DE102009058244A1

DE102009058244A1 - Vorrichtung für die Untersuchung eines Gegenstands, vorzugsweise eines Wertdokuments, unter Verwendung optischer Strahlung

Info

Publication number: DE102009058244A1
Application number: DE200910058244
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Wunderer
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-16
Also published as: US8952317B2; US20120248299A1; EP2513690A1; WO2011082766A1

Abstract

Beschrieben ist Vorrichtung für die Untersuchung eines Gegenstands, vorzugsweise eines Wertdokuments, unter Verwendung optischer Strahlung mit einem Lichtleiter, der einen entlang einer in einer Krümmungsebene gekrümmten Fläche ausgebildeten anisotropen Retroreflektorabschnitt aufweist, der Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene parallelen ersten Einfallsebene spekular reflektiert, Strahlungskomponenten orthogonal zu der ersten Einfallsebene jedoch retroreflektiert, so daß wenigstens ein streifend auf den Retroreflektorabschnitt fallender Anteil der optischen Strahlung wenigstens teilweise an der konvexen Seite der Fläche durch Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt geführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Untersuchung eines Gegenstands, vorzugsweise eines Wertdokuments, unter Verwendung optischer Strahlung, insbesondere eine Vorrichtung zur Beleuchtung eines Gegenstands und/oder einer Vorrichtung zur Erfassung eines Bildes eines Wertdokuments.
Unter Wertdokumenten werden dabei blattförmige Gegenstände verstanden, die beispielsweise einen monetären Wert oder eine Berechtigung repräsentieren und daher nicht beliebig durch Unbefugte herstellbar sein sollen. Sie weisen daher nicht einfach herzustellende, insbesondere zu kopierende Merkmale auf, deren Vorhandsein ein Indiz für die Echtheit, d. h. die Herstellung durch eine dazu befugten Stelle, ist. Beispiele für solche Wertdokumente sind Chipkarten, Coupons, Gutscheine, Schecks und insbesondere Banknoten.
Zur Untersuchung von Gegenständen, insbesondere von Wertdokumenten, werden häufig optische Sensoren verwendet, die ortsaufgelöst optische Eigenschaften eines zu untersuchenden Gegenstands erfassen und dazu mit einer Beleuchtungsvorrichtung streifenförmige Bereiche auf dem Gegenstand wenigstens teilweise mit optischer Strahlung beleuchten und auf ein im wesentlichen zeilenförmiges Feld von Empfangselementen einer Bilderfassungsvorrichtung des Sensors abbilden. Die Empfangselemente bilden in Abhängigkeit von der auf diese fallenden Strahlung Empfangssignale, die zusammen ein Bild des jeweiligen Bereichs des Gegenstands darstellen. Durch Bewegung des Gegenstands quer zur Richtung der Zeile bzw. des Streifens und durch sequentielle Erfassung solcher Bilder während der Bewegung an dem Sensor vorbei kann ein zweidimensionales Bildes des Gegenstands erfaßt bzw. aufgenommen werden. Unter optischer Strahlung im Sinne der Erfindung wird elektromagnetische Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Wellenlängenbereich verstanden. Die im Folgenden beschriebenen Komponenten brauchen nicht zur Verwendung im gesamten optischen Spektralbereich ausgebildet zu sein, vielmehr genügt die Ausbildung in einem, beispielsweise durch die Art des Gegenstands oder die gewünschte Untersuchung, vorgegeben Spektralbereich innerhalb des optischen Spektralbereichs.
Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, daß der Sensor sehr kompakt und preiswert aufgebaut werden kann. Die optische Auflösung dagegen braucht nicht immer hohen Anforderungen zu genügen. Sensoren mit konventionellen abbildenden Systemen, die nur Linsen oder Spiegel verwenden, erfüllen bei zeilenförmiger Abbildung diese Anforderungen nicht immer in dem gewünschten Umfang. In der Vergangenheit wurden manchmal selbstfokussierende Lichtleiter, sogenannte SELFOCs, zu diesem Zweck eingesetzt, doch nimmt deren Verfügbarkeit ab. Dies gilt insbesondere für solche SELFOCs, die zur Erzielung von erforderlichen Tiefenschärfen erforderliche Schnittweiten aufweisen. Zur guten Detektion von Löchern in ein Wertdokument oder von spiegelnd reflektierenden Bereichen, beispielweise reflektierenden Sicherheitsmerkmalen oder Klebestreifen, auf einem Wertdokument ist eine Beleuchtung des abzubildenden Bereichs mit einer über einen möglichst großen Bereich definierten, konstanten Apertur wünschenswert; hierzu wurden in der Vergangenheit ebenfalls SELFOCs eingesetzt. Zur Erzielung guter Bilder ist dabei auch eine einfache, aber gute Beleuchtung des abzubildenden Bereichs wünschenswert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Untersuchung von Gegenständen, vorzugsweise Wertdokumenten, unter Verwendung optischer Strahlung, insbesondere für einen optischen Sensor zur Untersuchung von Gegenständen, insbesondere Wertdokumenten, zu schaffen, die einen einfachen und kompakten Aufbau eines optischen Sensors zumindest geringer optischer Auflösung auch ohne SELFOCs ermöglicht, und einen optischen Sensor mit einer solchen Vorrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung für die Untersuchung eines Gegenstands, vorzugsweise eines Wertdokuments, unter Verwendung optischer Strahlung mit einem Lichtleiter, der einen entlang einer in einer Krümmungsebene gekrümmten Fläche ausgebildeten anisotropen Retroreflektorabschnitt, der Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene parallelen ersten Einfallsebene orthogonal zu der Achse spekular reflektiert, Strahlungskomponenten orthogonal zu der ersten Einfallsebene jedoch retroreflektiert, so daß streifend auf den Retroreflektorabschnitt fallende optische Strahlung wenigstens teilweise an der konvexen Seite der Fläche durch Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt führbar ist und insbesondere wenigstens ein streifend auf den Retroreflektorabschnitt fallender Anteil der optischen Strahlung wenigstens teilweise an der konvexen Seite der Fläche durch Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt geführt und vorzugsweise zusammengehalten wird.
Unter streifend auf Retroreflektorabschnitt fallender Strahlung wird dabei Strahlung verstanden, die in einem vorgegebenen Bereich von Winkeln zu der Krümmungsebene auf den Retroreflektorabschnitt fällt, so daß eine spekulare Reflexion, insbesondere mit großem Einfallswinkel, in der ersten Einfallsebene erfolgen kann; diese spekulare Reflexion kann wegen der Krümmung gegebenenfalls mehrfach erfolgen und so eine Führung in der ersten Einfallsebene entlang des Retroreflektorabschnitts bewirken.
Unter der in der Krümmungsebene gekrümmten Fläche wird eine Fläche verstanden, die eine Krümmung in der Krümmungsebene aufweist, d. h. deren orthogonale Projektion auf die Krümmungsebene eine gekrümmte Kurve in der Krümmungsebene ergibt; in einer Richtung orthogonal zu der Krümmungsebene weist sie jedoch vorzugsweise keine Krümmung auf. Das bedeutet, daß die in der Krümmungsebene gekrümmte Fläche vorzugsweise eine Fläche ist, deren Krümmung nur in der Krümmungsebene oder dazu parallelen Ebenen liegt bzw. die nur entlang der Krümmungsebene gekrümmt ist. Darunter, daß der Retroreflektorabschnitt entlang der in der Krümmungsebene gekrümmten Fläche verläuft, wird verstanden, daß der Retroreflektorabschnitt entlang der gekrümmten Fläche optisch wirksame, vorzugsweise gleich ausgebildete anisotrop reflektierende Strukturen aufweist, die das anisotrope Reflexionsverhalten bewirken. Die Führung der optischen Strahlung erfolgt auf der konvexen Seite der gekrümmten Fläche. Unter spekularer Reflexion in der ersten Einfallsebene wird im Rahmen der Erfindung verstanden, daß ein Strahl in der ersten Einfallsebene, der einen gegebenen Einfallswinkel mit einer Normalen auf die Ebene des Retroreflektorabschnitts einschließt, von dem Retroreflektorabschnitt in einen neue Richtung, gegeben durch einen Ausfallwinkel gegenüber der Normalen auf die Ebene des Retroreflektorabschnitts, abgelenkt wird. Einfalls- und Ausfallswinkel sind dann wie üblich gleich.
Unter den Begriffen ”retroreflektiert” bzw. Retroreflexion wird im Rahmen der Erfindung da gegen verstanden, daß ein einfallender Strahl in einer zweiten Einfallsebene, die orthogonal zu der ersten Einfallsebene und tangential zu der gekrümmten Fläche verläuft, und der aus der Retroreflexion des einfallendes Strahls resultierende retroreflektierte Strahl parallel verlaufen, wobei ein gewisser Versatz der Strahlen voneinander in einer Richtung parallel zu der zweiten Einfallsebene des Retroreflektorabschnitts auftreten kann. Da der Retroreflektorabschnitt entlang der in der Krümmungsebene gekrümmten Fläche verläuft, gibt es für jeden Auftreffpunkt eines Strahls auf den Retroreflektorabschnitt eine zweite Einfallsebene, die orthogonal zu der ersten Einfallsebene verläuft. Das bedeutet, daß einfallende Strahlen in einer Richtung orthogonal zu der ersten Einfallsebene von dem Retroreflektorabschnitt retroreflektiert werden.
Je nach Typ des Retroreflektorabschnitts tritt dieses Verhalten allerdings nur in einem bestimmten Bereich von Einfallswinkeln auf. Soweit nichts anderes ausgeführt wird, wird im Rahmen der Erfindung davon ausgegangen, daß die einfallenden Strahlen in einem Winkelbereich liegen, in dem die Retroreflexion wenigstens in guter Näherung möglich ist.
Ein anisotroper Retroreflektorabschnitt im Sinne der Erfindung kann beispielsweise einen Körper mit einer in der Krümmungsebene gekrümmten Oberfläche, beispielsweise eine gebogene bzw. gekrümmte Platte, aus einem transparenten Material aufweisen, auf bzw. in dessen Oberfläche als gekrümmter Fläche als anisotrop reflektierende Strukturen ein Feld von parallel zu einer entsprechend der Krümmung der Fläche gekrümmten Kurve in der ersten Einfallsebene verlaufenden Prismen, vorzugsweise Dachkantprismen mit einem Prismenwinkel von 90°, ausgebildet ist. Die Prismen sorgen in der zweiten Einfallsebene für die Retroreflexion in an sich bekannter Weise, wobei die Reflexion an den Grenzflächen der Prismen durch Totalreflexion oder Reflexion an einer spiegelnden Schicht auf der Oberfläche der Prismen gegeben sein kann.
Verglichen mit einem einfachen Spiegel zeigt ein anisotroper Retroreflektorabschnitt im Sinne der Erfindung also ein ungewöhnliches Verhalten, zu dessen Beschreibung man sich folgendes vorstellen kann: Fällt ein Strahl aus einer vorgegebenen Richtung auf den anisotropen Retroreflektorabschnitt, ergibt sich der reflektierte Strahl dadurch, daß der einfallende Strahl bzw. die einfallende Strahlung in erste und zweite Richtungskomponenten zerlegbar ist, die in der ersten bzw. der zweiten Einfallsebene liegen und deren vektorielle Summe gerade die Richtung des einfallenden Strahls bzw. der einfallenden Strahlung wiedergibt. Die erste Richtungskomponente wird spekular, die zweite Richtungskomponente jedoch retroreflektiert und die beiden reflektierten Richtungskomponenten werden wieder vektoriell summiert bzw. überlagert. In der ersten Ebene erfolgt eine spekulare Reflexion, wobei gleichzeitig eine Retroreflexion in der zweiten Ebene stattfindet. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Richtung des einfallenden Strahls so vorgegeben ist, daß überhaupt eine Retroreflexion stattfinden kann. Im Fall der genannten Dachkantprismen als retroreflektierender Struktur kann dazu die Richtung des einfallenden Strahls so liegen, daß der Einfallswinkel der Komponente in der zweiten Einfallsebene kleiner als 45° ist.
Streifend auf den Retroreflektorabschnitt auf dessen konvexer Seite treffende Strahlen werden demnach folgendermaßen reflektiert. Richtungs- bzw. Strahlungskomponenten solcher Strahlen in der ersten Einfallsebene, insbesondere streifend auf den Retroreflektorabschnitt bzw. die gekrümmte Fläche fallende Richtungskomponenten in der ersten Einfallsebene, werden spekular reflektiert, so daß sie orthogonal der ersten Einfallsebene nicht abgelenkt und durch ein- oder mehrfache spekulare Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt geführt werden. Ein beliebiges Auseinanderlaufen dieser Richtungskomponenten wird durch die Krümmung der Fläche verhindert, so daß eine gewisse Bündelung bzw. Fokussierung dieser Richtungskomponenten während der Führung an dem Retroreflektorabschnitt auftritt, die allerdings nicht perfekt ist. Die Richtungs- bzw. Strahlungskomponenten orthogonal zu der ersten Einfallsebene bzw. in den zweiten Einfallsebenen dagegen werden retroreflektiert, so daß durch die Retroreflexion eine gewisse Bündelung bzw. Fokussierung in einer Richtung orthogonal zu der ersten Einfallsebene auftritt. Insgesamt ergibt sich dadurch eine Bündelung der an dem Retroreflektorabschnitt geführten Strahlen bzw. optischen Strahlung, was zu einer Abbildung mit einer begrenzten Auflösung führt.
Der Lichtleiter kann unterschiedlich ausgebildet sein. Er kann als Hohlleiter oder als Lichtleiter aus einem transparenten Material ausgebildet sein. Weiter kann der Lichtleiter auf der konkaven Seite der gekrümmten Fläche liegen, so daß die optische Strahlung an dessen Außenseite geführt wird. Vorzugsweise wird die optische Strahlung aber in dem Lichtleiter geführt. Dieser besitzt dann vorzugsweise eine streifenförmige Eintrittsfläche, durch die die optische Strahlung in den Lichtleiter einkoppelbar ist, so daß diese wenigstens teilweise in dem Lichtleiter an der konvexen Seite der Fläche durch Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt geführt wird, und eine Austrittsfläche, durch die durch die Eintrittsfläche in den Lichtleiter eingekoppelte und in diesem geführte optische Strahlung aus dem Lichtleiter austritt, aufweist. Der Lichtleiter kann insbesondere außer dem an der Außenfläche liegenden Retroreflektorabschnitt eine vorzugsweise zu diesem parallel verlaufende Innenfläche mit größerer Krümmung aufweisen.
Dies hat den Vorteil, daß durch einen Punkt bzw. kleinen Bereich der Eintrittsfläche in den Lichtleiter eintretende Strahlen je nach Ausbildung des Lichtleiters und Eintrittswinkel relativ zu der gekrümmten Fläche sowie dem Eintrittspunkt in der Eintrittsfläche gegebenenfalls nach Reflexion an einer Ober- oder Innenfläche des Lichtleiters, die auf der konvexen Seite der gekrümmten Oberfläche liegt, aus dem Lichtleiter kommend auf den Retroreflektorabschnitt an der Außenseite des Lichtleiters fallen können, so daß eine sammelnde Funktion erzielt werden kann. Insgesamt ergibt sich dadurch eine Bündelung der durch die Austrittsfläche austretenden optischen Strahlung, was zu einer Abbildung mit einer begrenzten Auflösung führt.
Durch Verwendung solcher Vorrichtungen, die einen sehr einfachen Aufbau und, bedingt durch die Vermeidung von Linsen oder abbildenden Spiegeln, sehr klein ausgelegt sein können, wird so ein sehr kompakter und einfacher Aufbau eines abbildenden Systems und eines optischen Sensors mit einem solchen System ermöglicht.
Unter einer Vorrichtung für die Untersuchung eines Gegenstands mit optischer Strahlung wird hier allgemein eine Vorrichtung verstanden, die zu dem genannten Zweck, insbesondere zur Beleuchtung des Gegenstands oder zur Abbildung eines beleuchteten Bereichs verwendet werden kann. Prinzipiell braucht die Vorrichtung beispielsweise nur zur Beleuchtung oder zur Erfassung eines Bildes wenigstens eines Bereichs des Gegenstands ausgebildet zu sein.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Vorrichtung daher eine Quelle zur Abgabe der optischen Strahlung in einem vorgegebenen Spektralbereich aufweisen, deren optische Strahlung wenigstens teilweise streifend auf den Retroreflektorabschnitt fällt bzw. vorzugsweise durch die Eintrittsfläche in den Lichtleiter eingekoppelt wird, und durch diesen geführt wird. Eine solche Vorrichtung, die im Folgenden auch als Beleuchtungsvorrichtung bezeichnet wird, kann insbesondere als sehr einfach aufgebaute Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden, die zur Beleuchtung des zu untersuchenden Gegenstands, vorzugsweise Wertdokuments, dient. Einen besonderen Vorteil kann die Verwendung der Vorrichtung bieten, wenn die verwendete Strahlung den Gegenstand an allen Orten mit gleicher Apertur beleuchten soll.
Besonders bevorzugt kann die Quelle zur Abgabe der optischen Strahlung in einem Strahlenbündel mit einem streifenförmigen Querschnitt an der Eintrittsfläche ausgebildet sein, wobei die Längsrichtung des Querschnitts, also die Richtung parallel zu dem Streifen, orthogonal zu der ersten Einfallsebene verläuft. Dies bietet den Vorteil, daß ein sehr großer Teil der von der Quelle abgegebenen Strahlung tatsächlich in den Lichtleiter eingekoppelt und nach Lenkung durch den Lichtleiter und Austritt durch die Austrittsfläche zur Beleuchtung verwendet werden kann.
Bei einer zweiten Ausführungsform kann die Vorrichtung vorzugsweise eine Empfangseinrichtung zur Erfassung von dem Lichtleiter geführter, vorzugsweise aus der Austrittsfläche austretender, optischer Strahlung, vorzugsweise als Bild aufweisen. Das Bild kann besonders bevorzugt zeilenförmig sein. Die entsprechende aus dem Erfassungsbereich auf den Retroreflektorabschnitt fallen Strahlung stellt die zur Untersuchung verwendete Strahlung dar. Diese Ausführungsform der Vorrichtung, im Folgenden auch als Bilderfassungsvorrichtung bezeichnet, kann vorteilhaft als Empfangs- bzw. Detektionsvorrichtung eines abbildenden optischen Sensors verwendet werden. Deren Erfassungsbereich ist dabei dadurch gegeben, daß wenigstens ein Teil der aus ihm kommenden optischen Strahlung von der Vorrichtung erfaßt werden kann.
Besonders bevorzugt kann die die Empfangseinrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung der geführten Strahlung, vorzugsweise der aus der Austrittsfläche ausgetretenen optischen Strahlung entlang wenigstens einer Linie, vorzugsweise einer geraden Linie, besonders bevorzugt nahe hinter der Austrittsfläche, ausgebildet sein. Vorzugsweise verläuft die Linie parallel zu der Längsrichtung eines Querschnitts des Strahlenbündels an der Empfangseinrichtung, das aus der Austrittsfläche ausgetreten ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Eintritts- und/oder die Austrittsfläche streifenförmig ausgebildet sind, so daß deren größte Ausdehnung bzw. Längsrichtung orthogonal zu der ersten Einfallsebene verläuft. So kann die Vorrichtung beispielsweise als optischer Teil einer Zeilenkamera verwendet werden, die von einem Erfassungsbereich bzw. einem Wertdokument in dem Erfassungsbereich kommende und durch die streifenförmige Eintrittsfläche eintretende optische Strahlung, die einer Zeile entspricht, durch die Austrittsfläche auf die Empfangseinrichtung abbildet.
Die im Folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind insbesondere bei den oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung, gemäß denen die Vorrichtung als Beleuchtungsvorrichtung bzw. als Bilderfassungsvorrichtung ausgebildet sein kann, von Vorteil.
Der Retroreflektorabschnitt kann bis auf die oben beschriebenen Merkmale beliebig ausgebildet sein. Insbesondere braucht die gekrümmte Fläche und damit der Retroreflektorabschnitt keinen konstanten Krümmungsradius aufzuweisen. Es ist jedoch bevorzugt, daß die gekrümmte Fläche die Form eines Sektors eines Kreiszylinders aufweist, der vorzugsweise einen Sektorwinkel größer als 30°, besonders bevorzugt größer als 80° aufweist. Unter dem Sektorwinkel wird dabei der Winkel verstanden, der von Geraden in der Krümmungsebene durch die orthogonal zu der Krümmungsebene verlaufende Kreiszylinderachse und durch jeweils einen der Endpunkt der Projektion der gekrümmten Fläche auf die Krümmungsebene eingeschlossen wird. Ganz besonders bevorzugt sind Winkel von 90° bzw. 180°.
Grundsätzlich kann die Krümmung der gekrümmten Fläche bzw. die Krümmung der Projektion der Fläche auf die erste Einfallsebene beliebig gewählt sein, solange wenigstens eine Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt auftritt. Bevorzugt weist die gekrümmte Fläche jedoch in der ersten Einfallsebene, d. h. eine orthogonale Projektion der gekrümmten Fläche auf die erste Einfallsebene, einen Krümmungsradius zwischen 10 mm und 100 mm auf. Hierdurch ergibt sich, vorzugsweise bei einer kreiszylindrischen Form und Sektorwinkeln größer als 80°, eine gute Bündelung durch den Lichtleiter.
Der Lichtleiter kann prinzipiell beliebig geformt sein, solange er den Retroreflektorabschnitt aufweist. Vorzugsweise weist der Lichtleiter jedoch die Form einer in der Krümmungsebene gekrümmten Platte, vorzugsweise konstanter Dicke, auf. Die Dicke ist dabei die Dicke der Platte in der ersten Einfallsebene. Sie liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm. Der Retroreflektorabschnitt kann sich dann insbesondere entlang der gekrümmten Außenfläche der Platte erstrecken. Unter der Außenfläche wird dabei die gekrümmte Außenfläche der Platte verstanden, auf deren konvexer Seite der Lichtleiter liegt bzw. die die geringere Krümmung, bei einem Kreiszylinder also einen größeren Krümmungsradius, aufweist. Besonders bevorzugt ist die Höhe der Platte, d. h. die Ausdehnung der Platte orthogonal zu der ersten Einfallsebene wenigstens um den Faktor zwei, vorzugsweise fünf größer als die Dicke.
Der Lichtleiter kann prinzipiell aus beliebigen, für die verwendete optische Strahlung transparenten Materialien gebildet sein. Beispielsweise kann er aus einem geeigneten Glas gefertigt sein. Vorzugsweise ist er jedoch aus einem transparenten Kunststoff gebildet. Vorzugsweise ist das Material des Lichtleiters so gewählt, daß die spekulare Reflexion wie auch die Retroreflexion durch Totalreflexion erfolgt. Es ist jedoch alternativ oder zusätzlich auch eine Verspiegelung, beispielsweise durch eine geeignete Beschichtung, denkbar.
Der Retroreflektorabschnitt kann auf unterschiedliche Art und Weise gebildet sein. Insbesondere kann eine entsprechende Struktur durch Fräsen oder Prägen oder Spritzguß erzeugt sein.
Eine besonders einfache Herstellung des Lichtleiters ergibt sich mit folgendem Verfahren, das auch Gegenstand der Erfindung ist: Ein Planplatte aus thermoplastischem, transparenten Material, deren eine Fläche bereits den Retroreflektorabschnitt aufweist, wird in Streifen geschnitten, die zwei sich gegenüberliegende Kanten bzw. Stirnflächen aufweisen, die orthogonal zu der ersten Einfallsebene verlaufen und vorzugsweise zur Bildung der Ein- und Austrittsflächen poliert werden. Diese Streifen werden nach Erwärmen so gebogen, daß sich die gekrümmte Form mit einer Krümmung in einer Krümmungsebene parallel zu der ersten Einfallsebene ergibt. Nach Erkalten lassen kann der Lichtleiter benutzt bzw. weiterbearbeitet werden.
Prinzipiell genügt es, daß die Reflexion nur an dem Retroreflektorabschnitt erfolgt, der sich entlang der gekrümmten Fläche erstreckt, die insbesondere die Außenfläche des Lichtleiters bilden kann.
Es ist jedoch auch möglich, daß der Lichtleiter entlang einer der gekrümmten Fläche gegenüberliegenden Innenfläche, auf der konvexen Seite der gekrümmten Fläche liegenden, vorzugsweise zu dieser parallel verlaufenden für die optische Strahlung, insbesondere in dem vorgegebenen Spektralbereich, reflektierend ausgebildet ist. Dadurch kann Strahlung aus einem besonders großen Winkelbereich in den Lichtleiter eingekoppelt und in diesem geführt werden, was sowohl bei einer Ausbildung als Beleuchtungsvorrichtung als auch als Empfangsvorrichtung ein Vorteil ist.
Der Lichtleiter kann aber auch entlang einer der gekrümmten Fläche gegenüberliegenden, auf der konvexen Seite der gekrümmten Fläche liegenden, vorzugsweise zu dieser parallel verlaufenden Innenfläche einen inneren anisotropen Retroreflektorabschnitt aufweisen, der Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene parallelen ersten Einfallsebene, die orthogonal zu der Achse liegt, spekular reflektiert, Strahlungskomponenten orthogonal zu der ersten Einfallsebene jedoch retroreflektiert, so daß die optische Strahlung wenigstens teilweise zwischen den Retroreflektorabschnitten führbar ist. Diese Ausbildung auch der Innenfläche als Retroreflektorabschnitt bietet den Vorteil, daß eine verbesserte Bündelung insbesondere bei großen Krümmungen oder stark divergierenden Strahlenbündeln an der Eintrittsfläche ermöglicht wird. Die Führung der optischen Strahlung erfolgt analog zu der durch den ersten Retroreflektorabschnitt. Auch vergleichsweise stark divergierende Strahlenbündel können so geführt und wieder gebündelt werden.
Ist der Lichtleiter kein Hohlleiter und weist er eine Eintrittsfläche und die Austrittsfläche auf, können diese prinzipiell beliebig geformt und ausgerichtet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Eintritts- und/oder Austrittsfläche als ebene Flächen ausgebildet sein. Diese ebenen Flächen können insbesondere orthogonal zu der Krümmungsebene und der zweiten Einfallsebene des Retroreflektorabschnitts an der Eintritts- bzw. Austrittsfläche angeordnet sein. Damit wird eine Ablenkung von parallel zu der Krümmungsebene verlaufenden Strahlen vermieden. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Eintritts- und/oder Austrittsfläche orthogonal zu der Krümmungsebene und in einem vorgegebenen Winkel gegenüber der zweiten Einfallsebene an der Eintritts- bzw. Austrittsfläche geneigt. Hierdurch kann ein Abknicken des Strahlengangs an der Eintritts- bzw. Austrittsfläche erreicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Eintritts- und/oder die Austrittsfläche aber auch so gewölbt ausgebildet sein, daß sie als Linse wirkt. Damit kann eine Verkleinerungs- oder Vergrößerungswirkung erzielt werden. Die Wölbung kann dabei vorzugsweise kreiszylindrisch (mit der Zylinderachse orthogonal zu der ersten Einfallsebene bzw. der Krümmungsebene) oder asphärisch-zylindrisch sein.
Der Lichtleiter kann auch einen weiteren anisotropen Retroreflektorabschnitt aufweisen, der entlang einer in der Krümmungsebene gekrümmten weiteren Fläche ausgebildet ist und der Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene parallelen ersten Einfallsebene spekular reflektiert, Strahlungskomponenten orthogonal zu der Krümmungsebene jedoch retroreflektiert, so daß die eingekoppelte optische Strahlung entlang einer S-förmigen Fläche geführt wird. Die weitere gekrümmte Fläche setzt dabei die Innenfläche fort, die der ersten, der Eintrittsfläche näheren, vorzugsweise an diese angrenzenden, gekrümmten Fläche gegenüberliegt. Damit liegt sie wiederum auf der Außenseite des Lichtleiters, der auf der konvexen Seite der Außenfläche liegt. Dies erlaubt einen Versatz im Strahlengang, der sonst nur mit einer Optik erzielbar wäre, die erheblichen Raum beansprucht.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen eignen sich insbesondere zum Aufbau von optischen Sensoren. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch ein optischer Sensor zur Erfassung von optischen Eigenschaften eines Gegenstands, vorzugsweise Wertdokuments, in einem vorgegebenen Erfassungsbereich, der eine als Empfangsvorrichtung ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist, und bei dem aus dem Erfassungsbereich, insbesondere von einem Gegenstand, vorzugsweise Wertdokument, in dem Erfassungsbereich kommende optische Strahlung an dem Retroreflektorabschnitt geführt wird, wobei sie, je nach Ausbildung des Lichtleiters, vorzugsweise in die Eintrittsfläche des Lichtleiters eingekoppelt wird. Grundsätzlich braucht der Sensor keine besondere Beleuchtungsvorrichtung aufzuweisen, wenn eine Beleuchtung des Gegenstands bzw. Wertdokuments mit optischer Umgebungsstrahlung, insbesondere sichtbarem Licht ausreicht. Vorzugsweise besitzt der optische Sensor jedoch eine Beleuchtungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, optische Strahlung in einem vorgegebenen Spektralbereich auf den Erfassungsbereich oder einen Gegenstand bzw. ein Wertdokument in dem Erfassungsbereich abzugeben.
Prinzipiell kann die Beleuchtungsvorrichtung beliebig ausgebildet sein. Bevorzugt verfügt der optische Sensor jedoch über eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, wobei die von dem Retroreflektorabschnitt der Vorrichtung zur Beleuchtung geführte, je nach Ausbildung des Lichtleiters, vorzugsweise aus der Austrittsfläche des Lichtleiters der Vorrichtung zur Beleuchtung bzw. Beleuchtungsvorrichtung austretende, optische Strahlung den Erfassungsbereich beleuchtet. Diese Ausführungsform erlaubt einen besonders kompakten Aufbau. Besonders bevorzugt kann der Lichtleiter so ausgebildet und angeordnet sein, daß die optische Strahlung mit in mehr als zwei Dritteln des Erfassungsbereichs, vorzugsweise dem gesamten Erfassungsbereich konstanter Apertur abgegeben wird.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Sensor zur Erfassung von optischen Eigenschaften eines Gegenstands, vorzugsweise eines Wertdokuments in einem vorgegebenen Erfassungsbereich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beleuchtung wie sie oben beschrieben ist, deren von dem Retroreflektorabschnitt der Vorrichtung zur Beleuchtung geführte, je nach Ausbildung des Lichtleiters, vorzugsweise aus der Austrittsfläche des Lichtleiters austretende, optische Strahlung den Erfassungsbereich beleuchtet, und mit einer Empfangseinrichtung, die zur Erfassung von aus dem Erfassungsbereich kommender optischen Strahlung und Bildung von Signalen, die Eigenschaften der erfaßten Strahlung beschreiben, ausgebildet ist. Die Empfangseinrichtung braucht in diesem Fall nicht unbedingt wie eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung ausgebildet zu sein.
Die beschriebenen optischen Sensoren, die sowohl eine Beleuchtungs- als auch eine Empfangseinrichtung aufweisen, können insbesondere zur Erfassung von Luminenszenz-, Remissions- und/oder Transmissionseigenschaften von Wertdokumenten ausgebildet sein.
Im Fall der Lumineszenz- und Remissionseigenschaften sind die Beleuchtungs- und die Erfassungsvorrichtung bzw. deren Austritts- bzw. Eintrittsflächen auf derselben Seite des Erfassungsbereichs angeordnet, so daß von der Beleuchtungsvorrichtung abgegebene optische Strahlung von dem Wertdokument remittiert und die remittierte Strahlung von der Erfassungsvorrichtung erfaßt werden kann; im zweiten Fall sind die Beleuchtungs- und Erfassungsvorrichtung bzw. deren Austritts- bzw. Eintrittsflächen auf sich gegenüberliegenden Seiten des Erfassungsbereichs bzw. eines sich darin befindlichen Wertdokuments angeordnet.
Bei der Erfassung von Lumineszenzeigenschaften kann die Beleuchtungsstrahlung in einem anderen Spektralbereich liegen als die schließlich von der Empfangseinrichtung erfaßte Lumineszenzstrahlung.
Die Erfindung wird im Folgenden noch weiter beispielhaft an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Lichtleiters mit einem sich entlang einer gekrümmten Fläche erstreckenden anisotropen Retroreflektorabschnitt aus einer Richtung orthogonal zu einer Krümmungsebene des Lichtleiters,
2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts des Lichtleiters in 1,
3 eine schematische perspektivische Ansicht eines kurzen Abschnitts des Lichtleiters in 1 zur Veranschaulichung der Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt,
4 eine schematische Darstellung der spekularen Reflexion eine Strahls an einer Außenfläche des Lichtleiters, entlang derer der Retroreflektorabschnitt angeordnet ist, in einer zu der Krümmungsebene parallelen ersten Einfallsebene des Retroreflektorabschnitts,
5 eine schematische Darstellung zum Vergleich der spekularen mit der Retroreflexion der Randstrahlen eines Strahlenbündels durch den Retroreflektorabschnitt, in der die Strahlen auf eine durch eine Krümmungsachse, um die die Außenseite des Lichtleiters gekrümmt ist, verlaufende Ebene projiziert ist,
6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Wertdokumenten,
7 eine schematische Darstellung eines optischen Sensors der Bearbeitungsvorrichtung in 6 von der Seite, der zur Erfassung von Remissionseigenschaften eines Wertdokuments ausgebildet ist,
8 eine schematische Darstellung einer Empfangseinrichtung des Sensors in 7,
9 eine schematische Darstellung eines weiteren optischen Sensors von der Seite, der zur Erfassung von Transmissionseigenschaften eines Wertdokuments ausgebildet ist,
10 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung für die Untersuchung eines Wertdokuments unter Verwendung optischer Strahlung, bei welcher ein Versatz der abgegebenen Strahlung gegenüber der eingekoppelten Strahlung erfolgt,
11 eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung für die Untersuchung eines Wertdokuments unter Verwendung optischer Strahlung, bei der ein Versatz der aus einem Lichtleiter der Vorrichtung austretenden Strahlung gegenüber der in den Lichtleiter eingekoppelten Strahlung erfolgt,
12 eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung für die Untersuchung eines Wertdokuments unter Verwendung optischer Strahlung, bei der eine Krümmung des Lichtleiters nicht kreisförmig ist,
13 eine schematische Ansicht eines Lichtleiters an einer Eintrittsfläche, die gekrümmt bzw. gewölbt ist,
14 eine schematische Ansicht eines Querschnitts eines weiteren Lichtleiters einer Vorrichtung zur Untersuchung von Wertdokumenten, und
15 eine schematische Ansicht eines als Hohlleiter ausgebildeten Lichtleiters mit einem sich entlang einer gekrümmten Fläche erstreckenden anisotropen Retroreflektorabschnitt und einer reflektierenden Innenfläche, der optische Strahlung in einem Hohlraum führt, aus einer Richtung orthogonal zu einer Krümmungsebene des Lichtleiters.
Eine Vorrichtung für die Untersuchung eines Gegenstands, im Beispiel eines Wertdokuments, in Form einer Beleuchtungsvorrichtung in 1 verfügt über eine Quelle 10 für optische Strahlung, im Beispiel sichtbares Licht, und einen Lichtleiter 12 mit einer Eintrittsfläche 14, durch die optische Strahlung der Quelle 10 in den Lichtleiter eingekoppelt wird, und einer Austrittsfläche 16, durch die optische Strahlung, die durch die Eintrittsfläche 14 in den Lichtleiter 12 eingekoppelt wurde, aus dem Lichtleiter 12 ausgekoppelt werden bzw. austreten kann.
Der Lichtleiter 12, dessen Querschnitt schematisch in 2 gezeigt ist, wird durch eine ursprünglich planparallele Platte 20 gebildet, die in einer Krümmungsebene 18, der x-y-Ebene, gekrümmt ist, in der Richtung z orthogonal zu der Krümmungsebene 18 jedoch nicht gekrümmt ist. Im Beispiel verfügt die Platte 20 über eine konstante Dicke und besitzt die Form eines Kreiszylindersegments mit einem Sektorwinkel β und einer Zylinder- bzw. Krümmungsachse 22. Im Beispiel beträgt der Sektorwinkel 180°, die Krümmungsachse ist orthogonal zu der Krümmungsebene 18. Der Lichtleiter 12 verfügt daher über eine in der Krümmungsebene 18 gekrümmte Fläche 24, die Außenfläche, auf deren konvexer Seite die Platte bzw. das Innere des Lichtleiters 12 liegt. Diese weist dementsprechende die Form eines Sektors eines Kreiszylinders auf, der einen Sektorwinkel β hat, der größer als 30°, besonders bevorzugt größer als 80°, im Beispiel 180° ist. Bedingt durch kreiszylindrische Form besitzt die gekrümmte Fläche eine einzige Krümmungsachse, nämlich die Zylinder- bzw. Krümmungsachse 22.
Entlang der gekrümmten Außenfläche 24 ist ein anisotroper Retroreflektorabschnitt 26 des Lichtleiters 12 ausgebildet, der Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene 18 parallelen ersten Einfallsebene 28 spekular reflektiert und Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene 18 bzw. der ersten Einfallsebene 28 orthogonalen und tangential zu der gekrümmten Außenfläche 24 verlaufenden zweiten Einfallsebene 30 retroreflektiert. Dadurch, daß die zweite Einfallsebene jeweils tangential zu der gekrümmten Außenfläche 24 verläuft, ändert sich die Richtung der zweiten Einfallsebenen entlang des Lichtleiters 12. In 1 sind zweite Einfallsebenen 30' und 30'' an der Ein- und der Austrittsfläche 14 bzw. 16 gezeigt.
An dem anisotropen Retroreflektorabschnitt 26 werden Strahlungskomponenten 32 in der ersten Einfallsebene 28 spekular reflektiert; Strahlungskomponenten 34 in den zweiten Einfallsebenen 30 werden an ihm jedoch retroreflektiert, d. h. in dieselbe Richtung, aus der sie kommen, bzw. parallel zur der Richtung, aus der sie kommen, zurückgeworfen (vgl. 3 bis 5). Stellt man die Ausbreitungsrichtung der Strahlung lokal als Vektor dar, bedeutet dies, daß die Strahlung als Überlagerung von zwei Vektorkomponenten in der ersten und der zweiten Einfallsebene darstellbar ist. Die von dem Retroreflektorabschnitt 26 zurückgeworfene Strahlung breitet sich dann in einer Richtung aus, die durch Komponenten in den beiden Einfallsebenen gegeben ist. Die Komponente in der ersten Einfallsebene entspricht spekularer Reflexion, die Komponente in den zweiten Einfallsebenen entspricht Retroreflexion.
Der Retroreflektorabschnitt 26 umfaßt im vorliegenden Beispiel als anisotrop reflektierende Struktur parallel zueinander und zu der ersten Einfallsebene 28 verlaufender Geraden verlaufende, in gleichen Abständen zueinander angeordnete, langgestreckte symmetrische Prismen 36, genauer Dachkantprismen mit einem Prismenwinkel von 90°, die in der gekrümmten Außenfläche 24 des Lichtleiters 12, im Beispiel der Platte 20 ausgebildet sind. Da der Retroreflektorabschnitt 26 entlang der gekrümmten Außenfläche ausgebildet ist, liegen sich entsprechende Kanten der Prismen 36 jeweils in parallel zu der Außenfläche 24 verlaufenden Flächen. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Lichtleiters in radialer Richtung, wobei jedoch der Übersichtlichkeit halber die Größenverhältnisse nicht maßstabsgetreu dargestellt sind und insbesondere die Anzahl der Prismen wesentlich geringer ist, als in dem entsprechenden realen Lichtleiter. Die Querschnitte der Prismen 36 orthogonal zu deren Längserstreckung, d. h. in der zweiten Einfallsebene 30, haben im Beispiel die Form eines gleichschenkligen Dreiecks mit einem Scheitelwinkel α von 90° und eine Basisbreite B von etwa 300 μm. Der Brechungsindex des Materials der Prismen ist so gewählt, daß die Retroreflexion durch zweimalige Totalreflexion an den Flanken der Prismen erfolgt. Die Retroreflexion tritt dabei vorzugsweise über einen ganzen Bereich von Einfallswinkeln auf die Ebene des Retroreflektorabschnitts 26 bzw. der Prismenanordnung auf. Bedingt durch die Krümmung der Außenfläche 24 gibt es für jeden radialen Querschnitt durch den Lichtleiter 12 eine zweite Einfallsebene orthogonal zu der ersten Einfallsebene.
Die Reflexion von Strahlungskomponenten 32 bzw. 34 in der ersten Einfallsebene 28 bzw. den zweiten Einfallsebenen 30 entlang des Lichtleiters 12 ist in den 4 und 5 nochmals veranschaulicht. In der ersten Einfallsebene liegende Strahlungskomponenten 32 (vgl. 4) von durch die Eintrittsfläche 14 eingekoppelten Strahlen, die streifend auf die Außenfläche 24 bzw. den Retroreflektorabschnitt 26 einfallen, werden im Allgemeinen mehrfach spekular reflektiert und bedingt durch die Krümmung des Lichtleiters 12 entlang dessen Außenfläche 24 geführt, bis sie wieder aus der Austrittsfläche 16 austreten.
In zweiten Einfallsebenen 30 orthogonal zu der ersten Einfallsebene 28 liegende Strahlungskomponenten 34 von durch die Eintrittsfläche 14 eingekoppelten Strahlen dagegen werden an dem Retroreflektorabschnitt 26 retroreflektiert und so in einem gewissen Grad gebündelt. Dies ist in 5 veranschaulicht, in der die Strahlungskomponenten 34 durch gepunktete Linien in einer Projektion auf eine zu der ersten Einfallsebene senkrechte und durch die Achse 22 verlaufende Ebene dargestellt sind. Ohne eine solche Retroreflexion würde eine Strahlungskomponente 35 in der zweiten Einfallsebene an der Eintrittsfläche 14 nicht zurückgelenkt, ein Strahlenbündel würde in dieser Richtung divergieren. Dies ist in 5 durch die durchgezogenen Linien 35 veranschaulicht
Die Ein- und Austrittsflächen 14 bzw. 16 sind jeweils als ebene Flächen ausgebildet, die orthogonal zu der Krümmungsebene 18 und den zweiten Einfallsebenen 30' und 30'' des Retroreflektorabschnitts 26 an der Ein- bzw. Austrittsfläche 14 bzw. 16 verlaufen.
Die der Außenfläche 24 gegenüberliegende Fläche, d. h. die Innenfläche, ist spekular reflektierend ausgebildet.
Der Lichtleiter 12 bildet daher eine abbildendes optisches System, das eine 1:1-Abbildung bietet, die jedoch keine sehr hohe Auflösung aufweist. So kann bei einem Krümmungsradius von 10 mm, einer Plattendicke von 2 mm und einer Strukturbreite von 300 μm die Auflösung in der Größenordnung von 1 mm liegen.
Die Quelle 10 ist als zeilen- bzw. streifenförmige Beleuchtung ausgebildet, die mit ihrer Längsrichtung parallel zu der streifenförmigen Eintrittsfläche 14 verläuft. Der Lichtleiter 12 lenkt so die in ihn eingetretene optische Strahlung der Quelle 10 ab und sorgt für eine Bündelung der optischen Strahlung, so daß ein vorgegebener Bereich mit der Strahlung beleuchtet werden kann. Wegen der Abbildungseigenschaften wird jeder Punkt der Quelle unscharf in einen Punkt auf dem zu beleuchtenden Objekt abgebildet.
Wie im folgenden Beispiel noch erläutert arbeitet eine Bilderfassungsvorrichtung mit einem solchen Lichtleiter und einer nachgeordneten Empfangseinrichtung für aus der Austrittsfläche austretende optische Strahlung in analoger Weise. Der Lichtleiter bildet ein Objekt bzw. einen Gegenstand bei geeigneter Anordnung der Empfangseinrichtung auf diese ab, so daß diese ein Bild des Objekts bzw. Gegenstands erfassen kann. Bietet die Empfangseinrichtung in z-Richtung eine ortsaufgelöste Erfassung von optischer Strahlung kann so ein streifenförmiger Erfassungsbereich ortsaufgelöst auf die Empfangseinrichtung abgebildet werden, die Signale abgibt, die ein Zeilenbild darstellen. Durch die Verwendung von ebenen Ein- und Austrittsflächen wird längs der Zeile eine 1:1-Abbildung erreicht, quer dazu wenigstens annähernd.
Eine mögliche Verwendung solcher Vorrichtungen für die Untersuchung eines Wertdokuments unter Verwendung optischer Strahlung und insbesondere für einen optischen Sensor, der in einer Vorrichtung zu Bearbeitung von Wertdokumenten arbeitet, ist in den 6 bis 8 veranschaulicht.
Eine Wertdokumentbearbeitungsvorrichtung 38 in 6, im Beispiel eine Banknotenbearbeitungsvorrichtung, verfügt in einem Gehäuse 40 über ein Eingabefach 42 für die Eingabe von zu bearbeitenden Wertdokumenten 44, im Beispiel Banknoten, einen Vereinzler 46, der auf Wertdokumente 44 in dem Eingabefach 42 zugreifen und diese vereinzeln kann, eine Transporteinrichtung 48 zum Transport der vereinzelten Wertdokumente mit Weichen 50 und in Zweigen eines durch die Transporteinrichtung 48 gegebenen Transportpfades 52 in Transportrichtung nach den Weichen 50 jeweils Ausgabefächer 54 zur Aufnahme von mittels der Wertdokumentbearbeitungsvorrichtung 38 bearbeiteter Wertdokumenten. Vor den Ausgabefächern 54 sind Staplerrädern 56 angeordnet Weiter besitzt die Wertdokumentbearbeitungsvorrichtung 38 entlang des durch die Transporteinrichtung 48 gegebenen Transportpfades 52 eine vor den Weichen 50 angeordnete Sensoranordnung 58 zur Erfassung von Eigenschaften entlang des Transportpfades 52 transportierter Wertdokumente 44 sowie eine Maschinensteuerung 60, die wenigstens mit der Sensoranordnung 58 und den Weichen 50 über Signalverbindungen verbunden ist und zur Auswertung von wenigstens eine Eigenschaft eines von der Sensoranordnung 58 erfaßten Wertdokuments 44 wiedergebenden Sensorsignalen der Sensoranordnung 58 und Ansteuerung wenigstens einer der Weichen 50 in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung der Sensorsignale ausgebildet ist.
Die Sensoranordnung 58 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel einen Sensor 62 zur Erfassung von optischen Eigenschaften der Wertdokumente, im Beispiel eines Farbbildes der Wertdokumente, beispielsweise zur Prüfung auf Verschmutzungen, und/oder zur Ermittlung des Nennwertes der Wertdokumente und/oder zur Ermittlung der Echtheit der Wertdokumente entsprechend vorgegebenen Kriterien. Die Sensoranordnung kann weiter beispielsweise einen in 6 nicht Sensor zur Erfassung des Zustands von Wertdokumenten, beispielsweise des Vorhandenseins von Klebestreifen, umfassen.
Die Maschinensteuerung 60 erfaßt die Signale der Sensoranordnung 58 und ermittelt, ob das von der Sensoranordnung 58 erfaßten Wertdokumente wenigstens einem vorgegebenen Kriterium entsprechend der Verschmutzung in einem verkehrsfähigen, d. h. noch zur weiteren Verwendung als Zahlungsmittel geeignetem, Zustand ist, bzw. welchen Nennwert es hat bzw. ob es echt ist. In Abhängigkeit von dem Ergebnis der Prüfung steuert die Maschinensteuerung 60 wenigstens eine der Weichen 50 so an, daß das Wertdokument 44 von der Transporteinrichtung 48 in ein dem Prüfergebnis zugeordnetes bzw. einem bestimmten vorgegebenen Typ, insbesondere Nennwert, von Wertdokumenten entsprechenden Ausgabefach 54 gefördert und dort abgelegt wird.
Der zur Ermittlung des Farbbildes des Wertdokuments dienende Sensor 62 ist in den 7 und 8 grob schematisch gezeigt. Der Sensor 62 ist zur zeilenweisen Erfassung eines Farbbildes des Wertdokuments während des Transports an dem Sensor 62 vorbei ausgelegt. Die Zeilen verlaufen quer zur Transportrichtung T. Der Sensor 62 verfügt über eine Beleuchtungsvorrichtung 64 zur Beleuchtung eines Erfassungsbereichs 66 bzw. eines Wertdokuments 44 in dem Erfassungsbereich 66 mit optischer Strahlung, im Beispiel mit sichtbarem Licht, vorzugsweise zusätzlich auch infraroter Strahlung, und eine Bilderfassungsvorrichtung 68 zur Erfassung eines zeilenförmigen Bildes wenigstens eines Teils des beleuchten Bereichs auf dem Wertdokument 44. Zur Ansteuerung der Beleuchtungsvorrichtung 64 und zur Verarbeitung und Auswertung der Signale der Bilderfassungsvorrichtung 68 dient eine mit den Vorrichtungen 64 und 68 über Signalverbindungen verbundene Sensorsteuer- und -auswerteinrichtung 70, die nach der Auswertung Signale über die Signalverbindung zu der Maschinensteuerung 60 abgibt, die das Ergebnis der Auswertung darstellen.
Die Beleuchtungsvorrichtung 64 verfügt wie die Beleuchtungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels über eine Quelle 10' für optische Strahlung und einen Lichtleiter 12', in den die optische Strahlung der Quelle 10 eingekoppelt wird. Die Quelle 10' ist dazu ausgebildet, je nach Ansteuerung durch die Sensorsteuer- und -auswerteinrichtung 70 als optische Strahlung Licht einer vorgegebenen Farbe, im Beispiel Rot, Grün oder Blau, abzugeben. Hierzu können beispielsweise entsprechende Leucht- oder Laserdioden vorgesehen sein, deren Licht über einen homogenisierenden Lichtleiter zu einem Strahlenbündel mit streifenförmigem Querschnitt geformt wird. Alternativ ist auch eine streifen- bzw. zeilenförmige Anordnung der Leucht- bzw. Laserdioden denkbar. Die Sensorsteuer- und -auswerteinrichtung 70 steuert die Quelle 10' so an, daß diese zyklisch nacheinander Licht jeweils einer anderen der drei Farben abgibt.
Der Lichtleiter 12' ist bis auf zwei Unterschiede wie der erste Lichtleiter 12 ausgebildet. Zum einen erstreckt sich der Lichtleiter 12' nicht über einen Sektorwinkel β von 180°, sondern nur über einen Sektorwinkel β von 90°. Zum anderen ist die Austrittsfläche 16' zwar wie die Austrittsfläche 16 eben, bildet jedoch mit der zweiten Einfallsebene 30'' an der Schnittlinie zwischen der gekrümmten Außenfläche 24' des Lichtleiters 12' und der Austrittsfläche 16' einen spitzen Winkel, im Beispiel von etwa 30°. Dies hat zur Folge, daß das aus der Austrittsfläche ausgekoppelte Licht an der Austrittsfläche 16' in Richtung der Außenfläche 16' gebrochen wird und daher neben dem Lichtleiter 12' auf den Erfassungsbereich 66 bzw. ein Wertdokument darin trifft und diesen bzw. dieses beleuchtet.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel sind die Quelle 10' und die Eintrittsfläche 14' des Lichtleiters 12' so angeordnet, daß die Längsrichtung, d. h. die Richtung parallel zu der Richtung des Streifens bzw. der größten Erstreckung des Querschnitts des von der Quelle 10' abgegebenen Strahlenbündels, parallel zu der Längsrichtung bzw. der zweiten Einfalls ebene 30 verläuft; d. h. die Längsrichtungen von Quelle und Eintrittsfläche fallen zusammen.
Die Bilderfassungsvorrichtung 68 verfügt über einen Lichtleiter 12'', der spiegelbildlich zu dem Lichtleiter 12' ausgebildet ist, und eine Empfangseinrichtung 72 zum ortsaufgelösten Empfang aus dem Lichtleiter 12' ausgekoppelter optischer Strahlung und Bildung von Signalen, die die Intensität der ausgekoppelten optischen Strahlung wiedergeben. Ein Abschnitt der Sensorsteuer- und -auswerteinrichtung 70 ist über eine Signalverbindung mit der Empfangseinrichtung 72 verbunden und erfaßt und verarbeitet die Signale.
Die Empfangseinrichtung 72 verfügt über mehrere entlang einer Zeile angeordnete Empfangselemente, beispielsweise Photodetektionselemente, wie in 8 schematisch veranschaulicht. Die Zeile ist senkrecht zu der ersten Einfallsebene und parallel zu der Längsrichtung der streifenförmigen Austrittsfläche 16'' des Lichtleiters 12'' angeordnet.
Die Lichtleiter 12' und 12'' sind spiegelbildlich so zueinander angeordnet, daß ein von der Beleuchtungsvorrichtung 64 beleuchteter Streifen in dem Erfassungsbereich 66 von dem Lichtleiter 12'' ortsaufgelöst auf die Empfangseinrichtung abgebildet wird. Die Ortsauflösung wird dadurch ermöglicht, daß die Retroreflexion in dem Lichtleiter 12'' eine strahlbündelnde Wirkung aufweist. Die der Neigung der Austrittsfläche 16' spiegelbildlich entsprechende Neigung der Eintrittsfläche 14' ermöglicht dabei eine Abbildung des Erfassungsbereichs zwischen den beiden Lichtleitern 12' und 12'', die mit ihren ersten Einfallsebenen und damit den Längsrichtungen der Austritts- bzw. Eintrittsflächen 16' bzw. 14' parallel zueinander ausgerichtet sind.
Die Sensorsteuer- und -auswerteinrichtung 70 erfaßt die Signale der Empfangselemente 74 bzw. der Empfangseinrichtung im Takt der zyklischen Beleuchtung, so daß die Sensorsteuer- und -auswerteeinrichtung 70 zyklisch rote, blaue und grüne Zeilenbilder erfaßt werden, aus denen sie nach dem Vorbeitransport des Wertdokuments ein Farbbild des Wertdokuments bildet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel in 9 unterscheidet sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch, daß der optische Sensor 62' im Gegensatz zu dem Sensor 62 als Transmissionssensor ausgebildet ist. Er verfügt über eine Beleuchtungsvorrichtung 64' und eine Bilderfassungseinrichtung 68', die wie die Beleuchtungsvorrichtung 64 und die Bilderfassungsvorrichtung 68 ausgebildet sind. Für gleiche Komponenten bzw. Teile werden daher dieselben Bezugszeichen verwendet und die Erläuterungen zu diesen gelten entsprechend. In 9 ist die Sensorsteuer- und -auswerteinrichtung 70 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Der einzige Unterschied zu der Beleuchtungs- bzw. Bilderfassungsvorrichtung 64 bzw. 68 besteht darin, daß die Eintritts- und Austrittsflächen wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sind. Die Beleuchtungsvorrichtung 64' und die Bilderfassungsvorrichtung 68' sind so relativ zueinander angeordnet, daß sich die Austrittsfläche 16'' des Lichtleiters 12''' der Beleuchtungsvorrichtung 64' und die Eintrittsfläche 14'' des Lichtleiters 12'''' der Bilderfassungsvorrichtung 68' gegenüberliegen, wobei der Transportpfad für Wertdokumente zwischen diesen hindurch verläuft.
Dementsprechend erfaßt der Sensor nicht Remissions-, sondern Transmissionsbilder.
Weitere Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von den beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, daß die Lichtleiter der Beleuchtungs- und der Bilderfassungseinrichtung verschiedene Krümmungsradien aufweisen.
Weitere Ausführungsbeispiele von Beleuchtungs- und/oder Bilderfassungsvorrichtungen unterscheiden sich von der Beleuchtungs- und/oder Bilderfassungsvorrichtung in 8 durch die Verwendung anders geformter, insbesondere S-förmig gebogener Lichtleiter. In den Beispielen in 10 und 11 ist der Einfachheit halber nur der Lichtleiter gezeigt.
In dem Beispiel in 10 umfaßt der Lichtleiter 76 zwei aneinander anschließende Segmente 77 und 77', die wie der Lichtleiter 12 im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sind und jeweils die Form eines Kreiszylindersektors mit einem Sektorwinkel von 180° aufweisen. Solche Lichtleiter erlauben eine 1:1-Abbildung, bei der Objekt und Bild um das Vierfache des Radius des Kreiszylinders in der x-Richtung in der ersten Einfallsebene und wobei in y-Richtung näherungsweise kein Versatz auftritt.
Bei einem anderen Beispiel in 11 umfaßt der Lichtleiter 78 zwei aneinander anschließende Segmente 79 und 79', die wie der Lichtleiter 12 im ersten Ausführungsbeispiel, jedoch mit der Form eines Kreiszylindersektors mit einem Sektorwinkel von 90° aufweisen. Solche Lichtleiter erlauben eine 1:1-Abbildung, bei der Objekt und Bild um das Zweifache des Radius des Kreiszylinders in der x-Richtung in der ersten Einfallsebene und näherungsweise auch in der y-Ebene gegeneinander versetzt sind.
Die Abbildung mit S-förmig gekrümmten Lichtleitern hat den weiteren Vorteil, daß die Abbildung in x-Richtung symmetrisch bleibt, obwohl sie in erster Linie an der gekrümmten Außenfläche verläuft.
In anderen Ausführungsbeispielen braucht die gekrümmte Fläche des Lichtleiters, im Beispiel die gekrümmte Außenfläche des Lichtleiters 80 nicht die Form eines Sektors eines Kreiszylinders zu besitzen. Vielmehr sind auch Krümmungen wie in 12, insbesondere elliptische, parabolische oder andere Kurvenformen in der Krümmungsebene denkbar. Alle anderen Eigenschaften des Lichtleiters können beispielsweise wie die im ersten Ausführungsbeispiel sein.
Eine weitere Ausführungsform einer Beleuchtungs- bzw. Bilderfassungseinrichtung unterscheidet sich von der Beleuchtungs- bzw. Bilderfassungseinrichtung in 8 und 9 durch Ausbildung der Eintritts- und/oder Austrittsflächen. Wie in 13 schematisch gezeigt, können diese gekrümmt sein, so daß sie in der ersten Einfallsebene eine vergrößernde, verkleinernde bzw. abbildende Wirkung haben. In 13 hat die Eintrittsfläche 82 eine kreiszylindrische Form und kann so wie eine Zylinderlinse zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Objekts bzw. Detektors in X-Richtung und Vergrößerung der Schnittweite dienen. In Bezug auf die anderen Eigenschaften ist der Lichtleiter wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet, so daß dieselben Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet werden.
Eine weitere Variante einer Vorrichtung mit einem Lichtleiter unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen nur darin, daß der Lichtleiter auch auf einer der gekrümmten Außenfläche 24 gegenüberliegenden gekrümmten Innenfläche 84 einen anisotrop retroreflektierenden Retroreflektorabschnitt 36' aufweist, der dieselbe erste Einfallsebene aufweist und vorzugsweise wie der außen liegende Retroreflektorabschnitt 36 ausgebildet ist. Vorzugsweise verfügt er über die gleiche Prismenstruktur. Hierdurch können auch bei stärker divergierenden Strahlenbündeln noch weitere Anteile gebündelt werden.
Weitere Varianten der vorhergehenden Ausführungsbeispiele unterscheiden sie von diesen dadurch, daß die optische Strahlung außerhalb des Lichtleiters, d. h. an der konvexen Seite 24' der Innenfläche einer gekrümmten Platte geführt wird, die selbst einen Lichtleiter darstellen kann, wozu die Oberfläche des Retroreflektorabschnitts entlang der gekrümmten Fläche 24' verspiegelt sein kann. Dies ist in 15 schematisch veranschaulicht, wobei die gestrichelte Linie wie in 1 die Retroreflektorstruktur veranschaulicht. Auf diese Weise kann durch Hinzufügen einer auf einem weiteren Träger aufgebrachten Innenfläche 84'' ein Hohlraumlichtleiter gebildet oder ein massiver Lichtleiter mit einem Hohlraum-Lichtleiter kombiniert werden.

Claims

Vorrichtung für die Untersuchung eines Gegenstands, vorzugsweise eines Wertdokuments, unter Verwendung optischer Strahlung mit einem Lichtleiter, der einen entlang einer in einer Krümmungsebene gekrümmten Fläche ausgebildeten anisotropen Retroreflektorabschnitt, der Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene parallelen ersten Einfallsebene spekular reflektiert, Strahlungskomponenten orthogonal zu der ersten Einfallsebene jedoch retroreflektiert, so daß wenigstens ein streifend auf den Retroreflektorabschnitt fallender Anteil der optischen Strahlung wenigstens teilweise an der konvexen Seite der Fläche durch Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt geführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die gekrümmte Fläche die Form eines Sektors eines Kreiszylinders aufweist, der vorzugsweise einen Sektorwinkel größer als 30°, besonders bevorzugt größer als 80° aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die gekrümmte Fläche einen Krümmungsradius in der ersten Einfallsebene zwischen 10 mm und 100 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Lichtleiter die Form einer in der Krümmungsebene gekrümmten Platte, vorzugsweise konstanter Dicke, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Lichtleiter einen weiteren anisotropen Retroreflektorabschnitt aufweist, der entlang einer in der Krümmungsebene gekrümmten weitere Fläche ausgebildet ist und der Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene parallelen ersten Einfallsebene orthogonal zu der Achse spekular reflektiert, Strahlungskomponenten orthogonal zu der ersten Einfallsebene jedoch retroreflektiert, aufweist, so daß die eingekoppelte optische Strahlung entlang einer S-förmigen Fläche geführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Lichtleiter eine Eintrittsfläche, durch die die optische Strahlung in den Lichtleiter einkoppelbar ist, so daß diese wenigstens teilweise in dem Lichtleiter an der konvexen Seite der Fläche durch Reflexion an dem Retroreflektorabschnitt geführt wird, und eine Austrittsfläche, durch die durch die Eintrittsfläche in den Lichtleiter eingekoppelte und in diesem geführte optische Strahlung aus dem Lichtleiter austritt, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Eintritts- und/oder Austrittsfläche ebene Flächen sind, und orthogonal zu der Krümmungsebene und in einem vorgegebenen Winkel gegenüber der zweiten Einfallsebene an der Eintritts- bzw. Austrittsfläche geneigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Eintritts- und/oder Austrittsfläche so gewölbt ausgebildet sind, daß sie als Linse wirken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Lichtleiter entlang einer der gekrümmten Fläche gegenüberliegenden, auf der konvexen Seite der gekrümmten Fläche liegenden, vorzugsweise zu dieser parallel verlaufenden Innenfläche für die optische Strahlung reflektierend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Lichtleiter entlang einer der gekrümmten Fläche gegenüberliegenden, auf der konvexen Seite der gekrümmten Fläche liegenden, vorzugsweise zu dieser parallel verlaufenden Innenfläche einen inneren anisotropen Retroreflektorabschnitt aufweist, der Strahlungskomponenten in einer zu der Krümmungsebene parallelen ersten Einfallsebene spekular reflektiert, Strahlungskomponenten orthogonal zu der ersten Einfallsebene jedoch retroreflektiert, so daß die optische Strahlung wenigstens teilweise zwischen den Retroreflektorabschnitten führbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Quelle zur Abgabe der optischen Strahlung in einem vorgegebenen Spektralbereich aufweist, deren optische Strahlung wenigstens teilweise streifend auf den Retroreflektorabschnitt fällt und durch diesen geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11 und einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Quelle zur Abgabe der optischen Strahlung in einem Strahlenbündel mit einem streifenförmigen Querschnitt an der Eintrittsfläche ausgebildet ist, und bei der eine Längsrichtung des Querschnitts orthogonal zu der ersten Einfallsebene verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die weiter eine Empfangseinrichtung zur Erfassung der von dem Lichtleiter geführten, vorzugsweise aus der Austrittsfläche austretenden, optischen Strahlung, vorzugsweise als Bild, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Empfangseinrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung der geführten optischen Strahlung entlang wenigstens einer Linie, vorzugsweise einer Geraden, ausgebildet ist.
Optischer Sensor zur Erfassung von optischen Eigenschaften eines Gegenstands, vorzugsweise eines Wertdokuments, in einem vorgegebenen Erfassungsbereich mit einer Vorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, bei dem aus dem Erfassungsbereich kommende optische Strahlung an dem Retroreflektorabschnitt geführt wird, wobei sie vorzugsweise in die Eintrittsfläche des Lichtleiters eingekoppelt wird.
Optischer Sensor nach Anspruch 15, der zur Beleuchtung des Erfassungsbereichs eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 aufweist, und bei dem die von dem Retroreflektorabschnitt der Vorrichtung zur Beleuchtung geführt, vorzugsweise aus der Austrittsfläche des Lichtleiters der Vorrichtung zur Beleuchtung austretende, optische Strahlung den Erfassungsbereich beleuchtet.
Optischer Sensor zur Erfassung von optischen Eigenschaften eines Gegenstands, vorzugsweise eines Wertdokuments, in einem vorgegebenen Erfassungsbereich mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, deren von dem Retroreflektorabschnitt geführte, vorzugsweise aus der Austrittsfläche des Lichtleiters austretende, optische Strahlung den Erfassungsbereich beleuchtet, und mit einer Empfangseinrichtung, die zur Erfassung von optischer Strahlung aus dem Erfassungsbereich und Bildung von die Eigenschaften der erfaßten Strahlung beschreibender Signale ausgebildet ist.