenn ein Ausgangssignal nicht länger auftritt und der Zeitdauer des Fehlens eines Ausgangssignals mit einem Bezugssignal die Stellung der Lichtquelle In der Ebene der Bezugsblende bzw, des Stellungsnormals über die Schaltungen ermittelt werden. Wie oben erläutert, kann der Lichtdetektor dann neu eingestellt werden, so daß die Lichtquelle sich wieder Im Zentrum der Bezugsblende befindet.

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In Pig. 5 ist eine andere Ausführungsform der in den Pig, 1-3 gezeigten Abdeckung dargestellt. Die Abdeckung gemäß Pigt 5 weist einen trapezförmigen Abschnitt 62 auf, mit welchen ein Paar von rechteckigen Abschnitten 64 und verbunden ist. Die Breiten des trapezförmigen Abschnitts 62 sind gleich der Breite der entsprechenden rechteckigen Abschnitte, mit welchen sie verbunden sind. Die Benutzung der Abdeckung nach Pig, 5 setzt die Änderungen der Ausgangsimpulse auf ein Minimum herab· Sollte z.B, bei Benutzung der Abdeckung nach den Pig· 1 bis 3 die Lichtquelle an den Enden der öffnung längs der y-Achse liegen, so würde entsprechend entweder ein*₄große oder eine kleine Ausgangsimpulsbreite erzeugt.

Sollte sich die Lichtquelle bei der Aueführungsform nach Pig, 5 längs der y-Achse um einen ansehnlichen Betrag bewegen, wird ein Korrektursignal erzeugt, bis die Lichtquelle zum Zentrumzurückgekehrt ist· Sollte die Lichtquelle sich in die Nähe eines der rechteckigen Abschnitte 64, 66 bewegen, würde das Ausgangssignal, welches von dem Detektor erzeugt wird, natürlich dasselbe sein in irgendeinem Bereich Jedes rechteckigen Abschnitte 6k₉ 66 _% Der Korrekturmeohanlsmus bewegt dann den Lichtdetektor derart, daß die Lichtquelle wieder in Richtung auf das Zentrum der öffnung ausgerichtet wird· Da Jedoch ein Zweck der Erfin-

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dung darin besteht, die Lichtquelle im Zentrum der öffnung anzuordnen, ist es unnötig, die Stellung der Lichtquelle längs der y-Achse genau zu bestimmen, bis die Lichtquelle In der Nähe des Zentrums der öffnung angeordnet 1st, d.h., in der Nähe der öffnung, die durch den trapezförmigen Abschnitt 62 gemäß Fig. 5 abgedeckt ist, Bei Verwendung der rechteckigen Abschnitte 64, 66, die an den trapezförmigen Abschnitt 62 anschließen, und wenn Fehlersignale, die von der Impulsbreite abhängen, benutzt werden, um die Stellung des Fahrzeuges zu korrigieren, werden extrem große oder extrem kleine Ausgangssignale von dem Detektor nicht erzeugt* So kann die Schaltung der Korrektureinrichtung bequem für ein Minimum an Änderung der Ausgangssignalbreite ausgelegt werden«

Ein Ausführungsbeispiel des Lichtdetektors, welcher die In Fig« 5 dargestellte Abdeckung verwendet, wurde hergestellt unter Benutzung eines 7-gliedrlgen Brechungssysteme 9/1, 2_t 50 mn Brennweitenlinse für die optische Einriottung« Das Blickfeld war 4° längs der x-Achse und 10° längs del» y-Aon··· Die Abdeckung wurde mit einer Frequent von 20 Perloden/»eo. angetrieben. Pur den Lichtdetektor wurde ein Dunont-Type-K 2185 lO-Stufen-Fotoelektronenvervielfaeher benutit. Dieser Fotoelektronenvervielfacher hat ein 3*11-Ansprechen (S 11-response), Sllber-Magnesium-Dynoden vtnd eint Stromverstärkung von 1,25 χ 10⁵ mit 1250 V*Η Erregung.

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Der Detektor war ausgelegt, um Himmelskörper auszumachen

die In Ihrer Intensität Im Bereich von 1 χ 10~⁶ bis 5 x 10"¹¹

ρ
Watt pro cm liegen und mit einem Nennfatibereich von 6000⁰K.

Während die Lichtpellvorrichtung mit Bezug auf Einrichtungen beschrieben wurde, in denen der Lichtdetektor nachgestellt wurde, so daß die Lichtquelle im Zentrum der Bezugsblencte verbleibt, ist natürlich zu verstehen, daß der Lichtdetektor feststehen bleiben kann und Ausgangssignale des Lichtdetektors benutzt werden, um die Stellung einer sich bewegenden Lichtquelle zu bestimmen·

Während die öffnung als eine rechteckige öffnung dargestellt 1st, können natürlich auch andere Formen, .z.B. elliptische oder kreisförmige öffnungen benutzt werden.

Obwohl die Abdeckung sowohl als trapezförmiges Teil als auch als ein trapeaförmiges Teil, welches ein Paar rechteckiger Teile verbindet, dargestellt wurde, könnten andere Formen, z.B. dreieckförmige Teile, benutzt werden«

β,··.Ο ORIGINAL

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Claims

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Patentansprüche

Lichtpeilvorrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignales, welches die Stellung einer Lichtquelle mit Bezug auf zwei Achsen der Vorrichtung anzeigt, mit einer lichtempfindlichen Lichtabführeinrichtung und einer optischen Projektionseinrichtung zum Fokussieren von Licht einer Lichtquelle auf die Abfühleinrichtung, gekennzeichnet durch eine schwingbare Abdeckung (18;42;62;64;66) von sich ändernder Breite zum abwechselnden Abdecken und Durchlassen von Licht zu der Abfühleinrichtun?? (l4;32) während veränderlicher Zeiträume, in Abhängigkeit von der Stellung der Lichtquelle relativ zur Stellung der Peilvorrichtung, wobei die veränderlichen Zeiträume die Stellung der Lichtquelle relativ zu den zwei Achsen anzeigen,
2. Vorrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Abfühleinrichtung (14,32) ein Fotoelektronenvervielfacher ist, der zwei Ausgangszustände hat, welche das Vorhandensein oder NichtVorhandensein von Licht, dem ermöglicht ist, die schwingbare Abdeckung (18;42;62;64;66) zu passieren, anzeigen.

3, Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Motor zum Schwingen der Abdeckung (18;42; 62;64;66) mit konstanter Geschwindigkeit.

ΒΛϋ OBiGiNAL

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I H f O 3 3 Ο

4, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Normalsteilungs-Lichtäbdeckelement (16, 3²O, welches eine rechteckige öffnung (36) hat, über welcher die Abdeckung (18;42;62;64;66) schwingt,

5, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (18;42;62;64;66) wenigstens teilweise trapezartige Form hat,

6, Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung außer einem trapezartig geformten Abschnitt (62) einen ersten (64) und einen zweiten (66) recht-eckigen Abschnitt^ (64,66) gleich der Breite der parallelen Seiten des trapezförmigen Abschnitts (62) ist und die Abschnitte (64,66) mit der entsprechenden parallelen Seite verbunden sind, *

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