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Verfahren zur dreidimensionalen Abbildung und Vorrichtung
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zur Ausübung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur dreidimensionalen Abbildung mit einem über eine zweidimensionale Ablenkfläche
ausgelenkten Bildstrahl auf einem um eine mit der optischen Achse der Ablenkfläche
zusammenfallenden Rotationsachse rotierenden, als geometrische Erzeugende eines
Abbildungsraumes ausgestalteten flächenhaften Bildschirm, vorzugsweise aus durchscheinendem
Material, und eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 498 121 ist ein Projektor
bekannt, bei dem das zweidimensionale Schirmbild einer Kathodenstrahlröhre in die
optische Projektorachse gespiegelt in einen um die optische Achse rotierenden Projektionskörper
geworfen wird. In dem PrqJektionskörper ist ein ebener Bildschirm, der sich in der
Rotationsachse erstreckt, angeordnet, auf den das Bild, ausgelenkt
durch
ein mitrotierendes Prisma und einen mitrotierenden Spiegel gerichtet ist. Die auf
dem rotierenden Bildschirm projezierten Bilder der verschiedenen Winkelstellungen
des Bildschirms bilden die gewünscht dreidimensionale Abbildung, die aus den Richtungen
der Rotationsebene betrachtet werden kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den bei dieser bekannten Anordnung zur
Ausleuchtung des rotierenden Bildschirms erforderlichen optischen und mechanischen
Aufwand zu vermeiden und die Betrachtungsmöglichkeiten zu erweitern.
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Das erfinderische Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente
des Bildschirms schräg zur Rotationsachse angeordnet sind Nach der Erfindung kann
der Bildschirm in Richtung der Rotationsachse ausgeleuchtet werden und deshalb sind
die bei der bekannten Anordnung zur Anstrahlung des Bildschirms schräg zur Rotationsachse
erforderlichen, mit umlaufenden optischen Mittel entbehrlich.
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Der Bildschirm kann aus reflektierendem, vorzugsweise diffus reflektierendem,
oder aus durchscheinendem Material bestehen. Aus durchscheinendem Material besteht
er bevorzugt" weil dann die dreidimensionale Abbildung aus allen Richtungen betrachtet
werden kann.
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Die zweidimensionale Ablenkung des Bildstrahls über die Ablenkfläche
kann mit bekannten Ablenkmitteln erfolgen. Mit einer rastermäßig ausgeleuchteten
zweidimensionalen Abbildung läßt sich der ganze Abbildungs raum gleichmßig aus leuchten
durch Abstimmen der Rotationsperiode des Bildschirms auf Perioden der Bildstrahlauslenkung.
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Zwecksmäßig im Interesse einer gleicismäßigen Ausleuchtung des Abbildungs
raumes ist der Bildstrahl parallel zur Rotationsachse in den Abbildungsraum gerichtet.
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Die Ausleuchtung kann sehr einfach dadurch bewerkstelligt werden,
daß der Ablenkstrahl in die optische Achse eingespiegelt wird, dann durch Abwinkeln
über die Ablenkfläche gerastert wird und dann unter Beibehalt der Rasterung zur
optischen Achse und damit zur Rotationsachse parallelisiert wird.
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Eine Vorrichtung zur Ausübung des erfinderischen Verfahrens, die sich
durch besonders einfache Ausgestaltung des Bildschirms auszeichnet, ist dadurch
gekennzeichnet, daß der Bildschirm die Form einer eingängigen Schraubenfläche hat,
deren Schraubenachse mit der Rotationsachse zusammenfällt und daß der Bildschirm
innerhalb eines zur Rotationsachse rotationssymmetrischen Topfes angeordnet ist,
der aus luftzugdichtem Material besteht und dessen dem Betrachter zugekehrte Flächen
durchsichtig sind.
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Der Topf kann zur mechanischen Befestigung des Bildschirmes und der
notwendigen Drehlagerung dienen. Der Topf dient außerdem dazu, eine Gebläsewirkung
der Schraube zu unterbinden. Der Topf kann einseitig offen sein, er kann aber auch
allseitig geschlossen sein.
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Die dreidimensionale Abbildung kann aus verschiedenen Richtungen betrachtet
werden, zum Beispiel senkrecht zur Rotationsachse, oder in Richtung auf die Rotationsachse
oder unter Zwischenwinkeln.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigt: Figur 1 eine Vorrichtung zur Ausübung des
erfinderischen Verfahrens perspektivisch, teilweise aufgebrochen, und Figur 2 ebenfalls
perspektivisch die Lagerelemente für einen Strahlablenker, die in Figur 1 der Übersicht
halber n- Mt dargestellt sind.
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In der Zeichnung ist mit 1 ein durchsichtiger Hohlzylinder bezeichnet,
der aus Glas besteht und stationär konzentrisch zur Achse 2 angeordnet ist. Innerhalb
des Hohlzylinders 1 ist ein Bildschirm 3, der die Form einer eingängigen Schraubenfläche
aufweist, konzentrisch zur Achse 2 um diese Achse in Drehrichtung gemäß Pfeil 4
drehbar angeordnet. Der Bildschirm 3 ist innerhalb eines einseitig offenen, vur
Achse 2 konzentrischen Topfes 5 aufgespannt. Der Topf ist durchsichtig und besteht
aus Glas. Der Bildschirm ist durchscheinend und besteht aus Acrylglas. Der Topf
5 bildet mit dem Bildschirm 3 einen allgemein mit 6 bezeichneten Rotor, der mit
dem Drehlager 7 fliegend drehbar gelagert ist und durch den nur angedeutet dargestellten
Antrieb 8 rotierend antreibbar ist. Mit 9 ist ein, von dem zum Beispiel mit Magnetbandspeicher
ausgestatteten Steuerdatengeber 11 hell-dunkel-tastbarer Laser bezeichnet, dessen
Strahl 10 scharfgebündelt und parallelisiert auf einen stationär angeordneten Spiegel
12 gerichtet ist, der den Strahl 10 in die Achse 2 hineinspiegelt. Der Strahl 10
trifft auf einen allgemein mit 13 bezeichneten Strahlablenker, der den Strahl nach
Polarkoordinaten über alle Flächenelemente einer kreisrunden Ablenkfläche 14 auslenkt.
Die Ablenkfläche 14 fluchtet in Richtung der Achse mit der Kontur des Bildschirms
3 und wird eingenommen von einem optischen Linsensystem 15, das den abgelenkten
Strahl hindurchtreten läßt und dabei wieder in eine Richtung parallel zur Achse
2 ausrichtet. Die durch den Doppelpfeil 16 angezeigte Brennweite des optischen Systems
entspricht dem Abstand zwischen dem Strahlablenker 13 und dem optischen System 15.
Der
abgelenkte Strahl 10 trifft auf den Bildschirm 3 und erzeugt
dort einen Bildpunkt 17. Auf diese Weise können Bildpunkte erzeugt werden an jeder
beliebigen Stelle des Inneren des Topfes 5. Die Lage des Bildpunktes ist bestimmt
durch drei Koordinaten, und zwar die Größe der durch den Pfeil 18 angezeigten radialen
Aus lenkung und die Größe der durch den Pfeil 19 angezeigten Winkelauslenkung, hervorgerufen
durch den Strahlablenker 13, sowie die Höhe 36, abhängig vom Drehwinkel gemäß Pfeil
20, entsprechend der jeweiligen Drehstellung des Rotors 6. Der Strahlablenker 13
wird von zwei Antrieben 21, 24 angetrieben, und zwar entsprechend dem Pfeil 22 umlaufend
mit der Drehzahl n2 durch den Antrieb 21 und entsprechend dem Pfeil '3, umlaufend
mit der Drehzahl n3 durch den Antrieb 24. Die Drehbewegung In Richtung des Pfeils
22 bestimmt die Auslenkung entsprechend dem Pfeil 19 und die Drehbewegung in Richtung
des Pfeils 23 die Auslenkung entsprechend dem Pfeil 18.
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Die Ablenkung des Bildpunktes 17 nach den drei Koordinaten gemäß Pfeil
18, 19 und 20 sind aufeinander abgestimmt und zu diesem Zweck werden durch den Steuerdatengeber
11, wie durch Pfeile in Figur 1 angedeutet, die drei Antriebe 8, 21 und 24 synchronisierend
angesteuert. Der Antrieb 24 ist entsprechend den gestrichelt angedeuteten Pfeilen
vom Steuerdatengeber 11 angesteuert oder aber mit dem Antrieb 21 gekoppelt, wie
im Text zu Figur 2 noch näher erläutert wird. Die Ansteuerung erfolgt in der Weise,
daß bei einer Ablenkperiode einmal jedes Volumenelement des durch das Innere des
Topfes definierten Abbildungs raumes mit einem Bildpunkt angeleuchtet wird. Durch
Hellund-Dunkel-Tasten des Strahls 1o, gesteuert durch den Steuerdatengeber 11, wird
auf diese Weise durch die Bildpunkte einer Ablenkperiode ein dreidimensionales Bild
im Abbildungsraum ausgeleuchtet, das, abgesehen von der durch das optische System
15 versperrten Blickrichtung, aus allen Blickrichtungen von außerhalb des Hohlzylinders
betrachtet werden kann.
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Um die für ein flimmerfreies, stehendes oder bewegtes Bild erforderliche
hohe Bildfolgefrequenz zu erzielen, muß die Drehzahl n1 entsprechend hoch gewählt
werden. Um durch die Schraubenfläche des Bildschirms 3 hervorgerufene Luftströmungsstörungen
zu vermeiden, ist der Topf 5 luftzugdicht ausgebildet. Er kann zu diesem Zweck auch
an sei nem in-der Zeichnung offenen Boden durch eine luBtzugdichte durchsichtige
Abdeckplatte verschlossen sein.
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Vorzugsweise dreht sich der Rotor 6 mit der Bildfrequenz der dreidimensionalen
Abbildung. Unter diesen Umständen beschreibt der Strahl 1o während einer Umdrehung
des Rotors 6 so oft die Ablenkfläche 14 wie Bildpunkte in der dreidimensionalen
Abbildung in Achsrichtunq 2 übereinanderliegen.
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In Figur 2 ist mit 25 eine zur Achse 2 koaxiale Hohlwelle bezeichnet,
die in Kugellagern 26, 27 drehbar gelagert ist und über einen Zahnkranz 28 von dem
Antrieb 2-1 rotierend antreibbar ist. Die Hohlwelle 25 weist an ihrem oberen Ende
einen Kragen 29 auf, in dem drehbar um die Achse 30 ein Polygonprisma 31 gelagert
ist, das mit seinen Prismenflächen in die Einfallsrichtung des Strahls 10 gedreht
werden kann durch Drehen um die Achse 30. Das Polygonprisma 31 hat die Eigenschaft,
den in der Achsrichtung 2 einfallenden Strahl im Winkel 32 abzulenken. Die Größe
des Winkels 32 ist abhängig von der Drehstellung des Polygonprismas 31 um die Achse
30 und entspricht maximal einer Auslenkung gemäß Pfeil 18 bis an den Rand der Abbildungsfläche
14. In der anderen Extremstellung ist der Winkel 32 Null Grad und der Strahl 1o
verläßt auf der Achse 2 das Prisma. Alle Zwischenwinkel sind möglich und werden
beim Drehen des Prismas um die Achse 30 in Drehrichtung gemäß Pfeil 23 vom Winkel
Null zunehmend zum größten Winkel durchlaufen, um dann wieder beim Winkel Null zu
beginnen und so fort. Der Strahl wird abgelenkt in der Rotationsebene des Polygonprismas
31, so daß die Winkelstellung der Hohlwelle 25 den Winkel 19 aus Figur 1 bestimmt.
Die Welle 33, mit der das Polygonprisma 31 drehbar in dem Kragen 29 gelagert ist,
ist aus dem Kragen 29 herausgeführt und weist an ihrem freien Ende ein Ritzel 34
auf, das auf einem Zahnkranz 35 kämmt. Wenn der Zahnkranz 35 stillsteht, übernimmt
der Antrieb 21 auch die Funktion des Antriebs 24 und die beiden Drehzahlen n2, n3
stehen in einem festen, durch das Übersetzungsverhältnis des Ritzels 34 und des
Zahnkranzes bestimmten Verhältnis. Durch Austauschen des Ritzels 34 kann dieses
Verhältnis verstellt werden.
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Wird der Zahnkranz 35 durch einen gesonderten Antrieb 24 rotierend
um die Achse 2 angetrieben, dann ist die Drehzahl n3 vom Antrieb 21 und vom Antrieb
24 abhängig beziehungsweise bestimmbar.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende. Der Rotor 6 dreht sich
mit hoher Geschwindigkeit n1 um die Achse 2. EbenEalls mit hoher Geschwindigkeit
n2 dreht sich das Ablenksystem 13. Das Polygonprisma 31 führt eine zur Achse 2 senkrechte
Drehbewegung n3 durch.
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Die Drehzahlen nl, n2 und n3 sind konstant. Sie werden von den Antrieben
8, 21 und 24 beziehungsweise wie im Text zu Figur 2 beschrieben von den Antrieben
8 und 21 abgeleitet, sie können aber auch von einem gemeinsamen Antriebssystem über
mechanische Getriebe abgeleitet werden. Die Antriebe sind gegenseitig synchronisiert
durch eine Synchronisiereinrichtung 37.
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Der Laserstrahl 10 trifft entsprechend der Drehstellung der gedrehten
Teile auf den Bildschirm 3 und erzeugt an der Stelle seines Auftreffens einen diffus
leuchtenden kleinen Lichtpunkt. Durch die Drehbewegungen kann der Lichtpunkt an
jedes Volumenelement des durch das Innere des Topfes 5 definierten Abbildungs raumes
gebracht werden.
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Jede der drei Drehbewegungen n1, n2 und n3 bewirkt die Bewegung des
Lichtpunktes innerhalb des Abbildungsraumes in einer der drei Koordinatenrichtungen
eines Zylinderkoordinatensystems axial, radial und im Drehwinkel.
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Die Drehzahlen n1, n2 und n3 sind so aufeinander abgestimmt, daß der
Lichtpunkt während einer Ablenkperiode den ganzen Abbildungsraum einmal durchläuft.
Der Laserstrahl 10 wird hell-dunkel-getastet. Dadurch entstehen.bei gleichzeitigem
Ablauf aller drei Drehbewegungen ein- und mehrdimensionale geometrische Abbildungen
aus Lichtpunkten, Lichtlinien, Licht£lächen oder Lichtkörpern. Vermutlich ist es
auf diese Weise auch möglich, Hohl körper und hinterschnittene Körper bildlich darzustellen.
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Unabhängig von der Hell-Dunkel-Tastung des Laserstrahles 10 durchläuft
der Lichtpunkt entweder als echter oder als potentieller Lichtpunkt den Abbildungsraun
einmal pro Abbildungsperiode, so
daß an jedem Ort des Abbildungs
raumes einmal während jeder Abbildungsperiode die Möglichkeit geboten ist, auf zuleuchten.
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Für den Weg, auf dem der Lichtpunkt leuchtend oder potentiell durch
den Abbildungsraum läuft, gibt es mehrere sinnvolle Möglichkeiten, zum Beispiel
nacheinander spiralenförmig in den Ebenen senkrecht zur Achse 2, oder nacheinander
auf immer kleiner werdenden Zylindern koaxial um die Achse 2, oder nacheinander
auf den Ebenen, die durch den Radius des Abbildungsraumes und die Achse gebildet
werden. Jede dieser Möglichkeiten gestattet es jedes Raumvolumen des Abbildungsraumes
einm und nur einmal während einer Abbildungsperiode zu durchlaufen, so daß der in
der Abbildungsperiode zur Verfügungstehende Zeitabschnitt optimal genutzt werden
kann.
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Die Schirmfläche des Bildschirms besteht vorzugsweise aus durchscheinendem
Material, zum Beispiel Acrylglas. Sie kann aber auch reflektierend ausgebildet sein,
zum Beispiel in Form einer verspiegelten Plexiglasfläch. Bei durchscheinendem Bildschirm
sieht man ein durchsichtiges dreidimensionales Bild, bei verspiegeltem Bildschirm
dagegen ein nicht durchsichtiges dreidimensionales Bild, das gegen die Richtungen
der reflektierten Strahlen betrachtet werden kann.
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Als Form für die Bildschirmfläche wird die nach Figur 1 vorgesehene
Schraubenfläche bevorzugt. Es kommen aber auch andere Flächen in Frage, deren Flächenelemente
schräg zur Achse 2 geneigt sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Strahlablenkung
kombiniert optisch mechanisch. Sie kann statt dessen auch ganz oder teilweise durch
Verwendung opto-elektronischer Elemente erfolgen. Erfolgt sie mit Hilfe einer Bragg-Zelle,
einem akustisch optischen Ablenkelement, dann lassen sich damit Ablenkfrequenzen
erreichen, die in der Größenordnung der beim kommerziellen Fernsehen üblichen AblenkErequenzenAiegen.
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Als Lichtstrahl 1o wird zweckmäßig ein Laserstrahl verwendet, weil
dieser gut bündelbar ist, so daß in jeder Höhenlage des Abbildungsraumes gleich
scharfe Bildpunkte erzeugt werden können. Die Erz in dung ist aber nicht auf die
Anwendung in Verbindung mit einem Laserstrahl beschränkt.
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Der Steuerdatengeber 11 braucht nur Impulse zu liefern, die zu definierten
Zeitpunkten die IIell- und Dunkel-Steuerung des Laserstrahls bewirken und erhält
sein Taktsignal von der Synchronisiervorrichtung 37. Zu diesem Zweck kann beispielsweise
ein mechanisches Antriebsteil ein Taktraster aufweisen, auf das die Steuersisnale
des Steuerdatengebers 11 bezogen sind, so daß die Steuersignale des Steuerdatengebers
11 zu den Drehbewegungen n1, n2 und n3 synchronisiert sind. Die Funktion des steuerdatengebers
ist mit der Funktion eines steuerdatengebers für einen elektronischen Schnelldrucker
verbleichbar.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde von einer einfarbigen
Abbildung ausgegangen. Es ist auch eine mehrfarbige Abbildung möglich. Das kann
beispielsweise in der Weise erfolgen, daß mehreren, vorzugsweise drei, Farbkomponenten
entsprechende Farblaser vorgesehen sind, deren verschiedene Farbstrahlen zu einem
einzigen Strahl entsprechend dem Strahl 10 vereinigt werden. Die verschiedenen Farblaser
werden von dem Steuerdatengeber 11, jeder für sich, hell-und dunkel und auch auf
zxvischenxverte getastet. Alternativ kann man die einzelnen Farbstrahlen zeitlich
nacheinander unter entsprechender separater Tastung der einzelnen Farbstrahlen auf
den Bildschirm richten.
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Auf diese Weise ist es möglich, farbige Abbildungen zu erzeugen, oder
aber einzelne Bildteile durch besondere Farbgebung aus dem im übrigen schwarz-weiEen
Bild herauszuheben.
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Die optische Auflösung der dreidimensionalen Bilddarstellung hängt
voii sen Größen ab, nkalich von der Abmessung des Lichtpunktes und davon, wie eng
benachbarte Lichtwege beieinanderliegen. Dies wiederum hängt ab von der Größe der
erreichbaren Drehzahlen n1 n2 und n3 einerseits und von der Größe der erreichbaren
Schaltfrequenzen der Hell-Dunkel-Tastung des Strahls 10 andererseits.
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Im Bezug auf die erreichbaren Drehzahlen sind bei dem zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel mechanisch äußerst günstige Voraussetzungen gegeben, da, wenn
n1 der Bildfolgefrequenz entspricht, nur die Drehzahlen n2 und n3 sehr hoch sein
müssen. Die mit den Drehzahlen n2 und n3 umlaufenden Teile können als Minimechanikteile
dynamisch voll ausgewuchtet gut gelagert mit sehr hohen Drehzahlen laufen.
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Im Bezug auf die erreichbaren SchaltErequenzen der Hell-Dunkel-Tastung
des Laserstrahls bietet der Stand der Technik genügend Aus führungs formen für sehr
hohe Schaltfrequenzen.
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Es ist auch möglich, die Funktion der mit den Drehzahlen n2 und n3
umlaufenden mechanischen Elemente durch opto-elektronische Elemente zu ersetzen,
bei denen keine mechanisch bewegten Teile mehr erforderlich sind, so daß als einziges
mechanisches bewegtes Glied nur noch der mit verhältnismäßig geringer Drehzahl n1
umlaufende Rotor übrig bliebe.
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Die Erfindung läßt sich unter anderem überall da anwenden, wo heute
ein quasi dreidimensionales Bild erzeugt wird, ein dreidimensionales Bild also,
das, wie beim eingangs dargestellten Stand der Technik, nur aus ausgewählten Richtungen
betrachtet werden kann. Durch die mit der Erfindung erzielbare dem gegenüber echte
dreidimensionale Darstellung werden neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Die Möglichkeit,
die nach der Erfindung erzeugten dreidimensionalen Bilder aus verschiedensten Richtungen
zu betrachten, zeichnet diese auch gegenüber der holografischen Darstellung räumlicher
Bilder aus, deren Betrachtungsrichtungen auch beschränkt sind.
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Obwohl die Vorrichtung zur Ausübung des erfinderischen Verfahrens
ein mechanisch optisches System ist, ist die Dynamisierung trägheitslos, da alle
mechanischen Drehbewegungen konstant bleiben können und der Bildinhalt ausschließlich
elektronisch beziehungsweise opto-elektronisch gesteuert werden kann.
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Die Steuerung des Systems kann digital erfolgen durch einen Rechner
und/oder ein spezielles elektronisches Steuergerät. Die Anordnung benötigt zur Darstellung
eines Bildpunktes nur Steuersignale zur zeitlich definierten Hell-Dunkel-Tastung
des Laserstrahls. Die Ausgabe solcher steuersignale durch einen Rechner kann mit
bekannten Mitteln erfolgen.
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Es sind diverse Abänderungen möglich, beispielsweise wie folgt.
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Statt der Glasteile können solche aus einem anderen durchsichtigen
Material verwendet lsrnrdell. Statt der fliegenden Layerung mit dem Drehlager 7
kann zusätzlich zum Drehlager 7 noch eine äußere Drehlagerung des Topfes 5 vorgesehen
sein.
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Man kann auf eine besondere Linrichtung für die Synchronisiereinrichtung
37 verzichten, venn nur sichergestellt ist, daß die drei Antriebe 8, 21 und 24 mit
splchroner Geschwindigkeit antreiben.
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Diese Antriebe 8, 21 und 24 können zum Beispiel Abtriebselemente sein,
die von dem gleichen Antriebsmotor angetrieben werden. Wesentlich ist, daß die von
den Antrieben 8, 21, 24 angetriebenen Teile synchron zueinander umlaufen und daß
der Steuerdatengeber auf diesen Umlauf synchronisiert ist.
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Die Drehrichtungen n1 und n2können auch gegenläufig zueinander sein.
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Der Topf 5 ist unter Umständen entbehrlich. Bei fehlendem Topf 5 kann
man den Bildschirm statt steif flexibel so gestalten, daß er sich infolge des bei
Rotation entstehenden Luftzuges zu der gewünschten Schraubenform auf spannt.