Verfahren der Äquidensitometrie im Hinblick auf die quantitative Auswertung schalloptischer Abbildungen

64 Pages·1966·1.594 MB·German

by  Prof. Dr. Reimar Pohlman, Dipl.-Ing. Dieter Davidts, Dipl.-Ing. Rolf Brinkmann (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1709
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
vom Landesamt für Forschung, Düsseldorf
Prof. Dr. Reimar Pohlman
Dipl.-Ing. Dieter Davidts
Dipl.-Ing. Roif Brinkmann
Laboratorium für Ultraschall der Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen
Verfahren der Äquidensitometrie
im Hinblick auf die quantitative Auswertung
schalloptischer Abbildungen
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-06596-8 ISBN 978-3-663-07509-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07509-7
Verlags-Nr. 011709
© 1966 b y Springer Fachmedien Wiesbaden
UrsptÜnglicherscbienenbei \,\;'estdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1966.
Inhalt
1. Bekannte Prinzipien und Realisierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1 Aquidensitometrische Verfahren ............................. 8
1.1.1 Vorbemerkungen .......................................... 8
1.1.2 Elektrische Aquidensitenerzeuger mit mechanischen Elementen. . . 10
1.1.3 Elektrische Aquidensitenerzeuger ohne mechanische Elemente ... 22
1.2 Verwandte Problemstellungen und Verfahren ..... . . . . . . . . . . . .. 30
1.2.1 Vorbemerkungen .......................................... 30
1.2.2 Das Flying-Spot Microscope von ROBERTS und YOUNG .... ..... . .. 30
1.2.3 Amplitudeninspektion in der Kernforschungsmeßtechnik . . . . . . .. 32
1.2.4 Untersuchung von Signalquellen ............................. 35
2. Folgerungen und Bauvorschläge .................................. 37
2.1 Beurteilung der bisherigen elektrischen Aquidensitenverfahren . . .. 37
2.1.1 Vorbemerkungen .......................................... 37
2.1.2 Bildzerlegung und Bil::laufbau ............................... 37
2.1.3 Die Frage der Gradientenabhängigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
2.1.4 Diskussion der Auswertprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
2.1.5 Kontinuierliche und diskontinuierliche Abtastung .............. 46
2.1.6 Fehlerkorrektur durch Normalwertsteuerung .................. 49
2.1.7 Die spektrale Begrenzung ................................... 50
2.1. 8 Die Auswahl eines geeigneten lichtelektrischen Wandlers ........ 51
2.2 Bauvorschläge ............................................. 52
2.2.1 Allgemeine Verfahren ...................................... 52
2.2.2 Das Frequenzmodulationsverfahren .......................... 53
2.2.3 Das Phasenmodulationsverfahren ............................ 55
3. Zusammenfassung............................................... 61
4. Literaturverzeichnis ............................................. 63
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Einleitung
Diese Arbeit behandelt im Anschluß an die »T heoretischen Grundlagen der
Äquidensitometrie im Hinblick auf die quantitative Auswertung schalloptischer
Abbildungen« [1] die praktische Durchführung der Äquidensitometrie. Ziel der
Untersuchung war es, Richtlinien zum Bau eines automatischen Äquidensographen
zu gewinnen, der sich besonders gut zur Auswertung schalloptischer Abbildungen
eignet.
Die Ausführungen sind als Fortsetzung von [1] gedacht, so daß mehrmals ohne
besondere Erläuterungen auf [1] verwiesen wird.
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1. Bekannte Prinzipien und Realisierungen
1.1 Aquidensitometrische Verfahren
1.1.1 Vorbemerkungen
Dieser Abschnitt hat die Aufgabe, bekannte Prinzipien elektrischer Verfahren, die
unmittelbar der Äquidensitenerzeugung oder der Erzeugung entsprechender
Gebilde dienen, sowie etwaige Realisierungen vorzustellen. Ferner wird versucht,
die Verfahren nach den vier Teilaufgabenstellungen zu gliedern, die in 1.4 [1]
herausgearbeitet wurden. Damit ist man dann in der Lage, die in 1.4 [1] vor
geschlagene Liste der Prinzipien anzulegen.
Wie in Abschnitt 1.2 [1] ausgeführt, sind vielfältige Anwendungen der Äquiden
sitometrie möglich. Ebenso vielfältig aber waren auch die Impulse und Anre
gungen, ihre Problemstellung zu untersuchen und geeignete Mittel zu finden. Oft
trat die Problemstellung in Sachgebieten auf, die wenig Verbindung zur elek
trischen und elektronischen Meßtechnik besitzen. Andererseits ist es bei der Viel
falt der Sachgebiete, aus denen Anregungen kommen könnten, auch nicht mög
lich, mit Sicherheit sämtliche Arbeiten zu erfassen. In diesem Sinne erheben die
folgenden Ausführungen auch keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Eine Übersicht über einige frühe Verfahren der Äquidensitenherstellung, auch
über photographische 11ethoden, hat N. N. MICHELSON zusammengetragen im
Zusammenhang mit der Beschreibung seines Kompensationsisophotometers zur
Erforschung von Himmelsobjekten [2]. Für die Äquidensiten nennt er die Be
zeichnungenlsophote und - im Zusammenhang mit photographischen Schichten
lsodens.
Man entnimmt seinen Ausführungen, daß ein erster Vorschlag zur Lösung der
Problemstellung mit elektrischen Hilfsmitteln im Jahre 1936 von B. THÜRING
und G. ZIMMERMANN [3] gemacht wurde. Ihr Vorschlag bestand darin, ein Mikro
photometer von Zeiss in der Weise zu erweitern, daß der Strom des Photoele
mentes eine Lochblende betätigen sollte. Nur in einer bestimmten Stellung sollte
ein Lichtstrahl diese Blende passieren und auf eine registrierende Photoplatte oder
ein Papier fallen. Original und registrierendes Material sollten synchron bewegt
werden. Nach den Angaben von MICHELSON ist dieser Vorschlag nie realisiert
worden.
Als weiteren Vorschlag führt MICHELSON den von H. W. BABCOCK aus dem Jahre
19 SO an. Dieser Vorschlag bestand darin, ein elektronisch-optisches System zu
verwenden [4]. Der bewegte Lichtpunkt einer Oszillographenröhre dient als Licht
quelle zur Abtastung einer transparenten Film- oder Plattenvorlage. Der Leucht
fleck wird auf diese über eine Optik abgebildet. Das Licht tritt entsprechend der
8
lokalen Schwärzung der Vorlage aus dieser intensitäts moduliert aus und wird von
einem Photoelement ausgemessen.
Das elektrische Signal ist auszuwerten. Unter bestimmten Bedingungen wird dann
eine Spannung erzeugt, die die Hellsteuerung eines zweiten Oszillographen be
tätigt, dessen Leuchtfleck synchron mit dem des ersten Oszillographen abgelenkt
wird. Der 2. Oszillograph schreibt das Ergebnis der Auswertung auf. - Nach
MICHELSON ist ein analoger Vorschlag - der jedoch die Verwendung einer Nipkow
Scheibe vorsah - bereits 1947 von Ingenieur N. F. KUPREVICZ, einem wissen
schaftlichen Mitarbeiter der Hauptsternwarte der Akademie der Wissenschaften
der UdS SR in Pulkovo, gemacht worden. - Der Verwendung der Oszillographen
röhre beim Abtasten und Schreiben räumt MICHELSON nur geringe Chancen ein.
Dieser Vorschlag ist später jedoch noch mehrfach aufgegriffen worden, wie noch
dargelegt werden wird.
Als etwas vom allgemein beschrittenen Weg abweichende Konstruktion ist die
des Photometers im Michigan-Observatorium aus dem Jahre 1941 zu nennen, die
von R. C. WILLIAMS und A ...~ /. HILTNER ausgeführt wurde [5]. Ein transparentes
Objekt wird in einer Richtung mit konstanter Geschwindigkeit durch eine Licht
strecke gezogen. Die Anordnung ist mit einer Einrichtung zur Bewegung des
Objektes senkrecht zur ersten Bewegungsrichtung ausgerüstet. Diese Bewegung
wird motorisch in der Weise gesteuert, daß der Lichtstrahl eine einmal eingestellte
Intensität verfolgt. Die Verschiebungen der Vorlage werden dann mit fünffaeher
Vergrößerung auf Photopapier registriert.
MICHELSON [2] nennt das hier benutzte Prinzip das verfolgende Prinzip und unter
scheidet davon das suchende Prinzip, das bei allen übrigen bekannten Konstruk
tionen angewendet wird. Die genannte Konstruktion besitzt einige erhebliche
Nachteile, auf die MICHELSON ebenfalls z. T. schon hinweist. Die Äquidensiten
dürfen mit der Hauptbewegungsrichtung nur Winkel zwischen 90° und 270° ein
schließen und nicht umkehren, wie das in Abb. 1.1 angedeutet ist. Da man die
Abb. 1.1 Erlaubter und nicht erlaubter Aquidensitenverlauf des Verfahrens von
WILLIAMS und HILTNER
V orlagen nicht danach aussuchen kann, muß das Gerät ständig beaufsichtigt
werden. Außerdem ist es nicht in der Lage, selbsttätig sämtliche Punkte gleicher
Eigenschaft zu erfassen, sondern nur diejenigen, die auf einer Kurve mit den ge
nannten Eigenschaften liegen. Das Gerät versagt auch, wenn Flächen gleicher
Eigenschaft vorliegen. Das Gerät wird somit der Aufgabenstellung der Aquiden
sitometrie nur bedingt gerecht, woran auch ein Verbesserungsvorschlag von
M. LAFFINEUR [6] aus dem Jahre 1948 nichts ändert. Wir beschäftigen uns daher
im folgenden nur noch mit Konstruktionen, die auf dem suchenden Prinzip be
ruhen.
Die elektrischen Verfahren der Aquidensitenherstellung kann man neben der
Gliederung in Teilaufgaben noch nach anderen Gesichtspunkten ordnen, die für
das Zusammenwirken der Teilprinzipien in einem sinnvollen System wichtig sind
(Zeitverhalten, Genauigkeit etc.). Jedoch sind dazu meist detailliertere Angaben
erforderlich als die aus der Literatur zu entnehmenden. \Vir wollen daher nur zwei
Gruppen unterscheiden nach einem Merkmal, welches jeder Konstruktionsbe
schreibung zu entnehmen sein sollte, nämlich danach, ob wesentliche Teile der
Konstruktion, z. B. Bildzerlegung, Bildaufbau, Auswertung etc., mechanisch aus
geführt sind oder ob nur rein elektronische und optische Hilfsmittel benutzt
werden, wie etwa bei dem Vorschlag von BABCOCK. Damit hat man dann auch
zugleich eine gewisse Übersicht über das Zeitverhalten, da mechanische Ein
richtungen immer mit der Bewegung von Massen verbunden sind, was zwangs
läufig eine gewisse Trägheit bedingt. Das heißt allerdings auch nicht, daß sie unbe
dingt langsamer sein müssen als eine elektronische Einrichtung.
1.1.2 Elektrische A'quidensitenerzeuger mit tJJechanischen Elementen
Unter elektrischen Aquidensitenerzeugern mit mechanischen Elementen ver
stehen wir im Sinne der Vorbemerkungen 1.1.1 solche, bei denen wesentliche
Teile der Konstruktion rein mechanisch ausgeführt sind. Wir erwähnen hier nur
noch solche Verfahren, die durch die Vorbemerkungen 1.1.1 noch nicht als er
ledigt angesehen werden können:
Das selbst-registrierende Kompensations-Isophotometer
für die Sternwarte Pulkovo von N. N. MICHELSON
In Abb. 1.2 ist eine Prinzip skizze der Gesamtanordnung des Kompensations
Isophotometers von N. N. MICHELSON [2] wiedergegeben. Das Gerät wurde zur
Ausmessung photographischer Negativplatten von Aufnahmen ausgedehnter
Himmelsobjekte konstruiert.
Die prinzipielle Wirkungsweise des Gerätes ist aus Abb. 1.3 zu entnehmen. Von
einer Lichtquelle LI gehen zwei Lichtbündel aus, von denen das eine das zu er
forschende Negativ N, das andere das Vergleichsnormal J( (z. B. einen Graukeil)
durchsetzt. Das intensitätsmodulierte Licht fällt dann auf die Photoelemente <PI
und <P2. Ihre Ausgangssignale werden einer Verstärkeranordnung zugeführt, die
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Abb. 1.2 Gesamtansicht des Kompensations-Isophotomcters der Sternwarte in Pulkovo
von N.N. MICHELSON
Photo
papier
K N
Abb. 1.3 Prinzipskizze der MICHELsoNschen Anordnung
den Indikator m betätigt, wenn beide Eingangssignale gleich sind. Die Markierung
erfolgt mit einem Lichtpunkt auf einem Blatt Photopapier, welches synchron mit
der Originalplatte bewegt wird. Das Ahtasten der Vorlage erfolgt also mit einem
feinen Lichtstrahl. Das Objekt wird durch die Lichtstrecke hindurchbewegt.
Ferner besitzt das Gerät eine Einrichtung zur Normalwertsteuerung, nämlich den
zweiten Lichtweg mit dem Graukeil und dem Photoelement (/>2.
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Die Bildzerlegung und der Bildaufbau erfolgen mechanisch. Dabei ist die Syn
chronisation durch die mechanische Kopplung eines Getriebes gewährleistet.
Diese mechanische Einrichtung ist in der Abb. 1.4 schematisch angedeutet. Zwei
horizontal angeordnete Zahnräder gleicher Zähnezahl tragen die Objektplatte
und das Registrierpapier. In beide Zahnräder greift ein drittes Zahnrad ein, über
welches der Antrieb erfolgt. Diese Anordnung ist auf einen Schlitten montiert,
der auch den Antriebsmotor aufnimmt. Der Schlitten selbst ist ebenfalls in der
Horizontalebene drehbar angeordnet. Seine Drehachse liegt zwischen den beiden
großen Zahnrädern. Der Antrieb des Schlittens erfolgt über einen Seilzug, den
man in Abb. 1.2 erkennen kann. Im Betrieb wickelt ein zweiter Motor das Seil
auf eine Trommel auf, um eine konstante Seilgeschwindigkeit zu erreichen.
Abb. 1.4 Die Führungsmechanik der MrCHELSONschen Anordnung
Die optischen Systeme zur Abtastung der Vorlage und zur Markierung der Äqui
densiten auf dem photo graphischen Registrierpapier stehen dagegen fest. Die
Winkelgeschwindigkeit des Schlittens ist wesentlich geringer als die der Zahn
räder. 'Wenn beide Bewegungen gleichzeitig ablaufen, beschreiben Abtastpunkt
und Markierungssystem nach den Angaben des Verfassers archimedische Spiralen.
Je nach der Dimensionierung: tritt eine ebene Maßstabsveränderunp" ein.
. 0 0
Das Zahnrad, welches das Meßobjekt trägt, ist innen ausgebohrt, um einen
durchgehenden optischen Strahlengang zu ermöglichen. Der Schlitten besitzt
eine entsprechende Öffnung. Der optische Strahlengang der Gesamtanordnung
ist in Abb. 1.5 wiedergegeben. Nach den Angaben des Verfassers wurde besondere
Mühe darauf verwendet, die optischen Systeme für die Abtastung und für die
Normalwertsteuerung möglichst gleich zu machen.
In A bb. 1.6 ist das Blockschaltbild der elektrischen Einrichtung angegeben. Vor
jeder Photozelle befindet sich eine Lochscheibe mit 78 Löchern auf einem Kreis.
Sie werden beide mit 50 Umdrehungen pro Minute angetrieben, was einer Grund
frequenz des zerhackten Signals VOll 3600 Hz entspricht. Die Photozellen sind
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