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Vorrichtung zur elektronischen Bildaufzeichnung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur elektronischen Bildaufzeichnung mit einer Abtastvorrichtung,
deren elektronische Steuerelemente in einer Zeile angeordnet sind und denen jeweils
ein digitales Eingangssignal zugeordnet ist.
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Die Steuerelemente können auch in Zeilen und Spalten als Matrix geordnet
sein.
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Für die Aufnahme von schnell veränderlichen Vorgängen, beispielsweise
dem Verlauf eines Lichtbogens, der zwischen Elektroden brennt, sowie Aufnahmen von
Schlierenanordnungen werden sogenannte Spaltkameras oder auch Trommelkameras verwendet.
Nach der Abbildung des zu untersuchenden Vorganges wird in der Bildebene durch einen
Spalt eine Zeile des Bildes herausgeschnitten. Die Weiterverarbeitung dieser Zeile
erfolgt dann entweder durch einen Drehspiegel, der das Spaltbild über einen Film
schmiert, oder auch durch das Vorbeiziehen einer fotografischen Schicht hinter dem
Spalt, beispielsweise eine mit konstanter Geschwindigkeit laufende Filmtrommel.
Diese Technik liefert eine hohe zeitliche und örtliche Auflösung und außerdem eine
gute Intensitätsverteilung über dem Ort und der Zeit. Im Zusammenspiel mit anderen
Aufzeichnungsverfahren ergeben sich jedoch Zuordnungsschwierigkeiten bezüglich des
zeitlichen Verlaufes, beispielsweise bei der Zuordnung zu einem Oszillogramm. Ferner
sind die Auf- und Abbauzeiten der Kamera verhältnismäßig groß und es kann störend
empfunden werden, daß die Aufnahmen bei völliger Dunkelheit des Aufnahmeraumes gemacht
werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Bildaufzeichnung
einer Spaltkamera mit elektronischen Mitteln zu ermöglichen.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1 032 787 ist eine Schaltung zum
Anwählen vorbestimmter Steuerelemente bekannt, die als Matrix geordnet sind. Die
einzelnen Elemente enthalten jeweils einen Transistor, dessen eine Hauptelektrode
mit einer Eingangsleitung für analoge Steuersignale verbunden ist. Die einzelnen
Transistoren werden angewählt, wenn ihre zweite Hauptelektrode und ihre Steuerelektrode
von einem elektronischen Kippschalter ein entsprechendes Signal erhalten. Die einzelnen
Transistoren übernehmen somit jeweils die Funktion eines UND-Gatters. Die bekannte
Schaltung dient zur Entschlüsselung von nach einem binären Code verschlüsselter
Zeichen.
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Die deutsche Auslegeschrift 1 289 549 betrifft ein elektronisches
Bildwandler-System, dessen Steuerelemente als Matrix mit Reihen und Spalten geordnet
sind und denen ein gemeinsamer Taktgeber für die Steuersignale zugeordnet ist. Zum
Anwählen der Spalten und zur Abfrage der Zeilen ist jeweils ein Schieberegister
vorgesehen. Jedes Steuerelement enthält einen Feldeffekttransistor in der Ausführungsform
eines MOS-Transistors, dessen Steuerelektrode mit der Signalleitung fUr die Zeilen
und dessen eine Hauptelektrode mit der Signalleitung für die Spalten verbunden ist
und der ein analoges Signal an die gemeinsame Ausgangsleitung weitergibt, wenn ein
mit seiner zweiten Hauptelektrode gekoppelt er Strahlungsdetektor ein Lichtsignal
erhält. Der Zweck der MOS-Transistoren ist die Darstellung einer UND-Funktion, wenn
Reihen- und Spaltenkoinzidenz besteht und dadurch eine Abfrage möglich ist. Die
gemeinsame Ausgangsleitung enthält einen Lastwiderstand, an dem zur weiteren Verarbeitung
beispielsweise eine Bildröhre angel schlossen sein kann. Der Bildwandler kann auch
aus integriert ten Schaltkreisen bestehen und der Bildwandler kann danf Fe stkörperäquivalent
einer Vidikonröhre angesehen werft
Die vorgenannte Aufgabe wird
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abtastvorrichtung ein Schieberegister enthält,
dessen Schaltelemente jeweils mit einem Eingang eines UND-Gatters verbunden sind,
deren zweiten Eingang ein digitales Eingangssignal vorgegeben ist. Die Ausgänge
der UND-Gatter sind über einen gemeinsamen elektronischen Schalter an den Ausgang
eines Sägezahngenerators angeschlossen, dessen Impulsfolge mit den Abfrageimpulsen
des Schieberegisters synchronisiert ist. Mit einer schnellen Abtastung, d. h. durch
Abfrage des Signalzustandes der Eingangsleitungen wird aus der Sägezahnspannung
über einen von der synchron mitlaufenden Abtastvorrichtung gesteuerten elektronischen
Schalter diejenigen Teilstücke herausgeblendet, deren Funktionswerte den Ortkoordinaten
der abgetasteten Eingänge entspricht. Bei schneller periodischer Abfrage entsteht
eine dichte Folge der Sägezahnteile, so daß am Sohirmbild genau der Bereich im Spannungs-Zeit-Diagramm
überdeckt wird, der bei einer äquivalenten Filmaufnahme im Orts-Zeit-Diagramm belichtet
würde.
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Mit jedem Durchlauf des Schieberegisters wird am Ausgang der Vorrichtung
aus der Summe der Ausgangssignale derjenigen UND-Gatter, deren UND-Bedingung erfüllt
ist, wieder ein Sägezahn gebildet, der einen Ausschnitt aus dem Spannungsverlauf
des Sägezahngenerators darstellt. Die Summe aller Sägezähne ergibt die Darstellung
des abgebildeten Gegenstandes in seinem örtlichen und zeitlichen Verlauf. Zu diesem
Zweck verwendet man in der Abtastvorrichtung eine große Anzahl, vorzugsweise mehrere
1000, insbesondere bis zu 100 000 Abtastschritten pro sec und mehr.
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Soll die örtliche und zeitliche Änderung eines Gegenstandes, insbesondere
eines Lichtbogens abgebildet werden, so erhalten die Eingänge der Abtastvorrichtung
ein binäres Signal jeweils von einem Strahlungsdetektor Uber einen Verstärker mit
einem Grenzwertmelder.
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Die auf einem Bildschirm als Abbild erscheinende beleuchtete Fläche
besteht aus einer Vielzahl der nebeneinander angeordneten
Sägezahnteilstücke.
Da die Sägezahnflanke linear ansteigt, ergibt sich durch die Höhe der Sägezahnspannung
in einem vorbestimmten Zeitpunkt die örtliche Zuordnung zu einem der als Zeile nebeneinander
oder auch als Matrik in Zellen und Spalten angebrachten Strahlungsdetektoren. Die
als fotoelektrische Wandler wirkenden Detektoren können sowohl passive Wandler,
beispielsweise Fotodiodeii, als auch aktive Wandler, insbesondere Photoelemente,
sein.
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Das Ausblenden der Sägezahnteilstücke aus der Gesamtkurve des Sägezahngenerators
erfolgt durch einen von der Abtastvorrlchtung gesteuerten elektronischen Schalter,
der beispielsweise den Ausgang der Vorrichtung kurzschließt, solange keiner der
Eingänge der Abtastvorrichtung einen Eingangsimpuls erhält und somit die UND-Bedingung
für die UND-Gatter nicht erfüllt ist. Da der Sägezahn durch das Schieberegister
der Abtastvorrichtung selbst gebildet wird, entfällt eine zusätzliche Synchronisierung.
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Zur weiterne Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur elektronischen
Bildaufzeichnung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist In Figur 2 ist
das Ausgangssignal einer Abtastvorrichtung im Zussmmenwirken mit einem Sägezahngenerator
in einem Diagramm dargestellt. Figur 4 zeigt die Abbildung des örtlichen und zeitlichen
Verlaufs eines zu untersuchenden Lichtbogens auf einem Bildschirm. In Figur 4 ist
der Aufbau einer Abtastvorrichtung Mit den zugeordneten Detektoren als integrierter
Schaltkreis, schematisch veranschaulicht.
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Nach Figur 1 enthält eine Zeile einer Abtastvorrichtung 2 eine größere
Anzahl von UND-Gattern, die mit 4 bis 10 bezeichnet sind und deren eine Eingangsleitung
jeweils über einen Verstärker 24 bis 30 mit einem in der Figur nicht dargestellten
Grenzwertmelder mit einem Strahlungsdetektor 14 bis 20 verbunden ist. Den Detektoren
14 tWs 20 wird die Strahlung einer
Strahlungsquelle 22 über eine
in der Figur als Linse 23 dargestell-te Optik und gegebenenfalls noch eine in der
Figur nicht dargestellte zusätzliche Spaltblende zugeführt:. Dt e Eingangs-und Ausgangssignale
der Abtastvorrichtung 2 sind binäre Signale, die zwischen Signal mit hohem Potential
und einem L-Signal mit niedrigem Potential wechseln sollen. Das binäre Ausgangssignal
der Detektoren 14 bis 20 eiangt erst dann zum Eingang eines der UND-Gatter 4 bis
10, wenn ein vorzugsweise einstellbarer Ansprechwert des entsprechenden Grenzwertmelders
überschritten wird. Eine gemeinsame Steuerleitung, deren Anschlußklemme mit 32 bezeichnet
ist, dient zur Einstellung der Empfindlichkeit der Verstärker 24 bis 30 durch die
Vorgabe eines Schwellwertes. Der zweite Eingang der UND Gatter 4 bis 1Q ist jeweils
mit einem Schaltelement 34 bis 40 eines Schieberegisters 33 verbunden, dem ein Impulsgenerator
42 zugeordnet ist, dessen Ausgang 44 einen Schiebeimpuls 45 und dessen Ausgang 46
einen Abfrageimpuls 47 abgeben kann Die UND-Gatter 4 bis 10 können vorzugsweise
mit Negation versehen und somit als sogenanntes NAND-Gatter ausgeführt sein.
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Ihre Ausgangstransistoren enthalten dann einen offenen Kollektor,
aber keinen Lastwiderstand. Sie speisen eine in der Fi gur mit 50 bezeichnete gemeinsame
Ausgangsleitung mit der Funktion einer Phantom-UND-Leitung.
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An einer AusgangskLemme 54 eines gemeinsamen Lastwiderstandes 52 kann
ein Signal abgenommen werden, das Auskunft darüber gibt, ob eines der UND-Gatter
4 bis 10 ein Ausgangssignal gibt.
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Die Zuordnung der Signale zu den einzelnen Leitungen erfolgt mit Hilfe
eines Sägezahngenerators 62, der an eine Konstantstromquelle 64 angeschlossen ist.
Die Stromsluelle 64 lädt einen Kondensator 66, dessen Spannung das Ausgangssignal
UA am Ausgang 80, 81 der Vorrichtung zur elektronischen BildauT-zeichnung bestimmt.
Der Kondensator 66 wird vom Abfrageimpuls 47 periodisch entladen. Der Abfrageimpuls
47 dient somit zugleich zur Synchronisierung des Sägezahngenerators. Zur Entladung
kann
beispielsweise ein Transistor 68 in Reihe mit einem Entladewiderstand 70 vorgesehen
sein. Der Sägezahngenerator 62 kann vorzugsweise über einen Impedanzwandler 72 an
den Ausgang 80, 81 der Vorrichtung angeschlossen sein. Die Ausgangsleitung enthält
noch einen Strombegrenzungswiderstand 78. Wenn dieser Widerstand genügend groß ist,
kann der Impedanzwandler 72 auch entfallen. Der Impedanzwandler hat die Aufgabe,
die Ladung und Entladung des Kondensators 66 vom Ausgang 80, 81 der Vorrichtung
zu entkoppeln.
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Vor dem Ausgang 80, 81 der Vorrichtung ist noch eine Steuereinrichtung
74 mit einem elektronischen Schalter 76 vorgesehen, dessen Steuerelektrode mit der
Ausgangsleitung 50 der Abtastvorrichtung 2 verbunden ist. Die Steuereinrichtung
74 bestimmt das Ausgangs signal UA Mit dem Schalter 76 wird nämlich der Ausgang
80, 81 kurzgeschlossen, wenn die Ausgangsleitung 50 ein Signal führt. Die Steuereinrichtung
74 wählt somit jeweils aus dem Sägezahn des Sägezahngenerators 62 einen Teil aus,
der dem jeweils abgefragten Eingang, d. h. einem der Detektoren 14 bis 20 zugeordnet
ist.
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Im Diagramm nach Figur 2 ist die Ausgangsspannung UA über der Zeit
t aufgetragen. Der Verlauf der Spannung Uc am Kondensator 66 des Sägezahngenerators
62 ist in der Figur gestrichelt dargestellt. Zur Zeit t1 beginnt die Ladung des
Kondensators 66 und die Spannung steigt an. Mit dem eingeprägten Strom der Stromquelle
64 erhält man einen linearen Anstieg der Spannung Uc. Zur Zeit t2 sollen beispielsweise
die Detektoren 15, 16 und 17 von dem als Strahlungsquelle 22 dargestellten, abzubildenden
Gegenstand bestrahlt werden. Mit dem Abfrageimpuls 47 erhält der zweite Eingang
des UND-Gatters 5 über das Steuerelement 35 des Schieberegisters 33 seinen zweiten
Eingangsimpuls und der Ausgang des UND-Gatters 5 schaltet auf L-Signal.
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Über die Ausgangsleitung 50 der Abtastvorrichtung 2 wird der Transistor
76 der Schaltvorrichtung 74 gesperrt und am Ausgang 80, 81 erscheint die Ausgangsspannung
UA entsprechend dem Ladezustand des Kondensators 66 des Sägezahngenerators 62.
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Zur Zeit t3 führt der Schiebeimpuls 45 des Generators 42 das H-Signal
vom Steuerelement 35 zum Steuerelement 36 des Schieberegisters 33. Damit erhält
der zweite Eingang des UND-Gatters 6 ein H-Signal und der Ausgang des UND Catters
6 sinkt entsprechend der Negation seines Ausgangs auf Signal. Der Transistor 76
bleibt somit geschlossen und din Spannung UA am Ausgang 80, 81 steigt weiterbin
entsprech@nd der Spannung Uc an. In gleicher Weise steigt die Spannung von t4 bis
t5 weiter an. Während dieser Zeit schaltet der folgende Schiebeimpuls 45 das Steuerelement
37 und der Ausgang des UND-Gatters 7 führt L-Signal. Zur Zeit t5 schiebt der nächste
Schiebeimpuls 45 das Signal vom Steuerelement 37 zum Steuerelement 38. Da der Detektor
18 nicht bestrahlt sein soll führt der erste Eingang des UND-Gatters 8 ein L-Signal.
Die UND-Bedingung des UND-Gatters 8 ist somit nicht erfullt, der Ausgang des UND-Gatters
8 führt Signal und die Ausgangsleitung 50 öffnet den Transistor 76; der Ausgang
80, 81 wird kurzgeschlossen und die Ausgangsspannung UA ist null. Zur Zelt l;6 wird
der Kondensator 66 durch den nächsten Abfrageimpuls 47, der den Transistor 68 öffnet,
entladen. Zur Zeit t7 ist die Spannung c am Kondensator 66 null und es beginnt der
folgende Ladevorgang, der den nächsten Sägezahn bildet.
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Im Diagramm nach Figur 2 ist der Ladevorgang mit; sehr grol3er Zeitauflösung
dargestellt. Das wahrend des praktischen Betriebes der Einrichtung mit beispielsweisE.'
bis zu 100 Ot)O Abtastschritten pro sec und mehr flir jeden der Detektoren 14 bis
20 und somit auch ebensoviel Durchläufen des Schieberegisters 33 entstehende Gesamtbild
wird deshalb eine Summe unmittelbar nebeneinanderliegender Sägezshnstücke, beispielsweise
von t2 bis t2 ergeben. Da jeder Durchlauf des Abfrageimpulses 47 durch das Schieberegister
33 einer Gesamtabfrage a aller Detektoren 14 bis 20 entspricht, so benötigt man
zu einer Abfrage von beispielsweise 30 Deiektoren eine Schieberegisterfrequenz von
3 MHz
Nach Figur 3 verschmelzen die einzelnen Sägezahnstücke auf
einem teuc'jtschirm 84 eines Oszillographen zu einer leuchtenden Gesamtfläche 86.
Mit dem Bild 86 soll beispielsweise die Anderung eines Lichtbogens 88 dargestellt
werden, der zwischen Kontakten 90 und 92 gezogen wird, von denen beispielsweise
einer fest und der andere beweglich sein kann. Der Lichtbogen 88 soll sich beispielsweise
durch seine eigenmagnetischen Kräfte nach oben bewegen, wie in der Figur durch einen
Pfeil 94 angedeutet ist. Auf dem Bildschirm 84 erscheint dann auf der Ordinate die
Ortsabweichung 1 in Millimeter und auf der Projektion die Zeit t in Millisekunden.
Zur Zeit t0 soll der Lichtbogen 88 am Ort 0 gezündet werden. Die Spannung U88 am
Lichtbogen 88 baut sich auf. Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung zur elektronischen
Bildaufzeichnung nach der Erfindung besteht darin, daß zugleich auch der Verlauf
der Spannung U88 am Lichtbogen 88 und ihre Änderung mit der Zeit t am Bildschirm
sichtbar gemacht werden kann. Die unmittelbare Zuordnung der Spannung U88 zur lderung
des Bildes 86 des Lichtbogens kann somit direkt am Bildschirm 84 abgelesen werden.
Zur Zeit t1 ist die Spannung U88 am Lichtbogen aufgebaut mzd mit der Bestrahlung
wenigstens eines der Detektoren 14 bis 20 nach Figur 1 erscheinen die Sägezähne
nach Figur 2, deren Verlauf das Gesamtbild 86 ergibt. Zur Zeit t4 soll der Lichtbogen
88 erlöschen. Damit verschwindet auch sein Bild 86 auf dem Leuchtschirm 84.
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Der Aufbau der Vorrichtung zur elektronischen Bildaufzeichnung nach
der Erfindung als integrierter Festkörperschaltkreis nach Figur 4 zeigt eine Matrix
96 von Strahlungsdetektoren, deren mittlere Zeile beispielsweise von den Detektoren
14 bis 17 nach Figur 1 gebildet werden soll. Unter der Ebene der Strahlungsdetektoren
wird in bekannter Weise jeweils der entsprechende Verstärker mit einem Grenzwertmelder
gebildet, von denen in der Figur lediglich der Verstärker 26 schematisch angedeutet
ist. Der Verstärker 26 hat eine leitende Verbindung zum tJND-Gatter 6, das mit Negation
ausgeführt sein soll und dementsprechend ein sogenanntes NAND-Gatter darstellt.
Dem zweiten Eingang des Gatters 6 wird das Ausgangssignal des
zugeordneten
Schaltelements 36 des Schieberegisters zugeführt.
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Die in Figur 1 mit 50 bezeichnete gemeionsame Ausgangsleitung kann
beispieLsweise als elektrisch leitende Ebene 98 über einer in der Figur nicht dargestellten
Grundplatte ausgebildet sein.
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Diese leitende Ebene 98 dient dann als Sammelschiene für die gesamte
Abtastvorrichtung.
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Nach einem Durchlauf des Schieberegisters 2 wird der Kondensator 66
des Sägezahngenerators 62 durch Entladung wieder in seinen Anfangszustand gebracht.
Damit erhält man eine ständige Synchronisierung des Lade- Lind Schiebevorg'nges.
Zur Kondensatorladung kann in gleicher Weise der erste Schiebeimpuls verwendet werden.
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Oszillographiert man die Kondensatorspannung Uc, so würde bei schwacher
Zeitdehnung ein leuchtendes Band ent;stehen, dessen Breite durch die maximale Kondensatorspannung
bestimmt ist.
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Diese kann über die Stromquelle 64 verändert werden. Bei grösserem
Ladestrom wird die in der vorgegebenen Zeit erreichte Spannung höher. Umgekehrt
kann bei konstantem Ladestrom durch Vergrößerung der Frequenz der Schiebeimpulse
45 die Durchlaufzeit verkürzt und damit das Band schmaler gemacht werden.
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Beide Möglichkeiten sind zur Maßstabsanpassung der aufzuzeichnenden
Bilder anwendbar.
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Durch die Synchronisierung entspricht jeder Stellung des Schiebeimpulses
45 ein entsprechender linear zugeordneter Bereich der Sägezahnanstiegsflanke. Mit
der Schalteinrichtung 74 wird nun immer der Teil der Sägezahnanstiegsflanke herausgeblendet,
der geometrisch dem betreffenden bestrahlten photoelektrischen Wandler entspricht
und die anderen Teile der Kurve Uc nach Figur 2 werden unterdrückt. Diese Auswahl
erhält man dadurch, daß die Schalteinrichtung 74 im gesperrten Zustand die Kondensatorspannung
Uc ungehindeft zum Ausgang 80, 81 durchläßt und sie kurzschließt, wenn sie angesteuert
wird. Die Ansteuerung erfolgt durch die Phaftom-UND-Leitung 50, auf der dann ein
Signal erscheint, wenn der durchlaufende Impuls 45 im Schieberregister 33 bei der
Abfrage durch den Impuls
47 auf einen angesteuerten, d. h. bestrahlten
fotoelektrischen Wandler trifft.
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Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 ist die Anwendungsmöglichkeit
der Vorrichtung zur elektronischen Bildaufzeichnung nach der Erfindung zur Untersuchung
eines Lichtbogens angenommen. Die Vorrichtung nach der Erfindung kann aber auch
für andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise als Service-Gerät. Als abzutastende
Eingangssignale werden dann nicht die Ausgangssignale von fotoelektronir schen Wandlern
verwendet, sondern die ausgewählten Kontrollpunkte einer Elektronik. Auf einem Bildschirm
erhält man dann ein Impuls-Zeit Diagramm, das aus einzelnen Lauchtbildern mit charakteristischer
Verteilung besteht.
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5 Patentansprüche 4 Figuren