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Verfahren zur elektronischen Bildaufzeichnung von Figuren beliebiger
Form, beispielsweise eines Flugzeugsymbols
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren
zur elektronischen Bildaufzeichnung von Figuren beliebiger Form, z. B. eines Flugzeugsymbols,
an dem alle für die ordnungsgemäße Durchführung eines Blindfluges bzw. einer Blindlandung
erforderlichen Navigations- und/oder Zustandsgrößen des Flugzeuges durch eine Lagen-
oder Formänderung angezeigt werden können. Zweck der Erfindung ist es, auch noch
so komplizierte Figuren mit möglichst einfachen Mitteln, beispielsweise mit Hilfe
von normalen Kathodenstrahlröhren, darzustellen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, für die Wiedergabe komplizierter
Figuren einen Rasteraufbau mit Fernsehröhren oder eine elektronenmikroskopische
Abbildung vorzunehmen. Ferner ist vorgeschlagen worden, gewünschte Figuren angenähert
durch Lissajousche Figuren, die in mannigfacher Weise kombiniert und mit weiteren
Wechselströmen moduliert werden können, zu ersetzen.Jedoch sind solche Figuren stets
rotationssymmetrisch bzw. weichen nur gering von dieser Symmetrie ab, was sich aus
der Verwendung periodischer Wechselströme ergibt. Außerdem erfordert ihre Darstellung
einen ziemlichen Aufwand.
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Die Erfindung geht einen anderen Weg. Es wird zwar auch von rotationssymmetrischen
Figuren ausgegangen, jedoch werden diese dann von Modu-
lationskurven
beeinflußt, die in überaus einfacher Weise vorgeschrieben werden. Gemäß der Erfindung
wird die Darstellung beliebig ausgebildeter Figuren dadurch erreicht, daß in an
sich bekannter Weise mittels zweier in ihrer Phase um go0 gegeneinander verschobener
Wechselströme, die an ein den Elektronenstrahl beeinflussendes horizontales und
ein vertikales Elektrodenpaar angelegt sind, eine Kreisablenkung des Elektronenstrahls
vorgenommen und durch zusätzliche Modulation an den Ablenkelektroden der Radiusvektor
iiber eine Umdrehung oder einen Teil derselben gemäß den Vorschriften einer entsprechend
der darzustellenden Figur ausgebildeten Matrize verkürzt wird.
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Einige in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele mögen den
Erfindungsgedanken näher erläutern.
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Um ein Flugzeugsymbol nach Fig. I darzustellen, soll in bekannter
Weise ein Kreis oder eine Ellipse in Polarkoordinaten mit dem Elektronenstrahl eines
Braunschen Rohres geschrieben und der Radiusvektor ru... r, über eine Umdrehung
gemäß der Vorschrift einer Matrize verkürzt werden. Eine Anordnung, mit der das
ausgeführt werden kann, ist in Fig. 2 schematisch angegeben. Von einer Wechselstromquelle
I wird eine Wechselspannung einerseits unmittelbar auf das eine Ablenkelektrodenpaar
und andererseits über einen Phasenschieber 2 auf das andere Ablenkelektrodenpaar
eines Braunschen Rohres 3 gegeben. Der Phasenschieber 2 ist so eingestellt, daß
die beidenWechselspannungen in ihrer Phase um go0 gegeneinander verschoben sind
und daher auf dem Schirm des Braunschen Rohres von dem Elektronenstrahl ein Kreis
beschrieben wird. In den Ubertragungsweg dieser Wechselspannungen ist nun noch ein
rotierender Widerstand, dessen Charakteristik entsprechend der darzustellenden Figur
veränderlich ausgebildet ist, eingeschaltet. Er besteht aus zwei gegeneinander isolierten
Kollektoren 4 und 5, deren Lamellen zum Teil aus einem Widerstandsmaterial, z. B.
Graphit, gebildet sind. Die Länge der Widerstandsteile der Lamellen ist verschieden
groß und richtet sich danach, welche Widerstandscharakteristik gerade erforderlich
ist, um die gewünschte Niodulationskurve für die darzustellende Figur zu liefern.
Sie ergeben zusammen eine Kurve, die der Abwicklung der Umrisse der abzubildenden
Figur entspricht. Die Stromzuführung zu den Kollektoren 4 und 5 erfolgt getrennt
über Bürsten 6 und 7, und die Ströme werden ebenfalls über auf dem leitenden Teil
der Kollektoren schleifende Bürsten 8 und 9 abgenommen und den Ablenlielektroden
des Braunschen Rohres 3 zugeführt. Die Kollektoren rotieren synchron mit der Kreisablenkung,
wozu sie von einem Motor 10 angetrieben werden, der aus der Wechselstromquelle I
gespeist wird. Auf diese Weise entsteht aus dem geschriebenen Kreis durch Verkürzung
des Radiusvektors die gewünschte Figur.
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Diese Anordnung kann noch vereinfacht werden, wie in Fig. 3 angedeutet
ist. Es braucht nämlich nur ein Kollektor benutzt zu werden, dem die Spannung über
die Bürste 6 zugeführt wird. An ihm werden jetzt auch beide Spannungen für die Elektrodenpaare
des Braunschen Rohres abgegriffen, indem die beiden Bürsten 8 und g gegeneinander
um go0 versetzt auf ihm schleifen. Hierdurch wird die für dieKreisablenkung erforderliche
Phasenverschiebung hergestellt, und damit ist der hierzu in Fig. 2 verwendete Phasenschieber
2 überflüssig geworden.
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Um den rotierenden Widerstand ganz zu vermeiden, kann auch folgender
Weg zur zusätzlichen Modulation eingeschlagen werden: Man nimmt zunächst die Modulationskurve
der gewünschten Figur auf und führt eine Fourier-Analyse durch.
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Daraus ergibt sich ein Spektrum von Wechselspannungen, aus denen sich
die Modulationskurve zusammensetzt. Bekanntlich besitzt eine Kurve um so mehr Oberschwingungen,
je bizzarer ihre Form ist. Weiter ist es bekannt, daß eine Rechteckkurve die meisten
Oberschwingungen enthält. Man stellt daher aus einer Wechselspannung von sinusförmigem
Verlauf eine solche mit rechteckigem Verlauf her und gibt sie auf eine Siebanordnung,
die nur die durch die vorausgegangene Fourier-Analyse festgestellten Cchwingungen,
aus denen sich die Modulationskurve zusammensetzt, durchläßt. Am Ausgang der Siebanordnung
erhält man dann die gewünschte Modulationskurve, die nun auf die Ablenkelektroden
gegeben wird. In der Praxis kann dies durch eine in Fig. 4 schematisch dargestellte
Anordnung ausgeführt werden. Aus der Wechselstromquelle I wird die sinusförmige
Wechselspannung entnommen, und in einer Verzerreranordnung II bekannter Art werden
Rechteckspannung oder, was in den meisten Fällen genügen wird, Kippspannungen erzeugt,
die ebenfalls sich aus so viel Oberschwingungen zusammensetzen, daß aus ihr alle
die für die darzustellende Figur benötigten Schwingungen entnommen werden können.
Diese Rechteckspannungen werden einem Siebkreis 12 zugeleitet, der so gebaut ist,
daß er nur die Schwingungskomponenten durchläßt, die sich aus der Fourier-Analyse
der gewünschten Modulationskurve ergeben haben. Diese wird dann wieder einerseits
unmittelbar und andererseits über den Phasenschieber 2 auf die Ablenkelektroden
des -Braunschen Rohres 3 gegeben, und man erhält ebenso wie mit der Anordnung nach
Fig. 2 beispielsweise das in Fig. I dargestellte Flugzeugsymbol. Eine angenäherte
Nachahmung der Modulationskurve dürfte in den meisten Fällen zum Ziel führen. Eine
Vereinfachung bei spiegelsymmetrischen Figuren ergibt sich dadurch, daß man die
beiden zur Mittellinie symmetrischen Figuren in karthesischen Koordinaten aufzeichnet,
vorzugsweise mit einer Zweistrahlröhre.
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Bei vielen mit den bisher beschriebenen Anordnungen darzustellenden
Figuren wird man nicht mit einer Periode der Modulationskurve auskommen, sondern
man wird zwei, drei oder mehr verschieden gestaltete Modulationskurven über eine
volle Kreisdrehung verteilen müssen. Weiter kann eine Grundfigur, wie sie an Hand
der Fig. I ge-
schildert wurde, in mannigfacher Weise ausgestaltet
und außerdem gemäß einem Bewegungsvorgang auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
bewegt werden. Es sei z. B. verlangt, daß das Flugzeugsymbol, wie Fig. 5 zeigt,
einen Propeller erhält; es ist dann im intermittierenden Bildwechsel das Flugzeugsymbol
mit der Lissajouschen Figur einer liegenden Acht auf den Schirm des Braunschen Rohres
zu schreiben. Diese Lissajousche Figur erzielt man dadurch, daß an dem einen Elektrodenpaar
eine Wechselspannung mit einer gegenüber der an dem anderen Elektrodenpaar liegenden
doppelten Frequenz gelegt ist. Dabei muß man im Augenblick der Darstellung der Lissajouschen
Figur außerdem noch eine Vorspannung an die Vertikalablenkelektroden von der Größe
geben, daß sie genau an die Nase des Flugzeugsymbols anschließt. Ebenso können alle
möglichen anderen Teile an das Flugzeugsymbol angesetzt werden. Der intermittierende
Bildwechsel erfolgt in bekannter Weise durch rotierende oder elektronische Schalter
oder, wie ebenfalls schon vorgeschlagen, durch Halbwellengleichrichterschalzungen,
die abwechselnd je eine Halbwelle moduliert mit den gewünschten Figuren freigeben.
Statt des Bildwechsels läßt sich vorteilhaft auch eine Mehrstrahlelektronenröhre
verwenden. Die Drehung und Verschiebung des Symbols erfolgt durch Anlegen von Vorspannungen
an die Ablenkelektroden. Hierfür können zusätzliche Elektroden, auch magnetische,
eingeführtuerden. DieMatrizenabtastung erlaubt jedoch noch eine andere Lösung.
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Diirch Phasenverschiebung derKollektorbürsten am Matrizenschalter
4, 5, d. h. durch gemeinsame Parallelverschiebung beider Bürsten 8 und 9 bzw. durch
Phasenversclaiel)ung der elektrischen, durch Fonrier-Analyse ermittelten Modulation
sschaltung kann man die Figur drehen, was z. B. als Kursanzeige verlangt wird. Je
nach Art des verwendeten Kompasses oder Kurskreisels muß der Steuerstrom so umgeformt
werden, daß er die Phasenverschiebung vornehmen kann. Diese Art der Drehung hat
gegenüber der Drehung durch Ablenkspulen an der Kathodenstrahlröhre z. B. den Vorteil,
daß an der Röhre selbst keine Aufbauten vorgenommen werden müssen. Weitere Mittel
der Bildbeeinflussung sind das Ausblenden der Figur an geforderten Stellen.
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Dies erfolgt durch Blinkschaltungen, die von rotierenden Schaltern,
Elektronenschaltern, Gleichrichtern abgelenkt werden können oder durch Äfodulation
des Wehnelt-Zylinders. Bei dentAnordnungen nach Fig. 2 und 3 ergibt sich als weitere
Lösung das Löschen der Figur an der Modulationskurve im Matrizenschalter.
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Durch eine Mehrfachanordnung von solchen rotierenden Kollektoren
mit verschiedenen Modulationskurven bzw. von Siebkreisen mit entsprechenden Durchlaßkanälen
ist es auch möglich, einen Bildwechsel in gewissen Zeitabständen von Hand oder selbsttätig
durchführen zu lassen. Für eine Flugzeuglandung ist z. B. ein Symbol anschaulicher,
das ein Flugzeug von vorn gesehen zeigt und daher das Einziehen des Fahrgestells
erkennen läßt. Das Umschalten vom Symbol der Fig. I, das im Reiseflug verwendet
wird, geschieht automatisch dadurch, daß beim Gaswegnehmen ein Relais betätigt wird,
welches den Kollektor 4 und 5 abschaltet und dafür einen anderen mit der entsprechenden
Modulationskurve für das neue Bild einschaltet. Die Wendegeschwindigkeit eines Flugzeuges
läßt sich am besten an einem perspektivischen Flugzeugsymbol darstellen, weil diese
Anzeige an dem Symbol nach der Fig. I ungünstig wirken würde. Dann kann von dem
Kurvenflugschalter, der ein Zubehörteil der automatischen Flugzeugsteuerung ist,
ein Relais für die Umschaltung der entsprechenden Kollektoren oder Siebe betätigt
werden. Wenn man weiterhin die elektronenoptischen Verzerrungen ausnutzt, wie Trapezfehler,
tonnen- bzw. kegelförmige Verzeichnung usw., kann man in gewissen Fällen zu einer
angenähert perspektivischen Darstellung gelangen.
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Man verfährt praktisch in der Weise, daß man im intermittierenden
Bildwechsel dasselbe Bild einmal unverzerrt und einmal verzerrt wiedergibt.
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Es ist klar, daß man außer dem Flugzeugsymbol alle möglichen anderen
Zeichen auf die geschilderte Weise darstellen kann, so z. B. Schauzeichen in symbolischer
Form, Symbole für Betriebsanlagen, die überwacht werden müssen, wie z. B. Motoren,
Werkzeugmaschinen, Elektrizitätswerke usw., außerdem Firmenzeichen, die in die übrigen
Vorgänge eingeblendet werden sollen. Ein derart vereinfachtes Fernsehverfahren hat
seine besondere Bedeutung für alle Fernsteuerverfahren, die zu überwachen sind;
man denke z. B. an die Fernsteuerung von Flugzeugen, Geschossen, Bomben, Radiosonden
usw. Die hochfrequenzmäßig an eine Kontrollstation übermittelten Werte wurden bisher
durch einzelne Zeigerinstrumente angezeigt. Bei einer großen Zahl von zu beobachtenden
Werten bedeutet es eine wesentliche Vereinfachung, wenn man auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
eine Grundfigur des zu steuernden Aggregats abbildet und seine Betriebswerte durch
Beeinflussung der Figur an den Ablenkelektroden kenntlich macht.
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Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die geschilderten Abbildungsverfahren
auch optisch, z. B. mittels Spiegeloszillographen oder Koordinatenschreibern, durchgeführt
werden können.
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Bei allen zusammengesetzten Bewegungen von Anzeigestrichen und Figuren
besteht die grundsätzliche Schwierigkeit, die zu den einzelnen Bewegungskomponenten
gehörigen Skalen mitzubewegen. Das gilt sowohl für mechanische wie für elektronische
Anzeigegeräte. Bei einfachen Bewegungen bringt man für die elektronischeAnzeige
die Skalen fest auf die Glasscheibe bzw. auf einen Ring, der um den Schirm des Braunschen
Rohres gelegt ist. Kommt aber zu einer Drehung beispielsweise eine Längsverschiebung
(Horizontanzeige), so kann man die Rundskala nicht mehr auf die Drehung beziehen;
das bedeutet, daß man die Skala mitverschieben muß. Da sie ein feststehendes Zahlensystem
ist, wird man sie im intermittierenden Bildwechsel in die Figurendarstellung einblenden.
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Dabei wird die Skala zweckmäßig durch Fernsehraster oder elektronenmikroskopische
Abbildung erzeugt. Für die letztere Art ist eine Zweistrahlröhre günstig, wovon
der eine Strahl die Figur schreibt, der andere nach dem Auflichtprinzip im streifenden
Einfall eine geätzte Flächen skala abtastet. Bei Verwendung eines Einstrahlgerätes
muß der Strahl durch eine zusätzliche Linsenelektrode abwechselnd frei zur Erzeugung
der Figur und ablenkend zur Flächenskala geführt werden. Zweckmäßig wird man in
der Röhre mehrere Flächenskalen anordnen, wodurch man je nach der gewünschten Darstellung
die entsprechende Skala aussuchen kann. Die Auswahl erfolgt in einfacher Weise durch
Drehen des etwas schief gestellten elektronenoptischen Systems. Oftmals wird der
Wunsch bestehen, die Flächenskala selbst zu drehen, z. B. bei der Anzeige einer
Basisverstellung, wie sie beim Kurskreisel vorkommt. Durch magnetische Kupplung
kann von außen dieFlächenskala gedreht werden. Die Anordnung muß natürlich so getroffen
sein, daß sich in ihr die magnetischen Kraftlinien schließen, denn Streulinien würden
auf den Elektronenstrahl einen verzerrenden Einfluß ausüben.
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Die Fig. 6 erläutert schematisch den Aufbau einer derartigen Elektronenstrahlanzeige.
Es bedeutet I3 die Kathode für den Elektronenstrahl der Figurenaufzeichnung und
14 die Kathode für den Elektronenstrahl der elektronenmikroskopischen Skalenabbildung.
An beiden Kathoden wird durch einen Umschalter 15 abwechselnd Spannung zur Erzeugung
des Elektronenstrahls angelegt. I6 ist eine elektromagnetische Linse zur Fokussierung
des von der Kathode 13 kommenden Elektronenstrahls und I7 eine ebensolche für den
von der Kathode 14 kommenden Elektronenstrahl. An sie wird über einen Umschalter
18 Spannung gelegt, der synchron mit dem Schalter 15 betätigt wird.
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Beide Elektronenstrahlen werden auf ihrem weiteren Weg von zwei etwas
schräg gegeneinander gestellten Metallplatten oder noch besser von einem konisch
ausgebildeten, jedoch unterteilten Mantelring 19 eingeschlossen, auf dem die elektronenmikroskopisch
abzubildenden Skalen eingeätzt sind.
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Die Modulation des Elektronenstrahls für die Bildaufzeichnung erfolgt
durch ein horizontales Plattenpaar 20 und ein vertikales Plattenpaar 21. Diese Plattenpaare
sind an die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Anordnungen über Schalter 22 und 23
anschließbar, die synchron mit dem Umschalter 15 derart betätigt werden, daß sie
im Augenblick der Erzeugung des Elektronenstrahls für die Bildaufzeichnung geschlossen
sind. Außerdem liegen an diesen Plattenpaaren dauernd die beispielsweise von einem
Horizont gesteuerten Gleichspannungen zur entsprechenden Verschiebung des Bildes.
Eine Objektivlinse 24 sowie ein Zwischenbildprojektiv 25 für den j ektronenstrahl
der elektronenmikroskopischen Skalenabbildung sind ebenfalls über zwei mit dem Umschalter
Ig synchron betätigte Schalter 26 und 27 an Spannung zu legen, wenn gerade die Kathode
I4 erregt wird. Beide Abbildungen finden auf einem Schirm 28 statt.
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Das Arbeiten dieser Anordnung geht im einzelnen wie folgt vor sich:
Der Umschalter 15 berühre zunächst den rechten Kontakt, worauf ein Elektronenstrahl
von der Kathode I3 ausgeht.
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Gleichzeitig ist die Linse I6 über den Schalter I8 an Spannung gelegt
und sind die Schalter 22 und 23 geschlossen. Dagegen ist die Linse I7 spannungslos,
und die Schalter 26 und 27 sind geöffnet. Es wird jetzt das Bild tdes Flugzeulgsymbols
auf Ideen Schirm 28 geschrieben. Etwa an den Plattenpaaren 20 und 21 liegende und
von einem Horizont gesteuerte Vorspannungen bewirken dazu eine entsprechende Verschiebung
des Symbols. Im nächsten Augenblick berührt aber der Umschalter I5 den linken Kontakt,
so daß ein Elektronenstrahl von der Kathode 14 ausgeht. Die Linse I6 ist dann stromlos
und dafür die Linse I7 durch den Schalter I8 an Spannung gelegt worden. Die Schalter
22 und 23 sind geöffnet, dagegen die Schalter 26 und 27 geschlossen. Dieser Elektronenstrahl
fällt dabei in dem konischen Metallring 19 auf die rechte Wand und bildet die dort
eingeätzte Skala auf dem Schirm 28 ab. Dadurch, daß an die nachfolgenden Plattenpaare
20 und 2I die vom Horizont gesteuerten Vorspannungen angeschlossen bleiben, wird
auch die abgebildete Skala in dem gleichen Maße wie vorher das Symbol auf dem Schirm
28 ausgelenkt. Infolge der großen Umschaltfrequenz der einzelnen Schalter erscheinen
die eben einzeln geschilderten Vorgänge auf dem Schirm als ein einziges Bild, bei
dem Skala und Symbol gemeinsam auswandern, so daß stets ein Ablesen möglich ist.
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Benötigt man eine andere Skala, so sind lediglich das den Elektronenstrahl
für die elektronenmikroskopische Darstellung erzeugende System, die Kathode 14 und
die Linse I7 mechanisch zu drehen.
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Geschieht dies beispielsweise um I800, so fällt der Elektronenstrahl
von rechts ein und bildet die auf der linken Wandung des Metallringes 19 aufgebrachte
Skala ab. Alle Zwischenstellungen des Systems können für weitere Abbildungen von
rings auf der Wandung des Metallringes eingeätzten Skalen benutzt werden.
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Diese schematische Darstellung gestaltet sich in der praktischen
Ausführung noch etwas einfacher.
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Man wird mit einem Elektronenstrahl auskommen und durch entsprechende
Spannungssteuerung eine einzige Linse umschalten können. Für die Umschaltung sind
rotierende Umschalter oder Einweggleichrichtersteuerungen bekannt.
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Eine weitere Abwandlung des dargestellten Beispiels besteht darin,
die oszillographische Aufzeichnung auch noch durch eine mikroskopische Aufzeichnung
zu ersetzen, so daß ein Zweifachmikroskop entsteht. Das bedeutet, daß ein Strahlengang
bzw. zwei Strahlengänge im intermittierenden Bildwechsel umgesteuert werden auf
zwei Objektträger, von denen der eine die Bildaufzeichnung, der andere die Skalenanordnung
enthält. Beide Anordnungen kann man dann getrennt verdrehen und verschieben; wenn
man dieAblenkanordnungen ebenfalls auf entsprechende Verschiebe- und Ver-
drehspannungen
umschaltet, sind Objektiv und Zwischenbildprojektiv für beide Systeme gemeinsam.
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PA TENTANS PRÜ H E: I. Verfahren zur elektronischen Bildaufzeichnung
von Figuren beliebiger Form, z. B. zur Darstellung eines Flugzeugsymbols, an dem
alle für die ordnungsgemäße Durchführung eines Blindfluges bzw. einer Blindlandung
erforderlichen Navigations- und/oder Zustandsgrößen des Flugzeuges durch eine Lagen-
oder Formänderung angezeigt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich
bekannter Weise mittels zweier in ihrer Phase um go0 gegeneinander verschobener
Wechselströme, die an ein den Elektronenstrahl beeinflussendes horizontales und
ein vertikales Elektrodenpaar angelegt sind, eine Kreisablenkung des Elektronenstrahls
vorgenommen und durch zusätzliche Modulation an den Ablenkelektroden der Radiusvektor
über eine Umdrehung oder einen Teil derselben gemäß den Vorschriften einer entsprechend
der darzustellenden Figur ausgebildeten Matrize verkürzt wird.