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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der
Temperatur einer Zielfläche,
mit einem IR-Detektor zur Erfassung von IR-Strahlung, die von der
Zielfläche
ausgeht, und einer Visiereinrichtung, die einen teilweise durchlässigen Reflektor
aufweist, der im Strahlengang zwischen der Zielfläche und
dem IR-Detektor angeordnet ist, wobei die Visiereinrichtung einen
Lasergenerator aufweist, der einen Laserstrahl erzeugt, sowie Strahlteilermittel,
die den Laserstrahl in ein Bündel von
wenigstens drei Teilstrahlen aufteilen, die von dem teilweise durchlässigen Reflektor
auf die Zielfläche
gerichtet werden, wobei die Teilstrahlen um die Mitte der Zielfläche herum
kleine sichtbare beleuchtete Flächen
bereitstellen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen der Temperatur
einer Zielfläche.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft somit insbesondere eine derartige
Vorrichtung bzw. ein derartiges Verfahren, bei denen eine Visiereinrichtung bzw.
Zieleinrichtung verwendet wird, die dazu ausgelegt ist, die Energiezone
des Ziels, also die Zielfläche, deren
Temperatur zu messen ist, mit einem Laser oder mit Laserstrahlen,
die die gesamte Zielfläche oder
einen Teil der Zielfläche
umschreiben, anzuzielen oder zu projizieren oder zu erfassen.
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Vorrichtungen
zur Fernmessung der Temperatur mittels Infrarotstrahlung werden
seit vielen Jahren dazu verwendet, die Temperatur einer Oberfläche von
einem entfernt liegenden Ort aus zu messen und werden gewöhnlich als
Infrarot-Pyrometer oder Radiometer bezeichnet. Das Funktionsprinzip
dieser Vorrichtungen ist allgemein bekannt. Alle Oberflächen mit
einer Temperatur über
dem absoluten Nullpunkt emittieren Wärme in Form von Strahlungsenergie.
Diese Strahlungsenergie wird durch Molekularbewegung erzeugt, die
die elektromagnetischen Wellen hervorruft. Daher wird ein Teil der
Energie in dem Material in geraden Linien weg von der Oberfläche des
Materials abgestrahlt. Viele Infrarot-Radiometer verwenden die Prinzipien
optischer Reflexion und/oder Refraktion, um die von einer vorgegebenen Oberfläche abgestrahlte
Energie einzufangen. Die Infrarotstrahlung wird auf einen Detektor
fokussiert und, unter Verwendung bekannter Techniken, analysiert,
wobei die Oberflächenenergie
akkumuliert und verarbeitet wird und anschließend die Temperatur berechnet
und auf einer geeigneten Anzeige angezeigt wird.
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Wenn
derartige Radiometer dazu verwendet werden, die Oberflächentemperatur
zu messen, wird das hierzu verwendete Instrument auf eine Zielfläche innerhalb
der Energiezone der Oberfläche
gezielt, an der die Messung vorzunehmen ist. Das Radiometer empfängt die
emittierte Strahlung durch ein optisches System, so daß die Strahlung
auf einen für
Infrarot empfindlichen Detektor fokussiert wird. Dieser erzeugt
ein Signal, das intern verarbeitet und in einen Temperaturwert umgewandelt
wird, der wiederum angezeigt wird.
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Um
eine hohe Genauigkeit und Verläßlichkeit
der sich ergebenden Messung zu gewährleisten, sind sowohl der
genaue Ort der Energiezone an der Oberfläche als auch deren Größe außerordentlich wichtig.
Es versteht sich, daß das
Sichtfeld des optischen Systems eines solchen Radiometers derart
ist, daß der
Durchmesser der Energiezone direkt mit der Entfernung zu dem Ziel
ansteigt. Die typische Energiezone von solchen Radiometern wird
definiert als die Zone, in der 90% der Energie vorhanden ist, die
auf den Detektor fokussiert wird. Bislang wird die Größe der tatsächlichen
Energiezone bestimmt durch Verwendung einer "Zielentfernungstabelle" oder durch physikalische
Messung dieser Entfernung.
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Aus
DE 195 28 590 A1 ist
eine Vorrichtung zur Temperaturmessung bekannt, mit einem Detektor zum
Empfang einer von einem Meßfleck
auf einem Meßobjekt
ausgehenden Wärmestrahlung,
einem optischen System zur Abbildung der vom Meßfleck ausgehenden Wärmestrahlung
auf den Detektor, sowie eine Visiereinrichtung zur Kennzeichnung
der Lage und Größe des Meßflecks
auf dem Meßobjekt mittels
sichtbarem Licht, wobei die Visiereinrichtung eine diffraktive Optik
zur Erzeugung einer Lichtintensitätsverteilung aufweist.
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Aus
DE 36 07 679 C2 ist
eine parallaxefreie Visiereinrichtung für ein Pyrometer bekannt, wobei eine
Objektivlinse und eine verspiegelte Fläche, die den sichtbaren Teil
auffallender Strahlung reflektiert, im Pyrometer vorhanden sind
und damit in bekannter Weise eine Anvisierung des Meßobjekts über ein Okular
ermöglicht,
wobei ein im Zentrum der Objektivlinse angeordneter Bereich für den sichtbaren
Teil ankommender Strahlung eine hohe Transmission und der um diesen
Bereich angeordnete Bereich der Objektivlinse für Infrarotstrahlung eine hohe
Transmission besitzt.
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Aus
der
US 4,647,774 ist
ein Pyrometer bekannt, das dazu ausgelegt ist, entfernt von einem
geheizten diffus reflektierenden Ziel angeordnet zu sein, und ein
erstes elektrisches Signal von dem Teil der Zielstrahlung ableitet,
die das Instrument erreicht. Ein Laserstrahl wird innerhalb des
Instruments erzeugt und wird auf das Ziel gerichtet, ein Teil des Strahls
wird zurück
zu dem Instrument reflektiert. Ein zweites Signal wird von diesem
Teil abgeleitet. Der Abstand zwischen dem Ziel und dem Instrument
wird gemessen und ein drittes Signal, das von dem Abstand abhängt, wird
erzeugt. Ein viertes Signal, das von dem Leistungsniveau des Strahls
abhängt,
wird erzeugt. Das Instrument berechnet dann aus diesen Signalen
die Oberflächentemperatur
des Ziels.
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Aus
der
DE 36 03 464 C2 ist
ein Gleichlichtpyrometer bekannt, bestehend aus einer Sammeloptik,
einem Strahlungsempfänger,
welcher mit einer Informationsverarbeitungseinheit mit oder ohne Temperaturanzeige
verbunden ist, einer Visiereinrichtung und einem Spiegel zwischen
Sammeloptik und Strahlungsempfänger,
wobei der Spiegel ein selektiv wirkender Spiegel ist, welcher die
durch die Sammeloptik gebündelte
Wärmestrahlung
derart spektral teilt, daß die
Meßstrahlung
im auszuwertenden Spektralbereich auf den Strahlungsempfänger reflektiert
oder durchgelassen wird und mindestens ein Teil der sichtbaren Strahlung
auf die Visiereinrichtung durchgelassen oder reflektiert wird und
dass der selektiv wirkende Spiegel aus einem Träger besteht, auf welchem eine
oder mehrere optische Schichten einseitig oder zweiseitig aufgebracht
sind.
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Vor
diesem Hintergrund besteht das der Erfindung zugrunde liegende Problem
darin, eine verbesserte und flexiblere Vorrichtung bzw. ein verbessertes
Verfahren zur Temperaturmessung anzugeben, bei denen eine verbesserte
und flexiblere Visiereinrichtung zum Zielen auf die Energiezone
zum Einsatz kommt.
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Dieses
Problem wird bei der eingangs genannten Vorrichtung zur Messung
der Temperatur dadurch gelöst,
daß die
Visiereinrichtung als Modul ausgebildet ist, das von dem IR-Detektor
abnehmbar ist.
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Bei
dem eingangs genannten Verfahren zur Messung der Temperatur wird
dieses Problem dadurch gelöst,
dass von der Zielfläche
ausgehende Infrarotstrahlung mittels eines Infrarotdetektors erfasst wird
und die Zielfläche
anvisiert wird, wobei sichtbares Licht zum Anvisieren der Zielfläche im Strahlengang
der Infrarotstrahlen von der Zielfläche zum Infrarotdetektor mittels
eines teilweise durchlässigen Reflektors
umgelenkt wird, und wobei ein Laserstrahl von einem Lasergenerator
in einer abnehmbaren Visiereinrichtung erzeugt und in ein Bündel von wenigstens
drei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die von dem teilweise durchlässigen Reflektor
auf die Zielfläche
gerichtet werden, wobei von den Teilstrahlen um die Mitte der Zielfläche herum
kleine sichtbare beleuchtete Flächen
bereitgestellt werden.
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Ein
Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Visiereinrichtung
zur Verwendung mit oder zum Einbau in oder an einem Radiometer zum
Messen der Temperatur von einem entfernten Punkt mittels Infrarot
geschaffen wird, wobei die Visiereinrichtung es ermöglicht,
daß das
Blickfeld des Radiometers bzw. Thermometers mit einer sichtbaren
gewünschten
Zielfläche übereinstimmt,
deren Temperatur zu messen ist.
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Ein
zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine solche Visiereinrichtung
vollkommen unabhängig
von dem optischen System des Radiometers bzw. Thermometers vorgesehen
werden kann und somit an diesem keine Störung hervorruft.
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Ein
dritter Vorteil besteht darin, daß eine Visiereinrichtung geschaffen
wird, die an dem Radiometer bzw. dem Thermometer leicht anbringbar
und von diesem leicht abnehmbar ist.
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Ein
vierter Vorteil besteht darin, daß die Sichtlinie des Systems
mit der Mittenlinie des Blickfeldes der verwendeten Detektionsoptik
zusammenfällt,
so daß genauere
Visiervorgänge
möglich
sind, insbesondere, wenn man unterschiedliche Ziele anpeilt.
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Generell
schafft die Erfindung eine Visiereinrichtung bzw. ein Visiersystem
für eine
Temperaturmeßvorrichtung
unter Verwendung von Infrarottechniken, wobei die Visiereinrichtung
einen Lasergenerator verwendet, um einen Laserstrahl zu erzeugen, aus
dem wenigstens drei Teillaserstrahlen erzeugt werden, die um eine
Mittenlinie herum beabstandet verlaufen. Die Laserteilstrahlen werden
auf einen Reflektor gerichtet, der im Sichtfeld des Radiometers angeordnet
ist. Der Reflektor ist so ausgewählt,
daß er
(a) Infrarotlicht durchläßt und (b)
Laserlicht und sichtbares Licht reflektiert. Der Reflektor ist so
positioniert, daß er
die Teilstrahlen derart auf das Ziel richtet, daß um die Mitte der Zielfläche herum,
deren Temperatur zu messen ist, kleine sichtbare beleuchtete Flächen (z.
B. "Punkte oder
Flecken") bereitgestellt
werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Vorrichtung dazu ausgelegt, zusätzlich einen weiteren Teilstrahl
bereitzustellen, der auf der Mittenlinie verläuft und demgemäß einen
beleuchteten "Fleck" in der Mitte der
Zielfläche
hervorruft.
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Die
Erfindung betrifft somit eine Visiereinrichtung, die für Vorrichtungen
zur Temperaturmessung geeignet ist und die einen Deflektor bzw.
Reflektor aufweist, der für
von der Zielfläche
ausgehende Infrarotstrahlen transparent, für Laserlichtstrahlen jedoch reflektierend
ist, und der in einem optischen Pfad zwischen der Zielfläche und
einem die Temperatur dieser Zielfläche ermittelnden Radiometer
aufgenommen werden kann. Das Visiersystem umfaßt ferner Mittel zum Erzeugen
einer Vielzahl von auf den Deflektor gerichteten Laserlichtstrahlen,
die von dem Deflektor auf den optischen Pfad gerichtet werden können, so
daß sie
auf das Ziel auftreffen und zumindest einen Umriß der Zielfläche visuell
identifizieren.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Visiereinrichtung, die für Vorrichtungen
zur Temperaturmessung geeignet ist und die einen Deflektor aufweist,
der gegenüber
von einer Zielfläche
ausgehenden Infrarotstrahlen transparent ist, sichtbare Lichtstrahlen
jedoch reflektiert, und der zur Anordnung in einem optischen Pfad
zwischen der Zielfläche,
deren Temperatur zu messen ist, und einem Radiometer geeignet ist,
mittels dessen die Temperatur dieser Zielfläche ermittelt wird.
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Zum
dritten betrifft die Erfindung ein Verfahren zum visuellen Identifizieren
von wenigstens einem Umriß einer
Zielfläche,
deren Temperatur zu messen ist, indem man Infrarotstrahlen entlang
eines optischen Pfades von der Zielfläche auf ein Radiometer auftreffen
läßt, wobei
mittels eines Deflektors, der für
die Infrarotstrahlen transparent ist und der in dem optischen Pfad
angeordnet ist, eine Vielzahl von Laserstrahlen auf die Zielfläche abgelenkt
wird, um die Zielfläche
visuell zumindest zu umreißen.
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Schließlich betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum visuellen Identifizieren wenigstens
eines Umrisses einer Zielfläche,
deren Temperatur zu messen ist, indem man Infrarotstrahlen entlang
eines optischen Pfades von der Zielfläche auf ein Radiometer treffen
läßt, wobei
das Verfahren den Schritt umfaßt, mittels
eines Deflektors, der für
Infrarotstrahlen transparent ist und in dem optischen Pfad angeordnet
ist, von der Zielfläche
ausgehende Lichtstrahlen so abzulenken, daß die abgelenkten Lichtstrahlen
auf optische Zielmittel weiterleitbar sind.
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Ein
Hauptaspekt der Erfindung liegt darin, daß die Visiereinrichtung als
Modul ausgeführt
ist, das an einem Radiometer bzw. Thermometer anbringbar und von
diesem wieder abnehmbar ist, wobei die Visiereinrichtung die ausgewählte Zielfläche beschreiben
bzw. vermessen kann, und zwar als Umriß oder Sichtfeld entsprechend
der gesamten ausgewählten
Fläche
oder einem Teil hiervon. Dies erfolgt, indem man Ablenkungsmittel
für sichtbares
Licht und/oder für
Laserlicht in einen optischen Pfad für Infrarotlicht zwischen der
Zielfläche
und Wärmeerfassungsmitteln
des Radiometers einfügt,
wobei die Ablenkungsmittel so ausgelegt sind, daß sie den normalen Betrieb
der Infrarot-Temperaturmessung nicht verändern oder stören.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter
Verwendung von Laserlicht zur Zielbeleuchtung;
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2 eine
Draufsicht auf einen Teil eines Ziels, auf dem ein Fleckenmuster
von der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bereitgestellt ist;
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3 eine
schematische Seitenansicht einer Ausführungsform nicht gemäß der Erfindung
unter Verwendung von sichtbarer Licht zur Zielvisierung; und
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4 eine
Draufsicht auf einen Teil des anvisierten Ziels nicht gemäß der Erfindung.
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In
den 1 und 2 der Zeichnung ist eine erste
Ausführungsform
der Vorrichtung gezeigt. Ein Lasergeneratormodul 1 erzeugt
einen einzelnen Laserstrahl 2, der durch Strahlteilermittel 3 geführt wird,
die beispielsweise von einem Diffraktionsgitter, einem Strahlteiler
oder einem Prisma gebildet sein können. Die Strahlteilermittel 3 sind
so konstruiert, daß der
einzelne Laserstrahl 2 in eine Vielzahl von divergierenden
Teilstrahlen aufgeteilt wird. In der dargestellten Ausführungsform
wird der einzelne Laserstrahl 2 in zwölf Teilstrahlen 3a aufgeteilt,
die symmetrisch mit gleichen Abständen auf einem Kreis angeordnet
sind, und in einen einzelnen zentralen Teilstrahl 3b. Die
Vielzahl von Teilstrahlen 3a, 3b verlaufen zu
einem Spiegel 4, der unter einem Winkel von 45° zur Horizontalen
angeordnet ist, so daß diese Teilstrahlen
um 90° abgelenkt
werden. In der Folge treffen die Teilstrahlen 3a, 3b auf
einen teilweise durchlässigen
Reflektor (Infrarotfilter/Spiegel) 7, der die Eigenschaften
hat, (a) Infrarotstrahlen durchzulassen, und (b) Laserlicht zu reflektieren.
Es können (nicht
dargestellte) Mittel vorgesehen sein, um die Position des Spiegels 4 mechanisch
einzustellen, beispielsweise durch einen Motorantrieb oder durch eine
Einstellschraube.
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In 1 ist
die Vorrichtung zur Temperaturmessung nur schematisch gezeigt. Sie
enthält
einen Infrarotdetektor 5, dem eine Infrarotlinse 6 zugeordnet
ist.
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Ein
Ziel 8, dessen Temperatur zu messen ist, sendet Infrarotstrahlen
auf die Infrarotlinse 6. Diese konzentriert die empfangenen
Strahlen auf den Detektor 5. Die von der Kombination der
Elemente 5, 6 erfaßte Zielfläche 9 ist kreisförmig. Der
Reflektor 7 richtet die Sammlung von Teilstrahlen 3a, 3b auf
dieselbe kreisförmige
Fläche
auf dem Ziel und definiert hierdurch eine kreisförmige Fläche auf dem Ziel in Form eines
Kreises 11 aus beleuchteten "Flecken" bzw. "Punkten" 11a. Der zentrale Teilstrahl 3b trifft auf
die Mitte 10 der Zielfläche 9 auf.
Es versteht sich, daß der
zentrale Teilstrahl 3b weggelassen werden kann, so daß nur die
kreisförmige
Anordnung der Teilstrahlen 3a verwendet wird.
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Für Benutzer
der Vorrichtung ergibt sich dann unmittelbar, welche kreisförmige Fläche des Ziels
zur Temperaturmessung herangezogen wird, da diese Fläche von
den deutlich sichtbaren Flecken 11a umrissen wird.
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In
den 3 und 4 der Zeichnung wird eine andere
Art der Anvisierung verwendet. Bei dieser nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ein Zielfernrohr bzw. Visierteleskop 12 in Ausrichtung mit
einem lichtreflektierenden Spiegel 13 so angeordnet, daß der Spiegel 13 Lichtstrahlen 14 auf
das Fernrohr 12 reflektiert, die auf den Spiegel 13 von
einem Reflektor (Infrarotfilter/Spiegel) 15 gerichtet werden,
der die Eigenschaften hat, (a) Infrarotstrahlen durchzulassen, und
(b) sichtbares Licht zu reflektieren.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
ist die Vorrichtung zur Temperaturmessung lediglich schematisch
gezeigt. Sie enthält
einen Infrarotdetektor 16, dem eine Infrarotlinse 17 zugeordnet
ist. Das Ziel 18, dessen Temperatur zu messen ist, sendet
Infrarotstrahlen in Richtung auf die Infrarotlinse 17.
Diese konzentriert die empfangenen Strahlen auf den Infrarotdetektor 16.
Die von der Kombination der Elemente 16, 17 erfaßte Zielfläche 19 ist
kreisförmig.
Eine konzentrische, jedoch kleinere Fläche 20 des Ziels sendet
sichtbare Strahlen 14 auf den Reflektor 15, so daß ein durch
das Zielfernrohr 12 sehender Betrachter die kreisförmige Fläche 20 sieht
und somit erkennen kann, auf welchen Teil des Ziels die Vorrichtung zur
Temperaturmessung gerichtet ist.
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In
beiden Ausführungsformen
kann der Reflektor 7 bzw. 15 derartige optische
Eigenschaften haben, daß er
Infrarotenergie mit Wellenlängen
im Bereich von 8 bis 14 μm
durchläßt.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß das System zur Erfassung
und Ausrichtung, bestehend aus den Elementen 1, 3, 4 und 7 in 1 und 2,
so ausführbar
sein kann, daß es
an dem verbleibenden Teil der Vorrichtung anbringbar und von diesem
wieder abnehmbar ist.
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Ein
wesentliches Merkmal, das beiden beschriebenen Ausführungsformen
gemeinsam ist, liegt in der Verwendung von Licht/Laser-Spiegelmitteln, die
in den Pfad zur Infrarotlichtübertragung
eingefügt
sind, um die "sichtbaren" Strahlen in den
Infrarotpfad hinein bzw. aus diesem heraus abzulenken, ohne den
Infrarotpfad selbst zu beeinflussen.
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In
beiden Ausführungsformen
besteht das zu erreichende Ziel darin, eine Übereinstimmung zwischen dem,
was der Benutzer sieht bzw. anvisiert, und der Zielfläche zu schaffen,
deren Temperatur gemessen wird, d. h. mit anderen Worten, einen
leichten und genauen Zielvorgang für das Radiometer bereitzustellen.
Es ist ein Vorteil der hier offenbarten Visiersysteme, daß diese
nicht mit dem optischen System des Radiometers interferieren. Im
Ergebnis kann das Visiersystem unabhängig von dem Radiometer hergestellt
werden und kann als Zusatz zu dem Radiometer verwendet werden. Hierdurch
lassen sich sowohl die Herstellung als auch die Lagerhaltung besser
steuern.
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Die
Strahlteilermittel 3 können
als Diffraktions-Gitterlinse ausgeführt sein. Das Sichtfeld des
optischen Systems 5, 6 des Radiometers kann derart ausgelegt
sein, daß die
Zielfläche 9 etwas
größer ist als
der durch die Laserlicht-"Flecken" 11a definierte Kreis 11.
Wenn die Strahlteilermittel 3 weggelassen würden, würde das
Lasergeneratormodul 1 über
die Elemente 4, 7 einen einzelnen Laserstrahl
auf das Zentrum 10 der Zielfläche 9 projizieren,
so daß dort ein
einzelner Laser-"Fleck" entstehen würde.