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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung von flächigen Proben, insbesondere von Wertdokumenten oder von zur Herstellung der Wertdokumente verwendeten Halbzeugen, z.B. zur Echtheitsprüfung von Wertdokumenten oder zur Qualitätsprüfung der Wertdokumente oder der Halbzeuge bei der Herstellung von Wertdokumenten.
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Zur Absicherung von Wertdokumenten ist es bekannt, maschinell prüfbare Sicherheitsmerkmale in die Wertdokumente ein- bzw. auf diese aufzubringen. Dazu können z.B. bestimmte Lumineszenzstoffe oder Remissionsfarben eingesetzt werden.
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Bei der Herstellung solcher Wertdokumente ist in der Regel eine Qualitätsprüfung vorgesehen, z.B. um sicherzustellen, dass die fertigen Wertdokumente das Sicherheitsmerkmal in einer vorbestimmten Menge und/oder mit vorbestimmten Eigenschaften enthalten. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, die Wertdokumente oder zur Herstellung der Wertdokumente verwendete Halbzeuge, wie Papierbögen oder -bahnen, in einer Herstellungsvorrichtung oder in einer davon separaten Qualitätskontrollvorrichtung zumindest stichprobenartig zu prüfen und nur dann als umlauffähig freizugeben, wenn diese vorgegebene Kriterien erfüllen, wohingegen alle anderen Wertdokumente bzw. Halbzeuge als Ausschuss aussortiert und gegebenenfalls vernichtet werden.
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Darüber hinaus werden bereits umgelaufene Wertdokumente üblicherweise mit Hilfe von Wertdokumentbearbeitungsvorrichtungen von Zeit zu Zeit einer optischen Echtheitsprüfung unterzogen, um ggf. gefälschte oder fälschungsverdächtige Wertdokumente erkennen und aussortieren zu können.
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Sowohl bei einer optischen Qualitätsprüfung als auch bei einer optischen Echtheitsprüfung kann das Wertdokument mit Licht bestrahlt werden und die vom Wertdokument ausgehende optische Strahlung, insbesondere Remissions- oder Lumineszenzlicht, mittels eines Sensormoduls detektiert und analysiert werden, um das Sicherheitsmerkmal zu prüfen.
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In Herstellungsvorrichtungen für Wertdokumente bzw. in Qualitätskontrollvorrichtungen oder in Wertdokumentbearbeitungsvorrichtungen erfolgt die optische Prüfung der Sicherheitsmerkmale üblicherweise mittels eines ortsfesten optischen Sensormoduls, an dem die Wertdokumente bzw. Halbzeuge vorbeitransportiert werden und der in der jeweiligen Vorrichtung in einen Abstand von dem zu prüfenden Wertdokument bzw. Halbzeug angeordnet ist. Beim Vorbeitransportieren der Wertdokumente bzw. Halbzeuge an dem Sensormodul kann es vorkommen, dass die Wertdokumente bzw. Halbzeuge etwas aus der gewünschten Transportebene heraus abheben oder flattern, so dass es zu Abstandsschwankungen in Bezug auf das optische Sensormodul kommen kann. Falls das Messsignal des optischen Sensormoduls von dem Abstand der geprüften Wertdokumente bzw. Halbzeuge abhängt, kann das Abheben bzw. das Flattern das Messsignal verfälschen. Bei der Qualitätsprüfung bzw. Echtheitsprüfung muss daher bisher eine Abweichung von dem zu erwartendem Messsignal bzw. ein bestimmter Akzeptanzbereich zugelassen werden. Ein großer Akzeptanzbereich führt zu einer weniger strengen Qualitätsprüfung bzw. Echtheitsprüfung und birgt daher das Risiko, dass eigentlich nicht-akzeptable Qualitätsabweichungen bzw. manche gefälschte Wertdokumente übersehen werden könnten.
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Es ist bekannt, das Flattern bzw. Abheben der Wertdokumente aus deren Transportebene zu verringern, indem man den Transportpfad der Wertdokumente bzw. Halbzeuge mit mechanischen Begrenzungen, z.B. Leitelementen, versieht. Solche mechanische Begrenzungen dürfen jedoch bei den oben genannten Vorrichtungen nicht beliebig nah am Transportpfad angeordnet werden, da es dann zu einer Transportstörung oder zu einer Beschädigung der Wertdokumente bzw. Halbzeuge kommen kann, insbesondere wenn diese mit hoher Geschwindigkeit an dem Sensormodul vorbei transportiert werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung von flächigen Proben, wie z.B. von Wertdokumenten oder von zur Herstellung der Wertdokumente verwendeten Halbzeugen, anzugeben, womit ein stabileres Messsignal erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der flächigen Proben gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Die zu prüfenden flächigen Proben sind insbesondere Wertdokumente oder zur Herstellung der Wertdokumente verwendete Halbzeuge.
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Die Vorrichtung weist ein optisches Sensormodul auf und ist zur optischen Prüfung, z.B. zur Echtheits- oder Qualitätsprüfung, der jeweiligen flächigen Probe mittels des optischen Sensormoduls ausgebildet, wobei die Vorrichtung eine Soll-Messebene für die flächige Probe bereit stellt bzw. definiert, in der die flächige Probe zu deren optischer Prüfung eingebracht werden kann. Vorzugsweise wird die flächige Probe zu ihrer optischen Prüfung - entlang der Probennormale betrachtet - derart in die Soll-Messebene eingebracht, dass ein bei der Aufnahme des Messsignals erfasster (z.B. an der Probenoberfläche liegender) Detektionsbereich der flächigen Probe (zumindest näherungsweise) in der Soll-Messebene liegt. Insbesondere ist das optische Sensormodul in der Vorrichtung angeordnet bzw. in diese eingebaut. Die Soll-Messebene ist außerhalb des Sensormoduls angeordnet und liegt z.B. innerhalb der Vorrichtung oder zumindest derart benachbart dazu, dass das Sensormodul der Vorrichtung Messsignale der flächigen Probe aufnehmen kann.
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Das optische Sensormodul ist zur optischen Prüfung der flächigen Probe dazu ausgebildet, ein Messsignal der flächigen Probe, das der Intensität einer optischen Strahlung, insbesondere von Remissions- oder Lumineszenzlicht, der flächigen Probe entspricht, aufzunehmen, wenn diese sich in der Soll-Messebene oder zumindest näherungsweise in der Soll-Messebene befindet, insbesondere während die flächige Probe (z.B. in der Vorrichtung) entlang eines in oder zumindest näherungsweise in der Soll-Messebene liegenden Transportpfads an dem Sensormodul vorbeitransportiert wird, z.B. mittels einer Transporteinrichtung der Vorrichtung. Das optische Sensormodul ist dazu ausgebildet, die optische Prüfung, z.B. Echtheits- oder Qualitätsprüfung, der flächigen Probe anhand des Messsignals und ggf. weiterer in dieser Weise aufgenommener Messsignale der flächigen Probe durchzuführen.
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Das Sensormodul ist in einem Modulabstand von der Soll-Messebene bzw. von dem Transportpfad entfernt angeordnet. Zwischen dem Sensormodul und der flächigen Probe ist ein Fenster angeordnet, durch welches sowohl (von einer Lichtquelle des Sensormoduls oder von einer Lichtquelle der Vorrichtung) auf die flächige Probe eingestrahltes Beleuchtungs-/ Anregungslicht als auch die von der flächigen Probe zu dem Sensormodul gelangende optische Strahlung, insbesondere Remissions- oder Lumineszenzlicht, die als Folge des Beleuchtungs-/ Anregungslichts von der flächige Probe ausgeht, transmittiert wird.
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Das Fenster ist in einen Fensterabstand von der Soll-Messebene entfernt angeordnet und der Fensterabstand ist so gering gewählt, dass das Messsignal der flächigen Probe in der Soll-Messebene durch einen Rückreflexionseffekt des Fensters, vorzugsweise um mindestens 10%, erhöht ist im Vergleich zu einem ohne den Rückreflexionseffekt auftretenden bzw. aufnehmbaren entsprechenden Messsignal der in der Soll-Messebene befindlichen flächigen Probe bzw. im Vergleich zu einer entsprechenden Vorrichtung, bei der das Fenster - z.B. aufgrund seiner größeren Entfernung zur flächigen Probe - keinen Rückreflexionseffekt verursacht.
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Der Rückreflexionseffekt basiert auf dem optischen Reflexionsgesetz und wird unten genau erläutert.
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Vorzugsweise ist das zwischen dem Sensormodul und der flächigen Probe angeordnete Fenster in einen Fensterabstand von der Soll-Messebene von mindestens 0,3 mm, vorzugsweise von mindestens 0,5 mm, und besonders bevorzugt von höchstens 3 mm, z.B. von höchstens 2 mm, angeordnet. Das Fenster ist als transparenter Festkörper, z.B. als Glasplatte, ausgebildet. Durch dasselbe Fenster wird sowohl das von dem Sensormodul auf die flächige Probe eingestrahlte Beleuchtungs-/Anregungslicht als auch die von der flächigen Probe zu dem Sensormodul gelangende optische Strahlung, insbesondere von der flächigen Probe zu dem Sensormodul gelangendes Remissions- oder Lumineszenzlicht, transmittiert.
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Der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene ist so gering gewählt, dass eine Signalvariation des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung im Bereich der Soll-Messebene durch den Rückreflexionseffekt des Fensters reduziert ist im Vergleich zu einer ohne den Rückreflexionseffekt auftretenden Signalvariation des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung im Bereich der Soll-Messebene bzw. im Vergleich zu einer entsprechenden Vorrichtung, bei der das Fenster - z.B. aufgrund seiner größeren Entfernung zur flächigen Probe - keinen oder nur einen vernachlässigbar geringen Rückreflexionseffekt verursacht.
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Durch die gezielte Reduzierung des Modulabstands des Sensormoduls von der Soll-Messebene wird, unter Ausnutzung des Rückreflexionseffekts des Fensters, erreicht, dass die Signalvariation des Messsignals als Funktion der Messabstandsabweichung im Bereich der Soll-Messebene deutlich reduziert wird.
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Dadurch wird ein stabileres Messsignal erreicht, das nur wenig von dem genauen Abstand der flächigen Probe von dem Sensormodul abhängt. Dennoch wird dabei ein ausreichend hohes Messsignal erzielt, um eine Messung auch von schwachen Messsignalen mit gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu möglichen.
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Vorzugsweise beträgt der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene mindestens 2 mm.
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Zum Ausgleich von Herstellungstoleranzen kann der Modulabstand für jedes Sensormodul (z.B. für die einzelnen Sensormodule einer Sensorbaureihe) individuell eingestellt sein, beispielsweise um die Signalvariation des Messsignals als Funktion der Messabstandsabweichung (sensorindividuell) zu minimieren. Zum Beispiel hat jede Vorrichtung einen individuellen, von anderen Vorrichtungen derselben Baureihe abweichenden, Modulabstand des jeweiligen Sensormoduls. Insbesondere kann die Vorrichtung zur Einstellung des Modulabstands des Sensormoduls eingerichtet sein, beispielsweise, indem das Sensormodul auf einem Verfahrtisch oder mithilfe von Langlöchern in der Vorrichtung befestigt ist.
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Das optische Sensormodul weist zum Aufnehmen des Messsignals mindestens eine Detektoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die von der flächigen Probe ausgehende optische Strahlung, insbesondere Remissions- oder Lumineszenzlicht, zu detektieren, sowie ggf. mindestens eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, das Beleuchtungs- bzw. Anregungslicht auf die flächige Probe einzustrahlen. Vorzugsweise ist die Detektoreinrichtung so angeordnet, dass ihre optische Achse senkrecht zur Soll-Messebene bzw. senkrecht zur Probennormale der flächigen Probe verläuft.
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Das Sensormodul, insbesondere die Detektoreinrichtung/ en und/ oder die Lichtquelle/n, und das Fenster sind z.B. derart angeordnet und ausgebildet, dass zu dem Rückreflexionseffekt des Fensters beiträgt,
- - dass ein Teil des Beleuchtungs-/ Anregungslichts an der flächigen Probe zum Fenster hin reflektiert oder gestreut wird und dann, insbesondere bei einem großen Auftreffwinkel am Fenster (ca. >50° zur Probennormale) teilweise von dem Fenster zur flächigen Probe aufgrund des Reflexionsgesetzes zurückreflektiert wird und die flächige Probe zum Aussenden von zusätzlicher optischer Strahlung, insbesondere von zusätzlichem Remissions- bzw. Lumineszenzlicht, veranlasst, welches so in Richtung des Fensters reflektiert oder gestreut wird, dass es vom Sensormodul bzw. dessen Detektoreinrichtung/en durch das Fenster hindurch detektiert werden kann und zum Messsignal beiträgt, und/ oder
- - dass von der flächigen Probe ausgehende optische Strahlung, insbesondere durch das Beleuchtungs-/ Anregungslicht veranlasstes Remissions- bzw. Lumineszenzlicht (das z.B. isotrop von der flächigen Probe in alle Richtungen abgestrahlt wird), auf das Fenster trifft und, insbesondere bei einem großen Auftreffwinkel (ca. >50° zur Probennormale), ein Anteil der optischen Strahlung, insbesondere des Remissions- bzw. Lumineszenzlichts, aufgrund des Reflexionsgesetzes an dem Fenster wieder zur flächigen Probe zurückreflektiert wird und dann an der flächigen Probe wieder so in Richtung des Fensters reflektiert oder gestreut wird, dass es vom Sensormodul bzw. dessen Detektoreinrichtung/en durch das Fenster hindurch detektiert werden kann und zum Messsignal beiträgt.
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Vorzugsweise ist das Sensormodul dazu ausgebildet, ein oder mehrere lokale Messsignale der flächigen Probe an einer oder mehreren diskreten Positionen auf der flächigen Probe aufzunehmen, z.B. entlang einer oder mehreren voneinander beabstandeten Messspuren. Insbesondere umfasst das Sensormodul keinen Bildsensor bzw. ist das Sensormodul nicht dazu ausgebildet, ein Bild der flächigen Probe aufzunehmen.
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Insbesondere ist das Sensormodul bzw. die Vorrichtung dazu ausgebildet, das Beleuchtungs-/ Anregungslicht (der Lichtquelle) in Form von zusammenlaufenden bzw. sich fokussierenden Lichtstrahlen (durch das Fenster) auf die flächige Probe zu richten, wobei zumindest einige der zusammenlaufenden Lichtstrahlen des Beleuchtungs-/ Anregungslicht in einem Winkel von mindestens 10° aufeinander zu laufen. Beispielsweise laufen die äußeren Lichtstrahlen des Beleuchtungs-/Anregungslicht in einem Winkel von mindestens 10°, z.B. kegelförmig, aufeinander zu. Insbesondere wird das Beleuchtungs-/ Anregungslicht nicht unter einem Parallelstrahlengang auf das Fenster und auf die. flächige Probe gerichtet.
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Zum Beispiel ist die Vorrichtung oder das Sensormodul dazu ausgebildet, das Beleuchtungs-/Anregungslicht (der Lichtquelle) unter einem von der Probennormale (Richtung senkrecht zur Probe) abweichenden Winkel auf die flächige Probe zu richten. Das Beleuchtungs-/ Anregungslicht wird dann nicht in Richtung der Probennormale, sondern schräg durch das Fenster auf die. flächige Probe gerichtet.
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Die flächige Probe bzw. der bei der Aufnahme des Messsignals erfasste Detektionsbereich der flächigen Probe kann sich beim Aufnehmen des Messsignals an einer Messposition befinden, die um eine Messabstandsabweichung von der Soll-Messebene beabstandet ist. Insbesondere ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, die flächige Probe derart in die Soll-Messebene bzw. in den Bereich der Soll-Messebene einzubringen, dass sich die flächige Probe bzw. der bei der Aufnahme des Messsignals erfasste Detektionsbereich der flächigen Probe beim Aufnehmen des Messsignals an einer Messposition befinden kann, die um eine Messabstandsabweichung von der Soll-Messebene beabstandet ist. Die Messposition der flächige Probe (bzw. des bei der Aufnahme des Messsignals erfassten Detektionsbereichs der flächigen Probe) kann beim Aufnehmen des Messsignals also einen tatsächlichen Messabstand von dem Sensormodul aufweisen, der von dem Modulabstand abweicht. Der tatsächliche Messabstand a der flächigen Probe entspricht der Summe aus dem Modulabstand d und einer Messabstandsabweichung y: a=d+y. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, die flächige Probe derart ungenau in die Soll-Messebene bzw. in den Bereich der Soll-Messebene einzubringen, dass sich die flächige Probe (beim Aufnehmen des Messsignals zumindest zeitweise oder abschnittsweise) etwas außerhalb der Soll-Messebene befinden kann. Das ungenaue Einbringen ist oft unvermeidbar, z.B. wenn die flächige Probe zu deren Prüfung an dem Sensormodul vorbei transportiert wird.
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Beispielsweise erfolgt im Fall einer bewegten flächigen Probe das Transportieren der flächigen Probe mittels einer Transporteinrichtung meistens so, dass die Messposition der flächigen Probe von der Soll-Messebene abweichen kann bzw. der tatsächliche Messabstand beim Messen der Probe schwanken kann. Die flächige Probe wird derart an dem Sensormodul vorbeitransportiert, dass sich die flächige Probe (bzw. der bei der Aufnahme des Messsignals erfasste Detektionsbereich der flächigen Probe) beim Aufnehmen des Messsignals an einer Messposition befinden kann, die außerhalb der Soll-Messebene liegt / die von der Soll-Messebene beabstandet ist bzw. die eine Messabstandsabweichung von der Soll-Messebene aufweist. Der tatsächlich Messabstand kann z.B. aufgrund von Flatterbewegung der flächigen Probe schwanken.
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Insbesondere weist das Messsignal der flächigen Probe (das unter Einbeziehung des Rückreflexionseffekts erfassbar ist) als Funktion der Messabstandsabweichung y einen Maximalwert auf und der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene ist so gering gewählt, dass der Maximalwert m des Messsignals an einer Maximums-Messposition pm der flächigen Probe erreicht wird bzw. werden würde, die außerhalb der Soll-Messebene liegt, insbesondere die hinter der Soll-Messebene, d.h. auf der vom Sensormodul abgewandten Seite der Soll-Messebene liegt.
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Derjenige Messabstand der flächigen Probe, in dem der Maximalwert des (unter Einbeziehung des Rückreflexionseffekts erfassbaren) Messsignals erreicht werden würde, weicht von dem Modulabstand d, insbesondere um mindestens 0,2 mm, ab. Die Maximums-Messposition pm der flächigen Probe, an der als Funktion der Messabstandsabweichung der Maximalwert m des Messsignals erreicht würde, liegt vorzugsweise um mindestens 0,2 mm weiter entfernt von dem Sensormodul als die Soll-Messebene. Mit anderen Worten ist derjenige Messabstand der flächigen Probe, in dem Maximalwert des (unter Berücksichtigung des Rückreflexionseffekts erfassbaren) Messsignals erreicht werden würde, insbesondere um mindestens 0,2 mm, größer als der Modulabstand d.
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Zusätzlich oder alternativ ist der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene so gering gewählt, dass auch der Maximalwert des ohne Einbeziehung des Rückreflexionseffekt erfassbaren Messsignals der flächigen Probe an einer Messposition der flächigen Probe erreicht werden würde, die außerhalb der Soll-Messebene liegt, insbesondere die hinter der Soll-Messebene, d.h. auf der vom Sensormodul abgewandten Seite der Soll-Messebene liegt, wobei diese Messposition vorzugsweise mindestens 0,3 mm weiter entfernt von dem Sensormodul als die Soll-Messebene liegt.
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Das Messsignal der flächigen Probe unterliegt als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene einer Signalvariation. Um diese zu reduzieren bzw. gering zu halten, wird der Modulabstand d des Sensormoduls von der Soll-Messebene geeignet gering gewählt.
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Vorzugsweise ist der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene so gering gewählt, dass die Signalvariation des Messsignals als Funktion der Messabstandsabweichung y im Bereich der Soll-Messebene (in Richtung der Probennormale bzw. senkrecht zum Fenster betrachtet im Bereich von +/-1 mm um die Soll-Messebene E herum (bedingt durch den Rückreflexionseffekt des Fensters) um mindestens 50% reduziert ist im Vergleich zu einer ohne den Rückreflexionseffekt auftretenden Signalvariation bzw. im Vergleich zu einer ohne den Rückreflexionseffekt des Fensters auftretenden Signalvariation des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung im Bereich der Soll-Messebene.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene so gering gewählt, dass das Messsignal der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung für Messpositionen der flächigen Probe, deren Messabstandsabweichung (in Richtung der Probennormale/senkrecht zum Fenster betrachtet) in einem Bereich von +/-1,0 mm um die Soll-Messebene herum liegt, (bedingt durch den Rückreflexionseffekt des Fensters) eine Signalvariation von maximal 10% in Bezug auf das Messsignal in der Soll-Messebene aufweist. Mit anderen Worten ist der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene bevorzugt so gering gewählt, dass die Signalvariation des Messsignals der flächigen Probe, die sich ergeben kann, wenn die Messposition der flächigen Probe von der Soll-Messebene um bis zu 1,0 mm in beide Richtungen abweicht (y=+/-1,0 mm), in Bezug auf das Messsignal in der Soll-Messebene maximal 10% beträgt.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene so gering gewählt, dass das Messsignal der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung für Messpositionen der flächigen Probe über den gesamten Abschnitt zwischen dem Fenster und der Soll-Messebene (bedingt durch den Rückreflexionseffekt des Fensters) eine Signalvariation von maximal 10% in Bezug auf das Messsignal in der Soll-Messebene aufweist.
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In manchen Ausführungsbeispielen ist der Transportpfad der flächigen Probe in der Vorrichtung - zumindest im Bereich der Messposition der flächigen Probe - (in Richtung der Probennormale/senkrecht zum Fenster) beidseitig mechanisch begrenzt, und der Transportpfad weist (in Richtung der Probennormale/ senkrecht zum Fenster) eine Transportpfadbreite B auf, innerhalb der die Messposition der flächigen Probe variierten kann. Die Soll-Messebene liegt innerhalb, z.B. in der Mitte, des Transportpfads.
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Um die Signalvariation des Messsignals als Funktion der Messabstandsabweichung zu reduzieren bzw. gering zu halten, ist der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene dann vorzugsweise so gering gewählt, dass das Messsignal der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung über die gesamte Transportpfadbreite (bedingt durch den Rückreflexionseffekt des Fensters) eine Signalvariation von maximal 15%, vorzugsweise maximal 10%, in Bezug auf das Messsignal in der Soll-Messebene aufweist. Beispielsweise ist der Transportpfad der flächigen Probe auf der dem Sensormodul zugewandten Seite durch das Fenster begrenzt und auf der dem Sensormodul abgewandten Seite durch eine mechanische Begrenzung oder durch ein weiteres Fenster begrenzt. Die Transportpfadbreite ergibt sich dann (in Richtung der Probennormale/ senkrecht zum Fenster betrachtet) aus dem Abstand zwischen dem Fenster und der mechanischen Begrenzung bzw. dem weiteren Fenster.
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Üblicherweise ist dem Sensormodul - für den Fall, dass es in der Vorrichtung eingebaut ist - ein Soll-Modulabstand d0 zur Soll-Messebene zugeordnet, in dem das Sensormodul - unter Berücksichtigung des optischen Strahlengangs des Beleuchtungs-/ Anregungslichts von dem Sensormodul durch das Fenster zu der flächigen Probe und auf Basis des optischen Strahlengangs der von der flächigen Probe durch das Fenster zu dem Sensormodul gelangenden optischen Strahlung, insbesondere des Remissions- oder Lumineszenzlichts - ohne Einbeziehung des Rückreflexionseffekts des Fensters ein maximales Messsignal der flächigen Probe liefern würde, d.h. das Messsignal als Funktion der Messabstandsabweichung ein Maximum liefern würde. Um die Signalvariation des Messsignals als Funktion der Messabstandsabweichung zu reduzieren bzw. gering zu halten, ist der Modulabstand d des Sensormoduls von der Soll-Messebene aber um mindestens 0,3 mm geringer gewählt als der Soll-Modulabstand d0.
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In manchen Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung ein weiteres Fenster hinter der Soll-Messebene auf, d.h. auf der dem Fenster abgewandten Seite der Soll-Messebene, von dem durch die flächige Probe transmittiertes Beleuchtungs-/ Anregungslicht auf die flächige Probe zurückreflektiert werden kann. Das weitere Fenster ist in einem weiteren Fensterabstand von der Soll-Messebene entfernt angeordnet und der weitere Fensterabstand ist so gering gewählt, dass das Messsignal der flächigen Probe durch einen zusätzlichen Rückreflexionseffekt des weiteren Fensters, insbesondere um mindestens 2%, erhöht im Vergleich zu einem ohne den zusätzlichen Rückreflexionseffekt des weiteren Fensters auftretenden bzw. aufnehmbaren Messsignal.
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Beispielsweise kann das durch die flächige Probe transmittierte Beleuchtungs-/ Anregungslicht eine Rückreflexion an dem weiteren Fenster erfahren und so nochmal auf die flächige Probe gerichtet werden und diese zur Aussendung von optischer Strahlung, insbesondere Remissions- oder Lumineszenzlicht, veranlassen. Alternativ oder zusätzlich kann in Reaktion auf das Beleuchtungs-/ Anregungslicht ausgesendete optische Strahlung, insbesondere Remissions- oder Lumineszenzlicht, der flächigen Probe, das in Richtung des weiteren Fensters ausgesendet wird, an dem weiteren Fenster zur flächigen Probe hin zurückreflektiert werden, durch diese und das Fenster transmittiert werden und zum Sensormodul gelangen, durch das Sensormodul detektiert werden und zum Messsignal des Sensormoduls beitragen.
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Das Sensormodul kann eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die flächige Probe anhand eines oder mehrerer aufgenommener Messsignale der flächigen Probe, z.B. eines optischen Sicherheitsmerkmals der flächigen Probe, zu prüfen, insbesondere dessen Echtheit oder Qualität.
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Die oben genannte Vorrichtung kann eine Wertdokumentbearbeitungsvorrichtung sein, die zur Prüfung von als Wertdokumenten ausgebildeten flächigen Proben mittels des optischen Sensormoduls eingerichtet ist, insbesondere zur Prüfung der Echtheit oder der Qualität der geprüften Wertdokumente, z.B. zur Prüfung eines optischen Sicherheitsmerkmals der Wertdokumente. Die Vorrichtung kann auch zum Sortieren der geprüften Wertdokumente eingerichtet sein.
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Alternativ kann die oben genannte Vorrichtung eine Vorrichtung sein, die zur Herstellung von Wertdokumenten oder zur Herstellung von bei der Herstellung von Wertdokumenten verwendeten Halbzeugen ausgebildet ist, in der bzw. durch die die Wertdokumente bzw. Halbzeuge mittels des optischen Sensormoduls geprüft werden, z.B. eine Vorrichtung zur Herstellung einer Substratbahn für Wertdokumentsubstrate oder eine Vorrichtung zur Herstellung von mehrere Wertdokumente bzw. Halbzeuge umfassenden Wertdokumentbögen. Zum Beispiel ist es eine Vorrichtung zur Herstellung einer Papierbahn, aus der Wertdokumentsubstrate herstellbar sind, oder eine Bogendruckvorrichtung zur Herstellung von Wertdokumentbögen, die mehrere Wertdokumente bzw. Halbzeuge umfassen. Die Vorrichtung ist zu Prüfung, insbesondere Qualitätsprüfung, der Wertdokumente oder der Halbzeuge mittels des optischen Sensormoduls eingerichtet, z.B. zur Prüfung eines optischen Sicherheitsmerkmals, das die geprüften Wertdokumente oder Halbzeuge aufweisen bzw. mit dem die geprüften Wertdokumente oder Halbzeuge in der Herstellungsvorrichtung versehen wurde. Das optische Sicherheitsmerkmal kann dabei in oder auf die Wertdokumente oder Halbzeuge ein- oder aufgebracht sein.
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Das Messsignal der flächigen Probe kann vom Sensormodul bzw. von der Vorrichtung ausgegeben werden, z.B. an eine externe Stelle oder für eine Bedienperson angezeigt werden und/oder es kann eine entsprechende Informationen zum Ergebnis der Prüfung (z.B. Wertdokument bzw. Halbzeug „OK“ bzw. „NICHT OK“) von der Vorrichtung bzw. dem Sensormodul, z.B. an eine externe Stelle oder für eine Bedienperson, ausgegeben werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Prüfung der flächigen Probe mittels des optischen Sensormoduls, das zur optischen Prüfung der flächigen Probe ausgebildet ist. Das Verfahren kann durch eine der oben beschriebenen Vorrichtungen oder eine andere Vorrichtung durchgeführt werden, die das Sensormodul aufweist und die Soll-Messebene bereit stellt.
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Bei dem Verfahren nimmt das Sensormodul zur optischen Prüfung der flächigen Probe ein Messsignal der flächigen Probe, das der Intensität einer optischen Strahlung, insbesondere von Remissions- oder Lumineszenzlicht, der flächigen Probe entspricht, auf, wenn diese sich in der Soll-Messebene oder zumindest näherungsweise in (z.B. in einem Abstand von höchstens +/-1 mm von) der Soll-Messebene außerhalb des Sensormoduls befindet, insbesondere während die flächige Probe entlang eines (in oder zumindest näherungsweise in der Soll-Messebene liegenden) Transportpfads an dem Sensormodul vorbeitransportiert wird. Das Messsignal wird zur Prüfung der flächigen Probe verwendet. Dabei ist das Sensormodul in einem Modulabstand von dem Transportpfad bzw. von der Soll-Messebene entfernt angeordnet. Zwischen dem Sensormodul und der flächigen Probe ist ein Fenster angeordnet, durch welches sowohl von dem Sensormodul auf die flächige Probe eingestrahltes Beleuchtungs-/Anregungslicht als auch die von der flächigen Probe zu dem Sensormodul gelangende optische Strahlung, insbesondere Remissions- oder Lumineszenzlicht, (die/das als Folge des Beleuchtungs-/Anregungslicht von der flächigen Probe ausgeht) transmittiert wird.
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Die flächige Probe (bzw. der bei der Aufnahme des Messsignals erfasste Detektionsbereich der flächigen Probe) kann sich beim Aufnehmen des Messsignals an einer Messposition befinden, die um eine Messabstandsabweichung von der Soll-Messebene beabstandet ist.
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Bei dem Verfahren ist das Fenster in einem Fensterabstand von der Soll-Messebene entfernt angeordnet und der Fensterabstand ist so gering gewählt, dass das Messsignal der flächigen Probe durch den Rückreflexionseffekt des Fensters, insbesondere um mindestens 10%, erhöht ist im Vergleich zu einem ohne den Rückreflexionseffekt auftretenden entsprechenden Messsignal der in der Soll-Messebene befindlichen flächigen Probe. Außerdem ist der Modulabstand des Sensormoduls von der Soll-Messebene so gering gewählt, dass eine Signalvariation des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung im Bereich der Soll-Messebene durch den Rückreflexionseffekt des Fensters reduziert ist im Vergleich zu einer ohne den Rückreflexionseffekt auftretenden Signalvariation des Messsignals der flächigen Probe (als Funktion der Messabstandsabweichung im Bereich der Soll-Messebene), d.h. im Vergleich zu dem Fall, bei dem das Fenster - z.B. aufgrund seiner größeren Entfernung zur flächigen Probe - keinen oder nur einen vernachlässigbar geringen Rückreflexionseffekt verursacht.
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Die flächige Probe ist z.B. ein Wertdokument oder ein bei der Herstellung von Wertdokumenten verwendetes Halbzeug, insbesondere ein Wertdokument-Substrat, das zur Herstellung eines Wertdokuments verwendbar ist, oder ein mehrere Wertdokumente umfassender Wertdokumentbogen oder eine Substratbahn für Wertdokumentsubstrate, z.B. eine Papierbahn, die zur Herstellung von Wertdokumentsubstraten verwendbar ist.
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Vorzugsweise ist das aufgenommene Messsignal charakteristisch für zumindest eine der folgenden optischen Eigenschaften der flächigen Probe, insbesondere des Halbzeugs bzw. Wertdokuments: Remission, Lumineszenz (Fluoreszenz, Phosphoreszenz), Raman-Streuung, insbesondere oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS), Absorption oder Transmission.
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Bei der Prüfung der flächigen Probe wird anhand des Messsignals z.B. ein optisches Sicherheitsmerkmal der flächigen Probe bzw. des Wertdokuments bzw. des Halbzeugs geprüft, insbesondere dessen Vorhandensein und/oder dessen Art und/ oder dessen Menge.
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Vorzugsweise ist das Sensormodul, insbesondere dessen Auswerteeinrichtung, dazu ausgebildet, anhand des Messsignals mindestens eine charakteristische Eigenschaft des in bzw. auf das Wertdokument bzw. Halbzeug eingebrachten bzw. aufgebrachten Sicherheitsmerkmals zu ermitteln und zu prüfen, ob die ermittelte charakteristische Eigenschaft des Sicherheitsmerkmals mit mindestens einer vorgegebenen Eigenschaft übereinstimmt oder zumindest ähnlich ist. Dadurch kann zuverlässig auf das Vorhandensein eines bestimmten bzw. gewünschten Sicherheitsmerkmals im Halbzeug bzw. im Wertdokument geschlossen werden.
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Zum Beispiel wird durch das Sensormodul, insbesondere dessen Auswerteeinrichtung, geprüft, ob das der Intensität der optischen Strahlung entsprechende Messsignal größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert und/oder innerhalb eines vorgegebenen Akzeptanzbereichs liegt. Dadurch kann auf einfache Weise auf das Vorhandensein einer bestimmten bzw. gewünschten Menge eines/des gewünschten Sicherheitsmerkmals im/auf dem Halbzeug bzw. Wertdokument geschlossen werden.
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Bei der geprüften charakteristischen Eigenschaft des Sicherheitsmerkmals bzw. der vorgegebenen Eigenschaft handelt es sich z.B. um mindestens eine der folgenden Eigenschaften der vom Sicherheitsmerkmal des Halbzeugs bzw. des Wertdokuments ausgehenden optischen Strahlung: i) spektrale Eigenschaften, wie z.B. die Intensität in bestimmten Spektralbereichen (Fingerprint), die Lage, Intensität oder Breite spektraler Maxima, Minima oder Schultern, absolut oder relativ zueinander; ii) zeitliche Eigenschaften, wie z.B. die Intensität zu bestimmten Zeitpunkten relativ zu einem Anregungspuls der Bestrahlung, absolut oder relativ zueinander, eine Ab- oder Anklingzeit, ein Verlauf oder eine funktionale Form (Fitparameter) der zeitaufgelösten Intensität, die Lage oder Intensität eines zeitlichen Intensitätsmaximums; iii) Kombinationen von spektralen und zeitlichen Eigenschaften (z.B. Abklingzeiten in mehreren Spektralkanälen, Emissionsspektrum zu mehreren Messzeitpunkten); iv) Eigenschaften nach komplexer Anregung durch die Bestrahlung (z.B. mehrere Anregungswellenlängen, komplexe zeitliche Modulation des Anregungslichts).
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Vorzugsweise ist das Sicherheitsmerkmal bei Umgebungslicht für das bloße Auge unsichtbar. Vorzugsweise wird ein Sicherheitsmerkmal verwendet, bei welchem die bei der Prüfung von dem Sicherheitsmerkmerkmal in Reaktion auf das Beleuchtungs-/ Anregungslicht ausgehende optische Strahlung (Remission, Lumineszenz) im unsichtbaren Spektralbereich liegt. Der unsichtbare Spektralbereich umfasst z.B. den infraroten und ultravioletten Spektralbereich, bevorzugt zwischen 100 nm und 380 nm sowie zwischen 780 nm und 100 µm, insbesondere zwischen 780 nm und 3 µm. Das Beleuchtungs-/ Anregungslicht kann im sichtbaren oder unsichtbaren Spektralbereich liegen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
- 1a-c schematische Darstellungen einer Wertdokumentbearbeitungsvorrichtung (1a), eines Ausschnitts einer Herstellungsvorrichtung für Wertdokumentsubstrate bzw. für Wertdokumente (1b) und eines für eine mehrspurige Prüfung ausgebildeten Sensormoduls (1c),
- 2a ein Beispiel für den Verlauf des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene E bei einem im Soll-Modulabstand d0 zur Soll-Messebene angeordneten Sensormodul ohne Rückreflexionseffekt,
- 2b schematische Darstellung der bisherigen Anordnung des Sensormoduls im Soll-Modulabstand d0 zur Soll-Messebene E der flächigen Probe,
- 2c Beispiel für den Verlauf des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene E bei einem im Soll-Modulabstand d0 angeordneten Sensormodul mit Rückreflexionseffekt,
- 3a-c Beispielhafter Verlauf von Lichtstrahlen beim Rückreflexionseffekt für verschiedene Fensterabstände g1 (3a) und g2 (3b) und Erhöhung des Messsignals durch den Rückreflexionseffekt (3c), 4a Beispiel für den Verlauf des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene E bei einem erfindungsgemäß im Abstand d angeordneten Sensormodul mit Rückreflexionseffekt,
- 4b Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung des Sensormoduls in geringerem Abstand d zur Soll-Messebene E der flächigen Probe im Fall nur eines Fensters,
- 5a Erhöhung des Messsignals durch den Rückreflexionseffekt bei zusätzlichem Rückreflexionseffekt durch das weitere Fenster,
- 5b schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung des Sensormoduls im geringeren Abstand d' zur Soll-Messebene E im Fall eines weiteren Fensters,
- 5c Beispiel für den Verlauf des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene E bei einem erfindungsgemäß im Abstand d' angeordneten Sensormodul mit Rückreflexionseffekt beider Fenster,
- 5d Verlauf des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene E mit Rückreflexionseffekt beider Fenster für verschiedene Modulabstände des Sensormoduls.
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1a zeigt eine schematische Darstellung einer Wertdokumentbearbeitungsvorrichtung 1 für Wertdokumente, die zur Prüfung von einzelnen Wertdokumenten 10, z.B. der Echtheit oder der Qualität von Wertdokumenten, ausgebildet ist. Dabei werden die Wertdokumente 10 in einem Eingabefach 2 der Wertdokumentbearbeitungsvorrichtung 1 in Form eines Wertdokumentstapels 3 bereit gestellt. Aus dem Eingabefach werden die Wertdokumente 10 einzeln nacheinander mittels einer Vereinzelungseinrichtung 8 abgezogen und mittels einer Transporteinrichtung, beispielsweise Rollen und/oder Riemen, entlang einer Transportrichtung x an einem Sensormodul 24 vorbei transportiert, welches zur optischen Echtheits- oder Qualitätsprüfung eines optischen Sicherheitsmerkmals der Wertdokumente ausgebildet ist. In Abhängigkeit davon, ob das jeweilige Wertdokument die bei der optischen Prüfung angelegten Kriterien erfüllt oder nicht, kann das jeweilige Wertdokument in ein erstes Ausgabefach 30 oder in ein zweites Ausgabefach 31 transportiert werden. Eine Steuereinrichtung 40 der Vorrichtung steuert die Weichen 11, 12 der Vorrichtung entsprechend, um die Wertdokumente so zu sortieren. Alternativ können die Wertdokumente 10 über den Transportabschnitt 13 auch zu weiteren Einrichtungen der Wertdokumentbearbeitungsvorrichtung 1 transportiert werden.
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1b zeigt eine schematische Darstellung einer bei der Herstellung von Wertdokumenten verwendbaren Herstellungsvorrichtung 100, die zur Herstellung einer Papierbahn 10 für Wertdokumentsubstrate ausgebildet ist. Das Sensormodul 24 ist zur optischen Qualitätsprüfung der Papierbahn 10 im Hinblick auf ein optisches Sicherheitsmerkmal ausgebildet. In Abhängigkeit davon, ob der jeweils geprüfte Abschnitt der Papierbahn die bei der optischen Prüfung angelegten Kriterien erfüllt oder nicht, kann dem jeweiligen Abschnitt der Papierbahn eine entsprechende Qualitätseinstufung zugeordnet werden, damit der jeweilige Abschnitt der Papierbahn, der die Kriterien nicht erfüllt, aussortiert werden kann. Gegebenenfalls kann der jeweilige Abschnitt der Papierbahn, der die Kriterien nicht erfüllt, dazu markiert werden.
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Die Herstellvorrichtung 100 kann aber auch eine Bogendruckvorrichtung zur Herstellung von Wertdokumentbögen 10 sein, die matrixartig mehrere Wertdokumente bzw. Halbzeuge enthalten. Die Bogendruckvorrichtung ist z.B. eine Druckmaschine für Wertdokumentbögen, in der ein optisches Sicherheitsmerkmal mittels einer Druckeinrichtung auf die herzustellenden Wertdokumente des jeweiligen Wertdokumentbogens aufgedruckt wird. Das Sensormodul 24 ist in der Druckmaschine nach der Druckeinrichtung angeordnet, um eine Druckinspektion des auf den Bogen gedruckten Sicherheitsmerkmals durchzuführen. In der Bogendruckvorrichtung können die Wertdokumentbögen 10 - analog zu den Wertdokumenten in 1a - vom Stapel vereinzelt, transportiert und geprüft werden. Dem jeweiligen Druckbogen 10 kann eine Qualitätseinstufung zugeordnet werden, damit der jeweilige Druckbogen, der die Kriterien nicht erfüllt, aussortiert werden kann. Gegebenenfalls kann der jeweilige Druckbogen, der die Kriterien nicht erfüllt, dazu markiert werden.
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Im Beispiel der 1a ist ein Sensormodul 24 gezeigt, es kann aber auch ein zweites Sensormodul 25 auf der gegenüberliegenden Seite des Transportpfads angeordnet sein, wie es in 1b dargestellt ist. Des Weiteren kann die Vorrichtung 1 auch weitere Sensormodule für weitere Prüfungen der Wertdokumente enthalten, z.B. einen Bildsensor oder einen Magnetsensor.
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Bei dem Beispiel der 1b kann - an Stelle der zwei gegenüberliegenden Sensormodule 24, 25 - auch nur eines der Sensormodule 24 eingesetzt werden, für den Fall, dass eine einseitige Prüfung des optischen Sicherheitsmerkmals ausreicht.
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Die flächige Probe 10 wird in der jeweiligen Vorrichtung 1, 100 mittels einer geeigneten Transporteinrichtung in Transportrichtung x am Sensormodul 24 vorbei transportiert. Im Idealfall befindet sich das jeweilige Wertdokument dabei in einer Soll-Messebene E. Das Sensormodul 24 ist dazu eingerichtet, von der flächigen Probe ausgehende optische Strahlung zu erfassen, während die flächige Probe an dem Sensormodul 24 vorbei bewegt wird. Das Sensormodul 24 weist mindestens eine Lichtquelle 22 auf, die dazu eingerichtet ist, das Beleuchtungs- bzw. Anregungslicht auf die flächige Probe einzustrahlen, sowie mindestens eine Detektoreinrichtung 21, die dazu eingerichtet ist, die von der flächigen Probe ausgehende optische Strahlung zu detektieren.
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Bei der optischen Strahlung, die von der flächigen Probe in Reaktion auf das auf die flächige Probe eingestrahlte Beleuchtungs-/ Anregungslicht ausgesendet wird, handelt es sich z.B. um Remissionslicht, um Lumineszenzlicht oder Raman-Streulicht.
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Zu einem oder mehreren Zeitpunkten, wenn sich die flächige Probe 10 in der Soll-Messebene E im Erfassungsbereich des Sensormoduls 24 befindet, nimmt das Sensormodul eines oder mehrere Messsignale der flächigen Probe 10 auf, das der Intensität der optischen Strahlung, z.B. von Remissions- oder Lumineszenzlicht, der flächigen Probe entspricht. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass die optische Strahlung Remissions- oder Lumineszenzlicht der flächigen Probe ist.
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1c zeigt eine schematische Draufsicht auf das Sensormodul 24, unter welchem sich eine zu prüfende flächige Probe 10 befindet, bei welcher es sich je nach Einsatz des Sensormoduls 24 um ein Wertdokument, einen Wertdokument- oder Druckbogen oder eine Papierbahn handeln kann. Aus Anschaulichkeitsgründen ist im vorliegenden Beispiel schematisch eine als Wertdokument ausgebildete flächige Probe 10 dargestellt.
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Das Sensormodul 24 kann für eine einspurige oder mehrspurige Messung der flächigen Probe ausgebildet sein, um die Messsignale der flächigen Probe entlang einer oder mehrerer Spuren SP1 bis SP5 zu erfassen. Dazu weist das Sensormodul 24 eine der Anzahl der Spuren entsprechende Anzahl von Detektoreinrichtungen 21 auf, wobei jede der Detektoreinrichtungen 21 einer der Spuren SP1 bis SP5 zugeordnet ist. Beispielsweise sind die Detektoreinrichtungen 21 jeweils dazu eingerichtet, die von der flächigen Probe ausgehende optische Strahlung in einem oder mehreren Spektralbereichen bzw. Spektralkanälen K1, K2, ... zu erfassen und die entsprechenden Signale an eine Prüfvorrichtung 23 weiterzuleiten, in welcher diese weiterverarbeitet bzw. geprüft werden. Eine erste Lichtquelle 22 und gegebenenfalls eine zusätzliche zweite Lichtquelle 22' ist im vorliegenden Beispiel dazu eingerichtet, alle Spuren SP1 bis SP5 auf der flächigen Probe gleichzeitig mit optischer Strahlung zu beaufschlagen. Alternativ dazu kann aber auch vorgesehen sein, für jede der Spuren SP1 bis SP5 eine eigene Lichtquelle 22 und ggf. 22' vorzusehen.
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In 2a ist ein Ergebnis einer Simulationsrechnung des bisher üblichen optischen Strahlengangs des Sensormoduls 24 gezeigt, das den zu erwartenden Verlauf eines mittels des Sensormoduls 24 durch das Fenster 4 hindurch erfassbaren Messsignals der in der Soll-Messebene E befindlichen flächigen Probe 10 als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene E (die bei y=0 liegt) zeigt. Dabei wird der Einfluss des Fensters 4 auf den direkten Strahlengang, die Form (Fokuslage, Divergenz, Richtung) des Beleuchtungs-/Anregungslichts und des Detektionsbereichs, sowie deren Überlapp berücksichtigt, die bei dem Sensormodul aufeinander abgestimmt sind. Aus der Simulationsrechnung ergibt sich ein Verlauf mit einem Maximum des erwarteten Messsignals in einem bestimmten Abstand zum Sensormodul 24, der im Folgenden als Soll-Modulabstand d0 bezeichnet wird. Um das größtmögliche Messsignal des Sensormoduls 24 zu detektieren, ist es bisher üblich, das Sensormodul 24 in diesem Soll-Modulabstand d0 von der (für die flächige Probe durch die Vorrichtung 1,100 vorgegebenen) Soll-Messebene E anzuordnen, in dem das Messsignal der flächigen Probe, wenn es sich in seiner Soll-Messebene E befindet, sein Maximum erreicht, vgl. 2a. Bei dieser Simulationsrechnung wurde der unten näher erläuterte Rückreflexionseffekt des Fensters 4 nicht berücksichtigt, da dessen Einfluss auf den Signalverlauf des Messsignals erst im Vorfeld der vorliegenden Erfindung erkannt wurde.
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2b zeigt die dementsprechende bisherige Anordnung des Sensormoduls 24 im Soll-Modulabstand d0 zu der vorgegebenen Soll-Messebene E der flächigen Probe 10. Zwischen dem Sensormodul und der Soll-Messebene E befindet sich das Fenster 4 an der Position, die der Messabstandsabweichung y=-g entspricht, wobei g z.B. im Bereich von 0,3 mm bis 3 mm liegt. Im Fall einer flächigen Probe 10, die senkrecht zur y-Richtung transportiert wird, begrenzt das Fenster 4 z.B. den Transportpfad der flächigen Probe 10.
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Beim Einbringen der flächigen Probe in die Soll-Messebene E, wie z.B. beim Vorbeitransportieren der flächigen Probe an dem Sensormodul mittels einer Transporteinrichtung, kann es jedoch vorkommen, dass die flächige Probe etwas außerhalb der gewünschten Soll-Messebene E positioniert wird, z.B. aufgrund von Flatterbewegungen, so dass es zu Abstandsschwankungen in Bezug auf das Sensormodul 24 kommen kann. Hierzu ist als Beispiel in 2b die Position einer flächigen Probe 10 (gestrichelt) dargestellt, die um eine Messabstandsabweichung y=dy von der Soll-Messebene E beabstandet ist und entsprechend einen tatsächlichen Messabstand a von dem Sensormodul aufweist, der von dem Soll-Modulabstand d0 abweicht. Wenn der tatsächliche Messabstand a der flächigen Probe von dem Soll-Modulabstand d0 abweicht, d.h. die Probe außerhalb der Soll-Messebene E liegt, kommt es bisher - bereits ohne Rückreflexionseffekt - zu einer deutlichen Signalvariation des Messsignals, z.B. um b0=17% im Bereich +g bis -g um Soll-Messebene E herum, vgl. 2a.
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Im Vorfeld der Erfindung wurde erkannt, dass bei einem Sensormodul mit vorgelagertem Fenster, das sich sehr nahe an der Soll-Messebene befindet, zwei Effekte zu der beobachteten Signalvariation des Messsignals in Abhängigkeit von der genauen Position der flächigen Probe beitragen können:
- Erstens weist das Sensormodul an sich eine intrinsische Abstandsabhängigkeit i0 auf, vgl. 2a. Diese ist üblicherweise so, dass das Messsignal als Funktion des Probenabstands ein lokales Maximum hat, und zwar in seinen Soll-Modulabstand, in dem von einer Probe ein maximales Messsignal detektiert wird.
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Zweitens ergibt sich - bei sehr geringem Fensterabstand des Fensters 4 von der Soll-Messebene - durch einen Rückreflexionseffekt des Fensters 4 eine Erhöhung des Messsignals für flächige Proben, die sich dann sehr nah an dem Fenster befinden. Das Fenster ist z.B. eine beschichtete oder unbeschichtete Glasplatte. Zur Erläuterung dieses Rückreflexionseffekts ist in 3a und 3b beispielhaft der Verlauf von Lichtstrahlen beim Rückreflexionseffekt für verschiedene Abstände g1=1 mm (3a) und g2=0,5 mm (3b) des Fensters 4 von der flächigen Probe 10 gezeigt. Der Detektionsbereich 20 der flächigen Probe 10 erstreckt sich in der Richtung x senkrecht zur optischen Achse bzw. auf der Probenoberfläche von -1 mm bis +1 mm.
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Die in 3a und 3b durchgezogen dargestellten Lichtstrahlen gehen im Mittelpunkt des Detektionsbereichs 20 von der Probenoberfläche aus, werden am Fenster 4 reflektiert und fallen wieder in den Detektionsbereich 20 der flächigen Probe 10 und können zum Messsignal beitragen. Die gestrichelt dargestellten Lichtstrahlen treffen hingegen außerhalb des Detektionsbereichs 20 auf und tragen nicht dazu bei. Wie man sieht, tragen im Fall eines geringen Abstands zwischen Probe und Fenster (vgl. 3b) Reflexionen aus einem größeren Winkelbereich zur Messung bei als im Fall eines größeren Abstands (vgl. 3a).
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Für eine Remissionsmessung entsteht dieser Rückreflexionseffekt auf folgende Weise: Das Beleuchtungslicht fällt durch das Fenster auf die flächige Probe. An der Probenoberfläche wird das Beleuchtungslicht in alle Richtungen gestreut und trifft unter verschiedenen Winkeln wieder auf das Fenster. Bei großen Winkeln (ca. > 50°) wird gemäß dem Reflexionsgesetz am Übergang zwischen optisch dünnerem Medium (Luft) und optisch dichterem Medium (Fenster) ein signifikanter Anteil des Beleuchtungslichts an dem Fenster 4 wieder in Richtung flächige Probe 10 reflektiert. Dieses Beleuchtungslicht kann an der Probenoberfläche dann in Richtung des Sensormoduls 24 gestreut werden. Ist der Abstand flächige Probe - Fenster klein, bleibt auch bei sehr großen Winkeln der Versatz beim Wiederauftreffen des Beleuchtungslichts auf die Probe klein. Liegt der Versatz noch innerhalb des Detektionsbereichs 20, trägt das an dem Fenster 4 zurückreflektierte und nochmals an der Probe gestreute Beleuchtungslicht auch zum Messsignal des Sensormoduls 24 bei.
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Für eine Lumineszenzmessung treten an dem Fenster 4 zwei Effekte auf:
- Erstens wird Anregungslicht an der flächigen Probe gestreut, an dem Fenster 4 zur flächigen Probe zurückreflektiert wie oben beschrieben und kann dort erneut Lumineszenz anregen. Zweitens wird in der flächigen Probe angeregte Lumineszenz isotrop in alle Richtungen abgestrahlt und trifft unter verschiedenen Winkeln auf das Fenster 4. Bei großen Winkeln (ca. >50°) wird ein signifikanter Anteil des Lichts an dem Fenster 4 reflektiert, wieder in Richtung flächige Probe. Dieses Licht kann an der Probenoberfläche wieder in Richtung des Sensormoduls 24 gestreut werden. Beide Effekte tragen nur dann zum gemessenen Lumineszenz-Messsignal bei, wenn das Licht nach der Reflexion an dem Fenster 4 innerhalb des Detektionsbereichs 20 auf der Probe auftrifft. Für einen geringen Abstand g1 zwischen flächiger Probe und Fenster ist das für einen größeren Winkelbereich der Fall als für einen größeren Abstand g1, wodurch das gemessene Lumineszenz-Messsignal ansteigt.
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In 3c ist die durch den Rückreflexionseffekt verursachte Erhöhung des Messsignals für geringe Messabstände skizziert, vgl. Kurve r1. Ein analoger Rückreflexionseffekt kann auch an einem an der rückseitigen Begrenzung des Messbereichs bzw. Transportpfads angeordneten weiteren Fenster 5 auftreten, vgl. 1b und 5a-d, und zu einer weiteren Erhöhung des Messsignals beitragen.
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In 2c ist der Verlauf des Messsignals der flächigen Probe als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene E bei einem im Soll-Modulabstand d0 angeordneten Sensormodul 24 mit Rückreflexionseffekt gezeigt. Dabei ist die mit i0 bezeichnete Kurve die intrinsische Abstandsabhängigkeit des Sensormoduls 24, wenn dieses im Soll-Modulabstand d0 zur Soll-Messebene E positioniert ist, vgl. 2a. Die mit r1 bezeichnete Kurve zeigt die Erhöhung des Messsignals aufgrund des Rückreflexionseffekts aus 3c und die mit t0 bezeichnete Kurve deren Überlagerung bzw. Summe der Kurven i0 und r1. Die resultierende Kurve t0 zeigt, dass es unter Berücksichtigung des Rückreflexionseffekts beim bisher üblichen Soll-Modulabstand d0 sogar zu einer noch stärkeren Signalvariation des Messsignals kommt als ohne den Rückreflexionseffekt (vgl. b0=17% in 2a), z.B. um b1=33% im Bereich +g bis -g um die Soll-Messebene E herum.
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Eine Positionierung des Sensormoduls im Soll-Modulabstand d0 entspricht dem bisher üblichen Vorgehen, da sie sich - unabhängig von der Stärke oder dem Vorhandensein des Rückreflexionseffekts - auch bei einer rein empirischen Optimierung der gemessenen bzw. messbaren Höhe des Messsignals ergibt. Dazu wird bisher eine ruhende flächige Probe exakt in der Soll-Messebene E des Sensormoduls positioniert. Anschließend wird bisher der Modulabstand so variiert, dass - bei sonst gleichen Bedingungen - das Messsignal der flächigen Probe maximal wird. Der so eingestellte Modulabstand entspricht gerade dem Soll-Modulabstand d0 des Sensormoduls.
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Es wurde herausgefunden, dass sich die intrinsische Abstandsabhängigkeit i0 des Sensormoduls 24 und der Signalzuwachs durch den Rückreflexionseffekt r1, r2 des/der Fenster/ s 4, 5 gegenseitig zumindest teilweise ausgleichen können, wenn das Sensormodul 24 in einem anderen Abstand von der Soll-Messebene E positioniert wird. Bevorzugt wird das Sensormodul 24 hierzu in einem Modulabstand d positioniert, der näher an der Soll-Messebene E liegt als der bisher übliche Soll-Modulabstand d0, der durch die intrinsische Abstandsabhängigkeit i0 und deren Maximum vorgegeben ist, vgl. 4a, 4b.
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Im Ausführungsbeispiel der 4a, 4b wird nur ein Fenster 4 zwischen dem Sensormodul 24 und der Soll-Messebene E verwendet, aber kein rückwärtiges Fenster 5. Optional kann es aber trotzdem eine rückseitige Begrenzung des Transportpfades geben, die z.B. opak ist und keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Rückreflexion aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Sensormodul 24 in einem Modulabstand d=4,9 mm positioniert, der näher an der Soll-Messebene E liegt als der für das Sensormodul vorgegebene Soll-Modulabstand d0=5,7 mm, vgl. 4b.
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Die in 4a mit i bezeichnete Kurve zeigt die intrinsische Abstandsabhängigkeit i des Sensormoduls 24, wenn dieses im Modulabstand d zur Soll-Messebene E positioniert ist. Im Vergleich zur intrinsischen Abstandsabhängigkeit i0 bei Positionierung im Soll-Modulabstand d0 aus 2a, 2c ist diese intrinsische Abstandsabhängigkeit i nach rechts verschoben. Die in 4a mit r1 bezeichnete Kurve zeigt die Erhöhung des Messsignals aufgrund des Rückreflexionseffekts. und die mit t bezeichnete Kurve deren Überlagerung bzw. Summe der Kurven i und r1. Die resultierende Kurve t zeigt, dass das Absinken des Messsignals aufgrund des vom Soll-Modulabstand d0 abweichenden Modulabstand den Intensitätszuwachs durch die Rückreflexion an dem Fenster 4 das s d recht gut kompensiert.
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Da der Modulabstand d von der Soll-Messebene E geringer gewählt ist als der übliche Soll-Modulabstand d0, befindet sich die Maximums-Messposition pm, in der das maximale Messsignal m erreicht werden würde, nun aber hinter der Soll-Messebene E, d.h. auf der vom Sensormodul 24 abgewandten Seite der Soll-Messebene E, vgl. 4a. In diesem Ausführungsbeispiel liegt diese Maximums-Messposition bei pm=+0,7 mm. Das Messsignal einer in der Soll-Messebene E befindlichen flächigen Probe ist aber nur geringfügig reduziert im Vergleich zum maximalen Messsignal und im Hinblick auf sein Signal-Rausch-Verhältnis immer noch ausreichend hoch.
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Durch den gezielt veränderten Modulabstand d in Verbindung mit dem Rückreflexionseffekt des Fensters ist die Signalvariation des Messsignals als Funktion der Messabstandsabweichung y im Bereich der Soll-Messebene E deutlich reduziert. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Signalvariation des Messsignals als Funktion der Messabstandsabweichung y nur b=5 % über die gesamte Breite des Transportpfads (von -g bis +g). Im Vergleich dazu zeigt die Kurve i in 4a und die in 2a gezeigte Kurve i0 mit der Signalvariation b0=17%, dass ohne das Zusammenspiel zwischen dem veränderten Modulabstand d und dem Rückreflexionseffekt des Fensters eine deutlich größere Signalvariation des Messsignals auftreten würde.
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Diese Signalvariation von b=5% ist deutlich geringer als für andere Modulabstände und verglichen mit demselben Sensormodul ohne Fenster bzw. ohne Rückreflexionseffekt eines Fensters. Die geringe Signalvariation ermöglicht es, dass beispielsweise bei einer Echtheitsprüfung der als echt beurteilte Akzeptanzbereich deutlich enger gewählt werden kann, was die Echtheitsprüfung strenger und zuverlässiger macht.
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Die erfindungsgemäß erreichte Reduzierung der Signalvariation durch eine Optimierung des Sensorabstands kann bei allen bekannten Lumineszenz- und Remissionssensoren mit begrenztem Beleuchtungs- und/oder Detektionsbereich zum Einsatz kommen. Insbesondere können Beleuchtungs- und Detektions-Strahlengang parallel oder unter einem Winkel zueinander angeordnet sein, und es sind jegliche optische Anordnungen zur Konzentration der Beleuchtung bzw. Detektion auf einen begrenzten Bereich einsetzbar, insbesondere kollimierte und fokussierte Strahlen mit Linsen, Hohlspiegeln und weiteren optischen Bauteilen im Strahlengang. Die Methode ist für beliebige Beleuchtungs- und Detektionswellenlängen anwendbar.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die rückseitige Begrenzung des Transportpfades durch ein weiteres Fenster 5 im Abstand g zur Soll-Messebene E gebildet, das ebenfalls eine Rückreflexion des Beleuchtungs- bzw. Anregungslichts bewirkt, vgl. 5b. Das Fenster 5 kann aber auch in einem anderen Abstand zur Soll-Messebene E als das Fenster 4 angeordnet sein.
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Auch im Fall von zwei Fenstern 4, 5 ergibt sich, durch die übliche Optimierung der Höhe des Messsignals an einer ruhenden Probe, bisher eine Position des Sensormoduls im Soll-Modulabstand d0, wie oben beschrieben. Bei der üblichen Positionierung des Sensormoduls 24 im Soll-Modulabstand d0 ergeben sich dann die in 5a gezeigten Kurven i0' für die die intrinsische Abstandsabhängigkeit des Sensormoduls 24, r1 und r2 für die Erhöhung des Messsignals aufgrund des Rückreflexionseffekts an den beiden Fenstern 4 und 5 und die Kurve t0' deren Überlagerung bzw. Summe der Kurven i0', r1 und r2. Die Signalvariation der Kurve t0' über den kompletten Bereich zwischen den Fenstern beträgt dann b1'=17%, vgl. 5a.
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Durch den zusätzlichen Rückreflexionseffekt des rückseitigen Fensters 5 ergibt sich für das Sensormodul 24 ein anderer bevorzugter Modulabstand d, in dem das Absinken des Messsignals aufgrund des von der Soll-Messebene abweichenden Messabstands den Intensitätszuwachs durch die Rückreflexionen an den Fenstern 4 und 5 gut kompensiert. Um die resultierende Signalvariation des Messsignals möglichst gering zu halten, wird das Sensormodul in diesem Ausführungsbeispiel in einem Modulabstand d'=5,2 mm positioniert, der zwischen dem Soll-Modulabstand d0=5,7 mm und dem im Ausführungsbeispiel mit nur einem Fenster 4 gewählten Modulabstand d=4,9 mm liegt (vgl. 4a, b), vgl. 5b.
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5c zeigt den Verlauf des Messsignals der flächigen Probe 10 als Funktion der Messabstandsabweichung y von der Soll-Messebene E für das im Modulabstand d'=5,2 mm angeordnete Sensormodul mit Rückreflexionseffekt beider Fenster 4, 5. Das Maximum der intrinsischen Abstandsabhängigkeit i' wird im Fall zweier Fenster 4, 5 näher zur Soll-Messebene E gelegt als im Fall nur eines Fensters 4. Für den Modulabstand von d'=5,2 mm beträgt die verbleibende Signalvariation der aus i', r1 und r2 resultierenden Kurve t' über den kompletten Bereich zwischen den Fenstern nur noch ca. b'=3%, vgl. 5c.
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In wird gezeigt, wie sich im Fall der beiden Fenster 4, 5 die Abhängigkeit des Messsignals von der Messabstandsabweichung y und die Signalvariation des Messsignals über den Bereich zwischen den Fenstern verändert, wenn der Abstand des Sensormoduls 24 vom optimierten Modulabstand d'=5,2 mm um 0,5 mm nach vorne oder hinten auf d1'=4,7 mm und d2'=d0=5,7 mm variiert wird. Dabei wurde jede Kurve einzeln auf das Messsignal in der Soll-Messebene E normiert (100%). Sowohl bei einem Modulabstand von d1'=4,7 mm als auch bei einem Modulabstand von d2'=d0=5,7 mm ergibt sich eine große Signalvariation des Messsignals von über 20%, die deutlich höher ist als im Fall des für den Fall beider Fenster 4, 5 optimierten Modulabstands d'=5,2 mm (nur ca. 3%).
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Das Sensormodul 24 kann ggf. auch mehrere Messspuren aufweisen, vgl. 1c, und eine der Anzahl der Spuren entsprechende Anzahl von Detektoreinrichtungen 21 aufweisen. Falls sich die Abstände der Detektoreinrichtungen 21 individuell einstellen lassen, kann für jede der Detektoreinrichtungen 21 ein hinsichtlich der Signalvariation des Messsignals optimierter Messabstand gewählt werden, wie es oben beschrieben wurde. Aufgrund von Herstellungstoleranzen der Detektoreinrichtungen kann sich so ein Sensormodul ergeben, in dem jede Detektoreinrichtung 21 einen individuell unterschiedlichen Abstand zur Soll-Messebene E aufweist. Beispielsweise haben die Detektoreinrichtungen eines Sensormoduls 24 individuelle relative Positionen, die von denen anderer Sensormodule derselben Baureihe abweichen. Falls sich bei dem Sensormodul 24 die Abstände der Detektoreinrichtungen 21 von der Soll-Messebene E jedoch nicht individuell einstellen lassen, kann der Modulabstand des (gesamten) Sensormoduls 24 so eingestellt werden, dass er für eine bestimmte Messspur, z.B. die in Bezug auf die Prüfung der flächigen Probe wichtigste Messspur, hinsichtlich der Signalvariation des Messsignals optimiert ist. Alternativ kann der Modulabstand des Sensormoduls 24 hinsichtlich der Signalvariation des Messsignals auch auf Basis eines (optional gewichteten) Mittelwerts der Messsignale mehrerer oder aller Messspuren des Sensormoduls 24 optimiert werden.
