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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
berührungsfreien Bestimmung der dreidimensionalen Gestalt eines
Gegenstandes auf optischem Wege, wobei die Vorrichtung
Mittel aufweist, um auf den Gegenstand das Bild eines
Testmusters zu projizieren, das Streifen oder Linien mit
räumlicher sinusförmiger Helligkeitsänderung umfaßt.
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Das Prinzip, die dreidimensionale Gestalt eines
Gegenstandes durch Projektion eines Feldes von geradlinigen
Streifen mit räumlicher sinusförmiger
Helligkeitsänderung auf einen Gegenstand, durch Abbilden des
Gegenstands auf lichtempfindliche Detektoren und durch Messen
der Signalphasen der lichtempfindlichen Detektoren zu
bestimmen, ist zum Beispiel in dem europäischen Patent
EP 0 182 469 beschrieben. Die Anwendung dieses Prinzips
führt dazu, daß nacheinander mit Hilfe eines ersten
Testmusters n von einem zum nächsten um 2π/n in der
Phase versetzte Streifenfelder und dann mit Hilfe eines
zweiten Testmusters n nacheinander um 2π/n in der Phase
versetzte Streifenfelder mit abweichendem Abstand auf
den Gegenstand projiziert werden, um eine Unbestimmtheit
von 2kπ bei der mit dem ersten Testmuster erhaltenen
Phasenmessung zu beheben, wobei k eine ganze Zahl ist.
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Bekanntermaßen kann das Feld von geradlinigen Streifen
in der Form eines diapositivartigen Umkehrfilms
vorliegen, auf dem ein Testmuster mit parallelen Linien
ausgebildet ist, die in eine Richtung rechtwinklig zu
der der Linien über eine sinusförmige
Transparenzänderung verfügen. Daneben sind Mittel zum seitlichen
Verschieben dieses Testmusters um n den Phasenabständen
von 2π/n entsprechende Entfernungen sowie Mittel zum
Austauschen des Testmusters vorgesehen, um die
Unbestimmtheit
von 2kπ bei der Phasenmessung zu beheben. Die
Messungen müssen in einer zur angestrebten Anwendung
dieses Prinzips passenden Zeitspanne ausgeführt werden,
die bei bestimmten Anwendungen verhältnismäßig sehr kurz
sein kann. Die oben erwähnten Mittel zum Verschieben und
Austauschen des Testmusters müssen deswegen so genau,
schnell und zuverlässig wie möglich sein.
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Aus den Schriften US-A-4,488,172 und aus der sich
überdeckenden, am 25.07.90 veröffentlichten Anmeldung EP-A-
379 079, sind Vorrichtungen bekannt, um zwei Testmuster
mit unterschiedlichem Abstand auf einen Gegenstand,
dessen Gestalt bestimmt werden soll, zu projizieren,
wobei die zwei Testmuster auf einer gleichen beweglichen
Platte oder einer gleichen Drehscheibe, der
Motoreinrichtungen für eine schrittweise Bewegung zugeordnet
sind, angeordnet oder ausgebildet sind. Diese bekannten
Vorrichtungen gestatten kein ausreichend schnelles und
genaues Verschieben und Austauschen des Testmusters.
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Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung der oben
genannten Art, die diesen Anforderungen an die
Genauigkeit, die Schnelligkeit und die Zuverlässigkeit
entspricht.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur berührungsfreien
Bestimmung der dreidimensionalen Gestalt eines
Gegenstands auf optischem Wege, mit Mitteln, um auf den
Gegenstand das Bild eines Testmusters zu projizieren,
das Streifen oder Linien mit räumlicher sinusförmiger
Helligkeitsänderung umf aßt, die beispielsweise auf einem
diapositivartigen Umkehrfilm ausgebildet sind, mit
Mitteln, um das Testmuster in eine zur optischen Achse
der Projektionsmittel und zur Richtung der Streifen oder
Linien des Testmusters rechtwinklige Richtung zu
bewegen,
mit einer beweglichen Halterung, die wenigstens
zwei Testmuster mit Streifen oder Linien mit
unterschiedlichem Abstand hält, und mit Motoreinrichtungen,
die die Halterung zu einer diskontinuierlichen
Wechselbewegung antreiben, um nacheinander jedes Testmuster auf
die optische Achse der Projektionsmittel zu zentrieren,
dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Halterung bei
einer Verschiebung in eine zu der optischen Achse
rechtwinklige und zur Richtung der Streifen oder Linien des
Testmusters parallele Richtung geführt ist und daß jedes
Testmuster mit Hilfe von zwei parallelen, elastisch
verformbaren Lamellen mit der beweglichen Halterung
verbunden ist, die Mittel zur Führung und Rückstellung
darstellen, die das Testmuster in eine zur Richtung der
Wirkung von Bewegungsmitteln entgegengesetzte Richtung
treiben, wobei letztere nockenartig ausgebildet sind.
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Diese Anordnung erlaubt einen sehr schnellen Austausch
der Testmuster, die auf einen Gegenstand, von dem die
Gestalt bestimmt werden soll, projiziert werden müssen,
da es genügt, eine senkrechte Halterung um eine
verhältnismäßig kurze Wegstrecke zu verschieben. Außerdem
stellen die Haltemittel der Testmuster auf der
beweglichen Halterung in gleicher Weise Mittel zur Führung
und Rückstellung der Testmuster dar, was darüber hinaus
den Bau und den Betrieb der Vorrichtung gemäß der
Erfindung erleichtert.
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Gemäß einer weiteren Eigenschaft der Erfindung weisen
die oben erwähnten Nockenmittel Nocken auf, die für eine
Drehung um eine zur optischen Achse parallele Achse
durch dieselbe Motoreinrichtung angetrieben sind, wobei
jeder Nocken auf ein zugehöriges Testmuster einwirkt.
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Diese Anordnung trägt ebenfalls zu der Schnelligkeit der
Messungen bei.
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Jeder Nocken wirkt vorzugsweise auf das zugehörige
Testmuster mit Hilfe eines Schwinghebels ein, der um eine
zur optischen Achse parallele Achse verschwenkbar
gelagert ist und der steuerbaren Mitteln zum
Inbetriebsetzen und Außerbetriebsetzen zugeordnet ist.
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Dieser Schwinghebel kann eine untersetzende Wirkung
haben, die es gestattet, die Genauigkeit der
Verschiebung des zugehörigen Testmusters im Verhältnis zu
der Genauigkeit bei der Herstellung des Nockens zu
erhöhen.
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Die Erfindung ist besser verständlich und ihre weiteren
Eigenschaften, Einzelheiten und Vorteile werden anhand
der nachfolgenden, als Beispiel unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen angefertigten Beschreibung
deutlicher, wobei:
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Fig. 1 schematisch das Prinzip der Bestimmung der
dreidimensionalen Gestalt eines Gegenstandes durch
die Projektion eines Feldes von geradlinigen
Streifen darstellt;
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Fig. 2 eine schematische Rißansicht der
Verschiebemittel und der Mittel zum Austausch der
Testmuster gemäß der Erfindung ist.
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Unter Bezug auf Fig. 1 ist schematisch das Prinzip
dargestellt, auf dem die Bestimmung der
dreidimensionalen Gestalt eines Gegenstandes durch die Analyse
der Bildphase eines Helligkeitssignals, das auf den
Gegenstand projiziert ist und das eine räumliche
sinusförmige Helligkeitsänderung aufweist, beruht.
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In dieser Figur bezeichnet die Bezugszahl 10 die
Gegenstandsoberfläche, deren Gestalt bestimmt werden soll und
auf die das Bild eines Testmusters 12 mit parallelen
Streifen oder Linien 14, die in eine Richtung
rechtwinklig zu ihrer eigenen Richtung über eine räumliche
sinusförmige Helligkeitsänderung verfügen, projiziert
ist.
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Zweckmäßigerweise ist dieses Testmuster auf einem
diapositivartigen Umkehrfilm ausgebildet und infolgedessen
läßt sich ein schematisch durch eine Optik 16
angedeuteter Projektor klassischer Art verwenden, um das
Bild dieses Testmusters auf der Gegenstandsoberfläche 10
zu erzeugen. Da diese Oberfläche nicht eben ist, sind
die Bilder 18 der Linien 14 des Testmusters nicht mehr
geradlinig und parallel, sondern durch das Relief der
Gegenstandsoberfläche deformiert, wobei ihre Deformation
für das Relief dieses Gegenstands kennzeichnend ist.
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Eine Optik 20 gestattet, das Bild der
Gegenstandsoberfläche auf einer Anordnung 22 von lichtempfindlichen,
beispielsweise CCD-artigen Detektoren, die einer
elektronischen Signalerfassung und einer
Signaldatenverarbeitung zugeordnet sind, zu erzeugen. Dafür läßt sich
beispielsweise eine mit einem Mikrocomputer verbundene
CCD-Videokamera verwenden.
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Durch eine Analyse der Phase des von jedem
lichtempfindlichen Detektor erfaßten Helligkeitssignals der
Anordnung 22 lassen sich die Höhen der Punkte der
Gegenstandsoberfläche 10 entlang einer Achse z bezüglich
einer Bezugsebene bestimmen. Zu diesem Zweck sind, wie
oben erläutert, auf die Gegenstandsoberfläche 10 n
Streifenfelder zu projizieren, die um 2π/n in der Phase
versetzt sind, wobei n oft gleich 4 gewählt ist, um am
Ausgang der lichtempfindlichen Detektoren, abgesehen von
Koeffizienten, Signale der Gestalt zu erhalten:
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I&sub0;=1+cosφ
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I&sub1;=l+sinφ
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I&sub2;=l-cosφ
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1&sub0;=1-sinφ
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Infolgedessen ist die Phase von jedem lichtempfindlichen
Detektor modulo 2π erhältlich:
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Die Unbestimmtheit von 2kπ des Phasenwertes läßt sich
beheben, indem ein Streifenfeld, das über einen
verschiedenen Abstand (beispielsweise größeren) gegenüber
dem zuvor projizierten Streifenfeld verfügt, auf die
Gegenstandsoberfläche projiziert wird. Aus diesem Grunde
ist es erforderlich, ein zweites Testmuster anstelle des
ersten anzuwenden.
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Die Mittel zum Verschieben und zum Austauschen des
Testmusters gemäß der Erfindung sind schematisch in Fig. 2
dargestellt.
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Diese Mittel sind einem nicht dargestellten Diaprojektor
klassischer Art zugeordnet und sind an einer Grundplatte
24 angebracht, die einen auf die zur Zeichenebene
rechtwinklige optische Achse 28 des Projektors zentrierten
Einschnitt oder Ausnehmung 26 umfaßt.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei
Testmuster 12a, 12b übereinander an einer beweglichen
Halterung 30 angebracht, die bei einer senkrechten
Verschiebung rechtwinklig zur optischen Achse 28 in einer
an der Grundplatte 24 befestigten Gleitschiene 32
geführt ist. Das untere Ende der beweglichen Halterung 30
ist über eine Kurbelstangeneinrichtung 34 mit der
Antriebswelle eines auf der Grundplatte 24 angebrachten
elektrischen Motors 36 verbunden. Dieser elektrische
Motor ist von der Art eines Schrittmotors und ist so
gesteuert, daß er die bewegliche Halterung 30 in einer
diskontinuierlichen Wechselbewegung verschiebt, wodurch
es möglich ist, zunächst ein und dann das andere
Testmuster auf der optischen Achse 28 des Projektors zu
zentrieren.
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Die Testmuster 12a, 12b umfassen jeweils einen
Außenrahmen 38 von rechteckiger oder quadratischer Form, bei
dem die zwei senkrechten Seiten jeweils in ihrer Mitte
einen Ansatz oder Zapfen 40 aufweisen, der nach außen
weist und der einen Befestigungsbereich des oberen Endes
einer elastisch verformbaren Lamelle 42 bildet, deren
untere s Ende an einer den Träger der beweglichen
Halterung 30 bildenden Querstange befestigt ist. Jedes
Testmuster 12a, 12b ist folglich in der beweglichen
Halterung 30 durch zwei parallele elastisch verformbare
Lamellen 42 aufgehängt, die durch Biegen die seitliche
Verschiebung des Testmusters in eine Richtung erlauben,
die zur optischen Achse 28 sowie weiterhin zur
senkrechten Verschieberichtung der beweglichen Halterung 30
rechtwinklig ist.
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Ein U-förmiges Teil 44, das zwei parallele Arme 46, 48
ungleicher Länge aufweist, ist an der beweglichen
Halterung 30 derart angebracht, daß seine Arme 46, 48 die
Testmuster 12a, 12b einschließen können, wobei der kurze
Arm 46 sich auf der rechten Seite des unteren
Testmusters 12a erstreckt und dessen Verschiebung auf der
Zeichnung nach rechts verhindert, während der lange Arm
48 auf der linken Seite des oberen Testmusters 12b
anliegt und dessen seitliche Verschiebung auf der
Zeichnung nach links verhindert. Das Anliegen der Arme
46, 48 an die Testmuster 12a, 12b ist jeweils
vorgesehen, um die Aufhänglamellen 42 bei dem Testmuster 12a
geringfügig nach links und bei dem Testmuster 12b nach
rechts zu biegen und um so seitliche Schwingungen der
Testmuster und ihrer Aufhänglamellen zu verhindern.
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Außerdem sind jedem Testmuster 12a, 12b seitliche
Verschiebemittel zugeordnet, die im dargestellten
Ausführungsbeispiel im wesentlichen einen Schwing- oder
Kipphebel 50 umfassen, der um -eine zur oPtischen Achse
parallele Achse 52 verschwenkbar auf der Grundplatte 24
angebracht ist und dessen unteres Ende dazu vorgesehen
ist, am Umfang eines schematisch angedeuteten Nockens 54
anzuliegen, während sein oberes Ende dazu vorgesehen
ist, an einen Ansatz 40 des zugehörigen Testmusters 12a,
12b anzuliegen.
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Die beiden Nocken 54 werden durch einen Zahnriemen 56,
der selbst durch die Antriebsachse eines auf der Platine
24 angebrachten Motors 58 angetrieben ist, in die
gleiche Richtung und mit der gleichen
Winkelgeschwindigkeit in Drehung versetzt.
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Zweckmäßigerweise sind Mittel vorgesehen, um jeden
Schwinghebel 50 in Betrieb und außer Betrieb zu setzen,
und die beispielsweise einen Hebel 60 umfassen, der dem
Schwinghebel zugeordnet und der an der Drehachse 52
angebracht ist, wobei er mit seinem freien Ende an einer
schematisch in der Strichart einer Achse dargestellten
Zugfeder 62 verbunden ist. Ein vormagnetisierter
Elektromagnet 64, der auf der Grundplatte 24 angebracht
ist, gestattet, bei Abwesenheit eines Erregerstroms den
Hebel 60 gegen den Zug der Feder 62 anzuziehen und den
Schwinghebel in eine Richtung zu drehen, die den
Schwinghebel vom Nocken 54 und vom Ansatz 40 des
zugehörigen Testmusters entfernt. In dieser Stellung wird
die Drehung des Nockens 54 nicht auf das zugehörige
Testmuster 12a, 12b übertragen und das obere Ende des
Schwinghebels ist außerdem vom Ansatz 40 des zugehörigen
Testmusters entfernt. Falls im Gegensatz dazu der
Elektromagnet 64 durch einen elektrischen Strom angeregt
ist, dreht die Feder 62 den Hebel 60 in eine Richtung,
daß die Enden des Schwinghebels 50 auf dem Nocken 54 und
auf dem Ansatz 40 des zugehörigen Nockens zum Anliegen
gebracht werden.
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Die Mittel zum Verschieben und Austauschen des
Testmusters funktionieren auf folgende Weise:
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In der in der Zeichnung dargestellten Stellung ist
das obere Testmuster 12b auf der optischen Achse 28 des
Projektors zentriert und ist infolgedessen benutzbar.
Der entsprechende Elektromagnet 64 (in der Zeichnung der
linke) ist angeregt, und der entsprechende Schwinghebel
(der linke) liegt auf dem zugehörigen Nocken 54 und auf
dem linken Ansatz 40 des Testmusters 12b auf. Die volle
Umdrehung des Nockens 54 drückt sich in einer seitlichen
Hin- und Herbewegung des Testmusters in horizontale
Richtung in der Zeichnung aus. Genauer gesagt, das obere
Testmuster 12b ist durch den Schwinghebel 50, ausgehend
von einer Anfangsstellung, nach rechts verschoben und
wird in diese Anfangsstellung durch die elastische, von
den Aufhänglamellen 42 ausgeübte Rückstellkraft
zurückgeführt, wobei die Hin- und Herbewegung des Testmusters
symmetrisch ist, um den Takt der Datenerfassung zu
verdoppeln.
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Der Schwinghebel 50 hat eine untersetzende Wirkung, die
es gestattet, die Genauigkeit der Verschiebung des
zugehörigen Testmusters im Verhältnis zu der Genauigkeit
der Herstellung des Testmusters als Funktion des
Hebelverhältnisses zwischen dem Nocken und dem Testmuster zu
erhöhen.
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Der Umfang des Nockens 54, auf den sich der Schwinghebel
50 stützt, kann kontinuierlich oder abgestuft sein
Jeder halbe Umfang des Nockens umfaßt vier Stufen, die
jeweils den Phasenabständen 0, π/2, π und 3π/2
entsprechen, oder ebenso eine kontinuierliche Rampe, die
die Phase von 0 bis 2π auf kontinuierliche und
gleichförmige Weise verändert. In beiden Fällen drückt sich
die Halbdrehung des Nockens in einer Verschiebung des
Testmusters um Entfernungen aus, die Phasenabständen von
π/2, π und 3π/2 des Streifenfeldes, ausgehend von einer
einem Phasenversatz von 0 entsprechenden
Anfangsstellung, entsprechen.
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Nachdem die notwendigen Messungen während der Projektion
des Testmusters 12b auf die Gegenstandsoberfläche
durchgeführt worden sind, wird der entsprechende
Elektromagnet 64 abgestellt, der linke Schwinghebel 50 wird
durch den Hebel 62 in Ruhestellung gebracht, und der
Motor 36 steuert die vertikale Verschiebung der
beweglichen Halterung 30 nach oben, um das untere Testmuster
12a auf die optische Achse 28 des Projektors zu bringen.
Durch Anregen des rechten Elektromagnets 64 wird der
Schwinghebel 50 in Betrieb genommen und setzt die
Drehung des zugehörigen Nockens 54 in eine seitliche
Verschiebung des Testmusters 12a um.
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Als Beispiel sei darauf hingewiesen, daß die benutzten
Testmuster 12a und 12b über verhältnismäßig stark
unterschiedliche Abstände zwischen den Streifen verfügen
können, wobei das Testmuster, das den größten Abstand
aufweist, bezüglich der beweglichen Halterung an einem
höheren Ort angeordnet ist, so daß seine seitliche
Bewegung über die Biegung der Aufhänglamellen 42 größer
sein kann; die Nocken 54 sind mit einer
Drehgeschwindigkeit angetrieben, die beispielsweise in der
Größenordnung von zwei Umdrehungen pro Sekunde liegt, wobei
eine Umdrehung einer Hin- und Herverschiebung eines
Testmusters entspricht und wobei sich das Auswechseln
des Testmusters über eine vertikale Verschiebung der
beweglichen Halterung 30 in einigen Zehnteln Sekunden
vollzieht. Infolgedessen ist die Aufnahmedauer der für
die Bestimmung der dreidimensionalen Gestalt eines
Gegenstandes notwendigen Signalerfassung durch eine
Vorrichtung, die mit den Mitteln zum Verschieben und
Auswechseln des Testmusters gemäß der Erfindung versehen
ist, von der Größenordnung einer bis maximal weniger
Sekunden.
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Das Verwenden der Nocken zum Verschieben der Testmuster
erlaubt eine Genauigkeit von Mikrometern bei einem
Verschiebeweg von der Größenordnung von Millimetern oder
Zentimetern, was mit piezoelektrischen oder
elektromechanischen Mitteln unmöglich wäre.
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Selbstverständlich sind verschiedene Abwandlungen an den
beschriebenen und dargestellten Einrichtungen aus
führbar:
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- beispielsweise können die Rahmen 38 der Testmuster so
gestaltet sein, daß die Nocken 54 unmittelbar auf die
Ansätze 40 einwirken, welches einen Verzicht auf die
Schwinghebel 50 gestattet (dafür lassen sich die
Ansätze 40 verlängern und die Nocken 54 auf Höhe
dieser Ansätze anordnen);
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- mehr als zwei Testmuster, die alle unterschiedliche
Abstände haben, können an der beweglichen Halterung 30
angebracht sein, die dann zwischen einer Anzahl von
Stellungen, die der Zahl der Testmuster entspricht,
verschiebbar ist, um jedes Testmuster nacheinander auf
die optische Achse des Projektors zu bringen, wobei
jedes Testmuster mit größerem Abstand gestattet, die
Unbestimmtheit von 2kπ bei dem mit Hilfe des
Testmusters mit unmittelbar geringerem Abstand aus
geführten Phasenmessungen zu beheben,
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- jeder Nocken kann auf zweifache Weise auf das
zugehörige Testmuster einwirken, um es auf positive Weise
in eine Richtung und dann in die andere zu
verschieben, wodurch die elastischen Rückstellmittel
entbehrlich werden.