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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Realisieren des
Durchrasterns eines Lichtstrahls genau eben und parallel zu
einer gegebenen Achse, spezieller eine derartige
Vorrichtung, die einen Durchrasterspiegel, der auf einer im
wesentlichen rechtwinklig zur gegebenen Achse stehenden Drehachse
angebracht ist und dessen Ebene die Drehachse im
wesentlichen enthält, und eine optische Vorrichtung entweder als
Lichtquelle oder als lichtempfindlicher Empfänger aufweist,
die im wesentlichen in der die gegebene Achse enthaltenden
Ebene und rechtwinklig zur genannten Drehachse angeordnet
ist.
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Derartige Vorrichtungen sind iin Stand der Technik bereits
wohlbekannt. So beschreibt die französische Patentanmeldung,
die am 04. Februar 1987 unter der Nr. 87.01360 eingereicht
wurde, eine Vorrichtung, bei der eine beobachtete Szene mit
aufeinanderfolgenden Zeilen mit Hilfe eines Laserstrahls
abgerastert wird, der von einem Spiegel reflektiert wird, der
unter der Wirkung eines Galvanometers um eine Achse
schwenkt.
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Es kommt häufig vor, daß es erforderlich ist, daß der
Lichtstrahl während des Durchrasterns in einer einzigen Ebene
parallel zu einer vorgegebenen Achse bleibt.
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Dies ist insbesondere bei der oben genannten Patentanmeldung
der Fall, wo der Laserstrahl an einem gegebenen Ort der
Szene einen Lichtfleck ausbildet und wo das Bild dieses Flecks
auf eine Leiste photoempfindlicher Elemente abgebildet wird.
Es ist daher wichtig, daß das Bild dieses Flecks genau auf
jedes Element der Leiste zentriert ist, und demgemäß muß die
Durchrasterung vollständig eben sein und die Ebene der
Durchrasterung muß parallel zur Achse der Leiste sein.
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Die gewünschte Genauigkeit für diese Vorrichtung liegt in
der Größenordnung einiger Bogensekunden für den Ortswinkel
des reflektierten Strahls.
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Umgekehrt kann es erwünscht sein, über eine Vorrichtung zu
verfügen, die einen photoempfindlichen Empfänger aufweist,
und auf diesem Empfänger nur dasjenige Licht zu empfangen,
das von einer festgelegten Ebene parallel zu einer
vorgegebenen Achse herrührt, indem das Durchrastern dieser Ebene
mit Hilfe eines Schwenkspiegels realisiert wird, der das von
dieser Ebene herrührende Licht auf den photoempfindlichen
Empfänger reflektiert.
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Nun sind bei einer Vorrichtung, die aufgebaut ist wie die
oben beschriebene, drei Quellen für eine Krümmung der
Durchrasterebene möglich.
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Zunächst können sich die Lichtquelle oder der
photoempfindliche Empfänger leicht über oder unter der Ebene befinden,
die die vorgegebene Achse enthält, und rechtwinklig zur
Drehachse, d.h., daß der Lichtstrahl in bezug auf diese
Ebene nicht den Einfallswinkel null aufweist.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Ablenkspiegel so auf ihre
Rotationsachse geklebt sind, daß die Spiegelebene
theoretisch durch diese Achse geht. In der Praxis erweist es sich
als unmöglich, Spiegel zu finden, die dieser Bedingung mit
der gewünschten Genauigkeit genügen, die einige
Bogensekunden erreichen kann: die käuflich erhältlichen Galvanospiegel
zeigen tatsächlich Fehler hinsichtlich der Parallelität zur
Achse, die 20 Bogenminuten überschreiten können.
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Schließlich kann die Drehachse des Spiegels selbst nicht
genau rechtwinklig zur vorgegebenen Achse sein.
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Es ist ersichtlich, daß dann, wenn der erste und der dritte
vorstehend genannte Mangel durch eine sorgfältige
Konstruktion der Vorrichtung eingegrenzt werden, nur noch der zweite
Mangel vorliegt, der dem Spiegel selbst innewohnt.
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Die Erfindung zielt darauf hin, eine Vorrichtung anzugeben,
die es erlaubt, diesen drei Mängeln, insbesondere dem
zweiten, abzuhelfen, d.h. eine Durchrasterung in einer Ebene
parallel zu einer vorgegebenen Achse zu erhalten, obwohl ein
Spiegel verwendet wird, der ungenau auf seine Rotationsachse
geklebt ist.
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Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Vorrichtung zum
Realisieren des Durchrasterns eines Lichtstrahls quasi genau
eben und parallel zu einer vorgegebenen Achse zum
Gegenstand zur Aufgabe, welche Vorrichtung einen
Durchrasterspiegel, der auf einer im wesentlichen rechtwinklig zur
gegebenen Achse stehenden Drehachse angebracht ist und dessen
Ebene die Drehachse im wesentlichen enthält, und eine
optische Vorrichtung entweder als Lichtquelle oder als
lichtempfindlicher Empfänger aufweist, die im wesentlichen in der
die gegebene Achse enthaltenden Ebene und rechtwinklig zur
genannten Drehachse angeordnet ist, welche Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine erste
Einstelleinrichtung für die optische Vorrichtung aufweist, um den
Neigungswinkel des Lichtstrahls in Bezug auf eine
vorgegebene Ebene einzustellen, die durch die gegebene Achse geht und
im wesentlichen rechtwinklig zur Spiegeldrehachse steht, und
eine zweite Einstelleinrichtung aufweist, um die Neigung der
Spiegeldrehachse in Bezug auf die vorgegebene Ebene
einzustellen.
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Es ist erkennbar, daß die erste und die zweite Einstellung
in erster Näherung Korrekturen betreffen, die in bezug auf
den vorstehend genannten ersten und zweiten Mangel
auszuführen sind.
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Nun haben die Anmelder festgestellt, daß, in überraschender
Weise, diese zwei Einstellungen, insbesondere die zweite, es
für sich alleine erlauben, den dritten Mangel beinahe
vollständig zu beheben, d.h. denjenigen, der mit dem Aufkleben
des Spiegels auf seiner Rotationsachse verbunden ist.
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Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weist die
erste Einstelleinrichtung eine erste schwenkbare Struktur
mit um die gegebene Achse einstellbarer Neigung auf, wobei
die optische Vorrichtung auf dieser ersten schwenkbaren
Struktur angebracht ist.
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Auch weist bei einer speziellen Ausführungsform der
Erfindung die zweite Einstelleinrichtung eine zweite schwenkbare
Struktur auf, die um eine im wesentlichen in der
vorgegebenen Ebene liegende Einstellachse schwenkbar ist, wobei die
Spiegeldrehachse auf dieser zweiten schwenkbaren Struktur
angebracht ist.
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Spezieller kann diese Einstellachse im wesentlichen
rechtwinklig auf der vorgegebenen Achse stehen.
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Es wird nun beispielhaft und nicht beschränkend ein
spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf
die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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- die Fig. 1A, 2A und 3A jeweils einen der drei vorstehend
genannten Mängel der Vorrichtungen aus dem Stand der Technik
veranschaulichen;
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- die Fig. 1B, 2B und 3B das Ergebnis jeder dieser drei
Mängel auf einem Schirm zeigen, der in einer bestimmten
Entfernung von der Vorrichtung parallel zur vorgegebenen Achse
und der Drehachse des Spiegels angeordnet ist;
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- Fig. 4 eine teilgeschnitte Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist; und
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- Fig. 5 eine ebenfalls teilgeschnitte Draufsicht ist.
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In den Fig. 1A, 2A und 3A sind die folgenden Bezugszeichen
verwendet:
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- M: Ablenkspiegel;
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- MXYZ: ein Bezugsachsenkreuz mit drei rechten Winkeln, das
der Vorrichtung so zugeordnet ist, daß MX die vorgegebene
Achse ist, parallel zu der die Ablenkung bewirkt werden
soll, die Ebene XMY die theoretische Ablenkebene ist und MZ
die theoretische Rotationsachse des Spiegels ist;
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- IM: einfallender Strahl;
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- MR: reflektierter Strahl;
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- MN: Normale auf dem Spiegel;
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- IM: Projektion, gegebenenfalls, des einfallenden Strahls
IM auf die Ebene XMY;
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- Mr: Projektion, gegebenenfalls, des reflektierten Strahls
MR auf die Ebene XMY;
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- Mn: Projektion, gegebenenfalls, der Normale des Spiegels
MN auf die Ebene XMY;
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- Φ: Azimutwinkel des einfallenden Strahls IM;
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- α: Komplementärwinkel zum Azimutwinkel des reflektierten
Strahls MN;
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- n: Winkel zwischen dem einfallenden Strahl IM (oder seiner
Projektion IM) und der Normalen auf dem Spiegel MN (oder
deren Projektion Mn);
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- i: Winkel am Ort des einfallenden Strahls IM in bezug auf
die Ebene XMY;
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- j: Winkel, der zwischen der Normalen auf dem Spiegel Mn
und der Ebene XMY besteht;
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- Θ: Winkel, der von der Rotationsachse des Spiegels in der
Ebene XMZ zur Achse MZ gebildet wird.
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Fig. 1 veranschaulicht den ersten möglichen Mangel, d.h.
einen Einfallswinkel i ungleich null des einfallenden Strahls
IM in bezug auf die ebene XMY. Der sich ergebende Fehler ist
ein Störwinkel r&sub1; für den Ort des reflektierten Strahls MR.
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Fig. 2A veranschaulicht den zweiten Mangel, d.h. einen
Winkel j ungleich null zwischen der Ebene des Spiegels und
dessen Rotationsachse (durch die Klebung verursachter Mangel).
Der sich ergebende Fehler ist ein Störwinkel r&sub2; für den Ort
des reflektierten Strahls MR.
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Fig. 3A veranschaulicht den dritten Mangel, d.h. einen
Winkel Θ ungleich null zwischen der Rotationsachse des Spiegels
und der Achse MZ. Der sich ergebende Fehler ist ein
Störwinkel r&sub3; für den Ort des reflektierten Strahls MR.
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Die Fig. 1B, 2B, 3B zeigen Kurven, denen ein Lichtfleck
folgt, der davon herrührt, daß der reflektierte Strahl MR
einen rechtwinklig zur Achse MY stehenden Schirm schneidet,
der in einer bestimmten Entfernung vom Spiegel M aufgestellt
ist, d.h., denen die Spur des reflektierten Strahls MR in
der Ebene dieses Schirms folgt, wenn sich der Spiegel um
seine Rotationsachse dreht, d.h., wenn sich α ändert. Die
Achse OH ist die in der Ebene YMZ enthaltene Schirmachse.
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Die Kurve 10a in Fig. 1B veranschaulicht den Mangel in der
Ebenheit der Durchrasterung herrührend von einem Winkel i
ungleich null, wenn sich der Winkel α (entsprechend Θ +
2n -90 º) ändert. Es läßt sich zeigen, daß diese Kurve eine
Hyperbel ist, deren Achse vertikal steht und in der Ebene YMZ
liegt.
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Die Kurve 10b i Fig. 2B veranschaulicht den Mangel der
Ebenheit aufgrund eines Winkels j ungleich null, wenn sich der
Winkel α ändert. Es läßt sich zeigen, daß diese Kurve ein
sinusförmiger Bogen ist, der seinen Maximalwert für n = 0
erreicht, d.h. ein Bogen, der für normale Werte des Winkels
n "geneigt" ist.
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Schließlich veranschaulicht die Kurve 10c der Fig. 3B den
Mangel der Ebenheit, der von einem Winkel Θ ungleich null
herrührt. Es läßt sich zeigen, daß diese Kurve eine Hyperbel
ist, deren Achse unter dem Winkel E gegen die Ebene XMZ
geneigt ist.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die Winkel
i und Θ auf einen beliebigen unbestimmten Wert einstellbar
gemacht sind, anstatt daß versucht wird, sie durch den
Aufbau der Vorrichtung auf einen festen Wert zu verringern, der
so dicht wie möglich bei null liegt.
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Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte erfindungsgemäße
Vorrichtung weist ein Gestell 20 aus einem Sockel 21 und einem
hochstehenden Schenkel 22 auf.
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Der Sockel 21 nimmt mit nichtdargestellten Lagern die
Drehachsen 23 einer Schwenkstruktur 24 auf, die im vorliegenden
Fall in Form eines Rohrs mit quadratischen Querschnitt
gebildet wird. Die Achse 30 der Lager steht im wesentlichen
parallel zur vorgegebenen Achse, parallel zu der die
Ablenkung ausgeführt werden soll.
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Eine Einstellschraube 25, die mit einem Gewinde
zusammenwirkt, das in einem mit dem Sockel 21 festverbundenen Träger
26 angebracht ist, erlaubt es, den Neigungswinkel der
Struktur 24 um die Achsen 23 einzustellen.
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Der Schenkel 22 nimmt an einem Träger 27 eine zweite
Struktur 28 auf, die um eine Achse 29 schwenkbar ist, die im
wesentlichen koplanar ist und rechtwinklig zur Achse 30 der
Lagerachsen 23 steht.
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Die Schwenkstruktur 28 nimmt die Drehachse 21 eines Spiegels
32 auf, der durch ein (nicht dargestelltes) Galvanometer in
Drehung versetzt werden kann, das ebenfalls an der Struktur
28 angebracht ist.
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Der Neigungswinkel der Struktur 28 um die Achse 29 kann mit
Hilfe einer Regelschraube 23 eingestellt werden, die
Anschläge bildet, die an mit dem Sockel 21 fest verbundenen
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Bauteilen 34 angebracht sind, und die mit einer Verlängerung
35 der Schwenkstruktur 28 zusammenwirken.
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Die Rotationsachse 31 ist durch einen Mittelwert der
Einstellschraube 33 im wesentlichen rechtwinklig zur Achse 30
eingestellt.
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Eine Laserlichtquelle 36 ist im Rohr 24 angebracht, und zwar
durch einen Mittelwert der Einstellschrauben 25 und 33 im
wesentlichen in der durch die Achse 30 gehenden Ebene und
rechtwinklig zur Rotationsachse 31 des Spiegels. Ein im Rohr
ausgebildetes Fenster 37 erlaubt es, den Spiegel 32 durch
diese Lichtquelle zu beleuchten.
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Wenn sich der Spiegel 32 unter der Wirkung des Galvanometers
verdreht, wird der von der aus einer Diode 36 bestehenden
Laserlichtquelle emittierte Lichtstrahl 38 an einem Ort 39
auf dem Spiegel 32 reflektiert und erfährt eine Ablenkung
zwischen zwei Feldgrenzen 40 und 41. Diese Ablenkung findet
ungefährt in einer Ebene parallel zur Achse 30 statt,
vorbehaltlich einer geeigneten Einstellung über die Schrauben und
33.
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In der Achse 30 ist in etwa die Achse MX der Fig. 1A, 2A und
3A erkennbar, und in der Achse 29 in etwa die Achse MY. Die
Achse 31 wird nur ungefähr mit der Achse MX zur
Übereinstimmung gebracht, und zwar durch einen durch Einstellen der
Schraube 33 gegebenen Wert.
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Jedoch ist der wesentliche Unterschied zu dem zuvor
beschriebenen der, die Drehwinkel der Strukturen 24 und 28 um
die Achsen 29 und 30 keine Fehler sind, wie es die Winkel i
und Θ in den Fig. 1A und 3A waren, sondern daß es
Einstellwerte für die Vorrichtung sind.
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Es ist auch zu erkennen, daß keinerlei Bezugsgröße oder
Nullwert für die Drehwinkel existiert, die nur durch ihre
Änderungen in der einen oder anderen Richtung festgelegt
werden. Die Relativpositionierungen der Achsen 29 und 30,
die alleine einen Bezug bilden können, ist tatsächlich viel
zu grob für die gewünschte Genauigkeit.
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Die Einstellung erfolgt durch schrittweise Annäherung unter
Verwendung eines Lineals, das in einer bestimmten Entfernung
von der Vorrichtung parallel zur Achse 30 angeordnet ist,
und auf dem ein in zwei Richtungen messender Aufnehmer
angeordnet ist, der dem Lineal entlang verschiebbar ist. Der
Aufnehmer erlaubt es, an verschiedenen Punkten des Lineals
die Höhe des Strahls über und unter der durch die Achsen 29
und 30 festgelegten Ebene zu messen.
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Die folgenden Tabellen 1 bis 4 zeigen die
Simulationsergebnisse für eine solche Einstellung.
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Für diese Simulation wurde angenommen, daß der Fehler
aufgrund der Verklebung des Spiegels auf der Achse, d.h. der
Winkel j 25 Bogenminuten ist, der Winkel Φ, d.h. der Winkel
zwischen dem Strahl 38 und der Achse 30, 45 ist und daß
das vorstehend genannte Lineal in einer Entfernung von D =
4,60 m von der Achse 30 entfernt ist.
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Es wurde angenommen, daß der Bereich für die Ablenkung
zwischen +15 º und -35 º liegt, d.h., daß die Grenzen 40 und
41 zur Achse 29 Winkel von 15 º bzw. 35 º bilden.
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Diese Tabellen geben aufeinanderfolgend für verschiedene
Werte des Winkels in Grad folgendes an:
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- n entsprechende Werte in Grad und Radian;
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- Werte für die Winkel r&sub1;, r&sub2; und r&sub3; in Milliradian;
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- den Wert der Summe r&sub1; + r&sub2; + r&sub3; in Milliradian;
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- die Höhe rD/cos α des Lichtstrahls über dem Lineal in
Millimeter;
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- die entsprechende Höhe r&sub0;D/cos α nach der Umdrehung der
Vorrichtung um die Achse 30, um diese Höhe in der Mitte des
Feldes auf null zu stellen, in Mikrometer;
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- und den Wert des Winkels r&sub0;, wie er für den Fehler im
ebenen Verlauf des Strahls charakteristisch ist, in
Bogensekunden.
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Es wurde willkürlich angenommen, daß die Ausgangswinkel i
und Θ den Wert null aufweisen, so daß in Tabelle 1 die
Winkel r&sub1; und r&sub3; ebenfalls den Wert null einnehmen.
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Aus dieser Tabelle 1 ist erkennbar, daß der Klebefehler des
Spiegels einen sehr wesentlichen Fehler des ebenen Verlaufs
zur Folge hat, da sich nämlich der Lichtstrahl an einem der
Enden des Felds um -108,42 Bogensekunden von seinem als
Bezugswert verwendeten Mittelwert entfernt, und am anderen
Ende des Felds um +609,30 Bogensekunden entfernt, was mehr als
2 Zentimetern Höhenabstand auf Höhe des Lineals entspricht.
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Die Tabelle 5 zeigt, nach welchen Parametern auf i oder Θ
einzuwirken ist, und in welcher Richtung, als Funktion der
Richtung des Fehlers an jedem Ende des Felds, nachdem der
Fehler in der Mitte des Felds auf null gestellt wurde.
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Im Fall der Tabelle 1 ändert sich r&sub0; von einem negativen auf
einen positiven Wert in solcher Weise, daß eine negative
Korrektur für den Winkel Θ vorzunehmen ist.
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Es wurde demgemäß für Θ eine Korrektur von -10 Bogenminuten
ausgeführt.
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Es ist bereits aus Tabelle 2 erkennbar, daß daraus eine
Nettoverbesserung des ebenen Verlaufs resultiert, da sich der
Strahl nicht mehr um mehr als 280,13 Bogensekunden von
seinem Mittel- oder Medianwert entfernt, was einer Höhe von
weniger als 8 Millimetern auf Höhe des Lineals entspricht.
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Da sich r&sub0; in diesem Fall von einem positiven auf einen
negativen Wert ändert, zeigt die Tabelle 5, daß für den Winkel
i eine positive Korrektur vorzunehmen ist.
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Tabelle 3 zeigt das Ergebnis, wie es bei einer Korrektur des
Winkels i von +28 Bogenminuten erhalten wurde.
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Der Fehler in der Ebenheit liegt jetzt nur noch in der
Größenordnung von 13 Bogensekunden, was auf Höhe des Lineals
etwa 300 Mikrometer sind.
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Da sich r&sub0; jetzt von einem positiven auf einen negativen
Wert ändert, gibt Tabelle 5 an, daß es erforderlich ist,
eine Positive Korrektur von Θ vorzunehmen.
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Die folgenden Stadien sind nicht veranschaulicht, jedoch
zeigt Tabelle 4 das Endergebnis mit einer positiven
Korrektur von 28,80 Bogenminuten für den Winkel i und einer
negativen Korrektur von 9,64 Bogenminuten für den Winkel Θ an.
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Der Winkelfehler liegt nur noch in der Größenordnung von
2 Bogensekunden oder etwa 50 Mikrometer auf Höhe des
Lineals.
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Diese Simulation zeigt, daß es demgemäß Dank der Erfindung
möglich ist, den Fehler im ebenen Verlauf auf einen Fehler
in der Größenordnung einiger Bogensekunden zurückzuführen,
trotz eines Fehlers beim Aufkleben des Spiegels von 25
Bogenminuten.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Korrektur von i