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Die
vorliegende Erfindung betrifft Reflektoren mit der Fähigkeit,
polarisationsdrehend zu wirken für
optische Sensoren, besonders Reflexionslichtschranken. Es wird der
Aufbau eines Farbfilterreflektors beschrieben und ein Verfahren
aufgezeigt, dass durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors
auftretende Signalirritationen an reflektierenden und polarisationsdrehenden
Strukturen unterdrückt
werden können
und dadurch die störungsfreie
Auswertung des polarisierten Reflexionssignals des Reflektors für Sensoren
wesentlich verbessert werden kann.
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Lichtschranken
besitzen einen Sender und einen Empfänger. Sind Sender und Empfänger in
einem Gehäuse
vereint, wird ein Reflektor benötigt,
der das vom Sender ausgesandte Licht zum Empfänger zurückreflektiert. Der Sender der
Reflexionslichtschranke sendet Licht auf einen Reflektor. Das ausgesandte
Lichtsignal wird vom Reflektor reflektiert und zum Empfänger der
Lichtschranke zurückreflektiert.
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Während früher solche
Reflexlichtschranken nur als binäre
Systeme verwendet wurden, haben sich zum Beispiel die modernen Lasersensoren
zu komplexen Messgeräten
entwickelt. Die binären Lichtschrankensysteme
kennen nur die zwei Informationen, nämlich reflektiertes Licht wird
empfangen oder es wird nicht empfangen. Viele optische Messgeräte werten
heute auch zusätzlich
das empfangene Reflexsignal aus, indem sie zum Beispiel die Strahlgestalt
oder Intensitätsverteilung
des reflektierten Lichts auswerten. Je kleiner die verwendeten Lichtstrahlen
im Durchmesser werden, um Positionen zum Beispiel genauer bestimmen
zu können, desto
störanfälliger werden
die Lichtschranken für Strukturunregelmäßigkeiten
des Reflektors und Störungen
durch Fremdlichtquellen.
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Um
also sehr genau einen Reflektor abtasten zu können, muss auch seine Struktur
geeignet sein, diese Feinabtastung zu ermöglichen. Man kann von einer
Auflösungsfähigkeit
des Reflektors sprechen ähnlich
wie bei Fotografien oder Bildmonitoren. Bevorzugt werden als Reflektoren
für Lichtschranken Tripelreflektoren,
die meist eine retroflektierende Struktur aus einem Array, einer
Vielzahl kleiner Tripel aufweisen. Jeder Tripel besteht aus drei
Spiegeln, über
die das Licht geführt
wird, bis es schließlich
in Richtung der Lichtquelle zurückreflektiert
wird, was man als Retroflexion bezeichnet. Bei seinem Weg durch
den jeweiligen einzelnen Tripel erfährt der vom Sender stammende
Lichtstrahl einen Strahlversatz und verläuft abhängig von der Tripelstrukturgröße strahlversetzt
zum Sendestrahl als Reflexionslichtstrahl zum Empfänger zurück. Ähnlich ist
der Reflexionsverlauf bei einem Array aus Reflexionskugeln.
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Um
die beschriebene Auflösung
des Reflektors zu vergrößern, müssen kleinere
Tripel oder Kugeln ein Reflexionsarray bilden. Hier stößt man aber an
fertigungstechnische Grenzen, solche Arrays homogen herzustellen.
Mit der Mikronisierung der Tripel treten zudem neben der refraktiven
Optik auch zunehmend die Wirkungen der diffraktiven Optik auf. Reflektoren
aus zahlreichen Mikrotripeln besitzen eine Vielzahl von Mikrokanten,
die Störsignale
erzeugen können.
Größenschwankungen
der Tripel und/oder Winkelabweichungen der einzelnen Spiegelflächen der
Tripel zueinander in der Gesamtwirkung des Arrays, führen häufig zu
Regenbogeneffekten oder Moiréeffekten.
Hinzu kommen Überlagerungen
der Lichtwellen des zu reflektierenden Lichts mit Lichtwellen von
Fremdlichtquellen, zum Beispiel Sonnenlicht oder Beleuchtungskörpern. Bei
zusätzlich
auf der Rückseite
metallisierten Reflektoren oder Reflexfolien werden Dichteschwankungen
dieser metallischen Verspiegelung und Gefügeunregelmäßigkeiten der Metallschicht
zu Störlicht.
Besonders die Störungen,
die durch die Mikronisierung der Tripelstrukturen bedingt sind,
die hier in der Gesamtheit als Irritationen bezeichnet werden, erschweren
zunehmend die störungsfreie
Messgenauigkeit und die exakte Auswertung des reflektierten Lichts.
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Schon
vor Jahrzehnten hatte man begonnen, durch den Einbau von Polarisationsfiltern
in Lichtschranken störendes
Licht von Fremdlichtquellen von der Messung auszuschließen, indem
man nur reflektiertes Licht einer bestimmten Polarisationsdrehung
zur Messung zuließ.
Jedoch mit der Mikronisierung der Relexionsstrukturen werden jetzt
dennoch die beschriebenen neuartigen Störungen immer bedeutender und
sie sind ursächlich
für die
Zerstörung der
Messgenauigkeit.
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Der
erfindungsgemäße Gedanke
ist, nahe zu den Punkten der Reflexion und dem Entstehungsort der
Irritationen einen Farbfilter anzubringen, der nur noch die für die Messung
erforderliche Wellenlänge des
Lichts in den Reflektor eintreten lässt und auch nur noch diese
Wellenlänge
austreten lässt
aus der Reflektoroberfläche.
Zusätzlich
soll dabei auch polarisiertes Licht verwendet werden, das im Empfänger der
Reflexlichtschranke ausgewertet wird.
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Versuche
haben nun ergeben, dass die erfindungsgemäße Anordnung eines Farbfilters
direkt über
einer polarisationsdrehenden Reflexionsfläche die störungsfreie Messgenauigkeit
besonders bei der Beobachtung von Glasflaschen oder dem Zählen oder
Vermessen von Mikroteilen wesentlich verbessert.
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Da
die meisten Reflexionslichtschranken mit rotem Licht arbeiten, ist
für den
Filter auf dem Reflektor ein roter Farbfilter zu wählen. Bei
Verwendung zum Beispiel eines blauen Lasers als Sender in der Lichtschranke
ist entsprechend ein blauer Filter direkt über dem Reflektor anzuordnen.
Die Farbwahl des Farbfilterns ist also der gewünschten Lichtfarbe des Empfängers der
Lichtschranke anzupassen. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Farb filterreflektors
zeigt sich eine deutliche Unterdrückung von den oben beschriebenen
Störeinflüssen und
Irritationen.
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Der
Farbfilter kann als separates Element (4, 4.6) über der
Reflexionsfläche
(4.8) angeordnet sein oder als Einfärbung der retroflektierenden Struktur
selbst (2, 2.6). Es ist keineswegs
naheliegend, die retroflektierende Struktur eines Reflektors für eine Lichtschranke
einzufärben,
sondern es wurde bisher in der Lichtschrankentechnik für falsch gehalten.
Denn bei Verwendung von normalem weißem Licht erhält man nur
noch etwa 20% Licht als Reflexion, nämlich das Licht mit den Wellenlängen, die
der Farbfilter durchläßt. Deshalb
sind Reflektoren für
Lichtschranken regelmäßig mit
glasklarem, nicht eingefärbtem
Deckglas und Tripeln versehen. Dagegen werden im Straßenverkehr
häufig
eingefärbte Tripelreflektoren
verwendet, um Farbinformationen als Warnsignal zu geben, zum Beispiel
bei Fahrradrückstrahlern.
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In
der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt (5), die
polarisationsdrehende Reflexionsfläche (5.1) von dem
Deckglas (5.4) zu trennen. Jetzt kann die retroflektierende
Struktur eingefärbt
sein oder das Deckglas, um als Farbfilter zu wirken. Denn das Deckglas
(5.4) bildet mit dem Rückkasten
(5.7) einen wasserdichten Kasten, in dem die retroflektierende Struktur
(5.1) eingeschlossen ist. Jetzt kann für das Deckglas und den Rückkasten
auch ein anderer Werkstoff verwendet werden, als für die Tripelfläche. So
ergibt sich der Vorteil, dass der schützende Kasten zum Beispiel
aus einem besonders chemikalienbeständigen oder hitzebeständigen Werkstoff
gefertigt werden kann. Würde
der Werkstoff direkt auch für die
retroflektierende Struktur verwendet werden, könnten werkstoffbedingte Ungenauigkeiten
der Abformung und optische Eigenschaften des Werkstoffs zu weiteren
Irritationen führen.
Denn erfahrungsgemäß sind als
optische Werkstoffe Glas und Acrylglas (PMMA) für solche mikrostrukturierten
Tripelflächen besonders
störungsarm.
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Die
Kastenkonstruktion, die die retroflektierende Struktur einschließt, erlaubt
nun auch noch weitere technische Variationen, die durch die Kastenkonstruktion
geschützt
sind.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich ausschließlich
mit Reflexionselementen, die die Fähigkeit besitzen, polarisationsdrehend
zu wirken, wie für
die modernen Lichtschranken erforderlich, die dazu mit Polarisationsfiltern
ausgerüstet
sind.
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Polarisationsdrehend
wirken Tripel von Natur aus nur, sofern sie auf ihrer Rückseite
unverspiegelt, also nicht metallisiert sind, so dass das Licht an
den einzelnen Spiegelflächen
eines Tripels totalreflektiert wird. Um die Totalreflexion dauerhaft
zu erhalten, müssen
die Einzelspiegel der Tripel vor Staub und Feuchtigkeit geschützt werden.
Hier empfiehlt sich eine wasserdichte Kastenkonstruktion als Schutz.
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Wird
hingegen die Rückseite
der Tripel (5, 5.5) verspiegelt,
ist eine polarisationsdrehende Wirkung aufgehoben. Um die Polarisationsdrehung
dennoch zu ermöglichen,
wird auf die Lichteintrittsfläche
(5.6) ein Lambda/Viertel-Plättchen zur Polarisationsdrehung
aufgebracht. Auch kann das Lambda/Viertel-Plättchen auf Abstand zur retroflektierenden
Struktur auf die Innenseite des Deckglases (5.3) aufgebracht
werden. Die gezeigte Kastenkonstruktion in 5 schützt hier
auch die Metallisierung vor Korrosion.
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Soll
der Reflektor auch vor Beschlagen und Verschmutzung geschützt werden,
hilft ebenfalls die Kastenkonstruktion. Um die Erschwernisse der
Bearbeitung der Lichteintrittsfläche
der retroflektierenden Struktur zu vermeiden, bietet die Kastenkonstruktion die
Möglichkeit,
statt der Bearbeitung der Lichteintrittsfläche der retroflektierenden
Struktur, besser die Lichteintrittsfläche (5.6) des Deckglases
(5.4) durch Mikrostrukturierung oder Aufbringen von Beschichtungen
gegen Beschlagen mit Wasserdampf oder zur Entspiegelung zu versehen.
Bei diesen Fertigungsprozessen wird ja nur ein einfa ches Deckglas
bearbeitet. Weil es keine Tripel oder andere Reflexionselemente
trägt,
muss auch nicht auf deren Schutz bei den Beschichtungsprozessen
Rücksicht
genommen werden.
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Neben
der Kastenkonstruktion wird auch noch ein Folienaufbau gezeigt,
der außer
an den Schnittkanten der Folien ähnlichen
Schutz wie die Kastenkonstruktion gewährt.
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Es
zeigt die:
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1 einen
unverspiegelten, mit Totalreflexion arbeitenden und dadurch auch
polarisationsdrehend wirkenden Tripelreflektor für Reflexlichtschranken in der
Draufsicht, wie er von der Reflexlichtschranke aus gesehen wird,
mit den Befestigungslaschen (1.1 und 1.4). Die
Befestigungslaschen tragen je eine Bohrung (1.2 und 1.5)
für eine
mögliche Schraubbefestigung.
Zwischen den Befestigungslaschen befindet sich die retroflektierende
Struktur (1.3). In diesem Bespiel zeigt die retroflektierende Struktur
ein Tripelarray mit würfelförmiger Struktur der
Tripel. Jedoch kann die retroflektierende Struktur auch als Array
anderer aus der Patentliteratur bekannter Tripelformen, zum Beispiel
pyramidaler Tripel, gebildet sein. Die Tripel sind vergrößert gezeichnet,
um sie besser erkennen zu können.
Bei der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass die einzelnen
Reflexionselemente < 1,5
mm sind, dass die Reflexionselemente bevorzugt sogar < 0,3 mm sind, wobei
unter dieser Größenangabe
die maximale Ausdehnung in einer Ebene zu verstehen ist, wie z. B.
der Durchmesser oder die Schlüsselweite,
und dass die Reflexionselemente als Array die retroflektierende
Struktur bilden.
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2 den
Reflektor der 1 im Schnitt gesehen mit den
Befestigungslaschen (2.1 und 2.4) und den Befestigungsbohrungen
(2.2 und 2.5). Die retroflektierende Struktur
(2.6) besitzt eine Lichteintrittsfläche (2.7) und auf
ihrer Rückseite
die unverspiegelten Reflexionselemente (2.8). Hinter der
Reflexionsfläche
ist ein Luftraum (2.9) angeordnet, der wasserdicht geschlos sen
ist. Denn die Reflexionsfläche,
die eine Platte bildet, ist mit dem Rückkasten (2.3) durch Verschweißen oder
Kleben am Rand (2.10) dicht schließend verbunden.
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Abweichend
von einem herkömmlichen
Reflektor für
Reflexionslichtschranken, ist die Reflexionsfläche (2.6) zum Beispiel
rot eingefärbt,
um als Farbfilter zu dienen.
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3 eine
weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors in
der Draufsicht, wie er von der Reflexlichtschranke aus gesehen wird. Die
Befestigungslaschen (3.1 und 3.4) haben Befestigungsbohrungen
(3.2 und 3.5). Der Kasten (3.3) lässt das
darin eingeschlossene Reflexionselement erkennen.
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4 den
erfindungsgemäßen Farbfilterreflektor
in der Ausbildung der 3 im Schnitt von der Seite.
Die Befestigungslaschen (4.1 und 4.4) befinden
sich an den Seiten eines Kastens. Die Befestigungslaschen tragen
Bohrungen (4.2 und 4.5). Der Rückkasten (4.3) des
Reflektors ist mit dem Deckglas (4.6) wasserdicht verbunden.
Das Deckglas ist beispielhaft rot eingefärbt und dient als Farbfilter.
Hinter dem Deckglas befindet sich ein Hohlraum (4.7), in dem
eine retroflektierende Struktur (4.8) liegt. Die retroflektierende
Struktur hat beispielhafte Tripel (4.9). Der Rückkasten
(4.3) und das Deckglas (4.6) bilden einen dicht
schließenden
Kasten, der die retroflektierende Struktur (4.8), die auch
eine Folie sein kann, umschließt.
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5 Variationen
des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors,
wie in 4, im Schnitt von der Seite. Die retroflektierende
Struktur (5.1) besitzt eine Lichteintrittsseite (5.2).
Auf dieser Lichteintrittsseite der retroflektierenden Struktur ist
ein Lambda/Viertel-Plättchen
angeordnet. Das Lambda/Viertel-Plättchen kann
aber auch auf der Innenseite (5.3) des Deckglases (5.4)
angeordnet sein, so dass es im Abstand zur retroflektierenden Struktur
steht.
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Die
retroflektierende Struktur kann auch als dünne Folie ausgebildet sein.
Die Rückseite
der retroflektierenden Struktur, die die eigentlichen Reflexelemente,
die Tripel, trägt,
ist mit einer Metallschicht (5.5) beschichtet. Das Deckglas
(5.4) mit seiner Lichteintrittsseite (5.6) bildet
zusammen mit dem Rückteil
(5.7) des Reflektors einen dicht geschlossenen Kasten,
der die retroflektierende Struktur (5.1) einschließt.
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Das
Deckglas (5.4) ist beispielhaft rot eingefärbt, um
als Farbfilter zu dienen. Es kann auf seiner Lichteintrittsseite
(5.5) auch mit einer Beschichtung oder Mikrostrukturierung
zusätzlich
versehen werden zur Verminderung der Oberflächenreflexion und/oder zur
Abweisung von Beschlag mit Wasserdampf oder Schmutz. Das Deckglas
sollte möglichst
spannungsfrei aus Kunststoff gefertigt sein, damit es polarisiertes
Licht nicht in der Polarisation verändert. Spannungsfreiheit wird
durch den gleichmäßigen Fluss des
flüssigen
Kunststoffes bei der Herstellung, Vermeidung von Fließlinien
und Vermeidung von Dichteschwankungen des Kunststoffes erreicht.
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Vorteilhaft
wird das Deckglas (5.4) als Farbfilter verwendet. Es kann
aber auch die retroflektierende Struktur (5.1) oder beide,
sowohl Deckglas als auch die retroflektierende Struktur, eingefärbt sein. Durch
die gleichmäßige Wanddicke
des Deckglases ist seine Farbfilterwirkung wesentlich gleichmäßiger und
vermeidet viel besser die beschriebenen Irritationen, als eine in
den Dicken stark schwankende retroflektierende Struktur, deren Dickenschwankungen durch
die Tripelstruktur bedingt sind.
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6 die
Ausbildung des erfindungsgemäßen Farbfilterreflektors
als biegsame Folie. Eine Abdeckfolie oder ein Abdeckpapier (6.1)
schützt
die Klebeschicht (6.2), die zum späteren Verkleben der Folie aufgebracht
ist. Nach der Klebeschicht folgt die Metallschicht (6.3),
zum Beispiel aus Aluminium, Silber oder Gold, die auf die Spiegelfläche der
Tripel des Tripelarrays (6.4) aufgebracht ist. Die Metallschicht kann
zum Beispiel durch Bedampfen oder Sputtern aufgebracht worden sein.
Das Tripelarray kann aus Kunststoff oder Glas gefertigt sein. Es
kann eine Einfärbung
erhalten. Auf der planen Oberfläche des
Tripelarrays befindet sich eine Klebeschicht (6.5), die ein
Lambda/Viertel-Plättchen
in Form ein Folie (6.6) trägt. Auf der Lambda/Viertel-Folie befindet sich
eine weitere Klebeschicht (6.7), auf der eine als Farbfilter eingefärbte Deckschicht
(6.8) liegt.
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Einfallendes
Licht der Reflexlichtschranke tritt auf der Lichteintrittsfläche (6.9)
des Farbfilterreflektors ein, durchläuft den Farbfilter (6.8),
dann die Klebeschicht (6.7), dann das Lambda/Viertel-Plättchen (6.6),
in dem die Polarisation des Lichts gedreht wird, dann die Klebeschicht
(6.5), durchdringt das Tripelarray (6.4). An der
Metallisierung (6.3) wird das Licht gespiegelt, kehrt auf
seinem Weg mit geringem Strahlversatz zurück. Es verlässt das Tripelarray, durchdringt
die Klebeschicht (6.5) und gelangt wieder in das Lambda/Viertel-Plättchen (6.6),
in dem es ein weiteres mal in seiner Polarisation gedreht wird, durchdringt
die Klebeschicht (6.7), gelangt in den Farbfilter (6.8),
in dem es von Irritationen befreit wird und verlässt schließlich den Farbfilterreflektor
durch die Lichteintrittsseite (6.9), um zur Lichtschranke
zurückzukehren.
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7 mit
einem vereinfachten Aufbau gegenüber 6,
indem auf das Auflegen eines Farbfilters verzichtet wird, weil das
Tripelarray selbst als Farbfilter eingefärbt ist. Eine Abdeckfolie oder
ein Abdeckpapier (7.1) schützt die Klebeschicht (7.2),
die zum späteren
Verkleben der Folie aufgebracht ist. Nach der Klebeschicht folgt
die Metallschicht (7.3), zum Beispiel aus Aluminium, Silber
oder Gold, die auf die Spiegelfläche
der Tripel des Tripelarrays (7.4) aufgebracht ist. Das
Tripelarray kann aus Kunststoff oder Glas gefertigt sein. Es besitzt
eine Einfärbung als
Farbfilter, zum Beispiel Rot oder Blau oder Schwarz für rotes
bzw. blaues bzw. ultraviolettes Licht. Auf der planen Oberfläche des
Tripelarrays befindet sich eine Klebeschicht (7.5), die
ein Lambda/Viertel-Plättchen
in Form ein Folie (7.6) trägt. Die Oberfläche (7.7)
des Lambda/Viertel-Plättchens
ist die Lichteintrittsfläche
und Lichtaustrittsfläche.
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Zusammenfassend
kann man sagen, dass der erfindungsgemäße Farbfilterreflektor in seiner vorteilhaften
Ausgestaltung als Kasten (4 und 5),
bestehend aus einem Rückkasten
und einem eingefärbten
Deckglas, die in der mikrostrukturierten retroflektierenden Struktur
auftretenden Irritationen und Störungen
deutlich verringert und die Abtastgenauigkeit der Reflexlichtschranke
verbessert.
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Besonders
deutlich wird das, wenn der polarisierte Lichtstrahl des Senders
der Reflexionslichtschranke über
die Reflexfläche
bewegt wird. Diese Bewegung kann schon durch geringste Erschütterung
anderer Maschinen und Geräte
bewirkt werden und ist in der industriellen Praxis bei der Anwendung von
Reflexlichtschranken in Fabriken nicht zu vermeiden. Die bei der
Bewegung des Lichtstrahles zu beobachtenden Strahlverformungen,
die entstehenden Irrstrahlen, besonders bei pyramidalen und kugelförmigen Reflexelementen,
die diffraktiven Wirkungen der reflektierenden Mikrostrukturen,
alle diese Irritationen werden durch den der Lichtschranke angepassten
Farbfilter, der vor den Reflexionselementen angeordnet ist, deutlich
reduziert.
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Der
erfindungsgemäße Farbfilterreflektor
eröffnet
auch endlich die Möglichkeit,
noch kleinere Reflexionselemente als bisher für die optische Messtechnik
zu verwenden, um größere Auflösungen bei der
Beobachtung von Reflexflächen
mit polarisiertem Licht zu erzielen. Damit können transparente Teile und
Gläser,
kleinere Gegenstände,
Fäden oder
Mikroteile vor dem Hintergrund des Farbfilterreflektors besser beobachtet,
gezählt
oder vermessen werden.