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Ablesevorriditung für photoelektrische Mikroskope
Es sind photoelektrische
Mikroskope bekannt, welche die Lage eines Objekts, auf dem sich die Striche einer
Teilung befinden, zu messen gestatten bzw. die Lage der Striche einer Teilung selbst.
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Die bekannten Mikroskope enthalten ein Objektiv, das auf ein Gitter
oder einen mit mindestens einem Schlitz versehenen Schirm das Bild einer Teilung
projiziert; weiterhin einen Lichtdurchlaß, der dem Strahlenbündel des Ohjektivs
eine Schwingbewegung erteilt, derart, daß das Bild eine ständige Hinundherbewegung
relativ zu den lichtdurchlässigen Spalten des Gitters ausführt, wobei eine hinter
diesem Gitter angeordnete Photozelle. die diese Spalte durchsetzenden Lichtstrahlen
auffängt. Endlich sind die Mikroskope noch mit einem Beobachtungsorgan versehen,
das von den elektrischen Impulsen betätigt wird, welche durch die von der Photozelle
aufgenommene wechselnden Lichtmenge erzeugt werden, wobei dieses Beobachtungsorgan
die Stellung anzeigt, um die es sich hei der AIessung handelt.
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Bei den bekannten Meßanlagen beruht dieses Beobachtungs- oder Ablesegerät
auf dem Prinzip des Stroboskops, wobei das Gerät eine sich drehende Scheibe aufweist,
die eine Strichteilung trägt, welche durch kurze Lichtblitze sichtbar gemacht wird,
wobei die Lichtblitze wiederum durch von der Photozelle des Mikroskops abgegehene
elektrische Impulse gesteuert werden. Die auf der sich drehenden Sclleii)e gezeichnete
Teilung erscheint sos als würde
sie im Rast. sUllstellen,.wobei-
ihre augenblickliche Lage in bezug auf einen festen Anzeiger vom Auge beobachtet
wird.
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Bei einem solchen Beobachfiúrxgsgerät ist die Vergrößerung durch
das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Teilung zu der linearen
Geschwindigkeit der Verschiebung des Bildes. auf dem Gitter des Mikroskops begrenzt.
Da die Drehbewegung der rotierenden Teilung mit der dem Bild des Lichtdurchlasses
erteilten Schwingbewegung in Synchronismus stehen muß, ist demnach die Vergrößerung
eine Funktion des Durchmessers der rotierenden Teilung.
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Infolgedessen sind sehr große Vergrößerungen nicht zu verwirklichen,
da in diesem Fall einerseits die rotierende Teilung einen äußerst großen Durchmesser
aufweisen miißte und andererseits die durch eine Entladungslampe ausgesandten Lichtblitze
nicht so kurz sein könnten, um eine solche, mit einer sehr großen Umfangsgeschwindigkeit
sich drehende Teilung zum Stillstand im Raum zu bringen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ablesevorrichtung
für ein photoelektrisches Mikroskop, welche die vorerwähnten Nachteile vermeidet.
E)i<; i4bleseverricktung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein elektrisches
Meßinstrument aufweist, das mit einer Stromquelle unter Zwischenschaltung eines
I Tmschalters verbunden ist.
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Der Umschalter wird von einer Steuereinrichtung l)etätigt, welche
auf Stromimpulse anspricht, die von der Photozelle herrühren und die bei jedem Durchgang
des Bildes einer Strichteilung vor einem Spalt des Gitters des Mikroskops eine Umkehr
der Stromrichtung in dein Meßinstrument hervorrufen.
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Unter der Voraussetzung, daß die Spannung der Stromquelle auf einem
konstanten Wert bleibt, nimmt dann der bewegliche Teil des Meßinstruments eine Zwischenstellung
ein, die eine Funktion der Differenz der Dauer der Stromflüsse in der einen und
anderen Richtung durch das Meßinstrument ist Die Zeichnung zeigt schematisch und
beispielsweise eine Ausführungsform der Ablesevorrichtung gemäß der Erfindung, welche
an ein photoelektrisches Mikroskop bekannter Bauart angeschlossen ist.
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Fig. I zeigt das generelle elektrische Schema der Anlage, welche
ein photoelektrisches Mikroskop, das mit der Ablesevorrichtung versehen ist, aufweist.
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Fig. 2 zeigt das elektrische Schaltschema einer Ausführungsform des
Umschalters.
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Fig. 3 a und 3b sind Diagramme, welche graphisch die Wirkungsweise
zeigen.
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In Fig. 1 ist das photoelektrische Mikroskop bekannter Bauart nùr.zu
dem Zweck dargestellt, um die Wirkungsweise' der Ablesevorrichtung -verständlich
zu machen.
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Das photoelektrische Mikroskop weist ein Objektiv I auf, das das
Bild einer Teilung 2 auf ein Gitter 4 oder einen mit mindestens einem Spalt versehenen
Schirm- wiift.'Dieses Bild wird durch die Wirkung eines Lichtdurchlasses relativ
zu den Schlitzen des Gitters in Schwingungen versetzt.
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Der Lichtdurchlaß besteht aus einer Glasplatte 3, die mit einer Spule
6 starr verl>unden ist, welche letztere von einem Wechselstrom durchflossen w
i rd.
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Die Spule 6 ist unter Zwischenschaltung elastischer Teile in einem
Rahmen schwenkbar niid liegt in dem Feld eines LIagneten 7. Auf diese Weise erteilt
der die Spule durchfließende Strom dieser eine Schwingbewegung, deren Frequenz die
des Netzes ist. Die Lichtstrahlen, welche von dem Objektiv 1 ausgehen, werden von
der Glasplatte 3, deren Winkelstellung ständig in bezug auf die optische Achse des
Systems veränderlich ist, gebrochen. Infolgedessen schwingt das Bild der Strichteilung
2 in der Ebene des Gitters 4 und bewegt sich über das letztere hin und her.
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Die Anordnung des Gitters 4 ist so getroffen, daß, wenn ein Strich
der Teilung 2 sich in der optischen Achseo des Mikroskops befindet und die Glasplatte
3 des Lichtdurchlasses senkrecht zu dieser optischen Achse steht, die Stellung seiner
Spalte deren des Bildes der Strichteilung 2 entspricht. Infolge der Wirkung des
Lichtdurchlasses überstreicht das Bild der Teilung 2 symmetrisch nach beiden Seiten
das Gitter 4 bzw. seine Spalte.
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Eine Photozelle 5, welche hinter dem Gitter 4 angeordnet ist, fängt
die Lichtstrahlen, welche die Spalte durchsetzen, auf. Diese Zelle 5 erzeugt elektrische
Stromimpulse, wenn die aufgenommene Lichtmenge einem Wechsel unterliegt, das heißt
also, wenn im Verlauf der Hinundherbewegung das Bild der Strichteilung 2 über die
Spalte des Gitters 4 wandert. Unabhängig davon, ob die Striche der Teilung in Schwarz
auf einem reflektierenden Grund oder in Hell auf einem dunklen Grund erscheinen,
ruft der Durchtritt des Bildes dieser Striche durch die Spalte immer einen Wechsel
der sie durchquerenden Lichtmenge hervor und infolgedessen das Aussenden von Stromimpulsen
durch die Photozelle 5.
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Diese Stromimpulse nehmen zu und ab, d. h. die Intensität des Stromes
nimmt allmählich zu, um ein Maximum zu erreichen und nimmt dann bis auf den Wert
o allmählich als Ein elektronischer Röhrenverstärker 10 bekannter Bauart verstärkt
diese Stromitnpulse, welche dann durch ein Schaltrelais ii bekannter Bauart in Impulse
äußerst kurzer Dauer umgewandelt werden.
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Alle im vorausgehenden erwähnten Organe und Teile werden, da sie
bekannt sind und bei photoelektrischen M ikroskopen ständig gebraucht werden, hier
nicht im einzelheit heschrieben.
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Die Ablesevorrichtung enthält wenigstens eine Umschaltanordnung 12,
welche syml>olisch in Fig. I dargestellt ist und welche mit einem von dem Relais
1 1 gebildeten Steuergerät in Verbindung steht und ein Meßinstrument I3, welches
über diese Umschaltanordnung 12 von einer Gleichstromquelle I8 gespeist wird.
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Nach einer abgeänderten .Ausführungsform kann man gegebenenfalls
zwischen der Ltmschaltanord-
nung I2 und dem Alel;3instrument I3
ein elektrisches Filter 14 zwischenschalten, das beispielsweise aus einer oder mehreren
in Reihe mit dem Mellinstrument geschalteten Sell)stinduktionen oder aus einem parallel
zu dem Meßinstrument geschalteten Kondensator oder auch aus einer Kombination von
Selbstinduktionen und Kondensatoren bestehen kann. Ein solches Filter 14 erlaubt
die Stromstöße, die durch das Umschalten hervorgerufen werden und die sich auf Grund
der Wirkungsweise der Umschaltanordnung 12 ergeben, herahzumindern.
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L)ie Fig. 2 zeigt beispielsweise eine Ausführungsform der Umschaltanordnung
12. Bei diesem Beispiel ist der Umschalter ein elektronischer, aher es ist klar,
daß dieser durch einen elektromechanischen Umschalter ersetzt werden kann oder durch
eine andere Umschaltanordnung, welche eine plötzliche Umkehr der Stromrichtung des
das Meßinstrument durchfließenden Stromes erlaubt und dessen Arbeiten durch eine
Steuereinrichtung betätigt werden kann, welche auf die von der Photozelle 5 ausgehenden
elektrischen Impulse anspricht.
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Die in Fig. 2 dargestellte Umschaltanordnung weist zwei Stromtorröhren
16 a und I6 b auf, deren Gitter ga, gh unter Zwischenschaltung von Widerständen
I 5 a und 15b mit den Enden der Sekundärwicklung 20 eines Transformators T verhunden
sind. Die Primärwicklung 2I des Transformators T ist mit dem Netz 8 verbunden, das
auch den Lichtdurchlaß 6 mit Strom versorgt.
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I)ie Sekundärwicklung 2p weist eine Mittelanzapfung >n auf, die
mit dem Relais 1 1 verbunden ist.
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Die Anode pb der Röhre I6 b ist mit der Klemme e des Meßinstruments
I3 verbunden, während die Anode pa der Röhre I6 a an der Klemme r des Meßinstruments
liegt.
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Die Anoden pb und pa sind untereinander über einen Kondensator 17
verlninden und liegen am positiven Pol einer Stromquelle 18 von konstanter Spannung
unter Zwischenschaltung voll gleichwertigen Widerständen 19 h und 19 a. Der negative
Pol dieser Stromquelle IX liegt unter Zwischenschaltung der beiden zueinander parallel
geschalteten Kathoden ta und th der heiden Röhren an Masse.
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Die Wirkungsweise der in Verbindung mit Fig. 2 der Zeichnung beschriebenen
Umschaltanordnung ist die folgende: Der Transformator T wird von dem Netz 8 gespeist,
das auch die Spule 6 des Lichtdurchlasses mit Strom versorgt. Infolgedessen entstehen
durch den Transformator an den Gittern ga und gb Wechselspannungen, welche in Phase
mit der periodischen Schwingbewegung des Lichtdurchlasses stehen. In jedem Augenblick
haben die an den Gittern ga und gb hervorgerufenen Spannungen entgegengesetztes
Vorzeichen.
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Der ständige Polarisationswechsel an den Gittern ga und gb ist somit
an die Bewegungsrichtung des Lichtdurchlasses und infolgedessen an die Richtung
der Scbwingl>ewegung des Bildes der Stricbteiluiig über deni Gitter gebuilden.
Dies bestimmt die Richtung der Auslenkung des Zeigers des Meßinstruments in bezug
auf eine Stellungsänderung der von dem Mikroskop gesehenen Teilung.
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Im Augenblick des Ingangsetzens der Apparatur sind die beiden Stromtorröhren
gelöscht, wobei das Gitter der einen Röhre eine positive und das Gitter der anderen
Röhre eine negative Spannung aufweist. Der erste Impuls, der von dem Relais 1 1
abgegeben wird, wirkt auf die beiden Gitter ga und gb gleichzeitig ein, aber es
ist klar, daß das Gitter, das schon durch den Transformator T auf eine positive
Spannung gebracht wurde, früher als das andere die Zündspannung erreicht. Beispielsweise
zündet die Stromtorröhre I6a an, so tritt sofort ein Spannungsabfall an den Klemmen
des Widerstandes Liga, und im Punkt A herrscht dann eine wesentlich kleinere Spannung
als im Punkt B.
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Infolgedessen lädt sich der Kondensator 17 über den Widerstand 19
b auf. Der Stromkreis des Meßinstruments I3 stellt einen wesentlich höhere Widerstand
als der Widerstand 19 h dar, so daß also der durch das Meßinstrument I3 fließende
Ladestrom des Kondensators 17 vernachlässigt werden kann. Die Ladung des Kondensators
17 ruft augenblicklich an den Klemmen des Widerstands 19b einen Spannungsabfall
von einer Größe hervor, die genügt, um die Spannung der Anode ph der Stromtorröhre
I6b auf einen solch geringen Wert zu bringen, daß ein Ansprechen verhindert wird.
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Nlit zunehmender Aufladung des Kondensators 17 gelangt die Anode
pb praktisch auf die Spannung der Stromquelle I8, da der Strom, der durch den Widerstand
Igb und durch das Meßinstrument fließt, nur gering ist. Der von dem Relais ii ausgehende
Impuls ist jedoch von genügend kurzer Dauer, um schon verschwunden zu sein, wenn
die Anode pb die Zündspannung der Stromtorröhre 16b erreicht. So bleibt letzteres
gelöscht, während die Stromtorröhre I6a in Betrieb bleibt, so daß ein kontinuierlicher
Strom konstanter Spannung, hervorgerufen durch die Quelle I8, in dem Kreis fließt,
der durch den Widerstand High, das AIeßinstrument I3, die Anode pa und die Kathode
ta der Stromtorröhre I6a gebildet wird. Man stellt fest, daß in diesem Fall die
Klemme e des Instruments I3 über den Widerstand Igb an dem positiven Pol der Stromquelle
I8 liegt.
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Wenn im Verlaufe der folgenden Halbperiode des Wechselstroms des
Netzes 8 die Spule 6 des Lichtdurchlasses nach der entgegengesetzten Seite ausschlägt
und das Bild der Strichteilung 2 nochinals vor den Spalten des Gitters 4 vorl)eikommt
und eine Änderung der von der Photozelle aufgenommenen Lichtmenge hervorruft, wodurch
ein elektrischer, das Relais 1 1 betätigender Impuls entsteht, wird der zweite kurze
elektrische Impuls voll dem Relais 11 zu einem Zeitmoment abgegeben, bei dem die
Schaltanordnung I2 sich unter den folgenden Bedingungen befindet: I. Die Stromtorröhre
I6a ist noch'in Betrieb, so daß die Spanntlg ihrer Anode pa dem Potential der Quelle
i8
entspricht, vermindert zwar um den Wert des Spannungsabfalls
an dem Widerstand Iga, da dieser noch von einem Strom durchflossen wird; 2. das
Gitter ga der Stromtorröhre I6 a ist auf einer negativen Spannung gehalten und das
der Röhre I6b auf einer positiven Spannung; 3. der Kondensator I7 ist so geladen,
daß der Punkt B auf einer höheren Spannung als der Punkt A liegt.
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Alles ist also vorbereitet, um bei einer Erhöhung der Spannung des
Gitters gb, hervorgerufen durch den zweiten von dem Relais ausgehenden Impuls, die
Röhre I6b zu zünden. In diesem Augenblick bewirkt der Spannungsabfall an dem Widerstand
Igb, der durch den hindurchfließenden Strom hervorgerufen wird, ein plötzliches
Absinken der Spannung am Punkt B, und zwar auf einen Wert, der dem am Punkt A herrschenden
Momentanwert entspricht. Aber der Kondensator I7, der so geladen war, daß B positiv
und A negativ waren, überträgt plötzlich, und zwar vor seiner Entladung, auf Punkt
A die Ableitung der Spannungsänderung im Punkt B, dies stellt ein Impuls von negativem
Vorzeichen dar, welcher auf die Anode pa der Röhre I6a einwirkt. Nun war die der
Anode pa abgegebene Spannung knapp genügend, um die Röhre I6a in Betrieb zu halten,
so daß diese Spannung unter der Einwirkung dieses negativen Spannungsstoßes auf
eine so geringe Spannung absinkt, daß die Röhre s6a erlischt. Da nun der Widerstand
Iga nicht mehr von einem Strom durchflossen wird, erholt sich die Spannung im Punkt
A und erreicht praktisch den Wert der Spannung der Quelle I8. Daraus geht hervor,
daß der Punkt A auf ein höheres Potential als der Punkt B gehalten wird. Infolgedessen
lädt sich der Kondensator I7 im umgekehrten Sinn wie bei der vorausgehenden Phasenlage
auf. Die Röhre I6b ist in Betrieb, und der von der Quelle I8 erzeugte Strom fließt
durch den Widerstand Iga, das Instrument 13 und durch das Rohr I6b. Das Meßinstrument
wird demnach von diesem kontinuierlichen Strom mit konstanter Spannung durchflossen,
seine Klemme r liegt damit an dem positiven Pol der Quelle 18. Bei jeder neuen Änderung
der von der Photozelle 5 aufgenommenen Lichtmenge wiederholt sich derselbe Wechsel,
so daß die von dem Relais 11 ausgehenden Impulse ständig und abwechselnd die beiden
Röhren 16a und i6b zum Ansprechen bringen, was jedesmal eine plötzliche Umkehr der
Richtung des durch das Meßinstrument fließenden Stromes hervorruft.
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In den Fig. 3a und 3b ist der von dem Bild der Teilung 2 relativ
zu den Spalten des Gitters bei dessen Hinundherbewegung durchlaufene Weg aufgetragen.
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Der durchlaufene Weg soll im wesentlichen sinusförmig sein, da er
das Ergebnis einer periodischen Schwingbewegung ist. Die Maximalamplitude der Hinundherbewegung
sei L. Die Zeit ist als Abzisse aufgetragen, und die'einzelnen Punkte der Sinuskurve
geben zu jeder Zeit die relative Lage des Bildes der Striche in bezug auf die Spalte
des Gitters wieder. Einer der Spalte befindet sich definitionsgemäß in der optischen
Achse 0, das ist also die Lage in der graphischen Darstellung, die dem Schnittpunkt
F der Sinuskurve mit der optisehen Achse O entspricht; das ist auch die Stellung,
bei der die elektrischen Impulse von der Photozelle ausgesaiidt werden, die dann
unter Zwischenschaltung des relais 1 1 das Ansprechen des Umschalters I2 hzxv. das
Öffnen und Schließen der zwei vorerwähnten Stromkreise mit gleicher. aber entgegengesetzter
Spannung V bewirken.
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Wenn einer der Striche der Teilung 2 sich in der optischen Achse O
l)ehndet, liegen die Schnittpunkte F, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist, auf der
Mittelachse M der Sinuskurve.
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Die Zeiten T1 und T2 sind hier untereinander gleich, das Meßinstrument
empfängt nacheinander und abwechselnd elektrische Landungen C, und C, welche untereinander
gleich sind, da die beiden Stromkreise identische Charakteristiken aufweisen und
da sie definitionsgemäß laeide mit gleichen Spannungen gespeist sind.
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Infolgedessen wird der Zeiger des Meßinstruments durch gleichwertige
Ladungen Ct und C2 gemäß Fig. 3 a nach entgegengesetzten Richtungen gelenkt, wobei
diese Ladungen mit der Frequenz des Netzes 8 aufeinanderfolgen. Infolge seiner eigenen
Trägheit kann dieser Zeiger der Wirkung der einzelnen Ladungen nicht folgen und
nimmt infolgedessen eine Zwischenlage an, die bei dem Punkt Null der Skala des Äfeßinstruments
liegt.
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In Fig. 3b sind die optische Achse 0 und die Spalte des Gitters notwendigerweise
in derselben Stellung zueinander geblieben wie in Fig. 3 a. Als Folge einer Lageänderung
der Teilung 2 relativ zur optischen Achse des Photoelektrischen Mikroskops ist jedoch
das von der Hinundherbewegung l>edeckte Gebiet relativ zu der optischen Achse
und den Spalten unsymmetrisch geworden. Die Mittelachse M der Schwingzone ist um
einen Betrag d in bezug auf die Spalte und die optische Achse 0 versetzt.
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Daraus ergibt sich, daß die von der Photozelle 5 ausgehenden Impulse
und die Zeitpunkte desOffnens und Schließens der beiden durch die Umschaltanordnung
12 gesteuerte Stromkreise, in Zeitabständen T3 und T4 von ungleicher Dauer aufeinanderfolgen.
Infolgedessen haben die beiden von entgegengesetzten Vorzeichen elektrischenLadungenC3
und C4 verschieden große \\'erste zueinander. Der Zeiger des Meßinstrumetits, der
durch die Differenz der einander entgegengesetzten und ungleichen Ladungen beeinflußt
wird, nilnmt eine neue Gleichgewichtslage ein, welche mit der gewünschten Vergrößerung
dem resultierenden l adungswert C,-C, entspricht, der eine Funktion der Zeiten T3
und 7'4 ist. Ist die Totalamplitude 1 der l:linundlherbewegung sehr groß relativ
zu der (,rößenordnung der mit der Apparatur zu messenden Längen, so sind die Schnittpunkte
der Sinuskurve mit der optischen Achse 0 nur wenig von der Alittelachse ill der
dargestellten Sinuskurve entfernt, so daß der henutzte Teil dieser mit genügell(ler
Näherung geradlinig ist, wodurch eine ausreicheide Proportional ität
zwischen
der Differenz der Zeiten Ts und T4 und dem Abstand d zwischen der Mittelachse i
der Schwingzone und der optischen Achse 0 besteht.
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Dieser Abstand stellt also, proportional zu der Vergrößerung des Objektivs,
die Lageänderung eines Striches der Teilung 2 in bezug auf seine vorausgehende Lage
dar.
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Als Meßinstrument kann beispielsweise ein Galvanometer, ein Amperemeter
oder irgendein anderes Instrument benutzt werden, das mit starker Vergrößerung die
relative Lage einer Strichteilung in bezug auf die optische Achse eines photoelektrischen
Mikroskops zu messen gestattet.
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PATENTANSPROCHE: 1. Ablesevorrichtung für photoelektrische Mikroskope;
welche ein Objektiv aufweist, das auf einen mit mindestens einem Spalt versehenen
Schirm das Bild einer Teilung wirft und das einen schwingenden Lichtdurchlaß aufweist,
welcher die das Objektiv durchsetzenden Lichtstrahlen in eine periodische Schwingbewegung
versetzt, und wobei eine Photozelle vorgesehen ist, welche den Spalt des Lichtschirmes
durchsetzenden Lichtstrahlen auffängt, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches
Meßinstrument vorgesehen ist, das mit einer Stromquelle unter Zwischenschaltung
eines Umschalters verbunden ist, wobei dieser Umschalter von einer auf die von der
Photozelle ausgehenden Stromimpulse ansprechenden Steuereinrichtung betätigt wird,
die bej jedem Durchgang des Bildes einer Strichteilung vor dem genannten Spalt eine
Umkehrung der Stromrichtung in dem Meßinstrument hervorruft, so daß bei konstanter
Spannung der Stromquelle der bewegliche Teil des Meßinstruments eine Zwischenlage
einnimmt, welche eine Funktion der Differenz der Dauer der das Meßinstrument in
dem einen und dem anderen Sinn durchfließenden Ströme ist.