DE10000029A1 - Beleuchtungsvorrichtung zum streifenförmigen Beleuchten eines flächigen Objekts - Google Patents

Abstract

Eine Beleuchtungsvorrichtung zum streifenförmigen Beleuchten eines flächigen Objekts (BN) enthält eine Spiegelanordnung, die im Querschnitt symmetrisch zu einer optischen Achse (OA) angeordnet ist und aus mehreren, unmittelbar aneinander anschließenden Spiegelsegmenten (S1, S21, S22, S3) besteht. Durch die Segmentierung der Spiegelanordnung lassen sich unerwünschte Störungen durch Reflexe und Streulicht vermeiden, die Abhängigkeit der Lichtintensität in der Objektebene vom Abstand des Objekts läßt sich verringern, die Bautiefe der gesamten Anordnung läßt sich reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zum streifenförmigen Beleuchten eines flächigen Objekts, deren Prinzip auch für eine punkt- bzw. kreisförmige Beleuchtung verwendet werden kann.

Das streifenförmige Beleuchten eines Objekts erfolgt z. B. in Dokumenten­ scannern, welche zur Prüfung von blattförmigen Objekten, z. B. Banknoten verwendet werden. Ein solcher Scanner ist beispielsweise in WO 96/36021 beschrieben. In dem dort beschriebenen Scanner wird das Bild von einem CCD-Sensor aufgenommen. Es sind jedoch auch Anwendungen mögliche, in welchen die Abbildung im Maßstab 1 : 1 erfolgt, wobei der aufnehmende Sensor entweder ein CCD-Sensor oder ein Photodiodenarray ist. Von dem streifenförmig beleuchteten Objekt wird reflektierte Lichtstrahlung oder transmittierte Lichtstrahlung mittels Photodetektorzeilen aufgenommen. Bei einem Kontaktbildsensor, d. h. bei einer Abb. 1 : 1, gelangt das reflek­ tierte Licht beispielsweise auf eine Photodetektorzeile oder einen CCD- Sensor, der digitale Signale zur weiteren Verarbeitung erzeugt.

Abhängig von der Einsatzart werden an das Beleuchtungslicht im Beleuch­ tungsbereich bestimmte Anforderungen gestellt, beispielsweise maximal zulässige Variation der Lichtintensität in Längs- und Breitenrichtung des Beleuchtungsstreifens und möglichst geringe Variation bei Abstandsände­ rungen des Objekts. Diese Forderungen finden ihren Niederschlag im Auf­ bau der Beleuchtungseinrichtung. Dabei soll der Aufbau weiteren Forderun­ gen genügen, wie z. B. geringes Bauvolumen, hohe Lichtausbeute, große Fer­ tigungstoleranzen etc. Bei den hohen Geschwindigkeiten, mit welchen die Dokumente z. B. in Banknoten-Bearbietungsmaschinen transportiert werden, kommt es insbesondere auch darauf an, den Wirkungsgrad des Beleuch­ tungssystems zu optimieren.

Die bekannten Beleuchtungseinrichtungen lassen sich neben der genannten Anwendung in jeder beliebigen Beluchtung einsetzen, welche mit linien­ förmigen Lichtquellen arabeitet (LED-Zeilen, Leuchtstofflampen etc.).

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei auf die Fig. 8 und 9 Bezug genommen. Fig. 8 zeigt in perspektivischer, schematischer Teildarstellung eine Beleuchtungsvorrichtung 2 für einen Dokumentenscanner zum strei­ fenweisen Abbilden einer Oberfläche einer Banknote BN.

Nach Fig. 8 wird die Banknote BN in Pfeilrichtung an einem Spalt 200 eines Gehäuses G der Beleuchtungsvorrichtung 2 vorbeigeführt.

Der Spalt 200 erstreckt sich in Y-Richtung eines dreidimensionalen kartesi­ schen Koordinatensystems. Die Transportrichtung der Banknote BN ent­ spricht der Z-Richtung.

In dem Gehäuse G der Beleuchtungsvorrichtung 2 befinden sich entweder eine im wesentlichen linienförmige Lichtquelle L oder (wie in WO 96/36021 beschrieben) mehrere im wesentlichen punktförmige Lichtquellen in einer als Reflektor fungierenden Spiegelanordnung 5. Die gesamte Anordnung ist symmetrisch zu einer optischen Achse OA. Die gesamte Anordnung hat im wesentlichen einen konstanten Querschnitt entlang der Y-Achse. Durch die Erstreckung der gesamten Anordnung in Richtung der Y-Achse wird durch die in zweidimensionalem Querschnitt als Linie vorliegende optische Achse OA zu einer Ebene. Symmetrisch zu dieser Ebene befindet sich in der Vor­ derseite des Gehäuses G der Spalt 200.

Das von der Lichtquelle L über die Spiegelanordnung 5 gebündelte Licht fällt konzentriert durch den Spalt 200 streifenförmig auf die in Fig. 2 verdeckte Seite der Banknote BN. Das von der Banknote reflektierte Licht wird von einem in dem Gehäuse G untergebrachten streifenförmigen Sensor 100 (zum Beispiel einem CCD-Sensor), wie in WO 96/36021 beschrieben, durch einen Durchbruch erfaßt und in digitale Bildsignale umgesetzt, die weiter­ verarbeitet werden können.

In Fig. 9 ist der Beleuchtungsstreifen im Spalt 200 in vergrößerter Darstel­ lung veranschaulicht. Die Banknote BN wird an dem Spalt 200 des Gehäuses G vorbeigeführt, wobei aber trotz geeigneter Führungsmittel die Lage der Banknote vor dem Spalt 200 Schwankungen in Richtung der X-Achse unter­ liegt.

Für die folgenden Betrachtungen spielen also nicht nur die Länge L und die Breite B des Beleuchtungsstreifens in dem Spalt 200 eine Rolle, sondern auch die Tiefe T.

Man kann den beleuchteten Bereich also als Volumen V mit den Kantenab­ messungen L, B und T betrachten. Die Banknote BN bewegt sich in Pfeilrich­ tung durch dieses Volumen V hindurch, wobei Unebenheiten der Banknote BN dazu führen, daß der Abstand der Banknote BN bzw. einer Seite der Banknote BN von der Beleuchtungsvorrichtung Schwankungen im Rahmen der Tiefe T des Volumens V unterliegt.

Forderungen für die Lichtverteilung und -orientierung in dem in Fig. 8 ge­ zeigten Volumen V innerhalb des Spalts 200 der Beleuchtungsvorrichtung sind unter anderem eine gute Homogenität über die gesamte Länge L, eine definierte Helligkeitsverteilung über die Spaltbreite B und eine möglichst konstante Intensität über die Tiefe T.

Bei der in Fig. 8 als Beispiel dargestellten Remissionssensoranordnung muß darauf geachtet werden, daß möglichst nur von der Banknote BN ge­ streut reflektiertes Licht auf den Sensor 100 gelangt. Dies führt zu der Forde­ rung, daß spiegelnde Reflexe zu vermeiden sind. Diese entstehen insbeson­ dere an metallisierten Sicherheitsfäden, Kinegrammen, Lackierungen etc. Aus Gründen des Wärmehaushalts ist es außerdem geboten, die Lichtaus­ beute der Lichtquelle L zu maximieren. Aus konstruktiven Gründen ist es ferner geboten, die Bautiefe und Bauhöhe der gesamten Beleuchtungsvor­ richtung möglichst gering zu halten.

Übliche Beleuchtungsvorrichtungen, z. B. WO 96/36021, der hier in Rede stehenden Art besitzen eine - im zweidimensionalen Querschnitt - zu der optischen Achse symmetrische Spiegelanordnung mit zwei im Querschnitt im wesentlichen elliptischen Spiegeln. Aufgrund dieser Spiegelgeometrie weisen die bekannten Beleuchtungsvorrichtungen besonders dann einen ge­ ringen Wirkungsgrad auf, wenn die Winkel, unter welchen das Licht auf das Objekt trifft, einen Mindestabstand zur Normalen aufweisen müssen. Damit die Intensitätsverteilung insbesondere in Richtung der optischen Achse (in der Tiefe T gemäß Fig. 9) möglichst homogen ist, müssen bei der Fertigung und der Anordnung der Spiegel strenge Fertigungstoleranzen eingehalten werden. Das gleiche gilt für die linien- oder stabförmige Lichtquelle. Beson­ ders schwierig ist das Beherrschen von Reflexen und Streulicht. Um diese unerwünschten Störungen zu vermeiden, sollten die Lichtquelle bzw. Licht­ quellen und Spiegel aus der Sicht der zu beleuchtenden Objektebene wei­ testgehend verdeckt sein.

Die Lichtquelle bzw. Lichtquellen werden üblicherweise durch eine Blende verdeckt, die in Fig. 8 durch den dortigen Sensor 100 gebildet wird.

Aufgrund der um die Blende bzw. den Sensor herumgeführten Lichtstrahl­ bündel ist die Lichtquelle selbst aus dem Blickwinkel der Objektebene ver­ deckt.

Durch die verdeckte Anordnung der Lichtquelle bezüglich der Objektebene ist die Apertur der Lichtquelle zunächst einmal beschränkt. Betrachtet man die Beleuchtungsvorrichtung im zweidimensionalen Querschnitt, so ist die "Apertur" bzw. der "Aperturwinkel" derjenige Winkel, in welchem von der Lichtquelle ausgehende Lichtstrahlen - direkt oder indirekt - zur Objektebe­ ne gelangen. Bei einer üblichen stabförmigen Leuchtstofflampe zum Beispiel wird das Licht von der Lampe in einem Winkel von 360° (2π) abgestrahlt. Die Apertur sollte also möglichst nah an diesem Wert von 360° liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung zum streifenförmigen Beleuchten eines flächigen Objekts anzugeben, die bei geringer Baugröße und guter Lichtausbeute eine weitgehend reflexfreie Be­ leuchtung des Objekts erlaubt.

Dabei geht die Erfindung aus von einer Beleuchtungsvorrichtung zum strei­ fenförmigen Beleuchten eines flächigen Objekts, mit

• - mindestens einer oder mehreren linienförmig angeordneten Lichtquellen,
• - einer als Reflektor dienenden Spiegelanordnung, die
• - parallel zu der oder den linienförmigen Lichtquellen verläuft,
• - einen in rechtwinklig zu der Linie orientierten Ebenen im wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist, und
• - in dem Querschnitt symmetrisch zu einer optischen Achse ist, welche im wesentlichen senkrecht auf dem zu beleuchtenden Streifen steht,

wobei diese Beleuchtungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß

• - die zu der optischen Achse symmetrische Spiegelanordnung beidseitig der optischen Achse jeweils aus mehreren Spiegelsegmenten besteht, von denen zumindest einige unmittelbar aneinander anschließen, und
• - diese Spiegelsegmente mit numerischen Methoden dergestalt optimiert sind, daß sie ein vorgegebenes Profil der Helligkeit in Richtung quer zum Streifen und eine möglichst kleine Tiefenvariation aufweisen.

Durch die abschnittsweise Segmentierung der Spiegelanordnung lassen sich die einzelnen, oben näher ausgeführten Forderungen erfüllen, die Gesamt­ heit der Forderungen läßt sich optimieren. Diese erfindungsgemäße Ausbil­ dung macht es insbesondere möglich, die Beleuchtungsvorrichtung kompa­ tibel mit bereits bestehenden Systemen auszugestalten, insbesondere die An­ forderungen an die Lichtverteilung im beleuchteten Spalt (Streifen) in der Weise zu erfüllen, daß sie mindestens so gut sind wie bei den bekannten Be­ leuchtungsvorrichtungen vergleichbarer Art. Um die erfindungsgemäße Be­ leuchtungsvorrichtung in existierenden Geräten verwenden zu können, er­ möglicht die erfindungsgemäße Segmentierung der Spiegelanordnung eine geometrische Anpassung ebenso wie die Erzielung einer Helligkeit, die in dem beleuchteten Streifen mindestens so groß ist wie bei der bekannten An­ ordnung. Die Intensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse, das heißt die Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke im beleuchteten Bereich von dem Abstand zwischen Objekt und Beleuchtungsvorrichtung, kann durch die Segmentierung der Spiegelanordnung ebenfalls gleichmäßiger gestaltet werden. Zur Vermeidung von Reflexen und Streulicht soll der Einfallswinkel für die Lichtstrahlbündel in der Objektebene größer als ein Minimumwert sein. Auch diese Forderung läßt sich durch Segmentierung der Spiege­ lanordnung erzielen. Die Segmentierung der Spiegelanordnung macht es außerdem möglich, relativ große Krümmungsradien für die einzelnen Spie­ gelsegmente vorzusehen und insbesondere für die einzelnen Teilbündel ver­ schiedene Richtungen und Abbildungseigenschaften zu wählen.

Um eine möglichst große Apertur für die Lichtquelle zu erreichen, wird im Bereich der Lichtquelle, also auf der dem Objekt abgewandten Seite der Spiegelanordnung, ein kreiszylindrisches Spiegelsegment (Zylinder) vorge­ sehen, genaugenommen ein Paar von Spiegelsegmenten mit Kreisbogenform im zweidimensionalen Querschnitt. Dieser Kreiszylinder bewirkt (in der zweidimensionalen Projektion), daß die Lampe bzw. die Lampenwendel, mehr oder weniger genauer in sich selbst abgebildet wird. Man erreicht also im wesentlichen eine Verdoppelung der Apertur. Das hat insbesondere den Vorteil, daß infolge dieser Abbildung die Position der Lampe immer "gespiegelt" wird, wodurch sich Positionsungenauigkeiten in erster Nähe­ rung kompensieren. Um bei einer linienförmigen Lichtquelle (z. B. Leucht­ stofflampe) die Wiederabsorption des durch den Zylinder reflektierten Lichts zu vermeiden, kann die Lichtquelle auch absichtlich gegen den Zylin­ dermittelpunkt verschoben sein.

In Richtung der Objektebene schließt sich an den "Kreiszylinder" ein Ab­ schnitt mit einem oder mehreren im Querschnitt im wesentlichen ellipti­ schen Segmenten an. Diese Segmente nutzen also Eigenschaften der bereits bekannten elliptischen Anordnung, um den Strahlengang so zu gestalten, daß sich in dessen Mitte ein von Lichtstrahlen freier Bereich befindet.

Besonders bevorzugt umfaßt der "elliptische" Abschnitt der Spiegelanord­ nung mindestens zwei Teilspiegelsegmente. Jedes Teilspiegelsegment re­ flektiert die direkt von der Lichtquelle oder indirekt von dem "Zylinder" kommenden Lichtstrahlen in Form eines konvergenten oder divergenten Lichtstrahlbündels.

Wenn je zwei konvergente Lichtstrahlbündel (jeweils auf beiden Seiten der Symmetrieebene der Beleuchtungsvorrichtung) auf die Objektebene auftreffen, ergibt sich dort eine bestimmte Intensitätsverteilung in Breitenrichtung des Streifens, insbesondere ergibt sich aber in Tiefenrichtung, das heißt in Richtung des Abstands entlang der optischen Achse, mit zunehmendem Ab­ stand eine starke Intensitätszunahme. Um den Raum zwischen den Spiegeln, der frei ist von Lichtstrahlen, möglichst breit zu machen, muß verhindert werden, daß das Lichtbündel vom unmittelbar an den Zylinder angrenzen­ den Spiegelsegment direkt auf das Objekt trifft. Es muß zunächst in eine au­ ßerhalb des zu beleuchtenden Spaltes liegende Richtung gebracht und schließlich durch einen näher am Objekt liegenden Umlenkspiegel auf dieses gelenkt werden. Dadurch erhöht sich der Winkel (relativ zur Normalen), unter welchem dieses Bündel das Objekt trifft. Der Umlenkspiegel kann au­ ßerdem dazu benutzt werden, den Aperturwinkel des ursprünglichen Bün­ dels nochmals zu modifizieren, z. B. ein konvergentes Bündel leicht divergent zu machen.

Dieses Umlenk-Spiegelsegment ist im wesentlichen eine Hyperbel. Das Um­ lenk-Spiegelsegment lenkt also die von dem ersten der beiden Teilspiegel­ segmente kommenden Lichtstrahlen ab und bildet aus einem konvergenten Lichtstrahlbündel ein divergentes Lichtstrahlbündel (oder umgekehrt), so daß mit dem von dem zweiten Teilspiegelsegment kommenden Lichtstrahl­ bündel in der Objektebene von jeder Seite je ein divergentes und ein konver­ gentes Lichtstrahlbündel zur Überlappung gelangen. Hierdurch läßt sich die Abhängigkeit der Intensität in Richtung der optischen Achse (Abstandsab­ hängigkeit) in den geforderten Grenzen halten.

Um das Licht maximal auszunutzen, schließen in der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung vorzugsweise sämtliche Spiegelsegmente lücken­ los aneinander an. Die Umlenk-Spiegelsegmente dienen aber nicht nur der oben angesprochenen Verringerung der Abstandsabhängigkeit, indem sie aus einem konvergenten Lichtstrahlbündel ein divergentes Lichtstrahlbün­ del machen (oder umgekehrt), sondern mit Hilfe des Umlenk-Spiegelseg­ ments wird auch der Forderung entsprochen, das Licht unter einem Winkel auf die Objektebene auftreffen zu lassen, der einem Minimumwert ent­ spricht. Da das jeweilige Umlenk-Spiegelsegment von der optischen Achse naturgemäß den größten Abstand von sämtlichen Spiegelsegmenten hat und darüber hinaus auch der Objektebene am nächsten liegt, können die von den Umlenk-Spiegelsegmenten auf die Objektebene gelenkten Lichtstrahlbündel mit der optischen Achse einen großen Winkel bilden.

Durch die Segmentierung der Spiegelanordnung wird erreicht, daß die ein­ zelnen Teil-Lichtstrahlbündel einen großen Bereich in der Nähe der opti­ schen Achse freilassen. Dabei kann die Gestaltung der einzelnen Spiegel­ segmente in der Weise erfolgen, daß die oben angesprochenen Blende in dem von Lichtstrahlen freien Bereich in der Nachbarschaft der optischen Achse an ihren äußeren Kanten exakt übereinstimmt mit den am weitesten innen liegenden Lichtstrahlen, die an diese Kante der Blende vorbeilaufen. Dies bedeutet, daß der innerhalb der Spiegelanordnung für die Teil-Licht­ strahlbündel verfügbare Raum optimal ausgenutzt werden kann und/oder daß das von der Lichtquelle gelieferte Licht optimal genutzt wird.

Aufgrund der elliptischen Querschnittsform der einzelnen Spiegelsegmente, aufgrund der Blende zwischen Lichtquelle und Objektebene und aufgrund der Umlenk-Spiegelsegmente ist aus dem Blickwinkel der beleuchteten Ob­ jektebene allenfalls nur ein sehr geringer Bereich einzelner Spiegelsegmente "sichtbar". Reflexe werden also weitestgehend vermieden. Die einzelnen Spiegelsegmente lassen sich mit dem Fachmann geläufigen Methoden unter Zuhilfenahme dafür entwickelter Programme numerisch berechnen und fer­ tigen. Sämtliche Spiegelsegmente, seien sie nun im Querschnitt kreisbogenförmig, elliptisch oder hyperbolisch, lassen sich durch Polynome approxi­ mieren, wobei Polynome sechster Ordnung bereits eine ausreichende Genau­ igkeit liefern. Durch die Segmentierung der Spiegelanordnung lassen sich die einzelnen Parameter schrittweise optimieren. Dabei sind relativ großzü­ gige Toleranzen möglich, was die Fertigung vereinfacht.

Alle vorliegenden Beleuchtungssysteme sind sowohl für eine Betrachtung des Objekts in Remission als auch in Transmission geeignet. In Remission dienen sie zur Beobachtung gestreut reflektierten Lichts und zur Vermei­ dung von spiegelnden Reflexen, in Transmission wirken sie, je nach Apertur der Abbildungsoptik, als spaltförmige "Dunkelfeld"-Beleuchtung. Ein Objekt wird also erst aufgrund seiner Lichtbrechung oder -streuung sichtbar.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische zweidimensionale Schnittansicht einer Beleuch­ tungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfin­ dung;

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 1 mit teilweise dargestellten Verläufen von Teil-Lichtstrahlbündeln;

Fig. 3 eine Skizze zur Veranschaulichung der Fertigung einer segmentier­ ten Spiegelanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 den Strahlengang einer weiteren Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;

Fig. 5 den Strahlengang einer Spiegelanordnung einer noch weiteren Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung einer Spiegelanordnung, die sich für eine digitalisierte Darstellung der Koordinaten der Spiegelanord­ nung für die Fertigung auf einer numerisch gesteuerten Maschine eignet;

Fig. 7 den Strahlengang einer Spiegelanordnung einer anderen Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;

Fig. 8 eine perspektivische geschnittene Teildarstellung einer Beleuch­ tungsvorrichtung mit streifenförmig zu beleuchtendem Objekt und

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines imaginären Beleuchtungsvo­ lumens entsprechend der Anordnung nach Fig. 8.

Zunächst soll anhand der Fig. 1 und 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert werden. In Fig. 1 ist in zweidimensionaler Schnittan­ sicht die in Fig. 7 allgemein und schematisch dargestellte Spiegelanord­ nung 5 in ihrer Lage bezüglich der optischen Achse OA und der streifenwei­ se zu beleuchtenden Banknote BN dargestellt.

Die in Fig. 1 gezeigte Spiegelanordnung 5 hat (abgesehen von einem mög­ lichen Ausschnitt) im wesentlichen konstanten Querschnitt entlang der Y- Achse. Zu der Beleuchtungsvorrichtung 2 gehören außer der Spiegelanor­ dung S eine hier punktförmig dargestellte Lampe L und eine Blende B. Ein darauf angeordneter Sensor 100 kann die beleuchteten Seite der Banknote BN detektieren. Der Sensor 100 kann dazu z. B. als Kontaktsensor ausgebil­ det sein (Abb. 1 : 1) oder ein anderes Abbildungsverhältnis aufweisen.

Die Spiegelanordnung S ist bezüglich der optischen Achse OA symmetrisch, das heißt in dreidimensionaler Anordnung ist die Spiegelanordnung S sym­ metrisch bezüglich einer durch die optische Achse OA definierten Symme­ trieebene.

Die Spiegelanordnung S enthält drei Segmente S1, S2 und S3. Das Segment S1 ist - auf jeder Seite der optischen Achse OA - ein im Querschnitt kreisbo­ genförmiges Spiegelsegment, hier auch als "Zylinder" bezeichnet. Durch das Segment S1 wird die im Idealfall als punktförmig anzunehmende Wendel der Lampe L auf sich selbst abgebildet.

Das Spiegelsegment S2 ist aufgeteilt in ein erstes Teil-Spiegelsegment S21 und ein zweites Teil-Spiegelsegment S22. Die beiden Teil-Spiegelsegmente haben jeweils einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt, wobei die Querschnitte jedoch voneinander verschieden sind.

An das zweite Teil-Spiegelsegment S22 schließt sich ein Umlenk-Spiegel­ segment S3 an, welches im Querschnitt im wesentlichen hyperbolisch ist. Sämtliche Spiegelsegmente S1, S2 und S3 schließen unmittelbar aneinander an, das gleiche gilt für die beiden Teil-Spiegelsegmente S21 und S22.

Fig. 2 veranschaulicht den Strahlengang in der Beleuchtungsvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die im zweidimensiona­ len Querschnitt zu einem Punkt idealisierte Lichtquelle L gibt Licht direkt auf die beiden Teil-Spiegelsegmente S21 und S22, außerdem indirekt über das Spiegelsegment S1 auf diese Teil-Spiegelsegmente S21 und S22.

Durch die Form der Teil-Spiegelsegmente S21 und S22 werden von diesen Segmenten jeweils konvergente Lichtstrahlbündel reflektiert. Das von dem Teil-Spiegelsegment S21 kommende, konvergente Lichtstrahlbündel wird von dem Umlenk-Spiegelsegment S3 in Form eines divergenten Lichtstrahl­ bündels reflektiert. In dem in Fig. 2 rechts gezeigten beleuchteten Streifen (Objektebene) der Banknote BN überlappen sich also jeweils beidseitig der optischen Achse OA ein konvergierendes und ein divergierendes Licht­ strahlbündel. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Intensität in Richtung der optischen Achse OA (Tiefe T in Fig. 8).

Vor dem auf der Belende B angeordneten Sensor 100 (siehe Fig. 1) kann eine Optik mit gewünschten Abbildungseigenschaften angebracht werden, die z. B. für einen Kontaktbildsenser (Abb. 1 : 1) oder für andere Ab­ bildungsverhältinsse, je nach verwendetem Sensor 100, geeignet ist. Aus dem abgebildeten Strahlengang ist ersichtlich, daß dies ermöglicht wird, weil dieser Bereich frei von Strahlung der Lichtquelle L ist.

Fig. 3 zeigt schematisch, wie aus einem Körper K beispielsweise durch Frä­ sen eine segmentierte Spiegelanordnung gewonnen werden kann, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Das erste Spiegelsegment S1 wird durch einen Teil eines Kreises mit dem Radius R1 definiert. Der erste Teil-Spiegel­ abschnitt elliptischen Querschnitts wird durch einen Teil einer Ellipse E21 gebildet. Das zweite Teil-Spiegelsegment S22 wird durch einen Teilbereich einer Ellipse E22 definiert. Das Umlenk-Spiegelsegment S3 wird durch einen Teil einer Hyperbel H3 definiert.

Planung, Simulation und Fertigung einer solchen Spiegelanordnung sind mit derzeit üblichen numerischen Hilfsmitteln ohne weiteres möglich. Zur Dar­ stellung der einzelnen Koordinaten kann man ein Koordinatensystem zu­ grundelegen, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Außer den einzel­ nen Spiegelsegmenten S1, S21, S22 und S3 läßt sich auch der von Lichtstrahlen freie Bereich links von der Blende B definieren mit Hilfe der Koordinaten für die Blende B und die Lichtquelle L. Mit einer gepunkteten Linie ist in Fig. 6 angedeutet, daß die von der Lichtquelle L kommenden Lichtstrahlen noch auf den objektseitigen Rand des Spiegelsegments S22 auftreffen, nicht jedoch mehr auf den zur Seite der Lichtquelle hin gelegenen Rand des Um­ lenk-Spiegelsegments S3. Durch die gestrichelte Linie in Fig. 6 ist veran­ schaulicht, daß der vom am weitesten links liegenden Rand des ersten Teil- Spiegelsegments S21 kommende reflektierte Lichtstrahl gerade noch auf den weitesten rechts liegenden Rand des Umlenk-Spiegelsegments S3 fällt. Dies macht deutlich, daß möglichst wenig Reflexionen in dieser Spiegelanord­ nung stattfinden, daß eine maximale Raumausnutzung erfolgt, und daß das verfügbare Licht der Lichtquelle L optimal ausgenutzt wird.

Die oben in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 dargestellte Spiegelanord­ nung stellt die derzeit am meisten bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung dar.

Fig. 4 zeigt eine bezüglich der Ausnutzung der Lichtquelle günstigere, be­ züglich der Auftreffbündel ungünstigere Ausführungsform einer Spiegel­ anordnung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Ein erstes Spiegelsegment S101 (jeweils eines auf jeder Seite der optischen Achse OA) wird durch ein elliptisches Segment gebildet. Daran schließen sich unmittel­ bar hintereinander ein zweites elliptisches Teil-Spiegelsegment S121 und ein ebenes oder hyperbolisches Teil-Spiegelsegment S122 an. Das Spiegelseg­ ment S121 reflektiert die direkt von der Lichtquelle L kommenden Licht­ strahlen als konvergentes Lichtstrahlbündel auf die Objektebene einer Bank­ note BN. Das Teil-Spiegelsegment S122 reflektiert das auf ihn auftreffende konvergente Lichtstrahlbündel aus dem Spiegelsegment S101 in Form eines ebenfalls konvergenten Lichtstrahlbündels. S101 und S122 können aber auch so ausgelegt werden, daß sie ein divergentes Bündel erzeugen. Die ausge­ nutzte Lichtquellenapertur dieser Anordnung ist größer als 270°.

Fig. 5 zeigt eine noch weitere Abwandlung einer Spiegelanordnung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Das Spiegelsegment S1 ist ein "Zylinder", ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Das daran anschließende elliptische Teil-Spiegelsegment S221 ist derart ori­ entiert, daß das von ihm reflektierte, konvergierende Lichtstrahlbündel sich kreuzt mit dem entsprechenden Lichtstrahlbündel von der anderen Seite der optischen Achse OA, um von dem Umlenk-Spiegelsegment S203 als diver­ gentes Lichtstrahlbündel auf die Objektebene gelenkt zu werden. Der Ver­ lauf des Lichtstrahlbündels, welches von dem zweiten Teil-Spiegelsegment S222 reflektiert wird, entspricht im wesentlichen dem Strahlengang nach Fig. 2, der von dem Teil-Spiegelsegment S22 ausgeht.

Fig. 7 zeigt eine andere Abwandlung einer Spiegelanordnung einer erfin­ dungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Auf die Darstellung eines Spiegel­ segments S1, wie z. B. in Fig. 1 und 5, wurde verzichtet.

Bei dieser Spiegelanordnung wird das von S11 erzeugte Bündel zunächst nur wenig abgelenkt und konvergiert relativ stark. S21 macht dieses Bündel di­ vergent und lenkt es auf den zu beleuchtenden Spalt. Die von S12 erzeugten Bündel überkreuzen sich zunächst und konvergieren ebenfalls. Die Segmen­ te S22 sorgen für Umlenkung und Verminderung der Divergenz. Blenden können an den mit B1, B2 und B3 angezeigten Stellen angebracht werden. Diese Ausführungsform ist dann vorzuziehen, wenn die Auftreffwinkel noch größer gewählt werden müssen.

Weiterhin wurden bisher ausschließlich zylindrische Systeme beschrieben. Dem Fachmann ist jedoch unmittelbar klar, daß alle beschriebenen Prinzipi­ en auch gelten, wenn man die gezeigten zweidimensionalen Abbildungen, statt aus ihnen Zylinder senkrecht zur Papierebene aufzubauen, um die opti­ sche Achse rotieren läßt. Dann entstehen punkt- bzw. kreisflächenförmige Dunkelfeldbeleuchtungen, deren Helligkeitsverteilung sich mit ähnlichen Methoden vorausbestimmen läßt, wie sie für den spaltförmigen Fall ange­ wendet werden.

Bringt man in Fig. 2, nun als Querschnitt durch ein rotationssymmetrisches System betrachtet, in B eine geeignete Linse an, welche aus L ein Bündel auf die von den anderen Bündeln getroffene Fläche abbildet und macht außer­ dem S1 zur Halbkugel, so wird nun sämtliches in den vollen Raumwinkel von 4π abgestrahltes Licht unter dem maximalen von S3 vorgegebenen Aperturwinkel auf die Fläche abgebildet. Je nach Lichtweg entstehen Verlu­ ste durch eine, zwei oder drei Reflexionen. Die beleuchtete Fläche könnte z. B. die Eintrittsöffnung eines Lichtleiters sein. Bis auf Abschattungen durch die Halterung einer realen Lampe, welche durch konstruktive Aufwendun­ gen im Prinzip minimiert werden können, und auf die beschriebenen Refle­ xionsverluste hat das System den maximalen theoretisch möglichen Wir­ kungsgrand. Durch eine leichte Modifikation des Aufbaus ist es auch mög­ lich, statt des konvergenten ein paralleles Lichtbündel zu erzeugen. Damit hat man den idealen Scheinwerfer.

Claims (15)

1. Beleuchtungsvorrichtung zum streifenförmigen Beleuchten eines flächi­ gen Objekts (BN), mit

• - mindestens einer oder mehreren linienförmig angeordneten Lichtquellen (L),
• - einer als Reflektor dienenden Spiegelanordnung (S), die
• - parallel zu der oder den linienförmigen Lichtquellen (L) verläuft,
• - einen in rechtwinklig zu der Linie orientierten Ebenen im wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist, und
• - in dem Querschnitt symmetrisch zu einer optischen Achse (OA) ist, die im wesentlichen senkrecht auf dem zu beleuchtenden Streifen (V) steht;

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die zu der optischen Achse (OA) symmetrischen Spiegelanordnung (S) beidseitig der optischen Achse (OA) jeweils aus mehreren Spiegelsegmen­ ten (S1, S2, S3; S2, S21, S22, S3; S101, S121, S122; S1, S221, S222, S203) be­ steht, von denen zumindest einige unmittelbar aneinander anschließen, und
• - diese Spiegelsegmente (S1, S2, S3; S1, S21, S22, S3; S101, S121, S122; S1, S221, S222, S203) mit numerischen Methoden dergestalt optimiert sind, daß sie ein vorgegebenes Profil der Helligkeit in Richtung quer zum be­ leuchteten Streifen und eine möglichst kleine Tiefenvariation aufweisen.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Lichtquelle (L) senkrecht auf oder nahe der optischen Achse (OA) liegt.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß auf der dem zu beleuchtenden Streifen abgewandten Seite der Spie­ gelanordnung (S) beidseitig der optischen Achse (OA) jeweils ein Spiegel­ segment (S1) mit im wesentlichen kreisbogenförmigem Querschnitt ange­ ordnet ist.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beidseitig der optischen Achse (OA) jeweils mindestens ein im Querschnitt annähernd elliptisches Spiegelsegment (S21, S22, . . .) vor­ gesehen ist.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elliptische Spiegelsegment (S2) mindestens zwei Teil-Spiegelsegmente (S21, S22; S121, S122; S221, S222, S31, S32) aufweist.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der dem zu beleuchtenden Streifen zugewandten Sei­ te der Spiegelanordnung beidseitig der optischen Achse je ein Umlenk- Spiegelsegment (53) vorgesehen ist.

7. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenk-Spiegelsegment annähernd einen Hyperbel-Querschnitt auf­ weist.

8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß ein zweites Umlenk-Spiegelelement (S322) vorgesehen ist.

9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das näher an der Lichtquelle (L) liegende erste Teil-Spiegelsegment (S21; S121; S221) im Verein mit einem an das zweite Teil-Spiegelsegment anschließenden Umlenk-Spiegelsegment (S3) ein diver­ gierendes Lichtstrahlbündel erzeugt.

10. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teil-Spiegelsegment ein konvergierendes Lichtstrahlbündel erzeugt.

11. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spiege­ lanordnung, ausgehend von der dem zu beleuchtenden Streifen abgewand­ ten Seite jeweils beidseitig der optischen Achse (OA) und unmittelbar anein­ ander anschließend, folgende Spiegelsegmente in Reihenfolge aufweist:

• a) einen Zylinder (S1) zur Erhöhung der Apertur der Lichtquelle L);
• b) ein erstes exakt elliptisches Teil-Spiegelsegment (S21; S121; S221), das ein konvergierendes Lichtstrahlbündel abgibt;
• c) ein zweites exakt elliptisches Teil-Spiegelsegment (S22; S122; S222), das ein konvergierendes Lichtstrahlbündel abgibt, und
• d) ein Umlenk-Spiegelsegment (S3; S203), das das von dem ersten ellipti­ schen Spiegelsegment kommende Lichtstrahlbündel als divergierendes Lichtstrahlbündel reflektiert.

12. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste elliptische Teil-Spiegelsegment (S221) derart eingestellt ist, daß sich das von ihm reflektierte Lichtstrahlbündel mit dem von dem symmetri­ schen ersten elliptischen Teil-Spiegelsegment auf der anderen Seite der opti­ schen Achse (OA) reflektierte Lichtstrahlbündel kreuzt.

13. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil-Spiegelsegmente (S21, . . .) zur optischen Achse rotationssysmmetrisch sind, und daß alle weiteren Bestandteile (L) ebenfalls rotationssysmmetrisch sind, wodurch sich statt einer linien- eine punkt- oder kreisförmige Beleuchtung ergibt.

14. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang eine Blende (B) oder eine Linse vorgesehen ist.

15. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil-Spiegelsegmente (S21, . . .) und die Linse derart gewählt sind, daß sie paralleles Licht aussenden.