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Fernsehabtastverfahren für Meßzwecke Zur Aufnahme von Bildern für
Fernsehzwecke sind bisher schon eine größere Zahl von Verfahren bekanntgeworden,
die auf zeilenweiser oder spiralförmiger Abtastung beruhen. Es sind auch Verfahren
bekannt, um beispielsweise unter Zuhilfenahme einer elektronischen Zähleinrichtung
im Mikroskop Partikel mit Hilfe einer Bildaufnahmeröhre zu zählen und/oder zu sortieren.
Es ist auch bekannt, Breitenmessungen von Gegenständen mit Hilfe von Fernsehgeräten
durchzuführen.
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Die berührungslose Messung von beliebigen Längen wäre prinzipiell
durch Abmessung eines derartigen Fernsehbildes, unter eventueller Verwendung von
Proportionalitätsfaktoren, möglich.
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Die dabei zu erreichende Genauigkeit ist aber sehr gering. Eine Erhöhung
der Meßgenauigkeit läßt sich unter anderem z. B. durch exakte Linearisierung der
Ablenkspannung erreichen. Es sind auch Verfahren vorgeschlagen, aus der von der
Bildaufnahmeröhre abgegebenen Signalspannung eine von der zu messenden Länge abhängige
elektrische Größe abzuleiten und zur Aussteuerung einer Anzeigevorrichtung zu verwenden.
Die besten Ergebnisse bezüglich der Linearität der Ablenkspannung können derzeit
mit Hilfe von elektromechanischen Generatoren erhalten werden, jedoch ist deren
Frequenz aus mechanischen Gründen eine obere Grenze gesetzt. Eine Abtastung mit
niedriger
Frequenz bedingt aber verschiedene Schwierigkeiten, z.
B. eine geringe Amplitude der Signalspannung.
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Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß
bei einer berührungslosen Messung von Längen mittels Bildaufnahmeröhren, wobei zumindest
eine oder zwei der Begrenzungen des Meßobjekts, deren Abstand von einem Bezugspunkt
bzw. einer Bezugslinie oder untereinander gemessen werden soll, auf der lichtempfindlichen
Schicht einer oder zweier Bildaufnahmeröhren abgebildet werden, in nur einer Zeile
mit im Verhältnis zur bekannten Fernsehabtastung niedriger Frequenz abgetastet wird,
wobei das Auflösungsvermögen der Bildaufnahmeröhre nur in Abtastrichtung voll ausgenutzt
wird, während die Auflösung in dazu senkrechter Richtung demgegenüber sehr klein
bleibt, wobei aber die wirksame Fläche der lichtempfindlichen Schicht der Bildaufnahmeröhre
vollständig oder fast vollständig abgetastet wird.
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Im folgenden sei die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Bei der Abtastung der Ladungsverteilung einer Bildaufnahmeröhre ist der Signalstrom
bei konstanten Beleuchtungsverhältnissen, unveränderter Objektiveinstellung und
bei unveränderten Betriebsspannungen der Bildaufnahmeröhre linear abhängig von der
Ausschreibung und von der Frequenz der Abtastung bzw. von der in der Zeiteinheit
vom Elektronenstrahl abgetasteten Fläche. Unter Ausschreibung sei hier der vom Elektronenstrahl
auf der lichtempfindlichen Schicht zurückgelegte Weg verstanden. Im Fall der üblichen
Ferusehabtastung erfolgt die Ablenkung des Elektronenstrahls geradlinig, beispielsweise
von links nach rechts, so daß hier unter Ausschreibung die Entfernung von der linken
zur rechten Kante der lichtempfindlichen Schicht zu verstehen wäre.
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Bei niedriger Abtastfrequenz wird der Rauschabstand sehr klein, bzw.
das Signal geht sogar im Rauschpegel unter, wie Fig. in und 1 b zeigen, wobei die
Abtastung beispielsweise eines weißen Balkens a, b, c, d im schwarzen Umfeld längs
der Zeile 1, 2 erfolgen soll. Mit Hilfe eines Zeilenwahlschalters läßt sich beispielsweise
der Verlauf der Signalspannung bei einem bestimmten Röhrentyp bei der Abtastung
längs der Zeile 1, 2 auf einem Oszillographenschirmbild darstellen und ergibt den
Verlauf, wie er in Fig. in durch die Kurve I'-2' versinnbildlicht wird. Dabei bedeuten
in der Figur die wellenförmigen Zacken längs der Kurve die Rauschspannung, die dem
Signal überlagert ist.
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Für die Messung der interessierenden Länge ist nur der Abstand e,
f von Bedeutung, so daß die Abtastung mit nur einer Zeile ausreicht. Allerdings
reicht dann bei niedriger Abtastfrequenz die Signalamplitude nicht genügend über
den Störpegel heraus.
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Durch Versuche bestätigte tfberlegungen führten zu neuen Erkenntnissen,
die, wie oben erläutert, zeigten, daß die Signalamplitude unter anderem abhängig
ist von der Ausschreibung und von der Frequenz der Abtastung. Die übrigen Abhängigkeiten
interessieren bei der gestellten Aufgabe weniger. Bei der Messung von Längen entstehen
also zwei sich widersprechende Forderungen.
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Einerseits soll pro Zeiteinheit vom abtastenden Elektronenstrahl eine
möglichst große Fläche der lichtempfindlichen Schicht abgetastet werden.
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Andererseits soll aus Gründen der Linearität und anderen die Abtastfrequenz
möglichst niedrig gehalten werden. Diese beiden Forderungen werden erfindungsgemäß
in Einklang gebracht dadurch, daß entweder der Querschnitt des Elektronenstrahls
größer gemacht wird oder die Ausschreibung vergrößert wird, wodurch sich, wie gefordert,
eine Vergrößerung der abgetasteten Fläche pro Zeiteinheit ergibt. Es ist natürlich
ebenso möglich, beide Maßnahmen gleichzeitig anzuwenden.
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Eine Vergrößerung der Signalamplitude wird erfindungsgemäß dadurch
erhalten, daß z. B. der abtastende Elektronenstrahl durch an sich bekannte Vorrichtungen
elliptischen oder rechteckigen Querschnitt erhält, wobei die längere Achse senkrecht
zur Abtastrichtung liegt und das Achsenverhältnis zweckmäßig gewählt werden kann.
Die Forderung, daß die längere Achse senkrecht zur Abtastrichtung liegen soll, ist
dadurch gegeben, daß die Auflösung naturgemäß vom Querschnitt des abtastenden Elektronenstrahls
abhängt und die Auflösung in Zeilenrichtung möglichst groß sein soll.
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Eine beträchtliche Erhöhung der Signalamplitude wird auch erhalten,
wenn der abtastende Elektronenstrahl durch Anwendung einer Hilfsspannung, vorzugsweise
sinusförmigen Verlaufs, in zur Zeilenrichtung senkrechter Richtung abgelenkt wird,
wie in Fig. 2 a sinnbildlich dargestellt ist. Dadurch wird bei gleicher Ablenkfrequenz
in Zeilenrichtung die Ausschreibung und dementsprechend die Signalamplitude größer,
wie in Fig. 2b dargestellt ist. Der Rauschabstand wird also entscheidend vergrößert.
Durch sinnvolle Begrenzung des Signals läßt sich eine praktisch völlige Rauschfreiheit
erreichen und dadurch die Meßgenauigkeit beträchtlich steigern.
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Zweckmäßig wird eine Einrichtung vorgesehen, um die Amplitude der
Hilfsspannung zu ändern, derart, daß die nutzbare Fläche der Signalplatte maximal
ausgenutzt wird. Die Frequenz der Hilfsspannung ist vorbeilhaft größer zu wählen
als die obere Grenzfrequenz des nachgeschalteten Meßsignalverstärkers. Würde nämlich
die Frequenz der Hilfsspannung kleiner sein als die obere Grenzfrequenz des Meßsignalverstärkers,
dann könnten beispielsweise bei Messungen der Breite eines bandförmigen Materials
mit in Längsrichtung sich ändernder Helligkeit Schwankungen der Signalamplitude
auftreten, die, sofern sie größer sind, als durch die Begrenzung der Signalamplitude
abgeschnitten werden, zu Verzerrungen der Meßspannung, wie in Fig. 3 gezeigt, bzw.
zu Fehlmessungen führen könnten. Andererseits ist die Frequenz nach oben sinnvoll
zu begrenzen, da sie
in Abhängigkeit vom Querschnitt des abtastenden
Elektronenstrahls oberhalb eines optimalen Wertes keine wesentliche Zunahme der
Signalamplitude bewirken würde. Dieser optimale Wert ist dann crreicht, wenn, wie
in Fig. 4 beispielsweise dargestellt ist, die durch die endliche Breite des Elektronenstrahls
überdeckten Streifen der lichtempfindlichen Schicht sich lückenlos aneinanderschließen
würden.
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Der Meßsignalverstärker kann bei niedriger Abtastfrequenz relativ
schmalbandig ausgeführt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß beispielsweise
durch die größere Verstärkung eine kleinere Stufenzahl genügt. Sei beispielsweise
die Abtastfrequenz 50 Hz, dann wird als Meßspannung eine 5o-Hz-Rechteckspannung
erhalten. Die erforderliche Bandbreite für den Meßsignalverstärker kann dann mit
beispielsweise 50 kHz als ausreichend betrachtet werden, da die nach Fourier im
Rechtecksignal enthaltenen Oberwellen noch bis zur tausendsten Oberwelle unverzerrt
verstärkt werden. Die Meßgenauigkeit des Verfahrens hängt von der Bandbreite des
Meßsignalverstärkers natürlich ab. Es ist klar, daß bei einer bestimmten vorliegenden
Meßaufgabe das jeweils optimale Verhältnis zwischen den einzelnen die Meßgenauigkeit
bestimmenden Faktoren gesucht bzw. eingestellt werden muß. Während bei einer Abtastung.
z. B. nach der europäischen Fernsehnorm, eine Bandbreite von 5 MHz erforderlich
ist, ist sie bei der vorgeschlagenen Abtastung wesentlich geringer. wodurch auch
die von der Quadratwurzel der Bandbreite abhängige Rauschspannung um den Faktor
10 erniedrigt und der Rauschabstand um eben denselben Faktor erhöht wird.
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Hinzu kommt als Vorteil, daß bei der vorgeschlagenen geringen Bandbreite
der Arbeitswiderstand der Bildaufnahmeröhre am Meßverstärkereingang, der beispielsweise
bei einer Röhre .vom Vidicontyp bei normgerechter Abtastung etwa 50 kQ beträgt,
auf ungefähr 2 erhöht werden kann, wodurch sich eine entsprechende, sehr erhebliche
Erhöhung der Signalspannung ergibt.
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In die Meßgenauigkeit des Verfahrens geht noch die Änderungsgeschwindigkeit
der zu messenden Länge ein. Da die Abtastung nur längs einer Zeile erfolgt, wobei
die Auflösung längs der Zeile besonders hoch ist, während sie in dazu senkrechter
Richtung sehr gering ist, wird eine Änderung der Länge des zu messenden Objektes,
die in den Zeitraum einer Abtastung fällt, nicht berücksichtigt. Dementsprechend
soll die Anderungsgeschwindigkeit klein gegenüber der Abtastgeschwindigkeit sein
bzw. die Abtastgeschwindigkeit muß zur Erreichung einer optimalen Meßgenauigkeit
unter Berücksichtigung der früher erwähnten Faktoren zweckmäßig gewählt werden.
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Für bestimmte Meßaufgaben sind auch Mittel vorgesehen, um die Ablenkspulen
einer Bildaufnahmeröhre auf Ablenkströme bzw. Ablenkspannungen verschiedener Amplitude
und/oder verschiedener Frequenz umschalten zu können bzw. die Amplitude und/oder
die Frequenz in be stimmten Grenzen stetig veränderbar zu machen.
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Ebenso können Mittel vorgesehen werden, die Bandbreite des angeschlossenen
Meßsignalverstärkers entsprechend der Umschaltung der Ablenkspule auf Ablenkströme
verschiedener Amplitude und/oder verschiedener Frequenz ebenfalls stufenweise oder
stetig zu ändern.
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Zur Kontrolle der ordnungsgemäßen Funktion der Anlage bzw. zur Verwendung
der Anlage für normale Fernsehzwecke ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen, um
die Bildaufnahmeröhre für die Fernsehübertragung des Objekts verwenden zu können.
Dadurch können - in bekannter Weise -Fehlmessungen, die beispielsweise durch Fehler
in der Übertragungsanlage verursacht werden, vermieden werden.
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Das Wesen der Erfindung sei nochmals kurz an Hand eines Anwendungsbeispiels
beschrieben.
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Bei der Fabrikation bandförmiger Materialien oder beispielsweise
auch in der Druckereitechnik ist die Überwachung der Breite des bandförmigen Materials
von großer Wichtigkeit. Zur berührungslosen Messung der Breite wird nun mit Hilfe
einer Bildaufnahmekamera das laufende Band aufgezeichnet, wobei das Verfahren, wie
oben beschrieben, angewendet wird. Es wurde auch vorgeschlagen, bei Längen, die
durch den begrenzten Offnungswinkel der zur Verwendung gelangenden Objektive nicht
mehr auf einer Bildaufnahmekamera aufgezeichnet werden können, mit Hilfe zweier
Aufnahmekameras nur die äußere Begrenzung aufzunehmen und aus der Differenz der
Signale einen Meßwert abzuleiten. Es können also Absolut- sowie Relativmengen durchgeführt
werden. Dabei kann die (absolute) Meßgenauigkeit, besonders bei der Messung der
Längendifferenz, sehr hoch getrieben werden. Dabei bleiben die Verschiebungen des
Bandes in Zeilenrichtung unberücksichtigt, da nur - wie schon erklärt - der Differenzbetrag
der beiden Signale zur Ableitung der Bezugsgröße zur Aussteuerung der Anzeigevorrichtung
verwendet wird. Unter gewissen Umständen kann dieses Verfahren auch dadurch vereinfacht
werden, daß beispielsweise eine Begrenzung des Bandes an einer unveränderlichen
Kante (Gleitschiene) entlang geführt wird und nur die andere Begrenzung mit Hilfe
einer Bildaufnalimekamera registriert wird, wobei dann relative Längenänderungen
gemessen werden, die je nach der vorgegebenen Anordnung entsprechend bei der Auswertung
berücksichtigt werden.