DE1623273A1

DE1623273A1 - Ausrichtgeraet

Info

Publication number: DE1623273A1
Application number: DE19671623273
Authority: DE
Inventors: Sheldon Minkowitz
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1967-01-31
Filing date: 1967-03-07
Publication date: 1970-12-23
Also published as: GB1178007A; US3535525A

Description

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Beratende Patentingenieure Patentanmeldung

!he Perkin-Elmer Corp., Horwalk / Oonn» U.S.A«

Ausrichtgerät

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Ausrichten eines Körpers gegenüber einer Bezugsebene - oder Haie ,oder zur Messung seiner Abweichung davon. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Gerät welches die Ausrichtung mit einem relativ hohen Grad von Genauigkeit bewerksteiligt.

Bei vielen Anwendungen, beispielsweise Bearbeitungsvorgängen und bei der genauen Herstellung von Oberflächen, ist es erforderlich, einen Körper mit einem hohen Grad von Genauigkeit gegenüber irgendeiner Bezugsebene oder - linie 'auszurichten. Die Entwicklung des lasers hat die Projektion eines intensiven schmalen Lichtbündels möglich gemacht, welches geradlinig über relativ große Entfernungen wandert und von unbedeutender Divergenz beglei tet ist. Diese Eigenschaft des- Lasers hat seine Anwendung bei Aufötell- und Ausriehtanwendungen vorteilhaft erscheinen lassen.

Manchmal ist es wünchenswert, eine Mehrzahl von in größerem Abstand angeordneten Körpern nach einer Linie auszurichten, die durch den Bezugslaserstrahl dargestellt wird. Der Körper wird in einer Eichtung in der zur Fortpflanzungsrichtung senkrechten Ebene bewegt, bis der Zentralstrahl des einfallenden Laserstrahls auf einem Bezugspunkt auf dem Körper zentriert ist. Verschiedene Anwendungen erfordern eine. Ausrichtung des Bezugspunktes gegenüber dem Strahl mit einer Genauigkeit von wenigen tausendstel-."ii 11 iii!f.-Wr, Ein f-jo.lcher Vorgang kann langwierig.und zeitraubend

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sein, da eine Vielzahl von.Einstellungen erforderlich sind, um die Ausrichtung mit diesem Grad von Genauigkeit zu "bewerkstelligen. Obwohl verschiedenenAnordnungen bisher während der Ausrichtprozedur zur Anzeige der Ablage des Bündels von dem_:Bezugspunkt benutzt worden sind, sind diese Anordnungen relativ kompliziert und aufwendig.

Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gerät zuschaffen zur Verwendung mit einer Laserlichtquelle zum Anzeigen der Ablage des Körpers von einem Sentralstrahl des Laserlichtbündels.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät der erwähnten Art zu schaffen, welches relativ weniger kompliziert und weniger aufwendig als bekannte Anordnungen ist.

Die Genauigkeit, mit welcher eine Ausrichtung erreicht werden kann hängt in starkem Maße von den Umgebungsbedingungen ab. Beispielsweise muß eine Ausrichtung mit einem Grad von Genauigkeit von einigen tausendstelmillimeter solche Paktoren in Betracht ziehen wie Luftunruhe (Turbulenz) und Premdlichtbedingungeri< Bekannte Geräte haben diesen Paktoren nicht Rechnung getragen.

Der Erfindung liegt_eweiter die Aufgabe zugrunde, ein Ausrichtgerät der erwähnten Art zu schaffen, daß relativ unkomplizierte und nichtaufwendige Mittel zur Kompensation von Umgebungsbedingungen aufweist.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist ein Ausrichtgerät ein Gehäuse auf, daß eine Hehrzahl von elektrisch isolierten Potozellen in ebener Anordnung um einen Bezugspunkt herum- aufweist und in den Strahlengang eines Laser- Bezugslichtbündels einbringbar ist. Die Ausgangsklemmen der Zelle sind in solcher !veise miteinander νβ^μηαβη» daß erste und zweite Ausgangsspannungen erzeugt werden, von denen jede eine Polarität und Amplitude

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nach Kaßgabe der Richtung baw. Größe der Ablage eines Zentralstralils des "Bündels von" dem Bezugspunkt längs zueinander senkrechten in einer Bbene liegenden Achsen besitzt·

Es sind Mittel vorgesehen, um diese Spannungen zu entfernt angeordneten Verstärker - und Anzeigemitteln zur Anzeige der Richtung und Größe der Ablage längs der zueinander senkrechten Achsen zu übertragen.

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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung sind Mittel vorgesehen um die Wirkung von Luftunruhe auf die Anzeigemittel zu vermindern· Eine elektrische Dämpfungskapazität ist über ein Rückkopplungsnetzv/erk der Yerstärkermittel geschaltet, um deren Empfindlichkeit gegen Umgebuiigseffekte zu vermindern. Zusätzlich weist das Gehäuse der ²ellenandordnung ein langgestrecktes rohrförmiges Bauteil auf, daß in einer Richtung parallel au dem lichtbündel sich erstreckt und so angeordnet ist, daß es das Bündel auf einem Teil seines lie ges umgibt, während es Reflexionen von Fremdbeleuchtung verhindert«

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt und im folgenden beschrieben:

Pig. 1 ist eine schematische Darstellung und zeigt generell* die Anordnung eines Laserausrichtgerätes mit einer Ausführungsforia der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist ein Schnitt einer Fotozellenanordnung mit dem zugehörigen Gehäuse, wie sie bei dem Gerät von Pig. I benutzt wird.

Pig. 3 ist eine Seitenansicht einer typischen Fotozelle, wie sie in der Zellenanordnung benutzt wird«

Fig. 4 ist ein Schaltbild und zei.-rt zusätzlich die räumliche Beziehung der Anordnung von Fotosellen, wie sie bei ier vovl ioy: IY-¹^r. ":-\i nriti- - WnV tut '--/iro, miß. :.-;--r

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von einer Laserstrahl-Eintrittsapertur des Gehäuses ron Fig. 2 her gesehen..

Fig.5 ist ein Schaltbild teilweise in Blockform und stellt eine Ausführungsform der bei der vorliegenden Erfindung benutzten Verstärker - und Anzeigemittel dar.

Fig.^6 zeigt schematisch ein Gerät, durch welches das Laser-Ausrichtgerät geeigt werden kann.

In Fig. 1 ist ein Körper 10, der ausgerichtet werden soll auf Justierschrauben 12 im Abstand von einer Laserlichtquelle 14 angeordnet . Der Körper 10 kann eine ¥erkzeugmaschine oder ein Werkstück oder ein anderer Körper sein, der'mit einem hohen Grad von Genauigkeit ausgerichtet werden soll. Ein Bündel-16, das von der Laserlichtquelle erzeugt wird stellt eine.Bezugslinie für die Ausrichtung des entfernt angeordneten Körpers 10 dar. Die Laserlichtquelle- ist ein Gaslaser, z.B. ein Helium-Eeonlaser und das Bündel 16 hat einen relativ dünnen Querschnitt. Die Justierschrauben 12 oder andere ähnliche Justiermittel oder Ausrichtmittel werden eingestellt, um einen Bezugspunkt an dem Körper 10 zum Fluchten mit dem Bündel 16 zu bringen. Wie nachstehend genauer angegeben wird, ist der Bezugspunkt durch den Schnittpunkt von zueinander senkrechten Achsen in einer ebenen Fotozellenanordnung gegeben.

Zurr-Erleichterung der Ausrichtung und gemäß Merkmalen der Erfindung ist ein Ausrichtgerät vorgesehen," das ein Gehäuse... 18 -aufweist welches eine ebene Anordnung von Fotozellen in einer generell zu der Fortpflanzungsrichtung des Bündels 16 senkrechten Ebene trägt, sowie Verstärker- und Anzeigemittel 20. Erste und zweite Ausgjcnesspannungen nach Maßgabe der Ablage zwischen dem Bündel 16 und dem Bezugspunkt werden durch die ebene Fotosellenanordnung erzeugt und über ein flexibles KaIeI- 22 auf die Verstärker- und Anzeigemittel gegeben. Die Richtung und Größe der Ablage längs einer ebenen AeIu= e ist jeweils durch die Polarität und Amplitude der ersten Spannung gegeben, während die Richtung und Größe längs einerr~zweiten, dazu

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senkrechten und in der gleichen Ebene liegenden Achse jeweils · durch die Polarität und Amplitude der zweiten Spannung angezeigt wird·

Das Gehäuse'18 ist in Pig. 2 deutlicher gezeigt. Ein Gehäuseteil 24 von zylindrischer Grundform besitzt ein damit aus einem Stück bestehendes längliches Schattenteil 26, welches Fremdlicht abschattet, und ein Gehäuseteil 28 für die Halterung der Anordnung von Fotozellen sowie der Montage und Anschlußmittel. Der langgestreckte Sehattenteil 26 erstreckt sich in der Sichtung des einfallenden Laserbündels und seine Innenfläche ist durch Bildung eines Gewindes darin unregelmäßig gemacht worden, um eine Oberfläche zu schaffen, welche Reflexionen von Fremdlicht, das in den Halsteil eintreten könnte, vermindert. Die Anordnung von Fotozellen ist durch die Scheibe 52 dargestellt, die auf einer Scheibe 50 montiert ist. Diese Anordnung ist in geeigneter Weise auf einem tragglied 34 z.B. durch einen nichtleitenden Kleber befestigt. Das Tragglied 54 ist axial zwischen einem Abstandsstück 56 und einem Federring 58 gehalten. Sin De^feel 40, auf welchem ein Anschluß 42 befestigt ist, liegt an dem Abstandsstück 56 an und hält die gesamte Anordnung innerhalb des Gehäuseteils 24· Die Lage des Traggliedes 54 der Fotozellenanordnung kann in vertikaler Richtung in Fig. 2 eingestellt werden durch Einstellung der Maden-3chrauben 44. zusätzliche Madenschrauben sind zur Einstellung in einer dazu senkrechten in der gleichen Ebene liegenden Richtung vorgesehen. Die Einstellungen.sind normalerweise fabrikmäßige Einstellungen zur Ausrichtung der optischen Achse mit dem Halterungsdurchmeaser des Gehäuses 24. Änderungen in der lage des Körpers bewirken eine entsprechende Bewegung des Gehäuseteils 24 und die Auftreffstelle des Bündele 16 auf der Scheibe 30 wird geändert. Die Änderungen werden fortgesetzt, feia die nachstehend erörterten Anzeigemittel anzeigen, daß der gewünschte Grad von Auerichtung erreicht worden ist.

Damit dieviAusrichtung des Körpers mit einem hohen Grad von Genauig-

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keit geregelt werden kann, ist eine Mehrzahl von Fotozellen in rechteckiger Anordnung, wie in Fig. 4 dargestellt, angeordnet und miteinander verbunden, so daß Spannungen nach Maßgabe der Richtung und Größe der Bündelablage von einem Bezugspunkt erzeugt werden« Hg. 4 ist eine Vergrößerte Ansicht der Fotozellenanordnung von Fig. 2 von einer Einlaßöffnung 45 des Schattenteiles 26 aus gesehen. Jede Fotozelle ist von bekannter Art und weist eine generell ebene und rechteckige Silikon-Solarzelle auf. Eintypisohes Beispiel ist die handelsüblichvierhältliehe Hofmann 110. Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer Zelle der Anordnung. Wie man sieht weist diese ein halbleitendes !Element 46 und Elektroden 48 und 50 auf, Wie bekannt ist, wird bei Auftreffen von licht auf eine Fläche 52 des Halbleitermaterials eine Spannung von relativ positiver Polarität an einer Klemme 54 erzeugt, während eine Spannung von relativ entgegengesetzter Polarität an einer anderen Klemme 56 hervorgerufen wird. In Fig. 4 sind die ^ellen diagonal längs einer zugeordneten Achse angeordnet dargestellt. Beispielsweise sind die Seilen 58 und 60 diagonal längs der y - Achse um einen Bezugspunkt 61 herum angeordnet, während die Zellen 62 und 64 diagonal längs der x-Achse angeordnet sind. Der Schnittpunkt dieser Achse im Bezugspunkt 61 stellt den Bezugspunkt für das Gerät dar. Wenn der Körper 10 richtig ausgerichtet ist-, ist der Zentralstrahl des Lichtbündels 16 auf dem Bezugspunkt zentriert. Die Ausgangsklemme der Zellen ■sind so angeordnet das sie erste und zweite Ausgangsspannungen an Ausgangsklemmen 66 und 68 relativ zu einer gemeinsamen Ausgangsklemme 70 liefern. Die positive Klemme der Zelle 58 und die negative Klemme'der Zelle 60 sind miteinander verbunden und mit der Klemme 66, während die positive Klemme der Zelle 64 und die negative Klemme der Zelle 62 miteinander und mit der Klemme 68. verbunden sind. Die übrigen Zellenklemmen sind miteinander und mit der Klemme 70 verbunden·

Im Betrieb liefert, wenn der Zentralstrahl des Bündels 16 auf " den Blickpunkt der χ - und y-Achsen und den Bezugspunkt 61 fällt, jede Seile einen gleichgroßen Ausgang und an den Klemmen 66 und 68 erscheint ein Potential von null Volt gegenüber der

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Klemme 70. Der strichpunktierte Kreis 72 in Fig. 4 deutet ein Laser-Bezugsbündel an, dessen Zentralstrahl vollständig auf dem Bezugspunkt der Fotozellenanordnung zentriert ist. ¥enn das Bündel und der Bezugspunkt "beispielsweise in positiver y-Pächtung gegeneinander versetzt werden, so steigt der auf die Zelle 58 fallende Iriclitsprung, während der auf Zelle 60 fallende absinkt. Die Spannung an der Klemme 66 wird positiv und hat eine Größe entsprechend der Größe der Ablage in der positiven y-Rielitung. In ähnlicher Weise entsteht, wenn das Bündel gegenüber dem Schnittpunkt der Achsen längs der positiven x-Achse verlagert wird, ein positives Potential an der Klemme 68 relativ zu der Klemme 70, das eine G-röSe entsprechend dem Betrag der Ablage besitzt. Somit können verschiedene Kombinationen von Spannungen an den Klemmen 66 und 6S auftreten, wenn der Zentralstrahl des durch den Kreis 72 dargestellten Bündels 16 auf verschiedene Stellungen der Fotosellenanordnung fallt.

Die Spannungen an den Klemmen 66,68 und 70 sind über den Anschluß 42 von Fig. 2 und das Kabel 22 mit verschiedenenen Kanälen-der Verstärker- und Anzei.gemittel 20 verbunden» Die Schaltungsanordnung der Verstärker- und Anzeigemittel ist in Fig. im einzelnen dargestellt. Jede der Spannungen der Klemmen 66 und 68 ist mit einem Operationsverstärker verbunden. Die Spannung e wird einem Operationsverstärker 80 in einem ersten Kanal über ein Pegeljustagepoteniometer 82 zugeführt.. Der Operationsverstärker weist eine gebräuchliche Rückkopplungsanordnung auf, die wie dargestellt ist, den Widerstand 84 und Kondensatoren 86 und 88 enthält. Betriebsspannungen \irerden dem Verstärker von einer Spannungsquelle 90 zugeführt, und ein Potentiometer 92 ist als Verstärkerabgleichmittel vorgesehen. Operationsverstärker dieser Art sind bekannt und sind im einzelnen beispielsweise in der Veröffentlichung "Electronic World"Band 70 ITr. und 2 Juli und August 1963 dargestellt und beschrieben. Der Ausgang des Operatiοsnverstärkers erscheint an der Klemme 94 und ist über Schaltmittel 96 mit einem Meßgerät 98 verbunden «■

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Das Meßgerät hat den lullpunkt in der Mitte und wird in einer Richtung, von seiner Mittellage ausgelenkt um eine Ablenkung des Bündels in einer positiven y-Richtuiig anzuzeigen, wenn eine Spannung von vorgegebener Polarität an der Klemme 94 erscheint, und in einer entgegengesetzten Richtung, wenn eine Spannung von entgegengesetzter Polarität an der Klemme 94 er- · scheint um eine Ablage des Bündels in einer negativen y-Sichtung anzuzeigen· Die Größe der ^eßgerelteauslenkung ist proportional zu dem Abstand, um den der Zentralstrahl des Bündels in der y-Richtung von dem Bezugspunkt abgelenkt ist. Eine Mehrzahl von Widerständen einschl. der Widerstände 100, 102 und 104 sind für Empfindlichkeitseinstellungen vorgesehen. Kondensatoren 105 und 107 sind vorgesehen und sind durch einen Schalter 109 parallel zu dem Rückführnetzwerk geschaltet» Diese Kondensatoren ändern die Zeitkonstante der Rückführung und vermindern den Einfluß von Umgebungsrauschen. .Ein ähnlicher Kanal der einen Operationsverstärker 106 und Anzeigemeßinstrumentenmittel 108 zur Anzeige der Ablage des Bündels in der x-Richtung aufweist, ist auch dargestellt. .. . ·

Im Betrieb wird der Körper 10 von Pig. I grob ausgerichtet, in-den der Körper 10 so ausgerichtet wird, daß ein Auftreffen des Bündels auf die Anordnung gewährleistet ist* Die Schaltmittel 96 und 110 werden eingestellt um höhere Widerstände der zugeordneten Widerstände zur Wirkung zu bringen. \Ienn die Justierglieder 12 eingestellt werden und die Größe der Ablage zwischen dem Bündelzentral' strahl und dem Bezugspunkt vermindert wird, v/erden die Schaltmittel betätigt, um die Empfindlichkeit des Meßgeräts 98 zu erhöhen.

Fig. 6 stellt Eichmittel zur Eichung des Geri-tes dar. ^iese Mittel bestehen aus einem rohrförmigen Glied 120, das eine planparallele Glasplatte 111 unter einem Winkel innerhalb seiner Länge trägt. Der Abschnitt 112 von vermindertem Durchmesser ist in die öffnung 45 (Pig.2) einfülirbar. Eine Anzeigemarke 114 wird auf eine entsprechende AnKeigemarke 115 auf dem Glied 26

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gestellt. Durch die Anwesenheit der Glasplatte wird bewirkt, daß das Idchtbündel 16 um einen vorgegebenen Abstand d von der optischen Achse abgelenkt wird. Die Eichung der Meßgeräte 98 und 108 für diese vorgegebene Ablenkung wird somit durch Einstellung der Pegeleinstellpotentiometer 82 und 116 bewerkstelligt! Das Glied, 120 kann in der Öffnung 45 verdreht werden um eine Ausrichtung in weiteren Ebenen vorzunehmen.

Somit ist eine relativ einfache und nicht kostspielige Anordnung sur Anzeige der Ablage des Zentralstrahls eines laser-Beaugsbündels von einem Bezugspunkt auf einem auszurichtenden Körper beschrieben worden. Die Anordnung ist besonders vorteilhaft da 2 Spannungen mit Polaritäten und Größen nach Maßgabe der Richtung und Größe der Ablage geliefert werden, wodurch die erforderlichen "Verstärker- und Anzeigemittel vereinfacht werden. Außerdem beseitigen Dämpfungsmittel mit einem Kondensator zu einem großen ieil"die Störeffekte die sich aus Scintillation und luftunruhe ergeben. Außerdem hat das Gehäuseteil für die ebene Anordnung einen länglichen Teil mit einer inneren Oberfläche, die geeignet ist Reflexionen von Fremdlicht, das in das Gehäuse eintritt, gering zu halten, -

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Claims

Patentansprüche

Ausrichtgerät zum räumlehen Ausrichten eines Körpers relativ zu einem einfallenden Laser^Bezugslichtbündel gekenneeiohnet durch

eine Hehrzahl von elektrisch isolierten Fotozellen, die in ebener. Anordnung um einen Bezugspunkt herum angeordnet sind, Bin Gehäuseteil.(24) zur Halterung der besagten Anordnung in voreingestellter Lage auf einem auszurichtenden Körper (10) im Strahlengang eines einfallenden laser-Bezugslichtbundeis (16)

wobei die Fotozellen (58,. 62, 64) jede ein faar von Ausgangsklemmen zur Erzeugung relativ positiver und negativer elektrischer Potentiale zwischen diesen aufweist, wenn Licht auf die besagte Zelle fällt,

Mittel zum -Verbinden der besagten Klemmen in solcher Weise, daß erste und zweite Ausgansspannungen erzeugt werden, von denen jede eine Polarität und. Amplitude besitzt, die ein Haß für die Richtung und Größe der Ablage des Laserbündels (16) von dem besagten Bezugspunkt (61) längs zueinander senkrechten, in einer Ebene liegenden Achsen darstellt,

Anzeigemittel zur Erzeugung erster und zweiter getrennter und gleichzeitiger Anzeigen, von denen jede eine Darstellung der Polarität und Amplitude daran angelegter Spannungen ist und

Mittel zum Anlegen der ersten und zweiten Ausgangsspannungen an die¹ besagten Anzeigemittel (20),

Gerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozellen (58, 60, 62 _s 64) von ebener und rechteckiger Grundform sind und erste u^!nd zweite Fotozellen diagonal längs einer Achse und dritte und vierte Fotozellen diagonal längs einer anderen Achse

angeordnet sind. ~ _. — _s

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3. Gerät nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozellen Silicon - Solarzellen sind.

A. Gerät nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel einen ersten Kanal aufweisen in dem Verstärkermittel (80) und ein Anzeigerät (98) mit null Punkt in der Mitte* angeordnet sind, die für lineare Bundelablage längs der ersten in einer Ebene liegenden Achse geeigt sind, und einen zweiten Kanal in dem ein Verstärker und ein Anzeigeinstrument (106) mit null Punkt in der Mitte angeordnet sind die für lineare Bündelablage längs einer zweiten in einer Ebene iSS^eSn^e§er ersten senkrechten Achse geeigt sind«

5. Gerät nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch Eichmittel (J¹Ig. 6) zur Erzeugung einer vorgegebenen Ablage (d) des einfallenden Laserstrahls (16) von dem besagten Bezugspunkt (61)

6. Gerat nach Ansx>rueh 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Eichmittel ein rohrförmiges Gliöd aufweisen, welches in das besagte Gehäuseteil (24) einführbar siEa und eine planparallele Platte unter einem Winkel zur Achse des Gehäuseteils hält,

7. Gerät nach Anspruch 6 gekennzeichnet durch, kapazitive Dämpfungsmittel für Umgebungsrauschen die mit den Meßgeräten verbunden sind.

8. Gerät nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Zellengehäuse (24) ein langgestrecktes Schattenglied (26) aufweist, daß eine Innenfläche besitzt die zur Verminderung der Eeflexio- nen ion ^remdlicht eingerichtet ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Verstärker und Anzeigemittel (20) im Abstand von dem Gehäuse (24) der Fotozellenanordnung angeordnet sind, und daß die besagten ersten und zweiten Spannungen diesen über flexible leitende Kabelmittel zugeführt v/erden.

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