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Einrichtung zur Erzeugung mehrerer Strahlenbündel für Strahlungsrechner
Zur Bestimmung eines von einer oder mehreren sich ändernden Grundgrößen abhängigen
Wertes ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem zur Erzeugung des
gewünschten Wertes eine Strahlung oder ihre Wirkung laufend verändert wird. Die
Regelung der Strahlungen, Lichtstrahlungen, erfolgt hierbei zweckmäßig mit Hilfe
von Platten veränderlicher Durchlässigkeit, die in die Strahlengänge verstellbar
eingefügt sind.
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Zur Erleichterung des Verständnisses sei ein von der Patentinhaberin
vorgeschlagener Strahlungsrechner kurz beschrieben. Bei dieser Ausführung ist im
einfachsten Falle ein Rechen- und ein Kompensationsstrahl vorhanden. Im Rechenstrahl
wird ein Funktionswert f (a) eingestellt. Der Kompensationsstrahl wird durch
Blendenmodulation z8o° später eingeschaltet. Die Fotozelle bekommt demzufolge zunächst
einen Lichteindruck nur vom Rechenstrahl und darauf einen Lichteindruck nur vom
Kompensationsstrahl. Haben beide Strahlen gleiches Licht, d. h. die gleiche Intensität,
so liegt .an der Fotozelle eine
Gleichspannung, und die Zelle spricht
nicht an. überwiegt jedoch die Lichtintensität eines Strahles, so wird eine Wechselspannung
erzeugt, und zwar aus dem im Takte der Modulation pulsierenden Gleichstrom verschiedener
Amplitude. je nachdem, welche Strahlenseite überwiegt, wird ein Xachdrehmotor im
entsprechenden Drehsinne einen Kompensationsschieber so weit vorschieben, bis Gleichgewicht
herrscht. Ist dies der Fall, so zeigt die Isompensationsrasterplatte das Resultat
des Rechenvorganges an.
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Es besteht nun die Aufgabe, mehrere Strahlenbündel zu erzeugen. die
in einem gewünschten und genau einzuhaltenden Intensitätsverhältnis zueinander stehen,
und diese Lichtstrahlenbündel möglichst verlustfrei zu leiten. Erfindungsgemäß geschieht
dies dadurch, daß das von einer oder mehreren Lichtquellen ausgestrahlte Licht mit
Hilfe von innen vollkommen spiegelnden Glasröhren auf zwei oder mehreren örtlich
voneinander getrennten Wegen über Arbeitsebenen geführt und wieder zusammengefaßt
einer einzigen Fotozelle zugeführt wird.
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Fotozellen sprechen bekanntlich auf Liehtintensitätsschwankungen an
und setzen diese Schwankungen in proportionale Spannungsschwankungen um. Mit einer
derartigen Anordnung lassen sich nacheinander beliebig viele Einzelvorgänge durchführen.
Diese örtlich voneinander getrennten Lichtwege bztv. Lichtröhren oder Strahlen genügen
bei ihrer praktischenVerwendung folgenden Bedingungen: i. Die Strahlen sind nach
konstanten und genau einzuhaltenden Verhältnissen geteilt: die Lichtröhren stehen
also in einem ganz hestimmten Intensitätsverhältnis zueinander. Als Maß für die
Intensität gilt die von den einzelnen Strahlen am Orte der Fotozelle erzeugte Beleuchtungsstärke.
Dabei muß die Beleuchtungsstärke über die ganze benutzte Fläche der Fotozelle konstant
sein.
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2. Das gegenseitige Intensitätsverhältnis der einzelnen Lichtwege
ist weitgehend unabhängig von kleinen örtlichen Verschiebungen der Lichtquelle.
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3. jede dieser Lichtröhren besitzt mindestens zwei voneinander unabhängige
Ebenen konstanter Beleuchtung. Irgendwie geartete flächenmäßige Einblendungen des
Strahlenquerschnittes in einer dieser Ebenen -wirken auf die anderen Ebenen nur
intensitätsmäßig. Als homogen erleuchtet ist dabei eine Ebene nur dann zu betrachten,
-wenn jedes Flächenelement des Strahlenquerschnittes denselben Beitrag zur konstanten
Beleuchtung der benutzten Fläche der Fotozelle liefert. Eine oder mehrere Ebenen
dienen dabei der Durchführung irgendwelcher Vorgänge, z. B. einer Rechnung, eine
weitere der Modulation und eine dritte zur homogenen Beleuchtung der Fotozelle.
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Es darf also an keiner Stelle eine optische Abbildung auftreten. Verlangt
wird vielmehr nur ein Lichttransport, wie er im Grundprinzip in Fig. i schematisch
angedeutet ist. Das Licht der Lichtquelle L -wird dabei mit Hilfe zweier innen spiegelnder
Röhren auf zwei verschiedenen Wegen ein und derselben Fotozelle Z zugeführt. In
der Arbeitsebene 1-I kann hierbei die Modulation der Lichtstrahlen durch eine an
sich bekannte Einrichtung, z. B. eine Lochscheibe, erfolgen, wobei nur darauf zu
achten ist, daß die Summe der Lichtstrahlen auf den einzelnen Wegen in jedem Augenblick
dieselbe ist. In der Arbeitsebene II-II wird einer der weiter oben bereits genannten
Vorgänge z. B. durch Einbringen eines Rasters in den Strahlengang durchgeführt.
Die dritte, nicht besonders bezeichnete Arbeitsebene dient zur Beleuchtung der Fotozelle
Z.
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Es hat sich nun gezeigt, daß sich zum Lichttransport unter den geforderten
Bedingungen ganz besonders prismatische Glaskörper eignen, die unter Benutzung der
Totalreflexion eine innen vollkommen spiegelnde Röhre darstellen. Durch entsprechende
Wahl der Länge dieses Glaskörpers läßt sich immer erreichen. daß an der Austrittsstelle
der Lichtstrahlen aus demselben eine sowohl intensitätsmäßig wie auch aperturmäßig
homogen beleuchtete Ebene vorhanden ist, in der irgendwelche Vorgänge durchgeführt
werden.
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Wie aus der Fig. i hervorgeht, ist es erforderlich, die Richtung der
Lichtstrahlen zu ändern. Die naheliegende Lösung dieser Aufgabe besteht in der Anwendung
von Prismen mit versilberter Hypotenusenfläche. Diese: Verfahren bringt jedoch große
Lichtverluste mit sich, besonders dann, -wenn das Prisma mit den Glaskörpern verkittet
ist. Im Falle einer Verkittung für die Ablenkung um 9o= gehen erstens alle Strahlen
verloren, -welche direkt, ohne an der Hypotenusenfläche reflektiert zu -werden,
aus dem ersten prismatischen Glaskörper in den senkrecht zu diesem stehenden zweiten
Glaskörper gelangen, da sie auf die Wände dieser zweiten Röhre nicht innerhalb des
Winkels der Totalreflexion auftreffen, und zweitens alle Strahlen, -welche nach
der Reflexion an der Hvpotenusenfläche nicht auf das Eintrittsfenster der zweiten
Röhre treffen und durch das Austrittsfenster der ersten Röhre -nieder in diese zurücklaufen.
je nach dem zulässigen Öffnungswinkel tritt hierbei ein mehr oder -weniger großer
Lichtverlust ein, der z. B. bei vier aufeinanderfolgenden Richtungsänderungen fast
den gesamten ursprünglich vorhandenen Lichtstrom ausmachen kann. Unter Zuhilfenahme
des
Reflexionsgesetzes lassen sich diese Verhältnisse auch rechnerisich leicht nachweisen.
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Solche außerordentlich groß e Verluste treten nun nicht Tauf, wenn
das an seiner Hypotenusenfläche verspiegelte Prisma mit den Glaskörpern nicht verkittet
ist. Wie aus der Fig. a beispielsweise hervorgeht, treten in diesem Falle die bei
der verkitteten Ausführung vorhandenen Lichtverluste nicht auf. Die Lichtstrahlen
werden nämlich innerhalb des Prismas an dessen Eintritts- und Austrittsfenster und
am, seiner Hypotenusenfläche sitets so. reflektiert, daß sie im zweiten Glaskörper
dieselbe Neigung besitzen wie im ersten Glaskörper.
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Eine weitere Verbesserung besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Ablenkung
Glaskörper in der Form von Glasringen mit vorzugsweise quadratischem oder rechteckigem
Querschnitt benutzt werden, von denen Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel zeigt. Durch
diese Maßnahme werden auch die durch die Verwendung von unverkitteten Prismen entstehenden
Verluste noch vermieden. Ein Lichtstrahl durchsetzt einen solchen glasringförmigen
Glaskörper so, daß seine Länge zwischen zwei Reflexionen konstant bleibt. Dies,
ergibt sich daraus, daß der Einfallwinkel gleich dem Reflexionswinkel ist. Es folgt
weiter, daß ein Lichtstrahl, der bei diesem ersten Auftreffen auf die gekrümmten
Flächen innerhalb .des Winkels der Totalreflexion auftrifft, auch bei seinen folgenden
Reflexionen total reflektiert wird. In der Fig. 3 ist der Gang zweier verschiedener
Lichtstrahlen angegeben.
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Um die auch hierbei möglichen Verluste klein zu halten, ist es erforderlich,
möglichst große Glasringradien zu verwenden. Große Radien lassen sich erfindungsgemäß
nun dadurch vermeiden, daß der Glasring nach Art der Fig. 4 aus mehreren Schichten
zusammengesetzt wird, da die notwendigen Radien lediglich von der Höhe h dieser
Glasringe abhängen. Hierdurch tritt noch ein weiterer Vorteil ein. Wird nämlich
der zulässige öffnungswinkel uz," am Eintrittsfenster nicht oder nur teilweise erreicht,
so lassen sich über die Aperturverteilung am Austrittsfenster nur schwer bestimmte
Aussagen machen. Die Ungleichmäßigkeit der Lichtverteilung ist jedenfalls um so
geringer, je kleiner die Höhen h sind. Die geschichtete Ausführung der Fig. 4 bietet
also den großen Vorteil, daß die Lichtverteilung innerhalb des einzelnen Teilglasringes
homogener ist und damit auch dieLichtverteilung innerhalb des gesamten Austrittsfensters
als Summe der Fenster der Teilglasringe.
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Werden nämlich alle Teilglasringe gleichartig beleuchtet, so tritt
auch durch das Austrittsfenster der einzelnen Teilglasringe die gleiche Energie.
Die Fig. 5 a zeigt schematisch die 'Energieverteilung im Austrittsfenster eines
dreifach geschichteten Ringes, Fig. 5 b dagegen die Energieverteilung im Austrittsfenster
eines ungeschichteten Ringes.
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Die Strahlenteilung und -zusammenfassung läßt sich mit den beschriebenen
Mitteln ohne weiteres in der in Fig. r dargestellten Weise durchführen. Der an die
Lampe anschließende Teilungskörper muß dabei für die Strahlenteilung nur eine solche
Länge besitzen, daß die Homogenität der Beleuchtung nicht gestört wird, wenn die
Lampe sich innerhalb eines gewissen Bereiches verschiebt und damit sich auch die
Lage des leuchtenden Teiles des Eintrittsfensters verändert, da auf keinen Fall
eine Änderung des Teilverhältnisses stattfinden darf.
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In manchen Fällen macht sich bei dem erfindungsgemäßen Strahlengang
auch eine Verringerung oder eine Vergrößerung des Strahlenganges erforderlich, was
natürlich verlustfrei vor sich gehen soll. Dies ist erfindungsgemäß möglich durch
die Verwendung von Glaskörpern in Form von Pyramidenstümpfen, wie ein solcher zur
Verringerung des Röhrenquerschnittes in der Fig.6 dargestellt ist. Eine förderliche
Verkleinerung des Querschnittes ist dabei jedoch nur in beschränktem Umfange möglich.
Eine verlustlose Verkleinerung des Querschnittes ist nämlich zwangläufig mit einer
Aperturvergrößerung verknüpft und ist also nur dann von Nutzen, wenn die zulässige
Apertur in dem zu verkleinernden Querschnitt nicht erreicht wird.
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Wird die große (zu verkleinernde) Fläche mit F, die dort herrschende
Apertur mit ug, die kleine Fläche mit f und der dort zulässige größte Öffnungswinkel
mit zig bezeichnet, so gilt die Beziehung F - ,siin2ug = f . ,siin2ug . Mit dieser
Beziehung sind die Grenzen des Erreichbaren festgelegt. Die Wahl des Winkels a,
den die Flächen F und f der Pyramide mit der Höhe der Pyramide einschließen, und
die genaue Festlegung des zulässigen Verhältnisses F: f wird am zweckmäßigsten
durch Zeichr nung festgestellt. Dabei ist der durch den Rand der großen Fläche gehende
Strahl der größten Apertur zu verfolgen, weil dieser Strahl die größte Zahl von.
Reflexionen erleidet. Die Aperturerhöhung beträgt für jeden Strahl und für jede
Reflexion a a. Da nun die Zahl der Reflexionen, um ein bestimmtes F: f zu
erreichen, mit sinkendem; Winkel a zunimmt, der Unterschied in (der Anzahl der Reflexionen
zwischen: -dien am Rand und den, in der Mitte der Basisfläche in den Pyramidenstumpf
einfallenden Strahlen jedoch konstant bleibt, isst es von Vorteil, eine bestimmte
Mindestlänge des Pyramidenstumpfes bzw. eine bestimmte
Größe des
Winkels a nicht zu überschreiten, um am kleinen Austrittsfenster möglichst homogene
Aperturv erteilung zu erzielen.
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Bei umgekehrter Benutzung gestattet ein derartiger Pyramidenstumpf
eine beliebige Vergrößerung des Lichtröhrenquerschni.ttes bei gleichzeitiger Verringerung
der Apertur. «\;#Tie gefunden wurde, läßt sich bei einem prismatischen Glaskörper
nur dann eine über ihre ganze Fläche homogen leuchtende Spiegelbildebene erzielen,
wenn die Wendelfläche der Lampe mindestens die gleiche Größe besitzt wie der Ouerschnitt
der prismatischen Lichtröhre. Die Verwendung eines Pyramidenstumpfes in der in Fig.
7 dargestellten Weise ermöglicht es jedoch, auch größere Eintrittsfenster von prismatischen
Röhren so zu beleuchten, daß eine homogene Spiegelbildebene entsteht. Die durch
die Seitenflächen des Pyramidenstuinpfes erzeugten Spiegelbilder reihen sich nämlich
lückenlos aneinander, jedoch nicht in einer Ebene, sondern auf einem einer Kugel
einschreibbaren Polyeder (Fig. 7) . Eine Fläche dieses Polveders bildet das
Eintrittsfenster des Pyramidenstumpfes, den Mittelpunkt derselben bildet die Spitze
der Pyramide.
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Für das Eintrittsfenster eines nach Fig. 7 an die Basis des Py ramidenstumpfes
anschließenden prismatischen Glaskörpers stellt dieses Spiegelbildpolyeder nun eine
Lichtquelle dar, deren Ausdehnung größer ist als der Ouerschnitt des Glaskörpers.
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Es ist nun nicht unbedingt erforderlich, daß bei der erfindungsgemäßen
Anordnung eine reine Glasröhrenoptik Verwendung findet. Unterumständen kann auch
eine Kombination von Linsen- und Röhrenoptik von Vorteil sein. So können z. B. die
Strahlenteilung einschließlich Kondensor und die Strahlenzusammenfassung als Glasröhrenoptik,
die Einzelstrahlen mit denArbeitsebenen dagegen mitLinsenoptik ausgeführt «-erden.