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Lichtempfindliches Zielfeld.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein lichtempfindliches
Zielfeld nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei vielen Anwendungen in der Meß- und Prüftechnik ist die Bestimmung
der Auftreffstelle eines einfallenden Lichtstrahlbündels auf ein Zielfeld gewünscht.
Eine derartige Anwendung ist der Gebrauch eines Lichtstrahlbündels zwm Überprüfen
der Einstellung der Vorderräder eines Kraftfahrzeugs. Ein schmales Lichtstrahlbündel
wird von einer Lichtquelle auf einen Spiegel gerichtet, der auf dem zu prüfenden
Rad befestigt ist. Das Licht wird von diesem Spiegel auf ein lichtempfindliches
Zielfeld gespiegelt, das in seiner einfachsten Form eine linierte Karte oder eine
Projektion einer Karte sein kann, so daß die Auftreffstelle
des
Lichtstrahlbündels auf dem Zielfeld durch visuelle Überprüfung bestimmt und aufgezeichnet
wird. Die Ergebnlsse werden zur Berechnung von Einstellungen des Rades benutzt.
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Es ist bereits ein selbstlesendes Zielfeld vorgeschlagen worden, welches
eine große Anzahl von lichtempfindlichen Sensoren verwendet, die in sich überschneidenden
Reihen und Spalten auf der Vorderseite des Zielfeldes angeordnet sind.
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Die Überschneidungen bilden die kartesischen Koordinaten eines Gitters.
Wenn das Lichtstrahlbündel das Zielfeld trifft, beleuchtet es mindestens einen der
Sensoren. Elektrische Signale aus dem durch das Licht angeregten Sensor stellen
die vertikalen und horizontalen Koordinaten der Auftreffstelle des Lichtstrahlbündels
auf dem Zielfeld dar.
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Zum Verstärken und Verarbeiten der von jedem Sensor erzeugten Signale
werden elektronische Schaltkreise benutzt. Ein derartiges System erfordert einen
lichtempfindlichen Sensor und den ihm zugeordneten elektronischen Schaltkreis für
jeden Gitterpunkt. Wenn die Zielfelder nicht relativ wenig Koordinatenpunkte aufweisen,
wird deshalb die Verwendung genügender Sensoren zur Erzeugung einer genauen Messung
teuer.
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Deshalb kann die Verwendung von Sensoren bei jedem Koordinatenpunkt
aus wirtschaftlichen Gründen unannehmbar werden und eine visuelle Ablesung der Auftreffstelle
wird notwendig.
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Wenn visuelle Ablesung benutzt wird, ist es notwendig, die vertikale
und horizontale Lage der Auftreffstelle zu beobachten, die Koordinaten aufzuzeichnen
und die gewünschten Berechnungen durchzuführen. Das visuelle Ableseverfahren ist
langsam, kann den schnell sich ändernden Voraussetzungen nicht folgen und ist menschlichem
Versagen ausgesetzt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfach aufgebautes
und billig herstellbares Zielfeld der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem
die Koordinaten der Auftreffstelle eines auf das Zielfeld auftreffenden
Lichtstrahlbündels
genau und automatisch ermittelt.werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Das vorgeschlagene Zielfeld erzeugt elektrische Signale, welche die
Lichtauftreffstelle auf dem Zielfeld zumindest bezüglich einer Koordinatenachse
anzeigen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Zielfeldes weist
die Merkmale des Anspruchs 2 auf. Mit dieser Weiterbildung können die vollständigen
Koordinaten der Lichtauftreffstelle durch elektrische Signale angezeigt werden.
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Dabei wird im Vergleich zur Anzahl der vorhandenen Koordinatenpunkte
eine nur verschwindend geringe Anzahl von lichtempfindlichen Sensoren benötigt.
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Zum Unterdrücken des Uberkoppelns von Licht aus einem Lichtleiter
in einen benachbarten Lichtleiter weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
die Merkmale des Anspruchs 3 auf.
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Zur Erhöhung der Lichtenergie, die im Lichtleiter geführt werden kann,
sind bei zweckmäßigen Ausführungsformen der Erfindung die in Anspruch 4 und Anspruch
5 angegebenen Maßnahmen ergriffen.
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Zweckmäßigerweise sind die Lichtleiter eines Feldes mit einem der
in den Ansprüchen 6 bis 8 angegebenen Stoffen gefertigt. Vorteilhaft ist es dabei,
Lichtleiter zu verwenden, die nach den im Anspruch 9 angegebenen Maßnahmen gefertigt
sind. Diese Maßnahmen tragen von selbst zu iner Erhöhung der im Lichtleiter geführten
Lichtenergie bei.
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Zu einem hohen Lichtleitvermögen eines Lichtleiters tragen auch die
in Anspruch lo angegebene Formgebung und die in Anspruch 11 angegebenen Maßnahmen
bei.
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Ein vorgeschlagenes Zielfeld läßt sich vorteilhaft für Vorrichtungen
zum Messen von Radeinstellungen, die mit Lichtstrahlbündeln arbeiten, verwenden.
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Das Zielfeld der vorliegenden Erfindung verwendet lichtleitende Stäbe
als Lichtleiter. Lichtleiter werden aus klarem, transparentem Material gefertigt
und weisen eine glatte äußere Oberfläche auf. Ein im Lichtleiter sich ausbreitender
Lichtstrahl, der die Oberfläche des Lichtleiters unter einem Winkel zum Lot auf
die Oberfläche trifft, der größer ist als der Grenzwinkel für Totalreflexion (Totalreflexionswinkel)
wird von der Ob erfläche vollständig reflektiert und längs des Lichtleiters übertragen.
Licht, das auf diese Weise übertragen wird, tritt aus der Stirnfläche des Lichtleiters
aus, welche gewöhnlich eben und poliert ist, um den Lichtaustritt ohne Streuung
zu erleichtern. Lichtleiter werden gewöhnlich wegen ihrer vorteilhaften Fähigkeit,einen
großen Prozentsatz von Licht, das bei einem Ende eintritt, zum anderen Ende zu leiten,
wo es wieder austritt, für Fernbeleuchtung oder andere Effekte verwendet.
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Für eine optimale Lichtleitung werden Versuche gemacht, um die Lichtleiter
aus klarem, nichtkristallinem Material zu bilden, das die Lichtstreuung innerhalb
der Leiter auf einen kleinsten Wert herabdrückt und das einen hohen Brechungsindex
aufweist.
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Die Erfinder dieser Erfindung haben gefunden, daß Lichtleiter, die
in einer Weise geformt sind und Eigenschaften aufweisen, die für herkömmliche Lichtleiter
unerwünscht sind, zum Herstellen von Zielfeldern für Licht verwendet werden können.
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Die Erfinder haben herausgefunden, daß durch Benutzung herkömmlicher
stranggepreßter
Stäbe aus Acrylkunststoff, welche lichtstreuende Elemente, wie beispielsweise Oberflächenunregelmäßigkeiten,
Kristallflächen und kleine Luftblasen enthalten, ein brauchbarer Effekt erhalten
werden kann. Bei der Benutzung von Lichtleitern dieses Typs werden Anteile eines
einfallenden Lichtstrahlbündels, welches die äußere Oberfläche eines Stabes trifft,
auch unter einem Einfalls-0 winkel von 0° an der Totalreflexion innerhalb des Stabes
teilnimmt und folglich wird Licht längs des Stabes zu einem oder beiden seiner Enden
geleitet. Die Erfinder haben weiter gefunden, daß der vom Stab geleitete Anteil
des einfallenden Lichts eine ausreichende Energie aufweist, die von einem bei einem
Ende des Stabes angeordneten lichtempfindlichen Sensor festgestellt werden kann.
Diese neuen Erkenntnisse liegen der vorliegenden Erfindung zugrunde.
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Als Beispiel sei angenommen, daß ein Ziel feld für Licht gewünscht
ist, welches ein Signal erzeugt, welches anzeigt, daß ein einfallendes Lichtstrahlbündel
das Zielfeld bei einer bestimmten Stelle getroffen hat. Nach der vorliegenden Erfindung
kann ein derartiges Ziel feld aus einem Feld paralleler, horizontal angeordneter
Lichtleiter gebildet werden, welche die erwähnten lichtstreuenden Eigenschaften
aufweisen. Wenn die Lichtleiter nahe beisammen sind, wird lichtundurchlässiges Material
zwischen benachbarten Lichtleitern angeordnet, um eine Übertragung von Licht aus
einem Lichtleiter zum benachbarten Lichtleiter auszuschalten. Bei mindestens einem
Ende eines jeden Lichtleiters ist ein lichtempfindlicher Sensor angeordnet. Bei
diesem einfachen Zielfeld zeigt die Erregung eines gegebenen Sensors an, daß ein
einfallendes Lichtstrahlbündel den Lichtleiter, auf welchen der gegebene Sensor
befestigt ist, getroffen hat und das Licht in ihm geleitet wurde.
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Bei einigen Anwendungen der Erfindung, beispielsweise beim Messen
von Radeinstellungen, weist das Zielfeld ein Feld von beispielsweise horizontal
angeordneten Lichtleitern auf, die an ihren Enden lichtempfindliche Sensoren aufweisen.
Ein Signal eines Sensors zeigt an, daß der Lichtstrahl den zugeordneten Lichtleiter
getroffen hat. Dieser liefert seinerseits eine Information über die vertikale Verschiebung
des einfallenden Lichtstrahlbündels aus einem Bezugspunkt. Bei solchen Anwendungen
liegt der Vorteil des Feldes darin, daß beispielsweise die horizontale Position
des Lichtstrahlbündels unwesentlich ist und daß das gleiche Signal für die vertikale
Position geliefert wird, unbeachtet der Stelle, wo das Lichtstrahlbündel den Lichtleiter,
der das Signal erzeugt, trifft.
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Die Erfinder haben weiter gefunden, daß, wenn zwei Lichtleiter sich
überkreuzen, wobei ein Lichtleiter hinter und in umittelbarer Nachbarschaft zu dem
vorderen Lichtleiter angeordnet ist, bei einem den vorderen Lichtleiter treffenden
Lichtstrahlbündel ein Teil seiner Energie eingefangen, gestreut und wie vorher beschrieben
entlang dem vorderen Lichtleiter geleitet wird. Die Erfinder haben zusätzlich herausgefunden,
daß, weil der Einfallswinkel des Lichtstrahlbündels bezüglich des vorderen Lichtleiters
klein -in der Größenordnung von Oo - ist, genug Licht des einfallenden Lichtstrahlbündels
quer durch den vorderen Lichtleiter hindurchgeht und in das Innere des überkreuzenden
hinteren Lichtleiters eintritt. Wie im Fall des vorderen Lichtleiters wird das in
den hinteren Lichtleiter eintretende Licht gestreut und ein Teil davon trifft die
Oberfläche dieses hinteren Lichtleiters unter einem Winkel, bei dem Totalreflexion
erhalten wird. Wenn folglich ein lichtempfindlicher Sensor bei einem Ende eines
hinteren Lichtleiters angebracht wird, wird ein Signal erzeugt, welches eine Anzeige
für die Position des einfallenden Lichtstrahlbündels
längs des
vorderen Lichtleiters darstellt.
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Die beiden Signale, eines vom vorderen und eines vom hinteren Lichtleiter,
stellen in Wirklichkeit die Koordinaten der Lichtauftreffstelle des Lichtstrahlbündels
auf dem Zielfeld in einem kartesischen Koordinatensystem dar.
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Durch Übertragen der besagten Entdeckungen in die Praxis können die
Erfinder ein Zielfeld aus Lichtleitern erzeugen, welches Signale liefert, welche
kartesische Koordinaten der Lichtauftreffstelle auf dem Zielfeld darstellen. Dies
wird mittels zweier Felder von sich überschneidenden Lichtleitern ausgeführt. Die
Lichtleiter im vorderen ebenen Feld sind in einer Richtung, beispielsweise der horizontalen,
ausgerichtet, und die Lichtleiter im hinteren Feld in einer anderen Richtung, beispielsweise
der vertikalen. Die Stelle, bei der sich zwei Lichtleiter im Bereich des Zielfeldes
überschneiden, stellt eine Position dar, die in kartesischen Koordinaten als Verschiebung
aus einem einzigen Bezugspunkt aufgefaßt werden kann, Wenn ein Lichtstrahlbündel
einen der Lichtleiter des vorderen Feldes bei irgendeiner Stelle in Längsrichtung
des Lichtleiters trifft, wird die Position dieses Lichtstrahls längs einer Koordinatenachse,
die auf dem vorderen Lichtleiter senkrecht steht, durch den Sensor am Ende des Lichtleiters
signalisiert. Da, wie schon erwähnt, ein Teil des Lichts durch den vorderen Lichtleiter
hindurchgeht und in den überkreuzenden hintern Lichtleiter eintritt, erzeugt der
diesem hinteren Lichtleiter zugeordnete Sensor ein Signal, das die Koordinate längs
einer Achse darstellt, die auf dem hinteren Lichtleiter senkrecht steht.
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So werden zwei Signale erzeugt, von denen jedes die Position des auftreffenden
Lichtstrahlbündels längs einer von zwei sich überkeuzenden Koordinatenachsen lokalisiert.
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Einer der Vorteile dieses Systems ist die Reduzierung der Anzahl von
lichtempfindlichen Sensoren und elektronischen
Schaltkreisen, die
zur Erzeugung der besagten Koordinateninformation notwendig sind. Als Beispiel sei
angenommen; daß ein Ziel feld aus 20 in einer Richtung ausgerichteten Lichtleitern
und aus 20 überkreuzenden, in einer anderen Richtung ausgerichteten Lichtleitern
zusammengesetzt ist.
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Die Anzahl der Überkreuzungspunkte oder Koordinatenpunkte eines derartigen
Feldes ist gleich oo und diese Anzahl von Sensoren und zugeordneten Schaltkreisen
wäre erforderlich, um jede Koordinatenposition des einfallenden Lichtstrahlbündels
direkt festzustellen -Mit einem Zielfeld nach der vorliegenden Erfindung sind nur
40 Sensoren und zugeordnete Verstärkerkreise erforderlich, um die gleiche Endinformation
zu erhalten. Folglich kann mit der vorliegenden Erfindung ein relativ großflächiges
Ziel feld bei wirtschaftlich vertretbaren Kosten erzeugt werden Die vorstehende
Diskussion schloß mit der Bezugnahme auf ein doppeltes Feld sich überkreuzender
Lichtleiter, aber wie schon erwähnt, hat bei einigen Anwendungen auch ein Einzelfeld
seine Zweckmäßigkeit. Beispielsweise wird ein einzelnes Feld aus Lichtleitern zur
Anzeige der Radspur in der US-Patentanmeldung US-Ser Nr. 773 638 angewendet.
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Der Gegenstand dieser Anmeldung bezieht sich auf das Hin-und Herlenken
eines Lichtstrahlbündels längs einer senkrecht zu den Lichtleitern im Feld senkrecht
angeordneten Achse und auf die Anordnung von Mustern aus lichtundurchlassigem Material
längs der Lichtleiter, so daß der resultierende Satz von Signalen und Nichtsignalen
eine binärvercoderte Anzeige der Position des längs der Achse der Lichtleiter hin-
und hergelenkten Lichtstrahlbündels wiedergibt.
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Die vorliegende Erfindung wird in ihren breitesten Aspekten folgendermaßen
zusammengefaßt. Es ist ein Zielfeld zum Abtasten der Position eines einfallenden
Lichtstrahlbündels geschaffen worden und das Ziel feld enthält eine Anzahl von länglichen
Lichtleitern, die in einem im wesentlichen ebenen
Feld befestigt
sind, wobei die Lichtleiter in dem Feld geradlinig verlaufende, parallel nebeneinander
angeordnete Züge aufweisen. Bei einem stirnseitigen Ende eines jeden Lichtleiters
ist ein Sensor angeordnet, welcher ein elektrisches Signal erzeugt, das anzeigt,
daß der zugeordnete Lichtleiter vom Lichtstrahlbündel, das die Lichtleiter seitlich
trifft, getroffen wurde.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische
Darstellung eines Zielfeldes mit zwei Feldern aus Lichtleitern, Fig. 2 in einer
Draufsicht einen Teil einer Halterung zum Befestigen von Lichtleitern in einem Einzelfeld,
Fig. 3 in Draufsicht einen Teil des Zielfeldes nach Fig. 1, in dem schematisch eine
Art der Lichtstreuung und Leitung entlang eines vorderen Lichtleiters dargestellt
ist, Fig. 4 eine Draufsicht ähnlich der der Fig. 3, in der andere Arten der Lichtstreuung
und Leitung längs eines vorderen Lichtleiters schematisch dargestellt sind, und
Fig, 5 ein Blockdiagramm, welches die Benutzung eines Zielfeldes nach Fig. 1 in
Verbindung mit einem elektronischen Schaltkreis für eine Vorrichtung zum Messen
von Radeinstellungen.
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Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung, die zur Erzeugung von Signalen verwendbar ist, welche die Koordinaten
eines einfallenden Lichtstrahlbündels bezüglich eines Koordinatenkreuzes mit aufeinander
senkrecht stehenden Koordinatenachsen darstellen.
Im gezeigten
Beispiel können die horizontale Achse x-x und die vertikale Achse y-y als Koordinatenachsen
betrachtet werden. Die Ausführungsform der Fig. 1 wird in Verbindung mit einer Anwendung
als lichtempfindliches Ziel feld für eine Vorrichtung zum Messen von Radeinstellungen
beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen aber auch andere grundlegende
Anwendungen des Zielfeldes als ein Gerät zum Ermitteln der Positionen von Lichtstrahlbündeln.
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Das Zielfeld 1o der Fig. 1 zeigt zwei ebene Felder aus Lichtleitern.
Das vordere ebene Feld H enthält gerade, parallel nebeneinander angeordnete Stäbe
oder Lichtleiter y (-n) y (-8), y (-7), yO, y (1), y (2), y (3), y (4), y (5), y
(n). In der gezeigten Ausführungsfgrm sind jeweils zwei benachbarte der Lichtleiter
y (-n) bis y(n) durch eine lichtundurchlässige Grenzschicht voneinander getrennt.
In der gezeigten Ausführungsform ist dies durch Zwischenlegen dünner Streifen 12
aus Beilagblech bewerkstelligtq Die Stäbe oder Lichtleiter sind aus klarem, durchsichtigem
Material gebildet, das eine glatte äußere Oberfläche aufweist. Die Bezugs zeichen
y (-n) bis y (n) für die horizontalen Stäbe oder Lichtleiter enthalten den Buchstaben
"y", weil diese Lichtleiter eine Information über die Position eines einfallenden
Lichtstrahlbündels auf der vertikalen oder y-Achse liefern. Jeder der horizontalen
Stäbe y (-n) bis y (n) ist mit einer ebenen, glatten Stirnfläche 13 (Fig. 3} versehen,
aus der Licht, das im Stab geleitet wird,- austreten kann. Bei der Stirnfläche 13
eines jeden horizontalen Stabes y (-n) bis y (n) ist ein lichtempfindlicher Sensor
14 angeordnet. Alle Sensoren 14 sind gleich aufgebaut und deshalb mit dem gleichen
Bezugszeichen 14 versehen. Der einzige Unterschied zwischen den Sensoren besteht
darin, daß sie verschiedenen Stäben zugeordnet sind, Ein Beispiel, wie die Sensoren
14 an den Stirnflächen 13 ihrer zugeordneten Stäbe befestigt sein können, ist aus
den Fig. 3 und 4 zu entnehmen. Nach Fig. 3
ist ein Sensor 14 mittels
einer dünnwandigen Haube 16 aus elastischem Material, beispielsweise Gummi, gegen
eine Stirnfläche 13 gehalten. Zwei elektrische Leitungen 18 und 2c, die vom Sensor
14 fortführen, sind in der Fig. 3 ebenfalls dargestellt. Jedes Leitungspaar überträgt
ein signal, welches anzeigt, daß das einfallende Lichtstrahlbündel den betreffenden
Stab getroffen hat. Wenn eine der Leitungen, beispielsweise die Leitung 20, wie
dargestellt, geerdet ist, ist das Signal eine Spannung oder eine Spannungsänderung
relativ zur Erde.
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Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, ist es normalerweise
notwendig, Filtertechniken anzuwenden, die verhindern, daß sich durch umgebendes
Licht erzeugte Signale mit den am Ausgang der Leitungen 18 und 20 ausgelesenen Signalen
überlagern. Es kann dazu ein optisches Filter benutzt werden, das vor den Sensoren
14 angeordnet ist und das nur Licht aus dem schmalen Frequenzbereich des auf das
Zielfeld auftreffenden Lichtstrahlbündels, beispielsweise ein Laserstrahl, durchläßt.
Das einfallende Lichtstrahlbündel kann auch mit einer bestimmten Frequenz laufend
unterbrochen werden und eine an diese Frequenz angepaßte elektronische Filterschaltung
kann mit den Leitungen 18 und 20 verbunden sein, so daß er die von ihnen abgegebenen
Signale empfängt und überträgt.
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Neben dem vorderen Feld H aus horizontalen Stäben y (-n) bis y (n)
weist das Zielfeld lo nach der Fig. 1 auch ein hinteres Feld V aus vertikalen lichtleitenden
Stäben auf, die mit den Bezugszeichen x (n), x (9) bis x (1), xo, x (-1) bis x (-7)
und x (n) bezeichnet sind. Diese Bezugszeichen enthalten den Buchstab x, weil, wenn
auf einem dieser vertikalen Stäbe x (n) bis x (-n) ein Lichtstrahlbündel auftrifft,
dieser Stab eine entsprechende Stelle auf der'x-Achse darstellt. Auf einer Stirnseite
eines jeden dieser vertikalen Stäbe x (n) bis x (-n) ist jeweils ein lichtempfindlicher
Sensor
22 in der in Fig. 1 dargestellten Weise angebracht und da alle diese Sensoren 22
gleich aufgebaut sind, sind sie alle mit dem gleichen Bezugs zeichen 22 versehen
Jeder Sensor 22 weist elektrische Leitungen 24 und -26 auf, die zum Anschließen
an einen Verstärker oder einen anderen elektronsichen Schaltkreis dienen. Zwischen
jeweils zwei benachbarten der vertikalen Stäbe x (n) bis x (-n) ist ein Streifen
28 aus Beilagblech angeordnet und bildet eine lichtundurchlässige optische Grenzschicht,
die verhindert, daß zwischen den Stäben Licht überkoppeln kann. Wie aus den Fig.
3 und 4 hervorgeht, sind die Rückseiten der-vertikalen Stäbe x (n bis x (-n) mit
einem lichtreflektierenden Material 30 bedeckt, welches Licht, das sonst verloren
ginge, zurück in die Stäbe spiegelt und deshalb die Wirksamkeit der Stäbe als Lichtleiter
erhöht. Es können auch andere spiegelnde Mittel eingesetzt werden.
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Die Art und Weise, in der das Feld H paralleler horizontaler Stäbe
y (-n) bis y (n) und das Feld V paralleler vertikaler Stäbe x (n) bis x (-n) befestigt
sind, so daß die beiden ebenen Felder nebeneinander oder aneinander angrenzend angeordnet
sind, ist nicht erfindungswesentlich. Eine geeignete Befestigung ist zum Teil in
der Fig. 1 gezeigt. Das hintere Feld V ist durch eine rückseitige Stützplatte 32
abgestützt, welche zu beiden Seiten bei 34 nach vorne gebogen und mit einem Flansch
36 versehen ist. Ein vertikaler Befestigungsstreifen 38 hält die Enden des Feldes
H aus horizontalen Stäben y (-n) bis y (n) gegen die Flansche 36 neben das hintere
Feld V aus vertikalen Stäben x (n) bis x (-n) oder an sie angrenzend. Die Streifen
38 sind am entsprechenden Flansch 36 mit einer Befestigung 40 befestigt. Die Stützplatte
32 kann, falls die vertikalen Stäbe x (n) bis x (-n) nicht mit einer vorstehend
erwähnten reflektierenden Oberfläche 30 versehen sind, mit einem weißen Anstrich
oder ähnlichem versehen sein, damit Licht in die vertikalen Stäbe
zurückgespiegelt
wird.
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Theorie der lichtleitenden Wirkung bei einem seitlich einfallenden
Lichtstrahlbündel Wie schon erwähnt, haben die Erfinder herausgefunden, daß ein
Lichtstrahlbündel, welches einen Einfallswinkel in der Größenordnung von Oo zur
äußeren Fläche oder Außenseite eines richtig geformten Lichtleiters hat, eine über
die gesamte Länge des Leiters zu übertragende Lichtenergie bewirkt, die ausreicht,
einen lichtempfindlichen Sensor an einem Ende des Lichtleiters anzuregen. Der lichtempfindliche
Sensor erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches anzeigt, daß der entsprechende
Leiter ein einfallendes Lichtstrahlbündel unterbrochen hat.
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Die Fig. 3 stellt in vergrößerter Darstellung einen horizontalen Schnitt
durch einen Teil des Zielfeldes lo dar, der zeigt, daß als ein Vorgang für die Erzeugung
der besagten Ergebnisse angenommen wird. In dieser Figur ist die Tätigkeit des Lichts
innerhalb eines horizontalen Stabes y (i) schematisch dargestellt. Die vertikalen
Stäbe x (-5) bis x (-n) sind im Querschnitt dargestellt und es wird darauf hingewiesen,
daß diese Stäbe einen kleineren Durchmesser aufweisen als die horizontalen Stäbe
y (n) bis y (-n).
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Dies ist eine optische Gestaltung, deren Vorteile noch erklärt werden.
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Ein einfallender Lichtstrahl oder ein einfallendes Lichtstrahlbündel
wird nun durch das Ziel hindurch verfolgt.
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Es sei angenommen, daß der Strahl oder das Bündel b die äußere Oberfläche
des Stabes y (i) in einem Punkt p trifft und in der Praxis sind die Einfallswinkel
der vom Zielfeld empfangenen Lichtstrahlen in der Größenordnung von 00, was
schon
erwähnt wurde. Im Schema der Fig. 3 ist angenommen, daß der Stab y (i) so ausgebildet
ist, daß er leichte Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche, beispielsweise die mit
s bezeichnete Unregelmäßigkeit aufweist. Wenn ein Lichtstrahl quer zum Stab sich
ausbreitet und derartige Oberflächenunregelmäßigkeiten trifft, wird er in Strahlen
gestreut, die sich durch den Stab in verschiedenen Richtungen ausbreiten, so wie
beispielsweise die Strahlen bl und b2 in der Fig. 3.
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Der Strahl bl ist der interessierende Strahl, weil, wenn er die gegenüberliegende
Oberfläche des Stabes trifft, ist sein Einfallswinkel A zum Lot dieser Oberfläche
größer als der Einfallswinkel für die Totalreflexion. Der Totalreflexionswinkel
hängt sehr vom Brechungsindex des Stabmaterials ab und kann nach dem Snell'schen
Gesetz berechnet werden, wie es auf Seite 843 von "University Physics" von Sears
et al. Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
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of Reading Massachusetts, 1965 Edition, erklärt ist. Unter der Annahme,
daß der Strahl bl keine weiteren Oberflächenstörungen mehr trifft wird er längs
des Stabes y (i) laufend reflektiert, bis er aus der Stirnflache 13 des Stabes austritt
und den Sensor 14 trifft, wodurch ein elektrisches Signal über die Leitungen 18,
20 abgegeben wird. Der andere Strahl b2 weist einen Einfallswinkel zum Lot der gegenüberliegenden
Oberfläche auf, der kleiner als der Totalreflexionswinkel ist. Dieser Strahl b2
tritt also aus dieser gegenüberliegenden Oberfläche des Stabes y (i) aus und ist
folglich verloren, wenn er nicht auf eine andere Streustelle in der gegenüberliegenden
Oberfläche trifft.
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Ein Teil der im Lichtstrahl b enthaltenen Lichtenergie tritt aus der
Rückseite des horizontalen Stabes v (i) aus und in einen vertikalen Stab
(-5), wie es in der Fig. 3 gezeigt ist, als Lichtstrahl b3 wieder ein. Ein Teil
des Lichts in
diesem Lichtstrahl wird ebenfalls durch Oberflächenunregelmäßigkeiten
und wie es im Zusammenhang mit dem horizontalen Stab y (i) erklärt ist, gestreut
und wird folglich längs des Stabes x (-5) geführt, um einen auf der Stirnseite dieses
Stabes angebrachten Sensor 22 anzuregen. In der bevorzugten Ausführungsform sind
die Stäbe aus stranggepreßtem Material, beispielsweise einem Acrylkunststoff, gefertigt,
und Unregelmäßigkeiten, wie sie beispielsweise bei s bestehen, werden während des
Strangpressens ausgebildet.
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Die Fig. 4 zeigt ein dem der Fig. 3 ähnelndes Schema, welches ein
anderes Phänomen darstellt, von dem angenommen wird, daß es bewirkt, daß ein einfallender
Lichtstrahl entlang eines Stabes y (i) zum lichtempfindlichen Sensor 14 geführt
wird. Wie erwähnt, sind in der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung die lichtleitenden Stäbe aus stranggepreßtem Acrylkunststoff gefertigt.
Das Strangpressen hat nicht nur Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche, beispielsweise
die Unregelmäßigkeiten s in Fig. 3 zur Folge, sondern bewirkt auch, daß der Körper
der Stäbe aufgrund der am Stab während des Strangpreßvorgangs ausgeführten Arbeit
von etwas kristalliner Natur ist.
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Beispielsweise ist in der Fig. 4 bei c eine Kristallfläche angedeutet,
welche die Kristallfläche eines kleinen, beim Bearbeiten des Materials gebildeten
Kristalls ist. Wenn ein den Lichtstrahl b enthaltendes Lichtstrahlbündel eine solche
Kristallfläche trifft, wird es als Strahlen gestreut, die in verschiedene Richtungen
reflektiert oder gestreut werden. Als Beispiel ist ein gestreuter Lichtstrahl b4
gezeigt, der die Vorderseite des Stabes unter einem Einfallswinkel A trifft, der
größer als der Totalreflexionswinkel ist. Folglich kann der gestreute Strahl b4
sich wegen der Totalreflexion im Stab ausbreiten. In der Fig. 4 ist auch eine Annahme
dargestellt, bei welcher der reflektierte Strahl
b4 auf eine andere
Kristallfläche c2 trifft, wodurch zusätzliche gestreute Lichtstrahlbündel oder Lichtstrahlen
b5; b6 und b7 erzeugt werden. Unter der Annahme, daß sie nicht mehr gestreut werden,
treffen die Strahlen b5 und b6 auf den Sensor 14, weil sie der Totalreflexion unterworfen
sind.
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Ein Strahl, wie der Strahl b7, der von der streuenden Kristallfläche
c2 ausgeht, kann in Richtung des vertikalen Stabes x (-1) gerichtet sein. Jedoch
würde die Intensität dieses Strahls so klein sein, daß,selbst wenn er in den vertikalen
Stab eintritt und darin gestreut wird, die Dämpfung dieses gestreuten Strahls so
ist, daß er nicht genügend Energie aufweist, um in dem diesen vertikalen Stab zugeordneten
Sensor 22 ein Signal zu erzeugen.
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Ein von der Kristallfläche c2 gestreuter Strahl b6 erreicht aufgrund
der Wirkung der Totalreflexion ebenfalls den Photosensor 14. Ein Strahl b8 wird
von der ersten Kristallfläche c weggestreut und es ist angenommen, daß dieser Strahl
keine weiteren Streuzentren mehr trifft und folglich aufgrund der Totalreflexion
ebenfalls auf den Sensor 14 trifft, Lichtstrahlen, wie der Lichtstrahl b9 und der
Lichtstrahl blo, die von der ersten Kristallfläche c weggestreut werden, breiten
sich in Richtungen ausr in welchen sie den bei einer Stirnseite des lichtleitenden
Stabes angebrachten Sensor 14 nicht erreichen können. Das einfallende Lichtstrahlbündel
b kann auch so betrachtet werden, daß es einen Lichtstrahl bll enthält, welcher
von der ersten Kristallfläche c nicht gestreut wird und folglich in einen auf der
Rückseite angeordneten vertikalen Stab x (-6) eintritt. Dieser Strahl wirdr wie
im Fall des Strahls b3, der im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrieben wurde, in
der soeben beschriebenen Art und Weise gestreut und erzeugt bei dem diesem vertikalen
Stab x (r6j zugeordneten Sensor 22 eine hinreichende Lichtenergie, um diesen Sensor
zu aktivieren.
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Abschätzungen, die auf einfachen Versuchen beruhen, zeigen, daß nur
ein Bruchteil des einfallenden Lichts längs eines lichtleitenden Stabes sich fortpflanzt
und einen Sensoren der Stirnseite des Stabes aktiviert. Darüber hinaus wird das
längs des Stabes sich fortpflanzende Licht durch Streuung abgeschwächt und je weiter
die Lichteinfallsstelle vom Sensor entfernt ist, desto größer ist die Dämpfung.
So können beispielsweise nur 2 % eines einfallenden, in den Stab eintretenden Lichts
einen auf dem Stab angebrachten Sensor erreichen. Jedoch weist das einfallende Lichtstrahlbündel
b hinreichende Intensität auf, beispielsweise wenn es ein fokussierter oder nichtfokussierter
Laserstrahl ist, daß die den Sensor erreichende Lichtenergie die Energieschwelle
des Sensors überschreitet und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt.
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Wenn es erwünscht ist, die in Fig. 4 dargestellte Streuwirkung künstlich
zu erhöhen, können die lichtleitenden Stäbe so ausgebildet werden, daß sie eine
Anzahl von diskreten, lichtreflektierenden und streuenden Teilchen 42 enthalten,
beispielsweise reflektierende oder lumineszierende Plättchen. Nur zwei derartige
Teilchen sind in der Fig. 4 angedeutet, obwohl es einleuchtet, daß eine große Anzahl
dieser Teilchen über den ganzen Stab verteilt ist. Die streuende Wirkung eines Teilchens,
wie das in Fig. 4 dargestellte Teilchen 42, ist ähnlich der einer Kristallfläche
c und wird folglich im einzelnen nicht beschrieben. Darüber hinaus können handelsüblich
hergestellte Kunststoffstäbe eine Vielzahl kleiner Luftblasen 43 enthalten, die
ebenfalls streuende Oberflächen liefern.
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Zusammenfassuna der Arbeitsweise des Zielfeldes Obwohl die Arbeitsprinzipien
des Zielfeldes nach der vorliegenden Erfindung umrissen worden sind, werden sie
im Zusammenhang
mit der perspektivischen Darstellung der Fig 1
noch einmal besprochen. In dieser Fig. 1 ist ein einfallendes Bezugslichtstrahlbündel
b dargestellt, welches das Zielfeld 0 lo im Bezugspunkt xO, yO, der den PULE St
yo auf der vertikalen Achse darstellt, trifft. Der horizontale lichtleitende Stab
yO unterbricht das Lichtstrahlbündel und verläuft senkrecht zur vertikalen Koordinatenachse
y-y. Oberhalb des lichtleitenden Stabes yO, welcher einen Bezugsstab darstellt,
sind die lichtleitenden Stäbe y (1), y (2) bis y (n) angeordnet, welche Signale
erzeugen können, welche positiven y-Koordinaten entsprechen, die die Verschiebung
von der horizontalen oder x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems wiedergeben.
Das dargestellte Zielfeld ist unterhalb des horizontalen Bezugs stabes yO unterbrochen,
tatsächlich liegt unmittelbar unterhalb des Bezugsstabes yO ein Bezugsstab y (-1)
und darunter folgen Bezugs stäbe y (-2) bis y (-6), die alle nicht dargestellt sind,
Erst die darunter folgen horizontalen Bezugs stäbe y (-7) bis y (-n) sind wieder
dargestellt.
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In der Fig. 1 stellt das einfallende Lichtstrahlbündel b ein Lichtsignal
aus einer Meßvorrichtung dar, beispielsweise einen von einem Radspiegel einer Radeinstellvorrichtung
gespiegelten Laserstrahl. Eine derartige Radeinstellvorrichtung ist beispielsweise
in der Patentanmeldung US-Ser, Nr. 913 779 beschrieben.
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Das Lichtstrahlbündel b trifft den horizontalen lichtleitenden Stab
y (3) im Punkt p. Dies bedeutet in Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems,
bei dem der Punkt X0? y0 den Bezugspunkt oder Ursprung, auf den die Koordinaten
bezogen werden, darstellt, daß der Punkt p eine y-Koordinate von +3 aufweist. Ein
entsprechendes Signal aus dem zugeordneten Sensor 14 wird auf eine mit dem Zielfeld
verbundene Aufwertungseinheit übertragen, welche anzeigt,
daß der
Stab y (3) das Lichtstrahlbündel b unterbrochen hat.
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Wie schon erwähnt, messen die horizontalen lichtleitenden Stäbe y
(-n) bis y (n) die y-Koordinaten des Punkts p, d. h.
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die Verschiebung des Punkts p vom Bezugspunkt yO längs einer zur vertikalen
y-Achse parallelen Achse. Diese Verschiebungsmessung ist unabhängig von der Lage
des Punkts p längs des gegebenen horizontalen Stabes, beispielsweise des Stabes
y (3) und folglich auch unabhängig von der x-Koordinate des Punkts p. Folglich könnte,
wenn es erwünscht wäre und wie es im Zusammenhang mit der Fig. 2 beschrieben wird,
ein Feld von horizontalen lichtleitenden Stäben y (-n) bis y (n) allein als Einrichtung
zum Abfühlen der Lage eines einfallenden Lichtstrahlbündels bezüglich eines Bezugsstabs
entlang einer senkrecht zu den Stäben verlaufenden Achse benutzt werden. In einem
solchen Fall könnten die Rückseiten der horizontalen Stäbe des Feldes mit einem
spiegelnden Überzug, wie beispielsweise der bei den vertikalen Stäben nach der Fig.
3 verwendete Überzug 30, abgedeckt werden, um die Wirksamkeit der Lichtleitung längs
der Stäbe zu erhöhen.
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In der vorangegangenen Erklärung der Fig. 1 ist angenommen worden,
daß eine Verschiebung des einfallenden Lichtstrahlbündels b längs eines horizontalen
Weges einer Verschiebung Null des Lichtstrahlbündels längs einer vertikalen Achse
dar--stellt. Bei manchen Konstruktionen könnten Versuche oder Messungen eine Situation
liefern, in welche der Verschiebungsweg des einfallenden Lichtstrahlbündels b, welcher
einer verschwindenden vertikalen Ablenkung entspricht, tatsächlich ein Weg sein,
der etwas gegen die Horizontale geneigt ist. Ein Zielfeld, ähnlich dem der Fig.
1, würde, wenn es zur Messung der Lage des einfallenden Lichtstrahlbündels unter
den besagten Umständen angeordnet wäre, so aufgebaut sein, daß die horizontalen
lichtleitenden Stäbe so geneigt sind, daß sie parallel zum besagten geneigten Bezugsweg
verliefen und nicht horizontal.
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Wie schon erwähnt, mißt das Zielfeld lo nach der Fig. 1 nicht nur
die vertikale Verschiebung der Auftreffstelle p vom vertikalen Bezugspunkt yO, sondern
auch die horizontale Verschiebung dieses Punkts p vom horizontalen Bezugspunkt x
. Dies wird durch das hintere Feld -V mit den vertikal ano geordneten lichtleitenden
Stäben x (n) bis x (-n) ermöglicht.
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In der Fig. 1 trifft das einfallende Lichtstrahlbündel b den horizontalen
Stab y (3}, der ein Signal für die vertikale Koordinate oder vertikale Verschiebung
erzeugt, wie es vorstehend beschrieben ist. Zusätzlich und wie es im Zusammenhang
mit der Fig. 3 und Fig. 4 beschrieben worden ist, wurde herausgefunden, daß ein
Teil des einfallenden Lichts, das von dem waagerechten Stab y (3) empfangen wird,
sich quer zu diesem Stab ausbreitet und in einen vertikalen Stab eintritt, der sich
hinter dem Punkt p befindet. In dem dargestellten Beispiel ist dies der Stab x (5).
Wie schon beschrieben, wurde herausgefunden, daß Licht in den Stäben gestreut und
gespiegelt wird und daß genug Lichtenergie den zugeordneten Sensor 22 erreicht,
um ein Signal auf den Leitungen 24, 26 zu erzeugen. Wenn also zwei Felder benutzt
werden; werden Signale erzeugt,die zum Anzeigen der Verschiebung des einfallenden
Lichtstrahlbündels aus einem Bezugspunkt entlang zweier Achsen umgewandelt werden
können.
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Wie schon erwähnt, können die Stäbe y (-n) bis y (n) unter gewissen
Umständen gegen die Horizon-tale geneigt sein. In diesem Fall können die Stäbe x
(n) bis x (-n) gegen die Vertikale unter dem gleichen Winkel geneigt sein, wenn
beabsichtigt ist, daß sie die Verschiebung des Lichtstrahlbündels Iängs einer Achse
messen, welche parallel zur Achse der horizontalen Stäbe y (-n) bis y (n) ist. Unter
diesen Annahmen würden die vertikalen Stäbe x (n) bis x (-n) senkrecht zu den gegen
die Horizontale geneigten Stäben y (-n) bis y (-n) bleiben und folglich würde das
gesamte Feld gegen die horizontale und vertikale Lage der in Fig. 1 dargestellten
Stäbe
um den Abweichungswinkel des geneigten Bezugsweges bei Null-Ablenkung geneigt sein.
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Eine andere Situation könnte vorhanden sein, in welcher der Weg eines
Lichtstrahlbündels entlang eines der horizontalen Stäbe, der eine Null-Abweichung
entlang der y-Achse darstellt, geneigt ist, aber es gewünscht wird, die Lage des
Lichtstrahlbündels entlang einer x-Achse, die horizontal ist, zu messen.
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Unter diesen Umständen wäre das Feld der horizontalen Stäbe y (-n)
bis y (n) wie vorher geneigt sein, aber die vertikalen Stäbe x (n) bis x (-n) des
Feldes V wären richtig vertikal angeordnet und folglich würden sich die Stäbe der
beiden Felder nicht im Winkel von 9o° überkreuzen. Offensichtlich sind andere Kombinationen
von Bezugs achsen möglich, wobei der springende Punkt darin liegt, daß Stäbe des
hinteren Feldes V nicht notwendigerweise senkrecht auf den Stäben des vorderen Feldes
H stehen.
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Spezielles Beispiel für den Aufbau eines Zielfeldes mit zwei Feldern
In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung mit zwei Feldern sind die
Stäbe y (-n) bis y (n) aus stranggepreßten zylindrischen Stäben aus Acrylkunststoff,
beispielsweise Methylmethacrylsäureester, gefertigt. Ein Beispiel für dieses Kunststoffmaterial
ist im Handel unter der Handelsmarke Lucite erhältlich. Das Rohmaterial wird von
der E,I. duPont de Nemours Inc., Delaware, Maryland, hergestellt, Das Material weist
einen Brechungsindex von 1,49 auf und unter diesen Bedingungen liegt der Totalreflexionswinkel
A bei 420. Die Stäbe y (-n) bis y (n) im horizontalen Feld H weisen einen Durchmesser
von o,9525 cm auf und die Stäbe x (n) bis x (-n) im vertikalen Feld V einen halb
so großen Durchmesser wie die horizontalen Stäbe auf. Die vertikalen Stäbe x (n)
bis x (-n) sind kleiner als
die horizontalen Stäbe y (-n) bis y
(n), weil bei der Benutzung des Feldes zum Einstellen von Rädern die Verschiebung
längs der Achse, die durch die vertikalen Stäbe gemessen wird, eine Messung der
Radspur darstellt. Die zulässigen Winkeltoleranzen sind beim Messen der Radspur
kleiner als die zulässigen Toleranzen bei der Messung des Radsturzes, der von den
horizontalen Stäben gemessen wird. Die waagerechten Stäbe können daher größer sein.
Je kleiner die Stäbe in einem gegebenen Feld sind, desto genauer ist offensichtlich
die Messung, bei welcher das Feld zum Messen der Verschiebung eines Lichtstrahlbündels
längs einer zu diesen Stäben senkrechten Achse verwendet wird. Der Durchmesser der
Stäbe für das oder jedes Feld wird entsprechend der erforderlichen Meßgenauigkeit
ausgewählt. Es könnten auch Stäbe mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt
verwendet werden, es ist jedoch bekannt, daß derartige Stäbe eine größere Dämpfung
aufweisen als Stäbe mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt.
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In dem dargestellten Zielfeld sind die horizontalen Stäbe y (-n) bis
y (n) 23,495 cm lang und das vordere Feld H weist 43 derartiger Stäbe auf. Die vertikalen
Stäbe x (n) bis x (-n) sind 49,53 cm lang und das hintere Feld V enthält 32 derartiger
Stäbe. Die Stäbe sind durch Befestigungsstreifen, beispielsweise der in Fig. 1 dargestellte
vertikale Streifen 38 maskiert, so daß die effektive Zielfläche, die dem Lichtstrahlbündel
ausgesetzt ist, ein vertikal angeordnetes rechteckförmiges Zielfeld ist, das ein
Zielfenster aufweist, welches 17,78 cm breit und 43,815 cm hoch ist.
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Als Photosensoren 14, 22 sind in einem für Versuche dienenden Prototypen
eines Zielfeldes Vorrichtungen mit Hellwiderstand verwendet worden, aber es können
auch andere lichtempfindliche Sensoren verwendet werden, beispielsweise lichtempfindliche
Siliciumdioden.
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Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel weist 1376 Überschneidungen
auf, von denen jede eine meßbare x-Koordinate und y-Koordinate darstellt. Diese
Messungen werden durch Verwendung von 75 lichtempfindlichen Sensoren und den damit
verbundenen Schaltkreisen erhalten. Dadurch werden gegenüber einem Zielfeld, welches
bei jedem Überschneidungspunkt oder bei jeder Koordinate einen lichtempfindlichen
Sensor benötigt, 1301 Sensoren eingespart.
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Beispiel für die Anwendung des Zielfeldes Die nun folgende Beschreibung
zeigt eine Anwendung des Zielfeldes lo in einem Schaltkreis für eine Einrichtung
zum Messen von Radeinstellungen eines Kraftfahrzeugs. Der Schaltkreis und das optische
System sind im einzelnen in der Patentanmeldung US-Ser. Nr. 913 779 beschrieben.
Der mit dem Ziel feld lo am nächsten in Verbindung stehende Schaltkreis wird anhand
der Fig. 5 kurz beschrieben.
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Während der Messung, wenn das einfallende Lichtstrahlbündel das Zielfeld
lo im Punkt p (Fig. 1) trifft, werden mindestens einer der den horizontalen Stäben
zugeordneten Sensoren 14 und wenigstens einer der den vertikalen Stäben zugeordneten
Sensoren 22 angeregt. Es sei erwähnt, daß es möglich ist, ein Lichtstrahlbündel
mit relativ zu den Stäben großem Querschnitt zu verwenden, bei welchem irei oder
sogar mehr benachbarte Stäbe auf einmal beleuchtet werden, ohne daß die Genauigkeit
darunter leidet. Weiter wird darauf hingewiesen, daß die Sensoren 22 der vertikalen
Stäbe in Fig. 5 auf der Unterseite des Feldes V angeordnet sind und nicht auf der
Oberseite, wie in Fig. 1. Jeder der angeregten Sensoren erzeugt ein Signal, welches
einer binären Eins entspricht. Die Signale aus dem Feld V werden parallel in ein
X-Schieberegister 62 als Speicherelement eingegeben, In ein Y-Schieberegister 63
werden die Signale aus dem Feld
H eingegeben. Schieberegister sind
allgemein bekannt und die Anzahl der Speicherelemente für jeweils ein Bit in jedem
Schieberegister entspricht der Anzahl der mit ihm verbundenen lichtempfindlichen
Sensoren. Ein Speicherelement für ein Bit kann beispielsweise eine bistabile Kippschaltung
sein Jeder der lichtempfindlichen Sensoren 14, 22, der nicht angeregt ist, erzeugt
ein Signal, welches einer binären Null entspricht. Diese Signale werden ebenfalls
an die entsprechenden Speicherelemente in den zugeordneten Schieberegistern eingegeben.
Es werden Steuertaktimpulse erzeugt, welche die binären Einsen und Nullen freigeben,
so daß sie periodisch in das X- bzw. Y-Schieberegister eingegeben werden können
und die gespeicherte Information aus den Registern herausgeschoben werden kann.
Die logische Steuerung umfaßt einen Taktgeber 65, welcher eine Reihe von Taktimpulsen
auf sich verzweigende Ausgangs leitungen 65a gibt, von denen eine direkt mit einem
X-Zähler 69 und einem Y-Zähler 70 verbunden ist. Eine andere der Ausgangsleitungen
65a ist mit einem Frequenzteiler 66 verbunden, welcher die Frequenz der Taktimpulse
halbiert, so daß er an der Ausgangsleitung 66a bei jedem zweiten Taktimpuls einen
Impuls abgibt. Die Ausgangsleitung 66a des Frequenzteilers 66 weist vier Zweige
auf, von denen zwei mit dem X- bzw. Y-Schieberegister verbunden sind, derart, daS
die auf dieser Leitung geführten Impulse die in den Registern gespeicherten Informationen
durch ein jedes Register schieben. Die anderen beiden Zweige münden in die beiden
Zähler 69 und 70.
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Die Taktimpulse auf der Leitung 65a werden einem Ladesignalgeher 67
zugeführt, welcher nach jedem 96. Taktimpuls einen Impuls auf die Ausgangsleitung
67a gibt. Die Ausgangsleitung 67a weist vier Zweige auf, Zwei der Zweige sind mit
den Schieberegistern 62 und 63 verbunden und die darauf übertragenen Impulse erzeugen
genügend Zeit, damit die vom Zielfeld stammenden binären Einsen und Nullen aus den
Registern
herausgenommen und durch geeigneten Schaltkreise gedeutet werden können, bevor neue
Signalsätze parallel in die Register geladen werden. Die Zahl 96 für die Frequenzteilung
des Ladesignalgebers wurde gewählt, weil sie die vorhandene Anzahl der mit einem
Register verbundenen lichtleitenden Stäbe überschreitet. Nachdem die Register mit
Signalen aus dem Zielfeld geladen worden sind, bewirken die Impulse aus dem Frequenzteiler
66, daß die binären Einsen und Nullen, die in die Register 62 bzw. 63 eingegeben
worden sind, aus den Registern seriell über die Ausgangsleitungen 62a bzw.
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63a in einen zugeordneten Zähler 69 bzw. 70 ausgeschoben werden. Nachdem
alle binären Einsen und Nullen ausgeschoben worden sind, gibt ein neues Ladesignal
aus dem Ladesignalgenerator 67 diese Register frei, so daß sie erneut mit Signalen
aus dem Zielfeld lo geladen werden können. Dieses Verfahren setzt sich fort, so
daß die binäre Information, welche die Lage des Lichtflecks angibt, ständig erneuert
wird.
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Der Zähler 69 und der Zähler 70 zählen jeweils die Anzahlen der binären
Nullen und Einsen,- die von den entsprechenden Registern in den Zähler eingegeben
worden sind, wobei die Nullen nichtbeleuchtete lichtleitende Stäbe darstellen und
die Einsen beleuchtete lichtleitende Stäbe. Dadurch wird eine Anzeige der Lage der
beleuchteten Stäbe bezüglich eines Randes des Feldes geliefert. Wenn folglich eine
Anzahl von Nullen in den Zähler 70 geschoben wird, auf die eine oder mehrere binäre
Einsen folgen, welche einer Beleuchtung der zugeordneten lichtleitenden Stäbe durch
das Lichtstrahlbündel entsprechen, wird ein binäres Zählsignal an der Ausgangsleitung
70a abgegeben, welches als Darstellung der mittleren vertikalen Lage des Lichtflecks
p des auf das Zielfeld lo einfallenden Lichtstrahls gedeutet werden kann.
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Auf ähnliche Weise liefert der Zähler 69 ein Binärsignal an die Ausgangsleitung
69a, welches die mittlere Lage des Lichtstrahlbündels anzeigt. Der Empfang von beispielsweise
zwei
binären TEinsen auf einem Schieberegister zeigt an, daß das Licht zwei licht leitende
Stäbe beleuchtet hat und der Zähler bestimmt die mittlere Position des Lichtflecks
als die halbierende Linie zwischen diesen beiden Stäben. Als Beispiel sei angenommen,
daß der Y-Zähler 70 ein Bit-Muster ooollo...o aus dem Y-Register 63 erhält. Dies
zeigt an, daß das einfallende Lichtstrahlbündel den vom einen Ende des Feldes her
gezählten 4. und 5. lichtleitenden Stab beleuchtet hat. Der Zähler wird in Wirklichkeit
so betrieben, daß er einen Wert 2 für jede binäre Null, die der ersten binären Eins
vorangeht, und einen Wert 1 für jede binäre Eins zuweist. Die binären Nullen, die
einer binären Eins folgen, werden nicht gezählt, mit Ausnahme der ersten, die eine
Eins hinzuzählt. Im gegebenen Beispiel wird deshalb der Zählwert 9 erzeugt. Der
Zähler teilt diesen Zählwert durch 2, wodurch ein Zählerstand von 4,5 erzeugt wird,
welcher die räumliche Lage zwischen dem 4. und 5, Stab darstellt. Zur Durchführung
der gerade beschriebenen Arbeitsweise ist zu sagen, daß jeder Zähler nicht dargestellte,
geeignete Logikglieder zum Zuführen der hochfrequenten Impulse aus der Leitung 65a
zu den Zählern aufweist, wenn eine logische Null vom entsprechenden Schieberegister
übertragen wird und zum Zuführen niederfrequenter Impulse aus der Leitung 66a zu
den Zählern, wenn eine binäre Eins aus dem zugeordneten Schieberegister übertragen
wird. Beim Übergang von einer binären Eins auf eine binäre Null wird ein letzter
Impuls auf den Zähler übertragen und dieser wird dann angehalten. Der Zähler wird
natürlich durch den Ladeimpuls aus dem Ladesignalgeber 67 zurückgesetzt, Die Teilung
der Zählerausgabe durch 2 wird einfach durch Verschieben dieser Ausgabe um ein Bit
ausgeführt, Da die Zähler alle Signale auf eine Ecke des Zielfeldes und nicht auf
den Bezugspunkt xO, y0 (Fig. 1) beziehen, müssen die Werte auf den Leitungen 7ca
und 69a im Maßstab entsprechend
verkleinert werden. Dies wird,
wie auch andere Eichungen, durch die Eichleitungen 72-und 73 aus anderen Schaltkreisen,
die nicht dargestellt sind, ausgeführt.
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Die Art und Weise, in welcher die Zählwerte auf den Leitungen 69a,
70a zur Anzeige der Radeinstellungen, beispielsweise des Sturzes oder der Spur,
ist im einzelnen in der Patentanmeldung US-Ser. Nr. 913 779 beschrieben und die
Art und Weise, wie diese Werte gewonnen und benutzt werden, ist nicht erfindungswesentlich.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Signale aus dem Ziel feld der vorliegenden Erfindung
in vielen anderen Meß- und Prüfvorrichtungen und -schaltungen verwendbar sind.
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Ausführunasform mit einem einzelnen Feld In der Fig. 2 ist in Draufsicht
ein Teil eines Zielfeldes loA dargestellt, welches ein einziges Feld Ha horizontal
angeordneter lichtleitender Stäbe aufweist. Diese lichtleitenden Stäbe werden von
einer rückwärtigen Stützplatte 32a, vorderen vertikalen Streifen 38a und Schrauben
40a wie in Fig. 1 gehalten. Der Darstellung wegen ist angenommen, daß das horizontale
Feld Ha aus den gleichen Stäben gebildet ist, die auch das horizontale vordere Feld
H der Fig. 1 bilden. Deshalb ist eine Anzahl paralleler, horizontal angeordneter
Stäbe, die allgemein mit y' bezeichnet und wie beschrieben ausgebildet sind, durch
lichtundurchlässige Grenzschichten, beispielsweise Streifen aus Beilagblech 12,
wie schon beschrieben, voneinander getrennt. Beieiner Stirnseite eines jeden Stabes
y' ist ein Sensor 14 mit einer Haube 16 befestigt und der Sensor 14 weist wie vorher
Ausgangsleitungen 18 und 20 auf.Wie schon erwähnt, kann die Rückseite der Stäbe
dieses Einzelfeldes mit einem reflektierenden Überzug, beispielsweise einem früher
beschriebenen Überzug 30, versehen werden, oder die hintere Stützplatte 32a kann
mit lichtreflektierendem Material bedeckt
werden.
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Das Einzelfeld nach der Fig. 2 kann je nach der-Natur der gewünschten
Messung mit horizontal verlaufenden, vertikal verlaufenden oder schräg verlaufenden
Stäben verwendet werden. Auch wird, wie schon erwähnt, der Durchmesser der Stäbe
entsprechend der geforderten Meßgenauigkeit gewählt. Die Arbeitsweise der Ausführungsform
nach Fig. 2 ähnelt im wesentlichen jener des vorderen Feldes H, das in Verbindung
mit den Fig. 1, 3 und 4 beschrieben wurden.
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Wie schon erwähnt, kann die vordere Fläche der Stäbe des Einzelfeldes
Ha der Fig. 2 mit Mustern aus lichtundurchlässigem Material abgedeckt werden, um
eine in einem Binärcode dargestellte Information über die Position eines quer über
die Stäbe streichenden Lichtstrahlbündels längs der Stäbe zu erzeugen. Diese spezielle
Verwendung eines einzelnen Feldes aus lichtleitenden Stäben ist im einzelnen in
der US-Patentanmeldung US-Ser. Nr. 773 638 beschrieben.