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Filmlesegerät
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen
eines dynamischen Bezugssignals aus Licht in einem Abtastsystem, und zwar insbesondere
ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen der Intensität eines Lichtpunkts in
einem Lichtpunktabtaster zum Zwecke der Verwendung als dynamisches Bezugssignal
in verschiedensten Anwendungsfällen, insbesondere beim Filmlesen.
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Die Verwendung von Film als Aufzeichnungsmedium für wissenschaftliche
Daten hat viele Vorteile. Er kann beispielsweise dazu benutzt werden, Oszilloskopbild-
bzw. -leuchtspuren aufzuzeichnen, und zwar auch bei Bord-Betrachtungsgeräten oder
bei anderen Radarformaten, sowie zum Verfolgen von Bildern von Raketen oder Flugzeugen
(Theodolitfilm), und für astronomische sowie meteorologische Daten, für Daten von
Blasenkammern, für medizinische Daten und dergleichen.
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Film ist außerdem ein ideales Medium zum Aufzeichnen von Spuren sehr
hoher Bandbreite (bis zu mehreren 1000 Mhz), die auf andere Weise nicht leicht aufgezeichnet
werden können.
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Zusätzlich hierzu ist Film wegen der kleinen Eingangsleistung und
des beschränkten Speicherraumes, die erforderlich sind, besonders für die Aufzeichnung
von Daten in Raumfahrzeugen oder Flugzeugen geeignet sowie für Wind- und Strommeßeinrichtungen
und für andere ähnliche Einrichtungen.
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Die Schwierigkeit, die beim Aufzeichnen mittels Film auftritt, besteht
im Lesen oder Umsetzen der Daten von dem Film, nachdem diese einmal aufgezeichnet
worden sind. Es war bisher allgemein notwendig, daß ein Analysator oder Forscher
die Daten visuell vom Film ablesen und mittels Hand übertragen bzw.
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umsetzen mußte. Das hat sich als ein zeitaufwendiger, mit viel Arbeit
verbundener und relativ teurer Vorgang erwiesen.
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Infolgedessen wurden für einige Anwendungsfälle halbautomatische Filmlesegeräte
entwickelt. Jedoch können diese halbautomatischen Filmlesegeräte nur etwa 5000 Punkte
pro Tag lesen, und sie erfordern außerdem Uberwachung durch eine menschliche Bedienungsperson.
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Kürzlich wurden programmierbare Filmlesegeräte zum automatischen Lesen
und Digitalisieren von sehr großen Mengen von auf Film aufgezeichneten Daten entwickelt.
Ein programmierbares Filmlesegerät wird vollständig unter der Steuerung eines programmierten
Digitalrechners betrieben und erfordert infolgedessen nicht die Beaufsichtigung
durch eine menschliche Bedienungsperson. Der Film wird mit einer Geschwindigkeit
gelesen, die mehr als 5000 Punkte pro Sekunde beträgt.
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Die gelesenen Daten können in digitaler Form auf Magnetband aufgezeichnet
werden, so daß sie für eine weitere Verarbeitung durch den Rechner und für die Analyse
zur Verfügung stehen.
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Der Filmlesevorgang beinhaltet das ausgewählte Abtasten des Films
durch einen sich schnell bewegenden, programmierbaren Lichtpunkt oder -fleck auf
einer visuellen Wiedergabe einer Kathodenstrahlröhre, die durch geeignete optische
Mittel an den Film angekoppelt ist. Das Ausgangssignal, das man aufgrund dieses
Abtastvorgangs erhält, wird durch eine lichtempfindliche Einrichtung auf der anderen
Seite des Films ermittelt. Das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Einrichtung
ist an eine Abtaststeuerungs- und -überwachungseinheit für den Vorgang bzw. die
Datenverarbeitung und die Analyse angekoppelt, die ihrerseits einen Digitalrechner
aufweist.
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Da der Lichtfleck, der auf der Kathodenstrahlröhre wiedergegeben wird,
aufgrund der Steuerung durch den Digitalrechner schnell an eine gewünschte Stelle
gebracht werden kann, kann das Filmlesegerät so programmiert werden, daß es die
Daten, die verarbeitet und analysiert werden sollen, beim Abtastvorgang auf einer
Echtzeitbasis liefert. Bei den üblichen Lichtabtasttechniken erfolgt die Abtastung
in einem vorbestimmten Muster von parallelen Linien. Beim Linienabtasten ist es
notwendig, die Daten für alle Punkte, die auf jeder Linie gelesen worden sind, zu
speichern, bis alle Linien abgetastet worden sind, bevor mit der Weiterverarbeitung
der Daten begonnen werden kann. Das erfordert es, daß der Rechner einen großen Speicherabschnitt
hat, damit er die unverarbeiteten Daten festhalten kann. Es ist dann eine umfangreiche
Verarbeitung notwendig, um die wichtigen Daten herauszuholen.
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Eine echte Lichtpunktabtasttechnik ermöglicht es, ein programmierbares
Filmlesegerät mittels eines gespeicherten Rechnerprogramms in einer solchen Weise
zu steuern, daß nur die Daten auf dem Film, die von Interesse sind, aus findig gemacht
und verfolgt werden. Es ist keine weitere
Verarbeitung erforderlich;
die wichtigen Daten sind unmittelbar als Ausgangssignal, das bei dem Filmlesevorgang
entsteht, verfügbar. Das Ausfindigmachen und Verfolgen nur der Daten von Interesse
erfordert jedoch einen empfindlicheren Lichtnachweis, damit man in der Lage ist,
über Daten zu operieren, die auf Gitterhintergründen überlagert sind, sowie über
"mit Rauschen behaftete" Daten und andere komplizierte Arten von Filmdaten. Zur
Erzielung einer größeren Empfindlichkeit ist es erforderlich, jedes falsche Eingangssignal,
das sich aufgrund von Rauschen oder anderen Schwankungen in der Intensität des Lichtpunkts
ergibt, auszuschalten.
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In optischen Systemen, in denen ein Lichtbündel zum Hervorbringen
eines Datensignals benutzt wird, wenn das Bündel durch ein Medium hindurchgeht,
war es manchmal in der Praxis so, daß man das Bündel gespalten hat, damit man die
Intensität des Bündels mit einem Fotometer im Weg des einen abgespaltenen Bündels
überwachen konnte, während die Intensität des anderen abgespaltenen Bündels durch
das Medium hindurchgeschickt wurde, das von einem Hauptfotometer überwacht wurde.
Die Schwierigkeit, die sich bei dieser Spaltbündeltechnik ergibt, besteht insbesondere
darin, daß (a) Energie vom Primärweg zur Referenz abgezweigt wird, (b) Energie von
dem Aufspaltungselement absorbiert wird, und (c) die Strahlen im Primärweg gestört
bzw. verzerrt werden und eine weitere Korrektur in der Abbildungslinse erfordern.
Infolgedessen ist die Spaltbündeltechnik in Anwendungsfällen, in denen alle verfügbare
Strahlung benötigt wird, als dynamische Referenz nicht leistungsfähig.
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Beispielsweise wird in einem Filmlesegerät, in dem eine Kathodenstrahlröhre
als Lichtabtaster benutzt wird, alle verfügbare Strahlung des Lichtpunkts zur Beleuchtung
des Films benötigt. Die Schwierigkeit besteht dann darin, wie man ein dynamisches
Bezugs signal in einem solchen System ableiten kann, ohne daß man irgendwelchen
Lichtfluß in dem
Bündel, das an das Medium angekoppelt ist, wegnimmt
oder blockiert.
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Mit der Erfindung soll für ein Filmlesegerät ein dynamisches Bezugssignal
zur Verfügung gestellt werden, das der Intensität der Strahlung proportional ist,
die von einer Quelle zu einem Medium gerichtet ist, ohne daß irgendwelcher Strahlungsfluß
der Strahlung, die von der Quelle an das Medium angekoppelt ist, blockiert oder
in anderer Weise gestört wird.
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Außerdem soll es mit der Erfindung möglich sein, die Intensität eines
Lichtabtasters in einem Filmlesegerät zu überwachen und ein dynamisches Bezugssignal
zu erzeugen, das proportional der Intensität des Lichts von dem Lichtpunktabtaster
ist und bei der Signalverarbeitung der von dem Film gelesenen Daten verwendet werden
kann.
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Das wird neben anderen Vorteilen nach der Erfindung dadurch erreicht,
daß man eine Mehrzahl von Lichtleitern vorsieht, wie beispielsweise optische Fasern,
die mittels Kapseln zu Gruppen gebündelt sind, so daß sie als Lichtleiter wirken,
wobei das Eingangsende jedes Lichtleiters gegenüber dem Strahlungsweg zwischen der
Lichtquelle und dem Medium genügend versetzt ist, so daß kein Teil des Lichtleiters
die Strahlung in irgendeinem Teil ihres Strahlungsflusses auf dem Weg von der Quelle
zum Medium sperrt, hindert, hemmt, verdeckt oder in sonstiger Weise blockiert; und
das eingangsseitige Ende jedes Lichtleiters weist zurück in die Richtung der Lichtquelle,
wobei die optische Achse jedes Lichtleiters durch einen Kreis hindurchgeht, dessen
Mitte in der Mitte der Lichtquelle liegt, wobei vorzugsweise die optische Achse
jedes Lichtleiters parallel zu der optischen Achse, die zwischen der Lichtquelle
und dem Medium verläuft, ist.
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Die anderen Enden der Lichtleiter sind zusammen vereinigt und statistisch
gemischt, und zwar auf der Stirnfläche eines Hilfsfotometers, dessen Ausgangssignal
ein Bezugssignal für die Verarbeitung von Datensignalen darstellt, die man von einem
Hauptfotometer im Weg des von der Quelle an das Medium angekoppelten Lichts erhält.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Figuren 1 und 2
der Zeichnung im Prinzip dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung, die ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel eines Lichtpunktabtastsystems gemäß der Erfindung veranschaulicht;
und Fig. 2 eine Ansicht längs der Linie 2-2 der Fig. 1.
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In Fig. 1 ist schematisch das optische System einer Grundausführung
eines Filmlesegeräts dargestellt, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Die Transporteinri-chtung
zum Halten und schrittweisen Weiterbewegen eines Films 10 von i]ädf-eld zu Bildfeld
zum Zwecke der Abtastung durch eine gesteuerte Lichtquelle 12 ist nicht dargestellt.
Es sind lediglich die optischen und elektronischen Systeme zum Verarbeiten der Filmlesesignale
gezeigt.
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Die Lichtquelle 12 ist vorzugsweise eine Kathodenstrahlröhre, die
eine flache Stirnfläche besitzt, welche als Lichtpunktabtaster benutzt wird. Das
Licht von einem Punkt auf der Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre gelangt in das
optische System, das eine größere Linse 13, eine erste Kondensorlinse 15, eine zweite
Kondensorlinse 16 und Filter 17 aufweist, wobei die Filter beispielsweise neutrale
Dichte- bzw.
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Schwärzungs- bzw. Graufilter und dichroitische Abgleichfilter sind.
Ein Fotometer 20 wandelt die Intensität der Strahlung, die durch den Film an jedem
Punkt hindurchgegangen ist, der von der Lichtquelle abgetastet worden ist, in ein
elektrisches Signal von proportionaler Amplitude um, das seinerseits von einer elektronischen
Signalverarbeitungseinrichtung 21, die einen programmierten Digitalrechner umfaßt,
weiterverarbeitet wird.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung steuert die Positionen des Punkts
bzw. Lichtflecks auf der Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre, und sie steuert infolgedessen
die Punkte, an denen der Film gelesen werden soll. Obwohl vorzugsweise eine Kathodenstrahlröhre
für die Abtastung des Films verwendet wird (beim gegenwärtigen Stand der Technik),
kann auch irgend eine andere Lichtquelle benutzt werden, die hinsichtlich Abmessung,
Intensität und Position innerhalb eines vorbestimmten Bereichs steuerbar ist. Beim
Betrieb tritt Licht, das von der Kathodenstrahlröhren-Lichtquelle herkommt, in das
optische System ein, geht durch die Vergrößerungseinrichtung, im vorliegenden Falle
die Vergrößerungslinse 13, hindurch und wird an einer bestimmten Stelle auf dem
Film fokussiert. Das Licht, das durch den Film und die Kondensorlinsen hindurchgeht,
wird defokussiert und von dem Fotometer 20 festgestellt. Das Fotometer ist vorzugsweise
eine Fotomuliplierröhre, die für kleine Änderungen der Lichtintensität empfindlich
ist. Die Signalverarbeitungseinrichtung 21 prüft die Datensignale von dem Fotometer
bzw. bringt diese Signale gegebenenfalls in den gewünschten Zustand und speichert
(in Digitalform) sehr große Mengen von fotografischen Daten zur weiteren Datenverarbeitung
und Analyse. Die Signalverarbeitungseinrichtung 21 steuert außerdem die Lichtquelle
12 bei der Abtastung des Films 11, so daß nur die Daten von Interesse ausfindig
gemacht und verfolgt werden. Dieser Vorgang des Ausfindigmachens
erfordert
hohe Empfindlichkeit bei der Abtastung des Films.
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Es sei darauf hingewiesen, daß irgendwelche Schwankungen in der Intensität
des Abtastlichts von der Signalverarbeitungseinrichtung als Veränderungen in den
Daten interpretiert werden könnten, so daß auf diese Weise nicht nur ein Fehler
in die Daten eingeführt werden würde, sondern auch ein Fehler im Vorgang des Ausfindigmachens
bewirkt würde. Es ist infolgedessen wünschenswert, die Signalverarbeitungseinrichtung
21 mit einem Bezugs signal zu versehen, das zu jeder Zeit der Intensität der Lichtquelle
proportional ist. Das wird gemäß der Erfindung erreicht, ohne daß irgendwelcher
Strahlungsfluß im Strahlungsweg zwischen der Lichtquelle und dem Film entfernt,
blockiert oder in anderer Weise gestört wird, und zwar erreicht man das durch die
Verwendung einer Mehrzahl von Lichtleitern bzw. -führungen 23, wobei die einen Enden
24 der Lichtleiter in gleichmäßigem Abstand voneinander in einem ringförmigen Träger
25 angeordnet sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Der Träger hat einen solchen
Durchmesser und wird in einer solchen Stellung gehalten, daß er sich außerhalb des
Strahlungsweges, der zwischen jeder Stelle auf der Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre
(innerhalb wenigstens eines vorbestimmten rechteckigen Bereichs) und der Vergrößerungslinse
13 erstreckt, befindet.
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Das Ende 24 jedes Lichtleiters weist in die Richtung der Kathodenstrahlröhre,
und zwar so, daß seine optische Sichtachse durch einen imaginären Kreis verläuft,
dessen Mitte auf der Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre ist, und der vorzugsweise
den gleichen Durchmesser wie der Träger 25 hat, so daß die optische Sichtachse jedes
Lichtleiters parallel zur Achse 26 des Systems verläuft. Der maximale Ab- bzw. Aufnahmewinkel
jedes Lichtleiters beträgt typischerweise etwa + 200.
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Der größte Teil der Strahlung, der aufgenommen wird, liegt innerhalb
eines Winkels von + 100. Zwischen 100 und 200 verändert
sich der
Aufnahmefaktor schnell bis auf Null beim maximalen Winkel.
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Der ringförmige Träger 25 kann einen größeren Durchmesser als der
imaginäre Kreis auf der Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre haben. In diesem Falle
verläuft die optische Sichtachse jedes Lichtleiters unter einem kleinen spitzen
Winkel zur Achse 26 des optischen Systems. Es ist jedoch, wie bereits ausgeführt,
zu bevorzugen, daß der Durchmesser des Kreises, der von den Enden der Lichtleiter
gebildet wird, der gleiche wie der imaginäre Kreis auf der Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre
und größer als der Durchmesser der Kathodenstrahlröhre ist, so daß sich beispielsweise
ein imaginärer Kreis von einem Durchmesser von 15,24 cm bei einer Kathodenstrahlröhre
mit einem Durchmesser von 12,70 cm ergibt. Dadurch wird sichergestellt, daß kein
Lichtleiter zu irgendeiner Zeit direkt auf einen Lichtpunkt bzw. -fleck auf der
Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre gerichtet ist, und auf diese Weise ergibt sich
ein gleichmäßigeres Ab- bzw. Aufnahmeniveau für alle Positionen. Obwohl bei dem
Ausführungsbeispiel vorzugsweise 16 Lichtleiter im gleichmäßigen Abstand voneinander
angeordnet sind, sei darauf hingewiesen, daß auch eine größere oder kleinere Anzahl
von Lichtleitern angewandt werden kann. Jedoch scheint die optimale Anzahl 16 zu
sein.
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Eine größere Anzahl führt nicht zu einer merklichen Verbesserung der
Leistung und trägt nur zur Kompliziertheit bei, während eine kleinere Anzahl zu
einer Herabse.zung der Leistung führt, insbesondere dann, wenn die Anzahl auf vier
oder auch sogar nur auf acht herabgesetzt wird.
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Der Gesamtstrahlungfluß, der von den Lichtleitern gesammelt wird ist
bei dieser Anordnung für jede Position eines Lichtpunktes der gleichen Intensität
auf der Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre der gleiche. Infolgedessen erhält man,
wenn man die ausgangsseitigen Enden der Lichtleiter 23 in einem großen Ring oder
einer großen Kapsel 27 zusammenbringt und sie zufällig bzw. statistisch innerhalb
der Kapsel 27 anordnet, wobei ein Hilfsfotometer 30 mit seinem Fenster gegenüber
den äusgangsseitigen Enden vorgesehen ist, ein Bezugssignal, das direkt proportional
der Intensität des Lichtpunkts auf der Stirnfläche der Kathodenstrahlröhre ist,
und zwar unabhängig von der Position des Lichtpunkts. Das auf diese Weise erzeugte
Bezugssignal ermöglicht es der Signalverarbeitungseinrichtung 21, die wahre Amplitude
der Datensignale frei von irgendwelchen Fehlern, die durch Schwankungen in der Intensität
der Lichtquelle eingeführt worden sind, zu bestimmten. Das.Hilfsfotometer 30 ist
auch wie das Hauptfotometer mit einer Fotomultiplierröhre versehen.
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Die Lichtleiter23 sind vorzugsweise aus optischen Fasern hergestellt
bzw. mit optischen~Fasern ausgeführt, wobei jeder Lichtleiter tatsächlich tausende
von optischen Fasern aufweist, die an seinem Ende 24 in einer Kapsel bzw. einem
Mantel gebündelt und optisch flach poliert sind. Alle optischen Fasern, die auf
diese Weise zu einem Lichtleiter zusammengebündelt sind, sind zum Schutz zwischen
dem Ende 24 und der großen Kapsel 27 in einer Hülle aus geeignetem Kunststoffmaterial
eingeschlossen. Die optischen Fasern der verschiedenen Lichtleiter sind in der großen
Kapsel "ausgekämmt", so daß sich die Fasern der verschiedenen Lichtleiter statistisch
durchsetzen bzw. diese Fasern statistisch gemischt sind.
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Das große Faserbündel in der Kapsel 27 wird dann optisch flach poliert
und direkt gegenüber dem Fenster des Fotometers 30 angeordnet. Auf diese Weise ist
der Lichtfluß, der durch
das Fotometerfenster eintritt, statistisch
verteilt, so daß sichergestellt wird, daß die Amplitude des Bezugssignals nicht
von der Position irgendeines Lichtleiters im bzw. am Fenster abhängt, da die Amplitude
des Bezugssignals zu jedem Zeitpunkt der unbewerteten Summe des von allen Lichtleitern
empfangenen Flusses direkt proportional und nicht durch die Empfindlichkeit des
Fotometers gegenüber Licht, das durch irgendeine spezielle Position seines Fensters
eintritt, beeinflußt sein soll.
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Das von dem Fotometer 30 erzeugte Bezugssignal ist ein dynamisches
Bezugssignal, das kontinuierlich verstärkt und von der Signalverarbeitungseinrichtung
21 mit dem Datensignal verglichen wird. Der Unterschied zwischen dem Daten- und
dem Bezugssignal wird zurAbtaststeuerung benutzt und weiter zum Zwecke der Speicherung
in digitaler Form (beispielsweise auf einem Magnetband) verarbeitet, so daß es für
die weitere Verarbeitung und Analyse durch den Rechner zur Verfügung steht.
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Bei dem Vorgang des Steuerns der Kathodenstrahlröhre als Lichtpunktabtaster
mißt die Signalverarbeitungseinrichtung 21 kontinuierlich die Dichte bzw. Schwärzung
des Films, indem sie das Bezugssignal mit dem Datensignal vergleicht, und sie fällt
eine Entscheidung, ob der Film an einer gegebenen Stelle mehr oder weniger geschwärzt
ist als ein gegebenes Vergleichsstandard. Die Lichtquelle 13 kann dann so gesteuert
werden, daß sie auf dem Film aufgezeichnete Daten verfolgt, indem der Lichtpunkt
von Punkt zu Punkt längs des schwärzeren Weges bewegt wird. Zum Verarbeiten und
zur Analyse kann der Unterschied zwischen diesem Bezugssignal und dem Datensignal
auf bis zu 64 Schwäriungsniveaus quantisiert werden. Die 64 Schwärzungsniveaus können
leicht
in digitaler Form gespeichert werden, beispielsweise in einem konventionellen Binärcode,
so daß sie später weiterverarbeitet werden können.
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Zusammengefaßt betrifft die Erfindung ein System für ein Filmlesegerät,
das so ausgebildet ist, daß es ein dynamisches Bezugssignal liefert, welches proportional
der Intensität les Lichtes in einem Lichtpunktabtaster ist, ohne daß dabei irgendwelche
Strahlung, die von dem Abtaster zu einem zu lesenden Film verläuft, gestört wird,
wobei das System Lichtleiter aufweist, von denen jeder mit einem Ende in einem ringförmigen
Träger angeordnet ist, der den Flußweg zum Film umgibt, während die anderen Enden
aller Lichtleiter an der Stirnfläche eines Hilfsfotometers zusammengebündelt sind.
Das eine Ende jedes Lichtleiters wird in dem ringförmigen Träger so gehalten, daß
seine Sichtachse nach rückwärts zum Abtaster hin gerichtet ist. Die Sichtachsen
der Lichtleiter sind in gleichmäßigen Abständen voneinander sowieso angeordnet,
daß sie durch einen Kreis verlaufen, dessen Mitte auf der emittierenden Oberfläche
des Lichtpunktabtasters liegt. Der Kreis hat vorzugsweise einen größeren Durchmesser
als der Abtaster.