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Verfahren und Einrichtung zur objektiven Scharfeinstellung von durch
optische Systeme entworfenen Bildern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und zur
Durchführung des Verfahrens dienende Einrichtungen zur objektiven Scharfeinstellung
von durch optische Systeme entworfenen Bildern, wobei die Hell- und Dunkelfelder
zweier rasterförmiger Testobjektbilder, von denen das eine dicht vor, das andere
dicht hinter der Einstellebene liegt, durch eine Spaltblende hindurch abwechselnd
einem lichtelektrischen Organ in schneller Aufeinanderfolge zugänglich gemacht werden.
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Für die Scharfeinstellung von durch optische Systeme entworfenen
Bildern,- z. B. zum Zwecke photograpbischer Aufnahmen oder zur Justierung optischer
Systeme, die im allgemeinen durch visuelle Einstellung einer durch das System abgebildeten
Vorlage auf größte Schärfe oder größten Kontrast geschieht, hat man auch schon die
subjektive Beobachtung und Einstellung durch rein objektive Verfahren ersetzt, welche
sicherer und schneller arbeiten.
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Es besteht dafür unter anderem der Vorschlag nach Patent 927 239,
nach dem die Hell- und Dunkelfelder des vorzugsweise rasterförmigen Testobjektbildes
dem lichtelektrischen Organ abwechselnd in schneller Aufeinanderfolge durch eine
vorzugsweise spaltförmige Blende hindurch zugänglich gemacht werden, so daß der
durch das lichtelektrische Organ erzeugte Strom wechselt : Da die vorliegende Erfindung
von jenem
älteren Vorschlag nach Patent 927 239 ausgeht und ihn
weiterbildet, sei auf ihn bezüglich seiner hier wesentlichen Merkmale hingewiesen.
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Es kann bei diesem Hell-Dunkel-Felder-Verfahren die Differenz oder
das Verhältnis der bei der Abtastung entstehenden lichtelektrischen Wechselströme
direkt oder verstärkt an einem Meßgerät angezeigt oder zur Betätigung anderer Anzeigevorrichtungen
benutzt werden. Es ist auch möglich, die Differenz oder das Verhältnis der bei der
Abtastung entstehenden lichtelektrischen Wechselströme nach entsprechender Verstärkung
zum Antrieb eines Verstellmotors zu benutzen, der die automatische Einstellung auf
größte Schärfe bewirkt.
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Bei diesem genannten Verfahren nach Patent 927239 wird vorzugsweise
eine Schwingblende benutzt. Das abzubildende Raster ist dabei halbiert und in zwei
Ebenen aufgespalten, von denen die eine etwas vor, die andere ebenso weit hinter
der Gegenstandsebene liegt. : Die von beiden Rasterhälften entworfenen Bilder werden
in schneller Folge abwechselnd abgetastet, und die Differenz der beiden lichtelektrischen
Stromimpulse wird angezeigt. Die Differenz der elektrischen Stromimpulse kann auf
elektrischem Wege durch Gegeneinanderschalten der zeitlich nacheinander entstehenden
Abtasteffekte der beiden Rasterhälften mit einem hinreichend gedämpften Anzeigegerät
gebildet werden. Dies kann geschehen mittels einer einzigen Photozelle oder durch
gleichzeitiges Abtasten zweier Photozellen oder aber auch vermittels einer Differentialphotozelle.
Die überlagerte Gleichlichtkomponente wird in all diesen Fällen in an sich bekannter
Weise, z. B. durch Zwischenschaltung von Transformatoren oder Kondensatoren, beseitigt.
Der Zustand optimaler Schärfe der Abbildung des Rasters wird durch Verschwinden
des lichtelektiischen Differenzstromes angezeigt.
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Hält man die Bedingungen der Abbildung, insbesondere die Objektbeleuchtung,
die Lichtstärke, den Abbildungsmaßstab und die Empfindlichkeit der lichtelektrischen
und elektrischen Anordnungen konstant, so ist der Ausschlag des Instrumentes, als
in einem definierten Zusammenhang mit dem Schärfegrad der Einstellung stehend, eichfähig,
d. h. die Skala kann etwa nach dem Maßstab der prozentualen Abweichungen der Einstellung
vom Sollwert unterteilt werden.
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Es ist mit der erwähnten Anordnung auch möglich, an die Stelle oder
in den Stromkreis des Meßinstrumentes ein Relais oder direkt einen Verstellmotor
einzuschalten, der eine automatische Scharfeinstellung vollzieht. Ein derart ausgebildetes
Gerät ist sowohl zum automatischen Abgleich der Scharfeinstellung bei der Justierung
optischer Systeme in der Fabrikation geeignet als auch zum automatischen Scharfeinstellen
größerer Kameras, etwa für Reproduktionszwecke.
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In dem Falle der Anordnung einer rotierenden Blende bzw. eines rotierenden
Testbildes kann der Antrieb durch einen Synchronmotor erfolgen und zweckmäßig mit
einem die Phasenauswahl besorgenden Umschalter gekuppelt sein. Dieser Umschalter
soll bei nacheinander erfolgendem Abtasten zweier Felder, d. h. eines lIell-und
eines Dunkelfeldes, dafür sorgen, daß der verarbeitende elektrische Stromkreis synchron
mit der Drehung der Blende zwecks Differenzbildung kommutiert wird.
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Zur unmittelbaren Kontrolle der Einstellung ist bei der Einrichtung
nach Patent 927 239 eine Zwischenabbildung vorgesehen.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung der Auswertung
der durch die Photozelle beim Hell-Dunkel-Feld-Verfahren erhaltenen Stromimpulse.
Während bei der obenerwähnten Auswertungsmethode die Amplituden der von den beiden
Testobjektbildern erhaltenen Stromimpulse verglichen und zur Ermittlung der Scharfeinstellung
eines optischen Systems benutzt werden, besteht das wesentliche Merkmal der vorliegenden
Erfindung darin, daß die Steilheit der im Ausgang des lichtelektrischen Organs auftretenden
trapezförmigen Stromimpulse als Maß für die Scharfeinstellung angezeigt wird.
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Hierbei geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur objektiven
Scharfeinstellung von durch optische Systeme entworfenen Bildern, bei dem die Hell-
und Dunkelfelder zweier rasterförmiger Testobjektbilder, von denen das eine dicht
vor, das andere dicht hinter der Einstellebene liegt, durch eine Spaltblende hindurch
abwechselnd einem lichtelektrischen Organ in schneller Folge zugänglich gemacht
werden. Außer der genannten Anzeige und Verwendung der Steilheit als Maß für die
Scharfeinstellung soll erfindüngsgemäß vorzugsweise die Einstellung des optischen
Systems so lange geändert werden, bis Gleichheit aller Steilheiten erreicht ist.
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Die auftretenden trapezförmigen Stromimpulse können z. B. auf dem
Leuchtschirm eines Kathodenstrahloszillographen sichtbar gemacht und deren Steilheit
abgelesen werden. Wegen der im allgemeinen vorhandenen unscharfen Randzonen eines
Oszillographenbildes und eventuell auftretender Flimmerbewegungen auf dem Leuchtschirm
ist, besonders bei geringen Steilheitsunterschieden, ein genaues Ablesen bisweilen
nicht unwesentlich behindert. Deshalb schlägt die Erfindung weiter vor, die den
beiden Testbilderfolgen zugeordneten, jeweils unter zwei Winkeln ansteigenden und
abfallenden trapezförmigen Stromimpulse konstanter Amplitude elektrisch derart zu
differenzieren, daß aus ihnen ein neuer Wechselstrom entsteht, dessen von den Stromtrapezwinkeln
abhängiger Amplitudenunterschied auf elektrischem Wege angezeigt, gemessen, verglichen
oder auf irgendeine andere bekannte Art und Weise als Maß für die optische Scharfeinstellung
ausgewertet wird. Dadurch erhält man scharf ausgeprägte Stromimpulsspitzen, die,
gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung, leicht und sehr genau ablesbar sind.
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Zur Erzeugung der beiden Testbilderfolgen werden erfindungsgemäß
in gleichen Abständen vor und hinter der Gegenstandsebene zwei gleiche kreisrunde
Testscheiben gedreht, deren Testmarken sich im Strahlengang der Meßapparatur bewegen.
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Um die von dem lichtelektrischen Organ im Betrieb abgegebenen Stromimpulse
konstanter Amplitude zu differenzieren, ist ein elektrisches Differenzierglied vorgesehen,
welches beispielsweise aus einer mit einem Widerstand in Reihe geschalteten Kapazität
besteht,
an dem die Ausgangsmeßgrößen am Widerstand abgegriffen werden. In diesem Differenzierglied
werden die Gleichstromanteile ausgesiebt, und nur die Stromanstiege und Stromabstiege
der. trapezförmigen Impulse treten am Ausgang als Wechselstromspitzen auf.
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Auf dem Leuchtschirm eines Kathodenstrahloszillographen beispielsweise
erscheinen diese Wechselstromspitzen zu beiden Seiten der Nullinie, d. h., die einzelnen
angezeigten Stromspitzen liegen bei unscharfer optischer Einstellung auf je zwei
jeweils um gleiche Beträge von der Mittel-oder Nullinie entfernten Linien. Bei optischer
Scharfeinstellung werden sämtliche Stromspitzen gleich groß, enden also oberhalb
und unterhalb der Nullinie auf jeweils nur einer Linie. Für die Anzeige der positiven
Impulse steht also die eine Hälfte des Leuchtschirmes, für die negativen Impulse
die andere zur Verfügung.
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Für den Fall, daß beispielsweise zum Zwecke noch genauerer Ablesemöglichkeit
eine weitere Verstärkung erwünscht ist oder zur Ablesung ein Zeigerinstrument verwendet
werden soll, sieht die Erfindung vor, am Ausgang des Differenziergliedes eine elektrische
Meßvorrichtung anzuschließen, welche Gleichrichterglieder, einen elektronischen
Umschalter sowie ein integrierendes Meßinstrument enthält und die die den Abstiegen
der trapezförmigen Stromimpulse entsprechenden negativen Wechselstromphasen unterdrückt,
zwei jeweils aufeinanderfolgende positive Stromphasen gegeneinanderschaltet und
deren Differenzstrom anzeigt. Beim Anzeigen mittels Oszillographen steht nunmehr
- bei entsprechender Einstellung der Nulllinie -- die gesamte Fläche des Leuchtschirmes
für die jetzt nur nach einer Seite von der Nullinie sich erstreckenden Meßwerte
zur Verfügung, ja, man kann noch weiter gehen und nur die obersten Spitzen zur exakten
Ablesung auf den Leuchtschirm bringen.
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Das kann z. B. durch entsprechende negative Vorspannung einer elektronischen
Gleichrichteranordnung geschehen, bei der die nicht interessierenden unteren Teile
der Impulse unterdrückt und nur die Spitzen der unterschiedlichen Amplituden vergrößert
angezeigt werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
die beiden rotierenden Testscheiben derart radial versetzt hintereinander angeordnet,
daß sich ihre Dunkelfelder überlappen, so daß je zwei aufeinanderfolgende, der einen
bzw. der anderen Testscheibe zugehörige Dunkelfelder in bezug auf die optische Achse
ein einziges neues Dunkelfeld biiden. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die
eine Kante jedes neuen Dunkelfeldes der einen, die andere Kante der anderen Testscheibe
zugeordnet ist, woraus sich ergibt, daß bei den am Ausgang der lichtelektrischen
Zelle entstehenden trapezförmigen Stromstößen die den Schärfegraden der optischen
Einstellung der Test scheiben entsprechenden Neigungswinkel der Trapezflanken zeitlich
nicht paarweise, sondern in einfacher Aufeinanderfolge sich abwechseln. Jeder trapezförmige
Stromimpuls schließt also beide, die grund legenden Kriterien der erfindungsgemäßen
Scharfeinstellung darstellenden Winkel ein. Die durch sie am Ausgang des Differenziergliedes
hervorgerufenen Stromimpulse sind abwechselnd positiv und negativ und bei Scharfeinstellung
des optischen Systems gleich groß. Ein integrierendes Meßinstrument zeigt bei Scharfeinstellung
auf Null.
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Versuche haben ergeben, daß gute Einstellgenauigkeit besonders dann
erreicht wird, wenn der abtastende Spalt vor dem photoelektrischen Element wesentlich,
beispielsweise nur eine oder mehrere Größenordnungen, schmaler ist als die Breite
der Dunkelfelder am Ort ihrer Abbildung.
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Die Erfindung sei'an Hand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter
Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Sie ist aber nicht auf diese Beispiele
beschränkt. Es zeigt Fig. I die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Anordnung zwischen Lichtquelle und Photozelle, Fig. 2 die perspektivische Ansicht
eines Teiles der Testmarkenkränze der rotierenden Testscheiben, Fig. 3 die Draufsicht
von in die Zeichenebene abgerollten Randabschnitten der Testscheiben, Fig. 4 die
skizzierte Spaltblende, Fig. 5 die schaubildliche Darstellung des zeitlichen Verlaufs
des Photostroms, Fig. 6 die schaubildliche Darstellung des aus dem pulsierenden
Gleichstrom nach Fig. 5 differenzierten Wechselstroms, Fig. 7 das schematische Schaltbild
eines elektrischen Differenziergliedes, Fig. 8 die Draufsicht von in die Zeichenebene
abgerollten Randabschnitten der gegeneinander versetzten Testscheiben, Fig. g die
schaubildliche Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Photostroms bei versetzten
Testscheiben gemäß Fig. 8, Fig. 10 die schaubildliche Darstellung des aus dem pulsierenden
Gleichstrom nach Fig 9 differenzierten Wechselstroms.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. I sind zwei an ihren Umfängen gleichmäßig
gezahnte Testscheiben r und 2 auf der Achse 3 eines (nicht gezeichneten, Synchronmotors
in einem Abstand a voneinander der artig gegeneinander versetzt befestigt, daß,
wie Fig. 2 deutlich erkennen läßt, die Zähne I' der Testscheibe I symmetrisch zwischen
den Zähnen 2' der Scheibe 2 stehen.
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Die Testscheiben 1 und 2 können entweder aus lichtundurchlässigem
Material, z. B. Metall, gefertigt und mit einem gleichmäßigen Kranz irgendwie geformter
Zähne versehen sein oder aber aus durchsichtigem Werkstoff, wie Glas, Kunststoff
u. ä., bestehen, auf dem in gewissen Abständen gleichmäßige Dunkelfelder aufgebracht
sind. Zähne oder Zacken bzw. Dunkelfelder I' und 2'der beiden Testscheiben erhalten
zweckmäßig nahezu rechteckige Gestalt, wie dies in Fig. 2 skizziert ist.
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Dreht sich die Motorachse 3 (Fig. I), so rotieren die beiden Testscheiben
I und 2 mit ihren Zacken 1' und 2' im Strahlengang 4 der Lichtquelle 5 mit dem Reflelotor
6. Die Lichtquelle-5 wird punktförmig in der Kollimatorlinsenebene 7 abgebildet,
die ihrerseits eine Abbildung der in der Mitte zwischen den Testscheiben 1 und 2
liegenden Gegenstandsebene 8 im
Unendlichen erzeugt. Im parallelen
Strahlengang hinter dem Kollimator 7 befindet sich das zu prüfende Objektiv 9, welches
bei optimaler Einstellung zur Ebene 10 in dieser die Gegenstandsebene 8 bzw. einen
in ihr befindlichen Gegenstand scharf abbildet.
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Ein solcher Gegenstand kann beispielsweise eine (in der Zeichnung
nicht dargestellte) beliebige Einstellmarke sein. Zur visuellen Kontrolle des elektrisch
arbeitenden Erfindungsgegenstandes ist nach Fig. 1 ein lichtdurchlässiger Umlenkspiegel
I3 im Kollimatorstrahlengang vorgesehen, über welchen man die Bildschärfe der Einstellmarke
z. B. durch ein Fernrohr 14 betrachten kann.
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Die Ebene 10 wird im gezeichneten Ausfühuungsbeispiel durch eine
Spalthlende nach Fig. 4 mit dem engen Spalt II dargestellt. Durch den Spalt 11 fällt
das Licht auf ein lichtelektrisches Element IX, z. B. eine Photozelle.
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Da die optischen Systeme der Meßeinrichtung, nämlich der Kollimator
7 und das Objektiv 9, bei optimaler Einstellung die Gegenstandsebene 8 zwischen
den Testscheiben Iund2 scharf bei 10 abbilden, liegen die scharfen Bilder der Testzacken
I' und 2' um gleiche Beträge vor bzw. hinter der Spaltebene 10, werden also am Ort
des Spaltes II mit gleicher Unschärfe abgebildet.
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Die rotierenden Testscheiben 1 und 2 bewirken eine intermittierende
Beleuchtung des Spaltes II, weil die Bilder ihrer Zacken I' und 2'abwechselnd als
Dunkelfelder in den Spalt II einlaufen, ihn abdecken und wieder freigeben. Infolgedessen
gibt die hinter dem Spalt Im befindliche lichtelektrische Zelle 12 einen pulsierenden
Gleichstrom ab, dessen zeitlicher Verlauf etwa der in Fig. 5 dargestellten Trapezform
entspricht, wobei paarweise aufeinanderfolgende Trapezflanken abwechselnd von Testzacken
I' und 2' (Fig. 2) herrühren.
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Bei der Betrachtung des Photostromes sei zunächst auf folgendes hingewiesen:
Werden die Testzacken I' oder 2' in der Blendenebene 10 scharf abgebildet, so sind
die Umgrenzungslinien ihrer Bilder scharf ausgeprägt, der Helligkeitswechsel des
durch den Blendenspalt II auf die Photozelle 12 fallenden Lichtes vollzieht sich
also in einem kurzen Zeitintervall; je kleiner dieses Zeitintervall ist, um so steiler
ist der Wechsel des Photostromes, sowohl sein Ansteigen als auch sein Absinken.
Werden hingegen die Testzacken I' oder 2' in der Blendenebene 10 unscharf abgebildet,
so sind die Umrisse ihrer Bilder mehr oder weniger verschwommen, der Helligkeitswechsel
des durch den Blendenspalt II auf die Photozelle 12 fallenden Lichtes vollzieht
sich also in mehr oder weniger längeren Zeitintervallen; je länger aber dieses Zeitintervall
ist, um so flacher verläuft der Wechsel des Photostromes.
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Nach den von der Fig. 2 abgeleiteten Fig. 5 und 9 ist nun angenommen,
daß die Testscheibenzacken 1 schärfer abgebildet werden als die Testscheibenzacken
2'. Demzufolge ändert sich der auf die Photozelle 12 fallende Lichtstrom an den
Testkanten b, c, f, g usf. rasch, an den Kanten d, e, h, s usf. langsamer.
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Da zwischen den Zacken der volle Lichtstrom durch die Blende fällt,
jede Zacke (Dunkelfeld) aber das Licht vom Blendenspalt vollständig abhält, schwankt
der Photostrom bei rotierenden Testscheiben I und 2 zwischen o und einem Höchstwert
gemäß dem Linienzug in Fig. 5, wo statt der Stromwerte die Spannungswerte zwischen
o und Um aufgezeichnet sind.
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Dieser Linienzug in Fig. 5 wäre schon zur Anzeige der Scharfeinstellung
geeignet. Man macht ihn z. B. auf dem Schirm eines Kathodenstrahloszillographen
sichtbar und verstellt das Objektiv 9 so lange, bis sämtliche Spannungsanstiege
c, e, g usf. und sämtliche Spannungsabfälle b, d, f, h usf. gleiche Neigungen haben,
die Winkel a1 und a2 also gleich groß sind.
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Ist dies schließlich der Fall, so heißt das, daß die Testzacken 1'
und 2' gleich unscharf abgebildet werden, die optimale Objektiveinstellung auf die
Gegenstandsebene 8 (Fig. r) mitten zwischen den beiden Testscheiben aber erfolgt
ist.
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Die Ablesegenauigkeit ist nun aber besonders bei geringfügigen Steilheitsunterschieden
verhältnismäßig gering. Dieser Mangel wird nach vorliegender Erfindung dadurch beseitigt,
daß die in Fig. 5 dargestellten Stromimpulse elektrisch differenziert werden.
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Schaltet man beispielsweise nach Fig. 7 an den Ausgang I5, I6 des
lichtelektrischen Organs 12 ein aus Kapazität 17 und Widerstand r8 bestehendes Differenzierglied,
so werden die Gleichstromanteile des Linienzuges nach Fig. 5 unterdrückt, und an
den Klemmen 19 und 20 kann ein Wechselstrom abgenommen werden, dessen zeitlicher
Spannungsverlauf in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Die Spannungen U1 und U
entsprechen den Neigungswinkeln al und a2 und sind positiv oder negativ, je nachdem,
ob sie Spannungsanstiegen oder Spannungsabfällen des pulsierenden Gleichstroms nach
Fig. 5 zugeordnet sind.
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Diese Spannungsspitzen sind auf einem Leuchtschirm gut vergleichbar.
Werden sie durch Einregulierung des Objektivs 9 (Fig. I) gleich hoch, so ist die
optische Scharfeinstellung vollzogen.
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Um den angezeigten Unterschied zwischen den Spannungen Um und U2
vergrößert und damit noch genauer zu erhalten, können die Spannungsimpulse auf dem
Bildschirm in bekannter Weise mit aus dem Bildschirm herausgeschobener Zeitlinie,
also nur in ihren Spitzenbereichen dargestellt werden.
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Der erwähnte OszilIograph kann auch ersetzt sein durch eine einen
Gleichrichter, einen elektronischen Umschalter und ein integrierendes Anzeigeinstrument,
z. B. ein Drehspulinstrument mit großer Dämpfung, enthaltende Schaltanordnung, in
der die negativen Impulse unterdrückt, die aufeinanderfolgenden positiven Impulse
voneinander getrennt und gegeneinandergeschaltet werden, so daß das Instrument ihre
Differenz anzeigt. Steht das Instrument auf Null, so ist das optische System auf
größte Schärfe eingestellf.
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Der Differenzstrom kann hierbei auch in bekannter Weise zur motorischen
Scharfeinstellung benutzt werden.
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Die Arbeitsweise einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist in den Fig. 8 bis 10 im Schema skizziert. Hierbei sind die Testscheiben
I und 2 so weit gegeneinander versetzt, daß ihre Zacken (Dunkelfelder) I' und 2'
sich, wie in Fig. 8 dargestellt, überlappen. Dadurch entstehen praktisch neue Dunkelfelder,
deren eine Seitenkanten von einem
Testzacken I' und deren andere
Seitenkanten von einem Testzacken 2' gebildet werden. Dadurch wird erreicht, daß
die an ausgang 15, 16 der lichtelektrischen Zelle 12 auftretenden trapezförmigen
Spannungen den in Fig. 9 gezeichneten Verlauf nehmen.
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Die einzelnen Trapeze enthalten beide Steigungswinkel al und 2, welche,
wie oben beschrieben, den jeweiligen optischen Einstellschärfen der Testscheiben
I und 2 entsprechen. Durchlaufen diese Spannungen wiederum ein Differenzierglied
gemäß Fig. 7, so werden Spannungsstöße ähnlich denen in Fig. 10 dargestellten erhalten.
Gegenüber der vorher in \ erbindung mit denFig. 5, 6 und 7 beschriebenen Anordnung
wird ernicht, daß die Bildung der Spanpungs- bzw. Stromdifferenzen ohne Umschaltvorrichtungen
möglich ist.
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Optische Sch arf einstellung liegt vor. wenn t;2 LT1 ist.