DE2750504A1 - Sichtanzeigevorrichtung zur darstellung von zeichen - Google Patents

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504 heb-pi

Sichtanzeigevorrichtung zur Darstellung von Zeichen

Die Erfindung betrifft eine Sichtanzeigevorrichtung zur Darstellung von Zeichen. Bei der Konstruktion von Anzeigevorrichtungen mußte man sich zwischen einerseits teuren Anordnungen mit hoher Auflösung, bei denen für jeden Punkt eine gesonderte Lichtquelle vorgesehen ist und der Verwendung einer einzigen Linie von Lichtquellen und einem gleichförmig und ständig rotierenden Spiegel entscheiden, was zwar die Anzahl der erforderlichen Lichtquellen stark verringert, wobei jedoch die Bildanzeige wegen des rotierenden Spiegels Verzerrungen aufweist, die einen konkaven Eindruck liefern und ein sehr schmales Anzeigefeld ergeben, wodurch die Höhe des darzustellenden Gegenstandes beschränkt ist.

Zusammenfassung der Erfindung:

Anzeigevorrichtungen lassen sich dadurch aufbauen, daß man dem von einer Quelle ausgehenden Licht eine Bewegung erteilt, so daß die Lichtquelle als Linie erscheint, wobei dann die Linie dadurch aus einzelnen Segmenten zu bestehen scheint, daß das von der Lichtquelle ausgehende Licht unterbrochen wird. Durch die Kombination des Einsatzes von nacheinander betätigten Lichtquellen in einer Linie und koordinierten Unterbrechungen des von jeder Lichtquelle ausgehenden Lichtes läßt sich ein zweidimensionales verzerrungsfreies Abbild erzielen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

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2750604

-H-

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine rein schematische Darstellung der funktionalen Be-

Ziehungen der einzelnen Teile der Erfindung, wie sie sich einem Beobachter darstellen;

Fig. 2A,B und C eine Darstellung der gegenseitigen Beziehung der Bewegung mit dem An- und Abschalten der Lichtquelle zur Erzeugung von scheinbaren Lichtsegmenten;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform

der Erfindung mit einem rotierenden Prisma;

Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Verwendung in Verbindung mit

Fig. 3 und

Fig. 5 ein Blockschaltbild der in Fig. 3 schematisch gezeigten

Anordnung. ^!

ι Die Erfindung macht von der Trägheit des menschlichen Auges und der j

Möglichkeit, bestimmte Lichtquellen rasch an- und abschalten zu können und einer Relativbewegung Gebrauch, so daß dem menschlichen Auge ein , scheinbar zweidimensionales Abbild dargeboten wird. Dies wird dadurch ' erreicht, daß man dem von einer Lichtquelle ausgehenden Licht eine Be- j wegung in einer Dimension erteilt, wobei die Lichtquelle rasch ein- und ausschaltbar ist, womit dann das Licht während eines Bewegungszyklus selektiv aus- und eingeschaltet wird. Als Ergebnis erhält man einen Lichtpunkt der den Anschein einer Linie erweckt, wobei die Linie wiederum in auswählbare Segmente unterbrochen ist. Wird eine Reihe kleiner Lichtquellen in einer Linie senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet und werden die Ein- und Ausschaltzeiten der Lichtquellen miteinander koordiniert, dann wird ein zweidimensionales Abbild angezeigt.

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ι In Fig. 1 sind schematisch die einzelnen Teile der Erfindung dargestellt. Dabei ist eine Lichtquelle gezeigt, die durch ein Steuerelement 2 selektiv unterbrochen werden kann. Das von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht wird durch Einführen der Bewegung durch das Element 4 für einen Beobachter 3 den Anschein erwecken, als ob es sich linear bewegt. Das Element kann dabei eine unmittelbar auf die Lichtquelle selbst angesetzte Bewegungsvorrichtung sein oder in den Fällen, wo es vorzuziehen ist, daß die Lichtquelle feststeht, kann das Element 4 mit einer oszillierenden Winkelbewegung oder mit einer zyklischen Linearbewegung oder vorzugsweise ein lichtbrechendes Element sein, das den Lichtstrahl in der Weise umlenkt, daß dann, wenn das lichtbrechende Element 4 einen Bewegungszyklus durchläuft, der Beobachter 3 den Eindruck hat, als ob die Lichtquelle 1 eine Linie durchläuft. Ferner ist ein Modulator 5 vorgesehen, durch den die Ein- und Abschaltzeiten der Lichtquelle 1 mit der Position des Bewegungszyklus korreliert werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, den Anschein einer selektiven Darstellung von Segmenten einer Linie zu erwecken. Die einzelnen Segmente können dadurch kleiner und kleiner gemacht werden, daß man das Verhältnis der Ein- und Abschaltzeiten zu dem Bewegungszyklus verkürzt, wobei die Obergrenze natürlich bei den Abmessungen der Lichtquelle liegt.

; Die Lichtquelle muß dabei mit nur ganz geringem Nachglühen ein- und abschaltbar sein, so daß nur Teile des Bewegungszyklus beleuchtet werden, j und sie sollte auch klein genug sein, daß sie in einer linienförmigen oder quasi linearen Anordnung zusammengefaßt angeordnet werden kann, die im j wesentlichen kontinuierlich aussieht. Dies könnte beispielsweise eine ζ ick jzack-förmige Linienführung sein. Eine Festkörperlichtquelle, wie z.B. eine

lichtemittierende Diode (LED) oder eine Elektrolumineszenzdiode erfüllt diese Bedingungen. ;

In Fig. 2 ist die Rolle eines lichtbrechenden Elementes in der Bewegung im einzelnen gezeigt. Fign. 2A und 2B zeigen die Arbeitsweise eines Prismas 6 mit parallelen Seitenflächen. Fig. 2A zeigt dabei drei von einer Punktlichtquelle 7 ausgehende und an der linken Oberfläche des Prismas 6 gemäß dem

anaa^/nsaa

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SnelIschen Gesetz der Optik gebrochene typische Lichtstrahlen RI, R2 und j R3. Diese Lichtstrahlen durchlaufen das Prisma und treten an der rechten I Fläche aus, wo sie erneut gebrochen werden. Jeder Strahl verläßt das I Prisma in seiner ursprünglichen Richtung, jedoch seitlich verschoben. Die j austretenden Strahlen scheinen dabei ihren Ursprung am Punkt 8 zu haben, I wie dies durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Obgleich die optischen ; Verhältnisse mit einer Punktlichtquelle dargestellt wurden, ist das Verfahren i doch auch für eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle, die aus vielen Punkt-

! lichtquellen bestehend gedacht werden kann, ebenfalls richtig.

I Fig. 2B zeigt den Fall, wenn das Prisma um die Achse 9 in Fig. 2A und 2B : gedreht wird. Das virtuelle Abbild liegt nunmehr bei 8', das gegenüber der vorhergehenden Position verschoben ist, die in Fig. 2B bei 8 eingezeichnet I ist. Die Verschiebung erfolgt dabei hauptsächlich in vertikaler Richtung, ι während vergleichsweise für praktische Werte des Brechungsindex die Ver- '■ Schiebung in horizontaler Richtung klein ist. Gleichung 1 gibt dabei die i vertikale Verschiebung des Bildes 8 mit einer praktisch brauchbaren Genauigkeit an, wenn der Beobachter in einem solchen Abstand von Abtastvorrichtung sich befindet, der groß genug ist im Vergleich mit den Abmessungen des Abtasters. Wenn man daher die Lichtquelle bei 7 unterbricht, wie dies durch die Impulse in Fig. 2C dargestellt ist, so erhält man die drei in Fig. 2C dargestellten Liniensegmente.

Eine gewisse Flexibilität steht in der Auswahl des lichtbrechenden Elements zur Verfügung. Es ist lediglich notwendig, daß zwei Seiten mit einer derartigen geometrischen Beziehung zueinander vorhanden sind, daß sich eine seitliche Verschiebung eines Lichtstrahls ergibt, der an einer Seitenfläche eindringt und aus der anderen Seitenfläche wieder austritt. Für eine gegebene Gesamtdiagonalabmessung liefert ein vierseitiges Prisma das größte Bildfeld, wobei das Bildfeld mit zunehmender Anzahl von Prismaseiten kleiner wird.

Es sei ferner daraufhingewiesen, daß dann, wenn die Bewegung eine Rotation ist, sich die Position der Punkte in der Linie des scheinbaren Abbildes

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nicht linear mit dem Grad der Rotation ändert, so daß diese Tatsache beim An- und Ausschalten der Lichtquelle mit berücksichtigt werden muß.

In Fig. 3 ist eine Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden und einem rotierenden Prisma gezeigt. Die Anzeigevorrichtung besteht dabei aus einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden als Lichtquellen IA bis 1N, die eng benachbart längs einer Linie angeordnet sind. Festkörper-Leuchtdioden haben als Lichtquelle insofern eine Anzahl von Vorteilen, da sie ausreichend klein sind, womit eine größere Anzahl eng benachbart zueinander angebracht werden können, so daß man in der horizontalen Dimension der Anzeigevorrichtung eine bessere Auflösung erhält. Die lichtemittierenden Dioden haben außerdem die Eigenschaft, daß der Übergang vom Ausschaltzustand zum Einschaltzustand und von Einschaltzustand zum Ausschaltzustand nahezu augenblicklich erfolgt. Diese Eigenschaft ergibt auch in vertikaler Dimension eine größere Auflösung. Die Bewegung wird dadurch erzeugt, daß man ein vierseitiges brechendes Prisma 6 rotiert, so daß jeder von einer der lichtemittierenden Dioden 1A bis 1N ausgehende Lichtstrahl sich dem Beobachter 3 als ein Linienzug darstellt, wobei diese Linie unterbrochen werden kann. Eine beispielhafte Darstellung geben hierbei fünf lichtemittierende Dioden, die die Darstellung des alphabetischen Zeichens Y liefern.

Für eine Korrelation der Rotationsbewegung mit der Unterbrechung des Lichtes muß eine Reihe von Signalen mit nicht gleichförmigen zeitlichen Abständen bereit gestellt werden, wenn das Licht durch jede Fläche hindurchi tritt. Die Rotation des lichtbrechenden Elements oder Prismas 6 verschiebt I den scheinbaren Ort der Elemente IA bis 1N in vertikaler Richtung gemäß der ' Beziehung der Gleichung 1, wenn Eintritts- und Austrittsflächen parallel sind.

Gleichung 1: Y=T Sin θ '- ^{Cos θ}

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wobei Y die Verschiebung

T die Dicke des Brechungselements 6
N der Brechungsindex und
Öder Rotationswinkel ist.

¹ Der Rotationswinkel θ nimmt linear mit der Zeit zu, daher erhält man Gleichung 2: θ = 2 ir ft
. wobei f die Rotationsfrequenz und t die Zeit ist.

j Ein vierseitiges quadratisches Prisma führt für eine Umdrehung vier voll-

' ständige vertikale Abtastbewegungen je eine für jede Seite aus. Da das Bild

ι dadurch erzeugt wird, daß die lichtemittierenden Dioden zum richtigen Zeiti
punkt impulsmäßig betätigt werden, wird die Impulsfolge einmal je Seite für das Prisma 6 wiederholt. Die Trägheit des Auges ergibt dann den Eindruck eines stehenden Bildes, wenn die Rotationsgeschwindigkeit ausreichend hoch ist. Mit einer Rotationsfrequenz von 15 je Sekunde oder 900 Umdrehungen pro Minute erzielt man eine Flackerfrequenz von 60 Hz, die für die meisten Zwecke ausreicht. Für eine ruhige Betrachtung reichen 60 vollständige Bilder je Sekunde aus und ein Flackereffekt der Anzeige wird vermieden.

Eine nahe bei der Netzfrequenz, jedoch geringfügig von ihr abweichende Umdrehungszahl je Sekunde kann stark störende Interferenzschwingungen bei der Hintergrundbeleuchtung hervorrufen, da das Licht und insbesondere das Fluoreszenzlicht bei Harmonischen der Netzfrequenz moduliert ist. Es ist daher erwünscht, bei Verwendung von Rotation den Antrieb mit einem Synchronmotor vorzunehmen, der bei einer phasenstarren Frequenz arbeitet, die mit der Netzfrequenz in einem harmonischen Verhältnis steht. Für eine Netzfrequenz von 60 Hz ist beispielsweise ein Synchronmotor mit 900 Umdrehungen pro Minute brauchbar.

Die vertikale Höhe der Anzeige ergibt sich aus der folgenden Gleichung 3:

H = 2 YMax

YO 976 ooo 80982^/0598

In Gleichung 3 wird Y Max durch Gleichung 1 berechnet, für den maximalen Winkel, der für ein vierseitiges quadratisches Prisma bei etwa 40° liegt. Für ein Material mit Brechungsindex von 1,5 ist H etwa 0,56 T. Unter diesen Umständen liefern Winkel größer als 40° wegen innerer Reflexionen ; Mehrfachbilder. In der Praxis hat eine etwas geringere Bildhöhe als die volle vertikale Bildhöhe den wünschenswerten Vorteil, daß sich der Beobachter 3 bewegen kann.

Für eine gute Bildqualität sollten die Auftastimpulse für die lichtemittierenden Dioden für die vertikale Richtung einen gleichmäßigen Abstand aufweisen, und dieser Abstand sollte etwa gleich dem Abstand in horizontaler Richtung sein. Es ist außerdem erwünscht, daß die durch jede Seite des Prismas I erzeugten Bilder eng zusammenfallen. Das Ausmaß, mit der dieser Forde- ; rungen erzielbar sind, hängt im wesentlichen von einem Ausgleich zwischen ' der Komplexität der Apperatur und der Klarheit des Bildes ab. Je unklarer das Bild sein kann, umso weniger genau kann die Steuerung sein.

In Fig. 4 sind die Taktsignale für die zeitlichen Beziehungen von Fig. 3 gezeigt. In Fig. 4 sind dabei vier Diagramme gezeigt, deren Zeitmaßstab gleich der Durchlaufdauer einer Seite des Prismas 6 in Fig. 3 ist. In Fig. 3 ist auf der gleichen Rotationsachse 9 eine Taktgeberscheibe 10 angeordnet, : die beispielsweise eine durchscheinende Scheibe mit undurchsichtigen Marken 11 sein kann, die gleiche Abstände voneinander aufweisen und jede Fläche des Prismas 6 kennzeichnen. Da das Prisma 6 quadratisch ist, sind hier vier Marken 11 vorgesehen. Zwischen den einzelnen Anzeige- . marken 11 liegen Kodiermarken 12, die die Startzeiten der Einschaltperioden ι der lichtemittierenden Dioden steuern.

Man sieht aus Gleichung 1, daß die Verschiebung eine nichtlineare Funktion des Rotationswinkels θ und damit der Zeit ist, so daß die Auftastimpulse nicht mit gleichförmigen Abstand erzeugt werden können. Der Abstand ist dann am größten, wenn die Fläche des Prismas 6 nahezu senkrecht verläuft

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für O= 0, und die Auftastimpulse liegen am nächsten beieinander, wenn die j Grenzen des ausnutzbaren Sichtwinkels durch das Prisma erreicht sind. j

Die Codiermarken 12 werden auf der Taktgeberscheibe 10 für jede Fläche '

i des Prismas 6 in durch Gleichung 1 bestimmte Positionen angebracht. !

Obgleich zwischen den die Kanten der Seitenflächen des Prismas kennzeichnenden Marken 11 fünf Codiermarken 12 je Seitenfläche des Prismas dargestellt sind, j so leuchtet doch sofort ein, daß mit zunehmender oder abnehmender Anzahl dieser Codiermarken die Bildauflösung sich verändert.

Die Marken werden dadurch abgefühlt, daß eine Lichtquelle 13 und ein damit zusammenwirkender Lichtdetektor 14 entsprechende Taktsignale erzeugen, die in Fig. 1 als Codierimpulse bezeichnet sind und die wiederum
einen Impulsgenerator 15 ansteuern, der die in Fig. 4 mit Auftastimpulse
bezeichneten rechteckigen Impulse abgibt.

In Fign. 4 und 5 ist die Erzeugung des Buchstabens Y in Verbindung mit der
in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Dabei ist das Abbild in dieser Figur 3 auf der Vorderseite des Prismas dargestellt, sollte jedoch, wie sich aus Fig. 2 ergibt, etwas hinter dem Prisma liegen. Der Buchstabe Y kann durch fünf lichtemittierende Dioden und fünf Auftastimpulse dargestellt werden, wie sich dies aus dem Impulsdiagramm der Fig. 4 ergibt.

Das funktionell Blockdiagramm gemäß Fig. 5 enthält einen Speicher 16
mit wahlfreiem Zugriff, der in fünf Worten zu je fünf Bit organisiert ist, wie
dies Tabelle 1 zeigt.

TABELLE 1

1	YO 976 040	0	0	3	0	4	1	5	— Adresse	0
0	1	0	8	1	8 24	0	b98	— Adresse	1
0	0	1	0	0	— Adresse	2
0	0	1	0	0	— Adresse	3
0	0	1	0	0	— Adresse	4
Bit 1	Bit 2	Bit	Bit	Bit
		09	i/o

j -"- 2750S04

Wenn das Muster gemäß Tabelle 1 zum Einschalten der lichtemittierenden Dioden IA bis IE für einen Teil des Rotationszyklus benutzt wird, dann wird !über die Trägheit des menschlichen Auges der Buchstabe Y erzeugt, wie dies

{Fig. 3 zeigt.

Die Taktgabe und Arbeitsweise des Speichers 16 wird durch einen Impulszähler 17 gesteuert, der ein Dreibit-Binärzähler ist. Dem Zähler werden zwei Eingangssignale zugeführt, wobei das erste Eingangssignal den Zähler !dann löscht, wenn jede Prismafläche an der der Oberseite der Anzeigefläche entsprechenden Position ankommt, sowie ein zweites Eingangssignal, das die Codierimpulse zählt und die Adressen im Speicher 16 fortschaltet. Die zum Löschen des Impulszählers 17 bei Beginn jeder Fläche verwendeten Impulse sind in Fig. 4 mit "Startimpulse¹¹ bezeichnet. Diese Impulse werden durch die mit "Start" bezeichnete Schaltung 18 in Fig. 5 ausgewählt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Anzeigemarken 11 der Taktgeberscheibe breiter sind als die Codiermarken. In gleicher Weise .nimmt die in Fig. 5 mit "Takt" bezeichnete Schaltung 21 selektiv die Codieri impulse auf und erzeugt daraus die in Fig. 4 mit "Taktimpulse¹¹ bezeichneten

jlmpulse. Die Taktimpulse betätigen wiederum eine monostabile Kippschaltung 20, die dann die in Fig. 4 dargestellten Auftastimpulse erzeugt. Die Dauer dieser Impulse steuert dabei die Einschaltzeit der lichtemittierenden Dioden, wie dies noch in der nachfolgenden Beschreibung der Fig. 5 erläutert j wird, und bestimmt damit die Schärfe der Abbildung. Die Hinterkanten der ; Auftastimpulse dienen der Fortschaltung des Impulszählers 17.

Gemäß Fig. 5 wird jedes Bit eines im Speicher 16 adressierten Wortes einem Eingang eines zugeordneten UND-Gliedes(19A bis 19E) zugeführt. An den anderen Eingängen liegen die gemeinsam zugeführten Auftastimpulse. Die Ausgangssignale der UND-Glieder werden den lichtemittierenden Dioden IA bis IE zugeleitet. Nach Feststellen eines Startimpulses wird der Impulszähler 17 gelöscht, und das bei der Adresse 0 im Speicher 16 abgespeicherte Bitmuster wird den UND-Gliedern zugeleitet. Die Ausgangssignale der UND-Glieder bleiben so lange null, bis der erste Codierimpuls die Erzeugung eines Auftastimpulses einleitet. Die den logischen Einsen in dem bei der Adresse 0

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8 0 9 8 2<|/ 0 5 9 8

275050Λ

gespeicherten Muster entsprechenden lichtemittierenden Dioden (in diesem Fall die Dioden IA und IE) werden dann für die Dauer des Auftastimpulses eingeschaltet. Am Ende des Auftastimpulses wird der Impulszähler 17 weitergeschaltet, und das Bitmuster der Adresse 1 wird den UND-Gliedern zugeleitet. Der nächste Auftastimpuls schaltet dann die Dioden 1B und ID ein. _; Für den dritten, vierten und fünften Auftastimpuls wird jeweils nur die Diode _: IC eingeschaltet. Die gesamte Folge wird für jede Seitenfläche der Abtastvorrichtung wiederholt, so daß ein flackerfreies Abbild des Buchstabens Y entsteht. Der Speicher 16 kann dabei in bekannter Weise über einen Eingang mit jedem beliebigen darzustellenden Muster geladen werden. Dabei erhält man eine große Flexibilität, da praktisch jedes beliebige Muster zur Darstellung in den Speicher eingegeben werden kann.

Die Erfindung kann dabei noch in verschiedener Weise ausgebaut werden, beispielsweise dadurch, daß man eine Linearbewegung der Lichtquelle verwendet oder durch geeignete Wahl des Winkels der Prismaflächen in bezug auf die Rotationsachsen des aus einem lichtbrechenden Material bestehenden Prismas bewirken kann, daß die Lichtquellen als Segmente in verschiedenen Linien auftreten.

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Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Sichtanzeigevorrichtung zur Erzeugung von linienförmigen Lichtsegmenten, dadurch gekennzeichnet, daß dem von einer Lichtquelle ausgehenden Licht entweder durch Bewegung der Lichtquelle oder durch Rotation eines lichtbrechenden Elements eine zyklische Bewegung erteilbar ist und daß dabei die Lichtquelle selektiv für mindestens einen Zeitabschnitt während jedes Zyklus der zyklischen Bewegung einschaltbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Lichts durch eine zyklische Linearbewegung eines Spiegels erzielbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Licht- : quelle eine Festkörper-Lichtquelle (z.B. IA) dient.

   ! 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 zur Erzeugung einer flächenhaften

   zweidimensionaien Darstellung aus einer eindimensionalen Reihenanordnung von Lichtquellen, dadurch gekennzeichnet, daß dem nichtreflek-

   ! tierenden Licht einer jeder dieser Lichtquellen (IA bis IN) eine zykli-

   sehe, senkrecht zu der Reihe der Lichtquellen verlaufende Bewegung

   j erteilbar ist, und daß dabei jede der Lichtquellen während jedes

   Zyklus der zyklischen Bewegung selektiv für mindestens einen Zeitabschnitt einschaltbar ist.

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   Sichtanzeigevorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 zur flächenhaften Darstellung von Zeichen mit einer einzigen linearen Anordnung von steuerbar an- und abschaltbaren Lichtquellen und einem dazu parallel angeordneten drehbaren, aus einem lichtbrecr"inden Material bestehenden prismatischen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Körper mindestens ein Paar parallel zur Rotationsachse verlaufender Seitenflächen aufweist, so daß das auf der einen Fläche eines Paares eintretende Licht nach doppelter Reflexion in dem prismatischen Körper bei dessen zyklischer Drehung als Liniensegment erscheint und daß die Lichtquellen synchron mit der Umdrehung des prismatischen Körpers impulsmäßig an- und abschaltbar sind und daß während einer Umdrehung des prismatischen Körpers die Lichtquellen selektiv mindestens einmal einschaltbar sind.

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