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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von Banknoten, mit einem
zeilenförmigen Sensor
und einer zeilenförmigen
Lichtquelle, bei der die Banknoten für die Prüfung zwischen dem Sensor und
der Lichtquelle an diesen vorbei bewegt werden, wobei der Sensor
durch die Banknoten transmittiertes Licht der Lichtquelle erfasst.
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Derartige
Vorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 198 40 482 A1 bekannt
und werden üblicher
Weise als Transmissionssensoren bezeichnet, da durch die zu prüfenden Banknoten
transmittiertes Licht einer Lichtquelle von einem Sensor erfasst
und ausgewertet wird. Dabei kann zwischen einer Hellfeld- und einer
Dunkelfeld-Messung unterschieden werden, je nachdem, ob die Beleuchtung
so angeordnet ist, dass das Licht aus der Quelle auf den Detektor
trifft (Hellfeld) oder nicht (Dunkelfeld). Bei der Dunkelfeld-Beleuchtung erfasst
der Detektor nur von der Banknote gestreutes, d.h. in seiner Richtung
verändertes,
Licht.
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Die
bekannten Hellfeld-Vorrichtungen werden häufig dazu verwendet, das Format
von Banknoten und/oder Beschädigungen,
z. B. Risse oder Löcher,
durch Schattenwurf in den Banknoten zu erkennen. Dazu ist einerseits
der helle Hintergrund unerläßlich, um
z. B. die Beschädigungen
von Bereichen mit dunkler Bedruckung sicher unterscheiden zu können. Andererseits
soll der Schatten selbst möglichst dunkel
sein. Insbesondere zur Erkennung kleiner Defekte (wie Nadellöcher oder
nur schwach geöffnetet Risse)
oder von lasererzeugten Perforationen mit Durchmessern der Größenordnung
0,05 mm muss der Kontrast der Banknoten zum Hintergrund möglichst
hoch sein. Dies muss auch für
Bereiche mit maximaler Transmission gelten, also z. B. Bereiche ohne
Bedruckung oder sogar für
transparente Bereiche wie Durchsichtregister auf Banknoten mit Kuststoff-Substrat.
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Weiterhin
ist in den üblichen
Banknotenbearbeitungssystemen die Transportebene der Banknoten nur
ungenau definiert; die Banknoten können um eine Soll-Ebene herum
flattern, wodurch sich die Schnittweiten zu einer Beleuchtungs-
und Abbildungsoptik ändern.
Damit dieses Flatten nicht zu Intensitäts- und Maßstabsschwankungen führt, müssen beide
Optiken genügend
telezentrisch ausgelegt sein, d.h. sie dürfen nur Lichtstahlen verwenden,
die nur wenige Grad von den Parallelen zur optischen Achse abweichen.
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Bei
den bekannten Vorrichtungen für
die Prüfung
von Banknoten im Hellfeld wird für
den Hintergrund in der Regel eine Zeile von Chip-LEDs oder eine
hinterleuchtete Fläche
verwendet. Dadurch wird der Kontrast auf einen niedrigeren Wert
eingestellt, als er bei optimaler Beleuchtung erreicht werden kann,
weil auch Lichtstrahlen die Banknote beleuchten, welche aufgrund
ihrer Richtung zur optischen Achse zwar zum Streulicht, aber nicht
zum Hintergrund beitragen können.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zur Prüfung
von Banknoten mit einem zeilenförmigen
Sensor und einer zeilenförmigen
Lichtquelle anzugeben, bei der die Banknoten für die Prüfung zwischen dem Sensor und
der Lichtquelle an diesen vorbei bewegt werden, wobei der Sensor
durch die Banknoten transmittiertes Licht der Lichtquelle erfasst,
die mit einer Lichtquelle mit möglichst
geringer Lichtstärke
auskommt, den Kontrast zwischen dem hellen Hintergrund und dem durch
Streuung transmittierten Licht maximiert. Zusätzlich sollen nur kleine Maßstabsschwankungen beim
Flattern der Banknoten zugelassen werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst.
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Die
Erfindung geht dabei von einer Vorrichtung zur Prüfung von
Banknoten mit einem zeilenförmigen
Sensor und einer zeilenförmigen
Lichtquelle aus, bei der die Banknoten für die Prüfung zwischen dem Sensor und
der Lichtquelle an diesen vorbei bewegt werden, wobei der Sensor
durch die Banknoten transmittiertes Licht der Lichtquelle erfasst,
bei welcher der zeilenförmige
Sensor und die zeilenförmige Lichtquelle
jeweils eine Apertur derart aufweisen, dass die Apertur der Lichtquelle
gleich oder kleiner der Apertur des Sensors ist, wobei beide Aperturen genügend klein
sind.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist den Vorteil auf, dass durch die Anpassung der Apertur von
Lichtquelle und Sensor alle Lichtstrahlen aus der Quelle, welche
den vom Detektor erfassten Bereich der Banknote beleuchten, bei
Abwesenheit einer Banknote den Detektor erreichen. Daher kann die Lichtstärke der
Lichtquelle so gering gewählt
werden, dass die Beleuchtungsstärke
in der Ebene der Banknote nicht größer sein muß, als es für die Vollaussteuerung des
Sensors bei Abwesenheit einer Banknote zwischen Lichtquelle und
Sensor erforderlich ist. Dadurch ist nur eine geringe Lichtstärke der
Lichtquelle erforderlich, wodurch die auftretende Verlustleistung
stark verringert werden kann.
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Zusätzlich wird
durch die angepasste Apertur der Beleuchtung erreicht, dass das
von den zu prüfenden
Banknoten gestreute Licht minimiert wird, wodurch ein hoher Kontrast
erreicht wird. Dieser Kontrast (hier definiert als Quotient des
Signals ohne Banknote zum Signal mit Banknote) ist bei einer 1:1-Abbildung
und idealer Streuung in der Banknote gemäß dem Lambert'schen Gesetz (in
eine im Halbraum kugelförmige
Charakteristik) annähernd
gleich dem Quotienten aus dem 16-fachen der die Apertur bestimmenden
Blendenzahl K (dereren Kehrwert Öffnungsverhältnis genannt
wird) und dem Transmissionskoeffizienten T (stets kleiner 1) der
Banknote.
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Haben
also Beleuchtung und Abbildung jeweils eine Apertur, welche der
Blendenzahl K = 2 entspricht, so ist der maximal erreichbare Kontrast
bei Lambert-Streuung annähernd
das 64-fache des reziproken Transmissionskoeffizienten 1/T; bei
einer Blendenzahl 4 ist es bereits das 256-fache.
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In
einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung gleichartige SELFOC®-Linsen
mit gleichartigen Abbildungseigenschaften jeweils vor Lichtquelle
und Sensor auf. Diese bestehen aus einer parallelen Anordnung von
Lichtleiter-Stablinsen
kleinen Durchmessers mit aufrechter 1:1-Abbildung. Für die Abbildung eines
zeilenförmigen
Objekts ist die Anordnung im wesentlichen linear in Zeilenrichtung
mit einer oder mehreren Reihen senkrecht dazu. Die von den einzelnen
Stablinsen erzeugten Bilder überlagern
sich zu einem zeilenförmigen
Bild. Die Apertur der einzelnen Stablinse bestimmt die Apertur im
gesamten Bild. Je kleiner die Apertur ist (typisch sind für die beschriebene
Anwendung Blendenzahlen zwischen 2 und 5), um so größer wird
der Kontrast und umso mehr nähern
sich auch Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengänge dem Ideal des telezentrischen Strahlengangs
an, umso geringer werden also auch Maßstabsänderungen durch das Banknoten-Flattern.
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Die
Verwendung von preiswerten SELFOC®-Linsen
macht einen näherungsweise
telezentrischen Strahlengang überhaupt
erst in kompakter Bauform möglich
und zu wesentlich geringeren Kosten realisierbar. Herkömmliche
telezentrische Objektive sind sehr groß in ihrer Bauform. Insbesondere muss
ihr Durchmesser gleich der größten zu
erfassenden Dimension sein, das wären für den zu erfassendenn Spalt
ca. 100 mm. Von derselben Größenordnung
muss dann auch deren Brennweite sein; die Baulänge beträgt davon meist noch das Drei-
bis Vierfache.
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Die
Ausgestaltung weist weiterhin den Vorteil auf, dass die Vorrichtung
wegen der geringen Ausdehnung der SELFOC®-Linsen
in Richtung des Transports der zu prüfenden Banknoten leicht in
ein Transportsystem einer Banknotenbearbeitungsmaschine integriert
werden kann. Insbesondere erlaubt die geringe Ausdehnung auch eine
Ausgestaltung als Freiflugstrecke, d. h. das Transportsystem reicht
nur bis an die vordere und hintere Begrenzung der Vorrichtung heran,
während
das Transportsystem nicht in den Bereich der Vorrichtung hinein
reicht, wodurch die Banknoten ohne Abdeckung durch das Transportsystem
vollständig
geprüft
werden können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Lichtquelle
auf, die einen Ulbricht-Zylinder enthält. Dieser ist die zylindrische Ausführung der
bekannten Ulbricht-Kugel.
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Die
weitere Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass der Ulbricht-Zylinder
insbesondere zusammen mit der SELFOC-Linse eine homogene, zeilenförmige Beleuchtung
mit vorgegebener Apertur ermöglicht.
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der
beigefügten
Figur näher
erläutert
und beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung 1 zur
Prüfung
von Banknoten BN in einer Ansicht in Transportrichtung der zu prüfenden Banknoten
und einer Ansicht von der Seite.
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Die
Vorrichtung 1 zur Prüfung
von Banknoten BN weist eine zeilenförmige Lichtquelle 2, 3, 4 und
einen zeilenförmigen
Sensor 5, 6, 7 auf. Der zeilenförmige Sensor 5, 6, 7 kann
von einem zeilenförmigen Träger 7 mit
Fotodioden 6 oder auch von einem zeilenförmigen CCD-
oder CMOS-Array gebildet werden. Mit marktüblichen Bauteilen können damit
ohne weiteres Auflösungen
von 0,1 mm erreicht werden. Zeilenförmige Lichtquelle 2, 3, 4 und
zeilenförmiger Sensor 5, 4, 6 weisen
Ausdehnungen auf, die mindestens der Abmessung der größten zu
untersuchenden Banknote entsprechen. Vorteilhaft werden die Ausdehnungen
jedoch größer als
die Abmessung der größten zu
untersuchenden Banknote gewählt, um
die Ränder
der Banknote auch bei Schwankungen ihrer Lage relativ zum Sensor
zu erfassen. Abhängig
vom Transport der zu prüfenden
Banknoten ist unter Abmessung der Banknote entweder deren Länge oder
Breite zu verstehen.
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Zeilenförmige Lichtquelle 2, 3, 4 und
zeilenförmiger
Sensor 5, 6, 7 weisen jeweils eine Apertur (mit 9 ist
je ein Lichtbündel
in den beiden gezeigten Schnittebenen bezeichnet) auf, die derart
gestaltet sind, dass die Apertur der Lichtquelle 2, 3, 4 gleich oder
kleiner der Apertur des Sensors 5, 6, 7 ist.
Die Aperturen von Lichtquelle 2, 3, 4 und
Sensor 5, 6, 7 können von jeweils einem abbildenden
System 4 der Lichtquelle 2, 3, 4 und
einem abbildenden System 5 des Sensors 5, 6, 7 gebildet
werden. Insbesondere können
die abbildenden Systeme 4 und 5 gleichartig aufgebaut
sein, mit gleichartigen Abbildungseigenschaften. Die abbildenden
Systeme 4 und 5 können von Linsen gebildet werden.
Besonders geeignet für die
Linsen 4 und 5 sind Linsenarrays, d. h. linear
angeordnete Gradientenlinsen, welche eine 1:1-Abbildung erzeugen
und nur Strahlen eines kleinen Winkelbereichs erfassen. Derartige,
linear angeordnete Gradientenlinsen sind unter der Bezeichnung SELFOC® bekannt.
Linear angeordnete Gradientenlinsen weisen zudem den Vorteil auf,
dass sie in Richtung des Transports der zu prüfenden Banknoten nur eine geringe
Ausdehnung aufweisen, z. B. 2 mm. Dies erlaubt den Einbau der Vorrichtung 1 in
das Transportsystem einer Banknotenbearbeitungsmaschine mit sogenannter
Freiflugstrecke, d. h. im Bereich der Vorrichtung 1 befinden
sich keine Teile des Transportsystems, weshalb die Flächen der
zu prüfenden Banknoten
vollständig
von der Vorrichtung 1 bzw. dem Sensor 5, 6, 7 erfasst
werden können.
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Weiterhin
können
in Kombination mit den abbildenden Systemen 4 und/ oder 5 nicht
dargestellte Blenden verwendet werden, zu einer weiteren Einstellung
der jeweils gewünschten
Apertur.
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Die
zeilenförmige
Lichtquelle 2, 3, 4 sendet vorwiegend
homogenes Licht aus. Vorteilhaft wird die Lichtquelle 2, 3, 4 dazu
von einem Ulbricht-Zylinder 2 mit
Leuchtmitteln 3 gebildet, z. B. LEDs oder Laserdioden.
Der Ulbricht-Zylinder 2 erzeugt über das abbildende System 4 eine
homogen beleuchtete Fläche
in der Ebene der zu prüfenden
Banknoten, wobei die Leuchtfläche
von der Rückwand
des Ulbricht-Zylinders 2 gebildet wird. Die Homogenisierung
des Lichts wird durch mehrfache Streureflexion an den Wänden des
Ulbricht-Zylinders 2 und die unscharfe Abbildung der Rückwand durch
das abbildende System 4, welches seinen Fokus etwa in der
Mitte des Ulbricht-Zylinders 2 hat, erreicht. Bei einer
Länge von
100 mm, einem Zylinderradius von 10 mm und einer Auskoppel-Spaltbreite
von 1 mm kann ein Wirkungsgrad von ca. 15 % für das ausgekoppelte Licht erreicht
werden. Durch Anschließen
eines in Richtung auf das abbildende System 4 sich von
beispielsweise 1 auf 2 mm erweiternden Kanals 8 mit etwa
30° geneigten, spiegelnden
Wänden
unmittelbar an die Zylinderwand, kann der Wirkungsgrad der Auskopplung
etwa verdoppelt werden und somit die Leistung der Leuchtmittel 3 entsprechend
verringert werden.
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Als
weitere Mittel zur Verbesserung des Auskoppelgrades können Prismenfolien
und/oder oder reflektierende Polarisatoren (VIKUITITM von
3M) in den Auskoppelspalt des Ulbricht-Zylinders 2 eingebracht
werden. Diese wurden für
die Lichtkonzentration in den nutzbaren Blickwinkel und ver lustarme Polarisation
bei LCD-Displays entwickelt. Die Detektion von polarisiertem Licht
mit einem parallelen Polarisator auf der Seite des Sensors 5, 6, 7 ergibt
außerdem
eine weitere Erhöhung
des Kontrasts um den Faktor 2, da die Streuung die Polarisation
aufhebt und damit das Signal halbiert.
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Werden
die Leuchtmittel 3, wie dargestellt, an den Enden des Ulbricht-Zylinders 2 angebracht, ergibt
sich wegen kontinuierlicher Auskoppelverluste in Längsrichtung
ein Abfall zur Mitte hin. Die Inhomogenität wird um so größer, je
kleiner der diffuse Reflexionskoeffizient der Wand des Ulbricht-Zylinders 2 ist.
Bei vorgegebenem Reflexionskoeffizient erhält man eine homogenere Auskopplung,
wenn man die Wand partiell in Bereichen reflektierend gestaltet,
die nicht direkt von dem abbildenden System 4 erfasst werden
können.
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Eine
andere Möglichkeit
zur Homogenisierung besteht darin, mehrere Leuchtmittel 3 seitlich
in den Ulbricht-Zylinder 2 hineinragen zu lassen. In diesem
Fall ist es ist es vorteilhaft, die Leuchtmittel ein Stück von den
Enden entfernt (z.B. bei ca. 1/4 und 3/4 der Länge) anzubringen.
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Besonders
vorteilhaft wird die Vorrichtung 1 zur Prüfung von
Banknoten BN dazu verwendet, das Format der zu prüfenden Banknoten
BN und/oder Beschädigungen,
wie z. B. Risse oder Löcher,
zu ermitteln, wozu die Verarbeitung eines durch den Sensor 5, 6, 7 aus
dem Messignal mit Hilfe einer geeigneten Schwelle erzeugten binären Signals
ausreicht, das wegen des beschriebenen großen Kontrasts besonders mit
hoher Genauigkeit bereits kleine Löcher und Risse detektieren
kann. Ebenso können
Signale vom Sensors 5, 6, 7 erzeugt und
verarbeitet werden, die mehrere Abstufungen aufweisen, z. B. Graustufensignale.